0 引言

　　根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，國(guó)家電網(wǎng)計(jì)劃到2020年全面建設(shè)統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[1]，作為統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，國(guó)家電網(wǎng)公司加大了用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)力度，計(jì)劃在2015年之前實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的所有電力用戶的“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”。當(dāng)前電力通信存在的主要問(wèn)題在于通信接入，電力無(wú)線通信作為電力通信接入網(wǎng)的主要方式，已在用電信息采集系統(tǒng)中大量采用，對(duì)即將大力推進(jìn)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)也將是一種必要的補(bǔ)充，同時(shí)也是移動(dòng)巡檢和應(yīng)急通信的有效通信方式。目前的無(wú)線通信產(chǎn)品采用的核心芯片均來(lái)自國(guó)外廠商，在安全性方面存在巨大隱患；此外缺乏統(tǒng)一的安全保障體系、無(wú)線通信制式的多樣性等因素帶來(lái)的安全性、實(shí)時(shí)性、服務(wù)保障等方面的不足嚴(yán)重制約了電力無(wú)線通信的發(fā)展。

　　無(wú)線通信是國(guó)家電網(wǎng)電力通信系統(tǒng)的一種重要方式，經(jīng)歷了2G GPRS、3G、4G的發(fā)展歷程。目前，國(guó)網(wǎng)致力于無(wú)線專網(wǎng)的建設(shè)，包括以普天為代表的LTE230系統(tǒng)、華為的1.8G專網(wǎng)系統(tǒng)、中興的1.4G專網(wǎng)系統(tǒng)。這三類技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了2、3年的不同地區(qū)的試點(diǎn)，LTE230無(wú)線通信系統(tǒng)的覆蓋距離遠(yuǎn)(是1.8G的5~6倍)、成本低、電力頻段免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)正在慢慢突顯，很有希望成為國(guó)網(wǎng)無(wú)線建設(shè)的4G通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　LTE230寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍非常廣，涉及配網(wǎng)自動(dòng)化、用電信息采集、巡檢、石油與林業(yè)監(jiān)控等。LTE230系統(tǒng)的試點(diǎn)區(qū)域幾乎已經(jīng)遍布全國(guó)，國(guó)網(wǎng)區(qū)域包括北京、寧夏、浙江、江蘇、河北、新疆等；南網(wǎng)有廣州、深圳等。大量的試點(diǎn)推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)達(dá)到可以產(chǎn)業(yè)化的程度，今年工信部給包括南瑞智芯、普天在內(nèi)的六家單位投資1.58個(gè)億，作為L(zhǎng)TE230系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的專項(xiàng)扶持資金。

　　在無(wú)線通信領(lǐng)域中，核心基帶芯片是否成熟，能否商用是制約電力無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。由于230 MHz頻譜的不連續(xù)性，而公網(wǎng)的通用LTE芯片僅僅支持連續(xù)頻譜，因此亟需開(kāi)發(fā)一款適用于不連續(xù)頻譜的電力基帶核心芯片，從而大幅度降低終端產(chǎn)品的成本，滿足LTE230寬帶通信系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的要求。這款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高可靠、低功耗、低成本、通用性強(qiáng)的230 MHz無(wú)線通信芯片及無(wú)線終端，將為配網(wǎng)自動(dòng)化、農(nóng)網(wǎng)信息化、用電信息采集、在線監(jiān)測(cè)、應(yīng)急通信、分布式能源調(diào)度管理等業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 公網(wǎng)LTE通信芯片

　　1.8 GHz和1.4 GHz專網(wǎng)通信系統(tǒng)使用的核心芯片都是支持連續(xù)頻譜的。

　　1.1 230 MHz頻譜特性

　　223~235 MHz可用于遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸，目前主要被電力、能源、軍隊(duì)、氣象、地震、水利、地礦、輕工、建設(shè)等行業(yè)使用；還有360個(gè)頻點(diǎn)由各地市無(wú)線電管理處自行審批。頻點(diǎn)離散，電力行業(yè)擁有40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)，是授權(quán)頻點(diǎn)最多的行業(yè)，很好地適應(yīng)了電力系統(tǒng)的應(yīng)用需求。電網(wǎng)在223~235 MHz中分配的專有頻帶如圖1所示，共有15對(duì)上下行間隔為7 MHz的子帶和10個(gè)單獨(dú)的時(shí)分子帶可以使用，每個(gè)子帶的帶寬為25 kHz，共提供1 MHz帶寬。

