摘 要：本文阐述了使用电力线作为传输媒质的网络设备设计方法，讨论了电力线网络通信的应用原理、系统的硬件结构和软件处理。
关键词:电力线通信；网络适配器；网桥

电力线网是现代社会覆盖面最大的网络。如能利用电力线作为网络传输媒介，使电力线和信号线合一，则不必另外布设网络线，家用的普通电源插座便成为通信接口，可使电力线通信网络同时进行话音、数据和电力传输。
本文设计了用于电力线宽带网络通信的设备：电力线网络适配器及以太网—电力线网桥。
1．电力线网络适配器：数据传输速率为2.5~12mbps；单个变压器内最大连接节点数为25；最大传输距离100m。
利用该适配器可组成对等计算机电力线宽带传输网络，实现多台计算机之间的文件共享和数据交换，实现连接于电力线宽带网上的打印机或其他设备的共享。
2. 以太网-电力线网桥
该网桥主要应用于以太网设备与电力线宽带网(plbn)设备之间的协议转换。网桥的一端接入以太网设备，如:交换机、hub、网络打印机、网络磁盘驱动器及使用以太网卡(nlc)的pc机，另一端则通过电力线与电力线宽带网连接。该网桥属于即插即用设备，不需任何配置。目前单台设备带宽为2.5~12mbps。

电力线宽带数字传输原理
由于电力线传输的固有弱点——射频干扰、载波频率较低、受用电设备负载的影响较大等原因，技术上要实现高速的数据通信比较困难。电力线宽带传输主要有两个重要的技术问题要解决：一是高速传输数据的信号调制/解调技术，其次是如何对应osi的七层模型建立起电力线网的分层结构。plbn的osi层由数字电力线、电力线交换和plbn应用语言构成。
电力线通信的数据传输速率在1kbps~20mbps之间，其使用的频带受电力线的特性和调制技术所限，通常在2~20mhz以内。随着数据传输速率的提高，主要发展了三类信号调制技术：fsk、扩频技术和ofdm。

电力线宽带网络适配器的结构
该适配器结构如图1所示，主要由电力线网络控制器与电力线数据存取接口(pdai)组成。
电力线网络控制器
电力线网络控制器由内核采用与8051 指令兼容的微处理器及数据收发器组成，具有网络的mac/phy层的控制功能。使用外加的rom存储程序以完成电力线网络的协议控制、数据的调制/解调等功能。该处理器的程序存储和外部数据存储空间均为64k字节，内部数据存储器为256字节，寄存器区为配合电力线网络通信而增加了几个特殊的寄存器，如dps(数据指针选择)、wdtcr(看门狗时标控制)等。该芯片内部带有2k字节缓冲区的ram，具有较强的安全及出错检测能力，如32字节的加密阵列，256位密钥，数据包级认证，16位硬件crc。该芯片在硬件上提供了电力线交换的嵌入式协议。图2给出了电力线网络控制器的框图。
控制器与网络相关操作包括两方面：将数据分成独立的数据包；对来自其他节点的数据包进行分发或接收。这些操作多由控制器自动进行，对编程者都是透明的，编程时只需对数据包在传递给控制器之前进行格式处理，大大减轻了数据封包/解包的编程工作。
在电力线网络控制器内置了用于数据信号调制/解调及转换的数据发送器和接收器，数据发送使用4个通道同时发送到pdai 。数据的每一个字节在完成了并行—串行转换之后，可以选用两种调制方式——bpsk或qpsk进行psk编码。
数据接收器为并行4通道接收器，用于接收来自pdai的4路电力线载波数据，每一个接收通道内均有独立的缓存，8051 微控制器在开始初始化接收工作后，数据包的接收由接收器完成。
电力线数据存取接口
pdai是电力线与电力线网络控制器的连接部分，主要完成信号的变换、功放、滤波等工作。其结构如图3所示。
数据接收部分：按照ofdm调制方式，数据利用4个频率通道进行调制。来自电力线的数据由带通滤波器进行滤波，每一通道的中心频率都是不同的。中频部分使用motorola公司的宽带中频电路mc13158。每一个通道使用不同的频率(频率范围为13.8mhz~18.9mhz)进行混合得到10.7mhz的中频信号。信号经陶瓷滤波器滤波后，由限幅器转换为数字信号。
数据发送部分：先由高速dac将数据转换成模拟信号，经过一个频率为2~10mhz的多阶lc带通滤波器滤波后，通过差分驱动的功率放大直接送到电力线信号耦合变压器，该耦合变压器保证了适配器的低压部分与电力线电压隔离，从而保证使用者的安全。

网络适配器的软件功能处理
电力线网络适配器的软件功能处理主要涉及三个方面：用于控制适配器工作及网络底层协议处理能力的嵌入式程序; windows下网络适配器及usb驱动程序的开发; windows 下电力线网络管理程序等。嵌入式程序使用了keil c51 调试平台，并定义了相应的芯片文件和寄存器文件。 windows 下的程序则使用vc++ 1.52 (考虑到16位程序的兼容性)及 vc++ 6.0平台。
嵌入式程序的开发主要由实现电力线交换协议的plx库及其相关的网络mac的处理和网络适配器的控制程序组成。主要利用plx库的固件接口来实现电力线交换，以及完成诸如系统初始化、usb的控制、各工