基于230 MHz電力頻段的專用LTE射頻芯片的設(shè)計(jì)

◆盧 剛楊吉輝武 俠劉 晗柳培忠

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司 山東 264000；2.國網(wǎng)山東省電力公司 山東 250001；3.廈門大學(xué) 福建 361005）

行業(yè)與應(yīng)用安全

基于230 MHz電力頻段的專用LTE射頻芯片的設(shè)計(jì)

◆盧 剛1楊吉輝1武 俠1劉 晗2柳培忠3

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司 山東 264000；2.國網(wǎng)山東省電力公司 山東 250001；3.廈門大學(xué) 福建 361005）

本文針對(duì)傳統(tǒng)電路采用器件分立技術(shù)有占據(jù)空間大、成本高的問題，定制開發(fā)了電力專用射頻芯片。著重介紹了射頻芯片的設(shè)計(jì)方法，列舉了開發(fā)使用的關(guān)鍵技術(shù)。該芯片內(nèi)部集成射頻和數(shù)字信號(hào)處理部分以及MCU，與目前市面上的芯片相比，具有集成度高、固件加固、支持自動(dòng)化測(cè)試等優(yōu)勢(shì)。此芯片性能、功耗均達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化的要求。

LTE230；無線通信；射頻芯片；智能電網(wǎng)；TD-LTE

0 引言

從2008年起，關(guān)于智能電網(wǎng)的發(fā)展開始被國家電網(wǎng)公司及其相關(guān)機(jī)構(gòu)關(guān)注與研究，第二年三月提出了“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，中國智能電網(wǎng)正式進(jìn)入前期研究階段，并進(jìn)一步提出了智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展構(gòu)想。為了全面快速地建成統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，國家電網(wǎng)公司加大了對(duì)該系統(tǒng)的建設(shè)力度。

目前，在無線專網(wǎng)的建設(shè)過程中，嘗試采用了多種無線通信制式，包含230M電臺(tái)專網(wǎng)、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球微波互聯(lián)接入）, Mobitex專網(wǎng)、GPRS公網(wǎng)（General Packet Radio Service，通用分組無線服務(wù)技術(shù)),CDMA公網(wǎng)(Code Division Multiple Access，碼分多址)和LTE230[1,2]，對(duì)比以上幾種制式以及經(jīng)過多年在各個(gè)地區(qū)的試驗(yàn)點(diǎn)的考察結(jié)果，LTE230更為適合，該方式有覆蓋范圍廣、成本低、電力頻段免費(fèi)等好處，是國網(wǎng)無線建設(shè)的4G通信標(biāo)準(zhǔn)的重要參考。

新型 230MHz電力無線寬帶通信系統(tǒng)可以解決電力輸電網(wǎng)以往存在的問題[3]，能滿足電網(wǎng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率要求，可有效節(jié)省帶寬資源，從而提高了施工過程中的效率。在骨干電網(wǎng)建好之后，會(huì)有實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，以最快的速度搶修線路，是電力光纜通信的一種良好補(bǔ)充，改善了以往通信方式的單一不全面。

LTE230射頻芯片的研發(fā)，能進(jìn)一步完善智能電網(wǎng)的性能，也是對(duì)智能電網(wǎng)中配電自動(dòng)化系統(tǒng)一種必要的補(bǔ)充。智能電網(wǎng)的通信方式有無線通信和有線通信，無線電力通信以其獨(dú)特的特點(diǎn)在國家電網(wǎng)通信系統(tǒng)中起著越來越重要的作用。在無線通信領(lǐng)域中，射頻技術(shù)具有廣泛的、不可替代的作用，射頻芯片的發(fā)展程度，能否商用對(duì)電力無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平具有決定性的作用。由于傳統(tǒng)的電路采用器件分立技術(shù)，這種傳統(tǒng)技術(shù)需要占用大量的空間面積，成本花費(fèi)高，在智能電網(wǎng)中研發(fā)出內(nèi)部集成了數(shù)字信號(hào)處理部分以及 MCU、固件加固、自動(dòng)化測(cè)試等多種功能的射頻芯片，具有集成度高、低功耗多功能、低成本、節(jié)約測(cè)試時(shí)間等突出優(yōu)勢(shì)，將為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)提供巨大的便捷以及用電信息的采集、配電自動(dòng)化、視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。射頻技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，目前仍處于開拓狀態(tài)，該芯片的研發(fā)成功在未來有很大的市場(chǎng)及實(shí)用性。

