以INT51X1為核心的低壓電力網載波調制解調器及其實現技術

2019-11-03 19:03:56

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供稿：網友

彭為國,別碧勇

　　（武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

　　The Realization of Lower Voltage Powerline Broadband access Network

　　Based on INT51X1 Chip

　　Peng Wei-guo, Bie Bi-yong

　　(Institute of Electric Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

　　Abstract：This article summarizes the access network situation of China and poses a topology using powerline communication as a method of access network. In additional, it introduces several effective ways to realize the high speed low voltage powerline communication by analyzing a powerline channel model. Finally, according to the orthogonal frequency division multiplexing PRinciple, the article describes in detail how to design a high-speed access device based on INT51X1.

　　KeyWords：powerline broadband access network; OFDM; INT51X1 chip; MII interface

　　摘　要：本文根據中國接入網的現狀，提出了一個以電力線通信(PLC)作為接入方式的拓撲結構。并在對電力線信道模型分析的基礎上，介紹了基于低壓電力網數字通信的幾種常見方式。最后以正交頻分復用的原理與應用為例，具體闡述了以INT51X1芯片為核心的高速電力線接入設備的設計方案。

　　關鍵詞：電力線寬帶接入；正交頻分復用；INT51X1芯片；MII接口

　　1 引言

　　現代社會是個信息的世界，信息交流已成為人們生活的一部分。目前，以光纖為主的主干網建設已基本完成，但接入網是目前通信網的瓶頸。目前一些主流并且比較成熟的寬帶接入技術主要包括xDSL、HFC、PON、無線接入等等[1]。針對我國接入網的現狀，可以采用因地制宜策略，綜合采納各種接入方式，而老百姓身邊四通八達的電力網就提供了一個較為理想的寬帶接入解決方案。

　　低壓電力網分布最廣，網絡結構靈活。一種比較容易實現的網絡結構可以參考光纖到戶（FTTH），局端連接采用點對點結構，用戶端采用一點對多點的形式。這里的“一點”就是業務節點接口（SNI），從物理上來說是一個星形的拓撲結構，可以從小區變壓器端引出，耦合在電力線上的數據流隨著電力線進入小區內的每一戶家庭。從用戶節點來看，每個用戶都能從電力線上行或下行數據包，在邏輯上仍是一個總線網，各用戶仍然共享邏輯上的總線，可以使用CSMA/CD協議[2]。這實際上是局域網的網絡體系，用戶終端都遵循以太網的協議，原來在局域網上運行的協議（IPX或IP）和各種應用程序可以不加改動或稍加改動電力線局域網上運行。

　　與通常的數據通信不同，由于電力線信道十分惡劣，數據傳輸比較適合OFDM形式：將高速數據流分成若干低速數據流，同時將可用的頻譜劃分為許多窄帶，分別傳輸這些低速數據信號,并通過某些措施使頻譜效率最高。這與以太網中的802.11協議比較類似，容易移植。但數據鏈路上MAC包形式可能與通常的以太網不同，為了消除PLC信道衰減，它可能需要額外的字節開銷，如INTELLON公司的數據包就是其中的一種，它被稱為電力包（PowerPacket）[3]。

　　圖1是電力線寬帶接入的一種拓撲結構，圖中PNT指電力線網絡終端，通過它可以連接電腦、電話、打印機等終端。變壓器端的電力線網絡單元（PNU）負責控制電力線網絡并從單元配電網集成話務，實現低壓配電網的數據通信，通過適當的電信接口連至Internet。

　　依據這個模型，未來的智能家電可以很方便的移植現有的各種局域網通信協議及網絡管理軟件，形成基于電力線通信（PLC）的嵌入式終端，這無疑將大大促進未來智能家居的實現。用戶通過一個電力線調制解調器，一端接終端，另一頭插上電源插座，就能免去布線的繁縟，充分體驗“不添線”（No New Wires）的樂趣。

