摘 要： 介紹了一種基于OFDM技術的寬帶電力接入網系統設計，該系統適用于低壓配電網。OFDM(正交頻分復用)技術能克服低壓電力線信道的高噪聲、多徑效應和信道衰落,實現高速數據的傳輸。以INT5500CS為核心設計出符合HomePlug 1.0-Turbo標準的低壓配電網寬帶電力接入網系統。整個系統主要分為電力線接口端和以太網接口端。由于采用OFDM通信技術，該系統能實現寬帶接入，具有較高的實用價值。
關鍵詞： 電力線載波通信；多載波正交頻分復用；INT5500CS芯片組；HomePlug 1.0-Turbo協議
電力網由于覆蓋廣泛，無需重新布線，永久連接，不存在射頻電磁污染等優點，使得電力線載波通信（PLC）技術成為近年來研究的熱點。隨著網絡通信技術的發展，寬帶通信的需求日益增加。利用電力線傳輸多媒體寬帶信息，組成數據通信網，可以節省布線成本，又具有比其他網絡覆蓋面廣的優勢。因此，寬帶電力通信技術在寬帶接入、用電信息采集系統與智能家居等領域中得到廣泛應用。
與ADSL、HFC、802.11無線局域網接入、光纖網寬帶接入相比，寬帶電力線接入網的優勢在于充分利用現有的低壓配電網絡，節省通信線路資源，是一種“No New Wires”技術；通過家庭的電源插座將智能家電聯網實現家居自動化；為用戶提供高速Internet服務和話音視頻服務；可以獨立建設數字化小區服務，提供智能家居、遠程抄表等增值服務[1]。
1 寬帶電力線載波通信技術
電力線載波通信PLC(Power Line Carrier Communication)技術是利用低壓電力線信道傳輸高速數據、話音、圖像等多媒體業務信號的一種通信技術。用于低壓配電網，可為用戶提供無需布線的寬帶接入網。研究開發電力線載波通信技術，對于發展電力通信產業，為電力企業提供進入電信公共服務的技術手段，實現電話、數據、電視和電力的“四網合一”，具有廣闊的前景[2]。傳統電力線通信產品中，主要使用窄帶FSK通信方式。如利用電力線Modem LM1893[3]和ST7536在電力線上實現數字通信。由于電力線固有的高噪聲、多徑效應和衰落等特點, 通常采用擴頻技術進行數據傳輸。擴頻通信雖然抗干擾能力較強, 但受其原理的制約, 傳輸速率最高只能達到1 Mb/s。隨著對通信傳輸速率要求的不斷提高, 出現了一種利用正交頻分復用(OFDM)技術在低壓電力線上實現寬帶高速數據傳輸的通信技術。該技術具有抗噪聲、抗多徑效應和抗衰落的特性, 其數據傳輸速率可以超過10 Mb/s。隨著PLC技術的發展，成立了相關的國際性PLC組織。目前，HomePlug電力線聯盟已有90家公司參與該組織標準的制定工作，并已制定了第一個標準方案(HomePlug 1.0 Specification)。我國國家電力通信中心在2002年年初在北京由中電飛華建立了3個利用電力線載波方式的Internet網試驗點，速度相當良好，同時也保持了非常好的穩定性。
2 OFDM的基本工作原理
低壓電力線信道對電力線載波通信影響嚴重的干擾源主要有信道噪聲、信道衰耗和多徑效應。為適應高速率的傳輸要求，多載波正交頻分復用將是解決傳輸頻帶利用的有效方法。OFDM技術的主要工作原理就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。其最大的特點是傳輸速率高，對碼間干擾和信道選擇性衰落具有很強的抵抗能力[4]。
在PLC系統發送端由串/并轉換器、基帶調制模塊、IFFT、合路器和D/A轉換器組成，如圖1所示。其工作過程如下：發送端將高速數據流通過串/并轉換器分解成N個低速數據塊, 對每路低速數據進行基帶調制(可采用BPSK、QPSK、QAM、TCM等)，然后通過IFFT將基帶調制信號搬移到N路子載波上合路后發出。發送信號通過疊加了各種噪聲和干擾的電力線信道傳遞到接收端。在接收端則由A/D轉換器、帶通濾波器、FFT、解調模塊等部分組成。其工作過程為：采用FFT 恢復基帶信號，并采用相應的解調方式解調出N路低速數據, 最后通過并/串轉換合成原始高速數據流。
3 寬帶電力接入網系統設計方案
寬帶電力接入網是充分利用現成的電力網絡，在配電網傳輸能量流的同時，傳輸數字語音和數據流，承載數據通信等多種業務，從而實現高速網絡連接，而計算機網絡的主干網、電話的程控交換網或IEEE802.3局域網仍由原來各自的網絡承任[5]。系統設計主要將核心接入芯片與以太網控制器RTL8021相結合，實現以太網與電力網的橋接以及OFDM數字載波通信，分為電力線側接口模塊和以太網側接口模塊。
3.1 以INT5500芯片為核心的系統工作原理
以INT5500芯片為核心的系統工作原理框圖如圖2所示。INT5500芯片組包括INT5500基帶處理器和INT1200模擬前端芯片，采用電力包(Power Packet)技術，提供高達85 Mb/s的傳輸速率，符合電力線網絡通信標準HomePlug 1.0-Turbo。它是實現寬帶電力通信系統的核心芯片。PowerPacket是一個全面的網絡解決方案，包括網絡模型中的物理層(PHY)和媒質訪問層(MAC)。它還支持多項電信級多媒體通信服務，如voice over IP、Quality of Service(QoS)、IPTV等[5]。
Power Packet PHY運用正交頻分多路復用(OFDM)技術作為基本的傳輸技術；Powerpacket技術的MAC層協議采用帶有沖突避免的載波幀聽多路訪問協議(CSMA/CA)，此協議采用偵聽機制和在發送之前隨機選擇延遲時間的策略來避免沖突，而且還增加了用于支持優先級控制、公平的競爭機制的控制功能。
