電力線MAC/PHY集成收發(fā)器INT51X1及其應(yīng)用

摘要：介紹了美國(guó)Inellon公司的電力線MAC/PHY集成收發(fā)器INT51X1的功能結(jié)構(gòu)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(tǒng)的研究開發(fā)為例，給出了INT51XI的應(yīng)用實(shí)例。

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

電力線通信ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）技術(shù)是利用配電網(wǎng)中／低壓線路傳輸高速數(shù)據(jù)、話音、圖象等多媒體業(yè)務(wù)信號(hào)的一種通信技術(shù)，目的是通過低壓線路來(lái)為用戶提供一種“無(wú)新線（Ｎｏ ｎｅｗ ｗｉｒｅ）”的寬帶接入方案；而用中壓線路來(lái)為配電網(wǎng)自動(dòng)化提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。由于該技術(shù)的發(fā)展前景十分看好，因此，早在２０世紀(jì)９０年代初，一些國(guó)家即開始在這方面進(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(jì)以來(lái)，隨著ＰＬＣ技術(shù)的突破，電力線通信技術(shù)的發(fā)展速度明顯加快?目前正朝著實(shí)用化方向發(fā)展。

電力線不同于普通的通信線路，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(hào)沖突問題，才可能用電力線作為傳輸媒質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。多載波正交頻分復(fù)用（ＯＦＤＭ）是解決這些問題的有效方法。該技術(shù)利用電力線的高頻頻譜資源，以多個(gè)相互正交的載波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，最終將串行數(shù)據(jù)流變換為并行處理；其調(diào)制和解調(diào)過程可利用傅立葉變換對(duì)ＤＦＴ／ＩＤＦＴ來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司推出的ＩＮＴ５１Ｘ１芯片是當(dāng)前最完善的ＯＦＤＭ處理芯片，它符合ＨｏｍｅＰｌｕｇ １．０．１技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率最高可達(dá)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(jié)構(gòu)及主要特性

ＩＮＴ５１Ｘ１是專用于電力線的ＭＡＣ／ＰＨＹ集成收發(fā)器，它使用Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司專有的電力數(shù)據(jù)包（ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ）正交頻分復(fù)用技術(shù)，有８４個(gè)子載波，采用ＲＯＢＯ／ＤＢＰＳＫ／ＤＱＰＳＫ調(diào)制方法；ＩＮＴ５１Ｘ１可根據(jù)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(dǎo)頻。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)核、一個(gè)含有ＯＦＤＭ數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存貯器（ＲＡＭ）以及兩個(gè)直接數(shù)據(jù)傳送通道（ＤＭＡ）。從用戶發(fā)往電力線網(wǎng)絡(luò)或從物理層來(lái)的所有數(shù)據(jù)都可在ＭＡＣ模塊中通過一定的算法進(jìn)行信號(hào)處理。ＭＡＣ采用載波偵聽多路存取／沖突避免（ＣＳＭＡ ／ＣＡ）協(xié)議來(lái)訪問公共的電力線信道，并輔以自動(dòng)重傳請(qǐng)求ＡＲＱ和電力數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán)機(jī)制，從而確保了傳輸?shù)目煽啃浴６?，由于電力?shù)據(jù)包優(yōu)先等級(jí)可靈活設(shè)定，因而使得ＩＮＴ５１Ｘ１具有較強(qiáng)的突發(fā)段處理能力。而允許電力線上的多幀傳輸則極大地減輕了對(duì)網(wǎng)絡(luò)收端的要求，并使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大，從而保證了最短延遲時(shí)間和最優(yōu)的信號(hào)穩(wěn)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信道上也能為用戶提供優(yōu)良的服務(wù)品質(zhì)（ＱｏＳ）。

ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＰＨＹ模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)應(yīng)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(duì)外加運(yùn)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(duì)高速的１０位Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，采樣速度為５０Ｍｂｐｓ，該模塊的參考電壓獨(dú)立于片內(nèi)，可低功耗操作。在其后接入運(yùn)算放大器和濾波器，然后通過電力線耦合裝置便可與電力線進(jìn)行連接。

