電力線通信設(shè)計(jì)的可靠性分析 - 全文

電力線通信（PLC）是一種采用電力線作為通訊介質(zhì)的通信技術(shù)。在與供電同一根電力線上傳輸數(shù)據(jù)，從而可以將房屋或汽車(chē)現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施用于傳輸數(shù)據(jù)，而不需要增新加電線。電力線通信技術(shù)正在經(jīng)歷快速增長(zhǎng)的階段，并找到了進(jìn)入多個(gè)應(yīng)用和市場(chǎng)領(lǐng)域的方式，包括智能電網(wǎng)、照明控制、太陽(yáng)能面板監(jiān)控、能量計(jì)量、家用視頻分配、電動(dòng)汽車(chē)等等。全球在提倡節(jié)能，這促進(jìn)了讓能源產(chǎn)生和能源消耗的設(shè)備互相通訊的需求。電力線通信提供了一個(gè)獨(dú)特的無(wú)需新建設(shè)施的方法，使智能能量管理技術(shù)快速遍布世界各地。和無(wú)線解決方案不同，電力線通信不受視線和傳輸范圍的限制。電力線通信對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是一種低成本和易安裝的技術(shù)。

　　今天，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能從超過(guò)十家半導(dǎo)體供應(yīng)商買(mǎi)到電力線通信器件。這些器件很多都針對(duì)特定的應(yīng)用和市場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化?，F(xiàn)在有如此廣泛的選擇余地，開(kāi)發(fā)人員需要懂得影響電力線通信系統(tǒng)性能和可靠性的因素，并能克服通常的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　任何通信系統(tǒng)都包括四個(gè)主要組成部分：

　　1。發(fā)射機(jī)

　　2。接收機(jī)

　　3。通訊介質(zhì)

　　4。信號(hào)本身

　　如前面提到的，在電力線通信的通訊介質(zhì)是電力線。圖1顯示了一個(gè)通用電力線通信系統(tǒng)框圖。發(fā)射機(jī)調(diào)制信號(hào)并發(fā)送到電力線。另一頭的接收機(jī)解調(diào)信號(hào)并接收數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)接收機(jī)時(shí)信號(hào)被電力線的阻抗衰減了。當(dāng)信號(hào)通過(guò)電力時(shí)，介質(zhì)中的任何噪聲也會(huì)破壞信號(hào)。

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圖1:一個(gè)典型的電力線通信系統(tǒng)框圖。電力線阻抗衰減了傳輸信號(hào)的。線路噪聲可明顯影響信號(hào)。

　　簡(jiǎn)要地介紹了一下基礎(chǔ)，讓我們逐個(gè)介紹一下影響電力線通信系統(tǒng)性能和可靠性的因素。這些因素包括：

　　1）發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度

　　2）電力線噪聲

　　3）電力網(wǎng)絡(luò)阻抗

　　4）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　5）接收機(jī)靈敏度

　　對(duì)于這些因素我會(huì)逐個(gè)做一些建議。最后，也會(huì)討論一下多個(gè)階段和系統(tǒng)成本。

　　發(fā)送（Tx）信號(hào)的強(qiáng)度

　　較強(qiáng)的Tx信號(hào)意味著更多的信號(hào)功率經(jīng)過(guò)電力線。較強(qiáng)的信號(hào)是不易受電力線噪聲影響的，可以傳輸?shù)馗h(yuǎn)。Tx信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)影響電力線通信節(jié)點(diǎn)功耗，因?yàn)樾盘?hào)能量輸入到電力線越多，節(jié)點(diǎn)消耗的能量也越多。

　　更理想的情況是，開(kāi)發(fā)人員會(huì)增加發(fā)射機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度，直到他們達(dá)到電力線最佳的性能和功率消耗。然而，Tx信號(hào)強(qiáng)度受到一些組織的嚴(yán)密的控制的，如北美的FCC和歐洲的CENELEC。FCC和CENELEC也規(guī)范聲波，可以由主Tx信號(hào)傳輸?shù)诫娏€。這些法規(guī)要做的是，防止不同頻帶的信號(hào)互相干擾。

