基于HomeplugAV及WiFi技術(shù)的EoC硬件及驅(qū)動設(shè)計

程鵬程，代少升，秦 瓊

（重慶郵電大學 信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065）

EoC（Ethernet over Coax）技術(shù)即利用同軸電纜傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的技術(shù)統(tǒng)稱，是下一代廣播電視網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。目前，國內(nèi)EoC技術(shù)被主要應(yīng)用在廣電HFC網(wǎng)絡(luò)的雙向改造中，主要來解決最后100 m的接入問題[2]。利用EoC技術(shù)可以在不重新鋪設(shè)線路的前提下，實現(xiàn)電視數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在同軸電纜上同傳。基于HomePlug AV技術(shù)的電力線通信的抗噪聲、抗多徑等優(yōu)點，使其在家庭通信網(wǎng)中發(fā)展很快，在最新的標準下其傳輸速率可以達到300 Mbit/s，已經(jīng)滿足一般的接入需求。但EoC在進戶后需要連接電視機和個人計算機兩個終端，如此一來會使室內(nèi)布線比較繁雜，如果能將其中一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成無線傳輸，此問題則得到解決。因此，筆者試圖將WiFi技術(shù)融入到EoC設(shè)備中，設(shè)計一款同時具備有線和無線以太網(wǎng)接入的EoC設(shè)備。

1 EoC系統(tǒng)功能需求分析

整個EoC接入網(wǎng)絡(luò)主要有兩種設(shè)備:局端EoC設(shè)備和終端（用戶端）EoC設(shè)備。局端設(shè)備放置在小區(qū)入口或樓棟入口，作為CATV數(shù)據(jù)核心網(wǎng)、以太網(wǎng)核心網(wǎng)一側(cè)和接入網(wǎng)一側(cè)的接口；終端設(shè)備放置在用戶室內(nèi)，作為接入網(wǎng)和家庭電視機、個人計算機的接口。本文的方案是針對終端EoC設(shè)備設(shè)計的。因此它的功能包括4部分:

1）完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)，使其能在同軸電纜上傳輸；

2）對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與電視信號進行混合和分離，在一個同軸電纜上分頻同傳兩種數(shù)據(jù)；

3）實現(xiàn)有線和無線兩種以太網(wǎng)傳輸方式，使得室內(nèi)布線更加簡單；

4）實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)管理接口，能讓網(wǎng)絡(luò)管理者可以遠程統(tǒng)一管理接入網(wǎng)。

綜合考慮國內(nèi)HFC網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)情況和EoC設(shè)備的市場狀況，并對Spidcom和Intellon兩大主流EoC芯片廠商的方案和性能進行分析后，筆者選擇了Spidcom公司的SPC300芯片對系統(tǒng)進行設(shè)計。

2 EoC系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，可以設(shè)計出系統(tǒng)的硬件總體框圖，如圖1所示。虛線框內(nèi)為各個模塊的組成部分。以太網(wǎng)上行信號從5類線以太網(wǎng)接入模塊或無線WiFi接入模塊進入到主處理器模塊，經(jīng)主處理器編碼和調(diào)制后交給模擬前端模塊，模擬前端模塊再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合在同軸電纜上傳輸?shù)哪M信號，并對其進行信號放大和濾波，最后交給混合/分離模塊，混合/分離模塊將轉(zhuǎn)換后的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和上行的CATV數(shù)據(jù)進行混合，然后通過混合同軸接口輸出到同軸電纜上。下行信號則是上行的逆向過程，在此不再累述。

2.1 主處理模塊

主處理模塊包括雙核處理器SPC300及其外圍芯片SDRAM，F(xiàn)lash。SPC300是一個內(nèi)嵌ARM926EJ內(nèi)核和電力線通信（PowerLine Communication，PLC）專用處理內(nèi)核的雙核處理器，其內(nèi)部框架如圖2所示。

1）ARM926內(nèi)核

ARM926基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)，具有一個采用Ja?zelle技術(shù)的增強型32位RISC CPU、靈活的大小指令和數(shù)據(jù)高速緩存、緊密耦合內(nèi)存（TCM）接口和內(nèi)存管理單元（MMU）。主要負責整個系統(tǒng)的信息交互和任務(wù)調(diào)度，此外還負責以太網(wǎng)信號的處理[3]。