Ｉ／Ｏ模塊中集成了ＭＡＣ與主機(jī)、外圍設(shè)備間的各種接口，因此，功能非常豐富。與主機(jī)的接口有ＵＳＢ接口、媒質(zhì)獨(dú)立接口ＭＩＩ或通用串行接口ＧＰＳＩ（選用）、管理數(shù)據(jù)接口ＭＤＩ；與外設(shè)的接口有Ｅ２ＰＲＯＭ接口ＳＰＩ、仿真接口ＪＴＡＧ以及用于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的ＬＥＤ接口。在這些接口中，ＭＩＩ是一種標(biāo)準(zhǔn)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，接口線數(shù)目少于ＭＩＩ。當(dāng)主機(jī)通過ＭＩＩ／ＧＰＳＩ接口與ＩＮＴ５１Ｘ１傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀格式如下：

〈幀間間隔〉〈前導(dǎo)碼〉〈定界符〉〈ｄａｔａ〉〈幀校驗(yàn)序列〉

其中前導(dǎo)碼為５６位“１”、“０”相間的數(shù)字序列，用于同步；１個(gè)字節(jié)的定界符規(guī)定為Ｄ５Ｈ；ｄａｔａ數(shù)據(jù)格式遵循ＩＥＥＥ８０２．３標(biāo)準(zhǔn)?最后的幀校驗(yàn)序列為４字節(jié)的ＣＲＣ校驗(yàn)結(jié)果。

主機(jī)通過ＭＤＩ可以方便地訪問ＩＮＴ５１Ｘ１內(nèi)部的控制／狀態(tài)寄存器，從而完成對(duì)ＩＮＴ５１Ｘ１的設(shè)定以及對(duì)ＩＮＴ５１Ｘ１實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)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(dǎo)碼判決、自動(dòng)協(xié)商、模糊檢測(cè)等信息，控制寄存器的定義如圖２所示，由圖２可見，通過控制寄存器可實(shí)現(xiàn)許多功能。

上電后，ＩＮＴ５１Ｘ１的初始化通過ＳＰＩ接口讀取預(yù)先寫入Ｅ２ＰＲＯＭ的數(shù)據(jù)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(shè)定的缺省密鑰外，還可以由用戶自定義密鑰，從而確保電力線傳輸?shù)目煽堪踩?BR>
２　ＩＮＴ５１Ｘ１引腳說明

ＩＮＴ５１Ｘ１ 采用μＢＧＡ封裝，有１４４引腳，芯片供電電壓為３．３Ｖ，芯片內(nèi)核供電電壓為１．５Ｖ。ＩＮＴ５１Ｘ１有ＵＳＢ、ＰＨＹ、ＨＯＳＴ／ＤＴＥ三種工作模式，部分復(fù)用信號(hào)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(hào)引腳定義如下：

