基于230 MHz電力頻段的專用LTE射頻芯片的設計

◆盧 剛楊吉輝武 俠劉 晗柳培忠

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

行業與應用安全

基于230 MHz電力頻段的專用LTE射頻芯片的設計

◆盧 剛1楊吉輝1武 俠1劉 晗2柳培忠3

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

本文針對傳統電路采用器件分立技術有占據空間大、成本高的問題，定制開發了電力專用射頻芯片。著重介紹了射頻芯片的設計方法，列舉了開發使用的關鍵技術。該芯片內部集成射頻和數字信號處理部分以及MCU，與目前市面上的芯片相比，具有集成度高、固件加固、支持自動化測試等優勢。此芯片性能、功耗均達到了產業化的要求。

LTE230；無線通信；射頻芯片；智能電網；TD-LTE

0 引言

從2008年起，關于智能電網的發展開始被國家電網公司及其相關機構關注與研究，第二年三月提出了“建設堅強智能電網”，中國智能電網正式進入前期研究階段，并進一步提出了智能電網建設的發展構想。為了全面快速地建成統一堅強智能電網，國家電網公司加大了對該系統的建設力度。

目前，在無線專網的建設過程中，嘗試采用了多種無線通信制式，包含230M電臺專網、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球微波互聯接入）, Mobitex專網、GPRS公網（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術),CDMA公網(Code Division Multiple Access，碼分多址)和LTE230[1,2]，對比以上幾種制式以及經過多年在各個地區的試驗點的考察結果，LTE230更為適合，該方式有覆蓋范圍廣、成本低、電力頻段免費等好處，是國網無線建設的4G通信標準的重要參考。

新型 230MHz電力無線寬帶通信系統可以解決電力輸電網以往存在的問題[3]，能滿足電網用戶對數據業務的速率要求，可有效節省帶寬資源，從而提高了施工過程中的效率。在骨干電網建好之后，會有實時視頻監控，保證及時發現故障，以最快的速度搶修線路，是電力光纜通信的一種良好補充，改善了以往通信方式的單一不全面。

LTE230射頻芯片的研發，能進一步完善智能電網的性能，也是對智能電網中配電自動化系統一種必要的補充。智能電網的通信方式有無線通信和有線通信，無線電力通信以其獨特的特點在國家電網通信系統中起著越來越重要的作用。在無線通信領域中，射頻技術具有廣泛的、不可替代的作用，射頻芯片的發展程度，能否商用對電力無線通信產業的發展水平具有決定性的作用。由于傳統的電路采用器件分立技術，這種傳統技術需要占用大量的空間面積，成本花費高，在智能電網中研發出內部集成了數字信號處理部分以及 MCU、固件加固、自動化測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、節約測試時間等突出優勢，將為堅強智能電網的建設提供巨大的便捷以及用電信息的采集、配電自動化、視頻傳輸等業務提供技術支撐。射頻技術在通信領域的應用，目前仍處于開拓狀態，該芯片的研發成功在未來有很大的市場及實用性。

1 智能電網無線通信技術對比

根據對主要無線帶寬技術的頻譜情況、覆蓋范圍程度及業務支持情況分析，LTE230系統和LTE 1800, McWill(Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環路)制式對電力業務是支持的。

綜合分析，LTE230系統效果最優，在頻譜政策、電力業務適用性、應用廣泛性和可維護性上都有不同程度的優勢，是智能電網無線通信的首選系統[1,3]。

表1 智能電網無線通信技術對比

2 LTE230相關介紹

2.1 TD-LTE核心技術

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

通過將不同頻率中的多種信號合并為單一的信號來完成無線通信系統中的傳送信號，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境中，可以極大地提高系統的頻譜效率。

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

該技術有下行MIMO技術和上行MIMO技術兩種，其中下行鏈路中還包括發射分集、空分復用和波束賦形；上行 MIMO實際上是一個虛擬系統，用于開發空間維度資源，用到的算法方案有隨機配對、正交配對、基于路徑損耗和慢衰落排序的配對。MIMO技術最大的特點在于利用空間多徑因素成倍提高通信系統的容量、擴大覆蓋范圍和頻譜效率。

（3）鏈路自適應

該技術通過AMC（Adaptive modulation of encoding，自適應調制編碼）、HARQ（Hybrid automatic repeat request，混合自動請求重傳）、動態功率控制來實現其功能。可以達到最大限度發送信息，使得誤碼率達到更低，同時發射功率保持恒定，把不同用戶間的干擾降低，滿足多種業務的不同需求，提高系統的整體性能及吞吐量。

