摘 要：介绍了一种基于OFDM技术的宽带电力接入网系统设计，该系统适用于低压配电网。OFDM(正交频分复用)技术能克服低压电力线信道的高噪声、多径效应和信道衰落,实现高速数据的传输。以INT5500CS为核心设计出符合HomePlug 1.0-Turbo标准的低压配电网宽带电力接入网系统。整个系统主要分为电力线接口端和以太网接口端。由于采用OFDM通信技术，该系统能实现宽带接入，具有较高的实用价值。
关键词：电力线载波通信；多载波正交频分复用；INT5500CS芯片组；HomePlug 1.0-Turbo协议
电力网由于覆盖广泛，无需重新布线，永久连接，不存在射频电磁污染等优点，使得电力线载波通信（PLC）技术成为近年来研究的热点。随着网络通信技术的发展，宽带通信的需求日益增加。利用电力线传输多媒体宽带信息，组成数据通信网，可以节省布线成本，又具有比其他网络覆盖面广的优势。因此，宽带电力通信技术在宽带接入、用电信息采集系统与智能家居等领域中得到广泛应用。
与ADSL、HFC、802.11无线局域网接入、光纤网宽带接入相比，宽带电力线接入网的优势在于充分利用现有的低压配电网络，节省通信线路资源，是一种“No New Wires”技术；通过家庭的电源插座将智能家电联网实现家居自动化；为用户提供高速Internet服务和话音视频服务；可以独立建设数字化小区服务，提供智能家居、远程抄表等增值服务[1]。
1 宽带电力线载波通信技术
电力线载波通信PLC(Power Line Carrier Communication)技术是利用低压电力线信道传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信技术。用于低压配电网，可为用户提供无需布线的宽带接入网。研究开发电力线载波通信技术，对于发展电力通信产业，为电力企业提供进入电信公共服务的技术手段，实现电话、数据、电视和电力的“四网合一”，具有广阔的前景[2]。传统电力线通信产品中，主要使用窄带FSK通信方式。如利用电力线Modem LM1893[3]和ST7536在电力线上实现数字通信。由于电力线固有的高噪声、多径效应和衰落等特点, 通常采用扩频技术进行数据传输。扩频通信虽然抗干扰能力较强, 但受其原理的制约, 传输速率最高只能达到1 Mb/s。随着对通信传输速率要求的不断提高, 出现了一种利用正交频分复用(OFDM)技术在低压电力线上实现宽带高速数据传输的通信技术。该技术具有抗噪声、抗多径效应和抗衰落的特性, 其数据传输速率可以超过10 Mb/s。随着PLC技术的发展，成立了相关的国际性PLC组织。目前，HomePlug电力线联盟已有90家公司参与该组织标准的制定工作，并已制定了第一个标准方案(HomePlug 1.0 Specification)。我国国家电力通信中心在2002年年初在北京由中电飞华建立了3个利用电力线载波方式的Internet网试验点，速度相当良好，同时也保持了非常好的稳定性。
2 OFDM的基本工作原理
低压电力线信道对电力线载波通信影响严重的干扰源主要有信道噪声、信道衰耗和多径效应。为适应高速率的传输要求，多载波正交频分复用将是解决传输频带利用的有效方法。OFDM技术的主要工作原理就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。其最大的特点是传输速率高，对码间干扰和信道选择性衰落具有很强的抵抗能力[4]。
在PLC系统发送端由串/并转换器、基带调制模块、IFFT、合路器和D/A转换器组成，如图1所示。其工作过程如下：发送端将高速数据流通过串/并转换器分解成N个低速数据块, 对每路低速数据进行基带调制(可采用BPSK、QPSK、QAM、TCM等)，然后通过IFFT将基带调制信号搬移到N路子载波上合路后发出。发送信号通过叠加了各种噪声和干扰的电力线信道传递到接收端。在接收端则由A/D转换器、带通滤波器、FFT、解调模块等部分组成。其工作过程为：采用FFT 恢复基带信号，并采用相应的解调方式解调出N路低速数据, 最后通过并/串转换合成原始高速数据流。
3 宽带电力接入网系统设计方案
宽带电力接入网是充分利用现成的电力网络，在配电网传输能量流的同时，传输数字语音和数据流，承载数据通信等多种业务，从而实现高速网络连接，而计算机网络的主干网、电话的程控交换网或IEEE802.3局域网仍由原来各自的网络承任[5]。系统设计主要将核心接入芯片与以太网控制器RTL8021相结合，实现以太网与电力网的桥接以及OFDM数字载波通信，分为电力线侧接口模块和以太网侧接口模块。
3.1 以INT5500芯片为核心的系统工作原理
以INT5500芯片为核心的系统工作原理框图如图2所示。INT5500芯片组包括INT5500基带处理器和INT1200模拟前端芯片，采用电力包(Power Packet)技术，提供高达85 Mb/s的传输速率，符合电力线网络通信标准HomePlug 1.0-Turbo。它是实现宽带电力通信系统的核心芯片。PowerPacket是一个全面的网络解决方案，包括网络模型中的物理层(PHY)和媒质访问层(MAC)。它还支持多项电信级多媒体通信服务，如voice over IP、Quality of Service(QoS)、IPTV等[5]。
Power Packet PHY运用正交频分多路复用(OFDM)技术作为基本的传输技术；Powerpacket技术的MAC层协议采用带有冲突避免的载波帧听多路访问协议(CSMA/CA)，此协议采用侦听机制和在发送之前随机选择延迟时间的策略来避免冲突，而且还增加了用于支持优先级控制、公平的竞争机制的控制功能。
INT5500芯片组使用正交频分复用技术，84个子载波选择采用ROBO/DBPSK/DQPSK调制方法；可根据收发端信噪比分配子载波，以克服噪声及多径衰落的影响；它在低信噪比信道中完成同步，不需要导频。其内部结构主要由I/O接口功能模块、PowerPacket MAC/PHY模块以及ADC/DAC模块组成。