　　現(xiàn)有的230 MHz的數(shù)傳電臺(tái)使用的是25 kHz的子帶，數(shù)據(jù)速率只有十幾kb/s，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，發(fā)射功率5 W以上，頻譜利用率低。230 MHz的頻譜不連續(xù)性是開(kāi)發(fā)無(wú)線寬帶系統(tǒng)過(guò)程中的棘手問(wèn)題。

　　1.2 LTE通信芯片

　　LTE通信芯片的開(kāi)發(fā)廠商有高通、重郵信科、聯(lián)芯、展訊等國(guó)內(nèi)外公司，大多都兼容3 G、2 G，支持五模十頻模式。目前，流片工藝結(jié)點(diǎn)越來(lái)越小，由之前的40 nm逐步過(guò)渡到28 nm，甚至是20 nm。其內(nèi)部的系統(tǒng)架構(gòu)基本相似，CPU往往采用ARM公司的高端內(nèi)嵌式系列，DSP通常選用Ceva公司提供的內(nèi)嵌式系列，外部采用DDR的大容量緩存。在DSP上運(yùn)行基帶程序，支持連續(xù)頻譜寬帶，從5 MHz～20 MHz不等，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到150 Mb/s。LTE系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2 230 MHz電力寬帶系統(tǒng)原型

　　TD-LTE 230 MHz電力無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)采用第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-LTE設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)授權(quán)的223 MHz～225 MHz頻段內(nèi)40個(gè)離散窄帶載波的寬帶業(yè)務(wù)傳輸。該系統(tǒng)根據(jù)230 MHz無(wú)線頻譜衰減模型、電力設(shè)施部署情況，開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、協(xié)議改進(jìn)、時(shí)延控制等專業(yè)設(shè)計(jì)，具有廣覆蓋、大容量、低成本等組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，可以有效解決現(xiàn)有電力無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜效率低、組網(wǎng)能力弱、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，是構(gòu)建智能電網(wǎng)信息通信體系的重要技術(shù)。FPGA原型系統(tǒng)如圖3所示。

　　(1)RF芯片

　　采用支持230 MHz頻段的RF芯片，把空中230 MHz頻段的信號(hào)變?yōu)?.5 MHz采樣的數(shù)據(jù)信號(hào)。

　　(2)CPLD功能

　　內(nèi)部通過(guò)信號(hào)處理的方法，把8.5 MHz的信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)；頻譜由不連續(xù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)頻段。

　　(3)DSP功能

　　對(duì)FPGA送入的基帶信號(hào)進(jìn)行處理，解析出數(shù)據(jù)幀，同時(shí)通過(guò)內(nèi)部的MCU完成LTE協(xié)議棧的功能。

3 電力無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)

　　3.1 芯片化的必要性

　　現(xiàn)有FPGA+DSP的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案存在著成本高、功耗大、外圍器件過(guò)多的情況，因此原型系統(tǒng)芯片化是一個(gè)必要的選擇。

　　FPGA+DSP+RAM集成到一顆芯片中，簡(jiǎn)化板級(jí)系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也會(huì)大大降低系統(tǒng)的成本和功耗。

　　3.2 芯片主要規(guī)格

　　該芯片采用單DSP、內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器、低功耗模式等專業(yè)設(shè)計(jì)，采用第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-LTE設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電力行業(yè)授權(quán)離散載波的聚合，利用頻譜感知自動(dòng)識(shí)別可用頻段，是構(gòu)建智能電網(wǎng)信息通信體系的重要支撐。

　　此芯片將公網(wǎng)LTE技術(shù)應(yīng)用到電網(wǎng)專有頻帶上，在前端增加了中頻到基帶的處理單元，解決了頻帶離散帶來(lái)的系統(tǒng)挑戰(zhàn)，沿用了TD-LTE中先進(jìn)的下行OFDM[5，8]、上行SC-FDMA技術(shù)，以及Turbo信道解碼和QAM64高階調(diào)制，能夠在單子帶（25K）中提供上行43.99 kb/s、下行17.78 kb/s的傳輸速率，5個(gè)子帶同時(shí)使用將可達(dá)到上行219.95 kb/s、下行88.9 kb/s的傳輸能力，能夠滿足配電與用電信息采集的數(shù)據(jù)速率要求[9]。芯片整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　3.3 芯片關(guān)鍵技術(shù)

　　3.3.1 中頻處理單元

　　在芯片中，RF芯片將230 MHz信號(hào)搬移到中頻段，使用采樣時(shí)鐘為12.8 MHz的AD對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，芯片內(nèi)置獨(dú)立的NCO分別將不同的子帶搬移到基帶處理，從而完成了不連續(xù)頻段到連續(xù)頻段的轉(zhuǎn)換。

