CN101388873B - 数据调制、解调方法以及收发机和收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲成形调制和OFDM技术的数据信号调制与解调方法及其收发机和收发系统，应用于发送端对发送的数据信号进行调制以及接收端对接收到的该数据进行解调的过程。在数据信号调制过程中，产生正交脉冲波形，利用产生的正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制；对经所述脉冲成形调制后得到的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号。数据信号解调过程为与数据信号调制过程相反的过程。本发明具有较高的频谱利用率和通信可靠性以及较低的误码率低，尤其可应用于电力线通信系统，从而提高系统资源利用率，消除用户间干扰，提高系统性能。

Description

数据调制、解调方法以及收发机和收发系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及数据信号调制方法、数据信号解调方法，数据信号发射机和数据信号接收机，以及数据信号收发系统。 

背景技术

PLC(Power Line Communication，电力线通信)技术包含两个方面的内容：在高压输电网和中、低压配电网中实现的窄带电力线载波通信，以及在中低压配电线路上实现的宽带数据通信(高速PLC)。 

电力线通信的发展历史可追溯到20世纪20年代，当时的应用主要集中在110KV以上的高压远距离输电线路上，工作频率在150KHz以下，到20世纪50年代后期至90年代早期，电力线通信开始应用于中压和低压电网上，其应用主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等窄带通信领域。但是由于调制技术因素，窄带电力线通信中产生的电磁辐射对已有的通信系统产生的严重的干扰问题，严重制约了该项技术的广泛使用。2000年以来，随着全球信息化程度的加快，各种宽带接入技术分别在网络实现，成本、技术先进性及接入方便性上不断提高自身的竞争优势，出现了有线无线等各种方式。PLC技术作为宽带无线接入的方案之一重新引起关注，主要是因为PLC技术能够充分利用最为普及的电力线网络资源，建设速度快、投资少、室内无需布线，用户通过遍布各个房间的电源插座即能进行高速上网，实现“有线移动”，具备了其他接入方式不可比拟的优势。 

目前PLC技术使用的频率范围为1～30MHz，在此频段电力线信道的噪声较高，对信号传输的影响较大。一般电力线上的信号衰减随着信号频率的增加而增大，但是在一定的传输距离范围内，1～30MHz频段内信号衰减要低于噪 声的衰减，利用调制技术可将高频信号从电力线中分离出来。室内复杂的电网拓扑结构使得PLC呈现出频率选择特性、多径反射性、易受干扰性、高衰减性等特点。由于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术具有良好的对抗多径衰落的特点，因此，在PLC调制方案中作为一种优选技术，被HomePlug AV(家庭插电音视频)协议采用。 

PLC有着强劲的发展势头，但是由于高速率的数据信号在电力线上传输会因起较强的电磁辐射，直接对无线通信设备产生干扰，而OFDM技术由于自身的特点非常适合频率选择性信道，对窄带干扰及冲击噪声具有很强的免疫功能，因此被HomePlug AV选为应用于宽带电力线的调制技术，通过OFDM技术实现PLC与无线电业务的频谱共享。在室内实现多用户的宽带PLC接入，可以用TDMA(Time Division Multiplexing Access，时分多址)、FDMA(Frequency Division Multiplexing Access，频分多址)和CDMA(Code DivisionMultiplexing Access，码分多址)等技术实现。 

OFDM由大量在频率上等间隔的子载波构成(设共有N个子载波)，各载波可用同一数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法，将高速串行数据信号分成多路并行的数据加以调制。在OFDM系统中，各载波在整个符号周期上是正交的，因此各子载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。 

为实现多用户检测，可以利用多址接入技术，即将信道的全部可用资源(包括频率、时间、码子、空间等)划分为单独的部分，供用户使用。OFDM本身是一种调制技术，该技术可以与多种多址接入技术相结合，为多个用户(设备)同时提供接入服务。常用的多址接入方式有3种，分别是TDMA、FDMA和CDMA。OFDM都可以与它们结合，分别构成OFDM-TDMA、OFDM-FDMA和OFDM-CDMA。 

在OFDM-TDMA系统中，数据信号的传送是按时域上的帧来进行的，每个时间帧包含多个时隙，每个时隙的宽度等于一个OFDM符号的时间长度， 有数据信号要传送的用户根据各自的需求可以占用一个或多个OFDM符号。每个用户在数据传送期间，将占用所有的系统带宽，即该用户的数据信号可以在OFDM的所有子载波上进行分配。如图1所示，数据信号的传送按时域上的一个帧来进行，N个用户共享这一帧。一帧分为若干个时隙，每一时隙被分配给一个用户传送一个OFDM符号，即一个时隙的长度等于一个OFDM符号的时间长度。当有多个用户存在时，每个用户可以被分配占有一个或多个时隙，而不会是整个时间帧，但在每一个时隙中可以独享所有可用带宽。各载波可用同一数字调制方法，也可使用自适应调制(Adaptive Modulation，AM)技术，也就是根据各个子载波上的SNR(Signal-to-Noise Ratio，信噪比)分别对子载波选取合适的调试方式。是否使用OFDM-TDMA可由TCF(TDMA CapabilityFlag，TDMA能力标志)进行表征。 

