國內電力線載波數傳模塊的研發分析

1 電力線載波數傳模塊簡介
電力載波通信通過電力線載波數傳模塊將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電力線進行數據傳輸，然后再通過電力線載波數傳模塊，將高頻信號從電力線上分離出來傳送到終端設備。電力線載波數傳模塊在電力載波通信網絡中承擔著主機與節點、節點與節點間信息傳輸任務，起著運輸樞紐作用，具體如圖1所示。

電力線載波數傳模塊通常是指，利用現有電力載波芯片結合單片機(SCM)控制處理和外圍電路開發出來進行實際低壓電力載波數字通信的通信模塊。國內生產的某些芯片本身內嵌增強型8051微處理器，無需開發人員另外配置微處理器及外圍電路。電力線載波數傳模塊的設計內容通常包括電力線載波通信芯片的選擇、耦合電路以及載波芯片和SCM所需外圍電路等。電力線載波數傳模塊是PLC技術的實際應用，是電力線載波通信廣泛應用的硬件基礎。在整個電力線載波通信網絡系統中，必須依靠電力載波通信模塊來實現設備終端與數據采集器間的數據交換，具有廣泛的研究意義。

2 國內適用電力線載波Modem芯片介紹
國外對電力線載波通訊技術的研究較早、技術水平較為前沿，多家公司推出了自己的電力線載波Modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區電網(480 Y／277 V，208 Y／120 Vac)的標準頻率范圍100～450 kHz和針對歐洲地區電網(400 Y／230 Vac)的標準頻率范圍9~150 kHz。各公司在標準頻率范圍下，針對本地區電網特點，采用各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波Modem芯片。由于國外電力線載波Modem芯片是針對本地區電網特性、電網結構，且一般是針對家庭內部自動化而設計，在國內使用都難盡如人意。目前，在我
國一定應用領域可勉強使用的電力線載波Modem芯片有以下幾種：
(1)ST7536、ST7538、ST7540
ST7536是SGS一Thomson(ST)公司為電力線載波通訊而設計的專用Modem芯片，除有一般Modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。ST7536是較早的電力線載波Modem芯片之一，調制解調技術是FSK方式，3 bit容錯，它最高波特率為400 bsp。但它無CSMA(網絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線載波抄表領域，ST7536是最適合的Modem芯片。但它的通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢。ST7538是ST公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的半雙工、同步／異步FSK(調頻)單芯片電力線調制解調器芯片。與ST7536和ST7537相比，主要特點是：有8個工作頻段，可編程通信速率高達4 800 bps；提供過零檢測功能。
ST7540具有8個可編程發送頻率，即：60 kHz、66 kHz、72 kHz、76 kHz、82．05 kHz、86 kHz、110．kHz和132．5 kHz，可編程波特速率最高為4 800 B／s，接收靈敏度可達500 μV(rms)，同時具有UART／SPI主接口，采用單電源7．5~12．5 V工作，內部集成線路驅動器和5 V、3．3 V兩個線性調整器，電流高達50 mA，數字電壓為3．3 V或5．0 V，具有非常低的功耗，靜態電流5 mA。在控制方面，ST7540芯片工作通過內部寄存器控制和同步串行接口來編程。ST7540還具有看門狗定時器、時鐘輸出、輸出電壓和電流控制、載波或前同步檢測、可暫停工作和使用等功能，與前期的電力線收發芯片兼容，為用戶的使用帶來極大方便。
(2)SSCP200／300、INT5130、INT5IXl
SSCP200／300(Spread Spectrum Communication)是Intellon公司采用現代最新通訊技術設計的電力線載波Modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術、現代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協議，可以稱為智能Modem芯片，體現了Modem芯片的發展趨勢。InteHon公司2000年推出的Int5130芯片集，主要面向在電力線上實現的高速數據通信。INT5130與INT 1000收發器配合使用，采用OFDM技術，通信速率達到14Mbps，收發器的信噪比SNR為45～50 dB。
