低压电力线通信点对点通信性能测试系统设计与实现

在复杂的大型通信网络中，通信过程是由一系列通信节点相互中继转发组成的。2个相邻节点的直接通信(点对点通信)性能的优劣直接决定了整个通信网络的通信性能。因此，有必要针对点对点通信的性能进行测试和评价。
    点对点通信的性能主要体现在系统误码率、系统传输速率等方面。误码率在通信系统中具有举足轻重的地位，通常误码率可以通过理论仿真得到，也可以通过现场测试或者是实验室测试得到。误码率可以用来分析当前信道环境下系统的通信性能，为系统的性能比较、系统的改进设计提供可靠的衡量指标。
    本文设计的点对点通信测试系统是在低压电力线信道环境下，测试2个载波通信单元的点对点通信的能力。电力线信道的环境复杂，负载变化大，会造成电力线信道的多径产生，并且由于各种开关电源等影响，信道环境中存在脉冲干扰、周期性噪声等干扰源。这些干扰对通信性能有很大的影响，而且由于信道中传输的报文数据的长度不同，产生的影响也各不相同。目前，国内外的各类报导中关于低压电力线信道的建模很少，因此在这种复杂的信道环境下测试通信单元的通信性能(比如误码率)是非常有必要的。通过这类测试，不仅可以纵向比较自身载波通信单元的点对点通信能力，还可以横向比较不同厂家各个类别的载波通信单元在相同的信道环境下点对点通信性能，为整体通信系统的改进和设计提供一定的指导依据。
1 测试系统设计
    测试系统整体结构图如图1所示。

    此测试系统的搭建主要由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要由以下几个方面：
    (1)净化电源部分：主要是在电力线与测试系统之间加入隔离器，将电力线上的高频噪声滤除掉，从而为测试系统提供一个相对纯净的电信号。
    (2)载波通信单元：2个载波通信单元分别标识为A、B，并分别连接计算机的COM1、COM2串口。由于载波通信单元具有透传数据的功能，A能够接收计算机通过COM1口传来的0、1形式的数据串，并将该数据串通过电力线透传给B，B收到后去掉透传信息恢复出原始的数据串并通过COM2口传给计算机。
    (3)可调衰减器：衰减频率5 kHz～500 kHz，衰减倍数0～90 dB，接在2个载波通信模块之间，可以根据测试需要来调整衰减倍数。
    (4)噪声信号发生器：此设备可以根据测试需要产生高斯白噪声、脉冲干扰信号、正弦波干扰信号，通过信号耦合装置将产生的干扰耦合到A、B通信的电力线信道上，从而可以测试在不同的干扰环境下两个载波单元的通信性能。
    (5)信号耦合装置：通带频率5 kHz～500 kHz，此设备加在强电220 V与噪声信号发生器之间，主要作用是隔离强电，防止噪声信号发生器被高压击穿短路。
    (6)计算机：要求有2个串口COM1、COM2，可以进行串口通信，并分别连接载波通信单元A和B。
    测试软件部分是利用VC++平台自主开发的一款能够通过串口发送、接收数据，可以实现比较、计算误码率，数据传输速率以及对模块整体通信性能评价打分的测试软件。
    此测试软件主要能够实现以下功能：
    (1)设置传输的报文的长度和数目。默认设置为16 B、32 B、64 B、128 B、192 B的报文各16条。
    (2)根据设定的默认设置或自定义设置来产生数据串。由于载波通信单元具有透传报文的能力，因此传输的报文为随机生成的数据串，并通过COM1和COM2发收这些数据串。
    (3)计算报文级和码元级的误码率。报文级误码率＝(含错误位数据串个数＋发出未收到的数据串个数)÷传送的数据串总数；码元级误码率＝错误位数÷收到总位数。
    (4)计算有效的通信速率。有效通信速率＝传输的数据串之和÷传送数据串总的通信时间；其中传送数据串总的通信时间的统计是从一个数据串发送完成到这个数据串开始接收的时间，包括通信模块内部处理数据串的时间。
    (5)根据误码率和有效数据传输速率进行整体的通信性能评价和打分。
    (6)将数据保存到电脑硬盘上以便进行数据查询。
    软件设计主界面如图2所示。