　　2 電力線通信（PLC）的信道分析及對策

　　對于所有的通信信道，阻抗、信號衰減和干擾是決定其性能的基本參數。因此，在使用低壓電力線作為信號傳輸媒介之前，需要對它的信道特性進行分析。

　　美國科學家的研究表明，低壓電力線上的輸入阻抗與所傳輸的信號頻率密切相關。總體上，阻抗隨著頻率增加而增加，但某些局部出現所謂的阻抗低谷區。其原因是電力線連接有各種復雜的負載。這些負載及電力線本身組合成許多諧振回路，在諧振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區，從而造成了在局部頻率段內阻抗隨著頻率增加而減小的現象。

　　在實際情況中，由于大量的用電設備同時釋放出干擾，而這些干擾的瞬時功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會在電力線上產生時變的連續干擾，這種干擾平均功率較小，但是頻譜很寬，且持續存在。因此，在通信過程中的信噪比可能會變得很低，通信誤碼率增加。

　　一般說來，對一個網絡的各種組件（如電纜連接、設備級聯）的系統精確闡述都需要在復數域進行，但現實是通常不可能得到足夠精度的必需參數。目前存在的一些衰減及噪聲模型基本上是基于測量而得到的，由于這個原因它們一般被限制在150KHz以下的頻帶內。但從最基本的信號多徑傳輸模型分析，不難得出公式(1)所示的一個簡單的電力線通信（PLC）模型[4]，該模型的頻帶范圍可以從500KHz到20MHz:

　　該模型描述了信號在電力線上傳播時的傳輸時延及低通特性。不難得出，隨著傳輸距離及信號頻率的增加，信號的衰減也會增大。額外因子gi反映了信號沿傳播路徑傳輸時的反射情況，它的值很復雜，與反射點、頻率都有關系。實際測量表明，在大多數情況下由于多徑傳輸時延幾乎相等，gi 可以近似為一個與頻率無關的量（gi≤1）。在存在N條反射路徑的情況下，接收點收到的將是一個疊加的結果。

　　由圖可見[4]，除了一些陡度特別大的峰谷區域，模型與實測曲線非常吻合。這些峰谷區域主要是由于電力網負載的急劇變化所致，即低壓電力網衰減的時變特性引起,它的進一步描述可以采納統計方法進行計算分析。但對于一般的場合,只要負載變化不是十分之大，該模型還是能夠準確擬合電力線信道的。

　　早期的電力線通信主要采用傳統的模擬單載波通信，由于模擬系統本身缺弊使得它不可能成為主流的通信方式。現今的PLC通信將數字信號信道與低壓電力網結合，借助現行的PLC模型及數字信號處理（DSP）技術的進步及特殊的調制解調技術，比較好的克服電力線上的噪聲和干擾，大大改善低壓電力線的通信質量，提高其服務質量（QoS）。目前PLC采用最多的是擴頻通信和正交頻分復用(OFDM)。

　　根據信息論香農定理[5],信道容量定義：

　　C＝B.log2(1+s/n)

　　對于給定帶寬和信噪比，信道的容量是一定的。而在一定信道容量下，如果帶寬B擴充到一定程度，那么就能在較低信噪比要求下得到很高的傳輸質量。而擴頻通信就是通過編碼及調制的方法將信號所占有的頻帶擴展遠大于所傳信息必需的最小帶寬, 即使一小部份的頻譜受干擾或衰減也不會使信號產生嚴重的畸變,因此能比較好的克服電力線上的噪聲和干擾，實現有效的PLC通信。目前采用擴頻方式通信的芯片有Intellon公司的SSC P200/P300，Adaptive network公司生產的AN192-1000系列，以及國內自己研制的SC1128等。由于速率限制，它們往往用在電力抄表（水、電、氣表）、載波電話、電力線載波通信等數據量不是很大的場合。

