電力線通訊（Powerline Communication；PLC）這種通訊技術採用輸電線作為通訊媒介。資料透過供電線來傳送，包括住宅和汽車的輸電線都能用來傳送資料。PLC技術目前正經歷快速成長的階段，逐漸打入各類應用市場，其中包括智慧電網、照明控制、太陽能光電板監視、能源計量儀表、住宅視訊傳送以及電動車。全球節能的熱潮帶動市場對於智慧型通訊的需求，讓產生能源與消耗能源的裝置之間能相互傳遞訊息。PLC提供一種無須增建新基礎設施的獨特方式，讓用戶能在全球各地快速部署智慧能源管理技術。不同於無線式解決方案，PLC本身並沒有視線範圍與傳輸距離過短的限制，是一種成本效益極高且容易安裝的解決方案。

如今系統設計者可從超過十家半導體廠商取得PLC解決方案的貨源。其中許多解決方案針對特定應用與市場進行最佳化。面臨如此多元化的選擇，研發業者必須瞭解各種影響PLC系統效能與可靠度的因素，還得瞭解如何克服各種常見的挑戰。通訊系統組成的4個要素：

如先前所述，PLC的通訊媒介是電力線。在無線通訊中，傳輸媒介為空氣/真空。圖ㄧ顯示一個電力線通訊系統的模塊圖。信號經過傳送器的調變之後注入到電力線，接收器收到信號後再進行解調變（demodulate）。電力線的阻抗（impedance）使接受器所收到的信號出現衰減，至於不同的電力線其阻抗則各有高低差別。傳輸媒介中的任何雜訊，也會影響經過電力線的信號。

《圖一　典型電力線通訊系統的模塊圖》

電力線的阻抗會導致傳送信號出現衰減，電力線內的雜訊會對信號產生嚴重的影響。簡短介紹基本原理後，接下來逐一探討影響PLC系統效能與可靠度的各項因素，這些因素包括：

傳送（Tx）信號強度

較強的Tx信號代表電力線上的信號功率較高，信號強度越大，就較不容易被電力線雜訊所破壞，並能傳得更遠。Tx信號強度也影響了PLC節點的耗電量，因為注入到電力線的信號能量越多，節點就會消耗更多的電力。

兼顧兩者的最好作法，研發業者應提高傳送器的信號強度，直到達到最佳效能，而且電力線的耗電量達到最低。然而Tx信號強度受到各地的主管機構所嚴格控管，像是北美的FCC聯邦通訊委員會以及歐洲的CENELEC電子標準委員會，FCC與CENELEC亦管制了Tx主信號傳入電力線時所注入的諧波。這些管制措施的理由，是為了防止不同頻帶的信號產生相互干擾破壞的狀況。

在挑選PLC元件時，應檢查是否符合銷售目標地市場的Tx信號強度規範。而且還須遵循FCC與CENELEC所定的相關標準。理想的情況下，Tx信號增益應能彈性調整，讓您能根據系統其他部分元件來調校Tx信號強度。此外，您還須確定在達到FCC與CENELEC所要求的最佳Tx信號強度時，PLC節點會消耗多少電力，這方面當然是越省電越好。

電力線上的雜訊

當Tx信號被注入到電力線時，其完整性就取決於線路上的雜訊多寡：雜訊越強，信號受損就越嚴重。電力線上的雜訊有許多來源。這些雜訊大致上可分成兩類，亦即脈衝訊號（impulse）與連續訊號（continuous）。

脈衝雜訊較不易預測，通常突然發生，如圖二所示。這種雜訊的來源很多，例如像打開廚房果汁機的電源開關。想要設計出一個理想系統，一方面能容忍無法預測何時發生與強度多少的脈衝雜訊，一方能還不會犧牲資料傳輸率，其難度會非常高。有時這種雜訊會完全破壞電力線上的資料封包。

《圖二　電力線的脈衝雜訊》

連續雜訊則比脈衝雜訊更可預測，如圖三所示。連續雜訊通常和鄰近地區、城市、或州縣區域的電力線品質之間呈函數關係。由於電力線基礎設施原本的目標是有效率地傳送電力而非資料，因此電力線在安裝時很少注意到線路的雜訊標準。電力線的雜訊高低，端視系統是在世界的哪個地區運作。

《圖三　電力線內的連續雜訊》

電力線要穩定地通訊，訊噪比（SNR）必須維持在一定的門檻之上。如果在PLC系統的頻率範圍內有高振幅的連續雜訊，最好是隔離這些雜訊，把雜訊從PLC接收器移走，或是在雜訊來源設備的電源供應器加入一個阻隔電感，讓雜訊的頻率衰減到低於接收器的SNR。 研發人員還可運用許多其他技巧來克服雜訊產生的各種效應：

顯然，系統若能有更多方法來容許或克服雜訊，系統就會越可靠。利用確認機制為基礎的雙向通訊，加上重傳與CRC檢查技術，對系統會相當有利。

電力線網路的阻抗

信號在電力線遇到的阻抗（impedance），會影響傳送器送入電力線的信號功率。這個阻抗取決於電力線本身以及連結節點/裝置所擁有的阻抗。每當有裝置或節點插入到電源插座，阻抗就會改變。當信號在電力線上遇到的阻抗和傳送器線路的阻抗相同時，最高信號功率就會轉移。這兩個阻抗的差距越大，轉移的信號功率就越少，PLC效能就越低。

