一種復用傳輸射頻和基帶信號的新方法

葉寶盛,錢捷,程明

摘 ?要： 介紹了一種在同軸電纜上，射頻和基帶信號復用傳輸的新方法。設計了射頻信號和基帶信號隔離電路，采用C?MBUS標準傳輸基帶信號，在長為1 km、傳輸射頻信號功率為40 dBm的同軸電纜上，達到了4 800 b/s的數據傳送速率，且同時可以為通信從機節點提供10 mA的電流。該方法具有硬件電路簡單、成本低廉，容易組網的優點，適用于在射頻線路上同時傳輸低數據速率的附加信息。

關鍵詞： 復用傳輸； 同軸電纜； 基帶信號； 射頻信號

中圖分類號： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0084?03

A new method of multiplexing transmission of RF and baseband signals

YE Bao?sheng， QIAN Jie， CHENG Ming

（No.36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China）

Abstract： A new method to transmit both baseband signal and RF（radio frequency）signal in a coaxial cable is introduced. A circuit to isolate baseband signal and RF signal was designed. The baseband signal is transmitted according to C?MBUS Standard. On the 1 km coaxial cable， which transmits 40 dBm RF signal， 4800 bps transmission rate was achieved， and 10 mA current can be provided for slave node. It has the advantages of simple circuit， low cost and easy networking. It is applied to transmitting the additional information of low data rate in the RF coaxial cable.

Keywords： multiplexing transmission； coaxial cable； baseband signal； RF signal

0 ?引 ?言

在通信系統中，天饋和收發信機中間有較長的饋線，一般采用同軸電纜；有時需要在天線和收發信機之間傳輸一些信息，這些信息一般數據量不大，如果單獨另外鋪設一條線路，則成本較高，且復雜度增大。因此有必要研究以同軸電纜為傳輸媒介，在傳輸射頻功率信號的同時，傳輸低數據速率的附加信息。

1 ?方案設計

從現有的技術來看，低數據速率的基帶信號作為附加信息，要和射頻信號復用同軸電纜進行傳輸，有頻分復用、時分復用、碼分復用三種方式[1]。其中，碼分復用需要對兩路基帶信號進行正交編碼，對本應用來說，需要將射頻信號解調，得到基帶信號，然后與附加信號進行正交編碼，進行傳輸。這樣一來，硬件復雜程度大大增加，因此碼分復用不合適。時分復用是將附加信號和射頻信號分時傳輸，每次傳輸基帶信號的同時，射頻信號要被切斷，這個在絕大部分場合是不允許的，因此，時分復用也不適合。頻分復用是在發送端將附加信息的基帶信號調制到一個與射頻信號所占頻帶相隔很遠的較低的頻帶上附加信息量較少，其基帶信號調制后進行傳輸，占用帶寬也較小；在接收端，采用濾波器將射頻信號和調制后的附加信號分離出來，再進行解調，得到附加信息。

對本應用來說，采用頻分復用的方法，主要是選取一種合適的基帶信號傳輸方式，這種傳輸方式需具備以下特點：電路簡單，容易實現；可靠性高；容易組網。

電力線載波通信[2]是典型的頻分復用系統。由于電力線載波通信要進行高速率的通信，因此將基帶信號調制到遠比工頻高的頻段上。本應用中，數據傳輸速率較低，不低于1 Kb/s即可，且要求低成本、低復雜度，傳統的電力線載波通信的解決方案不適合本應用。從本應用的需求可以看出，需要尋找一種較為簡單的現場總線標準，這種總線要滿足上述的三種特點。通過研究和對比常用的現場總線，最終選取C?MBUS總線標準作為基帶數據傳輸方式。C?MBUS是優倍公司在M?BUS（Meter?BUS，EN1434?3）的基礎上改進形成的[3]，與M?BUS標準絕大部分都相同。M?BUS是消費類儀表國際通行標準，其拓撲結構為總線結構，采用普通的兩芯電纜連接，同時提供表計電源和數據通信的功能。M?BUS系統是一個帶有通信控制主機的系統，包括一個主機和多個從機，主機和從機通過2根線連接起來，所有從機并接在2根線上，并可通過總線獲取一定功率的電源。C?M?BUS主機與從機之間的通信只有在主機發出詢問的情況下才能進行，從機之間不能互相交換數據。C?M?BUS主機到從機為電壓傳輸，總線上的傳輸波形如圖1所示。

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圖1 主機發送，從機接收時總線信號

從機到主機為電流傳輸。在主機端具有采樣電路，因此總線上也有對應電壓信號，如圖2所示。

<；E：＼LIHUI＼12月＼12.4＼現代電子技術201423＼Image＼06t2.tif>；

圖2 從機發送，主機接收時總線信號

之所以這樣設計，是因為主機到從機采用電壓傳輸，便于從機電路的實現，從機的接收電路使用比較器即可識別數據，有利于降低從機成本；從機到主機采用電流傳輸是為了增加抗干擾能力，因為低阻抗的傳輸回路能有效地降低外部干擾[4]。