　　正交頻分復用(OFDM)的基本思想是把輸入信息轉換成多路并行信號，利用快速傅立葉變換對相互完全正交的一組載波進行調制形成子載波信號，同時將可用的頻譜劃分為許多窄帶，分別傳輸這些子載波信號。為了獲得高的頻譜效率，子載波的幅頻響應相互重疊和正交。當OFDM所有子載波信號疊加到一起時，其信號頻譜接近于矩形頻譜，因而其頻譜利用率在理論上可以達到香農信息論的極限。而且每個子載波可以使用不同的調制方式，比較常用的有BPSK，QPSK和QAM等。也就是說，OFDM是將高速的串行數據變成低速并行數據進行傳輸。雖然每個子載波的速率不高，但所有子信道加起來將會獲得很高的數據速率。OFDM將高速串行數據分割為Ｎ個子信號，等價于將碼元周期延長了Ｎ倍，它遠大于一般典型多徑反射的時延，有效地克服了由多徑效應引起的碼間干擾（ISI）。并且OFDM與糾錯編碼相結合，可以克服多徑衰落問題，特別適宜于電力線這種非常惡劣的信道環境。OFDM存在的問題在于電力網使用的大多是非屏蔽線，在進行高速數據傳輸時不可避免地會形成電磁輻射，若對其功率控制不當，有可能對其它無線通信造成干擾。Intellon公司的INT51X1系列產品，就是采用OFDM技術，在4.3M到20.9M的頻帶范圍內共用84個載波，采用DBPSK/DQPSK調制原理，使其最高傳輸速率可達14Mbps。

　　3 系統方案

　　如前所述，在接入網絡結構確定的情況下，本次設計的重點實際上是對電力線網絡單元（PNU）即電力線MODEM的設計。考慮到接入網的帶寬量級需要，擬采用正交頻分復用(OFDM)方式。芯片實現則有通用微處理器（如DSP）或專用電力線調制/解調芯片兩種選擇。前者實現OFDM需要DSP完成數據編解碼、FFT/IFFT、同步提取、導頻跟蹤，若要進一步提高可靠性還要加上濾波、AGC、糾錯編碼等算法。若采用專用電力線調制/解調芯片則主要是接口設計，無須考慮OFDM算法，無需導頻，就可以在低信噪比的信道獲得同步。從設計靈活性及開發成本綜合考慮，我們采用美國INTELLON公司的專用PLC通信芯片INT51X1作為主接入芯片。

　　INT51X1是一塊理想的基于PLC寬帶接入的調制/解調芯片，它采用了INTELLON公司專利注冊的電力數據包（PowerPacket）正交頻分復用(OFDM)技術，在84個載波上利用DBPSK/DQPSK調制原理使其傳輸速率最高可達14Mbps。它的媒質訪問控制（MAC）采用的是載波多路偵聽/沖突檢測（CSMA/CD），并有56位的密匙管理以保證PLC通信安全。協議棧中還內置了自適應頻率選擇使得能自動調整信道，再加上前向糾錯、優先權限設計及自清除重發（ARQ）等措施，即使在惡劣的環境下，仍能保證很高的信噪比。片內含有低功耗10位A/D、D/A轉換器、自定增益控制電路（AGC）,采樣率可達50Mbps，大大簡化了設計過程。芯片內核電壓是1.5V，輸入輸出電壓為3.3V，但提供了5V電壓的容限。芯片有144個管腳，采用uBGA封裝[3]。

　　INT51X1功能框圖如圖4所示：

　　通過對INT51X1管腳MODE0，MODE1高低電平搭配，INT51X1共有三種工作模式選擇。一種是USB模式（USB Option），用于USB網絡設備與USB主機之間的通信；一種是主機/數據終端模式（Host/DTE Option），用于主機或數據終端與以太網物理層之間的通信；還有一種是物理層模式（PHY Option），微處理器利用MII或GPSI接口與以太網控制器（可以帶PCI橋）之間進行通信。而本次設計是以第三種工作模式為例，設計一種以INT51X1為核心的帶PCI總線接口的電力線MODEM設計方案。