在OFDM-FDMA(也可被简称为OFDMA)系统中，通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入，也就是每个用户分配一个OFDM符号中的一个子载波或一组子载波，以子载波频率来区分用户。OFDMA方法不需要在各个用户频率之间采用保护频段去区分不同的用户，提高了系统的频率利用率。如图2a和图2b所示，OFDM-FDMA系统中，将可用带宽分为若干个子载波后，将单个子载波或一组子载波按照一定的算法分配给需要的用户。当有多个用户存在时，每个用户可以被分配占有一个或多个子载波，而不会是整个频带，但在每一个子载波上可以独享时域上整个帧。是否使用OFDMA可由FCF(FDMA Capability Flag，FDMA能力标志)进行表征。 

在OFDM-CDMA系统中，将OFDM和CDMA结合在一起，兼具两者的优点，对多径效应引起的符号间干扰(ISI)有很强的抵抗力，同时继承了CDMA的高用户容量的优点。 

目前HomePlug AV提出并使用了基于OFDM的电力线通信多址技术，该技术采用TDMA或者OFDMA。 

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下问题： 

OFDM-TDMA系统在保证多用户中的每一个用户可以占有全部频率资源的同时，不能保证该用户占有全部时间资源；OFDM-FDMA系统在保证多用户中的每一个用户可以占有全部时间资源的同时，不能保证该用户占有全部频率资源。由此可以看出，现有技术不能实现同时向用户并行发送数据，使用户在占用全部时间资源的同时也可占用全部的频率资源，因而不能最大限度地提高时间和频率资源的利用率。 

发明内容

本发明的实施例揭示了一种数据信号调制方法和解调方法以及数据信号发射机和接收机，以及一种数据信号收发系统，以实现在对数据的调制和解调过程中，能够使数据占用全部时间资源和频率资源，提高通信系统的时间和频率资源利用率和系统性能。 

本发明实施例揭示的数据信号调制方法，包括以下步骤： 

利用厄密共轭矩阵的特征向量产生正交脉冲波，所述厄密共轭矩阵为根据电力通信系统所使用的带宽生成的厄密共轭矩阵； 

利用产生的所述正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制； 

对经所述脉冲成形调制后得到的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号。 

本发明实施例揭示的数据信号解调方法，包括以下步骤： 

利用厄密共轭矩阵的特征向量产生正交脉冲波形，所述厄密共轭矩阵为根据电力通信系统所使用的带宽生成的厄密共轭矩阵； 

对接收到的数据进行正交频分复用解调； 

利用产生的所述正交脉冲波形对经所述正交频分复用解调后得到的数据进行脉冲成形解调，得到恢复后的接收数据。 

本发明实施例揭示的数据信号发射机，包括： 

正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

脉冲成形调制模块，用于利用所述正交脉冲波形发生模块所产生的正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制； 

正交频分复用调制模块，用于对经所述脉冲成形调制模块调制后的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号； 

发送模块，用于发送所述正交频分复用调制模块调制后得到的发射信号； 

所述正交脉冲波形发生模块包括： 

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽生成厄密共轭矩阵； 

正交脉冲波形生成子模块，用于根据所述厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。 

本发明实施例揭示的数据信号接收机，包括： 

正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

接收模块，用于接收发送端发送的数据信号； 

正交频分复用解调模块，用于对所述接收模块接收到的数据进行正交频分复用解调； 

脉冲成形解调模块，用于利用所述正交脉冲波形发生模块产生的正交脉冲波形对经所述正交频分复用解调模块解调后的数据进行脉冲成形解调； 

所述正交脉冲波形发生模块包括： 

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽生成厄密共轭矩阵； 

正交脉冲波形生成子模块，用于根据所述厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。 

本发明实施例揭示的数据信号收发系统，包括：数据信号发射机和数据信号接收机； 

所述数据信号发射机，包括： 

第一正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

脉冲成形调制模块，用于利用所述第一正交脉冲波形发生模块所产生的正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制； 

正交频分复用调制模块，用于对经所述脉冲成形调制模块调制后的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号； 

发送模块，用于发送所述正交频分复用调制模块调制后得到的发射信号； 

所述数据信号接收机，包括： 

第二正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

接收模块，用于接收发送端发送的数据信号； 

正交频分复用解调模块，用于对所述接收模块接收到的数据进行正交频分复用解调； 

脉冲成形解调模块，用于利用所述第二正交脉冲波形发生模块产生的正交脉冲波形对经所述正交频分复用解调模块解调后的数据进行脉冲成形解调； 

所述第一正交脉冲波形发生模块和所述第二正交脉冲发生模块，分别包括： 

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽生成厄密共轭矩阵； 

正交脉冲波形生成子模块，用于根据所述厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。 

本发明的上述实施例，通过在进行数据信号调制时，在进行正交频分复用调制之前先利用正交脉冲波形对数据信号进行脉冲成形调制，在进行数据信号解调时采用与调制过程相反的过程，从而使正交脉冲调制与正交频分复用调制相结合，优化调制解调过程，与现有技术相比，不再用时隙和频段区分接收端的数据，使发送给接收端的数据占用全部时间资源和频率资源，提高了通信系统的时间和频率资源的利用率，实现了高效的数据传输。 

