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1、基于 INT6300 的电力线调制解调器设计Design of Power Line Modem Based on INT6300ASOKA 美国公司深圳研发中心 冯瑞明引言电力线通信(Power line Communication)简称“PLC“，是利用输电和供电的电力线进行高速数据传输的技术。电力线遍布城市和乡村，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。随着市场的发展，电力线上网 IC 价格在逐步下降。目前 PLC 在单线成本上与 xDSL、电缆调制解调器相当。在速率上，电力线上网已
2、经迎来了 200Mbps 的时代，这足以满足数字家庭的安全、教育、娱乐等要求，是理想的骨干网络。电力线传输需要解决的问题电力线网络设计的最初目的是传输电能，只是近年来在市场的需求下才作为家庭网络的信息接入方式之一，因此电力线传输存在的明显缺点就是噪声大和安全性低。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，传输速度取决于当时上网用户的数量，如果用户较多，则网速就较慢。HomePlug AV 技术规范简介HomePlug AV 由电力线通信技术领域的权威国际
3、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。HomeP
4、lug AV 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，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，其协议栈支持多种上层协议，如 802.3、IP and UPNP。HomePlug AV 电力线调制解调器硬件结构及设计要点INT6300 性能特点INT6300 是 I
5、NTELLON 公司提供的一款符合 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，速率可达 200Mbps。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，安全性得到了大大的提高。INT6300 支持 QoS 管理。分为 4 级方式 CAP(3-0)，CAP3 优先级别最高，CAP0 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 用于数据网络通讯。电力线
6、调制解调器硬件结构从图 1 可知这是一个单芯片方案。INT6300 的内核为 ARM926EJ-S 的 32 位 RISC 处理器，系统的软件存储在大容量的 SPI FLASH 中。此系统中所选择的 SPI FLASH 容量大小为 16Mbit。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，所有程序拷贝到 SDRAM 中。INT6300 有 3 种工作模式：MII PHY 模式、MII MAC 模式、PCI 模式，在此设置为 MI MAC 工作模式，与 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 INTELLO
7、N 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，再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：2MHz-28MHz。电力线接收部分为一个 LC 的带通滤波电路，这个带通滤波的频率范围是 2MHz-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
8、收时，发射部分不工作。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，正确设置自身工作状态。在此，设置 HM_SEL1:0=01，INT6300 工作在 MAC 模式。BM_SEL=1，系统从 SPI FLASH 启动。CFG_SEL1，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。晶振 Y1 选用基频晶振，如果选用泛音晶振，起振后的频率可能不在 37.5MHz 这个频点上。当所选晶振的精度不是很高的话，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
9、限制 IC 的 AFE 部分时钟输出电流，用于降低辐射和减小振铃。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，尽量减小系统噪音耦合进 PLL 电路。这样 PLL 电路产生的时钟的抖动可以降到最小。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。当检测到电力线链路，电力线链路指示灯亮。如果 INT6300 设备作为一个从站点即 STA，指示灯将闪烁，指示电力线上
10、有数据接收和发送。如果 INT6300 设备作为一个主站点即 CCo，指示灯常亮，即使有数据在电力线上接收和发送也是常亮。电力线上传导的频谱特性图如图 4，可以清楚看到使用的频率范围是从 2MHz-28MHz。其中有一些开槽的部分是因为在制定 HomePlug AV 的标准时，为了使电力线通讯的信号不干扰到业余无线电的信号而禁止使用。电力线网络的安全性及 PUSH BUTTON 的使用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问题。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
11、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，两个产品就不能通讯。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 码由用户通过 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
12、值相同的其它电力线网络产品，就声明自己为主站点 CCo，等待其它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 内的任何设备通讯。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 使用一种称作 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 是其使用场景。使用场景一：假设
13、 STA A 和 STA B 组成一个 HomePlug AV 局域网，将它称为 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。按 STA A 或 STA B 的 PUSH BUTTON 键小于 3 秒钟，然后马上按 STA C 的PUSH BUTTON 键小于 3 秒钟。此时，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
14、和 STA B 组成一个 HomePlug AV 局域网，称为 AVLN AB；假设 STA C 和 STA D 组成一个HomePlug AV 局域网，称为 AVLN CD。如果 STA C 想加入 AVLN AB。按住 STA C 的 PUSH BUTTON 键大于 10 秒钟。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相同，按住 STA A 或 B 的 PUSH BUTTON 键小于 3 秒钟，然后按 STA C的 PUSH BUTTON 键小于 3 秒钟。这时形成 AVLN ABC 网络。新网络的 NMK 值为 AVLN AB 的 NMK 值。结束语本文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，以及这款产品的特性和功能。宽带电力线通讯技术应用的领域甚广，不需另外布线，安装方便。宽带电力线通讯将会成为数字家庭骨干网的选择之一。