2.2 LTE230系統

由于無線公網接入存在多方面的問題，使其不適合作為智能電網的主要通信方式。LTE230專網具有安全可靠、干擾較小、可維護性強等突出優勢，成為解決電力通信發展的重要手段，是為智能電網量身定制的系統。LTE230系統的數據傳輸通道安全穩定快速，并提供相應設備和模塊的配置管理功能，組網方式靈活多樣，建設成本及后期維護成本都相對較低。該系統主要分為以下幾部分：

（1）UE( User Experience，接入終端)

該終端模塊可實時監控復雜地區的突發狀況和故障，可與系統中的多種終端設備進行直接通信。其優勢在于成本低、空間占據體積小、適用于電網行業、關鍵技術前沿、快速靈活等。

（2）eNodeB(基站)

該系統的無線基站，其工作頻段為230MHz，能夠接入多路用戶，在系統中用于支持無線信號的覆蓋范圍程度，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,無線核心網設備)

該系統的核心網為演進型核心網設備，接在主站和無線接入網絡之間，通過LTE230 EPC，能夠完成業務數據的傳輸、終端認證、終端IP地址管理、移動性管理等核心網功能。

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

該系統的操作維護中心主要對現存的電力信息管理進行融合，對LTE230網絡中的相關網元進行遠程、實時地統一集中調度指揮管理及運維。

3 電力無線寬帶通信系統芯片設計

3.1 設計方案選擇

工藝平臺：130nm RFCMOS 工藝平臺。

收發機架構：接收機采用低中頻架構。通過復數濾波器進行信號處理，濾除帶外及鏡像干擾。利用高精度 ADC 提供大部分動態范圍。由于目標是低成本方案，發射機基本都采用直接變頻架構，結構簡單、功耗低、集成度高。

調制解調方案：采用數字調制解調方案。在數字域實現基帶信號的解調，在模擬域進行下變頻正交解調。在數字域實現基帶信號調制，在頻綜或上變頻調制器實現載波調制（發射架構二選一或兩者同時兼容）。

3.2 總體設計思路

高精度 ADC：在低中頻接收機中，為了降低模擬信號處理的復雜度從而節省功耗和面積，最終的頻道選擇、信號強度估計、信號解調都是在數字域實現。模擬基帶只是對信號進行粗略的濾波和幅度調整。進入模數轉換器的除了信號外還有各種干擾。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、直流失調分量數字化的線性度，產生的交調分量不會影響信噪比。

電源管理：為了實現芯片低功耗的特性，簡化應用方案設計，芯片的電源管理部分需要實現片上DC-DC或 LDO功能。片上DCDC 產生的幾百KHz級的開關頻率很容易耦合到壓控振蕩器的調協端，使得本振信號不純，影響系統性能。因此，系統設計時除了需要將 DCDC與敏感模擬電路隔離外，還需仔細選擇開關頻率，減小對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實現：射頻與基帶的配合，仿真階段很難發現問題，需要整體聯調比較充分。為減小數字基帶功耗，實現上采用ASIC代替DSP核，但存在靈活性的風險，需要充分仿真驗證，芯片測試驗證，特別是在初步方案中對各種工作條件下的測試驗證，全面發現問題并一次性加以修改。

SOC芯片在方案中的驗證：新SOC芯片可能無法與原有芯片直接pin-to-pin，因此在方案中的測試驗證需要有一個平臺，靈活地進行。可以考慮將SOC 主芯片作為一個模塊，MCU及IO和人機界面部分作為一個標準模塊，替他部分作為一個標準模塊。以三個模塊搭成完整的測試驗證方案平臺，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證。

3.3 SOC芯片架構

3.3.1 SOC芯片總體架構

通過以上對設計的分析，研發出230 MHz電力頻段的專用LTE射頻芯片。該芯片內部集成8位MCU(需外接Flash)，節省了方案面積和BOM成本。該芯片總體架構圖如圖1所示。

圖1 芯片總體架構圖

3.3.2 數字基帶（ DBB DSP）架構

該芯片發送端和接收端的架構圖，如圖2，圖3所示。

（1）發送端

圖2 發送端架構圖

（2）接收端

圖3 接收端架構圖

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，還在芯片內部集成8位 MCU，并在內部集成了語音，支持固件加固，支持產線自動化測試，大大提高了測試效率。

（1）內部集成語音

本芯片內部集成ROM語音，可以滿足無屏機使用，不需要外接一顆語音處理芯片，同時內部集成語音解壓縮代碼，在高端機場合支持將語音存儲到外接Flash內，使用內部解壓縮播放語音，并且支持數字和模擬兩種音量控制方式，節省硬件空間和成本，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