基帶信號的傳輸方式確定后，要解決的是如何將基帶信號加到傳輸射頻信號的同軸電纜上。要保證兩種信號互相不干擾，需要一個隔離網絡將兩種信號隔離開來。在本應用中，兩種信號頻率相差很遠，隔離網絡相對來說比較容易實現，可以采用LC低通網絡來進行隔離。射頻鏈路上一般都存在耦合電容，這些耦合電容的值一般較小，對基帶信號來說，呈高阻狀態。因此，基帶信號對射頻信號不會造成大的干擾，隔離網絡主要的功能是防止射頻信號干擾基帶信號。

2 ?電路設計

2.1 ?隔離電路

C?MBUS總線上傳輸的是數字脈沖，要與射頻信號在同軸電纜上傳輸，需要增加低通隔離網絡，避免射頻信號對C?MBUS總線信號的干擾。尤其是在射頻信號功率較高的時候，如在直放站功放輸出端，射頻信號功率高達數十瓦，對隔離網絡提出了較高的要求。在本設計中，采用高阻線加4階LC低通網絡將射頻信號和基帶信號隔離。LC低通中的電容取值不能太大，也不能太小，電容值太小，則對射頻信號呈現的阻抗不夠低，導致對射頻信號隔離度不夠；電容值太大，對C?MBUS來說，總線負載電容過大，特別是當多個從機并聯的時候，嚴重影響通信速度，甚至導致不能通信。經過調整優化，LC隔離網絡中，電感取100 nH，電容取47 pF。

2.2 ?主機收發電路

主機收發電路由CMT100和其外圍電路組成，見圖3。

CMT100是優倍公司開發的C?MBUS總線控制端通信專用集成電路[5]， 完成數字通信的調制、解調、總線控制、總線電源供給、總線故障檢測功能。考慮到主機電路復雜，為增加主機抗干擾能力，控制器應將總線驅動與單片機系統隔離，TXD，RXD，收發控制經光耦直接輸入芯片，系統使用24 V電源。圖3中，主機輸出采用推挽結構，可以提供給從機較大電流。根據從機數量的多少來選取功率對管，本文選用TIP42和TIP41，可以為總線提供最大1 A的電流。24 V電源經過2 A自恢復保險絲給系統供電。

2.3 ?從機電路

從機收發部分電路由CMT001及外圍電路組成如圖4所示。

CMT001是優倍公司開發的與CMT100配合使用的 C?MBUS總線設備端通信專用集成電路[6]，完成數字通信的調制解調、 總線極性識別、 低功耗線性穩壓功能。總線信號通過整流橋直接輸入芯片，芯片RXD、TXD信號可直接輸入單片機或通過光耦與單片機連接。在本應用中，由于使用同軸電纜做傳輸介質，無需總線極性自動反轉功能，因此總線信號沒有經過整流橋，而是經過隔離網絡后直接輸入至CMT0012腳。CMT001的RXD為開漏輸出，須外接上拉電阻，電容[C25]為儲能電容，在總線電平為低的時候，給從機提供電源，此電容取值與從機消耗電流有較大關系。在本應用中，電容取1 000 μF，可以提供10 mA的電流，足以供從機其他部分電路使用。

3 ?通信協議

3.1 ?鏈路層設計

要保證通信的穩定可靠，必須有完備的通信協議支撐[7]。C?MBUS只規定了物理層，因此必須自己設計數據鏈路層。本文采用單片機作為數據收發器件，單片機串口與CMT?001，CMT?100相連。串口參數設置為：波特率：4 800；數據位：8；校驗位：無；停止位：2；數據格式：16進制。

串口數據收發的基本單位為B，因此，以字節為單位設計報文8。報文格式如下：

[前導＼&；前導＼&；前導＼&；起始＼&；地址＼&；數據＼&；校驗＼&；]

前3個字節為前導符FEH，發送三個前導符的目的是為了建立穩定的總線狀態，同時為了讓從機做好接收準備；接下來是起始符68H；然后是2 B的地址和2 B的數據，地址里面包含設備描述符和設備地址，數據里面包含操作命令等信息；最后是1 B的校驗和，校驗采用異或校驗。

3.2 ?網絡層設計

在建立了穩定的數據鏈路層后，有時候需要多個從機和一個主機組成一個一對多的通信網絡，這個時候，需要一個網絡層協議來保證通信可靠性[9]。由于C?MBUS從機之間不能互相交換數據，所有數據交換必須通過主機，這也降低了協議實現的難度。協議設計的基本思想為：主機依次輪詢每個從機，從機收到輪詢后，判斷是否在詢問自己，若是，則對輪詢進行回復；否則，不響應主機的輪詢。主機在輪詢時，同時開啟超時定時器，如果在規定的時間未收到指定從機的回復，則判超時；若一個從機節點多次超時，則判定從機出故障。

4 ?性能測試

4.1 ?測試條件

無線通信中使用最多的同軸電纜為[12]英寸和[78]英寸電纜，對C?MBUS來說，主要的線纜參數包括電纜內導體電阻、外導體電阻和分布電容[10]。電纜的參數如表1所示。

