基于HomeplugAV及WiFi技術的EoC硬件及驅動設計

程鵬程，代少升，秦 瓊

（重慶郵電大學 信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065）

EoC（Ethernet over Coax）技術即利用同軸電纜傳輸以太網數據的技術統稱，是下一代廣播電視網的關鍵技術之一[1]。目前，國內EoC技術被主要應用在廣電HFC網絡的雙向改造中，主要來解決最后100 m的接入問題[2]。利用EoC技術可以在不重新鋪設線路的前提下，實現電視數據和以太網數據在同軸電纜上同傳。基于HomePlug AV技術的電力線通信的抗噪聲、抗多徑等優點，使其在家庭通信網中發展很快，在最新的標準下其傳輸速率可以達到300 Mbit/s，已經滿足一般的接入需求。但EoC在進戶后需要連接電視機和個人計算機兩個終端，如此一來會使室內布線比較繁雜，如果能將其中一種數據轉成無線傳輸，此問題則得到解決。因此，筆者試圖將WiFi技術融入到EoC設備中，設計一款同時具備有線和無線以太網接入的EoC設備。

1 EoC系統功能需求分析

整個EoC接入網絡主要有兩種設備:局端EoC設備和終端（用戶端）EoC設備。局端設備放置在小區入口或樓棟入口，作為CATV數據核心網、以太網核心網一側和接入網一側的接口；終端設備放置在用戶室內，作為接入網和家庭電視機、個人計算機的接口。本文的方案是針對終端EoC設備設計的。因此它的功能包括4部分:

1）完成以太網數據的調制與解調，使其能在同軸電纜上傳輸；

2）對以太網數據與電視信號進行混合和分離，在一個同軸電纜上分頻同傳兩種數據；

3）實現有線和無線兩種以太網傳輸方式，使得室內布線更加簡單；

4）實現遠程網絡管理接口，能讓網絡管理者可以遠程統一管理接入網。

綜合考慮國內HFC網絡的組網情況和EoC設備的市場狀況，并對Spidcom和Intellon兩大主流EoC芯片廠商的方案和性能進行分析后，筆者選擇了Spidcom公司的SPC300芯片對系統進行設計。

2 EoC系統硬件設計

根據系統的功能需求，可以設計出系統的硬件總體框圖，如圖1所示。虛線框內為各個模塊的組成部分。以太網上行信號從5類線以太網接入模塊或無線WiFi接入模塊進入到主處理器模塊，經主處理器編碼和調制后交給模擬前端模塊，模擬前端模塊再將數字信號轉換成適合在同軸電纜上傳輸的模擬信號，并對其進行信號放大和濾波，最后交給混合/分離模塊，混合/分離模塊將轉換后的以太網數據和上行的CATV數據進行混合，然后通過混合同軸接口輸出到同軸電纜上。下行信號則是上行的逆向過程，在此不再累述。

2.1 主處理模塊

主處理模塊包括雙核處理器SPC300及其外圍芯片SDRAM，Flash。SPC300是一個內嵌ARM926EJ內核和電力線通信（PowerLine Communication，PLC）專用處理內核的雙核處理器，其內部框架如圖2所示。

1）ARM926內核

ARM926基于ARMv5TE體系結構，具有一個采用Ja?zelle技術的增強型32位RISC CPU、靈活的大小指令和數據高速緩存、緊密耦合內存（TCM）接口和內存管理單元（MMU）。主要負責整個系統的信息交互和任務調度，此外還負責以太網信號的處理[3]。

2）專用HomePlug AV內核

HomePlug AV內核主要負責PLC的信號處理，在發射通道上將以太網數據的基帶信號通過OFDM調制，轉換成適合在電力線上傳輸的信號；在接收通道上則進行相應的解調。

另外，本設計為了滿足系統的穩定運行以及提高系統的靈活性，需要在ARM內核上嵌入一個Linux操作系統，而主處理芯片的存儲能力有限，因此必須外接Flash和SDRAM來保證操作系統的正常工作。

Flash的主要作用是存儲操作系統啟動程序（Boot?Loader）、Linux內核、文件系統等。這些程序都是在系統啟動時需要加載的，系統正常運行后很少會對其進行操作。因此，在芯片選擇上，筆者鎖定了ATMEL公司生產的AT26D321型號的串行Flash芯片[4]。相比于并行模式的Flash，串行Flash存儲數據的速度較慢，但是價格卻低很多，而且操作簡便，有利于調試。

