電力線(xiàn)MAC/PHY集成收發(fā)器INT51X1及其應用

摘要：介紹了美國Inellon公司的電力線(xiàn)MAC/PHY集成收發(fā)器INT51X1的功能結構和主要特點(diǎn)，介紹了它的引腳功能，同時(shí)以中壓配電網(wǎng)PFDM通信系統的研究開(kāi)發(fā)為例，給出了INT51XI的應用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：電力線(xiàn)通信；集成收發(fā)器；INT51X1；正交頻分復用

電力線(xiàn)通信ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）技術(shù)是利用配電網(wǎng)中／低壓線(xiàn)路傳輸高速數據、話(huà)音、圖象等多媒體業(yè)務(wù)信號的一種通信技術(shù)，目的是通過(guò)低壓線(xiàn)路來(lái)為用戶(hù)提供一種“無(wú)新線(xiàn)（Ｎｏ ｎｅｗ ｗｉｒｅ）”的寬帶接入方案；而用中壓線(xiàn)路來(lái)為配電網(wǎng)自動(dòng)化提供一個(gè)可靠的數據傳輸平臺。由于該技術(shù)的發(fā)展前景十分看好，因此，早在２０世紀９０年代初，一些國家即開(kāi)始在這方面進(jìn)行研究，但由于技術(shù)不成熟，發(fā)展速度緩慢。進(jìn)入２１世紀以來(lái)，隨著(zhù)ＰＬＣ技術(shù)的突破，電力線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展速度明顯加快?目前正朝著(zhù)實(shí)用化方向發(fā)展。

電力線(xiàn)不同于普通的通信線(xiàn)路，它的信道具有時(shí)域上不恒定、不可控的特點(diǎn)。因此，必須采取抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落的有效技術(shù)手段，并需解決好信號沖突問(wèn)題，才可能用電力線(xiàn)作為傳輸媒質(zhì)，從而實(shí)現高速數據通信。多載波正交頻分復用（ＯＦＤＭ）是解決這些問(wèn)題的有效方法。該技術(shù)利用電力線(xiàn)的高頻頻譜資源，以多個(gè)相互正交的載波對數據進(jìn)行調制，最終將串行數據流變換為并行處理；其調制和解調過(guò)程可利用傅立葉變換對ＤＦＴ／ＩＤＦＴ來(lái)實(shí)現。Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司推出的ＩＮＴ５１Ｘ１芯片是當前最完善的ＯＦＤＭ處理芯片，它符合ＨｏｍｅＰｌｕｇ １．０．１技術(shù)標準，傳輸速率最高可達１４Ｍｂｐｓ。而且，它集成有ＵＳＢ １．１、以太網(wǎng)和ＭＩＩ／ＧＰＳＩ接口以及ＡＤＣ、ＤＡＣ和ＡＧＣ控制器，使用比較方便，從而為ＰＬＣ通信裝置的研究開(kāi)發(fā)提供了一款比較理想的解決方案。

１?。桑危裕担保兀钡墓δ芙Y構及主要特性

ＩＮＴ５１Ｘ１是專(zhuān)用于電力線(xiàn)的ＭＡＣ／ＰＨＹ集成收發(fā)器，它使用Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司專(zhuān)有的電力數據包（ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ）正交頻分復用技術(shù)，有８４個(gè)子載波，采用ＲＯＢＯ／ＤＢＰＳＫ／ＤＱＰＳＫ調制方法；ＩＮＴ５１Ｘ１可根據收發(fā)端信噪比來(lái)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。其內部結構如圖１所示，可以看出由Ｉ／Ｏ模塊、ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＭＡＣ模塊、ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＰＨＹ模塊以及ＡＤＣ／ＤＡＣ模塊組成。

