HomePlug AV电力线调制解调器设计与实现

admin管理员组

文章数量:1595040

2024年7月12日发(作者：)

栏目编辑韩汝水

DesignField

设计天地

HomePlugAV

电力线调制解调器设计与实现

DesignandImplementationofHomePlugAVPowerLineModem

■冯瑞明ASOKA美国公司深圳研发中心(深圳518034)

摘要：本文介绍了电力线上网的技术。详细说明如何用

INTELLON公司的INT6300设计一个200Mbps，符合

HomePlugAV标准的电力线调制解调器，以及此电力

线调制解调器的功能，特性和用法。

关键词：电力调制解调；HomePlugAV；PLC

2007年12月19日收到

本文。冯瑞明：高级硬

件工程师，从事电力线

上网产品的硬件开发工

作。

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跟其它通信

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，在10KHz至

450KHz频段范围内的PLC设备无需获得

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。

电力线上网的优缺点

电力线通信PowerlineCommunication

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。

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了。

在速率上，电力线上网经过14Mbps、

85Mbps，目前已经迎来了200Mbps的时

代。200Mbps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。

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

HomePlugAV技术规范

HomePlugAV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HomePlug1.0、HomePlug1.0-Turbo、

HomePlugAV、HomePlugBPL、

HomePlugCommand&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。

HomePlugAV是PLC有关音频-视频

2008.3

电子产品世界

103

DesignField

设计天地

栏目编辑韩汝水

式，MIIMAC模式和PCI模式。在此，我

们设置INT6300工作为MIIMAC模式。和

REALTEK公司的PHY芯片相连，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

图1HomePlugAV电

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。

HomePlugAV采用的基本技术特征是：

HomePlugAV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。HomePlugAV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。HomePlugAV前向兼容

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，接收时，发射

部分不工作。

INT6300

INT6300是INTELLON公司提供的一

款完全符合HomePlugAV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

力线调制解调器硬件框

图

HomePlug1.0。HomePlugAV协议桟支持

多种上层协议，如802.3、IP和UPNP。

HomePlugAV电力线调制解调器

硬件结构及设计要点

电力线调制解调器硬件

从硬件框图(图1)我们可以看出，此方

案是一个单芯片的方案。INT6300为

INTELLON公司的内核为ARM926EJ-S32

位RISC处理器。系统的软件存储在大容量的

SPIFLASH中。在此系统中，我们选择的SPI

FLASH容量大小为16Mbit。我们可以设置

系统启动时，启动代码存放在SPIFLASH

中。当系统启动时，所有的程序拷贝到

SDRAM中。

INT6300有3种工作模式：MIIPHY模

200Mbps。电力线信息采用128位AES加

密方式，相对HomePlug1.0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用于数据网络通讯。

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

104电子产品世界

2008.3

栏目编辑韩汝水

DesignField

设计天地

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。

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SPIFLASH启动。CFG_SEL＝1，

FLASH。即使有数据在电力线上接收和发送也是常亮。

图4为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从2M到

28M的范围。其中有一些开槽的部分是因为

在制定HomePlugAV的标准时，为了电力

线通讯的信号不干扰到业余无线电的信号而

禁止使用。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。

SDRAM的配置信息来自SPI

振电路(图2)。

晶振Y1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

系统噪音耦合进PLL电路。这样PLL电路

产生的时钟的抖动能降到最小。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。

注释：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，

2008.3

图3PLL电源部分滤波

电路

图2晶振时钟电路

INT6300要求一个精确的系统时钟晶

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

安全性问题。

NEK—网络加密键值(Network

EncryptionKey)。这个键值用于加密电力

线网络上的传输的数据。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

个产品就不能通讯。这样同一个电力线上有

不同的局域网。

表1系统指示灯状态表

电子产品世界

105

DesignField

设计天地

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HomePlugAV

局域网中的所有成

图4电力线传导频谱特性图

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。

图5PUSHBUTTON使用场景

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值相同的其它电力线网

络产品，它就申明自己为主站点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。

PUSHBUTTON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PUSHBUTTON的功能一样。图5是我

们产品的使用场景。

使用场景一：假设STAA和STAB组成

更多相关内容

一个HomePlugAV局域网，我们称为AVLN

请访问

AB。STAC的NMK和STAA及STAB的

/

emag/

NMK不相同。但STAC想加入AVLNAB

106电子产品世界

2008.3

栏目编辑韩汝水

中。我们按STAA或STAB的PUSH

BUTTON键小于3秒钟。然后马上按STAC

的PUSHBUTTON键小于3秒钟。此时，我

们称STAA/B为加者(Adder)，STAC为加

入者(Joiner)。这时形成一个新的HomePlug

AV局域网我们称为AVLNABC。

这个网络使用AVLNAB的NMK管理

网络成员。

使用场景二：假设STAA和STAB组成

一个HomePlugAV局域网，我们称为AVLN

AB。假设STAC和STAD组成一个

HomePlugAV局域网，我们称为AVLNCD。

如果STAC想加入AVLNAB。按住

STAC的PUSHBUTTON键大于10秒钟。

复位STAC的NMK值到一个随机值。这

样AVLNCD这个网络就不存在了。目前的

情况和场景一一样。按住STAA或B的

PUSHBUTTON键小于3秒钟，然后按STA

C的PUSHBUTTON键小于3秒钟。这时

形成AVLNABC网络。新网络的NMK值

为AVLNAB的NMK值。

结语

在本文中详细阐述了如何基于

INT6300芯片设计一款符合HomePlugAV

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讯技术

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

线通讯会和无线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。

参考文献：

1、

2、HomePlugAVTechnicalOverview.

PDF

3、INT6300TechnicalReference

本文标签： 电力线网络使用