SDRAM主要用于操作系統正常運行時的數據存儲，也就是通常所說的內存。SDRAM的大小和存取速度應當與處理器的速度相匹配，否則會成為系統運行速度的瓶頸，降低系統處理數據的速度。本設計選擇三星公司的K4S281632K型號的16位16 Mbyte的SDRAM，存儲頻率最高可達133 MHz。為了配合32位處理能力的處理器，設計上需要并聯兩片SDRAM，組成32 Mbyte的SDRAM，滿足系統運行需求。

2.2 無線WiFi接入模塊

為了使室內布線更加靈活簡便，本設計在以太網連接上增加了一種基于WiFi技術的無線以太網接口。無線接口模塊由無線信號處理芯片和射頻組成。無線信號處理芯片采用MARVELL公司的88W8686。

88W8686主要特點包括:單芯片集成802.11a/g/b協議無線射頻、基帶、MAC、CPU、儲存以及主機接口；集成射頻與基帶間的所有收發操作，并支持外部功率放大；為OFDM應用完整集成了帶有優化相位噪聲性能的頻率合成器等[5]。如圖3所示，芯片內部主要包括CPU、基帶處理、射頻和Host接口等功能模塊，下面將分別對其進行介紹。

1）CPU模塊:88W8686內部集成了一個基于AR?Mv5TE體系結構的Marvell Ferocean處理器，工作頻率可達128 MHz。

2）基帶處理單元(Baseband Processor Unit，BPU):遵循IEEE 802.11協議，同時支持2.4 GHz和5 GHz兩種頻率的OFDM多載波調制，此外還支持2.4 GHz的直接序列擴頻調制。

3）無線射頻模塊:包括低噪聲放大器（LNA）、可調的增益放大器和濾波器、上下行切換器等，負責基帶信號與射頻信號間的相互轉換。

4）Host接口:支持G-SPI和SDIO兩種接口，方便用戶設計。

2.3 5類線以太網接入模塊

本設計同時支持無線和有線以太網連接，有線以太網接口模塊主要包括一個RJ-45接口座、網絡變壓器及PHY層傳輸芯片。另外考慮到網絡接口部分是最容易遭受雷擊損壞的部分，本設計還為有線以太網模塊加入了防雷設計。

以太網信號由RJ-45接口座進入設備后，經網絡變壓器（20PT1024）進行電氣隔離及電平匹配再進入到PHY傳輸芯片（IP175D）進行物理層數據處理，最后由SPC300主芯片進行更上層的數據處理。而防雷芯片（SLVU2.8）則并聯在RJ-45接口座與網絡變壓器之間，可以抵御最高4 kV的雷擊損害。

2.4 模擬前端模塊

模擬前端模塊負責數字信號與同軸電纜上傳輸的模擬信號進行轉換，主要完成數模/模數轉換、模擬信號放大、濾波以及同軸信號混合/分離等功能。

1）數模/模數轉換:采用ADI公司的AD9867芯片，該芯片集成數模轉換和模數轉換兩種功能，工作在半雙工模式。由工作模式輸入口確定是進行模數轉換還是數模轉換。AD9867是一款10位的AD/DA芯片，最高轉換速率可達80 Mbit/s。

2）模擬信號放大:采用電力線通信專用對偶運算放大器ISL1571，具有250 MHz的高帶寬以及21 dBm的輸出功率。

3）濾波及混合分離:采用佳興利公司的EoC專用混合分離器，內部集成帶通濾波器，選用DIP30/47型號，將低于30 MHz與高于47 MHz的信號有效地進行分離及混合。

3 EoC系統底層驅動設計

采用嵌入式Linux作為EoC的操作系統。Linux操作系統的優勢主要有3個方面:1）Linux開放源代碼，用戶可以根據需要去剪裁或修改操作系統；2）Linux的內核高效精簡，最小可達134 kbyte；3）Linux操作系統是免費的。

EoC系統軟件結構如圖4所示，包括上層應用程序、API接口、操作系統和底層硬件驅動。Linux操作系統作為一個操作平臺，負責其余部分的調度和資源分配。上層軟件通過API接口調用系統資源，實現各種應用功能，如網絡管理、FTP等[6-7]。而底層驅動則負責硬件設備的模式控制與數據交互。在此，筆者將重點介紹WiFi模塊的驅動設計。

3.1 WiFi接入模塊驅動設計

SPC300主芯片與88W8686 WiFi芯片采用SPI接口，WiFi驅動程序包括WLAN驅動和SPI驅動兩部分。SPI驅動負責芯片間的數據交互，可以采用Linux內核自帶的驅動程序。而WLAN驅動程序作為數據傳輸的中轉站，主要負責上層應用軟件和WiFi硬件的數據交互。即接收上層應用軟件的數據，經由SPI接口發送到WiFi設備；同時響應WiFi的硬件中斷，從硬件設備的緩沖區讀取數據轉發到上層軟件。

