低壓電力線通信點對點通信性能測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
點對點通信的性能主要體現(xiàn)在系統(tǒng)誤碼率、系統(tǒng)傳輸速率等方面。誤碼率在通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，通常誤碼率可以通過理論仿真得到，也可以通過現(xiàn)場測試或者是實驗室測試得到。誤碼率可以用來分析當(dāng)前信道環(huán)境下系統(tǒng)的通信性能，為系統(tǒng)的性能比較、系統(tǒng)的改進設(shè)計提供可靠的衡量指標(biāo)。
本文設(shè)計的點對點通信測試系統(tǒng)是在低壓電力線信道環(huán)境下，測試2個載波通信單元的點對點通信的能力。電力線信道的環(huán)境復(fù)雜，負載變化大，會造成電力線信道的多徑產(chǎn)生，并且由于各種開關(guān)電源等影響，信道環(huán)境中存在脈沖干擾、周期性噪聲等干擾源。這些干擾對通信性能有很大的影響，而且由于信道中傳輸?shù)膱笪臄?shù)據(jù)的長度不同，產(chǎn)生的影響也各不相同。目前，國內(nèi)外的各類報導(dǎo)中關(guān)于低壓電力線信道的建模很少，因此在這種復(fù)雜的信道環(huán)境下測試通信單元的通信性能(比如誤碼率)是非常有必要的。通過這類測試，不僅可以縱向比較自身載波通信單元的點對點通信能力，還可以橫向比較不同廠家各個類別的載波通信單元在相同的信道環(huán)境下點對點通信性能，為整體通信系統(tǒng)的改進和設(shè)計提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。
1 測試系統(tǒng)設(shè)計
測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
此測試系統(tǒng)的搭建主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要由以下幾個方面：
(1)凈化電源部分：主要是在電力線與測試系統(tǒng)之間加入隔離器，將電力線上的高頻噪聲濾除掉，從而為測試系統(tǒng)提供一個相對純凈的電信號。
(2)載波通信單元：2個載波通信單元分別標(biāo)識為A、B，并分別連接計算機的COM1、COM2串口。由于載波通信單元具有透傳數(shù)據(jù)的功能，A能夠接收計算機通過COM1口傳來的0、1形式的數(shù)據(jù)串，并將該數(shù)據(jù)串通過電力線透傳給B，B收到后去掉透傳信息恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)串并通過COM2口傳給計算機。
(3)可調(diào)衰減器：衰減頻率5 kHz～500 kHz，衰減倍數(shù)0～90 dB，接在2個載波通信模塊之間，可以根據(jù)測試需要來調(diào)整衰減倍數(shù)。
(4)噪聲信號發(fā)生器：此設(shè)備可以根據(jù)測試需要產(chǎn)生高斯白噪聲、脈沖干擾信號、正弦波干擾信號，通過信號耦合裝置將產(chǎn)生的干擾耦合到A、B通信的電力線信道上，從而可以測試在不同的干擾環(huán)境下兩個載波單元的通信性能。
(5)信號耦合裝置：通帶頻率5 kHz～500 kHz，此設(shè)備加在強電220 V與噪聲信號發(fā)生器之間，主要作用是隔離強電，防止噪聲信號發(fā)生器被高壓擊穿短路。
(6)計算機：要求有2個串口COM1、COM2，可以進行串口通信，并分別連接載波通信單元A和B。
測試軟件部分是利用VC++平臺自主開發(fā)的一款能夠通過串口發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)比較、計算誤碼率，數(shù)據(jù)傳輸速率以及對模塊整體通信性能評價打分的測試軟件。
此測試軟件主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：
(1)設(shè)置傳輸?shù)膱笪牡拈L度和數(shù)目。默認設(shè)置為16 B、32 B、64 B、128 B、192 B的報文各16條。
(2)根據(jù)設(shè)定的默認設(shè)置或自定義設(shè)置來產(chǎn)生數(shù)據(jù)串。由于載波通信單元具有透傳報文的能力，因此傳輸?shù)膱笪臑殡S機生成的數(shù)據(jù)串，并通過COM1和COM2發(fā)收這些數(shù)據(jù)串。
(3)計算報文級和碼元級的誤碼率。報文級誤碼率＝(含錯誤位數(shù)據(jù)串個數(shù)＋發(fā)出未收到的數(shù)據(jù)串個數(shù))÷傳送的數(shù)據(jù)串總數(shù)；碼元級誤碼率＝錯誤位數(shù)÷收到總位數(shù)。
