2 ofdm技术简介
2.1 ofdm技术的历史和现状
电力线作为通信介质不同于其它类型，电力线上存在不同系统噪声和随机噪声,而且由于线路上一般都会有很多电力电气设备，形成不可预测的干扰源。另外，电力电气设备的使用、关闭都是无法规定的，这使得电力线的特性常常处在变化中，因此, 电力线传输特性难以用准确的数学模型来描述，电力线信道在时域上不恒定，不可控。随着数字通信、dsp、internet等技术的发展，采用抗干扰、抗阻抗失配、抗多径衰落的ofdm（多载波正交频分复用）技术逐渐克服电力线上传输特性的一些缺点, 实现了在电力线上进行高速数据通信。chang.r.w在1966年就首先提出了ofdm的概念模型，不过解决ofdm技术工程实现问题的却是weinstein和ebert，他们在1971年提出了利用动态傅立叶变换（dft）和逆傅立叶变换（ifft）实现基带信号的调制解调的思想，使得ofdm的技术实现难度为之大幅度降低。目前ofdm技术已经在移动通信、数字视频广播（dvb）、数字音频广播（dab）以及数字用户线xdsl序列等领域得到了广泛的应用。
2.2 ofdm技术的基本原理
ofdm是一种多载波传输技术，其最大的特点是传输速率高，对码间干扰和信道衰落具有很强的抵御能力。其基本思想是变换串行数据流为并行处理，即将串行数据转换为若干个并行数据分配给同样数目的不同的正交子载波以达到并行数据传输的目的，有效的抑制了码间干扰，也不需要复杂的信道均衡处理。
假设1个周期内传送的码元序列d0,d1,…,dn-1通过串——并转换器分别调制在n个子载波f0,f1,…,fn-1上,这些子载波满足正交特性,其频谱相互重叠。所谓子载波频谱正交,是指在传统的频分复用（fdma）系统中2个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率为fs,2个相邻子信道的中心频点至少相差fs的3倍～5倍,以防止邻道干扰,而ofdm的相邻子载波十分接近,大大提高了频谱利用率,它们在频域上是相互交叠的。研究表明,只要子载波之间满足特定的正交约束条件,采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号。
3 int51x1芯片的主要特性与其功能结构
3.1 int51x1的主要特性与功能结构
int51x1是美国intellon公司推出的目前很完善的ofdm处理芯片，符合homeplug1.0.1技术标准，其上行传输速率最高可达到14mbps。它集成了usb1.1、以太网和mii/gpsi多种接口，还集成了adc、dac和agc控制器，是plc通信装置研发的一款理想处理器。int51x1是专用于电力线的mac/phy集成收发器，它使用intellon公司专有的电力数据包（powerpacket）正交频分复用技术，84个子载波，选择采用robo/dbpsk/dqpsk调制方法，可以根据收发端信噪比分配子载波，用以克服噪声和多径衰落的影响。它在低信噪比信道中完成同步，不需要导频。其内部结构由i/o模块、powerpacket mac模块、powerpacket phy模块以及adc/dac模块组成，如图1所示:
图1 int51x1内部结构图
powerpacket mac模块主要完成链路层功能，是int51x1的核心部分。本模块包括一个精简指令集（risc）的处理器内核，一个含有ofdm数据处理、加密/解密算法、信道优化算法的程序存储器（rom），还有一个链接序列、数据存储器（ram）已经两个直接数据传送通道（dma）。从用户发往电力线网络或从物理层来的所有数据都在mac模块中通过一定的算法进行信号处理。mac采用载波侦听多路存取/冲突避免（csma/ca）协议访问公共的电力线信道，辅以自动重传请求arq和电力数据包的优先权机制确保传输的可靠性。由于电力数据包优先等级的灵活设定，使得int51x1具有较强的突发业务处理能力，允许电力线上的多帧传输，极大的减轻了对网络收端的要求，使网络吞吐量达到最大，同时保证了最短延迟时间和最优的信号稳定性。由于采用自由竞争的介质访问方式，任一单节点都可以作为整个网络的控制器。此外，mac还具有流量控制功能，它的这些功能确保了在特性恶劣的电力线信道上也能为用户提供优良的服务品质。
