基于230 MHz頻段的專用LTE基帶芯片設計

◆李 榮 李 林 劉 晗 馬德凱 徐盛濤

（1.國網山東省電力公司 山東 250001；2.國網山東省電力公司煙臺供電公司 山東 264000）

0 引言

當前無線通信是國家電網電力通信系統的一種重要方式，無線傳輸技術經歷了2G GPRS、3G、4G的演變歷程。目前國家電力系統致力于無線專網的建設，包括以普天為代表的LTE230系統、中興的1.4G專網系統、華為的1.8G專網系統。這三類技術已經經過了2、3年的不同地區的試點。

LTE230寬帶通信系統應用范圍非常廣，涉及配網自動化、用電信息采集、巡檢、石油與林業監控等。LTE230系統的試點區域幾乎已經遍布全國，國網區域包括山東、北京、寧夏、浙江、江蘇、河北、新疆等；南網有廣州、深圳等。大量的試點推動了技術的進步，目前已經達到可以產業化的程度。

在無線通信領域中，核心基帶芯片是制約電力無線通信產業發展的重要因素。由于230 MHz頻譜的不連續性，而公網的通用的LTE芯片支持連續頻譜，因此開發一款適用于不連續頻譜的電力基帶核心芯片，從而大幅度降低電力通信終端產品的成本，滿足LTE230寬帶通信系統產業化的要求。

1 LTE 230 基帶芯片總體思路

基帶芯片系統本身是一個專用系統，要將其設計為一個適配于多個標準系統的平臺，需要考慮提取標準系統的共性技術，合理設計芯片的體系架構，在軟硬件分割方案上，盡可能保留一定的靈活性。

本技術方案采用基帶芯片、RF芯片套片形式組成數字專網通信整體解決方案，基帶芯片與RF芯片采用模擬接口形式，最大程度的保持RF和基帶芯片設計的靈活性，通過基帶芯片的算法處理，最大可能的降低RF芯片設計復雜度，提高整體方案的可擴展性和針對不同標準的適應性，具體方案如圖1所示，各傳輸線定義如表1所示：

圖 1射頻芯片與基帶芯片的接口定義

表 1射頻芯片與基帶芯片的接口定義

BUSY 信道忙閑指示0 3 SPI 3線SPI協議AVDD 工作電壓3.0 3.3 3.3 V

基帶芯片完成LTE230專網的數字基帶和模擬基帶的主要功能。可以采用DSP和CPU的集成方案，DSP完成物理層的相關運算及射頻、音頻控制，而 CPU主要實現協議棧以及數字應用部分。另外將ADC/DAC的功能做到芯片中，盡可能提高芯片的集成度。通過這樣一個很高適應性的 SOC平臺，可以很好地驗證各種標準、為數字對講及集群系統從模擬走向數字走出關鍵一步，芯片的總體框架如2所示：

圖 2基帶芯片總體框架

基帶芯片和RF芯片采取數字接口和模擬接口兩套接口，支持模擬語音對講和數字語音對講兩種模式，極大的方便芯片接口的靈活性，可以充分支持中頻信號的數字化處理，支持數字濾波、數字調整/解調，充分發揮RF集成化和基帶信號數字化處理的優點。

接口主要實現基帶芯片對RF芯片的控制功能如發射和接收切換、模擬和數字切換、信令模式選擇等；該接口支持數字中頻信號接收處理，接收來自射頻芯片的低頻數字模式信號或者音頻信號（模擬模式），從而基帶芯片進行解調和后續處理。

2 LTE230基帶芯片設計

2.1 功能設計

數字模式實現的功能包括：完整的物理層功能數據鏈路層各項參數，用戶只需要根據需要調用相關的程序包填充相關數據即可。在呼叫控制層，用戶可根據自身需求編寫程序即可實現產品的個性化。芯片包含數字語音處理，語音加密處理，可支持個呼、組呼、全呼和廣播呼叫，支持狀態信息及短數據消息收發，預留增加GPS功能的接口。

模擬模式實現的功能包括：采用 DSP處理模擬語音，CTC/DCS信令處理，實現與常規模擬系統兼容。

擴展功能很容易，可以通過軟件編程實現，無須外接分立元件電路即可實現專網通信的大部分功能。擁有豐富的各種A/D，D/A，GPIO接口，可方便外掛其它功能模塊擴展其它專網通信的個性化功能。主要技術特征如下：

高性能 4FSK調制解調、符合 DPMR/DMR/自主標準的協議設計，支持物理層、數據鏈路層和呼叫控制層獨立應用、采用FDMA/TDMA技術，支持全雙工、半雙工語音、數據通信，支持中繼模式下應用、內置高性能AD/DA、支持FM調制解調、支持模擬語音壓縮、解壓縮、預加重、去加重、支持基帶IQ、可變中頻IQ、可變中頻和兩點調制等射頻接口、提供射頻模塊的收發控制信號和收發中斷信號、支持時分射頻通道控制、內置高性能上下變頻器、內置高性能CodeC，支持差分Mic輸入和Line輸出、支持外置CodeC I2S接口、支持 SPI用戶數據接口，可用于數字語音錄音、回放及提示音輸入。

2.2 軟件方案

在LTE230基帶芯片開發過程中，軟件實現至關重要。在芯片中，采用低功耗、高集成度的專用內核來完成物理層處理、協議棧處理及應用處理，解決了原來采用通用芯片處理遇到的芯片體積、功耗和成本難題；而且在此平臺上，可以非常方便的開發更多特定的應用，以更快響應市場的需求。軟件主要分成協議棧軟件、物理層軟件、應用軟件系統。