該芯片內部集成了 128Byte e-fuse，用于固件加密。因為芯片的ID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行的，可以有效的保護方案商和終端廠商的方案，不會被抄襲，可保證智能電網系統的安全性，信息不外泄。具體方式如圖5所示。

圖5 固件加固原理圖

4 系統測試

4.1 測試方法

目前的產線測試一般采用的是綜測儀進行，而且需要進行很多步驟的測試，增加了整機的成本。該芯片研發過程中，在芯片內部建立測試通路，開發自動化測試程序，只需要電腦和該智能電網相互通信即可完成測試，通過開發軟件點擊“測試”，最終顯示“PASS”和“FAIL”來提示測試結果。節省了智能電網的硬件成本，節省了人力成本。

4.2 測試結果

在230MHZ電力頻段的LTE無線通信系統中，射頻芯片用于接收無線信號。通過對數據率不同的情況下的系統進行測試，射頻芯片性能測試結果如表2、表3所示。

表2 數據率=14.96Mbps

表3 數據率=14296Mbps

?

5 結論

本芯片的設計規格切實符合電力市場的應用需求，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、低成本等諸多優點。該射頻芯片的成功研制填補了我國在該領域的產品空白，為電力無線專網LTE230的建設和無線電網技術的推廣奠定了技術基礎。作為國家戰略新興產業的智能電網和高性能芯片設計的重要結合產品，不僅提高了電力無線通信專網的應用服務能力和應用前景。也提高了電網的互動化水平，為國家電網推廣堅強智能電網的目標提供了可靠依據。該的研發具有非常重要的戰略意義和現實意義。

[1]楊曉華.解析智能電網中的無線通信技術[J].通訊世界，2014.Yang Xiaohua. Parsing the Wireless Communication Technology of the Smart Grid. Telecom World，2014.

[2]張瀚峰，閆淑輝，馮世英. LTE230系統在智能電網中的應用[J].電信網技術，2015.Zhang Hanfeng, Yan Shuhui, Feng Shiying. Application of LTE 230 System in Smart Grid[J]. Telecommunications NetworkTechnology， 2015.

[3]徐珂航. 無線通信技術在電力系統的應用[J]. 通訊世界. 2013（11）.Xu Kehang. Application of Wireless Communication Technology in Electric Power System[J]. Telecom World，2013.

[4]王于波，張樹華，趙東艷. 230MHz電力頻段專用LTE基帶芯片設計[J].電子技術應用, 2015.Wang Yubo, Zhang Shuhua,Zhao Dongyan. Custom LTE baseband chip in 230 MHz power band, Application ofElectronic Technique, 2015.

[5]侯周國.超高頻射頻識別系統測試關鍵問題的分析與研究[D].湖南大學, 2013.Hou Zhouguo. Analysis and Research of the Key Test Technologies of the Ultra-high Frequency Radio FrequencyIdentification Systems, Hunan University，2013.

[6]孫千十.集成電路封裝中的引線鍵合技術探究[J]. 電子制作, 2015.Sun Qianshi. Research of the wire Bonding Technology of Integrated Circuit Packaging. PracticalElectronics, 2015.

[7]陳安偉. 智能電網技術經濟綜合評價研究[D]. 重慶大學, 2013.Chen Anwei. Research on the Technical Economic Problems of the Smart Grid. Chongqing University, 2013.

[8]熊遷. 射頻芯片自動測試系統設計與實現[D]. 中南大學, 2014.Xiong Qian. Design and Implementation of RFID Automatic Testing System. Zhongnan University, 2014.

[9]Li Songting, Li Jiancheng, Gu Xiaochen, Zhuang Zhaowen. Dual-band RF receiver for GPS-L1 and compass-B1 in a 55-nm CMOS[J]. Journal of Semiconductors, 2014.

[10]張儀. 亞洲 TD-LTE的發展之路[J]. 衛星電視與寬帶多媒體，2011.Zhang Yi. TD-LTE's development in Asia.. Satellite TV & IP Multimedia, 2011..

[11]郭錫榮，羅繼鴻.射頻技術在無線通信領域的應用探析[J]. 數字技術與應用, 2014.Guo Xirong，Luo Jihong. Analysis of the Application of RF Technology in Wireless Communication Field. DigitalTechnology and Application, 2014.

[12]Xie Le, Cui Shuguang. SMART GRID COMMUNICATIONS[J]. China Communications, 2015.

本文項目支撐：煙臺科技項目編號：5206051400K9; 濰坊科技項目編號是：5206041400TP