摘 要： 介绍了一种在同轴电缆上，射频和基带信号复用传输的新方法。设计了射频信号和基带信号隔离电路，采用C⁃MBUS标准传输基带信号，在长为1 km、传输射频信号功率为40 dBm的同轴电缆上，达到了4 800 b/s的数据传送速率，且同时可以为通信从机节点提供10 mA的电流。该方法具有硬件电路简单、成本低廉，容易组网的优点，适用于在射频线路上同时传输低数据速率的附加信息。
关键词： 复用传输； 同轴电缆； 基带信号； 射频信号
中图分类号： TN92⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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
在通信系统中，天馈和收发信机中间有较长的馈线，一般采用同轴电缆；有时需要在天线和收发信机之间传输一些信息，这些信息一般数据量不大，如果单独另外铺设一条线路，则成本较高，且复杂度增大。因此有必要研究以同轴电缆为传输媒介，在传输射频功率信号的同时，传输低数据速率的附加信息。
1 方案设计
从现有的技术来看，低数据速率的基带信号作为附加信息，要和射频信号复用同轴电缆进行传输，有频分复用、时分复用、码分复用三种方式[1]。其中，码分复用需要对两路基带信号进行正交编码，对本应用来说，需要将射频信号解调，得到基带信号，然后与附加信号进行正交编码，进行传输。这样一来，硬件复杂程度大大增加，因此码分复用不合适。时分复用是将附加信号和射频信号分时传输，每次传输基带信号的同时，射频信号要被切断，这个在绝大部分场合是不允许的，因此，时分复用也不适合。频分复用是在发送端将附加信息的基带信号调制到一个与射频信号所占频带相隔很远的较低的频带上附加信息量较少，其基带信号调制后进行传输，占用带宽也较小；在接收端，采用滤波器将射频信号和调制后的附加信号分离出来，再进行解调，得到附加信息。
对本应用来说，采用频分复用的方法，主要是选取一种合适的基带信号传输方式，这种传输方式需具备以下特点：电路简单，容易实现；可靠性高；容易组网。
电力线载波通信[2]是典型的频分复用系统。由于电力线载波通信要进行高速率的通信，因此将基带信号调制到远比工频高的频段上。本应用中，数据传输速率较低，不低于1 Kb/s即可，且要求低成本、低复杂度，传统的电力线载波通信的解决方案不适合本应用。从本应用的需求可以看出，需要寻找一种较为简单的现场总线标准，这种总线要满足上述的三种特点。通过研究和对比常用的现场总线，最终选取C⁃MBUS总线标准作为基带数据传输方式。C⁃MBUS是优倍公司在M⁃BUS（Meter⁃BUS，EN1434⁃3）的基础上改进形成的[3]，与M⁃BUS标准绝大部分都相同。M⁃BUS是消费类仪表国际通行标准，其拓扑结构为总线结构，采用普通的两芯电缆连接，同时提供表计电源和数据通信的功能。M⁃BUS系统是一个带有通信控制主机的系统，包括一个主机和多个从机，主机和从机通过2根线连接起来，所有从机并接在2根线上，并可通过总线获取一定功率的电源。C⁃M⁃BUS主机与从机之间的通信只有在主机发出询问的情况下才能进行，从机之间不能互相交换数据。C⁃M⁃BUS主机到从机为电压传输，总线上的传输波形如图1所示。
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图1 主机发送，从机接收时总线信号
从机到主机为电流传输。在主机端具有采样电路，因此总线上也有对应电压信号，如图2所示。
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图2 从机发送，主机接收时总线信号
之所以这样设计，是因为主机到从机采用电压传输，便于从机电路的实现，从机的接收电路使用比较器即可识别数据，有利于降低从机成本；从机到主机采用电流传输是为了增加抗干扰能力，因为低阻抗的传输回路能有效地降低外部干扰[4]。
基带信号的传输方式确定后，要解决的是如何将基带信号加到传输射频信号的同轴电缆上。要保证两种信号互相不干扰，需要一个隔离网络将两种信号隔离开来。在本应用中，两种信号频率相差很远，隔离网络相对来说比较容易实现，可以采用LC低通网络来进行隔离。射频链路上一般都存在耦合电容，这些耦合电容的值一般较小，对基带信号来说，呈高阻状态。因此，基带信号对射频信号不会造成大的干扰，隔离网络主要的功能是防止射频信号干扰基带信号。
2 电路设计
2.1 隔离电路
C⁃MBUS总线上传输的是数字脉冲，要与射频信号在同轴电缆上传输，需要增加低通隔离网络，避免射频信号对C⁃MBUS总线信号的干扰。尤其是在射频信号功率较高的时候，如在直放站功放输出端，射频信号功率高达数十瓦，对隔离网络提出了较高的要求。在本设计中，采用高阻线加4阶LC低通网络将射频信号和基带信号隔离。LC低通中的电容取值不能太大，也不能太小，电容值太小，则对射频信号呈现的阻抗不够低，导致对射频信号隔离度不够；电容值太大，对C⁃MBUS来说，总线负载电容过大，特别是当多个从机并联的时候，严重影响通信速度，甚至导致不能通信。经过调整优化，LC隔离网络中，电感取100 nH，电容取47 pF。
2.2 主机收发电路
主机收发电路由CMT100和其外围电路组成，见图3。