（1）協議棧軟件

協議棧軟件主要實現于芯片的MCU內核上，基于軟件定義無線電的方式，芯片平臺和軟件平臺適配于多種標準制式，可以實現一機多模的方式。根據標準架構，LTE230基帶的協議為三層協議架構如下圖3：

圖3 協議架構

協議棧軟件的內容主要包括：通信模式（點對點、中繼、集群）選擇、呼叫控制（CC/CCL）、接入注冊管理(REG)、補充業務（SS）、短數據傳輸管理(SDS)、數據鏈路管理（DLL）、業務控制管理（SCM）等，協議軟件架構如圖4所示：

圖 4 協議軟件架構

（2）物理層軟件

物理層軟件主要實現信道編解碼、信源編解碼、糾錯控制、同步控制、調制解調等信號處理功能，主要處理實現在芯片的DSP內核上，物理層軟件直接決定專網通信系統的性能，在物理層的設計過程中，采用先進的判決及均衡算法，保證系統在惡劣的情況下，可以表現出優異的性能，物理層軟件系統的功能模塊如圖5所示∶

圖5物理層軟件系統的功能模塊

在物理層的設計中，通過DSP軟件的重配置可以支持基于不同標準的物理層處理要求，根據基帶軟件系統的處理要求，在DSP的外圍設計了眾多滿足不同通訊標準要求的協處理器，可以加速基帶信號的復雜處理，完成專網通信信號的高性能接收和發送，也降低了系統的功耗、擴展了DSP的處理能力。

（3）應用軟件

應用軟件系統位于ARM處理器上，其主要完成與用戶的交互功能，應用軟件的設計依照專網通信應用的傳統習慣以及特定產品的行業或定制用戶需求設計。

GUI 是應用軟件的顯示和消息處理的子模塊，為應用程序提供基于消息機制的圖形用戶界面（GUI）編程接口。

DM是對所有的平臺外設進行管理的MMI的子模塊，DM子模塊主要實現APP與device的通訊，DM主要通過封裝一層API或信號接口，與MMI交互，為APP提供一套標準的外設操作接口。

NV(NVRAM)是對保存在本地的數據參數處理模塊。NV子模塊為上層應用提供了統一的接口，方便用戶對存儲介質的訪問。提高了訪問的速度和健壯性。降低了程序的復雜度，減少了代碼量。使上層應用程序獨立于物理存儲介質，提高了應用程序的可移植性。

3 系統測試

3.1 測試方法

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“功能正常”和“測試失敗”來提示測試結果。

3.2 測試結果

核心功能測試結果如表2。

表2 基帶芯片功能測試

器（MEMCTRL） 能正常工作6 實時時鐘（RTC）測試實時時鐘 RTC 是否可以實現天、時、分、秒的顯示，定時開機、定時關機、定時鬧鈴功能。功能正常7 同步串行接口控制器（SSIO）連接測試回路，測試ssio口收發數據是否正常 功能正常8 輔助AD接口 連接外部電路，測試AD采用是否能正常工作 功能正常9 直接存儲器訪問控制器（DMAC）配置DMAC相關寄存器，測試數據傳輸是否正常 功能正常10 看門狗(WDT) 測試當芯片死機時，系統自動復位 功能正常11 異步串行控制器 在115200波特率下，測試回路是否正常 功能正常12 I2C接口 外接I2C外設，測試I2C與外設之間是否正常通訊 功能正常13 USB USB接品可正常識別設備并工作 功能正常高速AD模塊 時鐘可配 可配雙路8bit采樣 8bit 14 ADC/DAC模塊高速DA模塊 單端滿幅值電流4mA—20mA 18mA雙路10bit采樣 10bit時鐘可配 可配AUXDA 默認采樣頻率0.5MHz 0.5MHz數據寬度10bit 10bit指令ICACHE，數據DCACHE功能正常215 CPU模塊 32位ARM指令集和16位Thumb指令集 功能正常4KB的指令緊耦合存儲器 功能正常16 DSP模塊 4級超級流水線結構，4條指 功能正常

捆綁并行處理2個乘加器，2個算數邏輯單元 功能正常16 DSP模塊主頻100MHz下峰值處理能力為400MIPS 功能正常40K字的指令存儲器和40K字的數據存儲器 功能正常

4 結論

作為電力系統無線專網建設的核心器件，基帶設計及實現是無線通信最核心的技術，本項目采用RAM內置，中頻和基帶信號處理高度集成，降低了通信模塊的功耗和芯片成本，本項目可以適用于我國電力無線通信專網業務數據采集、傳輸、監測和控制等電力業務開展，保障國家電網的穩定運行，在電力行業具有應用推廣價值和示范引領的作用。

[1]劉振亞.智能電網技術[M].中國電力出版社，2010.

[2]秦立軍，馬其燕.智能配電網及其關鍵技術[M].中國電力出版社，2010.

[3]何光宇，孫英云.智能電網基礎[M].中國電力出版社，2010.

[4]劉建明，李祥珍.物聯網與智能電網[M].電子工業出版社，2012.

[5]王映民，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計[M].人民郵電出版社，2010.

[6]唐雄燕，李建宇，張輝，等.寬帶無線接入技術及應用[M].電子工業出版社，2005.

[7]易睿得.LTE系統原理及應用[M].電子工業出版社，2012.

[8]林輝.LTE-Advanced關鍵技術詳解[M].人民郵電出版社，2012.