　　這種電力線MODEM支持PCI總線，核心處理芯片是INT51X1，與之通信的以太網控制器可以選用Realtek的8130[6]或AMD的Am79C972以太網控制芯片芯片。整個系統的框圖如圖5所示：

　　圖中系統組成主要由模擬前端模塊（AFE）、INT51X1以及太網控制器RTL8130三個部分組成。而耦合器通常與電源適配器設計在一起，用于從電力線上耦合數據并向系統提供所需的各級電壓。模擬前端模塊（AFE）包括帶通濾波(BPF)、線性驅動及AGC控制引腳，數據經AFE后交INT51X1處理。從成本考慮，濾波電路可由運放自己搭建，線驅可以直接用三極管，但這樣的模擬電路穩定性難以保證，推薦使用INTELLON自己的5伏AFE SIP模塊。RTL8130是臺灣瑞昱的一個網卡芯片，它本身也是個PCI總線控制器，與經典的RTL8139相比，它最大不同是有一個媒質無關接口（MII），其驅程亦可參照RTL8139。

　　INT51X1自己有一個精簡指令集（RISC）的處理器內核，實現OFDM、加解密、自適應信道調整等計算。標準的JTAG端口方便在線調試及程序下載升級。另外還提供了一個LED端口，通過發光二極管的顯示指示，使用戶對系統的運行狀態一目了然。INT51X1還有一個用SPI端口控制的EEPROM接口，用作初始配置INT51X1，除采用EEPROM方式外，還可以通過媒質訪問控制（MAC）管理入口的特定幀序列來初始配置INT51X1。若INT51X1工作在物理層（PHY）模式下，這兩種方式都可以初始化；但若工作在主機/數據終端或USB模式下，則只能用EEPROM了。EEPROM中的內容已經被INT51X1的用戶協議接口（User Protocol Interface）所定義，主要放固件和一些產品信息。

　　INT51X1的外在主機接口用于它與其它控制器通信。具體來說，當選擇管腳MII_GPSI_N的不同狀態時，INT51X1以復用的形式提供了兩種此類型的接口：通用目的外設接口（GPSI）和媒質無關接口（MII）。通用目的外設接口（GPSI）是一種靈活的雙向串行接口，它通過一個同步時鐘提供了一個與控制器聯系的前向接口，用以發送接收數據。而媒質無關接口（MII）則更常見，它是一種標準工業接口，主要為數據鏈路層中的MAC子層與物理層的上層之間提供接口。它的發射、接收以及同步信號都是以四位總線的形式進行，并帶有CSMA/CD協議。它也是以太網控制器中廣泛使用的一種接口形式，有關它的更加詳細的描述可以在IEEE802.3u文擋中找到。

　　INT51X1與以太網控制器RTL8130通信可以利用媒質無關接口（MII）。由于RTL8130與INT51X1都支持MII接口，它們之間的互連比較簡單，一一對應即可。再后就是對RTL8130編程實現MODEM的PCI接口，具體就是以太網控制器與PC之間的握手了。

　　如圖6所示，MII除了傳送數據外，還有一些鏈路狀態，如CRS載波偵聽信號、COL沖突檢測信號。載波偵聽信號用來偵聽信道是否空閑；而沖突檢測信號則是在半雙工模式下檢查信號是否因為同時傳輸而引起的沖突。

　　應該說，電力線通信（PLC）的重點難點在于它的軟件設計。采用OFDM方式的PLC通信，將高速數據流分成多路低速支路以降低多徑效應的敏感性。點與點之間的通信是通過分解的一個個數據包進行的，這與無線局域網的802.11協議是十分相似的，在具體協議棧設計時可以參考802.11體系。為了產生大量的子載波要在發射端對數據進行IFFT，相應的，在接收端還要用FFT還原。為保證子載波的嚴格正交，要在碼元間插入保護間隙使多徑信號不致影響下一碼元。此外，軟件設計中還要包括卷積編碼、交織、同步提取等算法。若要進一步提高數據傳輸的服務質量特性（QOS）和安全性，還必須加上前項糾錯編碼（FEC）、信道自適應調整、加密算法等等。

