擴(kuò)頻電流環(huán)通信方法的研究與實(shí)現(xiàn)

■ 王建華 青島鼎信通訊消防安全有限公司

■ 劉存良 青島鼎信通訊股份有限公司

一、行業(yè)痛點(diǎn)

目前，消防二總線是一種不對(duì)稱的通信總線，即控制器下行發(fā)碼需兼顧通信與供電，因此采用電壓調(diào)制方式。為了盡量減少電能損耗，監(jiān)控器上行回碼仍采用控制器端供電的電流環(huán)方式，而且為了降低系統(tǒng)功耗，回碼電流不宜過大，通常為幾十微安。

這種電流環(huán)的通信方式存在以下問題：第一，隨著傳輸距離增加，電流信號(hào)衰減嚴(yán)重，會(huì)造成接收端無法正確解調(diào)；第二，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了兼顧施工方便并節(jié)省成本，存在不同系統(tǒng)多種線路共同鋪設(shè)，甚至是平行布線，而電流環(huán)通信環(huán)境易受周圍線路干擾；第三，現(xiàn)有電流環(huán)通信數(shù)據(jù)通常采用原碼進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)受干擾后無法進(jìn)行自修復(fù)，致使控制器因無法正確接收?qǐng)?bào)文而要求監(jiān)控器重復(fù)發(fā)送，這同樣會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通信效率下降。

綜上所述，需研究一種既能提升通信成功率，又能保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)通信方法。

二、鼎信方案

（一）監(jiān)控器回碼

目前，消防二總線系統(tǒng)中，為了避免一次回碼時(shí)間過長造成監(jiān)控器的電壓下降太大，需要對(duì)通信數(shù)據(jù)按限定時(shí)間分組為不同的通信數(shù)據(jù)塊后再進(jìn)行傳輸。此外，傳統(tǒng)電流環(huán)通信報(bào)文中也只包含以原碼形式存在的分組數(shù)據(jù)。

鼎信回碼方案如圖1 所示。首先，對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積、交織和擴(kuò)頻編碼形成幀載荷數(shù)據(jù)，然后在幀載荷數(shù)據(jù)前面增加訓(xùn)練符和前導(dǎo)碼組成新的通信報(bào)文。其中，訓(xùn)練符，采用長度8 位的曼徹斯特編碼。訓(xùn)練符是為了激勵(lì)運(yùn)放電路提前進(jìn)入工作狀態(tài)；前導(dǎo)碼，采用長度16 位或32 位的序列。前導(dǎo)碼是在15 位或31 位m 序列的基礎(chǔ)上增加一位0 或1，使序列中的0 和1個(gè)數(shù)相同，其目的是消除直流信號(hào)的影響。

圖1 鼎信回碼方案

（二）控制器收碼

現(xiàn)有消防二總線控制器收碼方案：首先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后對(duì)電壓進(jìn)行單次采樣并經(jīng)比較器進(jìn)行閾值判別，這種鑒別方式易受干擾信號(hào)的影響。

鼎信控制器收碼方案包括：ADC 高速采樣、數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均、數(shù)據(jù)鎖相、頻偏修正和數(shù)據(jù)解碼5個(gè)步驟。

1．ADC 高速采樣

鼎信方案采用高速ADC 對(duì)電流轉(zhuǎn)換為電壓后的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，得到過采樣數(shù)據(jù)集。示例如圖2 所示。其中，過采樣數(shù)據(jù)記作Sij，i 為第i個(gè)采樣信號(hào)，j 為對(duì)第i個(gè)采樣信號(hào)過采樣的次數(shù)。

圖2 過采樣示意圖

2．?dāng)?shù)據(jù)滑動(dòng)平均

對(duì)過采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均，其目的是消除高頻信號(hào)的干擾。下面是K 均值滑動(dòng)平均算法的示例，其中Aij為與采樣點(diǎn)Sij相對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)平均后的數(shù)據(jù)。

3．?dāng)?shù)據(jù)鎖相

數(shù)據(jù)鎖相就是要在滑動(dòng)平均之后的數(shù)據(jù)集Aij中找到信號(hào)的最佳采樣點(diǎn)。我們把n個(gè)連續(xù)信號(hào)的過采樣數(shù)據(jù)集作為一個(gè)鎖相窗口，第i個(gè)信號(hào)的鎖相算法為：

其中，Max{Pi1，……，Pij} 所對(duì)應(yīng)的Aij就是第i個(gè)信號(hào)的最佳相位點(diǎn)。

4．頻偏修正

因?yàn)榭刂破髋c監(jiān)控器采用獨(dú)立的晶振工作，而其易受溫度變化造成頻偏。針對(duì)頻偏呈現(xiàn)線性變化的特點(diǎn)，提出動(dòng)態(tài)頻偏調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)按位逐次逼近最佳相位點(diǎn)。

如圖3 所示，以右偏調(diào)整為例（步長j=5）加以說明：

圖3 頻偏修正示例

STEP1：在Group_i 中計(jì)算并得到本組真正的最佳相位點(diǎn)Ai3，標(biāo)記R_Pos=Ai3；以同樣步長確定Group_i+1數(shù)據(jù)，并標(biāo)定出假設(shè)的最佳相位點(diǎn)，標(biāo)記為I_Pos=A（i+1）3。

STEP2：在Group_i+1 中計(jì)算并得到真正的最佳相位點(diǎn)為R _Pos= A(i+1)5，我們采用逐位逼近算法，即標(biāo)記J_Pos=A(i+1)4為Group_i+1 最佳相位點(diǎn)，并重新確定Group_i+1 組數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)，按相同的步長確定Group_i+2 數(shù)據(jù)。

依次類推，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)逐位跟隨相位調(diào)整。

5．?dāng)?shù)據(jù)解碼

首先鎖定前導(dǎo)碼，然后到達(dá)幀載荷編碼數(shù)據(jù)，最后對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

三、結(jié)語

本文提出的一種基于擴(kuò)頻的電流環(huán)通信方法，監(jiān)控器對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、卷積、交織和擴(kuò)頻，增強(qiáng)了通信幀的抗干擾性，提升了通信可靠性，并新加入訓(xùn)練符和前導(dǎo)碼，由訓(xùn)練符激勵(lì)運(yùn)放電路進(jìn)入工作狀態(tài)，避免運(yùn)放電路啟動(dòng)延遲的影響，又利用前導(dǎo)碼消除通信幀中的直流信號(hào)減少干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了重新設(shè)計(jì)通信幀格式，得到新的發(fā)送報(bào)文，確保了遠(yuǎn)距離通信時(shí)能夠提高通信成功率。