扩频电流环通信方法的研究与实现

■ 王建华 青岛鼎信通讯消防安全有限公司

■ 刘存良 青岛鼎信通讯股份有限公司

一、行业痛点

目前，消防二总线是一种不对称的通信总线，即控制器下行发码需兼顾通信与供电，因此采用电压调制方式。为了尽量减少电能损耗，监控器上行回码仍采用控制器端供电的电流环方式，而且为了降低系统功耗，回码电流不宜过大，通常为几十微安。

这种电流环的通信方式存在以下问题：第一，随着传输距离增加，电流信号衰减严重，会造成接收端无法正确解调；第二，在实际工程应用中，为了兼顾施工方便并节省成本，存在不同系统多种线路共同铺设，甚至是平行布线，而电流环通信环境易受周围线路干扰；第三，现有电流环通信数据通常采用原码进行传输，数据受干扰后无法进行自修复，致使控制器因无法正确接收报文而要求监控器重复发送，这同样会造成网络通信效率下降。

综上所述，需研究一种既能提升通信成功率，又能保证远距离传输的电流环通信方法。

二、鼎信方案

（一）监控器回码

目前，消防二总线系统中，为了避免一次回码时间过长造成监控器的电压下降太大，需要对通信数据按限定时间分组为不同的通信数据块后再进行传输。此外，传统电流环通信报文中也只包含以原码形式存在的分组数据。

鼎信回码方案如图1 所示。首先，对分组数据进行卷积、交织和扩频编码形成帧载荷数据，然后在帧载荷数据前面增加训练符和前导码组成新的通信报文。其中，训练符，采用长度8 位的曼彻斯特编码。训练符是为了激励运放电路提前进入工作状态；前导码，采用长度16 位或32 位的序列。前导码是在15 位或31 位m 序列的基础上增加一位0 或1，使序列中的0 和1个数相同，其目的是消除直流信号的影响。

图1 鼎信回码方案

（二）控制器收码

现有消防二总线控制器收码方案：首先把电流信号转换为电压信号，然后对电压进行单次采样并经比较器进行阈值判别，这种鉴别方式易受干扰信号的影响。

鼎信控制器收码方案包括：ADC 高速采样、数据滑动平均、数据锁相、频偏修正和数据解码5个步骤。

1．ADC 高速采样

鼎信方案采用高速ADC 对电流转换为电压后的信号进行采样处理，得到过采样数据集。示例如图2 所示。其中，过采样数据记作Sij，i 为第i个采样信号，j 为对第i个采样信号过采样的次数。

图2 过采样示意图

2．数据滑动平均

对过采样数据进行滑动平均，其目的是消除高频信号的干扰。下面是K 均值滑动平均算法的示例，其中Aij为与采样点Sij相对应的滑动平均后的数据。

3．数据锁相

数据锁相就是要在滑动平均之后的数据集Aij中找到信号的最佳采样点。我们把n个连续信号的过采样数据集作为一个锁相窗口，第i个信号的锁相算法为：

其中，Max{Pi1，……，Pij} 所对应的Aij就是第i个信号的最佳相位点。

4．频偏修正

因为控制器与监控器采用独立的晶振工作，而其易受温度变化造成频偏。针对频偏呈现线性变化的特点，提出动态频偏调整算法，实现按位逐次逼近最佳相位点。

如图3 所示，以右偏调整为例（步长j=5）加以说明：

图3 频偏修正示例

STEP1：在Group_i 中计算并得到本组真正的最佳相位点Ai3，标记R_Pos=Ai3；以同样步长确定Group_i+1数据，并标定出假设的最佳相位点，标记为I_Pos=A（i+1）3。

STEP2：在Group_i+1 中计算并得到真正的最佳相位点为R _Pos= A(i+1)5，我们采用逐位逼近算法，即标记J_Pos=A(i+1)4为Group_i+1 最佳相位点，并重新确定Group_i+1 组数据，并以此为依据，按相同的步长确定Group_i+2 数据。

依次类推，实现动态逐位跟随相位调整。

5．数据解码

首先锁定前导码，然后到达帧载荷编码数据，最后对编码数据进行解码，恢复原始数据。

三、结语

本文提出的一种基于扩频的电流环通信方法，监控器对通信数据进行分组、卷积、交织和扩频，增强了通信帧的抗干扰性，提升了通信可靠性，并新加入训练符和前导码，由训练符激励运放电路进入工作状态，避免运放电路启动延迟的影响，又利用前导码消除通信帧中的直流信号减少干扰信号，实现了重新设计通信帧格式，得到新的发送报文，确保了远距离通信时能够提高通信成功率。