在ＩＮＴ５１Ｘ１中，ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＭＡＣ模塊主要完成鏈路層功能，是芯片的核心部分，本模塊包括一個(gè)精簡(jiǎn)指令集（ＲＩＳＣ）的處理器內核、一個(gè)含有ＯＦＤＭ數據處理、加密／解密算法和信道優(yōu)化算法的程序存貯器（ＲＯＭ），還有一個(gè)鏈接序列、數據存貯器（ＲＡＭ）以及兩個(gè)直接數據傳送通道（ＤＭＡ）。從用戶(hù)發(fā)往電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或從物理層來(lái)的所有數據都可在ＭＡＣ模塊中通過(guò)一定的算法進(jìn)行信號處理。ＭＡＣ采用載波偵聽(tīng)多路存?。瘺_突避免（ＣＳＭＡ ／ＣＡ）協(xié)議來(lái)訪(fǎng)問(wèn)公共的電力線(xiàn)信道，并輔以自動(dòng)重傳請求ＡＲＱ和電力數據包的優(yōu)先權機制，從而確保了傳輸的可靠性。而且，由于電力數據包優(yōu)先等級可靈活設定，因而使得ＩＮＴ５１Ｘ１具有較強的突發(fā)段處理能力。而允許電力線(xiàn)上的多幀傳輸則極大地減輕了對網(wǎng)絡(luò )收端的要求，并使得網(wǎng)絡(luò )吞吐量達到最大，從而保證了最短延遲時(shí)間和最優(yōu)的信號穩定性。此外，ＭＡＣ還具有流量控制功能。ＩＮＴ５１Ｘ１的這些功能可確保在特別惡劣的電力線(xiàn)信道上也能為用戶(hù)提供優(yōu)良的服務(wù)品質(zhì)（ＱｏＳ）。

ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＰＨＹ模塊主要用來(lái)實(shí)現物理層功能，提供建立、維持和拆除物理連接的電氣手段，保證電力線(xiàn)上比特流的透明傳輸。本模塊主要由一個(gè)物理層邏輯序列、一個(gè)與ＭＡＣ子層ＤＭＡ通道對應的先進(jìn)先出（ＦＩＦＯ）堆棧以及一個(gè)前向模擬通道組成，此外，還集成有對外加運算放大器的自動(dòng)增益控制（ＡＧＣ）功能。它的前向模擬通道包含一對高速的１０位Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ轉換器，采樣速度為５０Ｍｂｐｓ，該模塊的參考電壓獨立于片內，可低功耗操作。在其后接入運算放大器和濾波器，然后通過(guò)電力線(xiàn)耦合裝置便可與電力線(xiàn)進(jìn)行連接。

Ｉ／Ｏ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、媒質(zhì)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Ｅ２ＰＲＯＭ接口ＳＰＩ、仿真接口ＪＴＡＧ以及用于運行狀態(tài)監視的ＬＥＤ接口。在這些接口中，ＭＩＩ是一種標準工業(yè)接口，其發(fā)送／接收都以四位并行方式進(jìn)行，并由ＭＡＣ時(shí)鐘同步，同時(shí)，ＭＩＩ還帶有ＣＳＭＡ／ＣＤ協(xié)議。ＧＰＳＩ是一種靈活的雙向串行接口，接口線(xiàn)數目少于ＭＩＩ。當主機通過(guò)ＭＩＩ／ＧＰＳＩ接口與ＩＮＴ５１Ｘ１傳輸數據時(shí)，數據幀格式如下：

〈幀間間隔〉〈前導碼〉〈定界符〉〈ｄａｔａ〉〈幀校驗序列〉

其中前導碼為５６位“１”、“０”相間的數字序列，用于同步；１個(gè)字節的定界符規定為Ｄ５Ｈ；ｄａｔａ數據格式遵循ＩＥＥＥ８０２．３標準?最后的幀校驗序列為４字節的ＣＲＣ校驗結果。

主機通過(guò)ＭＤＩ可以方便地訪(fǎng)問(wèn)ＩＮＴ５１Ｘ１內部的控制／狀態(tài)寄存器，從而完成對ＩＮＴ５１Ｘ１的設定以及對ＩＮＴ５１Ｘ１實(shí)時(shí)運行狀態(tài)的監視。ＩＮＴ５１Ｘ１的控制／狀態(tài)寄存器均為１６ ｂｉｔ寄存器。狀態(tài)寄存器可實(shí)時(shí)反映鏈路狀態(tài)、傳輸速率、前導碼判決、自動(dòng)協(xié)商、模糊檢測等信息，控制寄存器的定義如圖２所示，由圖２可見(jiàn)，通過(guò)控制寄存器可實(shí)現許多功能。

