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PLT のための余裕：それは必要か？ ―― PLT における S/N 比の考察

by Richard Marshall, MA, CEng., FIEE, FIET, FInstP, Richard Marshall Limited

1) 概要

「勿論、PLT は動作のためにいくらかの余裕が必要であり、従ってそのサービスは他の製品について許容されるよりも xx dB 高い干渉レベルを許容されなければならない」と言われるのを聞くことは珍しくない。

この寄稿は、実地的な、また実験的な観点の双方からこの主張を調査し、既に主電源ポートについて CISPR22 で規格化されている限度内で有用な PLT 製品を設計することが可能であると結論する。標榜データレートと動作範囲は勿論低くなるであろうが、依然として非常に有用となるのに充分である。

2) 日常的な視点

強制される EMC 規格はその振幅を制限するべきであるが、主電源網上で既に見られる干渉は時間と周波数に関して予測不能である。周波数軸上では、どのような伝導性エミッション試験のグラフでも見られるであろうように、干渉の振幅が低い相当の周波数帯がある。以下の Figure 1 は、そこにも PLT が動作するための相当のギャップがあることを示すために、時間軸方向に拡大されている。

7MHz と 10MHz には連続的な干渉が、22MHz には間欠的な干渉が図示されている。

Figure 1: 周波数と時間にわたって稀にしか限度に近づかない伝統的な干渉源

データ伝送符号化アルゴリズムは、常に、特定のデータレートと干渉プロファイルへの最大の適応力を与えるように設計される。 PLT で用いるものは、周波数と時間でのギャップを見つけ出すように選択されなければならない。これらのアルゴリズムは時とともに改善されており、データレートの向上として利益が得られる。 2001年の Homeplug 1.0 は 13.78 Mb/sec の、 2005年の Homeplug AV は 200Mb/s の物理層データレートを主張した。設計者は改善されたアルゴリズムの利益を CISPR22 への適合性の改善として用いることを選択することもできたが、彼らはその代わりに技術的な利益の全てをより高い標榜データレートとして用いることを選んだ。

3) 理論的背景

シャノン・ハートレーの定理は、振幅 N の白色雑音の存在の中での帯域幅 B の通信チャネルでの振幅 S の信号の理論的最大データレート C を、次のように規定する：

C = B × log₂(1 + S / N)

この関係は、PLT のために適切なパラメータで、 Figure 2 の実線としてグラフ化されている。

Figure 2: 干渉の存在下での通信チャネルの容量

上の 2) 項で述べたように、主電源ケーブル上の干渉は「白色雑音」ではないので、この理論は PLT で可能なデータレートを著しく過小評価するであろう。それは、連続性の発生源からのエミッションのピークのあいだのかなりの周波数と振幅のギャップのため、そして不連続性の発生源のエミッションのあいだの時間のギャップのため、シャノン・ハートレーの法則で仮定された等価な「白色」よりもかなり低い実効レベルを持つであろう。

これは、３つの異なる値の S/N 比を与えるように調整された「現実の干渉源」の存在下で、 Solwise PL-85PE PLT モデムのペアによって達成されたスループットの、赤い点線のグラフで強調されている。実際の性能は次の章でさらに検討するが、理論との比較のため、負の値の S/N においては、上で議論したギャップのため、実際の製品は単純な理論を上回ることを注意しておく。正の値の S/N に対しては、プロトコル・オーバヘッドのため、そしておそらくは関係するコンピュータ・ハードウェアが非常に高いデータレートを扱えないため、実際の性能は 85Mb/s の「セールス・スペック」よりもかなり下に制限される。

だが、そのチャートは、より高い信号電力ではより高いデータレートが可能であるが、 dB でゼロや負の S/N 比において、「白色雑音」の干渉のもとでさえも相当のデータレートが可能であることを図示する。

4) 実験

CE マークが付けられているものの、重要な EMC 関連部品が除かれている、多数の「非正規輸入」コンピュータ用電源が UK で販売されている。 Trading Standards は気付いているが、これは別の話題である。これらの PSU は、任意の所望のレベルの伝導性エミッションを生じるように作られた外部フィルタを取り付けることができるので、屋内 PLT の耐干渉能力を調べるための発生源として非常に有用である。

この手段によって、我々は、 PLT モデムとのつり合いを回復させるように干渉を上げることによって、 CISPR22 適合 PLT システムによって達成されるであろう性能をモデル化することができる。

Figure 2 の赤い点線のカーブを達成するために外部フィルタが用いられた。この試験では、送信側と受信側のモデム、及び干渉源の PSU は全て、規定された回路インピーダンスと任意の遠隔の干渉源からの分離を与えるために、 CISPR16 LISN を介して給電された同一のソケット・ストリップに差し込まれた。

以下の Figure 3 で見られるように、外部フィルタ「C」を付けた「Xpower」 ATX-400TD PSU の、 3～30MHz の PLT 周波数帯内における QP エミッション・スペクトラムは、 CISPR22 Class B 限度に適合する製品から予期されるものよりも 20dB 高い。

Figure 3: 168W 負荷に給電する「CISPR 22 Class B よりも 20dB 高い」電源の主電源伝導性エミッション

階上の部屋のラップトップに隣接する PLT モデムを介して階下の書斎に隣接するモデムを持つデスクトップ・コンピュータへビデオ・ファイルを送信するように、典型的な家庭用 PLT 設備がセットアップされた。これらの２つの区域は、単一の配電盤の異なる MCB に接続された別の環状主回路で給電されていた。干渉源は、階下の同じ書斎の、別のソケットに差し込まれた。この電源が入れられた時、下の Figure 4 の Netmeter プロットで示されるように、ビデオのスループットは 18 Mb/sec から 13 Mb/sec に低下した。

Figure 4: ローカルな干渉源の電源の投入はスループットを 18Mb/sec から 13Mb/sec に低下させた

これらの条件で、PLT 回路は著しく負の S/N 比で動作し、それでも現在の応用のために有用なデータレートを達成している。その干渉源を建物の第３の他の場所に動かすと、データレートは 16Mb/sec に上がった。この非常に有用な性能は、低い S/N 比での動作に最適化されていない PLT データ符号化システムで達成されたことに注意されたい。

5) 結論

電力線通信の開発は、EMC 規格への適合を初期設計段階で考慮する代わりにその最後に残す方策によって、深刻なハンディキャップを負ってきた。

この記事は、そのテクノロジが、既存の CISPR22 限度の枠内で、また無線サービスへの損害なしに有用な機能を提供できるという、理論的な、また実地的な証拠を示した。

所定の電力限度と実際的な標榜データ容量の枠内で設計された、適切に方向付けされた符号化アルゴリズムが必要となるだけである。

6) 謝辞

ここで引用した版のシャノン・ハートレーの定理は、 2008年の BT Technical Journal で K T Foster によって与えられた。

上で示した QP の値とグラフは University of Hertfordshire、Department of Electronic Engineering の Dr. D Lauder から提供された。

ネットワークの実地試験と Netmeter のスループットの値は MIET の R Page-Jones によるものである。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2009-06-07