电力线通信设计的可靠性分析

电力线通信（PLC）是一种采用电力线作为通讯介质的通信技术。在与供电同一根电力线上传输数据，从而可以将房屋或汽车现有的电力基础设施用于传输数据，而不需要增新加电线。电力线通信技术正在经历快速增长的阶段，并找到了进入多个应用和市场领域的方式，包括智能电网、照明控制、太阳能面板监控、能量计量、家用视频分配、电动汽车等等。全球在提倡节能，这促进了让能源产生和能源消耗的设备互相通讯的需求。电力线通信提供了一个独特的无需新建设施的方法，使智能能量管理技术快速遍布世界各地。和无线解决方案不同，电力线通信不受视线和传输范围的限制。电力线通信对于很多应用来说也是一种低成本和易安装的技术。

　　今天，系统设计者能从超过十家半导体供应商买到电力线通信器件。这些器件很多都针对特定的应用和市场进行了优化。现在有如此广泛的选择余地，开发人员需要懂得影响电力线通信系统性能和可靠性的因素，并能克服通常的设计挑战。

　　任何通信系统都包括四个主要组成部分：

　　1。发射机

　　2。接收机

　　3。通讯介质

　　4。信号本身

　　如前面提到的，在电力线通信的通讯介质是电力线。图1显示了一个通用电力线通信系统框图。发射机调制信号并发送到电力线。另一头的接收机解调信号并接收数据。当到达接收机时信号被电力线的阻抗衰减了。当信号通过电力时，介质中的任何噪声也会破坏信号。

图1:一个典型的电力线通信系统框图。电力线阻抗衰减了传输信号的。线路噪声可明显影响信号。

　　简要地介绍了一下基础，让我们逐个介绍一下影响电力线通信系统性能和可靠性的因素。这些因素包括：

　　1）发送信号强度

　　2）电力线噪声

　　3）电力网络阻抗

　　4）网络协议

　　5）接收机灵敏度

　　对于这些因素我会逐个做一些建议。最后，也会讨论一下多个阶段和系统成本。

　　发送（Tx）信号的强度

　　较强的Tx信号意味着更多的信号功率经过电力线。较强的信号是不易受电力线噪声影响的，可以传输地更远。Tx信号的强度也会影响电力线通信节点功耗，因为信号能量输入到电力线越多，节点消耗的能量也越多。

　　更理想的情况是，开发人员会增加发射机的信号强度，直到他们达到电力线最佳的性能和功率消耗。然而，Tx信号强度受到一些组织的严密的控制的，如北美的FCC和欧洲的CENELEC。FCC和CENELEC也规范声波，可以由主Tx信号传输到电力线。这些法规要做的是，防止不同频带的信号互相干扰。

　　当选择一个电力线通信设备时，检查一下Tx信号是否符合目标市场的强度大小要求。同时也应该符合FCC和CENELEC标准。理想的情况是，Tx增益应该是可配置的，这样你可以根据其他系统调试Tx信号强度。此外，确认PLC节点消耗多少能量，从而达到FCC和CENELEC要求的最佳发射信号的强度。当然，能量消耗越少越好。

　　电力线噪声

　　一旦发射信号注入到电力线，其完整性取决于线路上噪声大小-噪声越强对噪声的信号破坏就越大。电力线噪声可以来自多个方面。电力线噪声可以简单地分为两种类型：脉冲型和连续型。

　　脉冲噪声是不可预知的，并以脉冲序列出现，如图2所示。例如，这种类型的噪声可以来自于一个在厨房里搅拌机的开关。很难设计一个这样的系统，其可忍受不可预测的，巨大的脉冲噪声而不降低数据速率。更常见的情况是，这种类型的噪声会完全覆盖线路上的任何数据包。

图2:电力线脉冲噪声

　　连续噪声，在另一方面，比脉冲噪声更容易预测（见图3）。连续噪声通常取决于社区，城市，或国家的电力线安装质量。因为电力基础设施最初是设计来用于有效地传输电力而不是数据，所以电力线安装时很少注意到线路的噪声水平。根据系统工作在地球的哪个地方，电力线噪声可能大也可能小。

图3:电力线连续噪声

　　为了能够在电力线上鲁棒性通讯，信噪比（SNR）需要保持在一定的阈值。如果在PLC系统频率范围内有高振幅的连续噪声，最好要隔离噪声，可以通过从PLC接收机移除，或通过在产生噪声设备供电端增加一个拦截电感，来削弱噪声频率使其低于接收机信噪比。

　　还有其他一些技术可以使开发人员克服噪声的影响：

　　双向通讯：如果PLC系统只是单方向通讯，那么没有任何方法使发射机知道通讯是成功还是失败。这是原始单向X10电力线通信技术的最大缺点之一。双向通讯可以使接收机成功接收数据后发出确认。如果没有收到确认，发射机可以进行纠正。

　　重试：在一个双向系统，通讯可以使用确认机制------如果发射机没有收到接收机的确认，那么智能发射机可重发数据包。如果将自动重试功能设计到电力线通信应用中，就成为可以在电力线上实现高可靠性通信的一个非常有用的手段。

　　错误检测：即使数据包被成功地收到，我们也需要检查其是否受到噪声破坏。这就是循环冗余检查（CRC）发挥的作用。CRC使得接收机可以侦测到收到的任何错误的数据包。当检测到一个错误的数据包时，接收机可以选择要么请求发射机重发数据包或不发出承认确认（结果是触发发射机自动发出数据包重试）。

　　自适应增益控制：为了克服连续噪声的影响，一些电力线通信设备可以实现自适应增益控制（AGC）。利用AGC，接收机可以在噪声平面动态调整灵敏度，所以它能更好的区分噪声和数据。

　　很明显，一个系统里调解或克服噪声的方法越多，那么这个系统就越可靠。具备双向通讯的确认机制，同时还有重试和CRC，对噪声控制会更有利。