附图说明

图1为现有技术中TDMA方式帧结构示意图； 

图2a、图2b为现有技术中FDMA方式帧结构示意图； 

图3为本发明实施例的数据信号调制及解调过程的示意图； 

图4为本发明实施例的PLC系统基于HPSM-OFDM的调制及解调流程示意图； 

图5为本发明实施例的PLC系统中的卷积码电路示意图； 

图6为本实施例的PLC系统基于HPSM-OFDM的调制过程中产生的正交脉冲示意图； 

图7a为本发明实施例的PLC系统中HPSM调制的实现示意图； 

图7b为本发明实施例的PLC系统中HPSM解调的实现示意图； 

图8本发明实施例的PLC系统中正交脉冲波形集与接收端的对应关系示意图； 

图9a为本发明实施例的PLC系统中OFDM调制的实现示意图； 

图9b为本发明实施例的PLC系统中OFDM解调的实现示意图； 

图10为本发明实施例的PLC信号发射模板示意图； 

图11为本发明实施例的PLC发射功率谱密度示意图； 

图12a为本发明实施例的PLC冲激响应仿真和网络测试结果对比示意图； 

图12b为本发明实施例的室内外电力线信道的频率响应示意图； 

图13为本发明实施例的HPSM-OFDM与OFDM系统仿真性能对比示意图； 

图14为本发明实施例的HPSM-OFDM系统仿真性能示意图； 

图15为本发明实施例的数据信号发射机结构示意图； 

图16为本发明实施例的数据信号接收机结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。 

参见图3，为本发明实施例的数据信号调制及解调过程的示意图，其中步骤301～303为信号调制过程，步骤304～306为信号解调过程，具体步骤包括： 

步骤301、发送端将需要发送给接收端的数据进行编码以及单载波调制等处理。 

步骤302、发送端将步骤301处理之后得到的数据信号进行PSM(PulseShaping Modulation，脉冲成形调制)调制，其间为每个数据点分配一个脉冲波形(即为每个接收端对应的数据分配一个脉冲波形)并将数据调制到该脉冲波形上。 

步骤303、发送端将经过PSM调制后的数据信号进行OFDM调制，其间每个正交波形都占有所有的子载波，并将OFDM调制后的数据发送到通信系统的信号传输信道。 

步骤304、接收端从通信系统的信号传输信道中接收属于自己的数据信号，并进行OFDM解调； 

步骤305、接收端将经过OFDM解调后得到的数据信号进行PSM解调；在PSM解调过程中所使用的正交脉冲波形与发送端对该数据信号进行PSM调制时所使用的正交脉冲波形相同； 

步骤306、接收端将经过PSM解调后的数据信号进行相应的单载波解调以及解码等处理，得到发送端发送给该接收端的数据。 

本发明实施例提出的信号调制与解调方案，可应用于一般的通信系统，如WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)、UWB(Ultra Wide Band，超宽带)等系统的下行数据或上行数据的发送过程，尤其可以结合PLC系统使用的TDMA、FDMA、CDMA多址方式，实现对PLC系统中的下行数据信号或上行数据信号的调制与解调。 

参见图4，为本发明实施例的室内宽带PLC系统基于HPSM-OFDM(Hermittian-based Pulse Shaping Modulation and Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，基于厄密共轭的脉冲成形调制与正交频分复用)的调制及解调实现流程示意图。如图4所示，发送端为N个接收端(用户)发送数据，其中m_i(i＝1，2，...，N，N为用户数)为发送数据流，S为发射的射频信号，r为接收端接收的信号，r_i为第i个接收端的接收到的信号。其中，步骤401～404为PLC数据信号的调制及发送过程，步骤406～408为PLC数据信号的接收及解调过程。 

当PLC系统发送端需要使用HPSM-OFDM模式对发送的数据进行调制时，尤其是在一对多用户通信的情况下，PLC通信系统切换到HPSM-OFDM模式。可以通过设置一个启动标志位表征该HPSM-OFDM模式，当需要切换的时候，将该标志位设置为有效。基于HPSM-OFDM的数据信号调制与解调过程的具体步骤包括： 

步骤401、发送端产生发往N个用户(即接收端)的数据序列m_i(i＝1，2，...，N，N为用户数)，并分别对每个接收端对应的数据进行编码、交织，以及单载波调制等处理。 

此步骤中，编码方式可以是卷积码、TC码(Turbo Convolutional Code，Turbo卷积码)、RS码(Reed-Solomon码)等，码速率可以是1/2、3/4等；单载波调制方式可以根据信道情况采用BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)、QAM(正交幅度调制)，其中QAM方式具体可以是64-QAM、256-QAM、512-QAM或1024-QAM等。 

本实施例中，选用(2，1，3)卷积码电路进行编码，(2，1，3)卷积码电路图可如图5所示，其中，u为输入数据序列，c为编码输出序列，n＝2为输出端数，k＝1为输入端数，K＝3为编码器约束长度，即从输入数据序列从输入端输入到输出数据序列从输出端输出的一段时间内产生n个码元。产生的码元不仅与这段时间的k个信息位有关，还与前(K-1)段规定时间的信息位有关。编码电路中，寄存器的个数为(K-1)，在图5中的寄存器有2个，分别为501和502，编码效率为k/n＝1/2，503和504为加法器电路，其实现的码多项式分别为g¹ 和g²，其中： 

g¹(x)＝1+x+x²，g²(x)＝1+x²。 

步骤402、将经过步骤401处理得到的数据信号进行上采样，然后将上采样后的数据调制到相应的正交脉冲波形上，完成HPSM脉冲调制过程。 

本实施例中，正交脉冲波形由发送端的正交脉冲发生器生成。正交脉冲波形发生器根据PLC系统使用的带宽，构造厄密共轭矩阵(Hermitian矩阵)，利用Hermitian矩阵的特征向量产生正交脉冲波形集。在具体实现中，正交脉冲波形发生器中预置有脉冲波形发生模板，正交脉冲波形发生器根据该模板产生一系列正交脉冲序列。 

