200M速率電力線Modem設(shè)計與實現(xiàn)

電力線上網(wǎng)的優(yōu)缺點

電力線通信(Power line Communication)簡稱“PLC”，是一種利用輸電和供電的電力線進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。

1 電力線傳輸?shù)膬?yōu)點

電力線遍布城市和鄉(xiāng)村，其覆蓋面是任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的，有利于電力線通信（PLC）網(wǎng)絡(luò)的推廣。PLC通過電力線傳輸數(shù)據(jù)，不需要增設(shè)更多的線路及設(shè)備，只需將調(diào)制解調(diào)器插入電力插座就可以通信，使用簡單，成本低廉，有利于信息資源共享和家電上網(wǎng)。

PLC除了施工中的明顯優(yōu)勢之外，在總體價格上也存在優(yōu)勢。隨著市場的發(fā)展，以前相對比較高的電力線上網(wǎng)IC價格在逐步的下降，目前PLC在單線成本上與xDSL、電纜調(diào)制解調(diào)器相當。

在速率上，電力線上網(wǎng)經(jīng)過14Mb/s、85Mb/s，目前已經(jīng)迎來了200Mb/s的時代。200Mb/s的帶寬足以滿足以后數(shù)字家庭的安全、教育、娛樂等要求，是數(shù)字家庭理想的骨干網(wǎng)絡(luò)。

<STRONG>2 電力線傳輸需要解決的問題

因為電力線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的目的是為了傳輸電能,只是因近些年來市場的需求才作為家庭網(wǎng)絡(luò)的信息接入方式之一。電力線傳輸所存在明顯的缺點就是噪聲大和安全性低的問題。盡管電力線可以作為高速通信的一種備選介質(zhì),但電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備并不具備提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的功能,家庭電器產(chǎn)生的電磁波會對通信產(chǎn)生干擾。另外,采用電力線上網(wǎng)服務(wù),是一種共享帶寬的技術(shù),用戶上網(wǎng)時的速度,取決于當時會有多少用戶上網(wǎng)。如果很多用戶同時上網(wǎng),傳輸速度相對就較慢。

對于高速PLC技術(shù)的快速發(fā)展，各國反應(yīng)不一致。歐盟和美國政府已明確表示支持高速PLC技術(shù)的應(yīng)用，把PLC跟其他通信技術(shù)同等對待。日本要求高于10kHz頻段的PLC設(shè)備必須得到許可，但在10～450kHz頻段范圍內(nèi)的PLC設(shè)備無須獲得許可，但需要進行公告。目前我國信息產(chǎn)業(yè)部還沒有制定PLC規(guī)范和頒發(fā)運營許可證。

HomePlug AV技術(shù)規(guī)范簡介

HomePlug AV是由電力線通信技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威國際機構(gòu)——家庭插電聯(lián)盟（HomePlug）制定。此機構(gòu)自2000年成立以來，陸續(xù)制定了一系列的PLC技術(shù)規(guī)范，包括HomePlug 1.0、HomePlug 1.0-Turbo、HomePlug AV、HomePlug BPL、HomePlug Command&Control，形成了一套完整的PLC技術(shù)標準體系，基本上覆蓋了所有電力通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

HomePlug AV是PLC有關(guān)音頻/視頻寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)規(guī)范，它支持多個數(shù)據(jù)和視頻流的分配，包括遍布整個家庭的高清晰度電視(HDTV)和標準清晰度電視(SDTV)，支持家庭娛樂應(yīng)用，包括HDTV和家庭影院。

HomePlug AV采用的基本技術(shù)特征是：HomePlug AV在物理層采用具有高級前向糾錯、通道預(yù)估和自適應(yīng)能力的OFDM。而在MAC層則綜合使用具有QoS保證的TDMA時分多址有序接入和CSMA競爭接入兩種方式，并通過快速自動重發(fā)請求（ARQ）可靠傳送。HomePlug AV支持TDMA和FDMA，即兼容時分多址和頻分多址，以便兼容BPL寬帶接入。HomePlug AV前向兼容HomePlug 1.0。HomePlug AV協(xié)議棧支持多種上層協(xié)議，如802.3、IP 和UPNP。

HomePlug AV電力線調(diào)制解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計要點

1 電力線調(diào)制解調(diào)器硬件框圖

從硬件框圖我們可以看出，此方案是一個單芯片的方案。INT6300為INTELLON公司生產(chǎn)的內(nèi)核為ARM926EJ-S 32位RISC處理器。系統(tǒng)的軟件存儲在大容量的SPI FLASH中。在此系統(tǒng)中，我們選擇的SPI FLASH容量大小為16Mb。我們可以設(shè)置系統(tǒng)啟動時，啟動代碼存放在SPI flash中。當系統(tǒng)啟動時，所有的程序復(fù)制到SDRAM中。