(4)計算有效的通信速率。有效通信速率＝傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串之和÷傳送數(shù)據(jù)串總的通信時間；其中傳送數(shù)據(jù)串總的通信時間的統(tǒng)計是從一個數(shù)據(jù)串發(fā)送完成到這個數(shù)據(jù)串開始接收的時間，包括通信模塊內(nèi)部處理數(shù)據(jù)串的時間。
(5)根據(jù)誤碼率和有效數(shù)據(jù)傳輸速率進行整體的通信性能評價和打分。
(6)將數(shù)據(jù)保存到電腦硬盤上以便進行數(shù)據(jù)查詢。
軟件設(shè)計主界面如圖2所示。
誤碼率的最終結(jié)果體現(xiàn)在報文成功率欄中。從計算機發(fā)送到載波通信單元的報文格式是雙方提前約定好的，報文第一個字節(jié)用來約定幀頭，第二個字節(jié)用來約定使用的通信方式，第三個字節(jié)為約定要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串的長度，長度不包括停止字節(jié)和校驗字節(jié)，在報文的最后加上停止字節(jié)和校驗字節(jié)。
在設(shè)計好測試所需要的軟件和硬件部分后，將軟件和硬件部分連接起來，形成整體的測試系統(tǒng)。首先將隔離器連接在電力線上，從隔離器的輸出端連接出兩個點A和B，并分別連接載波通信單元A和載波通信單元B，再將載波通信單元A、B分別與計算機串口連接，設(shè)置串口參數(shù)，使其能夠通信。將衰減器連接到A、B載波通信單元之間，根據(jù)測試需要調(diào)整好衰減倍數(shù)。然后將噪聲信號發(fā)生器和信號耦合裝置接到電力線上，設(shè)置好需要測試的噪聲干擾信號。測試硬件環(huán)境搭建完成之后，在計算機上運行誤碼率測試軟件，根據(jù)測試的需要來設(shè)置所要發(fā)送的數(shù)據(jù)串的長度和條數(shù)、時間間隔等參數(shù)，通過點擊自動發(fā)送，計算機自動按照生產(chǎn)的數(shù)據(jù)串依次向串口發(fā)送，在報文接收界面可以收到另一個串口接收到的返回的數(shù)據(jù)串。在發(fā)送和接收完畢后，根據(jù)所需要比較的功能來進行誤碼率計算，可以得到此次通信的性能評分。
2 性能評價模型
在通信環(huán)境(噪音、衰減、阻抗、溫度等)一致、所傳輸數(shù)據(jù)串長度相等、發(fā)送功率相同的情況下，電力線通信的誤碼率與通信速率相關(guān)。通常，低速率意味著高抗干擾、高穿透能力，從而表現(xiàn)為高成功率；而高速率往往意味著低成功率，但又可以通過多次重發(fā)提高成功率。所以，單純以通信成功率評價一個通信技術(shù)的性能顯然太片面，把時間因素考慮進去會更合理一些。為此，本文建立成功率與通信速率的關(guān)系，將通信速率等效到1 kb/s下重新計算成功率，以便更合理地評價和對比各種電力線通信技術(shù)的性能。
假設(shè)某個電力線通信技術(shù)的誤碼率為p(成功率是 1－p)，其通信速率為 v(單位b/s)，則這種技術(shù)下重復(fù)發(fā)送 v/1 000遍便可等效到1 kb/s的通信速率，此時的成功率為：
式(1)便是本文的評價模型，Q為一個[0，1]之間的數(shù)值，它是通信速率轉(zhuǎn)換為1 kb/s后的成功率。為了方便測試，將該數(shù)值放大100倍，得到技術(shù)測試得分E＝100 Q，從技術(shù)測試得分上的高低便可以客觀地評價通信性能的優(yōu)劣。
式(1)所建立的評價模型可以用于碼元級性能評價，也可用于報文級性能評價， 取決于p是取碼元級誤碼率還是報文級誤碼率。通常，在研發(fā)過程中注重碼元級誤碼率，在實際應(yīng)用中強調(diào)的是報文級誤碼率。
3 測試實例
本文對東軟載波科技股份有限公司的第3代電力線載波通信單元進行了實際測試。通過調(diào)節(jié)衰減器的衰減倍數(shù)來測試其通信性能的變化。表1、表2分別為幅度衰減倍數(shù)為0 dB和50 dB時測試的通信性能。
由此可以看出，表1中，測試1、2情況下，兩個載波通信模塊之間沒有幅度上的衰減，二者的通信成功率都是100%，所以此時技術(shù)測試得分都是滿分，到達了模塊的最佳通信性能。
表2中，測試3、4情況下，兩個載波通信單元之間加入了50 dB的幅度上的衰減的時候，也就是說兩個單
元之間的通信的信號幅度衰減了105倍，測試3中的通信成功率雖然比測試4的高很多，但是其有效通信速率比測試4的低很多，根據(jù)測試系統(tǒng)的整體評價，測試3的總體得分不如測試4的整體得分高。從而更進一步地驗證了測試系統(tǒng)在通信性能上測試的公平性、靈活性。
本文中設(shè)計的電力線點對點通信性能測試系統(tǒng)測試原理簡單，測試環(huán)境搭建方便，測試軟件使用簡單靈活，通過測試結(jié)果可以看到，此測試系統(tǒng)可以很直觀、公平地比較出載波通信單元的通信性能，為整體通信系統(tǒng)的設(shè)計、性能的改進提供了一定的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。
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