摘要：介紹了美國Inellon公司的電力線MAC/PHY集成收發器INT51X1的功能結構和主要特點，介紹了它的引腳功能，同時以中壓配電網PFDM通信系統的研究開發為例，給出了INT51XI的應用實例。

關鍵詞：電力線通信；集成收發器；INT51X1；正交頻分復用

電力線通信ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）技術是利用配電網中／低壓線路傳輸高速數據、話音、圖象等多媒體業務信號的一種通信技術，目的是通過低壓線路來為用戶提供一種“無新線（Ｎｏ ｎｅｗ ｗｉｒｅ）”的寬帶接入方案；而用中壓線路來為配電網自動化提供一個可靠的數據傳輸平臺。由于該技術的發展前景十分看好，因此，早在２０世紀９０年代初，一些國家即開始在這方面進行研究，但由于技術不成熟，發展速度緩慢。進入２１世紀以來，隨著ＰＬＣ技術的突破，電力線通信技術的發展速度明顯加快?目前正朝著實用化方向發展。

電力線不同于普通的通信線路，它的信道具有時域上不恒定、不可控的特點。因此，必須采取抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落的有效技術手段，并需解決好信號沖突問題，才可能用電力線作為傳輸媒質，從而實現高速數據通信。多載波正交頻分復用（ＯＦＤＭ）是解決這些問題的有效方法。該技術利用電力線的高頻頻譜資源，以多個相互正交的載波對數據進行調制，最終將串行數據流變換為并行處理；其調制和解調過程可利用傅立葉變換對ＤＦＴ／ＩＤＦＴ來實現。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技術標準，傳輸速率最高可達１４Ｍｂｐｓ。而且，它集成有ＵＳＢ １．１、以太網和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提供了一款比較理想的解決方案。

１　ＩＮＴ５１Ｘ１的功能結構及主要特性

ＩＮＴ５１Ｘ１是專用于電力線的ＭＡＣ／ＰＨＹ集成收發器，它使用Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司專有的電力數據包（ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ）正交頻分復用技術，有８４個子載波，采用ＲＯＢＯ／ＤＢＰＳＫ／ＤＱＰＳＫ調制方法；ＩＮＴ５１Ｘ１可根據收發端信噪比來分配子載波，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，本模塊包括一個精簡指令集（ＲＩＳＣ）的處理器內核、一個含有ＯＦＤＭ數據處理、加密／解密算法和信道優化算法的程序存貯器（ＲＯＭ），還有一個鏈接序列、數據存貯器（ＲＡＭ）以及兩個直接數據傳送通道（ＤＭＡ）。從用戶發往電力線網絡或從物理層來的所有數據都可在ＭＡＣ模塊中通過一定的算法進行信號處理。ＭＡＣ采用載波偵聽多路存取／沖突避免（ＣＳＭＡ ／ＣＡ）協議來訪問公共的電力線信道，并輔以自動重傳請求ＡＲＱ和電力數據包的優先權機制，從而確保了傳輸的可靠性。而且，由于電力數據包優先等級可靈活設定，因而使得ＩＮＴ５１Ｘ１具有較強的突發段處理能力。而允許電力線上的多幀傳輸則極大地減輕了對網絡收端的要求，并使得網絡吞吐量達到最大，從而保證了最短延遲時間和最優的信號穩定性。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信道上也能為用戶提供優良的服務品質（ＱｏＳ）。

ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＰＨＹ模塊主要用來實現物理層功能，提供建立、維持和拆除物理連接的電氣手段，保證電力線上比特流的透明傳輸。本模塊主要由一個物理層邏輯序列、一個與ＭＡＣ子層ＤＭＡ通道對應的先進先出（ＦＩＦＯ）堆棧以及一個前向模擬通道組成，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，然后通過電力線耦合裝置便可與電力線進行連接。

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以及用于運行狀態監視的ＬＥＤ接口。在這些接口中，ＭＩＩ是一種標準工業接口，其發送／接收都以四位并行方式進行，并由ＭＡＣ時鐘同步，同時，ＭＩＩ還帶有ＣＳＭＡ／ＣＤ協議。ＧＰＳＩ是一種靈活的雙向串行接口，接口線數目少于ＭＩＩ。當主機通過ＭＩＩ／ＧＰＳＩ接口與ＩＮＴ５１Ｘ１傳輸數據時，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ＭＤＩ可以方便地訪問ＩＮＴ５１Ｘ１內部的控制／狀態寄存器，從而完成對ＩＮＴ５１Ｘ１的設定以及對ＩＮＴ５１Ｘ１實時運行狀態的監視。ＩＮＴ５１Ｘ１的控制／狀態寄存器均為１６ ｂｉｔ寄存器。狀態寄存器可實時反映鏈路狀態、傳輸速率、前導碼判決、自動協商、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，通過控制寄存器可實現許多功能。