INT5lXl是Intellon公司采用OFDM技術研制的一塊理想的基于PLC寬帶接入的調制／解調芯片，它在4．3～20．9 MHz的頻帶范圍內共用84個載波，采用DBPSK／DQPSK調制原理，使其最高傳輸速率可達14 Mbps。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。
(3)PLT一22、PL3120、PL3150
美國Echelon公司的LonWorks電力載波芯片，采用窄帶BPSK調制解調技術以及多種容錯及糾錯技術，性能良好。以該芯片為核心的采集終端，可通過兩個電力線載波頻率進行雙向傳輸通信，能自動解決電力線通信能力惡化的問題，并對傳輸的數據進行集中管理及儲存；電力線調制解調器通過網線與主站系統進行數據資料的上傳以及系統的監控等；主站系統又以數據庫系統為核心，提供各地區所有數據資料的集中管理，既能作為數據服務器，又能進行數據統計分析，在我國應用效果很理想，但它是Lonworks網絡專用，而且價格太高，難以在民用市場領域大規模推廣。
(4)MAX2986
Maxim公司生產的電力線通信收發芯片，該芯片完全兼容于Homeplugl．0協議，數據傳輸速率高達14 Mbps，可以滿足寬帶通信的需求。MAX2986電力線收發器利用了當前最高發展水平的CMOS設計技術，提供更高的性能指標和靈活性。這款高度集成的芯片內包含了媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)。MAX2986數字基帶與配套器件MAX2980模擬前端(AFE)一起，利用了Maxim先進的OFDM電力線引擎，提供高達14 Mbps的自適應數據速率，可提供完整的高速電力線通信解決方案。該器件非常適合于以下應用：局域網(LAN)、音頻、語音、家庭自動化、工業自動化以及電力線寬帶(BPL)。
(5)HYT3101
針對電力線載波通信的困難，特別是我國電力線的特殊情況，深圳吳元設計了一款專用于電力線載波通信的芯片HYll3101。它具有以下特點來改進以往芯片存在的不足：(1)能承受比國際標準更加苛刻的條件和要求，具有卓越的點對點通信性能；(2)HYl3101內部的通信模塊按EIA709．1、EIA709．2以及EN50065―1等國際標準設計，和國際標準接軌，兼容性強；(3)HYT3101能夠實時監測電網干擾和信號功率，能夠檢測節點所在相位，為系統的路由／中繼和系統的自適應提供了物理上的基礎，保證了整個系統拓撲結構的自動學習；(4)內嵌適合于現場網絡的通信協議棧，包括鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層和應用層等的上層通信協議，與EIA一709．1兼容。
(6)PL3105、PL3200
此系列為國內某公司自主開發的產品，PL3105是專為自動抄表、智能信息家電以及遠程監控系統而開發的單芯片片上系統SoC(System onChip)。采用805l指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發；內嵌的載波通信單元使其具備了在低壓電力線上組網遠程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現對載波通信的控制，接口方便；擴頻通信單元具有較強的抗帶內同頻干擾能力、靈敏度高的優點；集成了完善的電壓監測上電掉電復位看門狗電路，確保了工業環境下運行時系統的可靠性。PL3200是在PL2000的基礎上開發的帶計量的載波通信芯片。
(7)MI200E
MI200E是彌亞微電子(中國)公司自主研發的一款專門針對低壓電力載波信道進行優化設計的高集成度、高性能的網絡接口控制芯片。MI200E可廣泛應用于電力、供水、供氣等遠程抄表(AMR)及能源管理領域。MI200E集成了載波通信調制解調器物理層所需的所有部件，由低噪聲放大器、可編程帶通濾波器、限幅放大器、過零點檢測電路、全數字AC同步檢測鎖相環路、SPITM接口、DSP運算模塊、擴頻調制／解調器、基帶成型濾波器、前向糾錯編碼／解碼器、CRC一16編解碼、數字上變頻／下變頻、數字功率放大器等部分組成。