230MHz电力频段专用LTE基带芯片设计

0 引言

根据《国家电网公司“十二五”电网发展规划》，国家电网计划到2020年全面建设统一坚强智能电网[1]，作为统一坚强智能电网的重要组成部分，国家电网公司加大了用电信息采集系统的建设力度，计划在2015年之前实现服务区域内的所有电力用户的“全覆盖、全采集、全费控”。当前电力通信存在的主要问题在于通信接入，电力无线通信作为电力通信接入网的主要方式，已在用电信息采集系统中大量采用，对即将大力推进的配电自动化系统也将是一种必要的补充，同时也是移动巡检和应急通信的有效通信方式。目前的无线通信产品采用的核心芯片均来自国外厂商，在安全性方面存在巨大隐患;此外缺乏统一的安全保障体系、无线通信制式的多样性等因素带来的安全性、实时性、服务保障等方面的不足严重制约了电力无线通信的发展。

无线通信是国家电网电力通信系统的一种重要方式，经历了2G GPRS、3G、4G的发展历程。目前，国网致力于无线专网的建设，包括以普天为代表的LTE230系统、华为的1.8G专网系统、中兴的1.4G专网系统。这三类技术已经经过了2、3年的不同地区的试点，LTE230无线通信系统的覆盖距离远(是1.8G的5~6倍)、成本低、电力频段免费的优势正在慢慢突显，很有希望成为国网无线建设的4G通信标准。

LTE230宽带通信系统应用范围非常广，涉及配网自动化、用电信息采集、巡检、石油与林业监控等。LTE230系统的试点区域几乎已经遍布全国，国网区域包括北京、宁夏、浙江、江苏、河北、新疆等;南网有广州、深圳等。大量的试点推动了技术的进步，目前已经达到可以产业化的程度，今年工信部给包括南瑞智芯、普天在内的六家单位投资1.58个亿，作为LTE230系统产业化的专项扶持资金。

在无线通信领域中，核心基带芯片是否成熟，能否商用是制约电力无线通信产业发展的重要因素。由于230 MHz频谱的不连续性，而公网的通用LTE芯片仅仅支持连续频谱，因此亟需开发一款适用于不连续频谱的电力基带核心芯片，从而大幅度降低终端产品的成本，满足LTE230宽带通信系统产业化的要求。这款具有自主知识产权的高可靠、低功耗、低成本、通用性强的230 MHz无线通信芯片及无线终端，将为配网自动化、农网信息化、用电信息采集、在线监测、应急通信、分布式能源调度管理等业务提供技术支撑。

1 公网LTE通信芯片

1.8 GHz和1.4 GHz专网通信系统使用的核心芯片都是支持连续频谱的。

1.1 230 MHz频谱特性

223~235 MHz可用于遥测、遥控、数据传输，目前主要被电力、能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工、建设等行业使用;还有360个频点由各地市无线电管理处自行审批。频点离散，电力行业拥有40个授权频点，是授权频点最多的行业，很好地适应了电力系统的应用需求。电网在223~235 MHz中分配的专有频带如图1所示，共有15对上下行间隔为7 MHz的子带和10个单独的时分子带可以使用，每个子带的带宽为25 kHz，共提供1 MHz带宽。

现有的230 MHz的数传电台使用的是25 kHz的子带，数据速率只有十几kb/s，点对点通信，发射功率5 W以上，频谱利用率低。230 MHz的频谱不连续性是开发无线宽带系统过程中的棘手问题。

1.2 LTE通信芯片

LTE通信芯片的开发厂商有高通、重邮信科、联芯、展讯等国内外公司，大多都兼容3 G、2 G，支持五模十频模式。目前，流片工艺结点越来越小，由之前的40 nm逐步过渡到28 nm，甚至是20 nm。其内部的系统架构基本相似，CPU往往采用ARM公司的高端内嵌式系列，DSP通常选用Ceva公司提供的内嵌式系列，外部采用DDR的大容量缓存。在DSP上运行基带程序，支持连续频谱宽带，从5 MHz～20 MHz不等，数据速率可以达到150 Mb/s。LTE系统架构如图2所示。

2 230 MHz电力宽带系统原型

TD-LTE 230 MHz电力无线宽带通信系统采用第四代移动通信系统TD-LTE设计传输协议，实现电力行业授权的223 MHz～225 MHz频段内40个离散窄带载波的宽带业务传输。该系统根据230 MHz无线频谱衰减模型、电力设施部署情况，开展网络规划、协议改进、时延控制等专业设计，具有广覆盖、大容量、低成本等组网优势，可以有效解决现有电力无线通信系统频谱效率低、组网能力弱、实时性差等问题，是构建智能电网信息通信体系的重要技术。FPGA原型系统如图3所示。

