電力線通信設計的可靠性分析

　　電力線上的信號阻抗會影響信號功率，可以由發射機傳輸到電力線。此阻抗依賴于電力線和連接到電力線的節點/設備的阻抗。每次設備或節點插進電源插座時電力線阻抗都會發生變化。當電力線信號阻抗和發射機電路匹配時，傳輸的信號功率最大。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。

　　這種阻抗動態變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一。如果想要達到的電力信號性能的魯棒性，那么電力線通信的發射機和接收機需要事先設計能預測這些阻抗的變化。發射機的不斷地和電力線匹配阻抗，可以使信號最大化傳輸，同時接收機高阻抗可以確保接收端信號丟失最少。

網絡協議

　　一個良好的魯棒性和無差錯的網絡協議可能對電力線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，如噪聲和電力線阻抗，最優化電力線通信網絡協議的實施可顯著提高PLC的性能。網絡協議可以使PLC系統成功或失敗，使用正確的網絡協議，有可能達到100%成功的電力線通信。

　　考慮到大多數電力線通信應用支持同一電力線上有數十到數百節點連接，網絡協議對節點間的數據包進行判斷，這樣所有節點可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個節點可以獨占通信通道。網絡協議的定義和實施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節點最大數量。這篇文章所討論的噪聲章節，其大部分技術中可以用網絡協議實現，例如，確認、重試、CRC。跑在PLC系統上的程序實現方式，不必擔心其技術實現。從應用程序來看，軟件只會收到有效的電力線通信數據。一些電力線通信設備內置了網絡協議，而另一些則要求開發人員定義、寫代碼、并進行管理。如果協議不能在PLC設備本身運行，開發人員需要考慮指定另一個處理器來運行協議。

　　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路訪問（CSMA）（見圖4）確保了一套電力線通信節點可以與其他廠商的共存。PLC設備以令人難以置信的速度增長，這是保證PLC設備部署面向未來的一個重要方式。

圖4：多個PLC節點共享同一條電力線

　　CENELEC委員會的載波偵聽多路訪問（CSMA）方法確保了多個節電可以在同一條電力線共存并有效的共享訪問。

　　接收機（Rx）靈敏度

　　根據電力線的特點、負載、和通過電力線的分段長度，信號在接收機接收之前會明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機（也就是說，它可以可靠地接收到非常低強度的信號）可以從線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，需要有一個機制可以有效的防止接收機把噪聲混淆為實際信號。自適應增益控制（AGC）就是可以達到這個目的一種機制。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態調整靈敏度，這樣它就可以更好的區分噪聲和數據。

　　多個相位

　　大多數的建筑物有50Hz/60Hz變壓器產生的多個相位。因為大多數PLC信號工作在較高的頻率，所以有一種可能，就是信號會被變壓器過濾掉，因而無法傳輸到相鄰的相位。相鄰相位很可能就在同一幢房子里。這就產生了一個潛在的問題，PLC信號不能到達房子或建筑物的所有相位。這是完全依賴于變壓器的設計。解決這個問題的辦法是，把PLC信號從一個相位耦合到到另一個。有兩種大家都了解的技術可以做到這一點：

　　1）電容式相耦合：這種技術需要在變壓器端連接一個電容穿過相位，PLC信號可以通過。在這里，變壓器的物理訪問是必需的，在許多情況下這種方法可能不可行或性價比高。

　　2）：無線相耦合：在這種技術中，PLC數據從一個相位傳輸到另一個時使用了兩種射頻設備—每個相位連接一個。這兩個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。實施這一技術不需要用到變壓器的物理存取。

　　無線耦合不會打擾到變壓器，因此在大多數情況下它比電容耦合更受歡迎。一些電力線通信設備出廠時就有無線耦合可供選擇，而另一些設備沒有無線耦合選項，需要設計者自己開發一種相位耦合方式。

　　系統成本

　　電力線通信中可靠性是一個關鍵的設計因素，同時，為了在市場上進行競爭，它也必須減少系統成本。當把電力線通信添加到系統時，一些設計者總是積極洽談芯片的價格，而忽略增加電力線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通信給系統增加的成本。

　　電力線通信成本可以廣泛地分為材料（BOM）成本和開發成本，見圖5。BOM成本包括所有組成系統的IC和元件的成本，包括PLC和其他系統相關功能。另一方面，開發成本包括其他資源的成本，包括：

　　網絡協議的實施

　　制板和PCB設計

　　FCC認證，CENELEC，UL標準。

圖5:實施電力線通信解決方案涉及的費用

　　開發人員可以把盡可能多的這些費用項目通過整合，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絡協議就會比使用分立IC的成本低（也就是說，一顆用于調制解調器，另一顆用于網絡協議）。集成其他的系統功能（比如能源測量、LCD驅動、溫度感應、負載控制）也會降低系統成本，同時也可降低整合與開發的復雜性（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，可以進一步加速開發進度?？偟膩碚f，PLC方案越完整，開發所用的時間和成本就會越少。

圖6:集成了物理層調制解調器、網絡協議、應用層的PLC器件