　　所幸的是INT51X1的協議棧已經幫我們完成了這些工作，這些協議對用戶來說都是透明傳輸的。這使得我們有更多時間去開發整個系統的底層協議。這方面重點是INT51X1的控制寄存器、狀態寄存器進行讀寫，還有一部分是參照其用戶協議接口對其進行初始化。相當的一部分工作則是對標準設備驅程的編寫，如PCI橋、USB主機等。而這方面的工作已經很成熟了，此處不再贅述。

　　INT51X1通過數據管理接口（MDI）對其狀態寄存器、控制寄存器進行讀寫。MDI接口有一個串行時鐘，一個雙向的串行數據線，在時鐘的上跳沿讀寫數據。通過MDI接口可以隨時了解INT51X1的運行狀態以便實時控制。MDI的讀寫有自己的幀結構，主要由操作碼、物理地址碼、數據碼組成，其中操作碼10代表讀，01代表寫。

　　4 結束語

　　電力線接入設備設計時主要考慮以下幾個方面：

　　(1) 模式選擇問題：INT51X1是采用Host/DTE模式還是PHY模式；是用USB接口還是PCI接口。基于本次設計的專用性及軟件開發周期性方面的考慮，我們采用了PHY模式PCI總線板卡形式。但USB口的即插即用、Host/DTE模式的易于攜帶等優點都是今后MODEM的發展方向，這些都是不能忽略的。

　　(2) 若配以高速處理器，對其編程作一普通數字流與以太網數據流協議轉換的處理程序，則完全可以省掉PC，作為局域網的一個智能終端使用，則大大的擴大了其應用范圍。

　　(3) INT51X1豐富的接口資源，出色的網絡處理能力，較低的功耗，加上其OFDM處理的天然優勢，很容易設計成802.11b的嵌入式無線終端，實現室內建筑間的無縫連接。

　　(4) 若以電力線接入方案設計智能家居，由于線路噪聲對通信線路的影響很大，建議在室內的每個插座都備有一個電源濾波的設計，這無疑將提高電力線的通信環境。

　　(5) 今后若能提出一個基于低壓電力線信道環境的更準確模型，則電力線通信（PLC）的接入范圍將進一步擴大。

　　參考文獻

　　[1] 孫辛茹，吳云峰，齊淑清(Sun Xin-ru, Wu Yun-feng, Qi Shu-qing).電力線通信（PLC）接入技術及各種接入方式的比較[J](The comparison between power line communication access technology and other access modes).電力系統通信(Electric Power Systems Communication)，2002,6:14-17.

　　[2] 楊心強,邵軍力(Yan Xin-qiang, Shao Jun-li).數據通信與計算機網絡[M](Datum Communication and Computer networks).北京：電子工業出版社(Beijing: Electric Industry Press),1998,346-350.

　　[3] Intellon corpration. INT51X1 integrated powerline MAC/PHY transceiver with USB and ETH integrated bridges. http://www.intellon.com.2002.

　　[4] Manfred Zimmermannn,Klouse Dostert.A multipath model for the powerline channel[J]. IEEE Transaction On Communications, 2002,50(4):553-559.

　　[5] 王秉鈞，孫學軍，沈保鎖(Wang Bing-jun, Sun Xue-jun, Shen Bao-suo).現代通信系統原理[M](Modern Communication System Method).天津：天津大學出版社(Tianjing: Tianjing University Press)，1991,5-6.

　　[6] Realtek corpration. Realtek single chip fast Ethernet controller with MII&AUI interface RTL8130.

摘自繼電器

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