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圖10 電纜損失之量測架構 |
為了解上述特性,圖10所示為量測電纜損失與特性阻抗的實驗架構,其中使用向量網路分析儀測量電纜線兩端的插入損失(Insertion Loss, S21)與反射損失(Return Loss, S11 & S22)來計算所測電纜的損失與特性阻抗。
實測時乃以時間閘取(Time Gating)技術擷取,由向量網路分析儀Port1發出並直接經此同軸電纜傳播至Port2之訊號,將待測物頻率響應轉換至時域,然後選取直接波成分,再使用反傅立葉轉換回頻域,即可不含多次反射之直接S21參數,並且測量電纜輸入端僅含單次反射之S11與S22參數,如此可得下列關係式:
其中Pin及Pout分別為向量網路分析儀Port1發出與Port2接收到之功率,而 為待測電纜之功率衰減量。因此,電纜損失計算式如下:
其中l與α分別為待測電纜的長度和衰減常數(Attenuation Constant)。
至於特性阻抗則可使用向量網路分析儀中測量輸入阻抗之功能來獲得,其中乃先應用時間閘取測得待測電纜輸入端僅含單次反射之反射損失S11,再由向量網路分析儀計算所測電纜的特性阻抗,在此實驗測試電纜以20.8公尺的AWG#1與2.43公尺的500MCM分別進行量測。
由電力電纜量測所得之特性阻抗值,AWG#1高頻特性阻抗值約為40歐姆,而MCM500高頻特性阻抗值約為24歐姆,與先前利用公式推導之理論值相近;當兩物體連接面特性不連續亦形成反射效應,一般為了防止特性阻抗不匹配所造成的訊號反射,會統一規範使其正規化,所以主幹線與支線連接處會使訊號衰減的原因在此。另外依據相同架構測得PLC模組訊號連接線之特性,量測結果其特性阻抗值相近於50歐姆,所形成的反射量並不大,但建議盡量將佈線長度縮短以減少載波訊號的衰減和輻射性的干擾。
傳播常數為衰減常數與相位常數兩者所組成,是運算線路衰減特性的重要因子,圖11為兩種25kV等級電纜高頻衰減特性曲線,結果可以看出當載波在電力電纜中傳送時,線路會造成訊號一定的影響,如AWG#1載波於10MHz時,每公尺即有0.1dB/m的衰減量,1公里便有100dB的訊號衰減,這就是目前無法遠距離傳遞的問題點,所以必須於適當的位置裝設中繼器(Repeater)將訊號重生再放大增加訊號傳送的距離。
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圖11 500MCM與AWG#1之衰減特性曲線 |
由四路開關、變壓器、耦合器連接方式的實驗結果可得知,當中壓端以目前電容性耦合器耦合訊號方式,改變現有設備商所提供耦合器安裝法,變換成連接於接地線處,且增加接地線與訊號線纏繞圈數;或以目前設備商建議安裝法再增加接地線與訊號線纏繞圈數,此兩種安裝法訊號傳輸效果最為理想,且訊號線必須展開至最大以減少線間干擾,唯一須注意的是,於繞圈時,避免匝與匝之間互相短接觸形成短迴路(By Pass)現象。
另外封閉式開關箱內架構為三相平行匯流排,雖然整體耦合效能提升,但PLC模組輸出功率調制最大時,實際傳送資料量成效並非最佳,判斷應為匯流排架構造成資料傳送時產生ISI的問題,必須再做輸出功率的細部調整。
增加線圈匝數是利用變壓器鐵心原理ψ=NI,增加耦合器上的磁通量亦可抑制高頻雜訊,但須提防耦合器飽和與高頻雜散電容的效應,因此必須慎選耦合器於PLC工作頻段下之耦合效能;另一方面還須視耦合器裝設地點的設備整體結構、周遭背景雜訊準位、接地線的長短及電力線通訊模組輸出功率大小和載波工作頻帶再做細部調整。
建議可於HE輸出端加裝功率放大器來提升訊號準位,並於閘道(Gateway)前端接收端加裝低雜訊放大器,來提高訊號雜訊比值增加傳送距離,其中,也許可配置專線或加裝濾波器,來滿足電力線通訊之需求並降低電磁干擾效應。
電力線載波電磁干擾須克服