3.1.1 WLAN初始化

WLAN初始化主要由wlan_add_card()函數完成，函數工作流程如圖5所示。

1）執行sbi_probe_card()函數進行設備檢測，如果檢測到可用的無線網卡，則調用Linux的alloc_etherdeve()函數創建一個新的網絡設備的結構體structnet_device，并將其初始化。

圖5 WLAN初始化流程圖

2）調用wlan_create_thread()函數創建服務主線程wlan_serveice_main_thread，作為WLAN驅動程序主要工作的服務線程。此線程主要響應WiFi硬件設備端產生的中斷事件和轉發來自上層應用軟件的數據到WiFi硬件設備。

3）調用wlan_create_thread()函數創建wlan_reasso?ciation_thread線程，如果連接發生斷開，則此線程會自動重新連接終端。

4）通過sbi_register_dev()函數注冊WLAN設備，對網絡設備結構體（structnet_device）中的網卡硬件設備相關信息進行賦值，并對相關的IRQ進行處理。

5）調用wlan_init_fw()函數初始化固件并將其儲存到WiFi硬件設備上。

6）調用register_netdev()函數注冊網絡設備，函數將返回一個設備ID，此ID是上層應用軟件對網絡設備的一個標識號，上層軟件的所有調用都將通過此ID來標識。

3.1.2 WLAN發送數據

WLAN驅動在數據發送時引入WMM（WiFi Multi Media）機制來保障數據業務的QoS。WLAN驅動通過wlan_hard_start_xmit()來發送數據，當負責緩存上層應用程序發送數據的sk_buff結構接收到數據時，此函數將調用wlan_tx_packet()函數，把接收到的緩存數據添加到WMM隊列，然后返回到主線程wlan_ser?veice_main_thread處理數據。主線程將根據WMM隊列內數據的優先級進行發送，完成數據業務的QoS。

3.1.3 WLAN接收數據

WLAN驅動的接收程序是通過中斷調用的，當WiFi模塊接收到數據后會向系統產生一個中斷。系統通過中斷，調用sbi_get_int_status()函數來申請一個sk_buff緩沖數據結構體，通過sbi_card_to_host()函數把WiFi設備的數據包讀取出來并放到緩沖區內，并將該緩沖數據添加到數據接收隊列。最后wlan_send_rxskbQ()會調用Pro?cessRxedPacket()函數處理接收隊列內的數據，并轉發給上層應用程序。

3.2 其他模塊驅動設計

由于嵌入式Linux操作系統的內核本身就集成有很多常用硬件的驅動，如有線網卡驅動及數模/模數轉換驅動等。本文設計的EoC系統將采用Linux系統集成的驅動，或在現有驅動的基礎上加以修改，而不再重新設計。

4 小結

本文設計的EoC系統采用HomePlug AV技術，實現了以太網數據與CATV數據在同軸電纜上的分頻同傳，在無需重新鋪設5類線的前提下很好地解決了寬帶業務最后100 m的接入問題，為廣電集團在雙向網絡改造上提供了一種優秀的選擇。另外，WiFi作為目前的主流無線接入方式，也被加入到設備設計上。這大大地方便了室內布線的工作，也使本設計在同類型產品上更加具有市場競爭力。

[1]金立標，張乃謙，李鑒增.面向NGB的EoC接入網技術分析[J].電視技術，2010，34（6）:57-59.

[2]曾為.HomePlug在EoC中的應用[J].有線電視技術，2009（11）:18-20.

[3]SPIDCOM.SPC300 Datasheet[EB/OL].[2011-02-18].http://www.spid?com.com/cn/solutions/spc300eoc.

[4]孔令彬，李有善，葛康.基于Homeplug BPL技術的EoC系統設計[J].通信技術，2009，42（3）:135-137.

[5]MARVELL公司.88W8686Datasheet[EB/OL].[2011-02-18].http://www.arm 9board.net/download/FL6410/datasheet/mavell_88w8686.pdf.

[6]劉芳華，周鳳星.Linux下Wi-Fi驅動程序的設計與實現[J].自動化儀表，2011，32（3）:1-3.

[7]龍新輝，陳俊杰.基于嵌入式Linux的以太網卡驅動設計與實現[J].艦船電子工程，2011，31（3）:143-146.