230M專網通信的技術改進和實施

摘 要：針對目前國內230M電力負荷管理無線專網的通信速率瓶頸，提出一種基于模擬電臺的高速通信解決方案，通信速率達19200bps，介紹了高速數傳通信電臺實現的關鍵技術和自組網相關部分，其應用通信成功率達99%。

關鍵詞：4FSK；兩點調制；直流匹配；發射啟動時間；自組網

中圖分類號：TN913 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 20-0000-01

隨著國民經濟的發展及強勁增長的電力需求和日漸緊張的電力供應，用電信息的實時采集顯得至關重要，而通信速率的瓶頸大大制約了專網應用的發展。本文介紹一種空間速率達19.2Kbps的自主研發的高速數傳電臺及其關鍵技術。

一、230M專網傳統電臺的實現及技術特點

目前的數傳電臺分為模擬電臺和數字電臺兩類，模擬電臺還是采用傳統的模擬話音通道上加數字調制解調器完成。數字電臺是目前的發展方向，一般采用DSP和FPGA方案，使用軟件無線電的方式實現，數字電臺采用軟件算法實現調制解調，具有調制方式靈活、通信速率可調、升級方便等優點，但是由于復雜的算法對硬件要求較高，成本增加較多。目前230M系統中的應用都已模擬電臺為主。目前在系統中應用的通信方式主要有1200bps的FSK方式，2400bps的BPSK方式，2400bps的MSK方式，9600bps的GMSK方式。FSK（移頻鍵控），是利用載波的頻率變化來傳遞數字信號，其特點是實現較易，抗干擾和抗衰落性能較強，缺點是占用頻帶較寬，頻帶利用率不高。最小移頻鍵控（MSK）是移頻鍵控（FSK）的一種改進型，使其相位始終保持連續不變的一種調制。調制前高斯濾波的最小頻移鍵控簡稱GMSK，基本的工作原理是將基帶信號先經過高斯濾波器成形，再進行最小頻移鍵控（MSK）調制。由于成形后的高斯脈沖包絡無陡峭邊沿，亦無拐點，因此頻譜特性優于MSK信號的頻譜特性。以上3種方式是目前國內應用較多的在模擬電臺上實現的較多。

二、19.2k高速數傳電臺的實現及技術特點

CML公司推出的CMX969芯片，是一種窄帶半雙工調制解調芯片，采用4FSK調制方式，4FSK采用四個不同的頻率分別表示四個碼元，00、01、10、11，每個碼元包含2bit信息。CMX969片內集成了完畢的數據處理功能，為保證無線傳輸的成功率，片內集成了motorola成熟的空中數據傳輸通信協議（RD-LAP），該協議適用于無線分組數據傳輸。發送數據時modem芯片自動完成FEC前向糾錯、CRC校驗、Interleaving數據交織等處理，同時添加位同步、幀同步及通道狀態，打包數據經過內部基帶信號濾波器濾波后產生基帶調制信號輸出。接收方式下該芯片作相反步驟處理，同時提供數據的解調質量。CMX969的空中速率達19.2Kbps。高速數傳電臺由傳統的收發單元、振蕩單元、功率放大器單元、調制電路、解調電路及單片機和控制軟件組成。模擬電路完成模擬調制、解調、話音通道，頻道參數的保存，靜噪等級的設置、對場強等模擬信號進行實時采樣。數傳部分采用單片機控制CMx969，完成信號的數字調制及解調，路由算法。傳統的模擬電臺的通信速率最高到9600bps，要達到19.2Kbps通信時，需要對模擬電路進行改造，其關鍵技術有以下幾點。

（一）兩點調制。鎖相環通常由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。傳統的鎖相型調制采用VCO輸入的單點調制，VCO調制具有高通特性，GMSK和4FSK方案調制時，調制頻響往往需要低端到DC，也就是要求電路同時需要較好的低頻響應。采用基于鎖相技術的兩點調制方案來解決信號的頻率穩定度問題，使系統具有很好的高頻和低頻響應。 兩點調制信號的一路信號送入到VCO的調制輸入點，另一路加載在壓控溫補晶振上，由于該回路不在頻率控制反饋回路中，可以作為信號的低通調制。通過參數調整，可將低通信號和高通信號合成為一個0～5K的低通響應曲線，滿足系統調制要求。

（二）直流匹配。傳統電臺模擬信號的傳輸通常采用交流耦合信號，由于傳輸信號的0 1變化不均，會有連續的0或1出現，信號前后直流偏置不一及電容充放電變化，直流偏置的變化經過放大器后會引起波形失真，而解調芯片對直流中心點的要求較高，信號的失真會導致信號質量下降，解調出錯。整個模擬電路信號的電平匹配采用直流耦合方式，同時采用和調制解調芯片一致的直流中心電平作為信號放大回路的直流基準電壓，減少了由于電平不匹配導致的信號失真。

（三）發射啟動時間。傳統的電臺通信由外部PTT啟動發射，從發射信號有效到正常功率輸出，需要10～15ms，一般數據的正常傳輸放到20ms以后，這段時間對高速通信的信道的有效利用形成浪費。為解決這個問題，首先改進VCO的穩定時間，通過調整環路濾波器參數，使VCO的頻率穩定時間控制在3ms以內，功放啟動到穩定，整個時間控制在5ms以內，整個數據的開始發送可以從6ms開始時，大大提高了頻道的利用率。另外，我們采用雙VCO設計，收發VCO分開，并且VCO一直在工作，在收發同頻應用時，在接收狀態下，發射VCO偏移100HZ，避免干擾的同時，縮短了收發切換振蕩器的切換時間，提高了速率。采用數字D/A及緩沖放大芯片，對原先需要人工調試的參數，如兩點調制信號的幅度、接收信號幅度，直流參考電平、輸出功率，靜噪等級等進行自動校準，校準時由8920和計算機配合調試，校準數據存放在EEPROM中，減少了人工干預，提高了生產效率及產品的一致性。

三、高速數傳電臺的路由組網

在硬件平臺支持到19.2Kbps的情況下，解決了高速通信的問題。但是，10W電臺在平原地區應用，通信距離視距可達30KM以上，也就是這種情況下通信直通率很高。但是在山區（如重慶），或城市內部，有高樓阻擋時，部分終端不能收到基站的信息，這時會形成通信孤島。為解決這個問題，我們的電臺采用了路由及中繼算法，可通過其他相鄰的終端作為中繼，和主站進行通信，保證所有終端的覆蓋率。當然，如果中繼終端太多，也會影響信道的使用效率，一般我們的直通終端覆蓋率在80%～90%，其余終端可通過中繼通信。基站建立后定時發送信標，新終端入網時，收到信標信息，在指定的時間間隙內發送附著申請，可以快速入網，直通終端直接入網，非直通終端可以由直通終端代理請求入網。通過中繼技術消除通信盲區。終端通信時能夠記錄可接收到的終端地址及場強，形成鄰居表，并依據場強進行路由分析和優化。使整個系統通信效率隨著巡測場強信息的獲得不斷改善。

四、結語

采用上面的電臺技術及路由算法，對現場使用的原1200bps、2400bps的終端進行了升級改造，通信速率提高了8倍以上，一個基站下覆蓋的6000臺終端半天時間就能完成信息交換，取得了良好的實際應用效果。

參考文獻：

[1]張慶輝，石春和，李輝.串行通信波特率自動檢測方法及軟件實現[J].微計算機信息，2002（12）.

[2]樊劍輝.智能化配電網管理系統通信模式的研究[J].電力系統通信，2009（11）.

[2]聶江龍.電力配電自動化系統中的通信系統[J].通信世界，2002（07）.