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通过 G3 开发稳健的电力线通信 (PLC) - II
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作者: Xiaolin Lu ， 智能电网研发经理， 德州仪器公司； Olivier Monnier ， 全球市场经理 达拉斯电力线通信 (PLCPLC
通过软件实现PLC灵活性
凭借其 plcSUITETM软件，TI 提供了一款适合 PLC 所有主要特点的完整有效解决方案，并可为应用提供全面的 PHY 和 MAC 层处理功能以及一个 API（第 5 页上的图 1）。而且，利用软件来实现 PLC 系统还使开发人员能够支持 G3（包括 G3-FCC）的每一项特点，而不限于面向需要较高数据速率之设备的 PRIME 标准以及针对低成本应用的 PLC-LiteTM，从而为其提供了巨大的灵活性。
plcSUITE软件框架
图 1：TI 的plcSUITETM软件提供了一款适合 PLC 所有主要特点的完整有效解决方案，并可为应用提供全面的 PHY 和 MAC 层处理功能以及一个 API。例如：该堆栈提供了一个一直通到计量应用的无缝接口，从而简化了 PLC 设计并大幅度地加快了开发进程。
TI 简单易用的 plcSUITE 软件库使得开发人员能够在较短的时间里完成 PLC 设计的定制，并加快其产品的上市进程。该软件库为端到端产品，可提供用于解决方案的端点侧（电子式电表和数据集中器）和控制器侧的解决方案，因此开发人员可了解并控制整个网络。此外，plcSUITE 既可用作一个"黑匣子"解决方案，也可以用作一个"平台"，令开发人员能在 PLC 库之外增添其自有的 IP，从而在市场上实现更大的产品差异化。
开发人员可申请 TI 源代码的授权版本，这使他们可以选择只采用其所需的组件。同时，他们也可在需要的情况下定制代码，以针对某种特别艰难的工作环境调节实现方案。此外，TI 的 G3 实现方案还支持额外的增强性能，可进一步改善工作在严酷或噪声环境之应用的稳健性。例如：开发人员可以根据动态变化的通道条件采用相干调制、较长的前置码、稳健型接收器算法 (Robust Receiver Algorithms) 以及自动频率检测或音调掩蔽设置。
TI 的 G3 和 PRIME 软件通过了标准联盟的认证，使得开发人员能够支持相关标准的各个方面。另外，TI 还提供了诸如其 auto-REM PLC 软件等专为电动汽车 (EV) 而特别开发的专用实现方案。
TI 价值命题的一部分是其 PLC 软件能在其 MCU 产品系列的器件上运行。对于那些要求将 PLC 作为一个独立子系统来实现的应用，PLC83 微控制器提供了一种集成的低成本方法。对于开发人员希望在同一个处理器上运行应用程序和 PLC 软件的系统，C2000TMConcertoTM微控制器平台可提供具有不同存储器密度和处理能力的多种选项。另外，Concerto 处理器还具有支持 G3-FCC 的较高数据速率和处理要求的能力。而对于那些可使用 PLC-LiteTM的低成本应用，TI 则提供了其 C2000 PiccoloTMF280x 处理器。
TI PLC 产品系列可支持多种 PLC 标准的灵活性还使得 OEM 制造商能够选择最优的处理器，然后在设备与网络之间实现桥接。我们以一间采用智能照明的工厂为例。照明灯本身可采用 PLC-Lite 进行控制和监视，以实现最低的单位成本。同时支持 PLC-lite 和 G3 的单个集中器可管理多个节点，并采用 G3 将统一数据发送至一个中央聚合点以最大限度地提高稳健性。最后，中央聚合器可实现 G3-FCC 网络与公用事业公司 PRIME 网络的桥接。
加快基于PLC之应用的开发
为了在开发人员对 PLC 进行初始评估时为其提供帮助，TI 推出了其配有 plcSUITE 和零配置 GUI 工具的 TMDSPLCKIT-V3 评估套件。这是一款功能强大的工具，可完成通道链路特性分析。在其零配置模式中，开发人员能够在节点之间传输数据，而无须定义任何的配置参数。这大幅度地简化了评估过程，尤其对于那些不太熟悉 PLC 实现方案细节的开发人员。
另外，该工具还通过支持一种专家模式起到了加快产品开发进程的作用，在该模式中，开发人员可微调某个通道的配置以收集更多有关该通道的信息。这将提供有关某个通道之特性的重要信息，而这些信息是针对某一特定市场优化实现方案所必需的（见下面的图 2）。德州仪器采用相同的零配置 GUI 在世界范围内进行客户现场测试，但允许客户获取并使用此项技术进行开发。