生成Hermitian矩阵的时域模板函数为： 

h(t)＝2f_usinc(2πf_ut)-2f_lsinc(2πf_lt)…………………………[1] 

式(1)中，f_l为下截至频率，f_l＝1.8MHz；f_u为上截至频率，f_u＝30MHz。 

产生Hermitian矩阵特征向量对应的离散时域卷积形式为： 

式(2)中，R为脉冲抽样点数，m为输入到模板函数

中的元素序号，r为h中的元素序号，r的取值范围为r＝-R/2，...，R/2。式(2)表示成矩阵形式，即： 

H＝λ

……………………………………………………………[3] 

从式(3)可以看出，矩阵H为Hermitian矩阵，所要求的成形脉冲

与衰减因子λ即可由H的特征向量与特征值矩阵获得。由于H为Hermitian矩阵，因此所求得的特征向量组为线性无关的正交向量组，并且特征值为实数，因此成形脉冲之间具有正交性，即高度的自相关性和很低的互相关性(在理想同步的情况下互相关性为零)，并且，产生的波形满足电力线辐射限制。产生的正交脉冲波形集为R维正交脉冲波形集(即包含R个正交脉冲序列)，其中的基于Heimittian矩阵特征向量生成的两个正交脉冲可如图6所示。 

可以看出，脉冲波形发生模板采用PLC系统使用的1.8MHz～30MHz带宽以及合适的脉冲抽样点数，可使产生的正交脉冲波形信号符合HomePlug AV协议规定的频率范围、载波的数量、OFDM保护间隔、规避的广播频段等。 

除了利用Hermitian矩阵的特征向量产生正交脉冲波形集以外，还可以利用椭球波函数、勒让德多项式等方法构造正交脉冲波形集。 

本实施例中，将正交脉冲波形集中的N个波形分别分配给N个接收端中的每一个接收端，并进行HPSM脉冲调制的过程可如图7a所示。图7a中，输入数据(即经过步骤401处理之后的数据信号)输入到上采样电路701，上采样电路701进行零插值上采样，采样率可选用8，16，...等整数。Hermitian正交脉冲发生器702生成R维正交脉冲波形集。卷积电路703将上采样电路701采集到的采样信号与Hermitian正交脉冲发生器702生成的正交脉冲波形进行卷积处理，得到的输出数据即为经HPSM脉冲调制后的数据信号。N个接收端与正交脉冲波形Ψ_k(t)(其中1≤k≤R)的对应关系可如图8所示，卷积电路703分别将每个接收端的数据信号调制到相对应的正交脉冲波形上。 

步骤403、发送端将N个接收端的数据信号进行脉冲成形调制后同步相加。 

步骤404、发送端对同步相加后的数据信号进行OFDM调制，形成射频信号S，发送到PLC信道上。 

本实施例中，OFDM的调制过程如图9a所示。图9a中，设M表示所有的子信道的个数，串/并变换电路901将输入的串行信号(经编码、单载波调制 以及HPSM脉冲调制并同步相加后形成的串行信号)转换为M个并行信号并分配给各个子载波，再经过求和电路902完成多载波调制并发送。如果用d_ki＝(i＝0，1，...，N-1)表示将第k个接收端的数据分配给每个子载波信道的数据符号，则第k个接收端的一个OFDM符号可以表示为： 

$S_{k-\mathrm{OFDM}}\left(t\right)=\underset{i=M/2}{\overset{M/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{k,i+M/2}\exp \left[j2\mathrm{\π}\frac{i}{T}(t-t_s)\right],t_s\≤t\≤t_s+T\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left[4\right]$

其中，T为一个OFDM符号的时间长度，t_s表示OFDM符号的开始时刻。 

步骤405、接收端通过PLC信道接收数据信号，并对接收到的数据信号进行信道估计、同步。 

步骤406、接收端将经过信道估计后的数据信号进行OFDM解调。 

本实施例中，进行OFDM解调的实现过程可如图9b所示。在图9b中，M个并行信号经过与子载波信号相乘并积分，再经过并/串转换电路911后形成串行信号输出。 

步骤407、接收端对经过OFDM解调后的数据信号进行HPSM解调。对于第i个用户的接收端，将OFDM解调后的数据通过相关器，分离出属于该用户自身的接收信号，然后利用正交脉冲波形集中与第i个接收端对应的正交脉冲波形进行相关积分运算，得到HPSM解调数据。 

本实施例中，HPSM解调过程可如图7b所示。图7b中，Hermittian正交脉冲发生器712生成正交脉冲波形，同步电路711根据信道估计结果生成发送端和接收端的同步信号，卷积电路710将输入信号(OFDM解调信号)和Hermittian正交脉冲发生器712生成正交脉冲波形经过卷积处理，积分电路713将卷积电路710处理后的信号进行积分处理，得到的输出信号为HPSM解调数据信号。 