上電后，ＩＮＴ５１Ｘ１的初始化通過ＳＰＩ接口讀取預先寫入Ｅ２ＰＲＯＭ的數據來完成。

除上述主要功能特點外，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，還可以由用戶自定義密鑰，從而確保電力線傳輸的可靠安全。

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；

ＭＩＩ－ＲＸＣＬＫ：接收時鐘線；

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：發送數據線；

ＭＩＩ－ＴＸＣＬＫ：發送時鐘；

ＭＩＩ－ＴＸＥＮ：發送使能；

ＭＩＩ－ＣＲＳ：載波偵聽；

ＭＩＩ－ＴＸ－ＥＲ：發送錯誤。

（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時鐘；

ＳＰＩ：接口引腳；

ＳＰＩ－ＤＯ：通過該端可將數據輸出至Ｅ２ＰＲＯＭ；

ＳＰＩ－ＤＩ：數據從Ｅ２ＰＲＯＭ讀入；

ＳＰＩ－ＣＬＫ：ＳＰＩ時鐘；

ＳＰＩ－ＣＳ：選通Ｅ２ＰＲＯＭ。

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

限于篇幅，關于引腳的詳細信息在此不再詳述，有興趣者可查閱相關資料。

３　ＩＮＴ５１Ｘ１在電力線通信中的應用

作為一款電力包集成收發器，ＩＮＴ５１Ｘ１能利用高頻特性惡劣的電力線來實現高速數據傳輸。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接口，因此，使用時僅需進行簡單的初始化而不需復雜的編程，使用非常方便。現以筆者開發的中壓配電網ＯＦＤＭ通信系統的研究為例來介紹ＩＮＴ５１Ｘ１的應用。

３．１ 模式選擇

通過對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模式實際是將ＩＮＴ５１Ｘ１視為一個ＵＳＢ裝置與ＵＳＢ主機相連。ＰＨＹ模式則是將ＩＮＴ５１Ｘ１等效于一個以太網的物理層設備ＰＨＹ與微處理器或以太網控制器連接。ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式將ＩＮＴ５１Ｘ１視為一個網絡主機或一個數據終端，然后通過ＭＩＩ接口與以太網ＰＨＹ或其它數據裝置相連。這樣，ＩＮＴ５１Ｘ１就充當了以太網和電力線網之間的網橋，從而將那些數據裝置接入電力線網絡。

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

３．２ 通信終端設計

該配電自動化裝置應配備在配電網沿線各處，其任務是采集配電線路和各種電力設備的運行參數并將其送往配電自動化主站，同時接收自動化主站的相關控制命令，以對線路和電力設備進行控制。為了用電力線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電力線側設計了一個模擬前端模塊（ＡＦＥ Ｍｏｄｕｌｅ），該模塊內含增益可調的發送放大器和接收放大器，其發送和接收支路分別串有一個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，同時阻止電力線的工頻電流進入通信終端。在ＩＮＴ５１Ｘ１的用戶側采用的是ＴＩ公司的高速ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＶＣ５４７１），此ＤＳＰ內嵌ＭＩＩ接口，并以此連接ＩＮＴ５１Ｘ１，同時用ＵＡＲＴ串口與配電自動化裝置（圖中Ｄａｔａ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）相連。配電自動化裝置發送的數據由ＤＳＰ按前述ＭＩＩ數據幀格式封包，并經ＭＩＩ接口傳送到ＩＮＴ５１Ｘ１，繼而轉換為ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的形式送到電力線，再由目的地的通信終端接收。從電力線送來本終端的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ則由ＩＮＴ５１Ｘ１解包并轉換成ＭＩＩ幀，最后經ＤＳＰ傳送給自動化裝置。

４　結束語

ＩＮＴ５１Ｘ１是一種高度集成的單片電力線收發器，是ＩＮＴ５１３０＋ＩＮＴ１０００套片的換代產品，也是當前開發電力線ＯＦＤＭ通信的主流產品。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，但這對電力線通信來說，由于其帶寬要求不是特別大，因而也完全能夠滿足應用需要。