1 智能電網(wǎng)無線通信技術(shù)對(duì)比

根據(jù)對(duì)主要無線帶寬技術(shù)的頻譜情況、覆蓋范圍程度及業(yè)務(wù)支持情況分析，LTE230系統(tǒng)和LTE 1800, McWill(Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環(huán)路)制式對(duì)電力業(yè)務(wù)是支持的。

綜合分析，LTE230系統(tǒng)效果最優(yōu)，在頻譜政策、電力業(yè)務(wù)適用性、應(yīng)用廣泛性和可維護(hù)性上都有不同程度的優(yōu)勢(shì)，是智能電網(wǎng)無線通信的首選系統(tǒng)[1,3]。

表1 智能電網(wǎng)無線通信技術(shù)對(duì)比

2 LTE230相關(guān)介紹

2.1 TD-LTE核心技術(shù)

（1）OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù))

通過將不同頻率中的多種信號(hào)合并為單一的信號(hào)來完成無線通信系統(tǒng)中的傳送信號(hào)，可以大大消除子載波間的干擾，而且在頻譜資源有限的無線環(huán)境中，可以極大地提高系統(tǒng)的頻譜效率。

（2）MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出系統(tǒng))

該技術(shù)有下行MIMO技術(shù)和上行MIMO技術(shù)兩種，其中下行鏈路中還包括發(fā)射分集、空分復(fù)用和波束賦形；上行 MIMO實(shí)際上是一個(gè)虛擬系統(tǒng)，用于開發(fā)空間維度資源，用到的算法方案有隨機(jī)配對(duì)、正交配對(duì)、基于路徑損耗和慢衰落排序的配對(duì)。MIMO技術(shù)最大的特點(diǎn)在于利用空間多徑因素成倍提高通信系統(tǒng)的容量、擴(kuò)大覆蓋范圍和頻譜效率。

（3）鏈路自適應(yīng)

該技術(shù)通過AMC（Adaptive modulation of encoding，自適應(yīng)調(diào)制編碼）、HARQ（Hybrid automatic repeat request，混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳）、動(dòng)態(tài)功率控制來實(shí)現(xiàn)其功能?？梢赃_(dá)到最大限度發(fā)送信息，使得誤碼率達(dá)到更低，同時(shí)發(fā)射功率保持恒定，把不同用戶間的干擾降低，滿足多種業(yè)務(wù)的不同需求，提高系統(tǒng)的整體性能及吞吐量。

2.2 LTE230系統(tǒng)

由于無線公網(wǎng)接入存在多方面的問題，使其不適合作為智能電網(wǎng)的主要通信方式。LTE230專網(wǎng)具有安全可靠、干擾較小、可維護(hù)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)，成為解決電力通信發(fā)展的重要手段，是為智能電網(wǎng)量身定制的系統(tǒng)。LTE230系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道安全穩(wěn)定快速，并提供相應(yīng)設(shè)備和模塊的配置管理功能，組網(wǎng)方式靈活多樣，建設(shè)成本及后期維護(hù)成本都相對(duì)較低。該系統(tǒng)主要分為以下幾部分：

（1）UE( User Experience，接入終端)

該終端模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控復(fù)雜地區(qū)的突發(fā)狀況和故障，可與系統(tǒng)中的多種終端設(shè)備進(jìn)行直接通信。其優(yōu)勢(shì)在于成本低、空間占據(jù)體積小、適用于電網(wǎng)行業(yè)、關(guān)鍵技術(shù)前沿、快速靈活等。

（2）eNodeB(基站)

