摘  要： 介紹了一種基于OFDM技術(shù)的寬帶電力接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)適用于低壓配電網(wǎng)。OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)能克服低壓電力線信道的高噪聲、多徑效應(yīng)和信道衰落,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的傳輸。以INT5500CS為核心設(shè)計(jì)出符合HomePlug 1.0-Turbo標(biāo)準(zhǔn)的低壓配電網(wǎng)寬帶電力接入網(wǎng)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要分為電力線接口端和以太網(wǎng)接口端。由于采用OFDM通信技術(shù)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)寬帶接入，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 電力線載波通信；多載波正交頻分復(fù)用；INT5500CS芯片組；HomePlug 1.0-Turbo協(xié)議

    電力網(wǎng)由于覆蓋廣泛，無(wú)需重新布線，永久連接，不存在射頻電磁污染等優(yōu)點(diǎn)，使得電力線載波通信（PLC）技術(shù)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)，可以節(jié)省布線成本，又具有比其他網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣的優(yōu)勢(shì)。因此，寬帶電力通信技術(shù)在寬帶接入、用電信息采集系統(tǒng)與智能家居等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
    與ADSL、HFC、802.11無(wú)線局域網(wǎng)接入、光纖網(wǎng)寬帶接入相比，寬帶電力線接入網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省通信線路資源，是一種“No New Wires”技術(shù)；通過(guò)家庭的電源插座將智能家電聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)家居自動(dòng)化；為用戶提供高速Internet服務(wù)和話音視頻服務(wù)；可以獨(dú)立建設(shè)數(shù)字化小區(qū)服務(wù)，提供智能家居、遠(yuǎn)程抄表等增值服務(wù)[1]。
1 寬帶電力線載波通信技術(shù)
    電力線載波通信PLC(Power Line Carrier Communication)技術(shù)是利用低壓電力線信道傳輸高速數(shù)據(jù)、話音、圖像等多媒體業(yè)務(wù)信號(hào)的一種通信技術(shù)。用于低壓配電網(wǎng)，可為用戶提供無(wú)需布線的寬帶接入網(wǎng)。研究開(kāi)發(fā)電力線載波通信技術(shù)，對(duì)于發(fā)展電力通信產(chǎn)業(yè)，為電力企業(yè)提供進(jìn)入電信公共服務(wù)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、電視和電力的“四網(wǎng)合一”，具有廣闊的前景[2]。傳統(tǒng)電力線通信產(chǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。由于電力線固有的高噪聲、多徑效應(yīng)和衰落等特點(diǎn), 通常采用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。擴(kuò)頻通信雖然抗干擾能力較強(qiáng), 但受其原理的制約, 傳輸速率最高只能達(dá)到1 Mb/s。隨著對(duì)通信傳輸速率要求的不斷提高, 出現(xiàn)了一種利用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。該技術(shù)具有抗噪聲、抗多徑效應(yīng)和抗衰落的特性, 其數(shù)據(jù)傳輸速率可以超過(guò)10 Mb/s。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，成立了相關(guān)的國(guó)際性PLC組織。目前，HomePlug電力線聯(lián)盟已有90家公司參與該組織標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并已制定了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方案(HomePlug 1.0 Specification)。我國(guó)國(guó)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(gè)利用電力線載波方式的Internet網(wǎng)試驗(yàn)點(diǎn)，速度相當(dāng)良好，同時(shí)也保持了非常好的穩(wěn)定性。
2 OFDM的基本工作原理
    低壓電力線信道對(duì)電力線載波通信影響嚴(yán)重的干擾源主要有信道噪聲、信道衰耗和多徑效應(yīng)。為適應(yīng)高速率的傳輸要求，多載波正交頻分復(fù)用將是解決傳輸頻帶利用的有效方法。OFDM技術(shù)的主要工作原理就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。其最大的特點(diǎn)是傳輸速率高，對(duì)碼間干擾和信道選擇性衰落具有很強(qiáng)的抵抗能力[4]。
    在PLC系統(tǒng)發(fā)送端由串/并轉(zhuǎn)換器、基帶調(diào)制模塊、IFFT、合路器和D/A轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。其工作過(guò)程如下：發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換器分解成N個(gè)低速數(shù)據(jù)塊, 對(duì)每路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制(可采用BPSK、QPSK、QAM、TCM等)，然后通過(guò)IFFT將基帶調(diào)制信號(hào)搬移到N路子載波上合路后發(fā)出。發(fā)送信號(hào)通過(guò)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(zhuǎn)換器、帶通濾波器、FFT、解調(diào)模塊等部分組成。其工作過(guò)程為：采用FFT 恢復(fù)基帶信號(hào)，并采用相應(yīng)的解調(diào)方式解調(diào)出N路低速數(shù)據(jù), 最后通過(guò)并/串轉(zhuǎn)換合成原始高速數(shù)據(jù)流。

