一種復(fù)用傳輸射頻和基帶信號(hào)的新方法

葉寶盛,錢捷,程明

摘 ?要： 介紹了一種在同軸電纜上，射頻和基帶信號(hào)復(fù)用傳輸?shù)男路椒āＴO(shè)計(jì)了射頻信號(hào)和基帶信號(hào)隔離電路，采用C?MBUS標(biāo)準(zhǔn)傳輸基帶信號(hào)，在長為1 km、傳輸射頻信號(hào)功率為40 dBm的同軸電纜上，達(dá)到了4 800 b/s的數(shù)據(jù)傳送速率，且同時(shí)可以為通信從機(jī)節(jié)點(diǎn)提供10 mA的電流。該方法具有硬件電路簡單、成本低廉，容易組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于在射頻線路上同時(shí)傳輸?shù)蛿?shù)據(jù)速率的附加信息。

關(guān)鍵詞： 復(fù)用傳輸； 同軸電纜； 基帶信號(hào)； 射頻信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2014）23?0084?03

A new method of multiplexing transmission of RF and baseband signals

YE Bao?sheng， QIAN Jie， CHENG Ming

（No.36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China）

Abstract： A new method to transmit both baseband signal and RF（radio frequency）signal in a coaxial cable is introduced. A circuit to isolate baseband signal and RF signal was designed. The baseband signal is transmitted according to C?MBUS Standard. On the 1 km coaxial cable， which transmits 40 dBm RF signal， 4800 bps transmission rate was achieved， and 10 mA current can be provided for slave node. It has the advantages of simple circuit， low cost and easy networking. It is applied to transmitting the additional information of low data rate in the RF coaxial cable.

Keywords： multiplexing transmission； coaxial cable； baseband signal； RF signal

0 ?引 ?言

在通信系統(tǒng)中，天饋和收發(fā)信機(jī)中間有較長的饋線，一般采用同軸電纜；有時(shí)需要在天線和收發(fā)信機(jī)之間傳輸一些信息，這些信息一般數(shù)據(jù)量不大，如果單獨(dú)另外鋪設(shè)一條線路，則成本較高，且復(fù)雜度增大。因此有必要研究以同軸電纜為傳輸媒介，在傳輸射頻功率信號(hào)的同時(shí)，傳輸?shù)蛿?shù)據(jù)速率的附加信息。

1 ?方案設(shè)計(jì)

從現(xiàn)有的技術(shù)來看，低數(shù)據(jù)速率的基帶信號(hào)作為附加信息，要和射頻信號(hào)復(fù)用同軸電纜進(jìn)行傳輸，有頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用三種方式[1]。其中，碼分復(fù)用需要對(duì)兩路基帶信號(hào)進(jìn)行正交編碼，對(duì)本應(yīng)用來說，需要將射頻信號(hào)解調(diào)，得到基帶信號(hào)，然后與附加信號(hào)進(jìn)行正交編碼，進(jìn)行傳輸。這樣一來，硬件復(fù)雜程度大大增加，因此碼分復(fù)用不合適。時(shí)分復(fù)用是將附加信號(hào)和射頻信號(hào)分時(shí)傳輸，每次傳輸基帶信號(hào)的同時(shí)，射頻信號(hào)要被切斷，這個(gè)在絕大部分場合是不允許的，因此，時(shí)分復(fù)用也不適合。頻分復(fù)用是在發(fā)送端將附加信息的基帶信號(hào)調(diào)制到一個(gè)與射頻信號(hào)所占頻帶相隔很遠(yuǎn)的較低的頻帶上附加信息量較少，其基帶信號(hào)調(diào)制后進(jìn)行傳輸，占用帶寬也較小；在接收端，采用濾波器將射頻信號(hào)和調(diào)制后的附加信號(hào)分離出來，再進(jìn)行解調(diào)，得到附加信息。

對(duì)本應(yīng)用來說，采用頻分復(fù)用的方法，主要是選取一種合適的基帶信號(hào)傳輸方式，這種傳輸方式需具備以下特點(diǎn)：電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)；可靠性高；容易組網(wǎng)。