　　當(dāng)選擇一個(gè)電力線通信設(shè)備時(shí)，檢查一下Tx信號(hào)是否符合目標(biāo)市場(chǎng)的強(qiáng)度大小要求。同時(shí)也應(yīng)該符合FCC和CENELEC標(biāo)準(zhǔn)。理想的情況是，Tx增益應(yīng)該是可配置的，這樣你可以根據(jù)其他系統(tǒng)調(diào)試Tx信號(hào)強(qiáng)度。此外，確認(rèn)PLC節(jié)點(diǎn)消耗多少能量，從而達(dá)到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)然，能量消耗越少越好。

　　電力線噪聲

　　一旦發(fā)射信號(hào)注入到電力線，其完整性取決于線路上噪聲大小-噪聲越強(qiáng)對(duì)噪聲的信號(hào)破壞就越大。電力線噪聲可以來(lái)自多個(gè)方面。電力線噪聲可以簡(jiǎn)單地分為兩種類(lèi)型：脈沖型和連續(xù)型。

　　脈沖噪聲是不可預(yù)知的，并以脈沖序列出現(xiàn)，如圖2所示。例如，這種類(lèi)型的噪聲可以來(lái)自于一個(gè)在廚房里攪拌機(jī)的開(kāi)關(guān)。很難設(shè)計(jì)一個(gè)這樣的系統(tǒng)，其可忍受不可預(yù)測(cè)的，巨大的脈沖噪聲而不降低數(shù)據(jù)速率。更常見(jiàn)的情況是，這種類(lèi)型的噪聲會(huì)完全覆蓋線路上的任何數(shù)據(jù)包。

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圖2:電力線脈沖噪聲

　　連續(xù)噪聲，在另一方面，比脈沖噪聲更容易預(yù)測(cè)（見(jiàn)圖3）。連續(xù)噪聲通常取決于社區(qū)，城市，或國(guó)家的電力線安裝質(zhì)量。因?yàn)殡娏A(chǔ)設(shè)施最初是設(shè)計(jì)來(lái)用于有效地傳輸電力而不是數(shù)據(jù)，所以電力線安裝時(shí)很少注意到線路的噪聲水平。根據(jù)系統(tǒng)工作在地球的哪個(gè)地方，電力線噪聲可能大也可能小。

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圖3:電力線連續(xù)噪聲

　　為了能夠在電力線上魯棒性通訊，信噪比（SNR）需要保持在一定的閾值。如果在PLC系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)有高振幅的連續(xù)噪聲，最好要隔離噪聲，可以通過(guò)從PLC接收機(jī)移除，或通過(guò)在產(chǎn)生噪聲設(shè)備供電端增加一個(gè)攔截電感，來(lái)削弱噪聲頻率使其低于接收機(jī)信噪比。

　　還有其他一些技術(shù)可以使開(kāi)發(fā)人員克服噪聲的影響：

　　雙向通訊：如果PLC系統(tǒng)只是單方向通訊，那么沒(méi)有任何方法使發(fā)射機(jī)知道通訊是成功還是失敗。這是原始單向X10電力線通信技術(shù)的最大缺點(diǎn)之一。雙向通訊可以使接收機(jī)成功接收數(shù)據(jù)后發(fā)出確認(rèn)。如果沒(méi)有收到確認(rèn)，發(fā)射機(jī)可以進(jìn)行糾正。

　　重試：在一個(gè)雙向系統(tǒng)，通訊可以使用確認(rèn)機(jī)制------如果發(fā)射機(jī)沒(méi)有收到接收機(jī)的確認(rèn)，那么智能發(fā)射機(jī)可重發(fā)數(shù)據(jù)包。如果將自動(dòng)重試功能設(shè)計(jì)到電力線通信應(yīng)用中，就成為可以在電力線上實(shí)現(xiàn)高可靠性通信的一個(gè)非常有用的手段。

