電力線通訊(PLC)技術正經歷一波快速成長期，其版圖正擴展至各種應用與市場，包括照明控制、太陽能光電板監控、智慧電網、能源儀表、住宅影音訊號傳遞及電動車等。席捲全球的節能風潮，帶動市場對於發電與省電裝置在智慧通訊方面的需求。PLC提供毋須擴充基礎建設的獨特解決方案，滿足市場的需求，協助顧客在全球各地快速部署智慧能源管理系統。
PLC市場百花齊放
半導體廠商已注意到PLC解決方案這波爆炸性需求，目前系統設計業者可以同時評估十多家不同廠商的產品，選購各式各樣的PLC解決方案。面臨這麼多的選擇，該如何判斷哪款PLC方案真正符合自身實際的需求？本文將說明各項影響PLC的因素，以及相關的產品功能來協助克服各種通訊挑戰。
圖1顯示所有通訊系統的模塊圖，發動器將訊號Tx送至傳輸媒介，媒介的阻抗會使訊號衰減，媒介內的雜訊則讓已衰減的訊號難以辨識，而接收器負責對Rx訊號進行解碼。接著，講解此圖的左側以及向右側的運作流程。首先是Tx訊號強度，Tx訊號越強，意謂線路中的訊號功率越高，電力線中的雜訊產生的干擾效果就越不顯著，而且訊號能傳送得越遠。但Tx訊號強度被許多主管機構如美國聯邦通訊委員會(FCC)與歐洲電工標準委員會(CENELEC)嚴格控制，因此無法持續提高傳送器的訊號強度來獲得電力線的最佳通訊性能。此外，FCC與CENELEC也嚴格控管電力線中主Tx訊號所注入的諧波。這些管制背後的原因是為了避免訊號相互干擾。
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| 圖1 典型電力線通訊系統的模塊圖。電力線的阻抗讓Tx訊號產生衰減，流入線路的雜訊會嚴重影響通訊的可靠性。 |
Tx訊號強度也會影響PLC節點的耗電量，注入到線路的能源愈多，節點消耗的電力也愈多。此外，須檢查PLC節點耗費多少能源才能達成FCC與CENELEC所規範的Tx訊號強度。當然，越省電越好。
雜訊問題影響至鉅
接著是雜訊。當Tx訊號注入到電力線後，就非常容易受雜訊干擾。電力線內的雜訊來自各種不同的來源。簡單來說，電力線中的雜訊可分成脈衝雜訊、連續雜訊這兩類。
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| 圖2 電力線上的脈衝雜訊 |
當廚房的果汁機開啟時，會對電力線注入大量的雜訊，稱為脈衝雜訊，屬於無法預測的雜訊，在短時間內快速出現(圖2)。為應付這些脈衝雜訊，如何設計理想的系統且不犧牲傳輸率相當困難，這種雜訊多半會干擾PLC的資料傳輸封包。 |
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| 圖3 電力線的連續雜訊 |
這種雜訊通常和鄰近地區、城市或國家的電力線品質有密切關係。由於電力線最初的設計目標是用來傳遞電力而非傳送資料，因此對線路上的雜訊就不太關注。此外，系統所處的環境，也會影響電力線的雜訊多寡(圖3)。 |
多管齊下擺脫雜訊
PLC可運用雙向通訊、重試、錯誤偵測、調適性增益控制四項技巧來克服雜訊所帶來的影響。
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若PLC系統僅進行單向通訊，傳送器就無從得知通訊是否成功，這是最初單向X10 PLC技術的最大缺點之一，例如每當廚房的果汁機開啟時，臥室的電燈開關就會停止運作。 |
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當傳送器未收到接收器送回的確認訊息，智慧型傳送器就可重新傳送資料封包。重試機制若內建在PLC並自動執行，就能成為一項功能強大的工具，讓電力線進行可靠度極高的通訊。 |