在HPSM解调过程中，经过同步处理后，对发送端的数据进行HPSM解调所使用的正交脉冲波形与该发送端进行HPSM调制时所使用的正交脉冲波形相同。 

步骤408、接收端将HPSM解调数据信号经过单载波解调、解交织、解码后恢复为发送端发送的数据，即得到该用户的接收数据，并进一步计算误码率。 

下面是一个利用图4所示的流程进行宽带PLC通信时的具体实例，其中，设发送端向N个用户发送数据。 

按照步骤401，发送端对N个用户的发送数据分别进行编码、交织、单载波调制。其中，编码采用(2，1，3)卷积码，单载波采用QPSK或512QAM调制； 

按照步骤402，发送端对编码、交织和单载波调制后的数据进行HPSM调制，所使用的正交脉冲波形为如图6所示的正交脉冲波形，采用的零差值上采样采样率为8； 

按照步骤403～404，发送端对经过HPSM调制后的数据进行同步相加并进行OFDM调制，OFDM参数如下：子载波间隔24.4KHz，子载波总数1155，OFDM符号长度49.2μs，保护间隔8.2μs，时延扩展2.05μs，PLC路径长度最小为50m，最大为615m，取16个径，比特速率100M/s。 

按照步骤405～408，实现N个用户接收端中的第i个用户接收端对接收到的数据进行解调。假设在理想同步情况下，采用最小方差(LS)方法对信道进行估计，其中注入PLC的信号源以图10所示的HomePlugAV的频谱模板为发射标准，得到的发射功率谱如图11所示。 

上述图4所示的PLC数据信号调制与解调的过程中，将基于厄密共轭矩阵特征向量所产生的正交脉冲波形进行脉冲成形调制以及OFDM技术相结合，其中，脉冲成形调制用于用户多址接入，OFDM技术用于速率匹配和子载波选择。这种数据调制方式，不再用时隙和频段区分用户，而用脉冲波形区分用户，因此，这N个用户可以同时占用所有的时间资源和频率资源，实现了在保证用户可以同时占有全部频率资源和全部时间资源。这种宽带电力线系统的多址通信方案，可用于PLC及一般通信系统的下行链路，可以获得到宽带电力线通信在1～30MHz频率范围内的高效调制方式，符合国际电力线通信标准。实现 频谱共存而降低相互干扰，增加了PLC通信的可靠性，提高了频谱利用率和系统性能。在具体实现中，还可以结合动态自适应载波分配进行，在信道好的条件下采用64QAM、256QAM、1024QAM等效率高的调制方法进行单载波调制；在信道差的情况下采用BPSK、QPSK等稳健的调制方法进行单载波调制。根据信道的情况灵活控制，以适应不同通信环境的要求。 

上述图4所示流程的是对下行数据进行调制与解调过程，对于上行数据的调制与解调，也可以按照上述基于HPSM-OFDM的数据调制与解调方法，其实现流程与图4所示的流程类似，区别在于： 

在上行数据的调制过程中，N个发送端分别对发送给接收端的数据进行编码、交织、单载波调制、HPSM调制以及OFDM调制，并将调制后的数据发送到PLC信道。其中，HPSM调制的过程与图4流程中的相应过程类似，在HPSM调制时，N个发送端对其发送的数据分别使用不同的正交脉冲波形进行调制。 

在接收端对接收到的上行数据的解调过程中，接收端从PLC信道接收数据后进行信道估计和同步处理，以对第i个接收数据(即第i个发送端发送的数据)进行解调为例，根据信道估计和同步的结果，对第i个接收数据进行OFDM解调、HPSM解调，以及单载波解调、解交织和解码，最后得到解调后的数据。其中，HPSM解调的过程与图4流程中的相应过程类似，在HPSM解调时，接收端所用的正交脉冲波形，与发送端对该数据进行HPSM调制时所使用的正交脉冲波形一致。 

通过上述图4所示的流程对PLC数据信号进行调制后得到的射频信号S注入到网络并经过多次反射后，在信号S的传输过程中，大部分反射信号将衰减到限值以下，具有良好的传输性能。下面通过一个PLC冲激响应仿真，对家庭内部PLC调制信号的传输性能进行验证。 

本验证过程采用回波传输函数方法，将传输信道中N个反射波合并成一个脉冲响应，即： 

$H\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\×e^{-\mathrm{\α}\left(f\right)l_i}\×e^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_i}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left[5\right]$

其中，τ_i是反射波的延时，且与传输环境和路径成正比；a_i是信号幅度，e^-α(f)li为频率衰减系数，该系数统不仅取决于电缆的长度，还取决于信号的频率。实际情况中家庭内部电力线网络结构相对简单，通信的高频信号传输情况可以经过式(5)叠加表示出来。 

电力线通信中高频信号衰减受电缆长度以及频率的影响。这种传导衰减可以分解为天线模和传输线模，经过特性分析，电力线上的传导衰减传输线模分量比天线模分量占优势，因而可以用电力线上的衰减传输线模分量近似表示整个传导衰减。由平行传输线理论，单位长度的传输线的传输系数r： 

$r=\sqrt{(R+\mathrm{j\ωL})(G+\mathrm{j\ωC})}=\mathrm{\α}+\mathrm{j\β}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left[6\right]$

其中R，L，G和C是电力线的基本电参数。当信号频率在1MHz和30MHz之间，R+jωL，G+jωC，化简得： 

$r=\frac{1}{2}\frac{R}{Z_l}+\frac{1}{2}G{Z}_l+\mathrm{j\ω}\sqrt{\mathrm{LC}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left[7\right]$

经过分析可知， 

的含义是指趋肤效应的影响， 

是指电力线绝缘材料的绝缘损耗。单位长度电线的电阻抗主要由趋肤效应所决定，并且和 

成正比。单位长度电缆的电导率G主要受介电材料(PVC塑料)的耗散系数影响，和频率f成比例。因此电力线传输在30MHz以内频率信号的信道是一个和频率f有关的衰落信道，传输系数r中的实数部分α为衰减系数可以写成： 

