电力线通讯（Powerline Communication；PLC）这种通讯技术采用输电线作为通讯媒介。数据透过供电线来传送，包括住宅和汽车的输电线都能用来传送数据。PLC技术目前正经历快速成长的阶段，逐渐打入各类应用市场，其中包括智能电网、照明控制、太阳能光电板监视、能源计量仪表、住宅视讯传送以及电动车。全球节能的热潮带动市场对于智能型通讯的需求，让产生能源与消耗能源的装置之间能相互传递讯息。PLC提供一种无须增建新基础设施的独特方式，让用户能在全球各地快速部署智能能源管理技术。不同于无线式解决方案，PLC本身并没有视线范围与传输距离过短的限制，是一种成本效益极高且容易安装的解决方案。

如今系统设计者可从超过十家半导体厂商取得PLC解决方案的货源。其中许多解决方案针对特定应用与市场进行优化。面临如此多元化的选择，研发业者必须了解各种影响PLC系统效能与可靠度的因素，还得了解如何克服各种常见的挑战。通讯系统组成的4个要素：

如先前所述，PLC的通讯媒介是电力线。在无线通信中，传输媒介为空气/真空。图ㄧ显示一个电力线通讯系统的模块图。信号经过传送器的调变之后注入到电力线，接收器收到信号后再进行解调变（demodulate）。电力线的阻抗（impedance）使接受器所收到的信号出现衰减，至于不同的电力线其阻抗则各有高低差别。传输媒介中的任何噪声，也会影响经过电力线的信号。

《图一 典型电力线通讯系统的模块图》

电力线的阻抗会导致传送信号出现衰减，电力线内的噪声会对信号产生严重的影响。简短介绍基本原理后，接下来逐一探讨影响PLC系统效能与可靠度的各项因素，这些因素包括：

传送（Tx）信号强度

较强的Tx信号代表电力在线的信号功率较高，信号强度越大，就较不容易被电力线噪声所破坏，并能传得更远。Tx信号强度也影响了PLC节点的耗电量，因为注入到电力线的信号能量越多，节点就会消耗更多的电力。

兼顾两者的最好作法，研发业者应提高传送器的信号强度，直到达到最佳效能，而且电力线的耗电量达到最低。然而Tx信号强度受到各地的主管机构所严格控管，像是北美的FCC联邦通讯委员会以及欧洲的CENELEC电子标准委员会，FCC与CENELEC亦管制了Tx主信号传入电力线时所注入的谐波。这些管制措施的理由，是为了防止不同频带的信号产生相互干扰破坏的状况。

在挑选PLC组件时，应检查是否符合销售目标地市场的Tx信号强度规范。而且还须遵循FCC与CENELEC所定的相关标准。理想的情况下，Tx信号增益应能弹性调整，让您能根据系统其他部分组件来调校Tx信号强度。此外，您还须确定在达到FCC与CENELEC所要求的最佳Tx信号强度时，PLC节点会消耗多少电力，这方面当然是越省电越好。

电力在线的噪声

当Tx信号被注入到电力线时，其完整性就取决于线路上的噪声多寡：噪声越强，信号受损就越严重。电力在线的噪声有许多来源。这些噪声大致上可分成两类，亦即脉冲讯号（impulse）与连续讯号（continuous）。

脉冲噪声较不易预测，通常突然发生，如图二所示。这种噪声的来源很多，例如像打开厨房果汁机的电源开关。想要设计出一个理想系统，一方面能容忍无法预测何时发生与强度多少的脉冲噪声，一方能还不会牺牲数据传输率，其难度会非常高。有时这种噪声会完全破坏电力在线的数据封包。

《图二 电力线的脉冲噪声》

连续噪声则比脉冲噪声更可预测，如图三所示。连续噪声通常和邻近地区、城市、或州县区域的电力线质量之间呈函数关系。由于电力线基础设施原本的目标是有效率地传送电力而非数据，因此电力线在安装时很少注意到线路的噪声标准。电力线的噪声高低，端视系统是在世界的哪个地区运作。

《图三 电力线内的连续噪声》

电力线要稳定地通讯，讯噪比（SNR）必须维持在一定的门坎之上。如果在PLC系统的频率范围内有高振幅的连续噪声，最好是隔离这些噪声，把噪声从PLC接收器移走，或是在噪声来源设备的电源供应器加入一个阻隔电感，让噪声的频率衰减到低于接收器的SNR。 研发人员还可运用许多其他技巧来克服噪声产生的各种效应：

显然，系统若能有更多方法来容许或克服噪声，系统就会越可靠。利用确认机制为基础的双向通讯，加上重传与CRC检查技术，对系统会相当有利。

电力线网络的阻抗

信号在电力线遇到的阻抗（impedance），会影响传送器送入电力线的信号功率。这个阻抗取决于电力线本身以及链接节点/装置所拥有的阻抗。每当有装置或节点插入到电源插座，阻抗就会改变。当信号在电力在线遇到的阻抗和传送器线路的阻抗相同时，最高信号功率就会转移。这两个阻抗的差距越大，转移的信号功率就越少，PLC效能就越低。