3 寬帶電力接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    寬帶電力接入網(wǎng)是充分利用現(xiàn)成的電力網(wǎng)絡(luò)，在配電網(wǎng)傳輸能量流的同時(shí)，傳輸數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù)流，承載數(shù)據(jù)通信等多種業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)連接，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)、電話的程控交換網(wǎng)或IEEE802.3局域網(wǎng)仍由原來(lái)各自的網(wǎng)絡(luò)承任[5]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要將核心接入芯片與以太網(wǎng)控制器RTL8021相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與電力網(wǎng)的橋接以及OFDM數(shù)字載波通信，分為電力線側(cè)接口模塊和以太網(wǎng)側(cè)接口模塊。
3.1 以INT5500芯片為核心的系統(tǒng)工作原理
    以INT5500芯片為核心的系統(tǒng)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(shù)，提供高達(dá)85 Mb/s的傳輸速率，符合電力線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)HomePlug 1.0-Turbo。它是實(shí)現(xiàn)寬帶電力通信系統(tǒng)的核心芯片。PowerPacket是一個(gè)全面的網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)模型中的物理層(PHY)和媒質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)。它還支持多項(xiàng)電信級(jí)多媒體通信服務(wù)，如voice over IP、Quality of Service(QoS)、IPTV等[5]。

    Power Packet PHY運(yùn)用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)技術(shù)作為基本的傳輸技術(shù)；Powerpacket技術(shù)的MAC層協(xié)議采用帶有沖突避免的載波幀聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議(CSMA/CA)，此協(xié)議采用偵聽(tīng)機(jī)制和在發(fā)送之前隨機(jī)選擇延遲時(shí)間的策略來(lái)避免沖突，而且還增加了用于支持優(yōu)先級(jí)控制、公平的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的控制功能。
    INT5500芯片組使用正交頻分復(fù)用技術(shù)，84個(gè)子載波選擇采用ROBO/DBPSK/DQPSK調(diào)制方法；可根據(jù)收發(fā)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(dǎo)頻。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(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、媒介獨(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EEPROM接口SPI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。
    當(dāng)主機(jī)通過(guò)MII接口與INT5500傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其幀格式如表1所示。

    (1)前導(dǎo)碼：其中前導(dǎo)碼為56位“1”、“0”相間的數(shù)字序列，用于同步；
    (2)定界符：占用1 B，并且定界符規(guī)定為D5H；
    (3)Powerpacket數(shù)據(jù)：格式符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；
    (4)幀校驗(yàn)序列：為4 B的CRC循環(huán)冗余檢驗(yàn)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(shù)字濾波的作用，用以滿足HomePlug發(fā)射功率譜密度的要求。接收端根據(jù)包含在每個(gè)定界符控制域中的信息，來(lái)判斷信道將忙于傳輸?shù)臅r(shí)間。這些機(jī)制全面改進(jìn)了電力線網(wǎng)絡(luò)的性能，提高電力網(wǎng)絡(luò)中PLC Modem終端接收信號(hào)的能力。
    電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于物理層模式(PHY Option)，INT5500芯片利用MII接口與以太網(wǎng)控制器之間進(jìn)行通信。SPI端口控制的EEPROM接口用作初始配置INT5500。
    MII接口信號(hào)主要有：MII—RX0～MII—RX3，接收數(shù)據(jù)線；MII—RXCLK，接收時(shí)鐘；MII—RXDV，接收數(shù)據(jù)有效；MII—RX—ER，接收錯(cuò)誤；MII—COL，沖突檢測(cè)；MII—TXO～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(tīng)；MII—TXER，發(fā)送錯(cuò)誤。
    INT5500芯片的AGC(0～7)管腳實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制功能，而DAC管腳實(shí)現(xiàn)與AFE的模/數(shù)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。
3.2 寬帶電力線側(cè)接口模塊設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的電力線側(cè)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(shí)現(xiàn)INT5500與電力線側(cè)信號(hào)的通信。

