0 引言

　　根據(jù)《國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，國家電網(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題在于通信接入,，電力無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，對即將大力推進(jìn)的配電自動化系統(tǒng)也將是一種必要的補(bǔ)充，同時也是移動巡檢和應(yīng)急通信的有效通信方式,。目前的無線通信產(chǎn)品采用的核心芯片均來自國外廠商,，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,、無線通信制式的多樣性等因素帶來的安全性,、實(shí)時性、服務(wù)保障等方面的不足嚴(yán)重制約了電力無線通信的發(fā)展,。

　　無線通信是國家電網(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，國網(wǎng)致力于無線專網(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)過了2,、3年的不同地區(qū)的試點(diǎn)，LTE230無線通信系統(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)勢正在慢慢突顯，很有希望成為國網(wǎng)無線建設(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,，國網(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個億，作為LTE230系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的專項(xiàng)扶持資金,。

　　在無線通信領(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。這款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠,、低功耗,、低成本、通用性強(qiáng)的230 MHz無線通信芯片及無線終端,，將為配網(wǎng)自動化,、農(nóng)網(wǎng)信息化、用電信息采集,、在線監(jiān)測,、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、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個頻點(diǎn)由各地市無線電管理處自行審批,。頻點(diǎn)離散,，電力行業(yè)擁有40個授權(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對上下行間隔為7 MHz的子帶和10個單獨(dú)的時分子帶可以使用，每個子帶的帶寬為25 kHz,，共提供1 MHz帶寬,。

　　現(xiàn)有的230 MHz的數(shù)傳電臺使用的是25 kHz的子帶，數(shù)據(jù)速率只有十幾kb/s,，點(diǎn)對點(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)性是開發(fā)無線寬帶系統(tǒng)過程中的棘手問題,。

　　1.2 LTE通信芯片

　　LTE通信芯片的開發(fā)廠商有高通、重郵信科,、聯(lián)芯,、展訊等國內(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)越來越小,，由之前的40 nm逐步過渡到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電力無線寬帶通信系統(tǒng)采用第四代移動通信系統(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無線頻譜衰減模型,、電力設(shè)施部署情況,，開展網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、協(xié)議改進(jìn),、時延控制等專業(yè)設(shè)計(jì),，具有廣覆蓋、大容量,、低成本等組網(wǎng)優(yōu)勢,，可以有效解決現(xiàn)有電力無線通信系統(tǒng)頻譜效率低,、組網(wǎng)能力弱、實(shí)時性差等問題,，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頻段的信號變?yōu)?.5 MHz采樣的數(shù)據(jù)信號,。

　　(2)CPLD功能

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

　　(3)DSP功能

　　對FPGA送入的基帶信號進(jìn)行處理,，解析出數(shù)據(jù)幀,，同時通過內(nèi)部的MCU完成LTE協(xié)議棧的功能。

3 電力無線寬帶通信系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)

　　3.1 芯片化的必要性

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

　　FPGA+DSP+RAM集成到一顆芯片中,，簡化板級系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性,，同時也會大大降低系統(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)置大容量存儲器,、低功耗模式等專業(yè)設(shè)計(jì),，采用第四代移動通信系統(tǒng)TD-LTE設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)多個電力行業(yè)授權(quán)離散載波的聚合,，利用頻譜感知自動識別可用頻段,，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個子帶同時使用將可達(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信號搬移到中頻段，使用采樣時鐘為12.8 MHz的AD對中頻信號進(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；同時為了支持TD_LTE的MAC協(xié)議棧,，需要運(yùn)行小型的實(shí)時操作系統(tǒng),。它作為芯片物理層的核心，是整個芯片物理層的主導(dǎo)者,，其性能決定了整個芯片物理層的主體架構(gòu)和最終性能,。

　　3.3.3 內(nèi)置2 MB存儲器

　　在芯片處理數(shù)據(jù)的過程，需要緩存發(fā)送與接收數(shù)據(jù)報文,；DSP處理器作為物理層的處理單元,，在運(yùn)行過程中需要占用大量的內(nèi)存，來加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度,。市面上的無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BOM成本與系統(tǒng)功耗，內(nèi)置了高達(dá)2 MB的存儲器,。

　　3.3.4 三級總線架構(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,，分別用來訪問本地的數(shù)據(jù)/程序（D/P TCM）和cache 存儲器。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)

　　無線通信芯片對功耗有很高的要求,，在芯片設(shè)計(jì)時采用了多種技術(shù)來控制芯片的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。

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

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

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

4 系統(tǒng)測試

　　在TD-LTE230無線通信系統(tǒng)中,，通過RF芯片接收無線信號并進(jìn)行AD/DA轉(zhuǎn)換，由基帶芯片完成中頻到基帶的轉(zhuǎn)換,，同時完成基帶處理與MAC層協(xié)議處理,，把數(shù)據(jù)通過通信接口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性能測試

　　芯片中內(nèi)置DSP,，用來完成基帶處理程序,。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，測試系統(tǒng)的各種性能指標(biāo),。芯片性能測試結(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、長距離的明顯優(yōu)勢,。電力無線寬帶通信基帶芯片的成功研制填補(bǔ)了我國在該電力技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品空白,，為電力無線專網(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)，也是國內(nèi)唯一一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片,。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,，國內(nèi)首款TD-LTE 230 MHz電力無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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