隨著電子產品數位化的普及,各國也紛紛對電磁干擾(EMI)的問題加以重視,現在各製造商於電子產品銷售至市場前,都被嚴格要求通過相關測試規範。電磁干擾主要的成分包括發生的源頭、媒介與受影響者。干擾源可能來自系統本體和外界因素,細分為自然雜訊與人為雜訊,其干擾的嚴重性是不可忽視的,輕微會造成設備的失誤,嚴重者甚至損壞設備。
外界干擾訊號可藉由感應、傳導和輻射的傳送形態,其中在傳導性電磁干擾中,有兩個主要的成分,分別是以相同振幅及相位的形式流經L、G及N、G的雜訊電流,亦稱為非對稱型式的雜訊電流或共模干擾,與以相同振幅但相位相差180度的形式流經L、N而不經接地線的雜訊電流,亦稱為對稱型式的雜訊電流或差模干擾,而輻射性干擾則為設備之線路或元件產生之電磁波藉由空氣散布在空間中,進而影響其他周邊設備儀器的誤動作。
一般進行量測電磁干擾時,訊號可分為寬頻(Broadband)和窄頻(Narrowband)兩種,當訊號頻寬大於參考頻寬,和脈衝回復頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)小於參考頻寬時,通常用準峰值模式(Quasi-peak Mode)檢波器測量、至於訊號頻寬小於參考頻寬,和PRF大於參考頻寬,通常用平均模式(Average Mode)檢波器測量。
以下將探討電力線載波可能造成電磁干擾問題,分別包括負載設備之傳導性干擾對PLC載波的影響以及載波訊號對電器設備傳導性干擾的影響。
電器設備傳導性干擾影響PLC載波
一般的家庭電器設備內的交換電源供應器(Switch Power Supply)、電子安定器或開關的切換都會產生相當程度的傳導性干擾,這些干擾訊號可能影響線路上的載波訊號,以下將選擇常見的電器設備,經由實驗了解其產生之電磁干擾的程度,電器設備包括:調光燈、電子安定器檯燈、電視機、電風扇、桌上型電腦及吹風機等。
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圖12 電器設備傳導性EMI的測量實驗架構示意圖 |
如圖12所示,線路前端及後端各連接一部LISN,前端LISN主要在高頻中提供一明確的電阻,阻隔來自電源端上的射頻(RF)訊號至待測物,亦可擷取待測物線路上欲得的射頻訊號,而後端的LISN則是提供一個阻抗匹配的負載,線路總長度為10公尺,實驗待測電器距離電源端2公尺,以頻譜分析儀連接前端LISN擷取傳導性電磁干擾的訊號(9k~30MHz),如圖13。
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圖13 以頻譜分析儀與LISN測量出傳導性EMI之示意圖 |
另外量測模擬PLC訊號饋入使用戶實際架構。以一般家庭配線必須經由單相三線電錶與無熔絲保護開關下之使用狀況,其架構如圖14與圖15所示,PLC訊號由住戶大樓變壓器二次側低壓端開關(圖14左開關)注入,經由電錶後連接至用戶室內端開關箱內(圖14右開關),探討PLC資料傳輸負載可能對載波的影響,在此家電負載以重負載冷氣與較常用的燈具為例。
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圖14 模擬家庭配線架構實體圖 |
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圖15 模擬家庭配線架構負載線路圖 |
表1與表2為實驗數據,從實驗中觀察出負載電器由於已經過產品電磁干擾規範認證可抑制本身高頻雜訊,所以在正常工作下所產生的傳導性電磁干擾,除了在開關切換瞬間有能量較高的突波產生,其他皆落於限制規範值之內。
表1 靜態無熔絲開關與負載對訊號傳送的影響 |
Link2 |
無負載下開關on |
無負載下開關off |
全負載下開關on |
全負載下開關off |
Tx(Mbps) |
27.42 |
27.1 |
27.3 |
25.7 |
