基于INT6300的電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

1、基于INT6300的電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)    引言電力線通信(PowerlineCommunication)簡稱"PLC"，是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)。電力線遍布城市和鄉(xiāng)村，PLC通過電力線傳輸數(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，使用簡單，成本低廉，有利于信息資源共享和家電上網(wǎng)。隨著市場的發(fā)展，電力線上網(wǎng)IC價(jià)格在逐步下降。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)已經(jīng)迎來了200Mbps的引言電力線通信(Powerline Communica

2、tion)簡稱"PLC"，是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)。電力線遍布城市和鄉(xiāng)村，PLC通過電力線傳輸數(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，使用簡單，成本低廉，有利于信息資源共享和家電上網(wǎng)。隨著市場的發(fā)展，電力線上網(wǎng)IC價(jià)格在逐步下降。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)已經(jīng)迎來了200Mbps的時(shí)代，這足以滿足數(shù)字家庭的安全、教育、娛樂等要求，是理想的骨干網(wǎng)絡(luò)。電力線傳輸需要解決的問題電力線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的最初目的是傳輸電能，只是近年來在市場的需求下才作為家庭網(wǎng)絡(luò)的信息接入方式之一，因此電力

3、線傳輸存在的明顯缺點(diǎn)就是噪聲大和安全性低。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)生的電磁波會對通信產(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)，傳輸速度取決于當(dāng)時(shí)上網(wǎng)用戶的數(shù)量，如果用戶較多，則網(wǎng)速就較慢。HomePlug AV技術(shù)規(guī)范簡介HomePlug AV由電力線通信技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威國際機(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，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、Ho

4、mePlug 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)，支持家庭娛樂應(yīng)用，包括HDTV和家庭影院。HomePlug AV的基本技術(shù)特征是：HomePlug AV在物理層采用具有高級前向糾錯(cuò)、通道預(yù)估和自適應(yīng)能力的OFDM，在MAC層則綜合使用具有

5、QoS保證的TDMA時(shí)分多址有序接入和CSMA競爭接入兩種方式，并通過快速自動(dòng)重發(fā)請求（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，其協(xié)議棧支持多種上層協(xié)議，如802.3、IPand 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)INT6300性能特點(diǎn)INT6300是INTELLON公司提供的一款符合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

6、-QAM、QPSK、BPSK和ROBO等多種調(diào)制模式，速率可達(dá)200Mbps。電力線信息采用128位AES加密方式，相對HomePlug     1.0標(biāo)準(zhǔn)采用的56位DES方式，安全性得到了大大的提高。INT6300支持QoS管理。分為4級方式CAP(3-0)，CAP3優(yōu)先級別最高，CAP0最低。CAP3優(yōu)先級別可用于語音和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通訊。電力線調(diào)制解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)從圖1可知這是一個(gè)單芯片方案。INT6300的內(nèi)核為ARM926EJ-S的32位RISC處理器，系統(tǒng)的軟件存儲在大容量的SPIFL

7、ASH中。此系統(tǒng)中所選擇的SPI FLASH容量大小為16Mbit?？梢栽O(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)，所有程序拷貝到SDRAM中。INT6300有3種工作模式：MIIPHY模式、MII MAC模式、PCI模式，在此設(shè)置為MI MAC工作模式，與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)口過來的數(shù)字信號通過MII接口傳到INT6300，INT6300內(nèi)部的AFE（模擬前端）電路變?yōu)槟M信號，經(jīng)過I60放大電路，再經(jīng)過耦合器耦

8、合到電力線上。發(fā)送到電力線上的信號頻率范圍是：2MHz-28MHz。電力線接收部分為一個(gè)LC的帶通濾波電路，這個(gè)帶通濾波的頻率范圍是2MHz-28MHz。經(jīng)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(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。電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)在復(fù)位信號的上升沿，INT6300讀取配置信息，正確設(shè)置自身工作狀態(tài)。在此，設(shè)置HM_SEL1:0=01，INT6300工作在MAC模式。BM_SEL=1，系統(tǒng)從SPI

9、 FLASH啟動(dòng)。CFG_SEL1，SDRAM的配置信息來自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。晶振Y1選用基頻晶振，如果選用泛音晶振，起振后的頻率可能不在37.5MHz這個(gè)頻點(diǎn)上。當(dāng)所選晶振的精度不是很高的話，可以用C1來調(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。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

10、系統(tǒng)噪音耦合進(jìn)PLL電路。這樣PLL電路產(chǎn)生的時(shí)鐘的抖動(dòng)可以降到最小。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。當(dāng)檢測到電力線鏈路，電力線鏈路指示燈亮。如果INT6300設(shè)備作為一個(gè)從站點(diǎn)即STA，指示燈將閃爍，指示電力線上有數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。如果INT6300設(shè)備作為一個(gè)主站點(diǎn)即CCo，指示燈常亮，即使有數(shù)據(jù)在電力線上接收和發(fā)送也是常亮。電力線上傳導(dǎo)的頻譜特性圖如圖4，可以清楚看到使用的頻率范圍是從2MHz-28MHz。其中有一些開槽的部分是因?yàn)樵谥贫℉omePlug AV的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為

11、了使電力線通訊的信號不干擾到業(yè)余無線電的信號而禁止使用。電力線網(wǎng)絡(luò)的安全性及PUSH BUTTON的使用電力線網(wǎng)絡(luò)安全由于電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放式的共享網(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)安全問題。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)品就不能通訊。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)鍵值對應(yīng)一個(gè)HomePlug AV局域網(wǎng)。在同一個(gè)HomePl

12、ug     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碼由用戶通過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。如果電力線上沒有和它NMK值相同的其它電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，就聲明自己為主站點(diǎn)CCo，等待其它后上電的電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，則申明自己為從站點(diǎn)STA，然后向CCo申請加入此VLAN。CCo分配網(wǎng)絡(luò)號(NID)和設(shè)備終端號(TEI)給新加入的產(chǎn)品。新加入的

13、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)備通訊。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使用一種稱作PUSH BUTTON的技術(shù)，這個(gè)功能和無線產(chǎn)品中的PUSH     BUTTON的功能一樣，圖5是其使用場景。使用場景一：假設(shè)STA A和STA B組成一個(gè)HomePlug AV局域網(wǎng)，將它稱為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。按STA A或STA B的PUSH BUT

14、TON鍵小于3秒鐘，然后馬上按STA     C的PUSH BUTTON鍵小于3秒鐘。此時(shí)，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)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。使用場景二：假設(shè)STA A和STA B組成一個(gè)HomePlug AV局域網(wǎng)，稱為AVLN AB；假設(shè)STA C和STA D組成一個(gè)HomePlug     AV局域網(wǎng)，稱為AVLN CD。如果STA C想加入AVLN AB。按住STA C的PUSH BUTTON鍵大于10秒鐘。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。目前的情況和場景一相同，按住STA A