200M速率电力线Modem设计与实现

200M速率电力线Modem设计与实现

电力线上网的优缺点
电力线通信(Power line Communication)简称“PLC”，是一种利用输电和供电的电力线进行高速数据传输的技术。
1 电力线传输的优点
电力线遍布城市和乡村，其覆盖面是任何网络无法比拟的，有利于电力线通信（PLC）网络的推广。PLC通过电力线传输数据，不需要增设更多的线路及设备，只需将调制解调器插入电力插座就可以通信，使用简单，成本低廉，有利于信息资源共享和家电上网。
PLC除了施工中的明显优势之外，在总体价格上也存在优势。随着市场的发展，以前相对比较高的电力线上网IC价格在逐步的下降，目前PLC在单线成本上与xDSL、电缆调制解调器相当。
在速率上，电力线上网经过14Mb/s、85Mb/s，目前已经迎来了200Mb/s的时代。200Mb/s的带宽足以满足以后数字家庭的安全、教育、娱乐等要求，是数字家庭理想的骨干网络。
2 电力线传输需要解决的问题
因为电力线网络设计的目的是为了传输电能,只是因近些年来市场的需求才作为家庭网络的信息接入方式之一。电力线传输所存在明显的缺点就是噪声大和安全性低的问题。尽管电力线可以作为高速通信的一种备选介质,但电力系统的基础设备并不具备提供高质量数据传输服务的功能,家庭电器产生的电磁波会对通信产生干扰。另外,采用电力线上网服务,是一种共享带宽的技术,用户上网时的速度,取决于当时会有多少用户上网。如果很多用户同时上网,传输速度相对就较慢。

对于高速PLC技术的快速发展，各国反应不一致。欧盟和美国政府已明确表示支持高速PLC技术的应用，把PLC跟其他通信技术同等对待。日本要求高于10kHz频段的PLC设备必须得到许可，但在10～450kHz频段范围内的PLC设备无须获得许可，但需要进行公告。目前我国信息产业部还没有制定PLC规范和颁发运营许可证。
HomePlug AV技术规范简介
HomePlug AV是由电力线通信技术领域的权威国际机构——家庭插电联盟（HomePlug）制定。此机构自2000年成立以来，陆续制定了一系列的PLC技术规范，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技术标准体系，基本上覆盖了所有电力通信技术的应用领域。
HomePlug AV是PLC有关音频/视频宽带家庭网络的技术规范，它支持多个数据和视频流的分配，包括遍布整个家庭的高清晰度电视(HDTV)和标准清晰度电视(SDTV)，支持家庭娱乐应用，包括HDTV和家庭影院。
HomePlug AV采用的基本技术特征是：HomePlug AV在物理层采用具有高级前向纠错、通道预估和自适应能力的OFDM。而在MAC层则综合使用具有QoS保证的TDMA时分多址有序接入和CSMA竞争接入两种方式，并通过快速自动重发请求（ARQ）可靠传送。HomePlug AV支持TDMA和FDMA，即兼容时分多址和频分多址，以便兼容BPL宽带接入。HomePlug AV前向兼容HomePlug 1.0。HomePlug AV协议栈支持多种上层协议，如802.3、IP 和UPNP。

HomePlug AV电力线调制解调器硬件结构及设计要点
1 电力线调制解调器硬件框图
从硬件框图我们可以看出，此方案是一个单芯片的方案。INT6300为INTELLON公司生产的内核为ARM926EJ-S 32位RISC处理器。系统的软件存储在大容量的SPI FLASH中。在此系统中，我们选择的SPI FLASH容量大小为16Mb。我们可以设置系统启动时，启动代码存放在SPI flash中。当系统启动时，所有的程序复制到SDRAM中。
INT6300有三种工作模式:MII PHY模式、MII MAC模式、PCI模式。在此，我们设置INT6300工作为MI MAC模式。和REALTEK公司的PHY CHIP相连，提供一个RJ45接口连到用户的网口上。
I60是INTELLON公司设计的一个驱动IC。当网口过来的数字信号通过MII接口传到INT6300，INT6300内部的AFE（模拟前端）电路变为模拟信号，经过I60放大电路放大，经过耦合器耦合到电力线上。发送到电力线上的信号频率范围是：2～28MHz。

图1 HomePlug AV电力线调制解调器硬件框图

电力线接收部分为一个LC的带通滤波电路。我们可以很容易的想到这个带通滤波的频率范围是2～28MHz。经过带通滤波电路出来的信号送到INT6300的AFE接口，INT6300把模拟信号变为数字信号，通过MII接口送到RJ45上。
由于电力线是一种共享式的总线，因此INT6300应该工作在半双工模式下，即发射时，接收部分的电路不工作，接收时，发射部分不工作。
2 INT6300性能特点
INT6300是INTELLON公司提供的一款完全符合HomePlug AV规范的电力线上网IC。采用OFDM调制模式支持1024/256/64/16/8-QAM、QPSK、BPSK和ROBO等多种调制模式。因此速率可达200Mb/s。电力线信息采用128位AES加密方式，相对HomePlug 1.0标准采用的56位DES方式，安全性得到大大的提高。
INT6300支持QoS管理。分为4级方式CAP(3-0)，CAP3优先级别最高，CAP0优先级别最低。CAP3优先级别可用于语音和网络管理帧，CAP2优先级别可用于视频流和音乐，CAP1、0用于数据网络通信。
因此INT6300主要的应用目标为：
● 分配高清晰度电视（HDTV）和标准清晰度电视（SDTV）　
● 交互式电视（IPTV）
● WiFi、UWB和无线USB的干线传送
● 宽带高速率数据分配
● 共享宽带因特网接入
● 音频和视频流及其传送
● 扩充无线LAN网的覆盖
● 网络电话VoIP
● PC文件和应用共享
● 打印机和外设共享
● 网络和在线游戏
● 保安监视
3 电力线调制解调器设计要点
在复位信号的上升沿，INT6300读取配置信息，正确的设置自己的工作状态。
在此，我们设置HM_SEL[1:0]=01，INT6300工作在MAC模式。BM_SEL=1，系统从SPI FLASH启动。CFG_SEL＝1，SDRAM的配置信息来自SPI FLASH。
INT6300要求一个精确的系统时钟晶振时钟电路如图2所示。

