電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )設備設計

摘    要：本文闡述了使用電力線(xiàn)作為傳輸媒質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )設備設計方法，討論了電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的應用原理、系統的硬件結構和軟件處理。
關(guān)鍵詞:電力線(xiàn)通信；網(wǎng)絡(luò )適配器；網(wǎng)橋

電力線(xiàn)網(wǎng)是現代社會(huì )覆蓋面最大的網(wǎng)絡(luò )。如能利用電力線(xiàn)作為網(wǎng)絡(luò )傳輸媒介，使電力線(xiàn)和信號線(xiàn)合一，則不必另外布設網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)，家用的普通電源插座便成為通信接口，可使電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )同時(shí)進(jìn)行話(huà)音、數據和電力傳輸。
本文設計了用于電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )通信的設備：電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適配器及以太網(wǎng)—電力線(xiàn)網(wǎng)橋。
1．電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適配器：數據傳輸速率為2.5~12Mbps；單個(gè)變壓器內最大連接節點(diǎn)數為25；最大傳輸距離100m。
利用該適配器可組成對等計算機電力線(xiàn)寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現多臺計算機之間的文件共享和數據交換，實(shí)現連接于電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)上的打印機或其他設備的共享。
2. 以太網(wǎng)-電力線(xiàn)網(wǎng)橋
該網(wǎng)橋主要應用于以太網(wǎng)設備與電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)(PLBN)設備之間的協(xié)議轉換。網(wǎng)橋的一端接入以太網(wǎng)設備，如:交換機、HUB、網(wǎng)絡(luò )打印機、網(wǎng)絡(luò )磁盤(pán)驅動(dòng)器及使用以太網(wǎng)卡(NLC)的PC機，另一端則通過(guò)電力線(xiàn)與電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)連接。該網(wǎng)橋屬于即插即用設備，不需任何配置。目前單臺設備帶寬為2.5~12Mbps。

電力線(xiàn)寬帶數字傳輸原理
由于電力線(xiàn)傳輸的固有弱點(diǎn)——射頻干擾、載波頻率較低、受用電設備負載的影響較大等原因，技術(shù)上要實(shí)現高速的數據通信比較困難。電力線(xiàn)寬帶傳輸主要有兩個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題要解決：一是高速傳輸數據的信號調制/解調技術(shù)，其次是如何對應OSI的七層模型建立起電力線(xiàn)網(wǎng)的分層結構。PLBN的OSI層由數字電力線(xiàn)、電力線(xiàn)交換和PLBN應用語(yǔ)言構成。
電力線(xiàn)通信的數據傳輸速率在1Kbps~20Mbps之間，其使用的頻帶受電力線(xiàn)的特性和調制技術(shù)所限，通常在2~20MHz以?xún)?。隨著(zhù)數據傳輸速率的提高，主要發(fā)展了三類(lèi)信號調制技術(shù)：FSK、擴頻技術(shù)和OFDM。

電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )適配器的結構
該適配器結構如圖1所示，主要由電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器與電力線(xiàn)數據存取接口(PDAI)組成。
電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器
電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器由內核采用與8051 指令兼容的微處理器及數據收發(fā)器組成，具有網(wǎng)絡(luò )的MAC/PHY層的控制功能。使用外加的ROM存儲程序以完成電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議控制、數據的調制/解調等功能。該處理器的程序存儲和外部數據存儲空間均為64K字節，內部數據存儲器為256字節，寄存器區為配合電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信而增加了幾個(gè)特殊的寄存器，如DPS(數據指針選擇)、WDTCR(看門(mén)狗時(shí)標控制)等。該芯片內部帶有2K字節緩沖區的RAM，具有較強的安全及出錯檢測能力，如32字節的加密陣列，256位密鑰，數據包級認證，16位硬件CRC。該芯片在硬件上提供了電力線(xiàn)交換的嵌入式協(xié)議。圖2給出了電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器的框圖。
控制器與網(wǎng)絡(luò )相關(guān)操作包括兩方面：將數據分成獨立的數據包；對來(lái)自其他節點(diǎn)的數據包進(jìn)行分發(fā)或接收。這些操作多由控制器自動(dòng)進(jìn)行，對編程者都是透明的，編程時(shí)只需對數據包在傳遞給控制器之前進(jìn)行格式處理，大大減輕了數據封包/解包的編程工作。
在電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器內置了用于數據信號調制/解調及轉換的數據發(fā)送器和接收器，數據發(fā)送使用4個(gè)通道同時(shí)發(fā)送到PDAI 。數據的每一個(gè)字節在完成了并行—串行轉換之后，可以選用兩種調制方式——BPSK或QPSK進(jìn)行PSK編碼。
 數據接收器為并行4通道接收器，用于接收來(lái)自PDAI的4路電力線(xiàn)載波數據，每一個(gè)接收通道內均有獨立的緩存，8051 微控制器在開(kāi)始初始化接收工作后，數據包的接收由接收器完成。
電力線(xiàn)數據存取接口
PDAI是電力線(xiàn)與電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器的連接部分，主要完成信號的變換、功放、濾波等工作。其結構如圖3所示。
數據接收部分：按照OFDM調制方式，數據利用4個(gè)頻率通道進(jìn)行調制。來(lái)自電力線(xiàn)的數據由帶通濾波器進(jìn)行濾波，每一通道的中心頻率都是不同的。中頻部分使用Motorola公司的寬帶中頻電路MC13158。每一個(gè)通道使用不同的頻率(頻率范圍為13.8MHz~18.9MHz)進(jìn)行混合得到10.7MHz的中頻信號。信號經(jīng)陶瓷濾波器濾波后，由限幅器轉換為數字信號。
數據發(fā)送部分：先由高速DAC將數據轉換成模擬信號，經(jīng)過(guò)一個(gè)頻率為2~10MHz的多階LC帶通濾波器濾波后，通過(guò)差分驅動(dòng)的功率放大直接送到電力線(xiàn)信號耦合變壓器，該耦合變壓器保證了適配器的低壓部分與電力線(xiàn)電壓隔離，從而保證使用者的安全。

