200M速率電力線Modem設計與實現(xiàn)

電力線上網的優(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。
1 電力線傳輸?shù)膬?yōu)點
電力線遍布城市和鄉(xiāng)村，其覆蓋面是任何網絡無法比擬的，有利于電力線通信（PLC）網絡的推廣。PLC通過電力線傳輸數(shù)據(jù)，不需要增設更多的線路及設備，只需將調制解調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。
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IC價格在逐步的下降，目前PLC在單線成本上與xDSL、電纜調制解調器相當。
在速率上，電力線上網經過14Mb/s、85Mb/s，目前已經迎來了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絡。
2 電力線傳輸需要解決的問題
因為電力線網絡設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絡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,但電力系統(tǒng)的基礎設備并不具備提供高質量數(shù)據(jù)傳輸服務的功能,家庭電器產生的電磁波會對通信產生干擾。另外,采用電力線上網服務,是一種共享帶寬的技術,用戶上網時的速度,取決于當時會有多少用戶上網。如果很多用戶同時上網,傳輸速度相對就較慢。

對于高速PLC技術的快速發(fā)展，各國反應不一致。歐盟和美國政府已明確表示支持高速PLC技術的應用，把PLC跟其他通信技術同等對待。日本要求高于10kHz頻段的PLC設備必須得到許可，但在10～450kHz頻段范圍內的PLC設備無須獲得許可，但需要進行公告。目前我國信息產業(yè)部還沒有制定PLC規(guī)范和頒發(fā)運營許可證。
HomePlug AV技術規(guī)范簡介
HomePlug AV是由電力線通信技術領域的權威國際機構——家庭插電聯(lián)盟（HomePlug）制定。此機構自2000年成立以來，陸續(xù)制定了一系列的PLC技術規(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技術標準體系，基本上覆蓋了所有電力通信技術的應用領域。
HomePlug AV是PLC有關音頻/視頻寬帶家庭網絡的技術規(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)，支持家庭娛樂應用，包括HDTV和家庭影院。
HomePlug AV采用的基本技術特征是：HomePlug AV在物理層采用具有高級前向糾錯、通道預估和自適應能力的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電力線調制解調器硬件結構及設計要點
1 電力線調制解調器硬件框圖
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公司生產的內核為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接口連到用戶的網口上。
I60是INTELLON公司設計的一個驅動IC。當網口過來的數(shù)字信號通過MII接口傳到INT6300，INT6300內部的AFE（模擬前端）電路變?yōu)槟M信號，經過I60放大電路放大，經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電力線調制解調器硬件框圖

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IC。采用OFDM調制模式支持1024/256/64/16/8-QAM、QPSK、BPSK和ROBO等多種調制模式。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絡管理幀，CAP2優(yōu)先級別可用于視頻流和音樂，CAP1、0用于數(shù)據(jù)網絡通信。
因此INT6300主要的應用目標為：
● 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
● 共享寬帶因特網接入
● 音頻和視頻流及其傳送
● 擴充無線LAN網的覆蓋
● 網絡電話VoIP
● PC文件和應用共享
● 打印機和外設共享
● 網絡和在線游戲
● 保安監(jiān)視
3 電力線調制解調器設計要點
在復位信號的上升沿，INT6300讀取配置信息，正確的設置自己的工作狀態(tài)。
在此，我們設置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內部集成PLL電路倍頻75MHz的系統(tǒng)主時鐘產生數(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 電力線上傳導的頻譜特性圖

從電力線傳導頻譜特性圖上，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 電力線傳導頻譜特性圖

電力線網絡的安全性及PUSH BUTTON的使用
1 電力線網絡安全
由于電力線網絡是一個開放式的共享網絡，因此人們比較關注電力線網絡上的數(shù)據(jù)安全性問題。我們先介紹兩個術語。
NEK:網絡加密鍵值（Network Encryption Key）。這個鍵值用于加密電力線網絡上傳輸?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。如果兩個產品的NEK值不相同，兩個產品就不能通信。這樣同一個電力線上有不同的局域網。
NMK:網絡管理鍵值（Network Management Key）。一個鍵值對應一個HomePlug AV局域網。在同一個HomePlug AV局域網中的所有成員，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中的網絡密碼產生。
當一個電力線網絡產品上電后，它先執(zhí)行一個網絡的發(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絡產品，它就申明自己為主站點CCo，等待其他后上電的電力線網絡產品的加入申請。如果發(fā)現(xiàn)電力線上已有和自己NMK值相同的網絡產品，則申明自己為從站點STA。然后向CCo申請加入此VLAN。CCo分配網絡號(NID)和設備終端號(TEI)給新加入的產品。新加入的電力線產品獲得CCo的授權后，可以和此VLAN內的任何設備通信。
2 PUSH BUTTON鍵的使用
使用網絡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。這個功能和無線產品中的PUSH BUTTON的功能一樣。圖5是該產品的使用場景。

圖5 PUSH BUTTON使用場景
使用場景一：假設STA A和STA B組成一個HomePlug AV局域網，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局域網我們稱為AVLN ABC。
這個網絡使用AVLN AB的NMK管理網絡成員。
使用場景二：假設STA A和STA B組成一個HomePlug AV局域網，我們稱為AVLN AB。假設STA C和STA D組成一個HomePlug AV局域網，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。復位STA C的NMK值到一個隨機值。這樣AVLN CD這個網絡就不存在了。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 ABC網絡。新網絡的NMK值為AVLN AB的NMK值。

結束語
在本文中詳細闡述了如何基于INT6300芯片設計一款符合HomePlug AV標準的電力線調制解調器，以及此產品的特性和功能。我們能看到寬帶電力線通信技術應用的領域甚廣，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)字家庭骨干網的選擇之一，在未來的數(shù)字家庭的市場上三分天下。