图2 晶振时钟电路

晶振Y1请选用基频晶振。如果选用了泛音晶振，可能起振后的频率不在37.5MHz这个频点上。当选用的晶振精度不是很高的时候，可以用C1来调整系统时钟的频率。R1提供DC反馈电压，R2限制晶振的电流大小，R3限制IC的AFE部分时钟输出电流，用于降低辐射和减小振铃。

图3 推荐PLL电源部分滤波电路

INT6300内部集成PLL电路倍频75MHz的系统主时钟产生数字处理要求的更高的时钟。PLL部分有单独的电源和地，因此要求外部电路提供滤波功能，尽量减小系统噪声耦合进PLL电路。这样PLL电路产生的时钟的抖动能降到最小。推荐的滤波电路如图3所示。
INT6300设置为MAC工作模式，在此模式下，INT6300提供4个状态灯指示系统的不同工作状态。系统状态工作表如表1所示。
4 电力线上传导的频谱特性图

从电力线传导频谱特性图上，我们可以清楚的看到我们使用的频率范围是2～28MHz的范围。其中有一些开槽的部分是因为在制定HomePlug AV的标准时，为了电力线通信的信号不干扰到业余无线电的信号而禁止使用。因为INT6300采用OFDM编码方式，因此软件上很容易避开禁用的频率。

图4 电力线传导频谱特性图

电力线网络的安全性及PUSH BUTTON的使用
1 电力线网络安全
由于电力线网络是一个开放式的共享网络，因此人们比较关注电力线网络上的数据安全性问题。我们先介绍两个术语。
NEK:网络加密键值（Network Encryption Key）。这个键值用于加密电力线网络上传输的数据。在电力线上传输的数据用NEK值，采用128bit-AES加密算法加密。如果两个产品的NEK值不相同，两个产品就不能通信。这样同一个电力线上有不同的局域网。
NMK:网络管理键值（Network Management Key）。一个键值对应一个HomePlug AV局域网。在同一个HomePlug AV局域网中的所有成员，NMK值是相同的。主站点CCo用这个键值管理加入电力线局域网的从站点STA。NMK码由用户由PC上的管理软件输入或者PIB中的网络密码产生。
当一个电力线网络产品上电后，它先执行一个网络的发现，然后决定它的下一步的动作。如果电力线上没有和它NMK值相同的其他电力线网络产品，它就申明自己为主站点CCo，等待其他后上电的电力线网络产品的加入申请。如果发现电力线上已有和自己NMK值相同的网络产品，则申明自己为从站点STA。然后向CCo申请加入此VLAN。CCo分配网络号(NID)和设备终端号(TEI)给新加入的产品。新加入的电力线产品获得CCo的授权后，可以和此VLAN内的任何设备通信。
2 PUSH BUTTON键的使用
使用网络密码管理在许多时候使人感到不方便，因此INT6300使用一种称为PUSH BUTTON的技术。这个功能和无线产品中的PUSH BUTTON的功能一样。图5是该产品的使用场景。

图5 PUSH BUTTON使用场景
使用场景一：假设STA A和STA B组成一个HomePlug AV局域网，我们称为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。我们按STA A或STA B的PUSH BUTTON键小于3s。然后马上按STA C的PUSH BUTTON键小于3s。此时，我们称STA A/B为加者(Adder)，STA C为加入者(Joiner)。这时形成一个新的HomePlug AV局域网我们称为AVLN ABC。
这个网络使用AVLN AB的NMK管理网络成员。
使用场景二：假设STA A和STA B组成一个HomePlug AV局域网，我们称为AVLN AB。假设STA C和STA D组成一个HomePlug AV局域网，我们称为AVLN CD。
如果STA C想加入AVLN AB。按住STA C的PUSH BUTTON键大于10s。复位STA C的NMK值到一个随机值。这样AVLN CD这个网络就不存在了。目前的情况和场景一一样。按住STA A或B的PUSH BUTTON键小于3s，然后按STA C的PUSH BUTTON键小于3s。这时形成AVLN ABC网络。新网络的NMK值为AVLN AB的NMK值。

结束语
在本文中详细阐述了如何基于INT6300芯片设计一款符合HomePlug AV标准的电力线调制解调器，以及此产品的特性和功能。我们能看到宽带电力线通信技术应用的领域甚广，不需要另外布线，安装方便等特点越来越受到大家的重视。随着数字家庭市场的启动，我们有理由相信宽带电力线通信会和无线WiFi、xDSL一起成为数字家庭骨干网的选择之一，在未来的数字家庭的市场上三分天下。