230M专网通信的技术改进和实施

摘 要：针对目前国内230M电力负荷管理无线专网的通信速率瓶颈，提出一种基于模拟电台的高速通信解决方案，通信速率达19200bps，介绍了高速数传通信电台实现的关键技术和自组网相关部分，其应用通信成功率达99%。

关键词：4FSK；两点调制；直流匹配；发射启动时间；自组网

中图分类号：TN913 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 20-0000-01

随着国民经济的发展及强劲增长的电力需求和日渐紧张的电力供应，用电信息的实时采集显得至关重要，而通信速率的瓶颈大大制约了专网应用的发展。本文介绍一种空间速率达19.2Kbps的自主研发的高速数传电台及其关键技术。

一、230M专网传统电台的实现及技术特点

目前的数传电台分为模拟电台和数字电台两类，模拟电台还是采用传统的模拟话音通道上加数字调制解调器完成。数字电台是目前的发展方向，一般采用DSP和FPGA方案，使用软件无线电的方式实现，数字电台采用软件算法实现调制解调，具有调制方式灵活、通信速率可调、升级方便等优点，但是由于复杂的算法对硬件要求较高，成本增加较多。目前230M系统中的应用都已模拟电台为主。目前在系统中应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（移频键控），是利用载波的频率变化来传递数字信号，其特点是实现较易，抗干扰和抗衰落性能较强，缺点是占用频带较宽，频带利用率不高。最小移频键控（MSK）是移频键控（FSK）的一种改进型，使其相位始终保持连续不变的一种调制。调制前高斯滤波的最小频移键控简称GMSK，基本的工作原理是将基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控（MSK）调制。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于MSK信号的频谱特性。以上3种方式是目前国内应用较多的在模拟电台上实现的较多。

二、19.2k高速数传电台的实现及技术特点

CML公司推出的CMX969芯片，是一种窄带半双工调制解调芯片，采用4FSK调制方式，4FSK采用四个不同的频率分别表示四个码元，00、01、10、11，每个码元包含2bit信息。CMX969片内集成了完毕的数据处理功能，为保证无线传输的成功率，片内集成了motorola成熟的空中数据传输通信协议（RD-LAP），该协议适用于无线分组数据传输。发送数据时modem芯片自动完成FEC前向纠错、CRC校验、Interleaving数据交织等处理，同时添加位同步、帧同步及通道状态，打包数据经过内部基带信号滤波器滤波后产生基带调制信号输出。接收方式下该芯片作相反步骤处理，同时提供数据的解调质量。CMX969的空中速率达19.2Kbps。高速数传电台由传统的收发单元、振荡单元、功率放大器单元、调制电路、解调电路及单片机和控制软件组成。模拟电路完成模拟调制、解调、话音通道，频道参数的保存，静噪等级的设置、对场强等模拟信号进行实时采样。数传部分采用单片机控制CMx969，完成信号的数字调制及解调，路由算法。传统的模拟电台的通信速率最高到9600bps，要达到19.2Kbps通信时，需要对模拟电路进行改造，其关键技术有以下几点。

（一）两点调制。锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。传统的锁相型调制采用VCO输入的单点调制，VCO调制具有高通特性，GMSK和4FSK方案调制时，调制频响往往需要低端到DC，也就是要求电路同时需要较好的低频响应。采用基于锁相技术的两点调制方案来解决信号的频率稳定度问题，使系统具有很好的高频和低频响应。 两点调制信号的一路信号送入到VCO的调制输入点，另一路加载在压控温补晶振上，由于该回路不在频率控制反馈回路中，可以作为信号的低通调制。通过参数调整，可将低通信号和高通信号合成为一个0～5K的低通响应曲线，满足系统调制要求。

（二）直流匹配。传统电台模拟信号的传输通常采用交流耦合信号，由于传输信号的0 1变化不均，会有连续的0或1出现，信号前后直流偏置不一及电容充放电变化，直流偏置的变化经过放大器后会引起波形失真，而解调芯片对直流中心点的要求较高，信号的失真会导致信号质量下降，解调出错。整个模拟电路信号的电平匹配采用直流耦合方式，同时采用和调制解调芯片一致的直流中心电平作为信号放大回路的直流基准电压，减少了由于电平不匹配导致的信号失真。

（三）发射启动时间。传统的电台通信由外部PTT启动发射，从发射信号有效到正常功率输出，需要10～15ms，一般数据的正常传输放到20ms以后，这段时间对高速通信的信道的有效利用形成浪费。为解决这个问题，首先改进VCO的稳定时间，通过调整环路滤波器参数，使VCO的频率稳定时间控制在3ms以内，功放启动到稳定，整个时间控制在5ms以内，整个数据的开始发送可以从6ms开始时，大大提高了频道的利用率。另外，我们采用双VCO设计，收发VCO分开，并且VCO一直在工作，在收发同频应用时，在接收状态下，发射VCO偏移100HZ，避免干扰的同时，缩短了收发切换振荡器的切换时间，提高了速率。采用数字D/A及缓冲放大芯片，对原先需要人工调试的参数，如两点调制信号的幅度、接收信号幅度，直流参考电平、输出功率，静噪等级等进行自动校准，校准时由8920和计算机配合调试，校准数据存放在EEPROM中，减少了人工干预，提高了生产效率及产品的一致性。

三、高速数传电台的路由组网

在硬件平台支持到19.2Kbps的情况下，解决了高速通信的问题。但是，10W电台在平原地区应用，通信距离视距可达30KM以上，也就是这种情况下通信直通率很高。但是在山区（如重庆），或城市内部，有高楼阻挡时，部分终端不能收到基站的信息，这时会形成通信孤岛。为解决这个问题，我们的电台采用了路由及中继算法，可通过其他相邻的终端作为中继，和主站进行通信，保证所有终端的覆盖率。当然，如果中继终端太多，也会影响信道的使用效率，一般我们的直通终端覆盖率在80%～90%，其余终端可通过中继通信。基站建立后定时发送信标，新终端入网时，收到信标信息，在指定的时间间隙内发送附着申请，可以快速入网，直通终端直接入网，非直通终端可以由直通终端请求入网。通过中继技术消除通信盲区。终端通信时能够记录可接收到的终端地址及场强，形成邻居表，并依据场强进行路由分析和优化。使整个系统通信效率随着巡测场强信息的获得不断改善。

四、结语

采用上面的电台技术及路由算法，对现场使用的原1200bps、2400bps的终端进行了升级改造，通信速率提高了8倍以上，一个基站下覆盖的6000台终端半天时间就能完成信息交换，取得了良好的实际应用效果。

参考文献：

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