Rx(Mbps) |
11.7 |
10.4 |
6.5 |
3.58 |
表2 負載對訊號傳送的影響 |
負載狀態 |
無負載時 |
唯獨冷氣啟動 |
冷氣與燈具啟動後 |
工作頻帶 |
Tx |
Rx |
Tx |
Rx |
Tx |
Rx |
Link1(Mbps) |
27.42 |
8.75 |
27.41 |
14.04 |
27.42 |
× |
Link2(Mbps) |
27.42 |
10 |
27.4 |
13.27 |
22.15 |
7.088 |
Link3(Mbps) |
27.08 |
8.1 |
26.02 |
11.54 |
20.83 |
6.98 |
Link4(Mbps) |
27.25 |
8.71 |
26 |
10.847 |
27.25 |
× |
因負載端可能連接負載種類過於繁多,有些種類啟動前後高頻特性值並不盡相同,內部由複雜的電容電感性混和而成增加分析難度,在此可證實不同的負載特性會有一定程度的影響PLC訊號傳遞,可再進一步分析多種電器特性並加以歸類。一般用戶迴路皆會經由電錶與無熔絲開關再接至負載,作為計費與保護作用,開關及電錶所造成的損失相當小,且無熔絲開關啟動與否對於PLC訊號而言,雖有衰減但不至於斷訊,可介於高頻電容效應跨越,但須視PLC設備本身載波模態而定。
用戶端訊號一般皆利用電容性耦合方式將訊號饋入L與N相之間,不過舊式住宅未必有地線(Ground)連接,L相大多為已知且明確的線路,而N相便因就近連接設備接地造成龐大且未知的迴路,令訊號能量形成無謂的分噬。因此訊號傳送至用戶端主要以線路耗損為主,再者為周邊設備影響所致,應盡量避免PLC接收設備與其他設備於同一饋線或同一插座上。
載波訊號影響電器設備傳導性電磁干擾
由於PLC的架構是將載波訊號直接加入市電中,所以當一般家電接入市電後,有可能會因負載的電路特性,而產生不同的傳導性電磁干擾的型態,亦可能因為負載加入線路中,而造成原本的載波衰減,以下將討論使用不同的負載及不同的單頻載波訊號,觀察線路上傳導性電磁干擾的狀況。
當線路上載入高頻載波訊號時,可以看出線路上會出現明顯的諧波效應,以奇次諧波為最大。從傳導性電磁干擾的觀點看來,由於實驗時並沒有切動開關,所以在載波時並沒有出現較高的傳導性電磁干擾,也就是說在單頻載波與沒有加入載波時,負載傳導性電磁干擾並沒有出現很明顯的變化。若只單純的觀察單頻的載波訊號,當負載加入時,線路末端的載波訊號會依負載的不同而有5~10dBm的衰減,判斷應為線路損耗所致。
PLC欲起仍待跨越門檻
從電力線通訊之傳輸特性,可得知正交多頻分工(OFDM)技術在傳輸與穩定度效能方面都優於他種調變技術。
此外,各國電力線通訊系統已陸續建置或規畫,目前所擬使用的電力線通訊系統之工作頻帶涵蓋1M~40MHz,為符合國內頻譜應用管制的要求以及減少相互間電磁干擾問題,建立電力線通訊電磁干擾規範實為必需。
針對公司可能影響電力線通訊品質之硬體設備,如四路開關、亭置式變壓器、電纜等,分析其高頻特性並建立配電系統載波頻率模型,其中考慮高頻傳輸線模型與分布參數概念,建立分析配電系統載波頻率傳播模型,並由電腦模擬結果來分析載波訊號的衰減特性與阻抗匹配問題。
而根據多次現場實驗與實驗室量測結果顯示:電力電纜接地線長度、電力設備結構、連接方式會影響電力線通訊傳輸品質。而透過電力線通訊耦合器裝置之連接方法,可改善訊號耦合至中壓電力電纜的效果,以提高於中壓電力電纜中之有效傳輸距離。
現實中,傳導性電磁干擾雜訊特性可能影響電力線通訊品質,尤以負載效應降低通訊品質更顯著,因此有必要提出改善。
至於電力線通訊訊號距離衰減問題,因低壓系統為主的室內距離不會太遠,所以衰減不大。以200Mbit/s電力線通訊設備而言,經衰減後仍足以應用於各種數位內容的傳輸,因此不足為慮。而PLC訊號亦不會被電表與開關阻擋而無法通訊,也有助於PLC之發揚。
(本文作者任職於台灣電力公司綜合研究所)