基于230 MHz频段的专用LTE基带芯片设计

◆李 荣 李 林 刘 晗 马德凯 徐盛涛

（1.国网山东省电力公司 山东 250001；2.国网山东省电力公司烟台供电公司 山东 264000）

0 引言

当前无线通信是国家电网电力通信系统的一种重要方式，无线传输技术经历了2G GPRS、3G、4G的演变历程。目前国家电力系统致力于无线专网的建设，包括以普天为代表的LTE230系统、中兴的1.4G专网系统、华为的1.8G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，国网区域包括山东、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。

在无线通信领域中，核心基带芯片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，而公网的通用的LTE芯片支持连续频谱，因此开发一款适用于不连续频谱的电力基带核心芯片，从而大幅度降低电力通信终端产品的成本，满足LTE230宽带通信系统产业化的要求。

1 LTE 230 基带芯片总体思路

基带芯片系统本身是一个专用系统，要将其设计为一个适配于多个标准系统的平台，需要考虑提取标准系统的共性技术，合理设计芯片的体系架构，在软硬件分割方案上，尽可能保留一定的灵活性。

本技术方案采用基带芯片、RF芯片套片形式组成数字专网通信整体解决方案，基带芯片与RF芯片采用模拟接口形式，最大程度的保持RF和基带芯片设计的灵活性，通过基带芯片的算法处理，最大可能的降低RF芯片设计复杂度，提高整体方案的可扩展性和针对不同标准的适应性，具体方案如图1所示，各传输线定义如表1所示：

图 1射频芯片与基带芯片的接口定义

表 1射频芯片与基带芯片的接口定义

BUSY 信道忙闲指示0 3 SPI 3线SPI协议AVDD 工作电压3.0 3.3 3.3 V

基带芯片完成LTE230专网的数字基带和模拟基带的主要功能。可以采用DSP和CPU的集成方案，DSP完成物理层的相关运算及射频、音频控制，而 CPU主要实现协议栈以及数字应用部分。另外将ADC/DAC的功能做到芯片中，尽可能提高芯片的集成度。通过这样一个很高适应性的 SOC平台，可以很好地验证各种标准、为数字对讲及集群系统从模拟走向数字走出关键一步，芯片的总体框架如2所示：

图 2基带芯片总体框架

基带芯片和RF芯片采取数字接口和模拟接口两套接口，支持模拟语音对讲和数字语音对讲两种模式，极大的方便芯片接口的灵活性，可以充分支持中频信号的数字化处理，支持数字滤波、数字调整/解调，充分发挥RF集成化和基带信号数字化处理的优点。

接口主要实现基带芯片对RF芯片的控制功能如发射和接收切换、模拟和数字切换、信令模式选择等；该接口支持数字中频信号接收处理，接收来自射频芯片的低频数字模式信号或者音频信号（模拟模式），从而基带芯片进行解调和后续处理。

2 LTE230基带芯片设计

2.1 功能设计

数字模式实现的功能包括：完整的物理层功能数据链路层各项参数，用户只需要根据需要调用相关的程序包填充相关数据即可。在呼叫控制层，用户可根据自身需求编写程序即可实现产品的个性化。芯片包含数字语音处理，语音加密处理，可支持个呼、组呼、全呼和广播呼叫，支持状态信息及短数据消息收发，预留增加GPS功能的接口。

模拟模式实现的功能包括：采用 DSP处理模拟语音，CTC/DCS信令处理，实现与常规模拟系统兼容。

扩展功能很容易，可以通过软件编程实现，无须外接分立元件电路即可实现专网通信的大部分功能。拥有丰富的各种A/D，D/A，GPIO接口，可方便外挂其它功能模块扩展其它专网通信的个性化功能。主要技术特征如下：

高性能 4FSK调制解调、符合 DPMR/DMR/自主标准的协议设计，支持物理层、数据链路层和呼叫控制层独立应用、采用FDMA/TDMA技术，支持全双工、半双工语音、数据通信，支持中继模式下应用、内置高性能AD/DA、支持FM调制解调、支持模拟语音压缩、解压缩、预加重、去加重、支持基带IQ、可变中频IQ、可变中频和两点调制等射频接口、提供射频模块的收发控制信号和收发中断信号、支持时分射频通道控制、内置高性能上下变频器、内置高性能CodeC，支持差分Mic输入和Line输出、支持外置CodeC I2S接口、支持 SPI用户数据接口，可用于数字语音录音、回放及提示音输入。

2.2 软件方案

在LTE230基带芯片开发过程中，软件实现至关重要。在芯片中，采用低功耗、高集成度的专用内核来完成物理层处理、协议栈处理及应用处理，解决了原来采用通用芯片处理遇到的芯片体积、功耗和成本难题；而且在此平台上，可以非常方便的开发更多特定的应用，以更快响应市场的需求。软件主要分成协议栈软件、物理层软件、应用软件系统。