電力線載波通信[2]是典型的頻分復(fù)用系統(tǒng)。由于電力線載波通信要進(jìn)行高速率的通信，因此將基帶信號(hào)調(diào)制到遠(yuǎn)比工頻高的頻段上。本應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，不低于1 Kb/s即可，且要求低成本、低復(fù)雜度，傳統(tǒng)的電力線載波通信的解決方案不適合本應(yīng)用。從本應(yīng)用的需求可以看出，需要尋找一種較為簡單的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，這種總線要滿足上述的三種特點(diǎn)。通過研究和對(duì)比常用的現(xiàn)場總線，最終選取C?MBUS總線標(biāo)準(zhǔn)作為基帶數(shù)據(jù)傳輸方式。C?MBUS是優(yōu)倍公司在M?BUS（Meter?BUS，EN1434?3）的基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的[3]，與M?BUS標(biāo)準(zhǔn)絕大部分都相同。M?BUS是消費(fèi)類儀表國際通行標(biāo)準(zhǔn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線結(jié)構(gòu)，采用普通的兩芯電纜連接，同時(shí)提供表計(jì)電源和數(shù)據(jù)通信的功能。M?BUS系統(tǒng)是一個(gè)帶有通信控制主機(jī)的系統(tǒng)，包括一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)通過2根線連接起來，所有從機(jī)并接在2根線上，并可通過總線獲取一定功率的電源。C?M?BUS主機(jī)與從機(jī)之間的通信只有在主機(jī)發(fā)出詢問的情況下才能進(jìn)行，從機(jī)之間不能互相交換數(shù)據(jù)。C?M?BUS主機(jī)到從機(jī)為電壓傳輸，總線上的傳輸波形如圖1所示。

<；E：＼LIHUI＼12月＼12.4＼現(xiàn)代電子技術(shù)201423＼Image＼06t1.tif>；

圖1 主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收時(shí)總線信號(hào)

從機(jī)到主機(jī)為電流傳輸。在主機(jī)端具有采樣電路，因此總線上也有對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)，如圖2所示。

<；E：＼LIHUI＼12月＼12.4＼現(xiàn)代電子技術(shù)201423＼Image＼06t2.tif>；

圖2 從機(jī)發(fā)送，主機(jī)接收時(shí)總線信號(hào)

之所以這樣設(shè)計(jì)，是因?yàn)橹鳈C(jī)到從機(jī)采用電壓傳輸，便于從機(jī)電路的實(shí)現(xiàn)，從機(jī)的接收電路使用比較器即可識(shí)別數(shù)據(jù)，有利于降低從機(jī)成本；從機(jī)到主機(jī)采用電流傳輸是為了增加抗干擾能力，因?yàn)榈妥杩沟膫鬏敾芈纺苡行У亟档屯獠扛蓴_[4]。

基帶信號(hào)的傳輸方式確定后，要解決的是如何將基帶信號(hào)加到傳輸射頻信號(hào)的同軸電纜上。要保證兩種信號(hào)互相不干擾，需要一個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò)將兩種信號(hào)隔離開來。在本應(yīng)用中，兩種信號(hào)頻率相差很遠(yuǎn)，隔離網(wǎng)絡(luò)相對(duì)來說比較容易實(shí)現(xiàn)，可以采用LC低通網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行隔離。射頻鏈路上一般都存在耦合電容，這些耦合電容的值一般較小，對(duì)基帶信號(hào)來說，呈高阻狀態(tài)。因此，基帶信號(hào)對(duì)射頻信號(hào)不會(huì)造成大的干擾，隔離網(wǎng)絡(luò)主要的功能是防止射頻信號(hào)干擾基帶信號(hào)。

2 ?電路設(shè)計(jì)