2）專用HomePlug AV內(nèi)核

HomePlug AV內(nèi)核主要負責PLC的信號處理，在發(fā)射通道上將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的基帶信號通過OFDM調(diào)制，轉(zhuǎn)換成適合在電力線上傳輸?shù)男盘枺辉诮邮胀ǖ郎蟿t進行相應(yīng)的解調(diào)。

另外，本設(shè)計為了滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及提高系統(tǒng)的靈活性，需要在ARM內(nèi)核上嵌入一個Linux操作系統(tǒng)，而主處理芯片的存儲能力有限，因此必須外接Flash和SDRAM來保證操作系統(tǒng)的正常工作。

Flash的主要作用是存儲操作系統(tǒng)啟動程序（Boot?Loader）、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)等。這些程序都是在系統(tǒng)啟動時需要加載的，系統(tǒng)正常運行后很少會對其進行操作。因此，在芯片選擇上，筆者鎖定了ATMEL公司生產(chǎn)的AT26D321型號的串行Flash芯片[4]。相比于并行模式的Flash，串行Flash存儲數(shù)據(jù)的速度較慢，但是價格卻低很多，而且操作簡便，有利于調(diào)試。

SDRAM主要用于操作系統(tǒng)正常運行時的數(shù)據(jù)存儲，也就是通常所說的內(nèi)存。SDRAM的大小和存取速度應(yīng)當與處理器的速度相匹配，否則會成為系統(tǒng)運行速度的瓶頸，降低系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速度。本設(shè)計選擇三星公司的K4S281632K型號的16位16 Mbyte的SDRAM，存儲頻率最高可達133 MHz。為了配合32位處理能力的處理器，設(shè)計上需要并聯(lián)兩片SDRAM，組成32 Mbyte的SDRAM，滿足系統(tǒng)運行需求。

2.2 無線WiFi接入模塊

為了使室內(nèi)布線更加靈活簡便，本設(shè)計在以太網(wǎng)連接上增加了一種基于WiFi技術(shù)的無線以太網(wǎng)接口。無線接口模塊由無線信號處理芯片和射頻組成。無線信號處理芯片采用MARVELL公司的88W8686。

88W8686主要特點包括:單芯片集成802.11a/g/b協(xié)議無線射頻、基帶、MAC、CPU、儲存以及主機接口；集成射頻與基帶間的所有收發(fā)操作，并支持外部功率放大；為OFDM應(yīng)用完整集成了帶有優(yōu)化相位噪聲性能的頻率合成器等[5]。如圖3所示，芯片內(nèi)部主要包括CPU、基帶處理、射頻和Host接口等功能模塊，下面將分別對其進行介紹。

1）CPU模塊:88W8686內(nèi)部集成了一個基于AR?Mv5TE體系結(jié)構(gòu)的Marvell Ferocean處理器，工作頻率可達128 MHz。

2）基帶處理單元(Baseband Processor Unit，BPU):遵循IEEE 802.11協(xié)議，同時支持2.4 GHz和5 GHz兩種頻率的OFDM多載波調(diào)制，此外還支持2.4 GHz的直接序列擴頻調(diào)制。

3）無線射頻模塊:包括低噪聲放大器（LNA）、可調(diào)的增益放大器和濾波器、上下行切換器等，負責基帶信號與射頻信號間的相互轉(zhuǎn)換。

4）Host接口:支持G-SPI和SDIO兩種接口，方便用戶設(shè)計。

2.3 5類線以太網(wǎng)接入模塊

本設(shè)計同時支持無線和有線以太網(wǎng)連接，有線以太網(wǎng)接口模塊主要包括一個RJ-45接口座、網(wǎng)絡(luò)變壓器及PHY層傳輸芯片。另外考慮到網(wǎng)絡(luò)接口部分是最容易遭受雷擊損壞的部分，本設(shè)計還為有線以太網(wǎng)模塊加入了防雷設(shè)計。