（１）ＭＩＩ接口引腳的功能

ＭＩＩ－ＲＸ０～ＭＩＩ－ＲＸ３：接收數(shù)據(jù)線；

ＭＩＩ－ＲＸＣＬＫ：接收時(shí)鐘線；

ＭＩＩ－ＲＸＤＶ：接收數(shù)據(jù)有效端；

ＭＩＩ－ＲＸ－ＥＲ：接收錯(cuò)誤指示端；

ＭＩＩ－ＣＯＬ：沖突檢測(cè)；

ＭＩＩ－ＴＸ０～ＭＩＩ－ＴＸ３：發(fā)送數(shù)據(jù)線；

ＭＩＩ－ＴＸＣＬＫ：發(fā)送時(shí)鐘；

ＭＩＩ－ＴＸＥＮ：發(fā)送使能；

ＭＩＩ－ＣＲＳ：載波偵聽；

ＭＩＩ－ＴＸ－ＥＲ：發(fā)送錯(cuò)誤。

（２）ＭＤＩ接口引腳的功能

ＭＩＩ－ＭＤＩＯ：管理數(shù)據(jù)輸入輸出；

ＭＩＩ－ＭＤＣＬＫ：管理數(shù)據(jù)Ｉ／Ｏ時(shí)鐘；

ＳＰＩ：接口引腳；

ＳＰＩ－ＤＯ：通過該端可將數(shù)據(jù)輸出至Ｅ２ＰＲＯＭ；

ＳＰＩ－ＤＩ：數(shù)據(jù)從Ｅ２ＰＲＯＭ讀入；

ＳＰＩ－ＣＬＫ：ＳＰＩ時(shí)鐘；

ＳＰＩ－ＣＳ：選通Ｅ２ＰＲＯＭ。

芯片中的其它信號(hào)線在三種模式中都相同，其中模擬前端ＡＦＥ的控制／數(shù)據(jù)線２６條（包括ＡＤＣ輸入、ＤＡＣ輸出、運(yùn)放的ＡＧＣ控制等）、ＬＥＤ線３條、ＪＴＡＧ線５條、時(shí)鐘２條、測(cè)試線２條、以及多條電源和地線；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(xì)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€通信中的應(yīng)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來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。由于本芯片高度集成了電力包的數(shù)據(jù)處理功能及對(duì)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(fù)雜的編程，使用非常方便?，F(xiàn)以筆者開發(fā)的中壓配電網(wǎng)ＯＦＤＭ通信系統(tǒng)的研究為例來(lái)介紹ＩＮＴ５１Ｘ１的應(yīng)用。

３．１ 模式選擇

通過對(duì)ＩＮＴ５１Ｘ１的引腳ＭＯＤＥ０和ＭＯＤＥ１的設(shè)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(jī)相連。ＰＨＹ模式則是將ＩＮＴ５１Ｘ１等效于一個(gè)以太網(wǎng)的物理層設(shè)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(jī)或一個(gè)數(shù)據(jù)終端，然后通過ＭＩＩ接口與以太網(wǎng)ＰＨＹ或其它數(shù)據(jù)裝置相連。這樣，ＩＮＴ５１Ｘ１就充當(dāng)了以太網(wǎng)和電力線網(wǎng)之間的網(wǎng)橋，從而將那些數(shù)據(jù)裝置接入電力線網(wǎng)絡(luò)。

該設(shè)計(jì)的應(yīng)用目的是要利用中壓電力線溝通中壓配電網(wǎng)上的所有配電自動(dòng)化裝置，從而構(gòu)建配電網(wǎng)自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)。顯然，本設(shè)計(jì)應(yīng)選擇ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式。

３．２ 通信終端設(shè)計(jì)

該配電自動(dòng)化裝置應(yīng)配備在配電網(wǎng)沿線各處，其任務(wù)是采集配電線路和各種電力設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)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(duì)線路和電力設(shè)備進(jìn)行控制。為了用電力線傳送這些參數(shù)和命令，筆者設(shè)計(jì)了如圖３所示的通信終端。

本設(shè)計(jì)在ＩＮＴ５１Ｘ１電力線側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬前端模塊（ＡＦＥ Ｍｏｄｕｌｅ），該模塊內(nèi)含增益可調(diào)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(diào)制所占用的頻段。耦合設(shè)備（Ｃｏｕｐｌｅｒ）是將ＡＦＥ連往電力線的特殊裝置，主要功能是以較低的介入損耗傳輸高頻信號(hào)，同時(shí)阻止電力線的工頻電流進(jìn)入通信終端。在ＩＮＴ５１Ｘ１的用戶側(cè)采用的是ＴＩ公司的高速ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＶＣ５４７１），此ＤＳＰ內(nèi)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(shù)據(jù)由ＤＳＰ按前述ＭＩＩ數(shù)據(jù)幀格式封包，并經(jīng)ＭＩＩ接口傳送到ＩＮＴ５１Ｘ１，繼而轉(zhuǎn)換為ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的形式送到電力線，再由目的地的通信終端接收。從電力線送來(lái)本終端的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ則由ＩＮＴ５１Ｘ１解包并轉(zhuǎn)換成ＭＩＩ幀，最后經(jīng)ＤＳＰ傳送給自動(dòng)化裝置。

４　結(jié)束語(yǔ)

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