　　3.3.2 單DSP架構(gòu)

　　能夠處理5個(gè)子帶的上下行數(shù)據(jù)運(yùn)算量，完成turbo軟解碼、FFT等工作；同時(shí)為了支持TD_LTE的MAC協(xié)議棧，需要運(yùn)行小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它作為芯片物理層的核心，是整個(gè)芯片物理層的主導(dǎo)者，其性能決定了整個(gè)芯片物理層的主體架構(gòu)和最終性能。

　　3.3.3 內(nèi)置2 MB存儲(chǔ)器

　　在芯片處理數(shù)據(jù)的過(guò)程，需要緩存發(fā)送與接收數(shù)據(jù)報(bào)文；DSP處理器作為物理層的處理單元，在運(yùn)行過(guò)程中需要占用大量的內(nèi)存，來(lái)加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度。市面上的無(wú)線通信芯片都是采用外置SDRAM的方式，此芯片為了節(jié)省板級(jí)BOM成本與系統(tǒng)功耗，內(nèi)置了高達(dá)2 MB的存儲(chǔ)器。

　　3.3.4 三級(jí)總線架構(gòu)

　　使用先進(jìn)的AMBA 3.0總線協(xié)議，高性能的設(shè)備都掛在AXI總線上，低性能的設(shè)備都掛在APB總線，從而合理解決了芯片性能與功耗的平衡問(wèn)題。DSP處理器作為物理層的處理單元，擁有本地的內(nèi)部總線架構(gòu)，128位數(shù)據(jù)和256位的程序總線，分別用來(lái)訪問(wèn)本地的數(shù)據(jù)/程序（D/P TCM）和cache 存儲(chǔ)器。芯片內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

　　3.3.5 低功耗設(shè)計(jì)

　　無(wú)線通信芯片對(duì)功耗有很高的要求，在芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用了多種技術(shù)來(lái)控制芯片的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。

　　針對(duì)靜態(tài)功耗，將采用多種工藝庫(kù)組合的方式來(lái)降低漏電；對(duì)運(yùn)行速度不高的電路，盡量選用HVT Cell；在Memory選擇時(shí)，在滿足性能的同時(shí)盡可能地選用低速M(fèi)emory。

　　針對(duì)動(dòng)態(tài)功耗，芯片中采用了多種方式來(lái)降低電路的翻轉(zhuǎn)率，其中包括軟件可控的門控時(shí)鐘、運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)控制的門控時(shí)鐘及其兩者相結(jié)合的方式。

　　同時(shí)芯片采用了多電源域的設(shè)計(jì)方案，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可動(dòng)態(tài)地關(guān)掉一些暫時(shí)無(wú)需運(yùn)行的子系統(tǒng)或電路的供電，使其靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗都降為零。

4 系統(tǒng)測(cè)試

　　在TD-LTE230無(wú)線通信系統(tǒng)中，通過(guò)RF芯片接收無(wú)線信號(hào)并進(jìn)行AD/DA轉(zhuǎn)換，由基帶芯片完成中頻到基帶的轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成基帶處理與MAC層協(xié)議處理，把數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口UART發(fā)送或接收。

　　應(yīng)用原理圖如圖6所示，其相應(yīng)的性能參數(shù)如表1，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足應(yīng)用要求。

　　4.1 DSP性能測(cè)試

　　芯片中內(nèi)置DSP，用來(lái)完成基帶處理程序。基帶各種算法的處理性能可以作為內(nèi)部DSP性能好壞的依據(jù)。

　　4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

　　終端模塊接入基站，與基站進(jìn)行通信，測(cè)試系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)。芯片性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

5 結(jié)論

　　本芯片的設(shè)計(jì)規(guī)格切實(shí)符合電力市場(chǎng)的應(yīng)用需求，其功能與性能均滿足電力無(wú)線通信的要求，具有高性能、低功耗、長(zhǎng)距離的明顯優(yōu)勢(shì)。電力無(wú)線寬帶通信基帶芯片的成功研制填補(bǔ)了我國(guó)在該電力技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品空白，為電力無(wú)線專網(wǎng)的建設(shè)和技術(shù)的推廣奠定了經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，也是國(guó)內(nèi)唯一一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片。作為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的智能電網(wǎng)和高性能芯片設(shè)計(jì)的重要結(jié)合產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)首款TD-LTE 230 MHz電力無(wú)線寬帶通信基帶芯片的研發(fā)具有非常重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。

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