該系統(tǒng)的無線基站，其工作頻段為230MHz，能夠接入多路用戶，在系統(tǒng)中用于支持無線信號(hào)的覆蓋范圍程度，完成終端無線接入控制。有固定基站和車載兩種類型。

（3）EPC(Envoled Packet Core,無線核心網(wǎng)設(shè)備)

該系統(tǒng)的核心網(wǎng)為演進(jìn)型核心網(wǎng)設(shè)備，接在主站和無線接入網(wǎng)絡(luò)之間，通過LTE230 EPC，能夠完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸、終端認(rèn)證、終端IP地址管理、移動(dòng)性管理等核心網(wǎng)功能。

（4）eOMC(electronic Operation and Maintenance Center,操作維護(hù)中心)

該系統(tǒng)的操作維護(hù)中心主要對(duì)現(xiàn)存的電力信息管理進(jìn)行融合，對(duì)LTE230網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)網(wǎng)元進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地統(tǒng)一集中調(diào)度指揮管理及運(yùn)維。

3 電力無線寬帶通信系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案選擇

工藝平臺(tái)：130nm RFCMOS 工藝平臺(tái)。

收發(fā)機(jī)架構(gòu)：接收機(jī)采用低中頻架構(gòu)。通過復(fù)數(shù)濾波器進(jìn)行信號(hào)處理，濾除帶外及鏡像干擾。利用高精度 ADC 提供大部分動(dòng)態(tài)范圍。由于目標(biāo)是低成本方案，發(fā)射機(jī)基本都采用直接變頻架構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、集成度高。

調(diào)制解調(diào)方案：采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)方案。在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)基帶信號(hào)的解調(diào)，在模擬域進(jìn)行下變頻正交解調(diào)。在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)基帶信號(hào)調(diào)制，在頻綜或上變頻調(diào)制器實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制（發(fā)射架構(gòu)二選一或兩者同時(shí)兼容）。

3.2 總體設(shè)計(jì)思路

高精度 ADC：在低中頻接收機(jī)中，為了降低模擬信號(hào)處理的復(fù)雜度從而節(jié)省功耗和面積，最終的頻道選擇、信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)、信號(hào)解調(diào)都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)。模擬基帶只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行粗略的濾波和幅度調(diào)整。進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的除了信號(hào)外還有各種干擾。ADC的底噪需要足夠低以保證足夠的信噪比，線性輸入范圍需要足夠大以便能夠保證干擾、直流失調(diào)分量數(shù)字化的線性度，產(chǎn)生的交調(diào)分量不會(huì)影響信噪比。

電源管理：為了實(shí)現(xiàn)芯片低功耗的特性，簡(jiǎn)化應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，芯片的電源管理部分需要實(shí)現(xiàn)片上DC-DC或 LDO功能。片上DCDC 產(chǎn)生的幾百KHz級(jí)的開關(guān)頻率很容易耦合到壓控振蕩器的調(diào)協(xié)端，使得本振信號(hào)不純，影響系統(tǒng)性能。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了需要將 DCDC與敏感模擬電路隔離外，還需仔細(xì)選擇開關(guān)頻率，減小對(duì)VCO的干擾。使用片上LDO供電噪聲較小，但是供電效率較低。

射頻模擬部分與基帶部分SOC實(shí)現(xiàn)：射頻與基帶的配合，仿真階段很難發(fā)現(xiàn)問題，需要整體聯(lián)調(diào)比較充分。為減小數(shù)字基帶功耗，實(shí)現(xiàn)上采用ASIC代替DSP核，但存在靈活性的風(fēng)險(xiǎn)，需要充分仿真驗(yàn)證，芯片測(cè)試驗(yàn)證，特別是在初步方案中對(duì)各種工作條件下的測(cè)試驗(yàn)證，全面發(fā)現(xiàn)問題并一次性加以修改。

SOC芯片在方案中的驗(yàn)證：新SOC芯片可能無法與原有芯片直接pin-to-pin，因此在方案中的測(cè)試驗(yàn)證需要有一個(gè)平臺(tái)，靈活地進(jìn)行。可以考慮將SOC 主芯片作為一個(gè)模塊，MCU及IO和人機(jī)界面部分作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，替他部分作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊。以三個(gè)模塊搭成完整的測(cè)試驗(yàn)證方案平臺(tái)，只需替換 SOC主芯片模塊即可完成各種功能和性能的方案驗(yàn)證。