$a\left(f\right)=\frac{1}{2}\frac{R}{Z_l}+\frac{1}{2}G{Z}_l=k_1\sqrt{f}+k_{2}f\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left[8\right]$

其中常数k₁和k₂主要由材料和环境综合而成。进一步改写可得： 

a(f)＝b₀+b₁f^k…………………………………………………………[9] 

一般一个局域网内的构成材料都是一种类型，因此系数b₀，b₁，都是预置常数，由试验确定，k也根据试验测得，取值范围比较小，在0.5～0.7之间。总 之整个电力线在高频段的信号衰减可以写成： 

从电力线高频信号的物理传输机制出发得到这个信号模型得出测量结果将在实际计算中得到证实。而且由实际测量数据表明，在1MHz到30MHz范围内幅度系数a_i与频率相关性不大，可以当成实数来处理。 

虽然局域网内部一般有十几个接入点，整个线路中包含很多反射信号，但是实际观测数据显示，接收机附近的端点产生的反射信号对接收端有较大影响，其余的接入点由于距离相对较远，反射波在线路中衰减近似为零，而且各条反射线路上的延迟近似相同，即相位变化e ^ai(f)保持一致。因此对电力线上任意一个多径接收机，信号模型可以化简为： 

$H\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i{e}^{-{(b_0+b_1{f}^k)}^{l_i-j2\mathrm{\πf}(l_i/v_p)}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left[11\right]$

这个简化模型描述了典型的电力线信道频率响应曲线。模型的精确性取决于反射路径的数目N，N被考虑的越多，模型的精确性都会得到提高。对电力线信道冲激响应的仿真和网络测试结果如图12a所示。其中图12b为室内外电力线信道的频率响应。由此可见，按照本发明实施例进行PLC数据信号的调制与解调，所用的电力线信道冲激响应的仿真结果与实际网络测试的结果比较接近，说明本发明实施例的PLC信道具有代表性。 

通过图4所示的流程对PLC数据信号进行调制，可以达到较理想的系统性能。下面以系统工作在OFDMA模式下为例，通过仿真实验数据验证图4所示流程的有效性和可行性。 

系统工作在OFDMA状态，如果在某一时刻，出现一对多用户(设一对N个用户)通信的情况，则切换到HPSM-OFDM模式。此时，这N+1个用户可以共享带宽。 

根据本发明中基于HPSM-OFDM实现一对多用户通信的具体流程，对发 射到N个用户的数据进行编码、交织，然后进行单载波调制。如编码采用(2，1，3)卷积码，单载波采用QPSK调制，采用的零插值上采样率为8，采用的OFDM参数如下：子载波间隔24.4KHz，子载波总数1155，OFDM符号长度49.2μs，保护间隔8.2μs，时延扩展2.05μs，PLC路径长度最小为50m，最大为615m，取16个径，比特速率100M/s。 

在相同的条件下，采用HPSM和没有采用HPSM时系统误码率随信噪比的变化如图13所示。可见，在室内环境下，系统性能明显好于室外环境。由于室外环境下电力线拓扑结构更复杂，多径传播严重，信号传播距离长、衰减更大，因此室外电力线信道比室内电力线信道差，系统的误码率上升。无论是室外还是室内的情况，多用户干扰不明显，在信噪比为10dB时，8个用户和1个用户相比，室内情况下用户间干扰引起1dB的损失，室外情况下用户间干扰引起0.5dB的损失。说明本发明实施例提出的方案对于抗多用户干扰非常有利。采用HPSM调制与没有采用HPSM调制的情况相比，系统的性能得到很大的改善，性能提高10dB以上。 

为了得到更大的码速率，可以采用多进制调制。当采用256QAM调制时，系统码速率在100M以上，在高信噪比的情况下可以达到一般数据通信的要求。图14给出了室内环境下一对二、一对四、一对六、一对八用户的仿真结果。需要说明的是，系统仿真是在采用最小方差(LS)方法对信道进行估计的条件下进行的，如果系统采用更好的信道估计方法，并结合时域/频域均衡方法，系统性能会得到进一步的提高。 

本发明实施例还提供了一种数据信号发射机和一种数据信号接收机。 

参见图15，为本发明实施例提供的数据信号发射机的结构示意图，该信号发射机包括：正交脉冲波形发生模块、脉冲成形调制模块、正交频分复用调制模块和发送模块，其中 

正交脉冲成形调制模块，用于产生正交脉冲波形； 

脉冲成形调制模块，用于利用正交脉冲成形调制模块产生的正交脉冲波形 对待发送数据进行脉冲成形调制； 

正交频分复用调制模块，用于对经脉冲成形调制模块调制后得到的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号； 

发送模块，用于发送正交频分复用调制模块调制后得到的发射信号。 

如图15所示的信号发射机，还可包括编码调制模块，该模块用于对待发送数据进行编码、单载波调制，使脉冲成形模块对该编码调制模块调制后的待发送数据进行脉冲成形调制。编码调制模块可以包括编码子模块、交织子模块和单载波调制子模块。其中，编码子模块可以是实现卷积码、TC码或RS码的编码电路，单载波调制子模块可以是实现BPSK、QPSK或QAM等调制的电路。图5给出了一种(2，1，3)卷积码电路的示意图。 