图 2：这款零配置工具使得开发人员能够迅速改变某个通道的配置，以收集更多有关该通道的数据并针对某一特定市场优化实现方案，从而可加快产品的开发进程。
虽然在欧洲禁止使用 FCC 频段，但是预计对于许多国家来说支持 G3-FCC 还是相当有益的。针对那些希望对采用 FCC 频段之 G3 的性能进行测试的开发人员，TI 可提供 F28M35x controlCARD。该插入式模块可在许多 TI 开发板上对基于 FCC 的 G3 实施快速评估，包括 PLC Thumb。
通过在 PLC 标准不断发展的情况下拥有目前可用的硬件与软件，OEM 制造商可以开始开发工作，并能在相关标准成为正式标准之后迅速推出产品。要想在每一项标准成为正式标准之后立即占据相应的市场份额，跨越式启动 PLC设计的能力是至关紧要的。
除了提供处理 PLC 信号所需的硬件、软件和工具之外，TI 还提供了丰富齐全的模拟组件产品系列，以进一步改善稳健性。比如，AFE031 就被集成在 TI 的 PLC 解决方案中，并为开发人员提供了一个具有集成型功率放大器的模拟前端，其具有上佳的性能，并提升了总体系统可靠性、增加了覆盖范围。TI 承诺在其即将推出的器件中采用这同一种技术。
TI 致力于推进 PLC 的开发，并积极参与 G3 联盟和 IEEE P1901.2 工作组的标准制定，事实上，德州仪器在 PRIME 和 G3 联盟中担任了大量的组长职位，并且是 P1901.2 的创始成员之一。另外，TI 还拥有一家位于德克萨斯州达拉斯的全球性 PLC 研发中心（其从事 PLC 软件与硬件的改进创新），并即将在法国开设一家 G3-PLC 能力中心。
业界领先的现场专门知识与创新
为了更好地了解在不同的国家和地区的实际网络中伴随 PLC 而出现的问题，TI 在世界各地进行了大量的 G3 现场测试（见下面的表 3），以测量不同的工作环境对信号性能和稳健性的影响情况。
G3现场测试概要（2011～2012年）
地点 | 时间 | 测试 | 结果 |
美国威斯康辛州密尔沃基 | 2011 年 5 月 | G3-CEN/FCC | 通过（采用具有执行器的删除通道） |
美国南部 | 2011 年 5 月 | G3-CEN MV/LV | 穿过 MV/LV 变压器可覆盖长达 2 英里的距离（采用自适应音调掩蔽） |
日本广岛 | 2011 年 4 月 | G3-ARIB LV/LV | 通过了所有的 LV/LV 连通性测试用例 |
中国北京 | 2011 年 4 月 | G3-CEN 住宅测试 | 在室外电网至计量仪表测试中实现了长达 200m 的作用距离 |
墨西哥首都墨西哥城 | 2011 年 5 月 | G3-CEN 电路机房 | 通过了 2 个电路断路器 |
土耳其 | 2011 年 6 月 | G3-CEN 工厂测试 | 通过了所有的测试用例（竞争对手则未能全部通过） |
美国东部 | 2011 年 9 月 | G3-FCC MV/LV | 穿过 MV/LV 变压器可覆盖长达 2 英里的距离（采用自适应音调掩蔽） |
中国唐山 | 2011 年 11 月 | G3-CEN 电网至计量仪表 | 通过了 95% 的测试点（在仅采用 CEN-A 音调掩蔽的情况下） |
印度 | 2011 年 11 月 | G3-CEN LV/LV | 通过了所有的 LV/LV 测试用例。 |
日本 | 2011 年 12 月 | G3-ARIB 网络测试 | 30 节点电网至计量仪表测试具有干扰。与竞争对手相比，可在跳跃数量极少的情况下形成稳定的网络。MAC 测试。 |
日本东京 | 2012 年 2 月 | 针对 MV/MV 和 LV/MV 的 G3-ARIB | 可完全覆盖所有的测试路由。在某些场合中，相干调制实现了性能提升。 |
中国台湾台北市 | 2012 年 2 月 | 采用电流变换器的 G3-CENLEC | 通过了大多数的噪声环境测试。 |
韩国 | 2011 年 5 月 | CENELEC/FCC | 通过了所有的地下电缆（最远可达 150m） |
表 3：TI 在世界各地进行了大量的 G3 现场测试，以测量不同的工作环境对信号性能和稳健性的影响情况。现场测试涵盖了各种各样的工作环境、拓扑、距离和测试时间，旨在证实 G3 链路能够在动态变化的工作条件下实现通信。
