技術(shù)背景
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展,需要提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的終端越來越豐富,使用傳統(tǒng)強(qiáng)電的方式為多種多樣的智能終端供電變得越來越困難,以太網(wǎng)供電(Power over Ethernet,簡稱PoE)技術(shù)的普及,正逐一解決各類智能終端的供電問題。目前PoE技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的WLAN、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、IP電話等應(yīng)用場景延伸到新零售、IoT(Internet of Things,物聯(lián)網(wǎng))、智慧城市等多種場景被廣泛應(yīng)用,具有成本低、施工方便、供電穩(wěn)定、運(yùn)維效率高等特點(diǎn),本文將結(jié)合PoE技術(shù)發(fā)展歷程,講述PoE技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理。
PoE技術(shù)在現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線結(jié)構(gòu)不做任何改動的情況下,可以實(shí)現(xiàn)為基于IP的終端(如IP電話、無線AP、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等)傳輸數(shù)據(jù)信號和提供直流供電,并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)和用戶的兼容性。這樣不必在施工環(huán)境增加開槽、鋪管、穿線、調(diào)試、墻體和地面美化等工序,大幅縮短了施工周期,降低了成本。
PoE供電系統(tǒng)中的幾個角色定義:
供電設(shè)備(PSE):Power Sourcing Equipment,給終端供電的設(shè)備;
受電設(shè)備(PD):Power Device,需要供電的終端。
圖1:PSE與PD連接圖
PoE技術(shù)發(fā)展歷程
PoE技術(shù)出現(xiàn)較早,但早期的PoE技術(shù)無規(guī)范可循。IEEE 802.3工作組在2003年將其標(biāo)準(zhǔn)化,后來逐漸發(fā)展到802.3af、802.3at再到最新的802.3bt,接下來,我們一起看看PoE技術(shù)的發(fā)展歷程。
IEEE 802.3af(PoE)
2003年發(fā)布的IEEE 802. 3af標(biāo)準(zhǔn),它明確規(guī)定了遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的電力檢測和控制事項(xiàng),并對路由器、交換機(jī)和集線器通過以太網(wǎng)電纜向IP電話、安防系統(tǒng)以及無線接入點(diǎn)等設(shè)備供電的方式進(jìn)行了規(guī)定,為符合802. 3af標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備提供不超過15W的電功率。
IEEE 802.3at(PoE+)
PoE最大功率難以滿足更大功率無線接入點(diǎn)、視頻電話、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的供電需求,在兼容IEEE 802. 3af的基礎(chǔ)上,2009年IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,通過CAT-5或更高級別線纜最大能提供30W的功率。
IEEE 802.3bt
IEEE 802.3bt在2018年9月正式被批準(zhǔn),此次標(biāo)準(zhǔn)主要為提供更大功率終端的需求而誕生,在兼容802.3af、802.3at的基礎(chǔ)上,可完成最高不超過90W的末端供電和數(shù)據(jù)傳輸,突破了PoE+供電30W的局限性。
注:802.3bt已被批準(zhǔn)但暫未正式發(fā)布,也沒有正式命名,當(dāng)前常用HPoE、PoE++、PoH、UPoE等名稱表示。
有了更大的功率,開發(fā)人員就可以非常容易地增加更多功能并升級已有產(chǎn)品,以滿足監(jiān)控、門禁、信息發(fā)布、停車場,甚至是筆記本電腦、電視等系統(tǒng)中大功率終端供電需求。
相比802.3at(PoE+)標(biāo)準(zhǔn),802.3bt新增兩種供電類型,對應(yīng)60W、90W輸出功率。PSE端能夠輸出的功率選擇性更大,根據(jù)PD需要選擇相應(yīng)的PSE端的功率。
三種PoE供電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比如下:
標(biāo)準(zhǔn)PSE最大輸出功率PD輸入功率線纜長度供電線對
802.3af15.4W12.95W100m2
802.3at30W25.5W100m2
802.3bt60W51W100m4
802.3bt90W71.3W100m4
表1:三種標(biāo)準(zhǔn)對比