    误码率的最终结果体现在报文成功率栏中。从计算机发送到载波通信单元的报文格式是双方提前约定好的，报文第一个字节用来约定帧头，第二个字节用来约定使用的通信方式，第三个字节为约定要传输的数据串的长度，长度不包括停止字节和校验字节，在报文的最后加上停止字节和校验字节。
    在设计好测试所需要的软件和硬件部分后，将软件和硬件部分连接起来，形成整体的测试系统。首先将隔离器连接在电力线上，从隔离器的输出端连接出两个点A和B，并分别连接载波通信单元A和载波通信单元B，再将载波通信单元A、B分别与计算机串口连接，设置串口参数，使其能够通信。将衰减器连接到A、B载波通信单元之间，根据测试需要调整好衰减倍数。然后将噪声信号发生器和信号耦合装置接到电力线上，设置好需要测试的噪声干扰信号。测试硬件环境搭建完成之后，在计算机上运行误码率测试软件，根据测试的需要来设置所要发送的数据串的长度和条数、时间间隔等参数，通过点击自动发送，计算机自动按照生产的数据串依次向串口发送，在报文接收界面可以收到另一个串口接收到的返回的数据串。在发送和接收完毕后，根据所需要比较的功能来进行误码率计算，可以得到此次通信的性能评分。
2 性能评价模型
    在通信环境(噪音、衰减、阻抗、温度等)一致、所传输数据串长度相等、发送功率相同的情况下，电力线通信的误码率与通信速率相关。通常，低速率意味着高抗干扰、高穿透能力，从而表现为高成功率；而高速率往往意味着低成功率，但又可以通过多次重发提高成功率。所以，单纯以通信成功率评价一个通信技术的性能显然太片面，把时间因素考虑进去会更合理一些。为此，本文建立成功率与通信速率的关系，将通信速率等效到1 kb/s下重新计算成功率，以便更合理地评价和对比各种电力线通信技术的性能。
    假设某个电力线通信技术的误码率为p(成功率是 1－p)，其通信速率为 v(单位b/s)，则这种技术下重复发送 v/1 000遍便可等效到1 kb/s的通信速率，此时的成功率为：
   
    式(1)便是本文的评价模型，Q为一个[0，1]之间的数值，它是通信速率转换为1 kb/s后的成功率。为了方便测试，将该数值放大100倍，得到技术测试得分E＝100 Q，从技术测试得分上的高低便可以客观地评价通信性能的优劣。
    式(1)所建立的评价模型可以用于码元级性能评价，也可用于报文级性能评价， 取决于p是取码元级误码率还是报文级误码率。通常，在研发过程中注重码元级误码率，在实际应用中强调的是报文级误码率。
3 测试实例
    本文对东软载波科技股份有限公司的第3代电力线载波通信单元进行了实际测试。通过调节衰减器的衰减倍数来测试其通信性能的变化。表1、表2分别为幅度衰减倍数为0 dB和50 dB时测试的通信性能。
    由此可以看出，表1中，测试1、2情况下，两个载波通信模块之间没有幅度上的衰减，二者的通信成功率都是100%，所以此时技术测试得分都是满分，到达了模块的最佳通信性能。
    表2中，测试3、4情况下，两个载波通信单元之间加入了50 dB的幅度上的衰减的时候，也就是说两个单
元之间的通信的信号幅度衰减了105倍，测试3中的通信成功率虽然比测试4的高很多，但是其有效通信速率比测试4的低很多，根据测试系统的整体评价，测试3的总体得分不如测试4的整体得分高。从而更进一步地验证了测试系统在通信性能上测试的公平性、灵活性。
    本文中设计的电力线点对点通信性能测试系统测试原理简单，测试环境搭建方便，测试软件使用简单灵活，通过测试结果可以看到，此测试系统可以很直观、公平地比较出载波通信单元的通信性能，为整体通信系统的设计、性能的改进提供了一定的数据指导。