I/O接口模块中集成了MAC与主机、外围设备间的各种接口，因此，功能非常丰富。与主机的接口有USB接口、媒介独立接口MII或通用串行接口GPSI(选用)、管理数据接口MDI；与外设的接口有EEPROM接口SPI以及用于运行状态监视的LED接口。在这些接口中，MII是一种标准工业接口，其发送／接收都以四位并行方式进行，并由MAC时钟同步，同时，MII还带有CSMA/CD协议。
当主机通过MII接口与INT5500传输数据时，其帧格式如表1所示。
(1)前导码：其中前导码为56位“1”、“0”相间的数字序列，用于同步；
(2)定界符：占用1 B，并且定界符规定为D5H；
(3)Powerpacket数据：格式符合IEEE802.3标准；
(4)帧校验序列：为4 B的CRC循环冗余检验码(Cyclic Redundancy Check)。
Powerpacket PHY工作频段范围为2 MHz～28 MHz的带宽。INT5500芯片具有数字滤波的作用，用以满足HomePlug发射功率谱密度的要求。接收端根据包含在每个定界符控制域中的信息，来判断信道将忙于传输的时间。这些机制全面改进了电力线网络的性能，提高电力网络中PLC Modem终端接收信号的能力。
电力线载波通信系统设计采用基于物理层模式(PHY Option)，INT5500芯片利用MII接口与以太网控制器之间进行通信。SPI端口控制的EEPROM接口用作初始配置INT5500。
MII接口信号主要有：MII—RX0～MII—RX3，接收数据线；MII—RXCLK，接收时钟；MII—RXDV，接收数据有效；MII—RX—ER，接收错误；MII—COL，冲突检测；MII—TXO～MII．TX3，发送数据线；MII．TXCLK，发送时钟；MII—TXEN，发送使能；MII—CRS，载波侦听；MII—TXER，发送错误。
INT5500芯片的AGC(0～7)管脚实现自动增益控制功能，而DAC管脚实现与AFE的模/数数据接收与发送。
3.2 宽带电力线侧接口模块设计
系统的电力线侧接口模块主要采用INT1200模拟前端（AFE）和INT5500芯片，其接口原理图如图3所示。INT1200模拟前端主要作用是连接INT5500芯片和耦合器，实现INT5500与电力线侧信号的通信。
在发送端，信源信号经过RJ-45接口传输到以太网转换器RTL8021，RTL8021通过MII接口与INT5500相连，将信号输入INT5500芯片进行OFDM调制，然后对OFDM信号进行10-bit的DAC变换将数字信号变换成模拟信号；INT1200模拟前端主要与INT5500的AGC、AD/DA功能管脚连接，采用LC带通滤波器对信号进行滤波，防止对其他电路产生干扰，然后经过自动增益放大电路将信号放大到适合在电力线上传输的幅度，通过耦合器将调制的OFDM信号耦合到电力线上发送出去。发送到电力线上的信号频率范围为2 MHz~28 MHz，最终实现INT5500与电力线侧之间的通信接口。在接收端，从电力线上传输过来的信号经过相反的过程传输到以太网。电力线接收部分为一个LC带通滤波电路。这个带通滤波的频率范围是2 MHz~28 MHz。经过带通滤波电路出来的信号送到INT1200的AFE接口，INT5500把模拟信号OFDM解调为数字信号，通过MII接口送到RJ45网络接口上。INT5500芯片的AGC(0～7)管脚实现自动增益控制功能，而DAC管脚实现与INT1200模拟前端(AFE)的模/数数据接收与发送。
3.3 以太网接口模块设计
系统的以太网接口模块主要采用RTL8201 10/100 M快速以太网控制芯片，其支持 MII接口，支持10/100 Mb/s速率，支持全双工工作模式，双绞线网络输出，支持IEEE 802.3/802.3u协议，3.3 V单向供电，具备MAC层的流量控制功能。
RTL8201接收从INT5500的MII(媒介独立接口)传来的电力包（powerpacket）形式的数据，运算转化为TCP/IP协议的数据经由物理层供外部设备使用。同时也从外部设备返回数据传输给INT5500进行处理。
INT5500有3种工作模式，如表2所示。本系统设计通过对引脚MODE0和MODE1的设置“1 1”选择Host/DTE选择INT5500工作在Host/DTE模式下,和REALTEK公司的PHY芯片相连，提供以太网接口。电力线载波通信系统设计采用基于物理层模式(PHY Option)，INT5500芯片利用MII接口与以太网控制器RTL8201之间进行通信。
在低压电力线上实现数据的可靠高速传输是电力线载波通信和电力系统自动化的重点研究领域。传统的电力通信技术只能传输中低速数据, 而OFDM(正交频分复用)技术是在电力信道上实现高速数据传输的有效方法中最有效的手段之一。本文提出的宽带电力接入网系统设计符合HomePlug 1.0-Turbo技术标准，实际传输速率最高达80 Mb/s。它可应用于智能家居系统，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 齐淑清.电力线通信(PLC)技术与应用[M]．北京：中国电力出版社，2005：13-14．
[2] DOSTERT K著.电力线通信[M]．栗宁，郑福生，杨洪，译. 北京：中国电力出版社，2002．
[3] 林建宇，黄钊洪．基于电力线载波技术的远程电流数据采集系统的设计[J]．电子技术应用，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] 戴琼海.宽带信息网络[M]．北京：清华大学出版社，2002：274．
[6] INT5500 integrated power-line MAC/PHY transceiver[Z]．Intellon Technical Reference．2007．