Ｈ０ｍｅＰＩｕｇ ＡＶ電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了電力線上網(wǎng)的技術(shù)。詳細(xì)說明如何用INTELLON公司的INT6300設(shè)計(jì)一個200Mbps，符合HomePlugAV標(biāo)準(zhǔn)的電力線調(diào)制解調(diào)器，以及此電力線調(diào)制解調(diào)器的功能，特性和用法。

關(guān)鍵詞：電力調(diào)制解調(diào)；HomePlugAV；PLC

電力線上網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)

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(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。

電力線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

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(dāng)了。

在速率上，電力線上網(wǎng)經(jīng)過14Mbps、85Mbps，目前已經(jīng)迎來了200Mbps的時代。200Mbps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)。

電力線傳輸需要解決的問題

因?yàn)殡娏€網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(dāng)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跟其它通信技術(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，在10KHz至450KHz頻段范圍內(nèi)的PLC設(shè)備無需獲得許可，但需要進(jìn)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(yùn)營許可證。H0mePIug AV技術(shù)規(guī)范

HomePlug AV是由電力線通信技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威國際機(jī)構(gòu)一家庭插電聯(lián)盟(HomePlug)制定。此機(jī)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 CommandControl，形成了一套完整的PLC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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)音頻一視頻寬帶家庭網(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(biāo)準(zhǔn)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。HomePlugAV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6C支持多種上層協(xié)議，如802.3、IP和UPNP。HOmePIug AV電力線調(diào)制解調(diào)器

硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電力線調(diào)制解調(diào)器硬件

從硬件框圖(圖1)我們可以看出，此方案是一個單芯片的方案。INT6300為INTELLON公司的內(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16Mbit。我們可以設(shè)置系統(tǒng)啟動時，啟動代碼存放在SPI FLASH中。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，所有的程序拷貝到SDRAM中。

INT6300有3種工作模式：MII PHY模式，MII MAC模式和PCI模式。在此，我們設(shè)置INT6300工作為MII MAC模式。和REALTEK公司的PHY芯片相連，提供一個RJ45接口連到用戶的網(wǎng)口上。

160是INTELLON公司設(shè)計(jì)的一個驅(qū)動IC。當(dāng)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160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：2MHz-28MHz。

電力線接收部分為一個LC的帶通濾波電路。這個帶通濾波的頻率范圍是2MHz～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。

INT6300

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1024/256/64/16/8一QAM，QPSK，BPSK和ROBo等多種調(diào)制模式。因此速率可達(dá)200Mbps。電力線信息采用128位AES加密方式，相對HomePlug 1.0標(biāo)準(zhǔn)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)通訊。

INT6300主要的應(yīng)用目標(biāo)為：分配高清晰度電視(HDTV)和標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)；交互式電視(IPTV)I 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(kuò)充無線LAN網(wǎng)的覆蓋；網(wǎng)絡(luò)電話VolP，PC文件和應(yīng)用共享；打印機(jī)和外設(shè)共享；網(wǎng)絡(luò)和在線游戲；保安監(jiān)視。電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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)時鐘晶振電路(圖2)。

晶振Y1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(diǎn)上。當(dāng)選用的晶振的精度不是很高的話，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。

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(dú)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)噪音耦合進(jìn)PLL電路。這樣PLL電路產(chǎn)生的時鐘的抖動能降到最小。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。

注釋：當(dāng)檢測到電力線鏈路，電力線鏈路指示燈亮。如果INT6300設(shè)備作為一個從站點(diǎn)即STA，指示燈將閃爍，指示電力線上有數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。如果INT6300設(shè)備作為一個主站點(diǎn)即CCO，指示燈常亮，即使有數(shù)據(jù)在電力線上接收和發(fā)送也是常亮。

圖4為電力線上傳導(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從2M到28M的范圍。其中有一些開槽的部分是因?yàn)樵谥贫℉omePlug AV的標(biāo)準(zhǔn)時，為了電力線通訊的信號不干擾到業(yè)余無線電的信號而禁止使用。因?yàn)镮NT6300采用OFDM編碼方式，因此軟件上很容易避開禁用的頻率。

電力線網(wǎng)絡(luò)的安全性及PUSHBUTTON的使用

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。

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)上的傳輸?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)品就不能通訊。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(NetworkManagementKey)。一個鍵值對應(yīng)一個HomePlugAV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(diǎn)CCO用這個鍵值管理加入電力線局域網(wǎng)的從站點(diǎn)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(dāng)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值相同的其它電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，它就申明自己為主站點(diǎn)CCO，等待其它后上電的電力線網(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(diǎn)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)備通訊。

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使用一種稱作PUSHBUTTON的技術(shù)。這個功能和無線產(chǎn)品中的PUSHBUTTON的功能一樣。圖5是我們產(chǎn)品的使用場景。

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AVLNAB。STAC的NMK和STAA及STAB的NMK不相同。但STAC想加入AVLNAB中。我們按STA A或STA B的PUSH BUTTON鍵小于3秒鐘。然后馬上按STA C的PUSH BUTTON鍵小于3秒鐘。此時，我們稱STAA/B為加者(Adder)，STAC為加入者(Joiner)。這時形成一個新的HomePlug AV局域網(wǎng)我們稱為AVLN ABC。

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)STAA和STAB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10秒鐘。復(fù)位STA C的NMK值到一個隨機(jī)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樣。按住STA A或B的PUSH BUTTON鍵小于3秒鐘，然后按STAC的PUSHBUTTON鍵小于3秒鐘。這時形成AVLN ABC網(wǎng)絡(luò)。新網(wǎng)絡(luò)的NMK值為AVLN AB的NMK值。

結(jié)語

在本文中詳細(xì)闡述了如何基于INT6300芯片設(shè)計(jì)一款符合HomePlug AV標(biāo)準(zhǔn)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訊技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域甚廣，不需要另外布線，安裝方便等特點(diǎn)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訊會和無線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。