電力線網(wǎng)絡(luò)阻抗 - 電力線通信設(shè)計(jì)的可靠性分析

　　電力線網(wǎng)絡(luò)阻抗

　　電力線上的信號阻抗會影響信號功率，可以由發(fā)射機(jī)傳輸?shù)诫娏€。此阻抗依賴于電力線和連接到電力線的節(jié)點(diǎn)/設(shè)備的阻抗。每次設(shè)備或節(jié)點(diǎn)插進(jìn)電源插座時(shí)電力線阻抗都會發(fā)生變化。當(dāng)電力線信號阻抗和發(fā)射機(jī)電路匹配時(shí)，傳輸?shù)男盘柟β首畲?。這兩個(gè)阻抗相差越大，傳輸信號功率越小，因而，電力線通信性能會更差。

　　這種阻抗動態(tài)變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一。如果想要達(dá)到的電力信號性能的魯棒性，那么電力線通信的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要事先設(shè)計(jì)能預(yù)測這些阻抗的變化。發(fā)射機(jī)的不斷地和電力線匹配阻抗，可以使信號最大化傳輸，同時(shí)接收機(jī)高阻抗可以確保接收端信號丟失最少。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　一個(gè)良好的魯棒性和無差錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可能對電力線通信的可靠性有最大的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)很少有不受物理因素控制的，如噪聲和電力線阻抗，最優(yōu)化電力線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)施可顯著提高PLC的性能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以使PLC系統(tǒng)成功或失敗，使用正確的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有可能達(dá)到100%成功的電力線通信。

　　考慮到大多數(shù)電力線通信應(yīng)用支持同一電力線上有數(shù)十到數(shù)百節(jié)點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，這樣所有節(jié)點(diǎn)可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)占通信通道。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定義和實(shí)施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節(jié)點(diǎn)最大數(shù)量。這篇文章所討論的噪聲章節(jié)，其大部分技術(shù)中可以用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，例如，確認(rèn)、重試、CRC。跑在PLC系統(tǒng)上的程序?qū)崿F(xiàn)方式，不必?fù)?dān)心其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從應(yīng)用程序來看，軟件只會收到有效的電力線通信數(shù)據(jù)。一些電力線通信設(shè)備內(nèi)置了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而另一些則要求開發(fā)人員定義、寫代碼、并進(jìn)行管理。如果協(xié)議不能在PLC設(shè)備本身運(yùn)行，開發(fā)人員需要考慮指定另一個(gè)處理器來運(yùn)行協(xié)議。

　　另一個(gè)重要的方面就是互操作性和共處。CENELEC委員會的載波偵聽多路訪問（CSMA）（見圖4）確保了一套電力線通信節(jié)點(diǎn)可以與其他廠商的共存。PLC設(shè)備以令人難以置信的速度增長，這是保證PLC設(shè)備部署面向未來的一個(gè)重要方式。

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圖4：多個(gè)PLC節(jié)點(diǎn)共享同一條電力線

　　CENELEC委員會的載波偵聽多路訪問（CSMA）方法確保了多個(gè)節(jié)電可以在同一條電力線共存并有效的共享訪問。

　　接收機(jī)（Rx）靈敏度

　　根據(jù)電力線的特點(diǎn)、負(fù)載、和通過電力線的分段長度，信號在接收機(jī)接收之前會明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機(jī)（也就是說，它可以可靠地接收到非常低強(qiáng)度的信號）可以從線上收到較低強(qiáng)度的信號，從而可以增加有效的通訊距離。然而，高靈敏度并不總是好的。例如，一個(gè)高靈敏度的接收機(jī)，不僅能檢測到小信號，它也能檢測到通道中的小噪聲。因此，重要的是，需要有一個(gè)機(jī)制可以有效的防止接收機(jī)把噪聲混淆為實(shí)際信號。自適應(yīng)增益控制（AGC）就是可以達(dá)到這個(gè)目的一種機(jī)制。就象之前討論的，使用自適應(yīng)增益控制，接收機(jī)可以在噪聲平面動態(tài)調(diào)整靈敏度，這樣它就可以更好的區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)。

