電力線(xiàn)通信設(shè)計(jì)的可靠性分析

　　電力線(xiàn)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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電力線(xiàn)">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(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(xiàn)阻抗都會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電力線(xiàn)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(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(dá)到的電力信號(hào)性能的魯棒性，那么電力線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(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(xiàn)通信。

　　考慮到大多數(shù)電力線(xiàn)通信應(yīng)用支持同一電力線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)通信數(shù)據(jù)。一些電力線(xiàn)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(xiàn)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。

圖4：多個(gè)PLC節(jié)點(diǎn)共享同一條電力線(xiàn)

　　CENELEC委員會(huì)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）方法確保了多個(gè)節(jié)電可以在同一條電力線(xiàn)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(xiàn)的特點(diǎn)、負(fù)載、和通過(guò)電力線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)通信設(shè)備出廠時(shí)就有無(wú)線(xiàn)耦合可供選擇，而另一些設(shè)備沒(méi)有無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)通信給系統(tǒng)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(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)。

圖5:實(shí)施電力線(xiàn)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。總的來(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(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、應(yīng)用層的PLC器件