对于电力线应用而言，阻抗的动态变化是最大的难题之一。PLC传送器与接收器若想达到最稳定的信号效能，在设计时就必须预期电力线会有这些阻抗变化。在传送器与电力线之间持续进行阻抗匹配，能达到最大的信号转移，较高的接收器阻抗则确保在接收端会有最少的信号损耗。

网络协议

一个稳健且不会出错的网络协议，对于PLC通讯的可靠度而言是最大的影响因素。尽管系统设计本身很难掌握到各种物理因素，像是噪声、电力线阻抗等，但针对电力线进行优化的网络协议，则能大幅改善PLC的效能。网络协议对于PLC系统具攸关成败的影响力，选择正确的网络协议，能建构出100％成功的PLC通讯系统。

大多数PLC应用都支持数十至数百个节点链接到同一条电力线。网络协议负责仲裁管制各节点之间的数据封包传输，让所有节点能公平分享线路的可用带宽，而且没有任何一个节点能霸占通讯协议频道。网络协议的定义与建置，亦决定了在同一条线路上最多能有多少个PLC节点进行通讯。本文噪声章节探讨的大多数技巧，可内建在网络协议，举例来说，包括确认讯号通知、重传以及CRC等。如此一来在PLC系统上运作的应用，就不必费心去纳入这些技巧，而且只会收到有效的PLC数据。有些PLC组件本身含有网络协议，其他组件则须由研发业者自行定义、撰写程序、以及管理。如果通讯协议无法在PLC组件上运作，研发环境必须考虑指定其他处理器来建置通讯协议。

另一项重要考虑是互操作性与并存。CENELEC规定载波侦测多重存取（CSMA）技术（如图四），确保一组PLC节点能和其他厂商的方案并存运作。随着支持PLC的组件快速增加，这种重要的途径能确保支持未来的PLC组件。

《图四 多个PLD节点共享同一条电力线。》

CENELEC规定载波侦测多重存取（CSMA）机制以确保同一条电力在线的多个节点能并存运作，并有效率地分享存取资源。

接收器 （Rx） 灵敏度

根据电力线的特性、负载以及信号在电力线传输的距离，接收器所收到的信号可能随时间出现严重的衰减。具有高Rx接收器灵敏度的接收器（例如能可靠地从电力线接收强度极微弱的信号）可从线路收到更低强度的信号，因此拉长了有效的通讯距离。但高灵敏度不一定永远都好。高灵敏度的接收器不仅能侦测更小的信号，也会侦测到信道中更小的噪声。因此，必须有一个机制来防止接收器误把噪声判断成真正的信号。调适性增益控制（AGC）正是这种机制。如先前所述，运用AGC让接收器能机动调整其灵敏度，使其高于噪声基准，更精确地区别噪声与数据。

多重相位

大多数建筑物都会有变压器所产生的多重相位，以50Hz/60Hz为基准。由于大多数PLC信号都在更高的频率下运作，因此信号可能被变压器过滤掉，以致无法跳到邻近相位。这个邻近相位可能位在同一个屋子。因此现在面临的问题是PLC信号无法传到屋内的所有电源插座。但这个问题完全取决于变压器的设计。解决这项问题的方法，是让PLC信号和各相位进行耦合。目前有两种技巧:：

对于变压器而言，无线耦合较不具侵入性，因此在大多数情况下胜过电容耦合。市面上有些PLC解决方案附有无线耦合选项，其他产品的研发业者就必须自行设计一种方法来耦合各相位。

系统成本

虽说可靠度是一项关键的设计因素，但PLC架构还必须尽量降低系统成本，方能在市场上竞争。在着手将PLC加入系统时，有些研发业者会努力洽商以压低芯片价格，但却忽略了在其系统中加入PLC功能所衍生的整体成本。较稳当的作法是更全盘地考虑将PLC加入到系统时的各项成本增加因素。

PLC成本可大致分成零组件成本与研发成本，如图五所示。零组件成本包含构成PLC与其他系统功能的所有IC与组件的成本。另一方面，研发成本则包括其他资源的成本，当中包括有:

《图五 建置PLC解决方案所涉及的成本》

研发业者想要降低系统成本，可尽量把这些成本整合到最少的组件。例如，一个组件若能在一颗IC内同时提供调制解调器与网络协议等功能，就会比在不同IC上建置这些功能来得省钱（例如，一个组件建置调制解调器，另一个负责网络协议）。整合其他系统功能，像是能量量测、LCD驱动、温度感测、以及负载控制等，亦能降低系统成本，同时减少整合与开发的复杂度，如图六所示。总结来说，PLC组件越完整，在建置PLC时就越能节省时间与金钱。

《图六 Cypress CY8CPLC20组件整合了物理层调制解调器、网络协议以及一个PSoC应用层组件》

---作者任职于Cypress赛普拉斯半导体---