powerpacket phy模块实现物理层功能，主要建立、维持和拆除物理连接的电气手段，保证电力线上比特流的透明传输。该模块主要由一个物理层逻辑序列、一个与mac子层dma通道对应的先进先出（fifo）队列以及一个前向模拟通道组成，此外，还集成有对外加运算放大器的自动增益控制电路（agc）。一对高速的10位a/d、d/a转换器构成了前向模拟通道，其采样速率为50mbps，参考电压独立于片内，低功耗操作，在其后接上运算放大器和滤波器，通过电力线耦合装置，便可与电力线连接。
i/o模块集成了mac与主机、外围设备间的各种接口，功能丰富全面。与主机接口有usb接口、媒质独立接口mii或通用串行接口gpsi（选用）、管理数据接口mdi;与外设接口有e prom接口spi、仿真接口jtag已经用于运行状态监视的led接口。mii是一种标准的工业接口，其发送/接收都以四位并行的形式进行，由mac时钟同步，并带有csma/cd协议。通过mii接口，int51x1可以跟以太网mac控制器直接相连。
主机通过mdi可以方便的访问int51x1内部的控制/状态寄存器，从而完成对int51x1的设定和监视int51x1的实时运行状态。int51x1的控制/状态寄存器均为16位的寄存器。状态寄存器实时反映链路状态、传输速率、前导码判决、自动协商、模糊检测等信息。
上电后，int51x1的初始化由其通过spi接口读取预先写入e prom的数据完成。powerpacket采用des的56位密钥管理，除int51x1设定的缺省密钥以外，还可以由用户自定义密钥，确保电力线传输的可靠安全性。
3.2 int51x1的引脚说明
int51x1采用μbga封装，144引脚，供电电压3.3v，芯片内核供电电压1.5v。它有usb、phy、host/dte3种工作模式选择，部分复用信号引脚如mii接口信号、mdi接口信号、spi接口信号等因模式不同而功能定义不同，其它的信号线在3种模式中都相同，有对模拟前端afe的控制数据线26条，主要是adc输入、dac输出、运放的agc控制等;有led（3线）。jtag（5线），时钟（2线），测试（2线），以及多条电源和地线;3种模式的选择有mode0和mode1两个引脚的状态决定。
3.3 微处理器w90n740的简介
w90n740是台湾winbond公司开发的基于32位arm核的高性能、低功耗微处理器。w90n740采用arm7tdmi内核，内建两个10/100mb mac以太网络控制器，并采用winbond独家专利的网络地址转换加速器nat accelerator。该器件用硬件方式加速网络封包的转换，不仅减少了中央处理器的负担，同时也大幅提高了宽频的整体系统效能。而芯片方式集成的usb控制器则可透过usb界面连结各种电脑周边设备，以增添产品附加值。此外，w90n740内部还集成了ebi（external bus interface）控制器、系统管理器、gdma控制器等。因而在许多应用领域，用该器件设计的系统成本比目前同类产品要低。加上arm公司开发环境支持汇编语言、ｃ和ｃ++，其软件开发也十分方便。因此，w90n740虽不是主流产品，但也是许多网络电子产品的选择方案之一。
4 ofdm配电自动化系统设计
4.1 系统通信终端和子站的设计
（1） 通信终端的软硬件构成。通信终端硬件电路设计参见图2。
图2 通信终端硬件电路设计图
通信终端以int51x1和w90n740为核心，int51x1选phy模式，组成eth-plc路由器。w90n740通过外总线接口ebi加接1片2m×16位数据宽度的flash外部程序存储器共4m字节，另配2片4m×16位数据宽度的sdram，共16m字节sdram。int51x1主机侧经mii接口与w90n740 ethernet mac controller 0连接，w90n740再经ethernet mac controller 1接eth phy（rtl8201），从rtl8201芯片引出rj－45接口与网络交换机连接;电力线侧afe取12v sip规格，以coupler与10kv电力线耦合，coupler只含耦合部分，不含电源部分，并在所有串接开关两端跨接高频桥路。终端需要的工作电源品种比较多, 有+12v、+5v、+3.3v、+1.8v、+1.5v,由整流和相应的dc-dc模块获得。
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