2.1 ?隔離電路

C?MBUS總線上傳輸?shù)氖菙?shù)字脈沖，要與射頻信號(hào)在同軸電纜上傳輸，需要增加低通隔離網(wǎng)絡(luò)，避免射頻信號(hào)對(duì)C?MBUS總線信號(hào)的干擾。尤其是在射頻信號(hào)功率較高的時(shí)候，如在直放站功放輸出端，射頻信號(hào)功率高達(dá)數(shù)十瓦，對(duì)隔離網(wǎng)絡(luò)提出了較高的要求。在本設(shè)計(jì)中，采用高阻線加4階LC低通網(wǎng)絡(luò)將射頻信號(hào)和基帶信號(hào)隔離。LC低通中的電容取值不能太大，也不能太小，電容值太小，則對(duì)射頻信號(hào)呈現(xiàn)的阻抗不夠低，導(dǎo)致對(duì)射頻信號(hào)隔離度不夠；電容值太大，對(duì)C?MBUS來說，總線負(fù)載電容過大，特別是當(dāng)多個(gè)從機(jī)并聯(lián)的時(shí)候，嚴(yán)重影響通信速度，甚至導(dǎo)致不能通信。經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化，LC隔離網(wǎng)絡(luò)中，電感取100 nH，電容取47 pF。

2.2 ?主機(jī)收發(fā)電路

主機(jī)收發(fā)電路由CMT100和其外圍電路組成，見圖3。

CMT100是優(yōu)倍公司開發(fā)的C?MBUS總線控制端通信專用集成電路[5]， 完成數(shù)字通信的調(diào)制、解調(diào)、總線控制、總線電源供給、總線故障檢測功能。考慮到主機(jī)電路復(fù)雜，為增加主機(jī)抗干擾能力，控制器應(yīng)將總線驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)系統(tǒng)隔離，TXD，RXD，收發(fā)控制經(jīng)光耦直接輸入芯片，系統(tǒng)使用24 V電源。圖3中，主機(jī)輸出采用推挽結(jié)構(gòu)，可以提供給從機(jī)較大電流。根據(jù)從機(jī)數(shù)量的多少來選取功率對(duì)管，本文選用TIP42和TIP41，可以為總線提供最大1 A的電流。24 V電源經(jīng)過2 A自恢復(fù)保險(xiǎn)絲給系統(tǒng)供電。

2.3 ?從機(jī)電路

從機(jī)收發(fā)部分電路由CMT001及外圍電路組成如圖4所示。

CMT001是優(yōu)倍公司開發(fā)的與CMT100配合使用的 C?MBUS總線設(shè)備端通信專用集成電路[6]，完成數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)、 總線極性識(shí)別、 低功耗線性穩(wěn)壓功能。總線信號(hào)通過整流橋直接輸入芯片，芯片RXD、TXD信號(hào)可直接輸入單片機(jī)或通過光耦與單片機(jī)連接。在本應(yīng)用中，由于使用同軸電纜做傳輸介質(zhì)，無需總線極性自動(dòng)反轉(zhuǎn)功能，因此總線信號(hào)沒有經(jīng)過整流橋，而是經(jīng)過隔離網(wǎng)絡(luò)后直接輸入至CMT0012腳。CMT001的RXD為開漏輸出，須外接上拉電阻，電容[C25]為儲(chǔ)能電容，在總線電平為低的時(shí)候，給從機(jī)提供電源，此電容取值與從機(jī)消耗電流有較大關(guān)系。在本應(yīng)用中，電容取1 000 μF，可以提供10 mA的電流，足以供從機(jī)其他部分電路使用。

3 ?通信協(xié)議

3.1 ?鏈路層設(shè)計(jì)

要保證通信的穩(wěn)定可靠，必須有完備的通信協(xié)議支撐[7]。C?MBUS只規(guī)定了物理層，因此必須自己設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層。本文采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)收發(fā)器件，單片機(jī)串口與CMT?001，CMT?100相連。串口參數(shù)設(shè)置為：波特率：4 800；數(shù)據(jù)位：8；校驗(yàn)位：無；停止位：2；數(shù)據(jù)格式：16進(jìn)制。