上電后，ＩＮＴ５１Ｘ１的初始化通過(guò)ＳＰＩ接口讀取預先寫(xiě)入Ｅ２ＰＲＯＭ的數據來(lái)完成。

除上述主要功能特點(diǎn)外，ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的安全性能也非常完善，它采用ＤＥＳ的５６位密鑰管理方式，除ＩＮＴ５１Ｘ１設定的缺省密鑰外，還可以由用戶(hù)自定義密鑰，從而確保電力線(xiàn)傳輸的可靠安全。

２?。桑危裕担保兀币_說(shuō)明

ＩＮＴ５１Ｘ１ 采用μＢＧＡ封裝，有１４４引腳，芯片供電電壓為３．３Ｖ，芯片內核供電電壓為１．５Ｖ。ＩＮＴ５１Ｘ１有ＵＳＢ、ＰＨＹ、ＨＯＳＴ／ＤＴＥ三種工作模式，部分復用信號引腳因模式不同，其功能定義也不同。以ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式為例，其信號引腳定義如下：

（１）ＭＩＩ接口引腳的功能

ＭＩＩ－ＲＸ０～ＭＩＩ－ＲＸ３：接收數據線(xiàn)；

ＭＩＩ－ＲＸＣＬＫ：接收時(shí)鐘線(xiàn)；

ＭＩＩ－ＲＸＤＶ：接收數據有效端；

ＭＩＩ－ＲＸ－ＥＲ：接收錯誤指示端；

ＭＩＩ－ＣＯＬ：沖突檢測；

ＭＩＩ－ＴＸ０～ＭＩＩ－ＴＸ３：發(fā)送數據線(xiàn)；

ＭＩＩ－ＴＸＣＬＫ：發(fā)送時(shí)鐘；

ＭＩＩ－ＴＸＥＮ：發(fā)送使能；

ＭＩＩ－ＣＲＳ：載波偵聽(tīng)；

ＭＩＩ－ＴＸ－ＥＲ：發(fā)送錯誤。

（２）ＭＤＩ接口引腳的功能

ＭＩＩ－ＭＤＩＯ：管理數據輸入輸出；

ＭＩＩ－ＭＤＣＬＫ：管理數據Ｉ／Ｏ時(shí)鐘；

ＳＰＩ：接口引腳；

ＳＰＩ－ＤＯ：通過(guò)該端可將數據輸出至Ｅ２ＰＲＯＭ；

ＳＰＩ－ＤＩ：數據從Ｅ２ＰＲＯＭ讀入；

ＳＰＩ－ＣＬＫ：ＳＰＩ時(shí)鐘；

ＳＰＩ－ＣＳ：選通Ｅ２ＰＲＯＭ。

芯片中的其它信號線(xiàn)在三種模式中都相同，其中模擬前端ＡＦＥ的控制／數據線(xiàn)２６條（包括ＡＤＣ輸入、ＤＡＣ輸出、運放的ＡＧＣ控制等）、ＬＥＤ線(xiàn)３條、ＪＴＡＧ線(xiàn)５條、時(shí)鐘２條、測試線(xiàn)２條、以及多條電源和地線(xiàn)；三種模式的選擇可由ＭＯＤＥ０和ＭＯＤＥ１兩個(gè)引腳的狀態(tài)來(lái)決定。

限于篇幅，關(guān)于引腳的詳細信息在此不再詳述，有興趣者可查閱相關(guān)資料。

３?。桑危裕担保兀痹陔娏€(xiàn)通信中的應用

作為一款電力包集成收發(fā)器，ＩＮＴ５１Ｘ１能利用高頻特性惡劣的電力線(xiàn)來(lái)實(shí)現高速數據傳輸。由于本芯片高度集成了電力包的數據處理功能及對外相關(guān)接口，因此，使用時(shí)僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的初始化而不需復雜的編程，使用非常方便?，F以筆者開(kāi)發(fā)的中壓配電網(wǎng)ＯＦＤＭ通信系統的研究為例來(lái)介紹ＩＮＴ５１Ｘ１的應用。

