CN101729089A - 通信系统的发射机、接收机及其同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信系统的发射机、接收机及其同步方法，其目的在于针对低压配电网信道周期性变化的高噪声、高衰减和信号失真等特点，发射机将调制数据在时间上以非连续方式发送，避开信道周期性恶化的时间区域；接收机采取的一定捕获及验证策略，对有效数据区间进行检测识别，建立准确的同步捕获。在低压电力线载波通信系统中采用本发明，可以克服上述信道恶劣环境对通信带来的不良影响，使通信系统的可靠性提高。

Description

通信系统的发射机、接收机及其同步方法

技术领域

本发明涉及一种在特殊信道上进行通信的系统同步方法及装置，尤其涉及通信系统的发射机和接收机，以及发射机与接收机之间的同步方法。

背景技术

公用电网电力线所传输的交流电只占用了50Hz/60Hz的频率资源。因此，电力线有很宽的频带可以利用。电力线载波通信(PLC)系统，就是通过在电力线信号上叠加高频信号来进行信息传输。该系统由于具有网络分布广、无须重新布线和维护方便等优点，近年来引起人们的广泛关注。将无处不在的电网进一步发展成为数据通信网，特别是在低压电力线上进行快速、可靠的数据通信，是PLC系统发展的重要方向之一。

然而低压电力线信道同时也存在诸多劣势：频率特性差(供电线是低频、廉价的铝线或铜线；网络拓扑结构随用户负载接入随机变化)；高频通道不具有一般性(即不同线路的特性差异极大，即使是同一条线路，其特性亦有时变性)；开关电源电器、无线电的干扰；电力线上的输入阻抗随频率的变化而剧烈变化，使发送端功率放大器的输出阻抗和接收端的输入阻抗难以与之保持匹配，从而给电路设计带来困难。

低压电力线信道中的噪声可分为两大类：背景噪声(功率谱密度变化小，平坦，24小时5dB左右)和脉冲噪声(居民用电高峰时，10ms内功率谱密度变化可达20dB以上)。其中脉冲噪声对PLC通信质量造成的影响很大，由于其干扰幅度大，持续时间短，在数据连续传输过程中会产生比特错误和突发错误。

由此可见，低压电力线信道的环境十分复杂。但针对噪声的特点，采用适当的编码、调制方法以及通信协议，在电力线信道上实现可靠的数据传输是可能的。因此如何在复杂信道环境下提高PLC系统传输信息的可靠性成为一个重要课题。

经大量现场测试表明，连接有多个干扰设备的典型低压电力线上的噪声在时域和频域上的表现都不是恒定的，而是以一定周期展现出平静的时间段。如果采用非连续的数据帧结构，避开信道周期性恶化的时间区域发送数据的方式，并在接收端通过一定捕获搜索策略完成系统准确同步的话，将很好的解决低压PLC通信可靠性的问题。

发明内容

为此，本发明提供一种通信系统的发射机、接收机及其同步方法，能够在PLC通信系统以及有周期性变化的信道损害影响的其他介质中可靠通信。

本发明提出一种通信系统发射机，适于通过周期性变化的信道发送数据，该发射机包括相位检测单元、定时成帧单元和调制单元。相位检测单元检测信道的特性变化周期并产生周期指示信号。定时成帧单元将待发数据生成为非连续的数据帧，其中按照该周期指示信号在每帧待发数据的各有效数据之间插入预定间隙或时间延迟间隔。调制单元调制并发送该非连续的数据帧。

在本发明的一实施例中，上述的通信系统发射机还可包括直序扩频单元，对上述定时成帧单元生成的非连续的数据帧进行直接序列扩频后传输至上述调制单元。

在本发明的一实施例中，上述周期性变化的信道为电力线载波通信信道，其中上述特性变化周期为电力线载波通信信道交流电波形变化周期。

在本发明的一实施例中，上述周期指示信号包括波峰指示信号和波谷指示信号。

在本发明的一实施例中，上述非连续的数据帧中的各有效数据介于电力线载波通信信道交流电波形的相邻波峰与波谷之间。

本发明还提出一种通信系统接收机，适于通过周期性变化的信道接收数据，该接收机包括相位检测单元、解调单元和同步搜索单元。相位检测单元检测信道的特性变化周期并产生周期指示信号。解调单元解调从信道上接收的数据，其中该数据为非连续的数据帧。同步搜索单元依照该周期指示信号同步捕获非连续的数据帧中的各有效数据。