串口數(shù)據(jù)收發(fā)的基本單位為B，因此，以字節(jié)為單位設(shè)計(jì)報(bào)文8。報(bào)文格式如下：

[前導(dǎo)＼&；前導(dǎo)＼&；前導(dǎo)＼&；起始＼&；地址＼&；數(shù)據(jù)＼&；校驗(yàn)＼&；]

前3個(gè)字節(jié)為前導(dǎo)符FEH，發(fā)送三個(gè)前導(dǎo)符的目的是為了建立穩(wěn)定的總線狀態(tài)，同時(shí)為了讓從機(jī)做好接收準(zhǔn)備；接下來是起始符68H；然后是2 B的地址和2 B的數(shù)據(jù)，地址里面包含設(shè)備描述符和設(shè)備地址，數(shù)據(jù)里面包含操作命令等信息；最后是1 B的校驗(yàn)和，校驗(yàn)采用異或校驗(yàn)。

3.2 ?網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

在建立了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路層后，有時(shí)候需要多個(gè)從機(jī)和一個(gè)主機(jī)組成一個(gè)一對(duì)多的通信網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)時(shí)候，需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來保證通信可靠性[9]。由于C?MBUS從機(jī)之間不能互相交換數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)交換必須通過主機(jī)，這也降低了協(xié)議實(shí)現(xiàn)的難度。協(xié)議設(shè)計(jì)的基本思想為：主機(jī)依次輪詢每個(gè)從機(jī)，從機(jī)收到輪詢后，判斷是否在詢問自己，若是，則對(duì)輪詢進(jìn)行回復(fù)；否則，不響應(yīng)主機(jī)的輪詢。主機(jī)在輪詢時(shí)，同時(shí)開啟超時(shí)定時(shí)器，如果在規(guī)定的時(shí)間未收到指定從機(jī)的回復(fù)，則判超時(shí)；若一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)多次超時(shí)，則判定從機(jī)出故障。

4 ?性能測試

4.1 ?測試條件

無線通信中使用最多的同軸電纜為[12]英寸和[78]英寸電纜，對(duì)C?MBUS來說，主要的線纜參數(shù)包括電纜內(nèi)導(dǎo)體電阻、外導(dǎo)體電阻和分布電容[10]。電纜的參數(shù)如表1所示。

表1 常見同軸電纜電氣參數(shù)

[線纜規(guī)格＼&；內(nèi)導(dǎo)體電阻

/（Ω/km）＼&；外導(dǎo)體電阻

/（Ω/km）＼&；分布電容

/（pF/m）＼&；特征阻抗

/Ω＼&；1/2＼&；1.48＼&；1.9＼&；75＼&；50±1＼&；7/8＼&；1.05＼&；1.18＼&；75.8＼&；50±1＼&；]

從表1可見，同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的直流電阻很小，對(duì)基帶信號(hào)來說，其影響可以忽略不計(jì)，主要影響因素為分布電容。測試中不使用真實(shí)的線纜，因?yàn)榫€纜直徑較大，且很長，不好操作，因此在測試中，使用RC網(wǎng)絡(luò)來模擬電纜。[R]代表電纜內(nèi)外導(dǎo)體電阻，[C]代表電纜分布電容。測試中，內(nèi)外導(dǎo)體電阻忽略不計(jì)，不需要[R，]僅使用2個(gè)33 nF電容并聯(lián)在總線上來模擬1 km電纜。

射頻信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)功率放大器放大后，加至被測線路，線路末端接衰減器。用調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器來改變線路上射頻信號(hào)功率。

4.2 ?測試結(jié)果

1 km模擬電纜上，射頻信號(hào)功率為40 dBm，波特率為4 800 b/s，每個(gè)從機(jī)消耗電流為8 mA時(shí)，主機(jī)可以穩(wěn)定地與三個(gè)從機(jī)通信。

5 ?結(jié) ?語

本文提出了一種在同軸電纜上射頻信號(hào)和基帶信號(hào)復(fù)用傳輸?shù)男路椒ǎ捎肅?MBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，通過合理地設(shè)計(jì)主從機(jī)電路、信號(hào)隔離網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，在傳輸功率為40 dBm，長度為1 km的同軸電纜上，實(shí)現(xiàn)了4 800 b/s的傳輸速率，并支持多個(gè)從機(jī)自由組網(wǎng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[9] 張陽.影響射頻同軸電纜衰減的因素[J].電線電纜，2008（6）：24?27.