　　錯(cuò)誤檢測(cè)：即使數(shù)據(jù)包被成功地收到，我們也需要檢查其是否受到噪聲破壞。這就是循環(huán)冗余檢查（CRC）發(fā)揮的作用。CRC使得接收機(jī)可以偵測(cè)到收到的任何錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包時(shí)，接收機(jī)可以選擇要么請(qǐng)求發(fā)射機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)包或不發(fā)出承認(rèn)確認(rèn)（結(jié)果是觸發(fā)發(fā)射機(jī)自動(dòng)發(fā)出數(shù)據(jù)包重試）。

　　自適應(yīng)增益控制：為了克服連續(xù)噪聲的影響，一些電力線通信設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)增益控制（AGC）。利用AGC，接收機(jī)可以在噪聲平面動(dòng)態(tài)調(diào)整靈敏度，所以它能更好的區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)。

　　很明顯，一個(gè)系統(tǒng)里調(diào)解或克服噪聲的方法越多，那么這個(gè)系統(tǒng)就越可靠。具備雙向通訊的確認(rèn)機(jī)制，同時(shí)還有重試和CRC，對(duì)噪聲控制會(huì)更有利。

　　電力線網(wǎng)絡(luò)阻抗

　　電力線上的信號(hào)阻抗會(huì)影響信號(hào)功率，可以由發(fā)射機(jī)傳輸?shù)诫娏€。此阻抗依賴(lài)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(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電力線信號(hào)阻抗和發(fā)射機(jī)電路匹配時(shí)，傳輸?shù)男盘?hào)功率最大。這兩個(gè)阻抗相差越大，傳輸信號(hào)功率越小，因而，電力線通信性能會(huì)更差。

　　這種阻抗動(dòng)態(tài)變化是在電力線通訊中最棘手的問(wèn)題之一。如果想要達(dá)到的電力信號(hào)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(cè)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(hào)最大化傳輸，同時(shí)接收機(jī)高阻抗可以確保接收端信號(hào)丟失最少。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　一個(gè)良好的魯棒性和無(wú)差錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可能對(duì)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(duì)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(méi)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(lái)看，軟件只會(huì)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(kāi)發(fā)人員定義、寫(xiě)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(kāi)發(fā)人員需要考慮指定另一個(gè)處理器來(lái)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(huì)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）（見(jiàn)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(zhǎng)，這是保證PLC設(shè)備部署面向未來(lái)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(huì)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（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(wèn)。

　　接收機(jī)（Rx）靈敏度

　　根據(jù)電力線的特點(diǎn)、負(fù)載、和通過(guò)電力線的分段長(zhǎng)度，信號(hào)在接收機(jī)接收之前會(huì)明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機(jī)（也就是說(shuō)，它可以可靠地接收到非常低強(qiáng)度的信號(hào)）可以從線上收到較低強(qiáng)度的信號(hào)，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(cè)到小信號(hào)，它也能檢測(cè)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(hào)。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(dòng)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(hào)工作在較高的頻率，所以有一種可能，就是信號(hào)會(huì)被變壓器過(guò)濾掉，因而無(wú)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(wèn)題，PLC信號(hào)不能到達(dá)房子或建筑物的所有相位。這是完全依賴(lài)于變壓器的設(shè)計(jì)。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是，把PLC信號(hào)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(guò)相位，PLC信號(hào)可以通過(guò)。在這里，變壓器的物理訪問(wèn)是必需的，在許多情況下這種方法可能不可行或性?xún)r(jià)比高。

　　2）：無(wú)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(wú)線耦合不會(huì)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(wú)線耦合可供選擇，而另一些設(shè)備沒(méi)有無(wú)線耦合選項(xiàng)，需要設(shè)計(jì)者自己開(kāi)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(chǎng)上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，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(kāi)發(fā)成本，見(jiàn)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(kāi)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(kāi)發(fā)人員可以把盡可能多的這些費(fèi)用項(xiàng)目通過(guò)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(huì)比使用分立IC的成本低（也就是說(shuō)，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(cè)量、LCD驅(qū)動(dòng)、溫度感應(yīng)、負(fù)載控制）也會(huì)降低系統(tǒng)成本，同時(shí)也可降低整合與開(kāi)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(kāi)發(fā)進(jìn)度?？偟膩?lái)說(shuō)，PLC方案越完整，開(kāi)發(fā)所用的時(shí)間和成本就會(huì)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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