(1)RF芯片

采用支持230 MHz频段的RF芯片，把空中230 MHz频段的信号变为8.5 MHz采样的数据信号。

(2)CPLD功能

内部通过信号处理的方法，把8.5 MHz的信号进行频谱搬移，转化为基带信号;频谱由不连续转换为连续频段。

(3)DSP功能

对FPGA送入的基带信号进行处理，解析出数据帧，同时通过内部的MCU完成LTE协议栈的功能。

3 电力无线宽带通信系统芯片设计

3.1 芯片化的必要性

现有FPGA+DSP的平台实现方案存在着成本高、功耗大、外围器件过多的情况，因此原型系统芯片化是一个必要的选择。

FPGA+DSP+RAM集成到一颗芯片中，简化板级系统的复杂度，提高系统的可靠性，同时也会大大降低系统的成本和功耗。

3.2 芯片主要规格

该芯片采用单DSP、内置大容量存储器、低功耗模式等专业设计，采用第四代移动通信系统TD-LTE设计传输协议，能够实现多个电力行业授权离散载波的聚合，利用频谱感知自动识别可用频段，是构建智能电网信息通信体系的重要支撑。

此芯片将公网LTE技术应用到电网专有频带上，在前端增加了中频到基带的处理单元，解决了频带离散带来的系统挑战，沿用了TD-LTE中先进的下行OFDM[5，8]、上行SC-FDMA技术，以及Turbo信道解码和QAM64高阶调制，能够在单子带(25K)中提供上行43.99 kb/s、下行17.78 kb/s的传输速率，5个子带同时使用将可达到上行219.95 kb/s、下行88.9 kb/s的传输能力，能够满足配电与用电信息采集的数据速率要求[9]。

3.3 芯片关键技术

3.3.1 中频处理单元

在芯片中，RF芯片将230 MHz信号搬移到中频段，使用采样时钟为12.8 MHz的AD对中频信号进行采样，芯片内置独立的NCO分别将不同的子带搬移到基带处理，从而完成了不连续频段到连续频段的转换。

3.3.2 单DSP架构

能够处理5个子带的上下行数据运算量，完成turbo软解码、FFT等工作;同时为了支持TD_LTE的MAC协议栈，需要运行小型的实时操作系统。它作为芯片物理层的核心，是整个芯片物理层的主导者，其性能决定了整个芯片物理层的主体架构和最终性能。

3.3.3 内置2 MB存储器

在芯片处理数据的过程，需要缓存发送与接收数据报文;DSP处理器作为物理层的处理单元，在运行过程中需要占用大量的内存，来加快系统的运行速度。市面上的无线通信芯片都是采用外置SDRAM的方式，此芯片为了节省板级BOM成本与系统功耗，内置了高达2 MB的存储器。

3.3.4 三级总线架构

使用先进的AMBA 3.0总线协议，高性能的设备都挂在AXI总线上，低性能的设备都挂在APB总线，从而合理解决了芯片性能与功耗的平衡问题。DSP处理器作为物理层的处理单元，拥有本地的内部总线架构，128位数据和256位的程序总线，分别用来访问本地的数据/程序(D/P TCM)和cache 存储器。芯片内部系统架构如图5所示。

3.3.5 低功耗设计

无线通信芯片对功耗有很高的要求，在芯片设计时采用了多种技术来控制芯片的静态功耗和动态功耗。

针对静态功耗，将采用多种工艺库组合的方式来降低漏电;对运行速度不高的电路，尽量选用HVT Cell;在Memory选择时，在满足性能的同时尽可能地选用低速Memory。

针对动态功耗，芯片中采用了多种方式来降低电路的翻转率，其中包括软件可控的门控时钟、运行状态自动控制的门控时钟及其两者相结合的方式。

同时芯片采用了多电源域的设计方案，在系统运行时，可动态地关掉一些暂时无需运行的子系统或电路的供电，使其静态功耗和动态功耗都降为零。

4 系统测试

在TD-LTE230无线通信系统中，通过RF芯片接收无线信号并进行AD/DA转换，由基带芯片完成中频到基带的转换，同时完成基带处理与MAC层协议处理，把数据通过通信接口UART发送或接收。

应用原理图如图6所示，其相应的性能参数如表1，各项性能指标均满足应用要求。

4.1 DSP性能测试

芯片中内置DSP，用来完成基带处理程序。基带各种算法的处理性能可以作为内部DSP性能好坏的依据。

4.2 系统性能指标

终端模块接入基站，与基站进行通信，测试系统的各种性能指标。芯片性能测试结果如表2所示。

5 结论

本芯片的设计规格切实符合电力市场的应用需求，其功能与性能均满足电力无线通信的要求，具有高性能、低功耗、长距离的明显优势。电力无线宽带通信基带芯片的成功研制填补了我国在该电力技术领域的产品空白，为电力无线专网的建设和技术的推广奠定了经济基础和技术基础，也是国内唯一一款具有自主知识产权的芯片。作为国家战略新兴产业的智能电网和高性能芯片设计的重要结合产品，国内首款TD-LTE 230 MHz电力无线宽带通信基带芯片的研发具有非常重要的战略和现实意义。