電力線通信設(shè)計的可靠性分析

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)歷快速增長的階段，并找到了進入多個應(yīng)用和市場領(lǐng)域的方式，包括智能電網(wǎng)、照明控制、太陽能面板監(jiān)控、能量計量、家用視頻分配、電動汽車等等。全球在提倡節(jié)能，這促進了讓能源產(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獨特的無需新建設(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。電力線通信對于很多應(yīng)用來說也是一種低成本和易安裝的技術(shù)。

　　今天，系統(tǒng)設(shè)計者能從超過十家半導(dǎo)體供應(yīng)商買到電力線通信器件。這些器件很多都針對特定的應(yīng)用和市場進行了優(yōu)化?，F(xiàn)在有如此廣泛的選擇余地，開發(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)計挑戰(zhàn)。

　　任何通信系統(tǒng)都包括四個主要組成部分：

　　1。發(fā)射機

　　2。接收機

　　3。通訊介質(zhì)

　　4。信號本身

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

圖1:一個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的。線路噪聲可明顯影響信號。

　　簡要地介紹了一下基礎(chǔ)，讓我們逐個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)送信號強度

　　2）電力線噪聲

　　3）電力網(wǎng)絡(luò)阻抗

　　4）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　5）接收機靈敏度

　　對于這些因素我會逐個做一些建議。最后，也會討論一下多個階段和系統(tǒng)成本。

　　發(fā)送（Tx）信號的強度

　　較強的Tx信號意味著更多的信號功率經(jīng)過電力線。較強的信號是不易受電力線噪聲影響的，可以傳輸?shù)馗h(yuǎn)。Tx信號的強度也會影響電力線通信節(jié)點功耗，因為信號能量輸入到電力線越多，節(jié)點消耗的能量也越多。

　　更理想的情況是，開發(fā)人員會增加發(fā)射機的信號強度，直到他們達(dá)到電力線最佳的性能和功率消耗。然而，Tx信號強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信號傳輸?shù)诫娏€。這些法規(guī)要做的是，防止不同頻帶的信號互相干擾。

　　當(dāng)選擇一個電力線通信設(shè)備時，檢查一下Tx信號是否符合目標(biāo)市場的強度大小要求。同時也應(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信號強度。此外，確認(rèn)PLC節(jié)點消耗多少能量，從而達(dá)到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號的強度。當(dāng)然，能量消耗越少越好。

　　電力線噪聲

　　一旦發(fā)射信號注入到電力線，其完整性取決于線路上噪聲大小-噪聲越強對噪聲的信號破壞就越大。電力線噪聲可以來自多個方面。電力線噪聲可以簡單地分為兩種類型：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，這種類型的噪聲可以來自于一個在廚房里攪拌機的開關(guān)。很難設(shè)計一個這樣的系統(tǒng)，其可忍受不可預(yù)測的，巨大的脈沖噪聲而不降低數(shù)據(jù)速率。更常見的情況是，這種類型的噪聲會完全覆蓋線路上的任何數(shù)據(jù)包。

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（見圖3）。連續(xù)噪聲通常取決于社區(qū)，城市，或國家的電力線安裝質(zhì)量。因為電力基礎(chǔ)設(shè)施最初是設(shè)計來用于有效地傳輸電力而不是數(shù)據(jù)，所以電力線安裝時很少注意到線路的噪聲水平。根據(jù)系統(tǒng)工作在地球的哪個地方，電力線噪聲可能大也可能小。

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，可以通過從PLC接收機移除，或通過在產(chǎn)生噪聲設(shè)備供電端增加一個攔截電感，來削弱噪聲頻率使其低于接收機信噪比。

　　還有其他一些技術(shù)可以使開發(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，那么沒有任何方法使發(fā)射機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)的最大缺點之一。雙向通訊可以使接收機成功接收數(shù)據(jù)后發(fā)出確認(rèn)。如果沒有收到確認(rèn)，發(fā)射機可以進行糾正。

　　重試：在一個雙向系統(tǒng)，通訊可以使用確認(rèn)機制------如果發(fā)射機沒有收到接收機的確認(rèn)，那么智能發(fā)射機可重發(fā)數(shù)據(jù)包。如果將自動重試功能設(shè)計到電力線通信應(yīng)用中，就成為可以在電力線上實現(xiàn)高可靠性通信的一個非常有用的手段。

　　錯誤檢測：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使得接收機可以偵測到收到的任何錯誤的數(shù)據(jù)包。當(dāng)檢測到一個錯誤的數(shù)據(jù)包時，接收機可以選擇要么請求發(fā)射機重發(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)射機自動發(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)備可以實現(xiàn)自適應(yīng)增益控制（AGC）。利用AGC，接收機可以在噪聲平面動態(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，一個系統(tǒng)里調(diào)解或克服噪聲的方法越多，那么這個系統(tǒng)就越可靠。具備雙向通訊的確認(rèn)機制，同時還有重試和CRC，對噪聲控制會更有利。