200M速率電力線Modem設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電力線上網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)
電力線通信(Power line Communication)簡(jiǎn)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)。
1 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(wú)法比擬的，有利于電力線通信（PLC）網(wǎng)絡(luò)的推廣。PLC通過(guò)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(jiǎn)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(shì)之外，在總體價(jià)格上也存在優(yōu)勢(shì)。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，以前相對(duì)比較高的電力線上網(wǎng)IC價(jià)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)。
在速率上，電力線上網(wǎng)經(jīng)過(guò)14Mb/s、85Mb/s，目前已經(jīng)迎來(lái)了200Mb/s的時(shí)代。200Mb/s的帶寬足以滿足以后數(shù)字家庭的安全、教育、娛樂(lè)等要求，是數(shù)字家庭理想的骨干網(wǎng)絡(luò)。
2 電力線傳輸需要解決的問(wèn)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(lái)市場(chǎng)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(wèn)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(huì)對(duì)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(shí)的速度,取決于當(dāng)時(shí)會(huì)有多少用戶上網(wǎng)。如果很多用戶同時(shí)上網(wǎng),傳輸速度相對(duì)就較慢。

對(duì)于高速PLC技術(shù)的快速發(fā)展，各國(guó)反應(yīng)不一致。歐盟和美國(guó)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(duì)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(wú)須獲得許可，但需要進(jìn)行公告。目前我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部還沒(méi)有制定PLC規(guī)范和頒發(fā)運(yùn)營(yíng)許可證。
HomePlug AV技術(shù)規(guī)范簡(jiǎn)介
HomePlug AV是由電力線通信技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威國(guó)際機(jī)構(gòu)——家庭插電聯(lián)盟（HomePlug）制定。此機(jī)構(gòu)自2000年成立以來(lái)，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(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/視頻寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)規(guī)范，它支持多個(gè)數(shù)據(jù)和視頻流的分配，包括遍布整個(gè)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(lè)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(jí)前向糾錯(cuò)、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(shí)分多址有序接入和CSMA競(jìng)爭(zhēng)接入兩種方式，并通過(guò)快速自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ）可靠傳送。HomePlug AV支持TDMA和FDMA，即兼容時(shí)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(jì)要點(diǎn)
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(gè)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(chǔ)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(dòng)時(shí)，啟動(dòng)代碼存放在SPI flash中。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，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?cè)O(shè)置INT6300工作為MI MAC模式。和REALTEK公司的PHY CHIP相連，提供一個(gè)RJ45接口連到用戶的網(wǎng)口上。
I60是INTELLON公司設(shè)計(jì)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。當(dāng)網(wǎng)口過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)MII接口傳到INT6300，INT6300內(nèi)部的AFE（模擬前端）電路變?yōu)槟M信號(hào)，經(jīng)過(guò)I60放大電路放大，經(jīng)過(guò)耦合器耦合到電力線上。發(fā)送到電力線上的信號(hào)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(gè)LC的帶通濾波電路。我們可以很容易的想到這個(gè)帶通濾波的頻率范圍是2～28MHz。經(jīng)過(guò)帶通濾波電路出來(lái)的信號(hào)送到INT6300的AFE接口，INT6300把模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過(guò)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(shí)，接收部分的電路不工作，接收時(shí)，發(fā)射部分不工作。
2 INT6300性能特點(diǎn)
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(dá)200Mb/s。電力線信息采用128位AES加密方式，相對(duì)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(jí)方式CAP(3-0)，CAP3優(yōu)先級(jí)別最高，CAP0優(yōu)先級(jí)別最低。CAP3優(yōu)先級(jí)別可用于語(yǔ)音和網(wǎng)絡(luò)管理幀，CAP2優(yōu)先級(jí)別可用于視頻流和音樂(lè)，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(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）
● WiFi、UWB和無(wú)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(wú)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(jī)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(jì)要點(diǎn)
在復(fù)位信號(hào)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?cè)O(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(dòng)。CFG_SEL＝1，SDRAM的配置信息來(lái)自SPI FLASH。
INT6300要求一個(gè)精確的系統(tǒng)時(shí)鐘晶振時(shí)鐘電路如圖2所示。

圖2 晶振時(shí)鐘電路

晶振Y1請(qǐng)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(gè)頻點(diǎn)上。當(dāng)選用的晶振精度不是很高的時(shí)候，可以用C1來(lái)調(diào)整系統(tǒng)時(shí)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(shí)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(shí)鐘產(chǎn)生數(shù)字處理要求的更高的時(shí)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)噪聲耦合進(jìn)PLL電路。這樣PLL電路產(chǎn)生的時(shí)鐘的抖動(dòng)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(gè)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(kāi)槽的部分是因?yàn)樵谥贫℉omePlug AV的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為了電力線通信的信號(hào)不干擾到業(yè)余無(wú)線電的信號(hào)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(kāi)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(gè)開(kāi)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(wèn)題。我們先介紹兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。
NEK:網(wǎng)絡(luò)加密鍵值（Network Encryption Key）。這個(gè)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(gè)產(chǎn)品的NEK值不相同，兩個(gè)產(chǎn)品就不能通信。這樣同一個(gè)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(gè)鍵值對(duì)應(yīng)一個(gè)HomePlug AV局域網(wǎng)。在同一個(gè)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(gè)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(gè)電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品上電后，它先執(zhí)行一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)，然后決定它的下一步的動(dòng)作。如果電力線上沒(méi)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(diǎn)CCo，等待其他后上電的電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的加入申請(qǐng)。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(qǐng)加入此VLAN。CCo分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)(NID)和設(shè)備終端號(hào)(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(shí)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(gè)功能和無(wú)線產(chǎn)品中的PUSH BUTTON的功能一樣。圖5是該產(chǎn)品的使用場(chǎng)景。

圖5 PUSH BUTTON使用場(chǎng)景
使用場(chǎng)景一：假設(shè)STA A和STA B組成一個(gè)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(shí)，我們稱STA A/B為加者(Adder)，STA C為加入者(Joiner)。這時(shí)形成一個(gè)新的HomePlug AV局域網(wǎng)我們稱為AVLN ABC。
這個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用AVLN AB的NMK管理網(wǎng)絡(luò)成員。
使用場(chǎng)景二：假設(shè)STA A和STA B組成一個(gè)HomePlug AV局域網(wǎng)，我們稱為AVLN AB。假設(shè)STA C和STA D組成一個(gè)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(gè)隨機(jī)值。這樣AVLN CD這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就不存在了。目前的情況和場(chǎng)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(shí)形成AVLN ABC網(wǎng)絡(luò)。新網(wǎng)絡(luò)的NMK值為AVLN AB的NMK值。

結(jié)束語(yǔ)
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(diǎn)越來(lái)越受到大家的重視。隨著數(shù)字家庭市場(chǎng)的啟動(dòng)，我們有理由相信寬帶電力線通信會(huì)和無(wú)線WiFi、xDSL一起成為數(shù)字家庭骨干網(wǎng)的選擇之一，在未來(lái)的數(shù)字家庭的市場(chǎng)上三分天下。