（1）协议栈软件

协议栈软件主要实现于芯片的MCU内核上，基于软件定义无线电的方式，芯片平台和软件平台适配于多种标准制式，可以实现一机多模的方式。根据标准架构，LTE230基带的协议为三层协议架构如下图3：

图3 协议架构

协议栈软件的内容主要包括：通信模式（点对点、中继、集群）选择、呼叫控制（CC/CCL）、接入注册管理(REG)、补充业务（SS）、短数据传输管理(SDS)、数据链路管理（DLL）、业务控制管理（SCM）等，协议软件架构如图4所示：

图 4 协议软件架构

（2）物理层软件

物理层软件主要实现信道编解码、信源编解码、纠错控制、同步控制、调制解调等信号处理功能，主要处理实现在芯片的DSP内核上，物理层软件直接决定专网通信系统的性能，在物理层的设计过程中，采用先进的判决及均衡算法，保证系统在恶劣的情况下，可以表现出优异的性能，物理层软件系统的功能模块如图5所示∶

图5物理层软件系统的功能模块

在物理层的设计中，通过DSP软件的重配置可以支持基于不同标准的物理层处理要求，根据基带软件系统的处理要求，在DSP的外围设计了众多满足不同通讯标准要求的协处理器，可以加速基带信号的复杂处理，完成专网通信信号的高性能接收和发送，也降低了系统的功耗、扩展了DSP的处理能力。

（3）应用软件

应用软件系统位于ARM处理器上，其主要完成与用户的交互功能，应用软件的设计依照专网通信应用的传统习惯以及特定产品的行业或定制用户需求设计。

GUI 是应用软件的显示和消息处理的子模块，为应用程序提供基于消息机制的图形用户界面（GUI）编程接口。

DM是对所有的平台外设进行管理的MMI的子模块，DM子模块主要实现APP与device的通讯，DM主要通过封装一层API或信号接口，与MMI交互，为APP提供一套标准的外设操作接口。

NV(NVRAM)是对保存在本地的数据参数处理模块。NV子模块为上层应用提供了统一的接口，方便用户对存储介质的访问。提高了访问的速度和健壮性。降低了程序的复杂度，减少了代码量。使上层应用程序独立于物理存储介质，提高了应用程序的可移植性。

3 系统测试

3.1 测试方法

该芯片研发过程中，在芯片内部建立测试通路，开发自动化测试程序，只需要电脑和该智能电网相互通信即可完成测试，通过开发软件点击“测试”，最终显示“功能正常”和“测试失败”来提示测试结果。

3.2 测试结果

核心功能测试结果如表2。

表2 基带芯片功能测试

器（MEMCTRL） 能正常工作6 实时时钟（RTC）测试实时时钟 RTC 是否可以实现天、时、分、秒的显示，定时开机、定时关机、定时闹铃功能。功能正常7 同步串行接口控制器（SSIO）连接测试回路，测试ssio口收发数据是否正常 功能正常8 辅助AD接口 连接外部电路，测试AD采用是否能正常工作 功能正常9 直接存储器访问控制器（DMAC）配置DMAC相关寄存器，测试数据传输是否正常 功能正常10 看门狗(WDT) 测试当芯片死机时，系统自动复位 功能正常11 异步串行控制器 在115200波特率下，测试回路是否正常 功能正常12 I2C接口 外接I2C外设，测试I2C与外设之间是否正常通讯 功能正常13 USB USB接品可正常识别设备并工作 功能正常高速AD模块 时钟可配 可配双路8bit采样 8bit 14 ADC/DAC模块高速DA模块 单端满幅值电流4mA—20mA 18mA双路10bit采样 10bit时钟可配 可配AUXDA 默认采样频率0.5MHz 0.5MHz数据宽度10bit 10bit指令ICACHE，数据DCACHE功能正常215 CPU模块 32位ARM指令集和16位Thumb指令集 功能正常4KB的指令紧耦合存储器 功能正常16 DSP模块 4级超级流水线结构，4条指 功能正常

捆绑并行处理2个乘加器，2个算数逻辑单元 功能正常16 DSP模块主频100MHz下峰值处理能力为400MIPS 功能正常40K字的指令存储器和40K字的数据存储器 功能正常

4 结论

作为电力系统无线专网建设的核心器件，基带设计及实现是无线通信最核心的技术，本项目采用RAM内置，中频和基带信号处理高度集成，降低了通信模块的功耗和芯片成本，本项目可以适用于我国电力无线通信专网业务数据采集、传输、监测和控制等电力业务开展，保障国家电网的稳定运行，在电力行业具有应用推广价值和示范引领的作用。

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