INT5500芯片組使用正交頻分復用技術，84個子載波選擇采用ROBO/DBPSK/DQPSK調制方法；可根據收發端信噪比分配子載波，以克服噪聲及多徑衰落的影響；它在低信噪比信道中完成同步，不需要導頻。其內部結構主要由I/O接口功能模塊、PowerPacket MAC/PHY模塊以及ADC/DAC模塊組成。
I/O接口模塊中集成了MAC與主機、外圍設備間的各種接口，因此，功能非常豐富。與主機的接口有USB接口、媒介獨立接口MII或通用串行接口GPSI(選用)、管理數據接口MDI；與外設的接口有EEPROM接口SPI以及用于運行狀態監視的LED接口。在這些接口中，MII是一種標準工業接口，其發送／接收都以四位并行方式進行，并由MAC時鐘同步，同時，MII還帶有CSMA/CD協議。
當主機通過MII接口與INT5500傳輸數據時，其幀格式如表1所示。
(1)前導碼：其中前導碼為56位“1”、“0”相間的數字序列，用于同步；
(2)定界符：占用1 B，并且定界符規定為D5H；
(3)Powerpacket數據：格式符合IEEE802.3標準；
(4)幀校驗序列：為4 B的CRC循環冗余檢驗碼(Cyclic Redundancy Check)。
Powerpacket PHY工作頻段范圍為2 MHz～28 MHz的帶寬。INT5500芯片具有數字濾波的作用，用以滿足HomePlug發射功率譜密度的要求。接收端根據包含在每個定界符控制域中的信息，來判斷信道將忙于傳輸的時間。這些機制全面改進了電力線網絡的性能，提高電力網絡中PLC Modem終端接收信號的能力。
電力線載波通信系統設計采用基于物理層模式(PHY Option)，INT5500芯片利用MII接口與以太網控制器之間進行通信。SPI端口控制的EEPROM接口用作初始配置INT5500。
MII接口信號主要有：MII—RX0～MII—RX3，接收數據線；MII—RXCLK，接收時鐘；MII—RXDV，接收數據有效；MII—RX—ER，接收錯誤；MII—COL，沖突檢測；MII—TXO～MII．TX3，發送數據線；MII．TXCLK，發送時鐘；MII—TXEN，發送使能；MII—CRS，載波偵聽；MII—TXER，發送錯誤。
INT5500芯片的AGC(0～7)管腳實現自動增益控制功能，而DAC管腳實現與AFE的模/數數據接收與發送。
3.2 寬帶電力線側接口模塊設計
系統的電力線側接口模塊主要采用INT1200模擬前端（AFE）和INT5500芯片，其接口原理圖如圖3所示。INT1200模擬前端主要作用是連接INT5500芯片和耦合器，實現INT5500與電力線側信號的通信。
在發送端，信源信號經過RJ-45接口傳輸到以太網轉換器RTL8021，RTL8021通過MII接口與INT5500相連，將信號輸入INT5500芯片進行OFDM調制，然后對OFDM信號進行10-bit的DAC變換將數字信號變換成模擬信號；INT1200模擬前端主要與INT5500的AGC、AD/DA功能管腳連接，采用LC帶通濾波器對信號進行濾波，防止對其他電路產生干擾，然后經過自動增益放大電路將信號放大到適合在電力線上傳輸的幅度，通過耦合器將調制的OFDM信號耦合到電力線上發送出去。發送到電力線上的信號頻率范圍為2 MHz~28 MHz，最終實現INT5500與電力線側之間的通信接口。在接收端，從電力線上傳輸過來的信號經過相反的過程傳輸到以太網。電力線接收部分為一個LC帶通濾波電路。這個帶通濾波的頻率范圍是2 MHz~28 MHz。經過帶通濾波電路出來的信號送到INT1200的AFE接口，INT5500把模擬信號OFDM解調為數字信號，通過MII接口送到RJ45網絡接口上。INT5500芯片的AGC(0～7)管腳實現自動增益控制功能，而DAC管腳實現與INT1200模擬前端(AFE)的模/數數據接收與發送。
3.3 以太網接口模塊設計
系統的以太網接口模塊主要采用RTL8201 10/100 M快速以太網控制芯片，其支持 MII接口，支持10/100 Mb/s速率，支持全雙工工作模式，雙絞線網絡輸出，支持IEEE 802.3/802.3u協議，3.3 V單向供電，具備MAC層的流量控制功能。
RTL8201接收從INT5500的MII(媒介獨立接口)傳來的電力包（powerpacket）形式的數據，運算轉化為TCP/IP協議的數據經由物理層供外部設備使用。同時也從外部設備返回數據傳輸給INT5500進行處理。
INT5500有3種工作模式，如表2所示。本系統設計通過對引腳MODE0和MODE1的設置“1 1”選擇Host/DTE選擇INT5500工作在Host/DTE模式下,和REALTEK公司的PHY芯片相連，提供以太網接口。電力線載波通信系統設計采用基于物理層模式(PHY Option)，INT5500芯片利用MII接口與以太網控制器RTL8201之間進行通信。
在低壓電力線上實現數據的可靠高速傳輸是電力線載波通信和電力系統自動化的重點研究領域。傳統的電力通信技術只能傳輸中低速數據, 而OFDM(正交頻分復用)技術是在電力信道上實現高速數據傳輸的有效方法中最有效的手段之一。本文提出的寬帶電力接入網系統設計符合HomePlug 1.0-Turbo技術標準，實際傳輸速率最高達80 Mb/s。它可應用于智能家居系統，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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