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如何設(shè)計(jì)可靠的電力線通信

作者： 時(shí)間：2012-06-25 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

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(jìn)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(jì)量、家用視頻分配、電動汽車等等。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獨(dú)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jī)
2。接收機(jī)
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(jī)調(diào)制信號并發(fā)送到電力線。另一頭的接收機(jī)解調(diào)信號并接收數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)接收機(jī)時(shí)信號被電力線的阻抗衰減了。當(dāng)信號通過電力時(shí)，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(qiáng)度
2)電力線噪聲
3)電力網(wǎng)絡(luò)阻抗
5)接收機(jī)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(qiáng)度
較強(qiáng)的Tx信號意味著更多的信號功率經(jīng)過電力線。較強(qiáng)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(qiáng)度也會影響電力線通信節(jié)點(diǎn)功耗，因?yàn)樾盘柲芰枯斎氲诫娏€越多，節(jié)點(diǎn)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(jī)的信號強(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(shí)，檢查一下Tx信號是否符合目標(biāo)市場的強(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(jī)的開關(guān)。很難設(shè)計(jì)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?yàn)殡娏A(chǔ)設(shè)施最初是設(shè)計(jì)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(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(jī)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(jī)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(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)。如果沒有收到確認(rèn)，發(fā)射機(jī)可以進(jìn)行糾正。
  • 重試：在一個雙向系統(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(jī)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(shí)，接收機(jī)可以選擇要么請求發(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(jī)制，同時(shí)還有重試和CRC，對噪聲控制會更有利。
電力線網(wǎng)絡(luò)阻抗
電力線上的信號阻抗會影響信號功率，可以由發(fā)射機(jī)傳輸?shù)诫娏€。此阻抗依賴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)電力線阻抗都會發(fā)生變化。當(dāng)電力線信號阻抗和發(fā)射機(jī)電路匹配時(shí)，傳輸?shù)男盘柟β首畲?。這兩個阻抗相差越大，傳輸信號功率越小，因而，電力線通信性能會更差。
這種阻抗動態(tài)變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一。如果想要達(dá)到的電力信號性能的魯棒性，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，可以使信號最大化傳輸，同時(shí)接收機(jī)高阻抗可以確保接收端信號丟失最少。
一個良好的魯棒性和無差錯的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可能對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，沒有一個節(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)用程序來看，軟件只會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，而另一些則要求開發(fā)人員定義、寫代碼、并進(jìn)行管理。如果協(xié)議不能在PLC設(shè)備本身運(yùn)行，開發(fā)人員需要考慮指定另一個處理器來運(yùn)行協(xié)議。
另一個重要的方面就是互操作性和共處。CENELEC委員會的載波偵聽多 脈沖點(diǎn)火器相關(guān)文章:脈沖點(diǎn)火器原理
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