PoE是怎樣供電的
PoE供電流程說明
圖2:PoE供電流程圖
1.檢測(Detection):PSE設(shè)備在端口發(fā)出2~10V的電壓脈沖,用于檢測其線纜終端連接的PD是否為標(biāo)準(zhǔn)支持的受電設(shè)備。只有檢測到PD是一個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,才會繼續(xù)下一步操作。
2.PD分類(Classification):由于PD種類很多,需要的電源功率也各不相同,所以在供電設(shè)備正確檢測到受電設(shè)備以后,就要檢測對端PD設(shè)備的功率等級。
當(dāng)檢測到PD之后,PSE會為PD設(shè)備進(jìn)行分類。PSE施加15.5V~20.5V探測電壓(電流限制在100mA以下),PD設(shè)備會將一個分級電阻串聯(lián)到線路中,用來標(biāo)識自己的功率,PSE通過測試返回特征電流的大小來確定PD設(shè)備屬于哪個分類。
注:0為默認(rèn)分類
PoE類型PoEPoE+802.3bt
PD分類等級012345678
PSE功率(W)15.44715.43045607590
PD功率(W)133.846.491325.540516271
表2:最新PD分類等級對應(yīng)功率說明
3.開始供電(Power up):當(dāng)PSE檢測到線纜末端接的是一個標(biāo)準(zhǔn)PD,并且已經(jīng)為PD進(jìn)行了分類后,就開始為PD供電,輸出44~57V的直流電壓。
4.供電(Power supply):PSE為PD提供穩(wěn)定可靠的直流電壓,并根據(jù)PD的分類結(jié)果輸出對應(yīng)等級的功率。
5.斷電(Disconnection):如果和PD相連的連接線纜被拔掉或者用戶從軟件上將交換機(jī)端口的PoE供電功能關(guān)閉,PSE會快速地(一般在30-40ms的時間之內(nèi))停止為PD供電。在PSE給PD供電整個過程的任意時刻,如果發(fā)生PD設(shè)備短路、分類時消耗的功率超過 PSE對應(yīng)能提供的功率、消耗功率超過等級功率等情況,則整個供電過程會中斷,并重新從第一步檢測過程開始。
PoE供電線序說明
以PoE標(biāo)準(zhǔn)為例,標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種供電線序,PSE可適應(yīng)PD采用任意一種供電線序。
空閑線供電:使用以太網(wǎng)電纜中沒有被使用的空閑線對(4/5、7/8)來傳輸直流電。
圖3:空閑線供電
信號線供電:在傳輸數(shù)據(jù)所用的芯線上同時傳輸直流電(1/2,3/6),其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號不同的頻率,以實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)與傳輸電流的復(fù)用。
圖4:信號線供電
PoE+沿用PoE線序,在線序上同PoE保持一致。
802.3bt如何實(shí)現(xiàn)更高的功率
隨著市場發(fā)展,終端對高功率需求日益增加。同時伴隨功率負(fù)載的增加,電纜溫度也會提升。當(dāng)電纜溫度過高時,電纜可能會超出其額定溫度,從而降低性能和可靠性(可能導(dǎo)致電纜損壞)。因此,對于超過30W供電需求的設(shè)備,則不能像PoE與PoE+僅使用雙絞線8芯中的4芯供電。
IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)定義使用雙絞線的8芯進(jìn)行電壓輸出,以應(yīng)對市場上對更強(qiáng)大和更高效的以太網(wǎng)供電能力的需求。可以實(shí)現(xiàn):
(1)最高速率兼容10GBASE-T;
(2)在PD端能夠得到最低40W、最高90W的功率。
圖5:IEEE 802.3bt在PSE&PD端的實(shí)現(xiàn)方式
PSE端在實(shí)現(xiàn)802.3bt時,在RJ45的8芯上都加載了電壓。在1/2和4/5線對上加載54V正極,在3/6和7/8線對上加載54V負(fù)極。PD端使用兩個二極管橋,兩個二極管橋都有電流流過,需要PD端的芯片對兩路電流進(jìn)行控制,輸出給 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路。
PoE技術(shù)總結(jié)
現(xiàn)如今PoE技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于智慧城市、IoT等行業(yè)中,相信在不久的將來PoE技術(shù)會得到更大的發(fā)展和突破,隨著今年802.3bt正式批準(zhǔn)(預(yù)計(jì)2019年正式發(fā)布)更高功率終端很快會被大量應(yīng)用,將助力IoT行業(yè)的快速發(fā)展。
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原文標(biāo)題:Matlab實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制與解調(diào)
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