现场测试涵盖了种类繁多的工作环境和配置，从点对点拓扑到具有超过 30 个基于 G3 的节点的互连多跳网络等均在其列。在整个测试过程中增加了节点之间的距离并变更了它们的位置，以测试技术的极限。另外，还在不同的时间以及线路上加有不同噪声负载的情况下进行了测试，旨在证实 G3 链路能够在动态变化的工作条件下实现通信。
采用 PLC 实现设备的稳健连接有哪些要求？通过该测试，TI 对此有了更好的认识。在 P1901.2 标准的制定过程中，TI 不仅贡献了自己较好地掌握了 PLC 通道特性的工程师，还将所了解的各种有用信息提供给了 IEEE。例如：TI 分享了其在用于改善通道稳健性的子频段技术 (sub-banding technology) 方面的研究成果。
TI在住宅区域所做的现场测试
图 3：德州仪器在世界各地进行了现场测试，以检验和评估各种不同的 PLC 技术在实际设置当中的性能。这些测试为 TI 提供了有关 PLC 技术的独特知识。
子频段技术运用了 PLC 通道的频率分集，以根据动态变化的通道条件确定可使用的最佳子频段。
另外，在针对 PLC 的 P1901.2 通道模型的开发方面，TI 也做出了重大贡献。开发人员要想创立可在多种工作条件下满足特殊性质的技术，通道模型的作用至关重要。例如：研究人员已经开发了面向无线通信的详尽而且完整的通道特性模型。这些模型使得业界作为一个整体能够提供一致和可靠的无线产品。假如没有此类模型，无线产品的性能、稳健性和互操作性就将受到损害。TI 处在相关研究领域的前沿，以获得确保电力线通信的平稳接纳和过渡所需具备的 G3 PLC 认识水平。
PLC 技术可在多种多样的应用中实现低成本的网络连接。对于那些希望充分利用此类市场中所蕴藏之商机的 OEM 制造商而言，他们需要拥有一种灵活的解决方案以开发出能够支持不同 PLC 标准的产品，从而适用于许多的国家和地区。
凭借其完全可编程的 PLC 实现方法，TI 提供了 OEM 制造商所期盼的利用一款基础型 PLC 设计来满足多种应用、标准和市场之要求的灵活性。通过软件实现的灵活性对于适应不同应用所固有的噪声条件的多样性十分关键。另外，运用软件实现方案还可使开发人员将其目前开发的 PLC IP 应用于未来以及所有的产品线。
借助其可支持 PRIME、G3 以及诸如 PLC-LiteTM等低成本替代标准的众多处理器，TI 正在为把 PLC 引入许多新型市场奠定技术基础。结合其从现场获得的直接经验以及应用专门知识，TI 还能提供开发人员所需要的硬件、软件和工具，以满足在世界范围内推广应用 PLC 所面临的千变万化的要求。
作为 PLC 技术的领航者之一，TI 一如既往地积极发现和解决伴随诸多 PLC 标准的成熟而出现的问题。通过其先进的现场测试，TI 获得了有关在各个国家和地区应用 PLC 技术之特殊要求的丰富知识。
通过其独立的研究活动以及与 IEEE 和 G3 联盟的合作，TI 持续不断地提升 PLC 技术的性能和稳健性。TI 是一家全球性公司，具备应对世界各地的技术变种并提供这些应用即将需要的批量生产的能力。同时，在支持公用事业计量表以外的众多应用的能力方面，TI 也是独一无二的。此外，它还是目前唯一一家可提供兼用于 G3 和 PRIME 标准的 DC 集中器软件的公司。
影响G3性能与可靠性的问题
通过在世界各地进行大量的现场测试，TI 发现了众多会影响G3 信号性能和可靠性的问题，包括：
- 不对称的通道性能：在相同的物理媒体上，上行链路与下行链路的运行状态有可能完全不同。例如：一个可传送上行链路信号的频率或许未必同样适用于下行链路。
- 局部干扰：来自家中电气设备的干扰会对信号性能产生显著的影响。以日本为例，家中的热水器引发了突出的噪声问题，必需加以解决。
- 穿过变压器：低压变压器上的耦合器产生了必须特别加以应对的噪声难题。
- 拓扑："电网至家庭"以及"家庭至家庭"的网络连接必须考虑不同的通道特性。
更多详情
通过下列方式查找更多有关 TI 电力线通信 (PLC) 工具、软件和技术的信息：
- TI 智能电网产品系列概要：www.ti.com/smartgrid
- 德州仪器 PLC 技术：www.ti.com/plc-lp
- TI 智能电网解决方案指南：www.ti.com/plc-wp
- TI PLC 视频短片：www.ti.com/plc-wp-vid
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