對於電力線應用而言，阻抗的動態變化是最大的難題之一。PLC傳送器與接收器若想達到最穩定的信號效能，在設計時就必須預期電力線會有這些阻抗變化。在傳送器與電力線之間持續進行阻抗匹配，能達到最大的信號轉移，較高的接收器阻抗則確保在接收端會有最少的信號損耗。

網路通訊協定

一個穩健且不會出錯的網路通訊協定，對於PLC通訊的可靠度而言是最大的影響因素。儘管系統設計本身很難掌握到各種物理因素，像是雜訊、電力線阻抗等，但針對電力線進行最佳化的網路通訊協定，則能大幅改善PLC的效能。網路通訊協定對於PLC系統具攸關成敗的影響力，選擇正確的網路通訊協定，能建構出100％成功的PLC通訊系統。

大多數PLC應用都支援數十至數百個節點連結到同一條電力線。網路通訊協定負責仲裁管制各節點之間的資料封包傳輸，讓所有節點能公平分享線路的可用頻寬，而且沒有任何一個節點能霸佔通訊協定頻道。網路通訊協定的定義與建置，亦決定了在同一條線路上最多能有多少個PLC節點進行通訊。本文雜訊章節探討的大多數技巧，可內建在網路通訊協定，舉例來說，包括確認訊號通知、重傳以及CRC等。如此一來在PLC系統上運作的應用，就不必費心去納入這些技巧，而且只會收到有效的PLC資料。有些PLC元件本身含有網路通訊協定，其他元件則須由研發業者自行定義、撰寫程式、以及管理。如果通訊協定無法在PLC元件上運作，研發環境必須考量指定其他處理器來建置通訊協定。

另一項重要考量是互通性與並存。CENELEC規定載波偵測多重存取（CSMA）技術（如圖四），確保一組PLC節點能和其他廠商的方案並存運作。隨著支援PLC的元件快速增加，這種重要的途徑能確保支援未來的PLC元件。

《圖四　多個PLD節點共用同一條電力線。》

CENELEC規定載波偵測多重存取（CSMA）機制以確保同一條電力線上的多個節點能並存運作，並有效率地分享存取資源。

接收器 （Rx） 靈敏度

根據電力線的特性、負載以及信號在電力線傳輸的距離，接收器所收到的信號可能隨時間出現嚴重的衰減。具有高Rx接收器靈敏度的接收器（例如能可靠地從電力線接收強度極微弱的信號）可從線路收到更低強度的信號，因此拉長了有效的通訊距離。但高靈敏度不一定永遠都好。高靈敏度的接收器不僅能偵測更小的信號，也會偵測到通道中更小的雜訊。因此，必須有一個機制來防止接收器誤把雜訊判斷成真正的信號。調適性增益控制（AGC）正是這種機制。如先前所述，運用AGC讓接收器能機動調整其靈敏度，使其高於雜訊基準，更精確地區別雜訊與資料。

多重相位

大多數建築物都會有變壓器所產生的多重相位，以50Hz/60Hz為基準。由於大多數PLC信號都在更高的頻率下運作，因此信號可能被變壓器過濾掉，以致無法跳到鄰近相位。這個鄰近相位可能位在同一個屋子。因此現在面臨的問題是PLC信號無法傳到屋內的所有電源插座。但這個問題完全取決於變壓器的設計。解決這項問題的方法，是讓PLC信號和各相位進行耦合。目前有兩種技巧:：

對於變壓器而言，無線耦合較不具侵入性，因此在大多數情況下勝過電容耦合。市面上有些PLC解決方案附有無線耦合選項，其他產品的研發業者就必須自行設計一種方法來耦合各相位。

系統成本

雖說可靠度是一項關鍵的設計因素，但PLC架構還必須盡量降低系統成本，方能在市場上競爭。在著手將PLC加入系統時，有些研發業者會努力洽商以壓低晶片價格，但卻忽略了在其系統中加入PLC功能所衍生的整體成本。較穩當的作法是更全盤地考量將PLC加入到系統時的各項成本增加因素。

PLC成本可大致分成零組件成本與研發成本，如圖五所示。零組件成本包含構成PLC與其他系統功能的所有IC與元件的成本。另一方面，研發成本則包括其他資源的成本，當中包括有:

《圖五　建置PLC解決方案所涉及的成本》

研發業者想要降低系統成本，可盡量把這些成本整合到最少的元件。例如，一個元件若能在一顆IC內同時提供數據機與網路通訊協定等功能，就會比在不同IC上建置這些功能來得省錢（例如，一個元件建置數據機，另一個負責網路通訊協定）。整合其他系統功能，像是能量量測、LCD驅動、溫度感測、以及負載控制等，亦能降低系統成本，同時減少整合與開發的複雜度，如圖六所示。總結來說，PLC元件越完整，在建置PLC時就越能節省時間與金錢。

《圖六　Cypress CY8CPLC20元件整合了實體層數據機、網路通訊協定以及一個PSoC應用層元件》

---作者任職於Cypress賽普拉斯半導體---