CMT100是优倍公司开发的C⁃MBUS总线控制端通信专用集成电路[5]， 完成数字通信的调制、解调、总线控制、总线电源供给、总线故障检测功能。考虑到主机电路复杂，为增加主机抗干扰能力，控制器应将总线驱动与单片机系统隔离，TXD，RXD，收发控制经光耦直接输入芯片，系统使用24 V电源。图3中，主机输出采用推挽结构，可以提供给从机较大电流。根据从机数量的多少来选取功率对管，本文选用TIP42和TIP41，可以为总线提供最大1 A的电流。24 V电源经过2 A自恢复保险丝给系统供电。
2.3 从机电路
从机收发部分电路由CMT001及外围电路组成如图4所示。
CMT001是优倍公司开发的与CMT100配合使用的 C⁃MBUS总线设备端通信专用集成电路[6]，完成数字通信的调制解调、 总线极性识别、 低功耗线性稳压功能。总线信号通过整流桥直接输入芯片，芯片RXD、TXD信号可直接输入单片机或通过光耦与单片机连接。在本应用中，由于使用同轴电缆做传输介质，无需总线极性自动反转功能，因此总线信号没有经过整流桥，而是经过隔离网络后直接输入至CMT0012脚。CMT001的RXD为开漏输出，须外接上拉电阻，电容[C25]为储能电容，在总线电平为低的时候，给从机提供电源，此电容取值与从机消耗电流有较大关系。在本应用中，电容取1 000 μF，可以提供10 mA的电流，足以供从机其他部分电路使用。
3 通信协议
3.1 链路层设计
要保证通信的稳定可靠，必须有完备的通信协议支撑[7]。C⁃MBUS只规定了物理层，因此必须自己设计数据链路层。本文采用单片机作为数据收发器件，单片机串口与CMT⁃001，CMT⁃100相连。串口参数设置为：波特率：4 800；数据位：8；校验位：无；停止位：2；数据格式：16进制。
串口数据收发的基本单位为B，因此，以字节为单位设计报文8。报文格式如下：
[前导＼&；前导＼&；前导＼&；起始＼&；地址＼&；数据＼&；校验＼&；]
前3个字节为前导符FEH，发送三个前导符的目的是为了建立稳定的总线状态，同时为了让从机做好接收准备；接下来是起始符68H；然后是2 B的地址和2 B的数据，地址里面包含设备描述符和设备地址，数据里面包含操作命令等信息；最后是1 B的校验和，校验采用异或校验。
3.2 网络层设计
在建立了稳定的数据链路层后，有时候需要多个从机和一个主机组成一个一对多的通信网络，这个时候，需要一个网络层协议来保证通信可靠性[9]。由于C⁃MBUS从机之间不能互相交换数据，所有数据交换必须通过主机，这也降低了协议实现的难度。协议设计的基本思想为：主机依次轮询每个从机，从机收到轮询后，判断是否在询问自己，若是，则对轮询进行回复；否则，不响应主机的轮询。主机在轮询时，同时开启超时定时器，如果在规定的时间未收到指定从机的回复，则判超时；若一个从机节点多次超时，则判定从机出故障。
4 性能测试
4.1 测试条件
无线通信中使用最多的同轴电缆为[12]英寸和[78]英寸电缆，对C⁃MBUS来说，主要的线缆参数包括电缆内导体电阻、外导体电阻和分布电容[10]。电缆的参数如表1所示。
表1 常见同轴电缆电气参数
[线缆规格＼&；内导体电阻
/（Ω/km）＼&；外导体电阻
/（Ω/km）＼&；分布电容
/（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＼&；]
从表1可见，同轴电缆内导体和外导体的直流电阻很小，对基带信号来说，其影响可以忽略不计，主要影响因素为分布电容。测试中不使用真实的线缆，因为线缆直径较大，且很长，不好操作，因此在测试中，使用RC网络来模拟电缆。[R]代表电缆内外导体电阻，[C]代表电缆分布电容。测试中，内外导体电阻忽略不计，不需要[R，]仅使用2个33 nF电容并联在总线上来模拟1 km电缆。
射频信号由信号发生器产生，经功率放大器放大后，加至被测线路，线路末端接衰减器。用调节信号发生器来改变线路上射频信号功率。
4.2 测试结果
1 km模拟电缆上，射频信号功率为40 dBm，波特率为4 800 b/s，每个从机消耗电流为8 mA时，主机可以稳定地与三个从机通信。
5 结 语
本文提出了一种在同轴电缆上射频信号和基带信号复用传输的新方法，采用C⁃MBUS现场总线标准，通过合理地设计主从机电路、信号隔离网络和通信协议，在传输功率为40 dBm，长度为1 km的同轴电缆上，实现了4 800 b/s的传输速率，并支持多个从机自由组网，具有较高的实用价值。
参考文献
[1] PROAKIS J G.数字通信[M].张力军，译.北京：电子工业出版社，2003.
[2] 万红，吕明相，冯向荣.电力线载波远程抄表通信技术的研究[J].微计算机信息，2009（7）：95⁃96.
[3] 胡志华，郭其一.M⁃BUS仪表总线原理研究[J].微计算机信息，2005（28）：83⁃85.
[4] 宋鹏，王俊杰.仪表总线M⁃BUS协议的研究[J].自动化仪表，2004，25（8）：56⁃59.
[5] 优倍电气股份（南京）有限公司.CMT001设计参考手册[DB/OL].[2006⁃04⁃10]. http：///link？u.
[9] 张阳.影响射频同轴电缆衰减的因素[J].电线电缆，2008（6）：24⁃27.