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【论文精选】GFSK无线通信技术在智能燃气表的应用

2019-01-24 14:00 10

第一作者单位:成都秦川科技发展有限公司

摘自《煤气与热力》2017年3月刊

1   智能燃气表无线通信技术的现状

智能燃气表的远程通信技术包括有线通信技术和无线通信技术,随着无线通信技术不断进步,其在智能燃气表的远程通信得到逐渐使用和广泛推广,使得燃气表远程通信更加方便、快捷,为智能燃气表的管理和服务提供了更多便利。

我国人口密度高、分布广、布局复杂、用户需求复杂,对智能燃气表的无线通信提出了更高的要求,各智能燃气表厂家和燃气公司对此进行了大量的研究,推出了多种无线通信方式的产品。现在市场上各种产品主要的通信方式一般有4种:GFSK调制解调方式、自组网方式、SIM卡GPRS通信方式、LoRa扩频方式

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2   调制技术的分类

无论是哪种通信技术,调制技术都是必不可少的最基本内容,不同的通信系统和通信环境有不同的调制和解调技术。一般来讲,现代数字调制由于涉及到宽带和多符号调制,复杂度提高,直接在射频上进行所有调制难以实现,因此大都在基带进行符号调制后再在射频上进行载频调制,即基带调制和射频调制。基带调制的目的,是把需要传输的原始信息在时域、频域或者码域上进行处理,把数据形成适于射频传输的I/Q两路符号,用尽量小的带宽传输尽量多的信息,提高信道利用率。射频调制是把基带调制的I/Q信号复合调制在某一射频载频的相位上,这样信号才能够以无线的方式发射到空间,也叫做频谱搬移。我们平时远程无线通信中所说的调制通常指的是射频调制技术。

为了保证通信效果,克服远距离信号传输中的问题,必须要通过调制将信号频谱搬移到高频信道中进行传输,这种将要发送的信号加载到高频信号的过程就叫调制。实际应用中,通常有三种最基本的调制方法:调幅(ASK)、调相(PSK)和调频(FSK),其他各种调制方法都是以上方法的改进或组合,例如:正交振幅调制QAM就是调幅和调相的组合;最小移频键控MSK是FSK的改进;高斯滤波最小移频键控GMSK是MSK的一种改进,是在MSK调制器之前插入了高斯低通预调制滤波器,从而可以提高频谱利用率和通信质量。

2.1  ASK调制技术

ASK(Amplitude Shift Keying),即振幅键控方式,也叫幅移键控方式,是通过调节载波的振幅来传递信息,载波的频率和相位是常量,保持不变。

ASK是一种应用最早的基本调制方式,其优点在于设备简单,频带利用率高;缺点在于抗噪声性能差,并且对信道特性变化敏感,抗衰落能力不强,因此ASK调制技术一般只适宜在恒参信道下采用。另外,ASK调制技术传输速率约1 200 bit/s ,效率低,速度慢,一般用于电话传输。

2.2  PSK调制技术

PSK(Phase Shift Keying),即相移键控方式,随着信号的变化,载波的相位发生变化,频率和振幅保持不变。PSK调制技术在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数传机(2 400~4 800 bit/s)中得到了广泛的应用。PSK调制技术有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。

PSK调制技术的优点在于具有较高的频带利用率,抗噪声性能优于其他调制方式,且传输速率快,不易受信道特性变化的影响,在高、中速数据传输中得到了广泛的应用

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2.3  FSK调制技术

FSK(Frequency Shift Keying),即频移键控方式,这种调制方式是用数字信号去调制载波的频率,利用载波的频率变化来传递数字信息,载波的相位和振幅保持不变。例如20 kHz的频率用来表示1,10 kHz的频率用来表示0。FSK是数字通信不可或缺的一种调制方式,也是信息传输中使用得较早的一种调制方式,其主要优点在于实现起来较容易,抗噪声干扰能力与抗衰减的性能较强,不受信道参数变化的影响,因此FSK特别适用于衰落信道。FSK调制技术的缺点在于占用频带较宽,频带利用率低,一般应用于中低速数据传输中

[2]