３．１ 模式選擇

通過(guò)對ＩＮＴ５１Ｘ１的引腳ＭＯＤＥ０和ＭＯＤＥ１的設置，可以選擇ＩＮＴ５１Ｘ１ ＵＳＢ、ＰＨＹ或ＨＯＳＴ／ＤＴＥ等工作模式，具體選擇方式如表１所列。

表1 工作模式選擇方法

ＵＳＢ模式實(shí)際是將ＩＮＴ５１Ｘ１視為一個(gè)ＵＳＢ裝置與ＵＳＢ主機相連。ＰＨＹ模式則是將ＩＮＴ５１Ｘ１等效于一個(gè)以太網(wǎng)的物理層設備ＰＨＹ與微處理器或以太網(wǎng)控制器連接。ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式將ＩＮＴ５１Ｘ１視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )主機或一個(gè)數據終端，然后通過(guò)ＭＩＩ接口與以太網(wǎng)ＰＨＹ或其它數據裝置相連。這樣，ＩＮＴ５１Ｘ１就充當了以太網(wǎng)和電力線(xiàn)網(wǎng)之間的網(wǎng)橋，從而將那些數據裝置接入電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

該設計的應用目的是要利用中壓電力線(xiàn)溝通中壓配電網(wǎng)上的所有配電自動(dòng)化裝置，從而構建配電網(wǎng)自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò )。顯然，本設計應選擇ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式。

３．２ 通信終端設計

該配電自動(dòng)化裝置應配備在配電網(wǎng)沿線(xiàn)各處，其任務(wù)是采集配電線(xiàn)路和各種電力設備的運行參數并將其送往配電自動(dòng)化主站，同時(shí)接收自動(dòng)化主站的相關(guān)控制命令，以對線(xiàn)路和電力設備進(jìn)行控制。為了用電力線(xiàn)傳送這些參數和命令，筆者設計了如圖３所示的通信終端。

本設計在ＩＮＴ５１Ｘ１電力線(xiàn)側設計了一個(gè)模擬前端模塊（ＡＦＥ Ｍｏｄｕｌｅ），該模塊內含增益可調的發(fā)送放大器和接收放大器，其發(fā)送和接收支路分別串有一個(gè)ＬＣ帶通濾波器。該帶通濾波器的通頻帶為４～２１ＭＨｚ，系ＯＦＤＭ調制所占用的頻段。耦合設備（Ｃｏｕｐｌｅｒ）是將ＡＦＥ連往電力線(xiàn)的特殊裝置，主要功能是以較低的介入損耗傳輸高頻信號，同時(shí)阻止電力線(xiàn)的工頻電流進(jìn)入通信終端。在ＩＮＴ５１Ｘ１的用戶(hù)側采用的是ＴＩ公司的高速ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＶＣ５４７１），此ＤＳＰ內嵌ＭＩＩ接口，并以此連接ＩＮＴ５１Ｘ１，同時(shí)用ＵＡＲＴ串口與配電自動(dòng)化裝置（圖中Ｄａｔａ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）相連。配電自動(dòng)化裝置發(fā)送的數據由ＤＳＰ按前述ＭＩＩ數據幀格式封包，并經(jīng)ＭＩＩ接口傳送到ＩＮＴ５１Ｘ１，繼而轉換為ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的形式送到電力線(xiàn)，再由目的地的通信終端接收。從電力線(xiàn)送來(lái)本終端的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ則由ＩＮＴ５１Ｘ１解包并轉換成ＭＩＩ幀，最后經(jīng)ＤＳＰ傳送給自動(dòng)化裝置。

４　結束語(yǔ)

ＩＮＴ５１Ｘ１是一種高度集成的單片電力線(xiàn)收發(fā)器，是ＩＮＴ５１３０＋ＩＮＴ１０００套片的換代產(chǎn)品，也是當前開(kāi)發(fā)電力線(xiàn)ＯＦＤＭ通信的主流產(chǎn)品。該芯片功能強大，使用靈活，而且可靠性高。但據筆者試驗發(fā)現，其傳輸速率只能達到８Ｍｂｐｓ左右，而達不到理論上的１４Ｍｂｐｓ，但這對電力線(xiàn)通信來(lái)說(shuō)，由于其帶寬要求不是特別大，因而也完全能夠滿(mǎn)足應用需要。