如何設計可靠的電力線(xiàn)通信
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時(shí)間：2012-06-25
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
電力線(xiàn)通信(PLC)是一種采用電力線(xiàn)作為通訊介質(zhì)的通信技術(shù)。在與供電同一根電力線(xiàn)上傳輸數據，從而可以將房屋或汽車(chē)現有的電力基礎設施用于傳輸數據，而不需要增新加電線(xiàn)。電力線(xiàn)通信技術(shù)正在經(jīng)歷快速增長(cháng)的階段，并找到了進(jìn)入多個(gè)應用和市場(chǎng)領(lǐng)域的方式，包括智能電網(wǎng)、照明控制、太陽(yáng)能面板監控、能量計量、家用視頻分配、電動(dòng)汽車(chē)等等。全球在提倡節能，這促進(jìn)了讓能源產(chǎn)生和能源消耗的設備互相通訊的需求。電力線(xiàn)通信提供了一個(gè)獨特的無(wú)需新建設施的方法，使智能能量管理技術(shù)快速遍布世界各地。和無(wú)線(xiàn)解決方案不同，電力線(xiàn)通信不受視線(xiàn)和傳輸范圍的限制。電力線(xiàn)通信對于很多應用來(lái)說(shuō)也是一種低成本和易安裝的技術(shù)。
今天，系統設計者能從超過(guò)十家半導體供應商買(mǎi)到電力線(xiàn)通信器件。這些器件很多都針對特定的應用和市場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化?，F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(xiàn)通信系統性能和可靠性的因素，并能克服通常的設計挑戰。
任何通信系統都包括四個(gè)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(xiàn)通信的通訊介質(zhì)是電力線(xiàn)。圖1顯示了一個(gè)通用電力線(xiàn)通信系統框圖。發(fā)射機調制信號并發(fā)送到電力線(xiàn)。另一頭的接收機解調信號并接收數據。當到達接收機時(shí)信號被電力線(xiàn)的阻抗衰減了。當信號通過(guò)電力時(shí)，介質(zhì)中的任何噪聲也會(huì )破壞信號。
圖1:一個(gè)典型的電力線(xiàn)通信系統框圖。電力線(xiàn)阻抗衰減了傳輸信號的。線(xiàn)路噪聲可明顯影響信號。
簡(jiǎn)要地介紹了一下基礎，讓我們逐個(gè)介紹一下影響電力線(xiàn)通信系統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(xiàn)噪聲
3)電力網(wǎng)絡(luò )阻抗
5)接收機靈敏度
對于這些因素我會(huì )逐個(gè)做一些建議。最后，也會(huì )討論一下多個(gè)階段和系統成本。
發(fā)送(Tx)信號的強度
較強的Tx信號意味著(zhù)更多的信號功率經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)。較強的信號是不易受電力線(xiàn)噪聲影響的，可以傳輸地更遠。Tx信號的強度也會(huì )影響電力線(xiàn)通信節點(diǎn)功耗，因為信號能量輸入到電力線(xiàn)越多，節點(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)射機的信號強度，直到他們達到電力線(xiàn)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密的控制的，如北美的FCC和歐洲的CENELEC。FCC和CENELEC也規范聲波，可以由主Tx信號傳輸到電力線(xiàn)。這些法規要做的是，防止不同頻帶的信號互相干擾。
當選擇一個(gè)電力線(xiàn)通信設備時(shí)，檢查一下Tx信號是否符合目標市場(chǎng)的強度大小要求。同時(shí)也應該符合FCC和CENELEC標準。理想的情況是，Tx增益應該是可配置的，這樣你可以根據其他系統調試Tx信號強度。此外，確認PLC節點(diǎn)消耗多少能量，從而達到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號的強度。當然，能量消耗越少越好。
電力線(xiàn)噪聲
一旦發(fā)射信號注入到電力線(xiàn)，其完整性取決于線(xiàn)路上噪聲大小-噪聲越強對噪聲的信號破壞就越大。電力線(xiàn)噪聲可以來(lái)自多個(gè)方面。電力線(xiàn)噪聲可以簡(jiǎn)單地分為兩種類(lèi)型:脈沖型和連續型。
脈沖噪聲是不可預知的，并以脈沖序列出現，如圖2所示。例如，這種類(lèi)型的噪聲可以來(lái)自于一個(gè)在廚房里攪拌機的開(kāi)關(guān)。很難設計一個(gè)這樣的系統，其可忍受不可預測的，巨大的脈沖噪聲而不降低數據速率。更常見(jiàn)的情況是，這種類(lèi)型的噪聲會(huì )完全覆蓋線(xiàn)路上的任何數據包。
圖2:電力線(xiàn)脈沖噪聲
連續噪聲，在另一方面，比脈沖噪聲更容易預測 (見(jiàn)圖3)。連續噪聲通常取決于社區，城市，或國家的電力線(xiàn)安裝質(zhì)量。因為電力基礎設施最初是設計來(lái)用于有效地傳輸電力而不是數據，所以電力線(xiàn)安裝時(shí)很少注意到線(xiàn)路的噪聲水平。根據系統工作在地球的哪個(gè)地方，電力線(xiàn)噪聲可能大也可能小。
圖3:電力線(xiàn)連續噪聲
為了能夠在電力線(xiàn)上魯棒性通訊，信噪比(SNR)需要保持在一定的閾值。如果在PLC系統頻率范圍內有高振幅的連續噪聲，最好要隔離噪聲，可以通過(guò)從PLC接收機移除，或通過(guò)在產(chǎn)生噪聲設備供電端增加一個(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系統只是單方向通訊，那么沒(méi)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(xiàn)通信技術(shù)的最大缺點(diǎn)之一。雙向通訊可以使接收機成功接收數據后發(fā)出確認。如果沒(méi)有收到確認，發(fā)射機可以進(jìn)行糾正。
- 重試：在一個(gè)雙向系統，通訊可以使用確認機制------如果發(fā)射機沒(méi)有收到接收機的確認，那么智能發(fā)射機可重發(fā)數據包。如果將自動(dòng)重試功能設計到電力線(xiàn)通信應用中，就成為可以在電力線(xiàn)上實(shí)現高可靠性通信的一個(gè)非常有用的手段。
- 錯誤檢測：即使數據包被成功地收到，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據包。當檢測到一個(gè)錯誤的數據包時(shí)，接收機可以選擇要么請求發(fā)射機重發(fā)數據包或不發(fā)出承認確認(結果是觸發(fā)發(fā)射機自動(dòng)發(fā)出數據包重試)。
- 自適應增益控制：為了克服連續噪聲的影響，一些電力線(xiàn)通信設備可以實(shí)現自適應增益控制(AGC)。利用AGC，接收機可以在噪聲平面動(dòng)態(tài)調整靈敏度，所以它能更好的區分噪聲和數據。
很明顯，一個(gè)系統里調解或克服噪聲的方法越多，那么這個(gè)系統就越可靠。具備雙向通訊的確認機制，同時(shí)還有重試和CRC，對噪聲控制會(huì )更有利。
電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻抗
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。
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
脈沖點(diǎn)火器相關(guān)文章:脈沖點(diǎn)火器原理
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