230 MHz電力頻段專用LTE基帶芯片設計

王于波，張樹華，趙東艷

（北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京100192）

230 MHz電力頻段專用LTE基帶芯片設計

王于波，張樹華，趙東艷

（北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京100192）

針對230 MHz無線專網不能共用公網LTE基帶芯片的問題，定制開發了電力專用基帶芯片。著重介紹了基帶芯片的設計方法，列舉了開發使用的關鍵技術。此芯片經過實測，性能、功耗均達到了產業化的要求。

智能電網；無線通信；LTE230；TD-LTE；電力通信

0　引言

根據《國家電網公司“十二五”電網發展規劃》，國家電網計劃到 2020年全面建設統一堅強智能電網[1]，作為統一堅強智能電網的重要組成部分，國家電網公司加大了用電信息采集系統的建設力度，計劃在2015年之前實現服務區域內的所有電力用戶的“全覆蓋、全采集、全費控”。當前電力通信存在的主要問題在于通信接入，電力無線通信作為電力通信接入網的主要方式，已在用電信息采集系統中大量采用，對即將大力推進的配電自動化系統也將是一種必要的補充，同時也是移動巡檢和應急通信的有效通信方式。目前的無線通信產品采用的核心芯片均來自國外廠商，在安全性方面存在巨大隱患；此外缺乏統一的安全保障體系、無線通信制式的多樣性等因素帶來的安全性、實時性、服務保障等方面的不足嚴重制約了電力無線通信的發展。

無線通信是國家電網電力通信系統的一種重要方式，經歷了2G GPRS、3G、4G的發展歷程。目前，國網致力于無線專網的建設，包括以普天為代表的 LTE230系統、華為的1.8G專網系統、中興的1.4G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無線通信系統的覆蓋距離遠(是 1.8G的 5～6倍)、成本低、電力頻段免費的優勢正在慢慢突顯，很有希望成為國網無線建設的4G通信標準。

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，今年工信部給包括南瑞智芯、普天在內的六家單位投資1.58個億，作為LTE230系統產業化的專項扶持資金。

在無線通信領域中，核心基帶芯片是否成熟，能否商用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LTE芯片僅僅支持連續頻譜，因此亟需開發一款適用于不連續頻譜的電力基帶核心芯片，從而大幅度降低終端產品的成本，滿足LTE230寬帶通信系統產業化的要求。這款具有自主知識產權的高可靠、低功耗、低成本、通用性強的 230 MHz無線通信芯片及無線終端，將為配網自動化、農網信息化、用電信息采集、在線監測、應急通信、分布式能源調度管理等業務提供技術支撐。

1　公網LTE通信芯片

1.8GHz和1.4 GHz專網通信系統使用的核心芯片都是支持連續頻譜的。

1.1230 MHz頻譜特性

223～235MHz可用于遙測、遙控、數據傳輸，目前主要被電力、能源、軍隊、氣象、地震、水利、地礦、輕工、建設等行業使用；還有360個頻點由各地市無線電管理處自行審批。頻點離散，電力行業擁有40個授權頻點，是授權頻點最多的行業，很好地適應了電力系統的應用需求。電網在 223～235 MHz中分配的專有頻帶如圖1所示，共有 15對上下行間隔為7 MHz的子帶和10個單獨的時分子帶可以使用，每個子帶的帶寬為 25 kHz，共提供1 MHz帶寬。

圖1　230MHz頻譜分布圖

現有的230 MHz的數傳電臺使用的是 25 kHz的子帶，數據速率只有十幾 kb/s，點對點通信，發射功率 5 W以上，頻譜利用率低。230 MHz的頻譜不連續性是開發無線寬帶系統過程中的棘手問題。

1.2LTE通信芯片

LTE通信芯片的開發廠商有高通、重郵信科、聯芯、展訊等國內外公司，大多都兼容3 G、2 G，支持五模十頻模式。目前，流片工藝結點越來越小，由之前的40 nm逐步過渡到28 nm，甚至是20 nm。其內部的系統架構基本相似，CPU往往采用ARM公司的高端內嵌式系列，DSP通常選用 Ceva公司提供的內嵌式系列，外部采用DDR的大容量緩存。在 DSP上運行基帶程序，支持連續頻譜寬帶，從5 MHz～20 MHz不等，數據速率可以達到150 Mb/s。LTE系統架構如圖2所示。

圖2　LTE系統架構

2　230 MHz電力寬帶系統原型

TD-LTE 230 MHz電力無線寬帶通信系統采用第四代移動通信系統TD-LTE設計傳輸協議，實現電力行業授權的223 MHz～225 MHz頻段內40個離散窄帶載波的寬帶業務傳輸。該系統根據 230 MHz無線頻譜衰減模型、電力設施部署情況，開展網絡規劃、協議改進、時延控制等專業設計，具有廣覆蓋、大容量、低成本等組網優勢，可以有效解決現有電力無線通信系統頻譜效率低、組網能力弱、實時性差等問題，是構建智能電網信息通信體系的重要技術。FPGA原型系統如圖3所示。

圖3　FPGA原型系統

(1)RF芯片

采用支持230 MHz頻段的RF芯片，把空中230 MHz頻段的信號變為8.5 MHz采樣的數據信號。

(2)CPLD功能

內部通過信號處理的方法，把8.5 MHz的信號進行頻譜搬移，轉化為基帶信號；頻譜由不連續轉換為連續頻段。

(3)DSP功能

對FPGA送入的基帶信號進行處理，解析出數據幀，同時通過內部的MCU完成LTE協議棧的功能。

3　電力無線寬帶通信系統芯片設計

3.1芯片化的必要性

現有FPGA+DSP的平臺實現方案存在著成本高、功耗大、外圍器件過多的情況，因此原型系統芯片化是一個必要的選擇。

FPGA+DSP+RAM集成到一顆芯片中，簡化板級系統的復雜度，提高系統的可靠性，同時也會大大降低系統的成本和功耗。

3.2芯片主要規格

該芯片采用單 DSP、內置大容量存儲器、低功耗模式等專業設計，采用第四代移動通信系統TD-LTE設計傳輸協議，能夠實現多個電力行業授權離散載波的聚合，利用頻譜感知自動識別可用頻段，是構建智能電網信息通信體系的重要支撐。