在本发明的一实施例中，上述通信系统接收机还包括匹配滤波单元，对上述解调单元解调后的数据进行解扩，并传输至上述同步搜索单元。

在本发明的一实施例中，上述周期性变化的信道为电力线载波通信信道，其中上述特性变化周期为电力线载波通信信道交流电波形变化周期。

在本发明的一实施例中，上述周期指示信号包括波峰指示信号和波谷指示信号。

在本发明的一实施例中，上述同步搜索单元执行以下步骤以同步捕获所述非连续的数据帧中的各有效数据：

搜索满足一单次捕获策略的多个候选峰值；

对多个候选峰值进行多次验证以确定真实信号相关峰，并将候选相关峰对应的相位位置标志为同步相位；以及

进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置。

另一方面，本发明还提出一种通信系统发射机和接收机的同步方法，适于通过周期性变化的信道传输非连续的数据帧，该方法包括以下步骤：

检测所述信道的特性变化周期并产生周期指示信号；

在发射机端按照所述周期指示信号在每帧待发数据的各有效数据之间插入预定间隙或时间延迟间隔，以生成非连续的数据帧；以及

在接收机端依照所述周期指示信号同步捕获所述非连续的数据帧中的各有效数据。

在本发明的一实施例中，依照上述周期指示信号同步捕获上述非连续的数据帧中的各有效数据的步骤包括：

搜索满足一单次捕获策略的多个候选峰值；

对所述多个候选峰值进行多次验证以确定真实信号相关峰，并将候选相关峰对应的相位位置标志为同步相位；以及

进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置。

在本发明的一实施例中，搜索满足一单次捕获策略的候选峰值的步骤包括：

采用最大似然法策略在每个码相位周期内找到最大相关值作为相对相关峰；以及

判断所述相对相关峰是否超过预设的门限值，若超过预设的门限值，则将所述相对相关峰作为候选相关峰值。

在本发明的一实施例中，对上述候选峰值进行多次验证以确定真实信号相关峰的步骤包括：

在一数据帧之内对所述多个候选相关峰的相位位置进行比较，判断其间距是否为码相位周期的整数倍；以及

如果两个候选相关峰的相位位置的间距等于码相位周期的整数倍，判定该两个候选相关峰为真实信号相关峰。

在本发明的一实施例中，所述进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置的步骤包括：

对完成多次验证后的一帧数据，在每个可能符号内，取出同步相位位置处的相关能量值，以包含M个符号的数据区间宽度依次对M个相关能量值求和，找到相对最大的能量和值，则该能量和值对应的M个符号位置即为数据区间。

综上所述，本发明在低压电力线载波等通信信道中采用非连续的数据帧结构，避开信道周期性恶化的时间区域发送数据，并在接收端通过捕获搜索策略完成系统准确同步，由此解决了在诸如低压PLC通信等环境恶劣的信道中通信的可靠性问题。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本发明一实施例的低压电力线载波通信系统结构框图。

图2示出本发明一实施例的通信系统发射机定时成帧的示意图。

图3示出本发明一实施例的通信系统接收机匹配滤波器结构框图。

图4示出本发明一实施例的通信系统接收机相关能量值计算过程示意图。

图5示出本发明一实施例的通信系统接收机同步搜索流程示意图。

图6示出本发明一实施例的通信系统接收机AC检测信号发生漂移的示意图。

具体实施方式

为了解决在低压电力线通信信道及其他周期性变化信道上进行可靠通信的问题，本发明提出了一种通信系统，发送端将数据在时间上以非连续方式发送，并在接收端采取一定的捕获及验证策略，对有效数据区间进行检测识别，建立准确的同步捕获。值得说明的是，在以下的实施例中，虽然是以低压电力线载波通信系统进行说明，但本发明也适用于其他周期性变化的信道，通过检测信道的特性变化周期并产生周期指示信号，可以使发送端的有效数据避开噪声出现区域，实现数据可靠传送。