以太網(wǎng)信號由RJ-45接口座進入設(shè)備后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器（20PT1024）進行電氣隔離及電平匹配再進入到PHY傳輸芯片（IP175D）進行物理層數(shù)據(jù)處理，最后由SPC300主芯片進行更上層的數(shù)據(jù)處理。而防雷芯片（SLVU2.8）則并聯(lián)在RJ-45接口座與網(wǎng)絡(luò)變壓器之間，可以抵御最高4 kV的雷擊損害。

2.4 模擬前端模塊

模擬前端模塊負責數(shù)字信號與同軸電纜上傳輸?shù)哪M信號進行轉(zhuǎn)換，主要完成數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬信號放大、濾波以及同軸信號混合/分離等功能。

1）數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換:采用ADI公司的AD9867芯片，該芯片集成數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩種功能，工作在半雙工模式。由工作模式輸入口確定是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換還是數(shù)模轉(zhuǎn)換。AD9867是一款10位的AD/DA芯片，最高轉(zhuǎn)換速率可達80 Mbit/s。

2）模擬信號放大:采用電力線通信專用對偶運算放大器ISL1571，具有250 MHz的高帶寬以及21 dBm的輸出功率。

3）濾波及混合分離:采用佳興利公司的EoC專用混合分離器，內(nèi)部集成帶通濾波器，選用DIP30/47型號，將低于30 MHz與高于47 MHz的信號有效地進行分離及混合。

3 EoC系統(tǒng)底層驅(qū)動設(shè)計

采用嵌入式Linux作為EoC的操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有3個方面:1）Linux開放源代碼，用戶可以根據(jù)需要去剪裁或修改操作系統(tǒng)；2）Linux的內(nèi)核高效精簡，最小可達134 kbyte；3）Linux操作系統(tǒng)是免費的。

EoC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括上層應(yīng)用程序、API接口、操作系統(tǒng)和底層硬件驅(qū)動。Linux操作系統(tǒng)作為一個操作平臺，負責其余部分的調(diào)度和資源分配。上層軟件通過API接口調(diào)用系統(tǒng)資源，實現(xiàn)各種應(yīng)用功能，如網(wǎng)絡(luò)管理、FTP等[6-7]。而底層驅(qū)動則負責硬件設(shè)備的模式控制與數(shù)據(jù)交互。在此，筆者將重點介紹WiFi模塊的驅(qū)動設(shè)計。

3.1 WiFi接入模塊驅(qū)動設(shè)計

SPC300主芯片與88W8686 WiFi芯片采用SPI接口，WiFi驅(qū)動程序包括WLAN驅(qū)動和SPI驅(qū)動兩部分。SPI驅(qū)動負責芯片間的數(shù)據(jù)交互，可以采用Linux內(nèi)核自帶的驅(qū)動程序。而WLAN驅(qū)動程序作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，主要負責上層應(yīng)用軟件和WiFi硬件的數(shù)據(jù)交互。即接收上層應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)，經(jīng)由SPI接口發(fā)送到WiFi設(shè)備；同時響應(yīng)WiFi的硬件中斷，從硬件設(shè)備的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上層軟件。

3.1.1 WLAN初始化

WLAN初始化主要由wlan_add_card()函數(shù)完成，函數(shù)工作流程如圖5所示。

1）執(zhí)行sbi_probe_card()函數(shù)進行設(shè)備檢測，如果檢測到可用的無線網(wǎng)卡，則調(diào)用Linux的alloc_etherdeve()函數(shù)創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的結(jié)構(gòu)體structnet_device，并將其初始化。

圖5 WLAN初始化流程圖

2）調(diào)用wlan_create_thread()函數(shù)創(chuàng)建服務(wù)主線程wlan_serveice_main_thread，作為WLAN驅(qū)動程序主要工作的服務(wù)線程。此線程主要響應(yīng)WiFi硬件設(shè)備端產(chǎn)生的中斷事件和轉(zhuǎn)發(fā)來自上層應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)到WiFi硬件設(shè)備。

3）調(diào)用wlan_create_thread()函數(shù)創(chuàng)建wlan_reasso?ciation_thread線程，如果連接發(fā)生斷開，則此線程會自動重新連接終端。