在上述三种基本的调制方法之外,随着大容量和远距离数字通信技术的发展,出现了一些新的问题,主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。在这种情况下,传统的数字调制方式已不能满足应用的需求,需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响,以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。这些技术的研究,主要是围绕充分节省频谱和高效率地利用频带展开的。多进制调制,是提高频谱利用率的有效方法,恒包络技术能适应信道的非线性,并且保持较小的频谱占用率。

从传统数字调制技术扩展得到的技术有最小移频键控(MSK)、高斯滤波最小移频键控(GMSK)、正交振幅调制(QAM)、正交频分复用调制(OFDM)、高斯频移键控(GFSK)等,其中GFSK是在FSK调制技术基础上的升级,克服了FSK占用频带较宽、频带利用率低的缺点,是一种新的多进制调制恒包络技术。

目前智能燃气表远程通信中应用较多的是GFSK通信技术,主要用于智能燃气表与集中器网关之间的专网通信。

2.4  GFSK调制技术

GFSK(Gauss Frequency Shift Keying),与FSK类似,是在FSK之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度,以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量,使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密,传输带宽大大减小。由于数字信号在调制前进行了高斯预调制滤波,因此GFSK调制的信号频谱紧凑、抗误码特性好,在数字移动通信中得到了广泛使用。

3   GFSK调制技术的原理

GFSK调制技术,比特流先经过高斯低通滤波器进行频率调制的频移键控调制,即在进行FSK调制之前,把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后,限制信号的频谱宽度,减小传输带宽,其调制原理见图1。

图1   GFSK调制原理

由于数字信号在调制前进行了高斯预调制滤波,在频谱效率和信噪比之间提供良好的折中,从而提高信息传输质量和抗干扰度,因此GFSK作为恒包络调制技术,其信号频谱紧凑、抗误码特性好,被广泛应用于无线交换系统。

目前智能燃气表的远程无线通信中采用的调制技术多为GFSK技术,利用其传输带宽小、抗误码特性好、传输速率快等优点,实现了智能燃气表的远程管理和远程控制。其原理是,智能燃气表通信模块装有GFSK调制解调器,将表端的信息通过高斯低通滤波器预调制滤波后,减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量,从而使得在相同的数据传输速率下频道间距更加紧密。在集中器的通信模块上也装有GFSK调制解调器,用于接收GFSK信号并将其转换为GPRS信号,再传输至公网

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4   采用GFSK技术智能燃气表通信网络

采用GFSK调制技术的智能燃气表远程通信的网络结构一般为星形网络和MESH网状网络。为了降低燃气表的功耗,延长电池使用寿命,一般不采用MESH网状网络,而是采用中继器进行信号放大,组成星形网络,见图2。智能燃气表端的通信模块上装有GFSK调制解调器,将表端的数字信号调制为GFSK信号发送出去,经中继器将信号收集并放大后传送至集中器,集中器的通信模块上装有GFSK调制解调器和GPRS模块,利用GFSK调制解调器将接收到的GFSK信号解调处理,再通过GPRS模块将解调信号转换为GPRS信号并传输至基站,基站收到信息后进一步通过GPRS骨干网和Internet网络将信息传输至燃气公司,实现智能燃气表表端信息的上传。 燃气公司对表端的控制信息的下发是上述表端信息上传的逆过程。首先燃气公司通过Internet网络和GPRS骨干网将控制信息传输至基站,基站再将控制信息以GPRS的格式进一步传输至集中器上的GPRS模块,集中器上的GFSK调制解调器将GPRS信号转换为GFSK信号后,通过中继器传输至燃气表端的GFSK调制解调器,将GFSK信号转换为数字信号,实现对燃气表的控制。

2   采用GFSK技术通信的智能燃气表通信网络结构

5   GFSK调制技术的传输性能及改进

5.1  GFSK调制技术的传输性能

采用GFSK调制技术进行燃气表通信,在保持恒定振幅的同时,能够通过改变高斯低通滤波器的3 dB带宽对已调信号的频谱进行控制,因而具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄、传输信号稳定等优点。采用GFSK调制方式进行燃气表远程通信,其优点在于通信电流小,功耗低,采用高斯低通滤波器限制了频谱宽度,提高了频率资源的利用率,可进行大数据量的传输且传输速率快,实时性好,抗干扰能力强