图1示出本发明一个实施例的低压电力线载波通信系统结构框图，具体描述如下：

该通信系统1000包括发射机100和接收机110，二者通过低压电力线120耦接。系统的发射机100包括相位检测单元101、定时成帧单元102、直序扩频单元103和调制单元104。其中定时成帧单元102、直序扩频单元103和调制单元104按顺序连接，并由调制单元104连接到电力线120。相位检测单元101连接电力线120与定时成帧单元102。相位检测单元101基于对工频交流电(AC)波形的相位检测定时周期性产生周期指示信号。

参照图2所示，对于低压电力线信道，在线路电压波峰/波谷附近区间(图2中“重载区”)的干扰和衰减很大，为提高数据传输的可靠性，周期指示信号可包括波峰指示信号P和波谷指示信号V。依据这些指示信号，可在发射机端把时间轴分为多个区间，使得每一帧待发送数据的各个有效数据区间在电力线120信号201的相邻波峰与波谷的中间区域，并与波峰/波谷相隔一段间隔。参照图2所示，以非连续的方式形成的数据帧202，在各帧的有效数据之间插入预定间隙或时间延迟间隔Gap，由此可避开信道时间轴上干扰和衰减相对较大的区间，从而避免信噪比条件大幅恶化造成数据误码。

在一实施例中，本通信系统1000中的发射机100采用直序扩频通信技术的方法，其具体实现步骤为：首先经定时成帧单元102定时成帧生成非连续数据帧，数据经过一定冗余编码后，在扩频单元103用扩展码进行直接序列扩频后，再经调制单元104进行QPSK调制到较高频率上并发送至电力线120。

随着噪声干扰强度的增加，通信系统要同样达到的误码率，需要提高发射机的发射功率(提高信噪比)。而扩频通信在一定的信道容量条件下，可以用减少发送信号功率，增加信道带宽的办法达到提高信道容量的要求。因此本实施例将直序扩频通信技术应用到PLC系统中，可以进一步提高通信系统可靠性。

当然，在另一实施例中，也可以不经直接序列扩频，直接将定时成帧单元102生成的非连续数据帧经调制单元104调制后发送。或者也可以采用其他扩频、编码或调制技术，在此并不作限制。

继续参照图1所示，通信系统1000中的接收机110包括解调单元111、匹配滤波单元112、同步搜索单元114以及相位检测单元113。其中解调单元111、匹配滤波单元112和同步搜索单元114依次序连接，解调单元111连接到电力线120。相位检测单元113连接电力线120和同步搜索单元114。接收机110通过相位检测113信号的指示，大致界定出每帧的起止，并在此基础上完成码片相位的同步捕获，精度可达±1/4chip。接收机110的具体实现步骤为：从电力线120上接收数据，在解调单元111进行QPSK解调后，利用匹配滤波器112进行扩展码解扩运算，之后，在同步搜索单元114采用最大似然结合门限判决的策略进行快速单次捕获，并对候选相关峰进行多次验证后，利用相关能量软值区间和的逐一比较，检测判定出真实数据在一帧中的区间位置。该单次捕获、多次验证和数据区间检测方法，可以在AC检测信号发生漂移和抖动的时候，快速、准确完成系统收发端的同步搜索。

下面参照图3-图6更详细描述接收机的处理流程。

首先，接收机在经解调单元111的QPSK解调后得到同相/正交两路基带信号。参照图3，利用匹配滤波器112分别对同相基带信号和正交基带信号进行解扩处理。匹配滤波器112将本地产生的一个周期的同相扩频码字和正交扩频码字存储起来，与输入的同相基带信号和正交基带信号作相关运算，其本质上是一个全并行的相关器，对一个码字内所有相位都作相关，当输入码相位完全对齐时，则产生相关峰，其它相位不会产生相关峰值。

然后，对两路解扩结果进一步作运算求相关能量值，计算过程参照图4，即对解扩主输出信号和辅助输出信号求平方和，再对其结果求平方根。得到的相关能量值为非负数。

权衡系统时钟频率、硬件实现规模和解扩值相位精度等因素，匹配滤波器112以1/4chip速率连续提供解扩的相关能量值，用以进行同步搜索。对于接收机来说，捕获时间和捕获概率是衡量捕获搜索性能的两个重要指标。为提高低信噪比情况下突发通信的捕获性能，以及解决收发端AC信号相位差较大、AC检测信号漂移和抖动影响到系统准确同步接收的问题，本发明的一个实施例提出如下的接收机同步搜索流程，请参照图5所示：