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循環冗餘檢查(CRC)讓接收器能辨識出資料封包內的錯誤。當接收到有錯的資料封包時，接收器可選擇要求傳送器重新傳送或不要傳回資料確認訊息，以讓傳送器重新傳送資料封包。 |
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為克服連續雜訊的影響，某些PLC裝置建置調適性增益控制功能。接收器會機動地將靈敏度調高到雜訊基準(Noise Floor)之上，避免把雜訊誤判成通訊資料。 |
在上述四種功能中，PLC方案選擇能支援愈多功能愈好。在阻抗方面，每當家電或節點的電線插入到電源插座時，電力線的阻抗就會改變。隨時可能改變的阻抗，是最難解決的PLC問題之一。當筆記型電腦的電源線插入電源插座時，筆記型電腦的變壓器就會降低電力線的整體阻抗，並造成訊號衰減，進而降低訊號在電力線內傳輸的距離。PLC傳送器與接收器必須能夠預測電力線中的阻抗變化，藉此達到理想的訊號效能。配合傳送器的阻抗，讓電力線能夠支援最大的訊號傳送以及更高的接收器阻抗，確保接收端的訊號耗損減到最低。
至於Rx接收器靈敏度，在不同的電力線屬性、負載以及訊號在電力線傳送的距離等因素影響下，接收器收到的PLC訊號會隨時間產生大幅的衰減。高Rx靈敏度的接收器(例如能接受低強度訊號)可從電力線擷取較微弱的訊號，因此提高有效的通訊距離。值得注意的是，高靈敏度不一定都是好事。若接收器具備高靈敏度，但不支援調適性增益控制，接收器在面對電力線中的雜訊時會產生誤判。實作時，須注意PLC接收器的Rx靈敏度，Rx靈敏度須搭配調適性增益控制才能發揮效果。
優化網路通訊協定
接著說明網路通訊協定。穩定可靠且不會出錯的網路通訊協定，對於PLC通訊的可靠度會產生最大的影響。對於控制「物理」變數如雜訊、阻抗、Tx訊號強度而言，雖然系統設計的影響不太，甚至完全沒有影響，但優化的網路通訊協定有助於大幅改善電力線通訊的效能。
由於大多數PLC應用都同時支援同一條電力線來連結上千個節點。網路通訊協定負責控制各節點的資料封包，讓所有節點有公平的機會透過電力線進行通訊，沒有任何單一節點會永遠霸占通訊頻寬。網路通訊協定的定義與建置，也決定了在同一條線路上同時進行通訊的PLC節點數量上限。
CENELEC規範的載波偵測多路存取(CSMA)機制，也確保一組PLC節點能與他牌產品的節點並存運作。由於市面上已出現眾多廠商所推出的PLC裝置，因此業者必須確保PLC裝置能夠在未來的環境中運作(圖4)。
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| 圖4 多個PLC節點共用同一條電力線。CENELEC規範的載波偵測多路存取(CSMA)機制，透過分享存取的方式，讓多個節點能在同一條電力線上並存運作。 |
與選擇可靠PLC解決方案同樣重要的因素，是系統的成本。當把PLC加入到系統時，研發業者可能會積極協商PLC晶片的售價，但卻完全忽略在系統中加入PLC功能的整體成本。正確的作法是全盤考量在系統中加入PLC所衍生的成本。
成本問題須全盤考量
PLC成本可大略分成零組件成本及研發成本(圖5)。零組件成本包括構成系統所有IC與元件的成本，包括PLC及其他系統功能在內。研發成本則包括網路通訊協定、機板與線路設計以及產品送交FCC、CENELEC和UL等機構進行驗證各項資源的成本。
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| 圖5 建置PLC解決方案所涉及的成本 |
至於如何降低PLC系統的成本？簡單地說，尋找理想的PLC解決方案，盡量多整合圖5中所列的元件，以降低整體成本。例如，解決方案若能在同一個IC內提供數據機與網路通訊協定等功能，會比一個晶片支援數據機、另一個支援網路通訊協定的雙晶片解決方案來得便宜。
(本文作者任職於賽普拉斯)