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GFSK技术的缺点在于传输距离不够远,经测试,目前GFSK技术在燃气表远程通信中的通信距离最远可以达到1 km,要进一步提高传输距离和通信的效率,仍需进一步研究。另外,GFSK技术穿墙能力较弱,而家用燃气表的应用环境一般是在高楼耸立的居民区,尤其是我国人口密度高、建筑密集的情况,对燃气表的通信技术的要求更高。因此在居民区这种建筑密集、障碍物较多的地方,必须使用中继器以放大信号,防止传输过程中信号衰减和丢失。如果中继器过多,会增大安装的困难和人工成本。因此,智能燃气表的GFSK通信技术仍需进一步的研究和改进,以增大传输距离,提高穿墙能力,减少甚至取消中继器的使用,在提高通信效率的同时也可以节约成本。

5.2  GFSK调制技术传输性能的改进

我公司针对GFSK调制技术应用于智能燃气表远程通信中出现的传输距离不够远、穿墙能力弱等缺点,进行了大量的科研开发工作,对其进行技术改进,产生了多项专利技术,解决了智能燃气表远程通信的诸多问题,从而实现真正的低功耗、大数据量、远距离传输,传输距离长达2 km。具体技术如下:

①采用自组低功耗无线网络IP地址管理技术,实现无线网络中设备的层级划分,将 IP地址与网络设备进行绑定。根据源IP地址、目的 IP 地址确定数据传输的物理路径,实现数据在指定的物理设备中传输,可有效避免误唤醒,减少设备检测的地址和时间,准确寻找到点对点通信的物理路径。

②采用无线网络多信道组合通信技术,使用多基础信道和宽基础信道间隔,避免产生同频干扰,防止对燃气表的误唤醒,降低燃气表的功耗,延长燃气表电池的使用寿命;相邻集中器使用不同的通信信道,降低燃气表自动上行发送数据时对同一信道的竞争,提高网络传输实时性,提高系统的并发处理能力以及系统吞吐量。

③采用燃气表定时唤醒技术,由燃气表定时唤醒表端无线模块,通过设定适当的步长,既能满足远程抄表的实时需求,又能有效降低表端的唤醒次数,有效降低使用功耗,延长使用寿命。

④采用一种不同电源主体间的低功耗通信技术,通过通信主体根据其在通信过程中所处的主从关系自动配置自身的通信I/O口,进一步降低系统功耗,延长电池使用寿命。

⑤采用环境频率检测与自动跳频技术,有效解决信道被干扰后引起的数据传输丢失、错误等问题,提高系统通信稳定性和可靠性,避免集中器盲目进行多次重复操作,提高系统通信效率。

⑥采用时间段划分技术,将主站管理系统对不同智能燃气表的数据接收时间进行划分,又将每个智能燃气表的数据接收时间分为智能燃气表自动上传时间段、人工干预上传时间段,并在智能燃气表自动上传过程中遇到人工干预时,实施自动上传退避、人工干预优先。

我公司通过以上创新技术的应用,提高了GFSK技术用于智能燃气表远程通信的实时性、抗干扰性、稳定性和可靠性等传输性能,同时降低了燃气表的通信功耗,增大数据吞吐量,提高了传输速率,最重要的是使得智能燃气表的传输距离突破1 km的技术瓶颈,达到2 km,是智能燃气表远程通信技术领域的一大进步。

6   结语

GFSK调制通信技术传输速率快,抗误码特性好,频率资源利用率高,但由于传输距离不够远,且我国居民楼层高,房屋密集,其用于智能燃气表的远程通信时,一般需要中继器等中间设备进行信号放大,安装成本高。我公司通过进一步的技术研究,增大了GFSK调制解调通信技术的传输距离,增强了实时性、抗干扰性、稳定性和可靠性,同时降低了燃气表的通信功耗,真正实现智能燃气表的低功耗、远距离、大数据量的实时传输,同时也可节约大量的中继器和集中器带来的安装成本和人工成本。

参考文献:

[2]张豹. 基于DDS技术的FSK调制器技术(学士学位论文)[D]. 凤阳:安徽科技学院, 2010:1-27.

[3]GAO R X,HUNERBERG P. Design of a CDMA-based wireless data transmitter for embedded sensing[J].  IEEE Trans. Instru. Measu.,2002,51(6):1259-1265.

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