首先利用接收端的相位检测单元113检测AC波形并发出周期指示信号，大致界定出一帧发送数据的范围。

以下步骤由同步搜索单元114执行，包括：

步骤141，利用单次捕获策略搜索候选峰值。其进一步包括：

步骤142，即单次捕获阶段第一步：采用最大似然捕获策略，首先根据匹配滤波器不断计算出的解扩相关能量值，在整个PN码(伪随机码)相位周期上进行搜索，通过逐一比较后找到最大相关值peak_energy_N，并记录其所对应相位peak_phase_N(其中N＝1，2，...)。

步骤143，即单次捕获阶段第二步：对相对相关峰peak_energy_N进行门限判决，若peak_energy_N大于预设的门限值A，则将peak_energy_N作为第N号候选相关峰值，并将其对应相位作为第N号候选同步相位。如果一帧时间之内N≥2，即一帧之内找到2个及2个以上相对相关峰过门限时，进入步骤144进行多次验证；否则返回单次捕获步骤第一步142继续搜索。

步骤144，多次验证阶段：对一帧之内找到的N个候选相关峰值对应的候选同步相位进行验证，以确定其中的真实信号相关峰。其中，逐一计算候选同步相位之间的距离D，判断是否满足下式条件：D＝n*Tc±Δ，其中，n＝1，2，...，Tc为码片周期长度，±Δ为一个抖动窗。即如果两个候选同步相位的间距等于PN码相位周期的整数倍时(包含小范围抖动)，就认为这两个候选同步相位为真实信号相关峰所对应的相位。由于噪声产生的伪峰是随机变化的，所以只有真实信号相关峰才满足此规律。如果验证满足此条件的相关峰数量达到一定阈值(例如，2)，则说明码相位捕获成功，将候选相关峰对应的相位位置标志为同步相位；如果验证失败，则返回单次捕获第一步142。

步骤145，数据区间检测阶段：进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置。

由于实际情况中，电力线上的延时可能会造成发射机100和接收机110两端的50Hz或60Hz交流电相位差过大，以及交流电本身频率抖动的因素，最终导致接收机110的相位检测单元113的周期指示信号相对于发端产生“漂移”。

参照图6所示可见，当AC信号发生漂移时，调制后的高频数据并不会跟随AC一起漂移。因此，当AC出现不同情况的漂移时，接收机110的真实数据区间相对于AC相位检测的周期指示信号的位置都与发射机100是不一样的。如果在AC检测信号后加固定时间延迟进行固定数据符号长度的接收，则有可能丢失数据而收到无效的噪声。所以在每次通信捕获阶段的多次验证步骤144通过后，还需要进行一帧内有效数据区间位置的检测识别步骤145。

在本实施例中，进行检测识别145的方法是：对完成多次验证后的一帧数据，首先在每个可能符号内，取出同步相位位置对应的相关峰值，其中包括时间间隔区域Gap内，即无效数据对应位置的虚假相关峰值。由于接收机110已知某次通信所用的扩频因子，所以扩频数据的符号个数是确定的，即数据区间的长度已知的。而不同的AC频率、漂移情况会使一帧之内无效数据区间可取出的相关能量值个数不同。设一帧之内按符号宽度最多可取出的相关峰个数为N，取出的相关能量值为E_i(i＝1，2，...N)，数据区间包含的相关峰个数为M，如下式进行计算并比较：

$\max \{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i,\underset{i=2}{\overset{M+1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i,...,\underset{i=j}{\overset{j+M-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i,...,\underset{i=N-M+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i\}$

即以数据区间宽度(M个符号宽度)逐一对M个相关能量软值求和，找到相对最大的能量和值，则该能量和值对应的M个符号位置即为数据区间位置。此时说明搜索完成，系统达到同步。

综上所述，本发明在低压电力线载波等通信信道中采用非连续的数据帧结构，避开信道周期性恶化的时间区域发送数据，并在接收端通过捕获搜索策略完成系统准确同步，由此解决了在诸如低压PLC通信等环境恶劣的信道中通信的可靠性问题。

上述实施例所描述的一种特殊的数据非连续情况下的通信系统发射机、接收机及其同步方法，在具体实现时采用FPGA(可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理)芯片、CPU(中央处理器)等载体完成整个系统架构的设计实现，在实际低压电力线载波通信(PLC)应用中其性能完全满足系统设计要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (15)