INT6300有三種工作模式:MII PHY模式、MII MAC模式、PCI模式。在此，我們設(shè)置INT6300工作為MI MAC模式。和REALTEK公司的PHY CHIP相連，提供一個RJ45接口連到用戶的網(wǎng)口上。

I60是INTELLON公司設(shè)計的一個驅(qū)動IC。當網(wǎng)口過來的數(shù)字信號通過MII接口傳到INT6300，INT6300內(nèi)部的AFE（模擬前端）電路變?yōu)槟M信號，經(jīng)過I60放大電路放大，經(jīng)過耦合器耦合到電力線上。發(fā)送到電力線上的信號頻率范圍是：2～28MHz。

圖1 HomePlug AV電力線調(diào)制解調(diào)器硬件框圖

電力線接收部分為一個LC的帶通濾波電路。我們可以很容易的想到這個帶通濾波的頻率范圍是2～28MHz。經(jīng)過帶通濾波電路出來的信號送到INT6300的AFE接口，INT6300把模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，通過MII接口送到RJ45上。

由于電力線是一種共享式的總線，因此INT6300應(yīng)該工作在半雙工模式下，即發(fā)射時，接收部分的電路不工作，接收時，發(fā)射部分不工作。

2 INT6300性能特點

INT6300是INTELLON公司提供的一款完全符合HomePlug AV規(guī)范的電力線上網(wǎng)IC。采用OFDM調(diào)制模式支持1024/256/64/16/8-QAM、QPSK、BPSK和ROBO等多種調(diào)制模式。因此速率可達200Mb/s。電力線信息采用128位AES加密方式，相對HomePlug 1.0標準采用的56位DES方式，安全性得到大大的提高。

INT6300支持QoS管理。分為4級方式CAP(3-0)，CAP3優(yōu)先級別最高，CAP0優(yōu)先級別最低。CAP3優(yōu)先級別可用于語音和網(wǎng)絡(luò)管理幀，CAP2優(yōu)先級別可用于視頻流和音樂，CAP1、0用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信。

因此INT6300主要的應(yīng)用目標為：

● 分配高清晰度電視（HDTV）和標準清晰度電視（SDTV）　
● 交互式電視（IPTV）
● WiFi、UWB和無線USB的干線傳送
● 寬帶高速率數(shù)據(jù)分配
● 共享寬帶因特網(wǎng)接入
● 音頻和視頻流及其傳送
● 擴充無線LAN網(wǎng)的覆蓋
● 網(wǎng)絡(luò)電話VoIP
● PC文件和應(yīng)用共享
● 打印機和外設(shè)共享
● 網(wǎng)絡(luò)和在線游戲
● 保安監(jiān)視

3 電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計要點

在復(fù)位信號的上升沿，INT6300讀取配置信息，正確的設(shè)置自己的工作狀態(tài)。
在此，我們設(shè)置HM_SEL[1:0]=01，INT6300工作在MAC模式。BM_SEL=1，系統(tǒng)從SPI FLASH啟動。CFG_SEL＝1，SDRAM的配置信息來自SPI FLASH。

INT6300要求一個精確的系統(tǒng)時鐘晶振時鐘電路如圖2所示。

圖2 晶振時鐘電路

晶振Y1請選用基頻晶振。如果選用了泛音晶振，可能起振后的頻率不在37.5MHz這個頻點上。當選用的晶振精度不是很高的時候，可以用C1來調(diào)整系統(tǒng)時鐘的頻率。R1提供DC反饋電壓，R2限制晶振的電流大小，R3限制IC的AFE部分時鐘輸出電流，用于降低輻射和減小振鈴。

圖3 推薦PLL電源部分濾波電路

INT6300內(nèi)部集成PLL電路倍頻75MHz的系統(tǒng)主時鐘產(chǎn)生數(shù)字處理要求的更高的時鐘。PLL部分有單獨的電源和地，因此要求外部電路提供濾波功能，盡量減小系統(tǒng)噪聲耦合進PLL電路。這樣PLL電路產(chǎn)生的時鐘的抖動能降到最小。推薦的濾波電路如圖3所示。
INT6300設(shè)置為MAC工作模式，在此模式下，INT6300提供4個狀態(tài)燈指示系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)工作表如表1所示。

