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。

<STRONG>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 媒体。

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 媒体网络。新网络的NMK值为AVLN AB的NMK值。

结束语

STRONG>
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。