　　多個(gè)相位

　　大多數(shù)的建筑物有50Hz/60Hz變壓器產(chǎn)生的多個(gè)相位。因?yàn)榇蠖鄶?shù)PLC信號工作在較高的頻率，所以有一種可能，就是信號會被變壓器過濾掉，因而無法傳輸?shù)较噜彽南辔弧Ｏ噜徬辔缓芸赡芫驮谕淮狈孔永?。這就產(chǎn)生了一個(gè)潛在的問題，PLC信號不能到達(dá)房子或建筑物的所有相位。這是完全依賴于變壓器的設(shè)計(jì)。解決這個(gè)問題的辦法是，把PLC信號從一個(gè)相位耦合到到另一個(gè)。有兩種大家都了解的技術(shù)可以做到這一點(diǎn)：

　　1）電容式相耦合：這種技術(shù)需要在變壓器端連接一個(gè)電容穿過相位，PLC信號可以通過。在這里，變壓器的物理訪問是必需的，在許多情況下這種方法可能不可行或性價(jià)比高。

　　2）：無線相耦合：在這種技術(shù)中，PLC數(shù)據(jù)從一個(gè)相位傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)使用了兩種射頻設(shè)備—每個(gè)相位連接一個(gè)。這兩個(gè)設(shè)備可以連接到相位的任何插座，只要他們都在彼此的范圍。實(shí)施這一技術(shù)不需要用到變壓器的物理存取。

　　無線耦合不會打擾到變壓器，因此在大多數(shù)情況下它比電容耦合更受歡迎。一些電力線通信設(shè)備出廠時(shí)就有無線耦合可供選擇，而另一些設(shè)備沒有無線耦合選項(xiàng)，需要設(shè)計(jì)者自己開發(fā)一種相位耦合方式。

　　系統(tǒng)成本

　　電力線通信中可靠性是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，同時(shí)，為了在市場上進(jìn)行競爭，它也必須減少系統(tǒng)成本。當(dāng)把電力線通信添加到系統(tǒng)時(shí)，一些設(shè)計(jì)者總是積極洽談芯片的價(jià)格，而忽略增加電力線通信功能到他們系統(tǒng)的整體成本。需要保證的是，要更加全面地看待電力線通信給系統(tǒng)增加的成本。

　　電力線通信成本可以廣泛地分為材料（BOM）成本和開發(fā)成本，見圖5。BOM成本包括所有組成系統(tǒng)的IC和元件的成本，包括PLC和其他系統(tǒng)相關(guān)功能。另一方面，開發(fā)成本包括其他資源的成本，包括：

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)施

　　制板和PCB設(shè)計(jì)

　　FCC認(rèn)證，CENELEC，UL標(biāo)準(zhǔn)。

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圖5:實(shí)施電力線通信解決方案涉及的費(fèi)用

　　開發(fā)人員可以把盡可能多的這些費(fèi)用項(xiàng)目通過整合，放到最少的器件中，從而降低系統(tǒng)成本。例如，同一顆IC既支持調(diào)制解調(diào)器又支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就會比使用分立IC的成本低（也就是說，一顆用于調(diào)制解調(diào)器，另一顆用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）。集成其他的系統(tǒng)功能（比如能源測量、LCD驅(qū)動、溫度感應(yīng)、負(fù)載控制）也會降低系統(tǒng)成本，同時(shí)也可降低整合與開發(fā)的復(fù)雜性（圖6）。許多PLC控制器也可以提供FCC、CENELEC和UL標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證了的參考設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步加速開發(fā)進(jìn)度?？偟膩碚f，PLC方案越完整，開發(fā)所用的時(shí)間和成本就會越少。

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圖6:集成了物理層調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、應(yīng)用層的PLC器件

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