/Ω＼&；1/2＼&；1.48＼&；1.9＼&；75＼&；50±1＼&；7/8＼&；1.05＼&；1.18＼&；75.8＼&；50±1＼&；]

從表1可見，同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的直流電阻很小，對(duì)基帶信號(hào)來說，其影響可以忽略不計(jì)，主要影響因素為分布電容。測試中不使用真實(shí)的線纜，因?yàn)榫€纜直徑較大，且很長，不好操作，因此在測試中，使用RC網(wǎng)絡(luò)來模擬電纜。[R]代表電纜內(nèi)外導(dǎo)體電阻，[C]代表電纜分布電容。測試中，內(nèi)外導(dǎo)體電阻忽略不計(jì)，不需要[R，]僅使用2個(gè)33 nF電容并聯(lián)在總線上來模擬1 km電纜。

射頻信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)功率放大器放大后，加至被測線路，線路末端接衰減器。用調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器來改變線路上射頻信號(hào)功率。

4.2 ?測試結(jié)果

1 km模擬電纜上，射頻信號(hào)功率為40 dBm，波特率為4 800 b/s，每個(gè)從機(jī)消耗電流為8 mA時(shí)，主機(jī)可以穩(wěn)定地與三個(gè)從機(jī)通信。

5 ?結(jié) ?語

本文提出了一種在同軸電纜上射頻信號(hào)和基帶信號(hào)復(fù)用傳輸?shù)男路椒ǎ捎肅?MBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，通過合理地設(shè)計(jì)主從機(jī)電路、信號(hào)隔離網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，在傳輸功率為40 dBm，長度為1 km的同軸電纜上，實(shí)現(xiàn)了4 800 b/s的傳輸速率，并支持多個(gè)從機(jī)自由組網(wǎng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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/Ω＼&；1/2＼&；1.48＼&；1.9＼&；75＼&；50±1＼&；7/8＼&；1.05＼&；1.18＼&；75.8＼&；50±1＼&；]

從表1可見，同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的直流電阻很小，對(duì)基帶信號(hào)來說，其影響可以忽略不計(jì)，主要影響因素為分布電容。測試中不使用真實(shí)的線纜，因?yàn)榫€纜直徑較大，且很長，不好操作，因此在測試中，使用RC網(wǎng)絡(luò)來模擬電纜。[R]代表電纜內(nèi)外導(dǎo)體電阻，[C]代表電纜分布電容。測試中，內(nèi)外導(dǎo)體電阻忽略不計(jì)，不需要[R，]僅使用2個(gè)33 nF電容并聯(lián)在總線上來模擬1 km電纜。

射頻信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)功率放大器放大后，加至被測線路，線路末端接衰減器。用調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器來改變線路上射頻信號(hào)功率。

4.2 ?測試結(jié)果

1 km模擬電纜上，射頻信號(hào)功率為40 dBm，波特率為4 800 b/s，每個(gè)從機(jī)消耗電流為8 mA時(shí)，主機(jī)可以穩(wěn)定地與三個(gè)從機(jī)通信。

5 ?結(jié) ?語

本文提出了一種在同軸電纜上射頻信號(hào)和基帶信號(hào)復(fù)用傳輸?shù)男路椒ǎ捎肅?MBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，通過合理地設(shè)計(jì)主從機(jī)電路、信號(hào)隔離網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，在傳輸功率為40 dBm，長度為1 km的同軸電纜上，實(shí)現(xiàn)了4 800 b/s的傳輸速率，并支持多個(gè)從機(jī)自由組網(wǎng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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