擴頻電流環通信方法的研究與實現

■ 王建華 青島鼎信通訊消防安全有限公司

■ 劉存良 青島鼎信通訊股份有限公司

一、行業痛點

目前，消防二總線是一種不對稱的通信總線，即控制器下行發碼需兼顧通信與供電，因此采用電壓調制方式。為了盡量減少電能損耗，監控器上行回碼仍采用控制器端供電的電流環方式，而且為了降低系統功耗，回碼電流不宜過大，通常為幾十微安。

這種電流環的通信方式存在以下問題：第一，隨著傳輸距離增加，電流信號衰減嚴重，會造成接收端無法正確解調；第二，在實際工程應用中，為了兼顧施工方便并節省成本，存在不同系統多種線路共同鋪設，甚至是平行布線，而電流環通信環境易受周圍線路干擾；第三，現有電流環通信數據通常采用原碼進行傳輸，數據受干擾后無法進行自修復，致使控制器因無法正確接收報文而要求監控器重復發送，這同樣會造成網絡通信效率下降。

綜上所述，需研究一種既能提升通信成功率，又能保證遠距離傳輸的電流環通信方法。

二、鼎信方案

（一）監控器回碼

目前，消防二總線系統中，為了避免一次回碼時間過長造成監控器的電壓下降太大，需要對通信數據按限定時間分組為不同的通信數據塊后再進行傳輸。此外，傳統電流環通信報文中也只包含以原碼形式存在的分組數據。

鼎信回碼方案如圖1 所示。首先，對分組數據進行卷積、交織和擴頻編碼形成幀載荷數據，然后在幀載荷數據前面增加訓練符和前導碼組成新的通信報文。其中，訓練符，采用長度8 位的曼徹斯特編碼。訓練符是為了激勵運放電路提前進入工作狀態；前導碼，采用長度16 位或32 位的序列。前導碼是在15 位或31 位m 序列的基礎上增加一位0 或1，使序列中的0 和1個數相同，其目的是消除直流信號的影響。

圖1 鼎信回碼方案

（二）控制器收碼

現有消防二總線控制器收碼方案：首先把電流信號轉換為電壓信號，然后對電壓進行單次采樣并經比較器進行閾值判別，這種鑒別方式易受干擾信號的影響。

鼎信控制器收碼方案包括：ADC 高速采樣、數據滑動平均、數據鎖相、頻偏修正和數據解碼5個步驟。

1．ADC 高速采樣

鼎信方案采用高速ADC 對電流轉換為電壓后的信號進行采樣處理，得到過采樣數據集。示例如圖2 所示。其中，過采樣數據記作Sij，i 為第i個采樣信號，j 為對第i個采樣信號過采樣的次數。

圖2 過采樣示意圖

2．數據滑動平均

對過采樣數據進行滑動平均，其目的是消除高頻信號的干擾。下面是K 均值滑動平均算法的示例，其中Aij為與采樣點Sij相對應的滑動平均后的數據。

3．數據鎖相

數據鎖相就是要在滑動平均之后的數據集Aij中找到信號的最佳采樣點。我們把n個連續信號的過采樣數據集作為一個鎖相窗口，第i個信號的鎖相算法為：

其中，Max{Pi1，……，Pij} 所對應的Aij就是第i個信號的最佳相位點。

4．頻偏修正

因為控制器與監控器采用獨立的晶振工作，而其易受溫度變化造成頻偏。針對頻偏呈現線性變化的特點，提出動態頻偏調整算法，實現按位逐次逼近最佳相位點。

如圖3 所示，以右偏調整為例（步長j=5）加以說明：

圖3 頻偏修正示例

STEP1：在Group_i 中計算并得到本組真正的最佳相位點Ai3，標記R_Pos=Ai3；以同樣步長確定Group_i+1數據，并標定出假設的最佳相位點，標記為I_Pos=A（i+1）3。

STEP2：在Group_i+1 中計算并得到真正的最佳相位點為R _Pos= A(i+1)5，我們采用逐位逼近算法，即標記J_Pos=A(i+1)4為Group_i+1 最佳相位點，并重新確定Group_i+1 組數據，并以此為依據，按相同的步長確定Group_i+2 數據。

依次類推，實現動態逐位跟隨相位調整。

5．數據解碼

首先鎖定前導碼，然后到達幀載荷編碼數據，最后對編碼數據進行解碼，恢復原始數據。

三、結語

本文提出的一種基于擴頻的電流環通信方法，監控器對通信數據進行分組、卷積、交織和擴頻，增強了通信幀的抗干擾性，提升了通信可靠性，并新加入訓練符和前導碼，由訓練符激勵運放電路進入工作狀態，避免運放電路啟動延遲的影響，又利用前導碼消除通信幀中的直流信號減少干擾信號，實現了重新設計通信幀格式，得到新的發送報文，確保了遠距離通信時能夠提高通信成功率。