图15所示的信号发射机中，正交脉冲波形发生模块包括厄密共轭矩阵生成子模块和正交脉冲波形生成子模块，其中 

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽，尤其是1.8MHz-30MHz的带宽，生成厄密共轭矩阵；正交脉冲波形生成子模块，用于解出厄密共轭矩阵的特征向量，并根据该特征向量生成正交脉冲波形。 

图15所示的信号发射机中，脉冲成形调制模块包括上采样子模块和调制子模块。其中，上采样子模块用于对经编码调制模块进行编码、单载波调制后形成的数据进行上采样，调制子模块用于利用正交脉冲波形对经上采样后得到的数据进行脉冲成形调制。调制子模块包括选择单元和调制单元，其中 

选择单元用于为不同接收端的数据选择不同的正交脉冲波形；调制单元用于根据选择单元选择的正交脉冲波形，对经所述上采样后得到的各个接收端对应的数据进行脉冲成形调制。对于应用于PLC系统的信号接收机，其脉冲成形调制模块可通过如图7a所示的电路实现，其中零差值上采样电路701实现的功能相当于上述的上采样子模块，卷积电路702所实现的功能相当于上述的调制子模块。 

图15所示的信号发射机中，正交频分复用调制模块的具体实现可如图9a 所示。 

参见图16，为本发明实施例提供的数据信号接收机的结构示意图，该数据信号接收机包括正交脉冲波形发生模块、接收模块、正交频分复用解调模块、脉冲成形解调模块。 

正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

接收模块，用于从传输信道接收数据信号； 

正交频分复用解调模块，用于对接收模块接收到的数据信号进行正交频分复用解调； 

脉冲成形解调模块，用于利用正交脉冲波形对经正交频分复用解调模块解调后得到的数据进行脉冲成形解调。 

图16所示的数据信号接收机中，还可包括编码解调模块，该模块用于对经脉冲成形解调模块解调后得到的数据进行单载波解调、解码。 

图16所示的数据信号接收机中，正交脉冲波形发生模块包括：厄密共轭矩阵生成子模块和正交脉冲波形生成子模块，其中 

厄密共轭矩阵生成子模块用于根据电力通信系统所使用的带宽，尤其是根据电力通信系统所使用的1.8MHz到30MHz的带宽，生成厄密共轭矩阵；正交脉冲波形生成子模块，用于解出厄密共轭矩阵的特征向量，并根据该特征向量生成正交脉冲波形。 

图16所示的数据信号接收机中，脉冲成形解调模块包括：同步子模块和解调子模块，其中 

同步子模块用于对接收到的数据与发送端进行同步处理，具体可以根据信道估计结果进行同步处理；解调子模块，用于根据同步子模块的同步处理结果得到相应的正交脉冲波形，并利用该正交脉冲波形进行脉冲成形解调。 

脉冲成形解调模块的具体实现可如图7b所示，其中，同步电路711实现的功能相当于上述的同步子模块，卷积电路710和积分电路713所实现的功能相当于上述的解调子模块。 

图16所示的信号接收机中，正交频分复用解调模块的具体实现可如图9b所示。 

本发明实施例还提供了一种数据信号收发系统，该系统包括数据信号发射机和数据信号接收机，其中，数据信号发射机可如图15所示，数据信号接收机可如图16所示。 

该系统的数据信号发射机，包括： 

第一正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

脉冲成形调制模块，用于利用第一正交脉冲波形发生模块所产生的正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制； 

正交频分复用调制模块，用于对经脉冲成形调制模块调制后的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号； 

发送模块，用于发送正交频分复用调制模块调制后得到的发射信号。 

该系统的数据信号接收机，包括： 

第二正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形； 

接收模块，用于接收发送端发送的数据信号； 

正交频分复用解调模块，用于对接收模块接收到的数据进行正交频分复用解调； 

脉冲成形解调模块，用于利用第二正交脉冲波形发生模块产生的正交脉冲波形对经正交频分复用解调模块解调后的数据进行脉冲成形解调。 

上述系统中的数据信号发射机中的第一正交脉冲波形发生模块，以及数据信号接收机中的第二正交脉冲发生模块，分别包括厄密共轭矩阵生成子模块和正交脉冲波形生成子模块，其中 

厄密共轭矩阵生成子模块用于根据电力通信系统所使用的带宽，尤其是1.8MHz到30MHz的带宽，生成厄密共轭矩阵；正交脉冲波形生成子模块用于根据该厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。 

综上所述，本发明实施例基于厄密共轭矩阵向量的HPSM-OFDM的信号 调制与解调技术方案，可应用在宽带电力线通信系统中，发送与接收数据的过程中。本发明的实施例利用厄密共轭矩阵的特征向量获得多用户的正交脉冲波形，首先将用户发送的数据进行编码、单载波调制，然后将数据通过上采样技术进行上采样，利用正交脉冲波形进行脉冲成形调制，再进行OFDM调制，并将调制后得到的发射信号发往电力线信道。在接收端，首先进行OFDM解调，然后利用与用户对应的正交脉冲进行解调，再进行单载波解调和解编码。这种方法可以用于PLC上行信道或下行信道，为不同用户分配不同的正交脉冲，使这些用户共享电力线带宽，并使用户同时占用全部的时间资源和频率资源。由于脉冲的正交性，能够消除用户间干扰；同时，利用OFDM技术将串行数据变为并行数据传输，降低了数据速率，还可以避让法定的无线电使用频段，达到与其他系统频谱共享的目的，相比于目前存在的调制技术，具有频谱利用率高、误码率低、通信可靠性高等优点。将脉冲成形调制和OFDM技术结合，可以充分利用正交脉冲的优良相关特性，实现多址通信；又可以利用OFDM的速率匹配和子载波控制技术，既消除了用户间干扰，又减小了符号间干扰，既提高了频谱利用率，又增强了系统性能。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (15)