1.一种通信系统发射机，适于通过周期性变化的信道发送数据，其特征在于所述发射机包括：

相位检测单元，检测所述信道的特性变化周期并产生周期指示信号；

定时成帧单元，将待发数据生成为非连续的数据帧，其中按照所述周期指示信号在每帧待发数据的各有效数据之间插入预定间隙或时间延迟间隔；以及

调制单元，调制并发送所述非连续的数据帧。

2.如权利要求1所述的通信系统发射机，其特征在于，还包括直序扩频单元，对所述定时成帧单元生成的非连续的数据帧进行直接序列扩频后传输至所述调制单元。

3.如权利要求1所述的通信系统发射机，其特征在于，所述周期性变化的信道为电力线载波通信信道，其中所述特性变化周期为电力线载波通信信道交流电波形变化周期。

4.如权利要求3所述的通信系统发射机，其特征在于，所述周期指示信号包括波峰指示信号和波谷指示信号。

5.如权利要求4所述的通信系统发射机，其特征在于，所述非连续的数据帧中的各有效数据介于电力线载波通信信道交流电波形的相邻波峰与波谷之间。

6.一种通信系统接收机，适于通过周期性变化的信道接收数据，其特征在于所述接收机包括：

相位检测单元，检测所述信道的特性变化周期并产生周期指示信号；

解调单元，解调从所述信道上接收的数据，其中所述数据为非连续的数据帧；以及

同步搜索单元，依照所述周期指示信号同步捕获所述非连续的数据帧中的各有效数据。

7.如权利要求6所述的通信系统接收机，其特征在于，还包括匹配滤波单元，对所述解调单元解调后的数据进行解扩，并传输至所述同步搜索单元。

8.如权利要求6所述的通信系统接收机，其特征在于，所述周期性变化的信道为电力线载波通信信道，其中所述特性变化周期为电力线载波通信信道交流电波形变化周期。

9.如权利要求6所述的通信系统接收机，其特征在于，所述周期指示信号包括波峰指示信号和波谷指示信号。

10.如权利要求6所述的通信系统接收机，其特征在于，所述同步搜索单元执行以下步骤以同步捕获所述非连续的数据帧中的各有效数据：

搜索满足一单次捕获策略的多个候选峰值；

对所述多个候选峰值进行多次验证以确定真实信号相关峰，并将候选相关峰对应的相位位置标志为同步相位；以及

进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置。

11.一种通信系统发射机和接收机的同步方法，适于通过周期性变化的信道传输非连续的数据帧，所述方法包括以下步骤：

检测所述信道的特性变化周期并产生周期指示信号；

在发射机端按照所述周期指示信号在每帧待发数据的各有效数据之间插入预定间隙或时间延迟间隔，以生成非连续的数据帧；以及

在接收机端依照所述周期指示信号同步捕获所述非连续的数据帧中的各有效数据。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，依照所述周期指示信号同步捕获所述非连续的数据帧中的各有效数据的步骤包括：

搜索满足一单次捕获策略的多个候选峰值；

对所述多个候选峰值进行多次验证以确定真实信号相关峰，并将候选相关峰对应的相位位置标志为同步相位；以及

进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，搜索满足一单次捕获策略的候选峰值的步骤包括：

采用最大似然法策略在每个码相位周期内找到最大相关值作为相对相关峰；以及

判断所述相对相关峰是否超过预设的门限值，若超过预设的门限值，则将所述相对相关峰作为候选相关峰值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对所述候选峰值进行多次验证以确定真实信号相关峰的步骤包括：

在一数据帧之内对所述多个候选相关峰的相位位置进行比较，判断其间距是否为码相位周期的整数倍；

如果两个候选相关峰的相位位置的间距等于码相位周期的整数倍，判定该两个候选相关峰为真实信号相关峰。

15.如权利要求12或14所述的方法，其特征在于，所述进行数据区间检测，确定真实数据在一数据帧中的位置的步骤包括：

对完成多次验证后的一帧数据，在每个可能符号内，取出同步相位位置处的相关能量值，以包含M个符号的数据区间宽度依次对M个相关能量值求和，找到相对最大的能量和值，则该能量和值对应的M个符号位置即为数据区间。

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