電力線(xiàn)通信設計的可靠性分析

　　電力線(xiàn)上的信號阻抗會(huì )影響信號功率，可以由發(fā)射機傳輸到電力線(xiàn)。此阻抗依賴(lài)于電力線(xiàn)和連接到電力線(xiàn)的節點(diǎn)/設備的阻抗。每次設備或節點(diǎn)插進(jìn)電源插座時(shí)電力線(xiàn)阻抗都會(huì )發(fā)生變化。當電力線(xiàn)信號阻抗和發(fā)射機電路匹配時(shí)，傳輸的信號功率最大。這兩個(gè)阻抗相差越大，傳輸信號功率越小，因而，電力線(xiàn)通信性能會(huì )更差。

　　這種阻抗動(dòng)態(tài)變化是在電力線(xiàn)通訊中最棘手的問(wèn)題之一。如果想要達到的電力信號性能的魯棒性，那么電力線(xiàn)通信的發(fā)射機和接收機需要事先設計能預測這些阻抗的變化。發(fā)射機的不斷地和電力線(xiàn)匹配阻抗，可以使信號最大化傳輸，同時(shí)接收機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(wú)差錯的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議可能對電力線(xiàn)通信的可靠性有最大的影響。系統設計很少有不受物理因素控制的，如噪聲和電力線(xiàn)阻抗，最優(yōu)化電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的實(shí)施可顯著(zhù)提高PLC的性能。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議可以使PLC系統成功或失敗，使用正確的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，有可能達到100%成功的電力線(xiàn)通信。

　　考慮到大多數電力線(xiàn)通信應用支持同一電力線(xiàn)上有數十到數百節點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議對節點(diǎn)間的數據包進(jìn)行判斷，這樣所有節點(diǎn)可以公平地共享線(xiàn)上可用帶寬，沒(méi)有一個(gè)節點(diǎn)可以獨占通信通道。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(xiàn)上通訊的PLC節點(diǎn)最大數量。這篇文章所討論的噪聲章節，其大部分技術(shù)中可以用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現，例如，確認、重試、CRC。跑在PLC系統上的程序實(shí)現方式，不必擔心其技術(shù)實(shí)現。從應用程序來(lái)看，軟件只會(huì )收到有效的電力線(xiàn)通信數據。一些電力線(xiàn)通信設備內置了網(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設備本身運行，開(kāi)發(fā)人員需要考慮指定另一個(gè)處理器來(lái)運行協(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(fǎng)問(wèn)（CSMA）（見(jiàn)圖4）確保了一套電力線(xiàn)通信節點(diǎn)可以與其他廠(chǎng)商的共存。PLC設備以令人難以置信的速度增長(cháng)，這是保證PLC設備部署面向未來(lái)的一個(gè)重要方式。

圖4：多個(gè)PLC節點(diǎn)共享同一條電力線(xiàn)

　　CENELEC委員會(huì )的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)（CSMA）方法確保了多個(gè)節電可以在同一條電力線(xiàn)共存并有效的共享訪(fǎng)問(wèn)。

　　接收機（Rx）靈敏度

　　根據電力線(xiàn)的特點(diǎn)、負載、和通過(guò)電力線(xiàn)的分段長(cháng)度，信號在接收機接收之前會(huì )明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機（也就是說(shuō)，它可以可靠地接收到非常低強度的信號）可以從線(xiàn)上收到較低強度的信號，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，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)機制可以有效的防止接收機把噪聲混淆為實(shí)際信號。自適應增益控制（AGC）就是可以達到這個(gè)目的一種機制。就象之前討論的，使用自適應增益控制，接收機可以在噪聲平面動(dòng)態(tài)調整靈敏度，這樣它就可以更好的區分噪聲和數據。

　　多個(gè)相位

　　大多數的建筑物有50Hz/60Hz變壓器產(chǎn)生的多個(gè)相位。因為大多數PLC信號工作在較高的頻率，所以有一種可能，就是信號會(huì )被變壓器過(guò)濾掉，因而無(wú)法傳輸到相鄰的相位。相鄰相位很可能就在同一幢房子里。這就產(chǎn)生了一個(gè)潛在的問(wèn)題，PLC信號不能到達房子或建筑物的所有相位。這是完全依賴(lài)于變壓器的設計。解決這個(gè)問(wèn)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(guò)相位，PLC信號可以通過(guò)。在這里，變壓器的物理訪(fǎng)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(xiàn)相耦合：在這種技術(shù)中，PLC數據從一個(gè)相位傳輸到另一個(gè)時(shí)使用了兩種射頻設備—每個(gè)相位連接一個(gè)。這兩個(gè)設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(xiàn)耦合不會(huì )打擾到變壓器，因此在大多數情況下它比電容耦合更受歡迎。一些電力線(xiàn)通信設備出廠(chǎng)時(shí)就有無(wú)線(xiàn)耦合可供選擇，而另一些設備沒(méi)有無(wú)線(xiàn)耦合選項，需要設計者自己開(kāi)發(fā)一種相位耦合方式。

　　系統成本

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

　　電力線(xiàn)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的IC和元件的成本，包括PLC和其他系統相關(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設計

　　FCC認證，CENELEC，UL標準。

圖5:實(shí)施電力線(xiàn)通信解決方案涉及的費用

　　開(kāi)發(fā)人員可以把盡可能多的這些費用項目通過(guò)整合，放到最少的器件中，從而降低系統成本。例如，同一顆IC既支持調制解調器又支持網(wǎng)絡(luò )協(xié)議就會(huì )比使用分立IC的成本低（也就是說(shuō)，一顆用于調制解調器，另一顆用于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議）。集成其他的系統功能（比如能源測量、LCD驅動(dòng)、溫度感應、負載控制）也會(huì )降低系統成本，同時(shí)也可降低整合與開(kāi)發(fā)的復雜性（圖6）。許多PLC控制器也可以提供FCC、CENELEC和UL標準認證了的參考設計，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。

圖6:集成了物理層調制解調器、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、應用層的PLC器件