4）通過sbi_register_dev()函數(shù)注冊WLAN設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)體（structnet_device）中的網(wǎng)卡硬件設(shè)備相關(guān)信息進行賦值，并對相關(guān)的IRQ進行處理。

5）調(diào)用wlan_init_fw()函數(shù)初始化固件并將其儲存到WiFi硬件設(shè)備上。

6）調(diào)用register_netdev()函數(shù)注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，函數(shù)將返回一個設(shè)備ID，此ID是上層應(yīng)用軟件對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一個標識號，上層軟件的所有調(diào)用都將通過此ID來標識。

3.1.2 WLAN發(fā)送數(shù)據(jù)

WLAN驅(qū)動在數(shù)據(jù)發(fā)送時引入WMM（WiFi Multi Media）機制來保障數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS。WLAN驅(qū)動通過wlan_hard_start_xmit()來發(fā)送數(shù)據(jù)，當負責緩存上層應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)的sk_buff結(jié)構(gòu)接收到數(shù)據(jù)時，此函數(shù)將調(diào)用wlan_tx_packet()函數(shù)，把接收到的緩存數(shù)據(jù)添加到WMM隊列，然后返回到主線程wlan_ser?veice_main_thread處理數(shù)據(jù)。主線程將根據(jù)WMM隊列內(nèi)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級進行發(fā)送，完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS。

3.1.3 WLAN接收數(shù)據(jù)

WLAN驅(qū)動的接收程序是通過中斷調(diào)用的，當WiFi模塊接收到數(shù)據(jù)后會向系統(tǒng)產(chǎn)生一個中斷。系統(tǒng)通過中斷，調(diào)用sbi_get_int_status()函數(shù)來申請一個sk_buff緩沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，通過sbi_card_to_host()函數(shù)把WiFi設(shè)備的數(shù)據(jù)包讀取出來并放到緩沖區(qū)內(nèi)，并將該緩沖數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)接收隊列。最后wlan_send_rxskbQ()會調(diào)用Pro?cessRxedPacket()函數(shù)處理接收隊列內(nèi)的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給上層應(yīng)用程序。

3.2 其他模塊驅(qū)動設(shè)計

由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核本身就集成有很多常用硬件的驅(qū)動，如有線網(wǎng)卡驅(qū)動及數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。本文設(shè)計的EoC系統(tǒng)將采用Linux系統(tǒng)集成的驅(qū)動，或在現(xiàn)有驅(qū)動的基礎(chǔ)上加以修改，而不再重新設(shè)計。

4 小結(jié)

本文設(shè)計的EoC系統(tǒng)采用HomePlug AV技術(shù)，實現(xiàn)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CATV數(shù)據(jù)在同軸電纜上的分頻同傳，在無需重新鋪設(shè)5類線的前提下很好地解決了寬帶業(yè)務(wù)最后100 m的接入問題，為廣電集團在雙向網(wǎng)絡(luò)改造上提供了一種優(yōu)秀的選擇。另外，WiFi作為目前的主流無線接入方式，也被加入到設(shè)備設(shè)計上。這大大地方便了室內(nèi)布線的工作，也使本設(shè)計在同類型產(chǎn)品上更加具有市場競爭力。

[1]金立標，張乃謙，李鑒增.面向NGB的EoC接入網(wǎng)技術(shù)分析[J].電視技術(shù)，2010，34（6）:57-59.

[2]曾為.HomePlug在EoC中的應(yīng)用[J].有線電視技術(shù)，2009（11）:18-20.

[3]SPIDCOM.SPC300 Datasheet[EB/OL].[2011-02-18].http://www.spid?com.com/cn/solutions/spc300eoc.

[4]孔令彬，李有善，葛康.基于Homeplug BPL技術(shù)的EoC系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù)，2009，42（3）:135-137.

[5]MARVELL公司.88W8686Datasheet[EB/OL].[2011-02-18].http://www.arm 9board.net/download/FL6410/datasheet/mavell_88w8686.pdf.

[6]劉芳華，周鳳星.Linux下Wi-Fi驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2011，32（3）:1-3.

[7]龍新輝，陳俊杰.基于嵌入式Linux的以太網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船電子工程，2011，31（3）:143-146.