網(wǎng)絡(luò )適配器的軟件功能處理
電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適配器的軟件功能處理主要涉及三個(gè)方面：用于控制適配器工作及網(wǎng)絡(luò )底層協(xié)議處理能力的嵌入式程序; Windows下網(wǎng)絡(luò )適配器及USB驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā); Windows 下電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理程序等。嵌入式程序使用了Keil C51 調試平臺，并定義了相應的芯片文件和寄存器文件。 Windows 下的程序則使用VC++ 1.52 (考慮到16位程序的兼容性)及 VC++ 6.0平臺。
嵌入式程序的開(kāi)發(fā)主要由實(shí)現電力線(xiàn)交換協(xié)議的PLX庫及其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )MAC的處理和網(wǎng)絡(luò )適配器的控制程序組成。主要利用PLX庫的固件接口來(lái)實(shí)現電力線(xiàn)交換，以及完成諸如系統初始化、USB的控制、各工作狀態(tài)的顯示等控制功能。本文用8051 匯編語(yǔ)言建立了PLX庫。在PLX中幾個(gè)主要處理功能是數據報偵聽(tīng)、集中式令牌傳遞和陣容卡維護。
驅動(dòng)程序主要有以下幾個(gè)部分組成：客戶(hù)/服務(wù)器驅動(dòng)程序、USB接口驅動(dòng)程序、以太網(wǎng)模擬驅動(dòng)程序和映射表模塊。
安裝及管理程序
安裝程序主要完成Windows 9X/ Me/NT/2000 操作系統下網(wǎng)絡(luò )適配器硬件驅動(dòng)程序及能夠使電力線(xiàn)寬帶網(wǎng)更好地發(fā)揮作用的管理程序的安裝；完成網(wǎng)絡(luò )系統各個(gè)參數的配置。
管理程序提供文件共享、Internet共享、打印機共享設置向導。在一個(gè)電力變壓器內，由于同一相位電源線(xiàn)的用戶(hù)在使用PLBN技術(shù)進(jìn)行通信時(shí)，無(wú)法利用傳統方式進(jìn)行計算機之間的隔離，為此，在PLX中還提供32字節密碼矩陣的加密算法，用戶(hù)可以在設置向導的導引下利用32個(gè)字符建立專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )名，組成不同的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。另外，為方便用戶(hù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )的簡(jiǎn)單測試，還提供了幾個(gè)工具，如可以利用PLX和IP協(xié)議進(jìn)行連同測試PING實(shí)用程序以及對PLBN的服務(wù)器、USB、NDIS驅動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò )適配器的診斷程序。

結語(yǔ)
家庭電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)存在很多技術(shù)難題。PLBN的電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅克服所有這些技術(shù)難題，而且也提供了可伸縮性、優(yōu)良的服務(wù)質(zhì)量和應用層服務(wù)?！?/P>

參考文獻
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作者簡(jiǎn)介：
劉榕和，現任職于廈門(mén)信息中心總工室，高級工程師；主要從事寬帶無(wú)線(xiàn)通信及信息安全設備的研發(fā)工作。