4 電力線上傳導(dǎo)的頻譜特性圖

從電力線傳導(dǎo)頻譜特性圖上，我們可以清楚的看到我們使用的頻率范圍是2～28MHz的范圍。其中有一些開槽的部分是因為在制定HomePlug AV的標準時，為了電力線通信的信號不干擾到業(yè)余無線電的信號而禁止使用。因為INT6300采用OFDM編碼方式，因此軟件上很容易避開禁用的頻率。

圖4 電力線傳導(dǎo)頻譜特性圖

電力線網(wǎng)絡(luò)的安全性及PUSH BUTTON的使用

1 電力線網(wǎng)絡(luò)安全

由于電力線網(wǎng)絡(luò)是一個開放式的共享網(wǎng)絡(luò)，因此人們比較關(guān)注電力線網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)安全性問題。我們先介紹兩個術(shù)語。

NEK:網(wǎng)絡(luò)加密鍵值（Network Encryption Key）。這個鍵值用于加密電力線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在電力線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用NEK值，采用128bit-AES加密算法加密。如果兩個產(chǎn)品的NEK值不相同，兩個產(chǎn)品就不能通信。這樣同一個電力線上有不同的局域網(wǎng)。

NMK:網(wǎng)絡(luò)管理鍵值（Network Management Key）。一個鍵值對應(yīng)一個HomePlug AV局域網(wǎng)。在同一個HomePlug AV局域網(wǎng)中的所有成員，NMK值是相同的。主站點CCo用這個鍵值管理加入電力線局域網(wǎng)的從站點STA。NMK碼由用戶由PC上的管理軟件輸入或者PIB中的網(wǎng)絡(luò)密碼產(chǎn)生。

當一個電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品上電后，它先執(zhí)行一個網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)，然后決定它的下一步的動作。如果電力線上沒有和它NMK值相同的其他電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，它就申明自己為主站點CCo，等待其他后上電的電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的加入申請。如果發(fā)現(xiàn)電力線上已有和自己NMK值相同的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，則申明自己為從站點STA。然后向CCo申請加入此VLAN。CCo分配網(wǎng)絡(luò)號(NID)和設(shè)備終端號(TEI)給新加入的產(chǎn)品。新加入的電力線產(chǎn)品獲得CCo的授權(quán)后，可以和此VLAN內(nèi)的任何設(shè)備通信。

2 PUSH BUTTON鍵的使用

使用網(wǎng)絡(luò)密碼管理在許多時候使人感到不方便，因此INT6300使用一種稱為PUSH BUTTON的技術(shù)。這個功能和無線產(chǎn)品中的PUSH BUTTON的功能一樣。圖5是該產(chǎn)品的使用場景。

圖5 PUSH BUTTON使用場景

使用場景一：假設(shè)STA A和STA B組成一個HomePlug AV局域網(wǎng)，我們稱為AVLN AB。STA C的NMK和STA A及STA B的NMK不相同。但STA C想加入AVLN AB中。我們按STA A或STA B的PUSH BUTTON鍵小于3s。然后馬上按STA C的PUSH BUTTON鍵小于3s。此時，我們稱STA A/B為加者(Adder)，STA C為加入者(Joiner)。這時形成一個新的HomePlug AV局域網(wǎng)我們稱為AVLN 媒體。

這個網(wǎng)絡(luò)使用AVLN AB的NMK管理網(wǎng)絡(luò)成員。

使用場景二：假設(shè)STA A和STA B組成一個HomePlug AV局域網(wǎng)，我們稱為AVLN AB。假設(shè)STA C和STA D組成一個HomePlug AV局域網(wǎng)，我們稱為AVLN CD。

如果STA C想加入AVLN AB。按住STA C的PUSH BUTTON鍵大于10s。復(fù)位STA C的NMK值到一個隨機值。這樣AVLN CD這個網(wǎng)絡(luò)就不存在了。目前的情況和場景一一樣。按住STA A或B的PUSH BUTTON鍵小于3s，然后按STA C的PUSH BUTTON鍵小于3s。這時形成AVLN 媒體網(wǎng)絡(luò)。新網(wǎng)絡(luò)的NMK值為AVLN AB的NMK值。

結(jié)束語

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在本文中詳細闡述了如何基于INT6300芯片設(shè)計一款符合HomePlug AV標準的電力線調(diào)制解調(diào)器，以及此產(chǎn)品的特性和功能。我們能看到寬帶電力線通信技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域甚廣，不需要另外布線，安裝方便等特點越來越受到大家的重視。隨著數(shù)字家庭市場的啟動，我們有理由相信寬帶電力線通信會和無線WiFi、xDSL一起成為數(shù)字家庭骨干網(wǎng)的選擇之一，在未來的數(shù)字家庭的市場上三分天下。