3.3 SOC芯片架構(gòu)

3.3.1 SOC芯片總體架構(gòu)

通過以上對(duì)設(shè)計(jì)的分析，研發(fā)出230 MHz電力頻段的專用LTE射頻芯片。該芯片內(nèi)部集成8位MCU(需外接Flash)，節(jié)省了方案面積和BOM成本。該芯片總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 芯片總體架構(gòu)圖

3.3.2 數(shù)字基帶（ DBB DSP）架構(gòu)

該芯片發(fā)送端和接收端的架構(gòu)圖，如圖2，圖3所示。

（1）發(fā)送端

圖2 發(fā)送端架構(gòu)圖

（2）接收端

圖3 接收端架構(gòu)圖

3.3.3 SOC芯片功能介紹

本芯片除了具有射頻芯片的基本功能外，還在芯片內(nèi)部集成8位 MCU，并在內(nèi)部集成了語音，支持固件加固，支持產(chǎn)線自動(dòng)化測(cè)試，大大提高了測(cè)試效率。

（1）內(nèi)部集成語音

本芯片內(nèi)部集成ROM語音，可以滿足無屏機(jī)使用，不需要外接一顆語音處理芯片，同時(shí)內(nèi)部集成語音解壓縮代碼，在高端機(jī)場(chǎng)合支持將語音存儲(chǔ)到外接Flash內(nèi)，使用內(nèi)部解壓縮播放語音，并且支持?jǐn)?shù)字和模擬兩種音量控制方式，節(jié)省硬件空間和成本，集成度更高。

工作原理圖如圖4 所示。

圖4 語音集成原理圖

（2）支持固件加固

該芯片內(nèi)部集成了 128Byte e-fuse，用于固件加密。因?yàn)樾酒腎D每一顆或者每一批不同，因此即使固件程序被破譯，該程序在別的ID芯片上是不能正常運(yùn)行的，可以有效的保護(hù)方案商和終端廠商的方案，不會(huì)被抄襲，可保證智能電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，信息不外泄。具體方式如圖5所示。

圖5 固件加固原理圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

目前的產(chǎn)線測(cè)試一般采用的是綜測(cè)儀進(jìn)行，而且需要進(jìn)行很多步驟的測(cè)試，增加了整機(jī)的成本。該芯片研發(fā)過程中，在芯片內(nèi)部建立測(cè)試通路，開發(fā)自動(dòng)化測(cè)試程序，只需要電腦和該智能電網(wǎng)相互通信即可完成測(cè)試，通過開發(fā)軟件點(diǎn)擊“測(cè)試”，最終顯示“PASS”和“FAIL”來提示測(cè)試結(jié)果。節(jié)省了智能電網(wǎng)的硬件成本，節(jié)省了人力成本。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在230MHZ電力頻段的LTE無線通信系統(tǒng)中，射頻芯片用于接收無線信號(hào)。通過對(duì)數(shù)據(jù)率不同的情況下的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，射頻芯片性能測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 數(shù)據(jù)率=14.96Mbps

表3 數(shù)據(jù)率=14296Mbps

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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線通信的要求，具有高性能、低功耗、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。該射頻芯片的成功研制填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的產(chǎn)品空白，為電力無線專網(wǎng)LTE230的建設(shè)和無線電網(wǎng)技術(shù)的推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。作為國家戰(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，不僅提高了電力無線通信專網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)能力和應(yīng)用前景。也提高了電網(wǎng)的互動(dòng)化水平，為國家電網(wǎng)推廣堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的目標(biāo)提供了可靠依據(jù)。該的研發(fā)具有非常重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

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本文項(xiàng)目支撐：煙臺(tái)科技項(xiàng)目編號(hào)：5206051400K9; 濰坊科技項(xiàng)目編號(hào)是：5206041400TP