1.一种数据信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用厄密共轭矩阵的特征向量产生正交脉冲波，所述厄密共轭矩阵为根据电力通信系统所使用的带宽生成的厄密共轭矩阵；

利用产生的所述正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制；

对经所述脉冲成形调制后得到的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待发送数据为经过编码和单载波调制后的数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲成形调制的过程包括：

对所述待发送数据进行上采样；

利用所述正交脉冲波形对经所述上采样后得到的数据进行脉冲成形调制。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正交脉冲波形为多个，所述利用所述正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制，具体为：

分别利用所述多个正交脉冲波形中不同的正交脉冲波形，对发送给不同接收端的数据进行脉冲成形调制。

5.一种数据信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用厄密共轭矩阵的特征向量产生正交脉冲波形，所述厄密共轭矩阵为根据电力通信系统所使用的带宽生成的厄密共轭矩阵；

对接收到的数据进行正交频分复用解调；

利用产生的所述正交脉冲波形对经所述正交频分复用解调后得到的数据进行脉冲成形解调，得到恢复后的接收数据。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进行脉冲成形解调后，还包括步骤：对经所述脉冲成形解调后得到的数据进行单载波解调、解码。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对经所述正交频分复用解调 后得到的数据进行脉冲成形解调时所利用的正交脉冲波形，与发送端调制该数据所使用的正交脉冲波形相同。

8.一种数据信号发射机，其特征在于，包括：

正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形；

脉冲成形调制模块，用于利用所述正交脉冲波形发生模块所产生的正交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制；

正交频分复用调制模块，用于对经所述脉冲成形调制模块调制后的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号；

发送模块，用于发送所述正交频分复用调制模块调制后得到的发射信号；

所述正交脉冲波形发生模块包括：

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽生成厄密共轭矩阵；

正交脉冲波形生成子模块，用于根据所述厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。

9.如权利要求8所述的数据信号发射机，其特征在于，还包括编码调制模块，用于对数据进行编码、单载波调制；所述待发送数据是经过所述编码调制模块进行编码、单载波调制后得到的数据。

10.如权利要求8所述的数据信号发射机，其特征在于，所述脉冲成形调制模块包括：

上采样子模块，用于对待发送数据进行上采样；

调制子模块，用于利用所述正交脉冲波形对经所述上采样后得到的数据进行脉冲成形调制。

11.如权利要求10所述的数据信号发射机，其特征在于，所述调制子模块包括：

选择单元，用于为不同接收端的数据选择不同的正交脉冲波形；

调制单元，用于根据选择单元选择的正交脉冲波形，对经所述上采样后得 到的各个接收端对应的数据进行脉冲成形调制。

12.一种数据信号接收机，其特征在于，包括：

正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形；

接收模块，用于接收发送端发送的数据信号；

正交频分复用解调模块，用于对所述接收模块接收到的数据进行正交频分复用解调；

脉冲成形解调模块，用于利用所述正交脉冲波形发生模块产生的正交脉冲波形对经所述正交频分复用解调模块解调后的数据进行脉冲成形解调；

所述正交脉冲波形发生模块包括：

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽生成厄密共轭矩阵；

正交脉冲波形生成子模块，用于根据所述厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。

13.如权利要求12所述的数据信号接收机，其特征在于，还包括：

编码解调模块，用于对经所述脉冲成形解调模块解调后的数据进行单载波解调、解码。

14.如权利要求12所述的数据信号接收机，其特征在于，所述脉冲成形解调模块包括：

同步子模块，用于对接收到的数据与相应的发送端进行同步处理；

解调子模块，用于根据所述同步子模块的同步处理结果得到相应的正交脉冲波形，并利用所述正交脉冲波形进行脉冲成形解调。

15.一种数据信号收发系统，其特征在于，包括数据信号发射机和数据信号接收机；

所述数据信号发射机，包括：

第一正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形；

脉冲成形调制模块，用于利用所述第一正交脉冲波形发生模块所产生的正 交脉冲波形对待发送数据进行脉冲成形调制；

正交频分复用调制模块，用于对经所述脉冲成形调制模块调制后的数据进行正交频分复用调制，得到发射信号；

发送模块，用于发送所述正交频分复用调制模块调制后得到的发射信号；

所述数据信号接收机，包括：

第二正交脉冲波形发生模块，用于产生正交脉冲波形；

接收模块，用于接收发送端发送的数据信号；

正交频分复用解调模块，用于对所述接收模块接收到的数据进行正交频分复用解调；

脉冲成形解调模块，用于利用所述第二正交脉冲波形发生模块产生的正交脉冲波形对经所述正交频分复用解调模块解调后的数据进行脉冲成形解调；

所述第一正交脉冲波形发生模块和所述第二正交脉冲发生模块，分别包括：

厄密共轭矩阵生成子模块，用于根据电力通信系统所使用的带宽生成厄密共轭矩阵；

正交脉冲波形生成子模块，用于根据所述厄密共轭矩阵对应的特征向量生成正交脉冲波形。 

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