此芯片將公網LTE技術應用到電網專有頻帶上，在前端增加了中頻到基帶的處理單元，解決了頻帶離散帶來的系統挑戰，沿用了TD-LTE中先進的下行OFDM[5，8]、上行SC-FDMA技術，以及Turbo信道解碼和QAM64高階調制，能夠在單子帶（25K）中提供上行 43.99 kb/s、下行 17.78 kb/s的傳輸速率，5個子帶同時使用將可達到上行 219.95 kb/s、下行88.9 kb/s的傳輸能力，能夠滿足配電與用電信息采集的數據速率要求[9]。芯片整體結構如圖4所示。

3.3芯片關鍵技術

3.3.1中頻處理單元

在芯片中，RF芯片將230 MHz信號搬移到中頻段，使用采樣時鐘為12.8 MHz的AD對中頻信號進行采樣，芯片內置獨立的NCO分別將不同的子帶搬移到基帶處理，從而完成了不連續頻段到連續頻段的轉換。

圖4　芯片整體結構

3.3.2單DSP架構

能夠處理5個子帶的上下行數據運算量，完成turbo軟解碼、FFT等工作；同時為了支持TD_LTE的MAC協議棧，需要運行小型的實時操作系統。它作為芯片物理層的核心，是整個芯片物理層的主導者，其性能決定了整個芯片物理層的主體架構和最終性能。

3.3.3內置2 MB存儲器

在芯片處理數據的過程，需要緩存發送與接收數據報文；DSP處理器作為物理層的處理單元，在運行過程中需要占用大量的內存，來加快系統的運行速度。市面上的無線通信芯片都是采用外置SDRAM的方式，此芯片為了節省板級BOM成本與系統功耗，內置了高達2 MB的存儲器。

3.3.4三級總線架構

使用先進的AMBA 3.0總線協議，高性能的設備都掛在AXI總線上，低性能的設備都掛在APB總線，從而合理解決了芯片性能與功耗的平衡問題。DSP處理器作為物理層的處理單元，擁有本地的內部總線架構，128位數據和256位的程序總線，分別用來訪問本地的數據/程序（D/P TCM）和cache存儲器。芯片內部系統架構如圖5所示。

圖5　內部系統架構

3.3.5低功耗設計

無線通信芯片對功耗有很高的要求，在芯片設計時采用了多種技術來控制芯片的靜態功耗和動態功耗。

針對靜態功耗，將采用多種工藝庫組合的方式來降低漏電；對運行速度不高的電路，盡量選用HVT Cell；在Memory選擇時，在滿足性能的同時盡可能地選用低速Memory。

針對動態功耗，芯片中采用了多種方式來降低電路的翻轉率，其中包括軟件可控的門控時鐘、運行狀態自動控制的門控時鐘及其兩者相結合的方式。

同時芯片采用了多電源域的設計方案，在系統運行時，可動態地關掉一些暫時無需運行的子系統或電路的供電，使其靜態功耗和動態功耗都降為零。

4　系統測試

在TD-LTE230無線通信系統中，通過RF芯片接收無線信號并進行AD/DA轉換，由基帶芯片完成中頻到基帶的轉換，同時完成基帶處理與MAC層協議處理，把數據通過通信接口UART發送或接收。

應用原理圖如圖6所示，其相應的性能參數如表1，各項性能指標均滿足應用要求。

圖6　應用原理圖

表1　DSP性能

4.1DSP性能測試

芯片中內置DSP，用來完成基帶處理程序?；鶐Ц鞣N算法的處理性能可以作為內部DSP性能好壞的依據。

4.2系統性能指標

終端模塊接入基站，與基站進行通信，測試系統的各種性能指標。芯片性能測試結果如表2所示。

表2　芯片性能

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、長距離的明顯優勢。電力無線寬帶通信基帶芯片的成功研制填補了我國在該電力技術領域的產品空白，為電力無線專網的建設和技術的推廣奠定了經濟基礎和技術基礎，也是國內唯一一款具有自主知識產權的芯片。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，國內首款TD-LTE 230 MHz電力無線寬帶通信基帶芯片的研發具有非常重要的戰略和現實意義。

[1]劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

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[9]國家電網公司.Q/GDW 373-2009電力用戶用電信息采集系統功能規范[S].北京：中國電力出版社，2009.

Custom LTE baseband chip in 230 MHz power band

Wang Yubo，Zhang Shuhua，Zhao Dongyan
(Beijing NARI SmartChip Microelectronics Company Limited，Beijing 100192，China)

Aimming at 230 MHz wireless power comunication network can not use telecom LTE baseband chip,the custom baseband chip is designed.The article introduces the design method of the baseband chip,and lists the key technology.This chip has been measured,both of the performance and power consumption reach the requirements of industrialization.

smart grid；wireless communication；LTE230；TD-LTE；electricity communication

TN492

A

0258-7998(2015)01-0046-04

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014101803757

2014-10-18)

王于波(1969-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：電力系統自動化。

張樹華（1980-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：通信芯片與系統技術。

趙東艷（1970-），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：電力系統自動化。