表1 常見同軸電纜電氣參數

[線纜規格＼&；內導體電阻

/（Ω/km）＼&；外導體電阻

/（Ω/km）＼&；分布電容

/（pF/m）＼&；特征阻抗

/Ω＼&；1/2＼&；1.48＼&；1.9＼&；75＼&；50±1＼&；7/8＼&；1.05＼&；1.18＼&；75.8＼&；50±1＼&；]

從表1可見，同軸電纜內導體和外導體的直流電阻很小，對基帶信號來說，其影響可以忽略不計，主要影響因素為分布電容。測試中不使用真實的線纜，因為線纜直徑較大，且很長，不好操作，因此在測試中，使用RC網絡來模擬電纜。[R]代表電纜內外導體電阻，[C]代表電纜分布電容。測試中，內外導體電阻忽略不計，不需要[R，]僅使用2個33 nF電容并聯在總線上來模擬1 km電纜。

射頻信號由信號發生器產生，經功率放大器放大后，加至被測線路，線路末端接衰減器。用調節信號發生器來改變線路上射頻信號功率。

4.2 ?測試結果

1 km模擬電纜上，射頻信號功率為40 dBm，波特率為4 800 b/s，每個從機消耗電流為8 mA時，主機可以穩定地與三個從機通信。

5 ?結 ?語

本文提出了一種在同軸電纜上射頻信號和基帶信號復用傳輸的新方法，采用C?MBUS現場總線標準，通過合理地設計主從機電路、信號隔離網絡和通信協議，在傳輸功率為40 dBm，長度為1 km的同軸電纜上，實現了4 800 b/s的傳輸速率，并支持多個從機自由組網，具有較高的實用價值。

參考文獻

[1] PROAKIS J G.數字通信[M].張力軍，譯.北京：電子工業出版社，2003.

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[8] AQUAMETRO A G. Descriptiion of M?BUS protocol vol.01E [EB/OL]. [2013?05?10]. http：// www.wenku.baidu.com/link？u.

[9] 張陽.影響射頻同軸電纜衰減的因素[J].電線電纜，2008（6）：24?27.

/Ω＼&；1/2＼&；1.48＼&；1.9＼&；75＼&；50±1＼&；7/8＼&；1.05＼&；1.18＼&；75.8＼&；50±1＼&；]

從表1可見，同軸電纜內導體和外導體的直流電阻很小，對基帶信號來說，其影響可以忽略不計，主要影響因素為分布電容。測試中不使用真實的線纜，因為線纜直徑較大，且很長，不好操作，因此在測試中，使用RC網絡來模擬電纜。[R]代表電纜內外導體電阻，[C]代表電纜分布電容。測試中，內外導體電阻忽略不計，不需要[R，]僅使用2個33 nF電容并聯在總線上來模擬1 km電纜。

射頻信號由信號發生器產生，經功率放大器放大后，加至被測線路，線路末端接衰減器。用調節信號發生器來改變線路上射頻信號功率。

4.2 ?測試結果

1 km模擬電纜上，射頻信號功率為40 dBm，波特率為4 800 b/s，每個從機消耗電流為8 mA時，主機可以穩定地與三個從機通信。

5 ?結 ?語

本文提出了一種在同軸電纜上射頻信號和基帶信號復用傳輸的新方法，采用C?MBUS現場總線標準，通過合理地設計主從機電路、信號隔離網絡和通信協議，在傳輸功率為40 dBm，長度為1 km的同軸電纜上，實現了4 800 b/s的傳輸速率，并支持多個從機自由組網，具有較高的實用價值。

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/Ω＼&；1/2＼&；1.48＼&；1.9＼&；75＼&；50±1＼&；7/8＼&；1.05＼&；1.18＼&；75.8＼&；50±1＼&；]

從表1可見，同軸電纜內導體和外導體的直流電阻很小，對基帶信號來說，其影響可以忽略不計，主要影響因素為分布電容。測試中不使用真實的線纜，因為線纜直徑較大，且很長，不好操作，因此在測試中，使用RC網絡來模擬電纜。[R]代表電纜內外導體電阻，[C]代表電纜分布電容。測試中，內外導體電阻忽略不計，不需要[R，]僅使用2個33 nF電容并聯在總線上來模擬1 km電纜。

射頻信號由信號發生器產生，經功率放大器放大后，加至被測線路，線路末端接衰減器。用調節信號發生器來改變線路上射頻信號功率。

4.2 ?測試結果

1 km模擬電纜上，射頻信號功率為40 dBm，波特率為4 800 b/s，每個從機消耗電流為8 mA時，主機可以穩定地與三個從機通信。

5 ?結 ?語

本文提出了一種在同軸電纜上射頻信號和基帶信號復用傳輸的新方法，采用C?MBUS現場總線標準，通過合理地設計主從機電路、信號隔離網絡和通信協議，在傳輸功率為40 dBm，長度為1 km的同軸電纜上，實現了4 800 b/s的傳輸速率，并支持多個從機自由組網，具有較高的實用價值。

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