    在發(fā)送端，信源信號(hào)經(jīng)過(guò)RJ-45接口傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)轉(zhuǎn)換器RTL8021，RTL8021通過(guò)MII接口與INT5500相連，將信號(hào)輸入INT5500芯片進(jìn)行OFDM調(diào)制，然后對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行10-bit的DAC變換將數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)；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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，防止對(duì)其他電路產(chǎn)生干擾，然后經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益放大電路將信號(hào)放大到適合在電力線上傳輸?shù)姆龋ㄟ^(guò)耦合器將調(diào)制的OFDM信號(hào)耦合到電力線上發(fā)送出去。發(fā)送到電力線上的信號(hào)頻率范圍為2 MHz~28 MHz，最終實(shí)現(xiàn)INT5500與電力線側(cè)之間的通信接口。在接收端，從電力線上傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)相反的過(guò)程傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)。電力線接收部分為一個(gè)LC帶通濾波電路。這個(gè)帶通濾波的頻率范圍是2 MHz~28 MHz。經(jīng)過(guò)帶通濾波電路出來(lái)的信號(hào)送到INT1200的AFE接口，INT5500把模擬信號(hào)OFDM解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)MII接口送到RJ45網(wǎng)絡(luò)接口上。INT5500芯片的AGC(0～7)管腳實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制功能，而DAC管腳實(shí)現(xiàn)與INT1200模擬前端(AFE)的模/數(shù)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。
3.3 以太網(wǎng)接口模塊設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口模塊主要采用RTL8201 10/100 M快速以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)輸出，支持IEEE 802.3/802.3u協(xié)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(dú)立接口)傳來(lái)的電力包（powerpacket）形式的數(shù)據(jù)，運(yùn)算轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)經(jīng)由物理層供外部設(shè)備使用。同時(shí)也從外部設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)傳輸給INT5500進(jìn)行處理。
    INT5500有3種工作模式，如表2所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)引腳MODE0和MODE1的設(shè)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(wǎng)接口。電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于物理層模式(PHY Option)，INT5500芯片利用MII接口與以太網(wǎng)控制器RTL8201之間進(jìn)行通信。

    在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠高速傳輸是電力線載波通信和電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電力通信技術(shù)只能傳輸中低速數(shù)據(jù), 而OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)是在電力信道上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х椒ㄖ凶钣行У氖侄沃弧１疚奶岢龅膶拵щ娏尤刖W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合HomePlug 1.0-Turbo技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際傳輸速率最高達(dá)80 Mb/s。它可應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)
[1] 齊淑清.電力線通信(PLC)技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2005：13-14．
[2] DOSTERT K著.電力線通信[M]．栗寧，鄭福生，楊洪，譯. 北京：中國(guó)電力出版社，2002．
[3] 林建宇，黃釗洪．基于電力線載波技術(shù)的遠(yuǎn)程電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2005，5(31)：25-27．
[4] GOTZ M，RAPP M，DOSTERT K.Power line channel characteristics and their effect on communication system design. IEEE Communications Magazine，2004：85-86．
[5] 戴瓊海.寬帶信息網(wǎng)絡(luò)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002：274．
[6] INT5500 integrated power-line MAC/PHY transceiver[Z]．Intellon Technical Reference．2007．