CN101741428B - 一种电力线载波通讯调制、解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通讯电路及其调制、解调方法，属于电力线载波技术领域。本调制方法为：首先过零电路检测电力线上过零点信息，并将其发送给载波处理芯片；然后载波处理芯片根据过零点信息在设定时间段内对待发送信息进行调制后经载波发送电路耦合到电力线上。本解调方法为：首先载波接收电路将接收的载波信息发送给载波处理芯片；同时过零电路检测电力线上过零点信息，并将其发送给载波处理芯片；然后载波处理芯片对载波信息进行解频，并根据过零点信息对设定时间段内的解频信息进行采样、滤波，得到通讯信息。本发明电路包括载波处理芯片，过零电路，载波发送电路，载波接收电路。本发明具有高灵敏度、传输距离远、抗干扰性强等特点。

Description

一种电力线载波通讯调制、解调方法

技术领域

本发明属于电力线载波技术领域，特别涉及一种电力线载波通讯电路及其调制、解调方法。 

背景技术

随着科学技术的发展与建设现代化社会的需要，国家电网提出了建设坚强智能电网的发展计划，坚强智能电网的建设离不开信息技术。现代的信息技术包括：无线通信、Internet通信、电话线通信、卫星通信、电力线载波通信等等。前三种通信技术，在日常生活中到处可见，在电网运营也应用很多，而电力线载波通信，这座被国外传媒喻为未被挖掘的金山，正逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到千家万户的热门研究领域。建设坚强智能电网，尤其是电力线通讯网的建设离不开中低压电力载波技术的发展。但各种电力线窄带载波芯片在传输信息时，都存在传输距离近、容易受噪声干扰等技术瓶颈。怎样可靠地传输数据，怎样传输数据距离更远，成为一个热门的研究课题。而本发明的应用使电力线数据传输更可靠，传输距离更远，解决了一个电力线载波技术工程应用的问题。 

发明内容

本发明的目的是针对目前低压电力线载波通讯技术存在的问题，提供一种电力线载波通讯电路及其调制、解调方法，本发明是一种过零传输的、高灵敏度、低功耗、传输距离远、抗干扰性强、通讯可靠的载波发送与接收技术。 

本发明的技术方案如下： 

一种电力线载波通讯的调制方法，其步骤为： 

1)过零电路检测电力线上交流电压的过零点信息； 

2)过零电路将过零点信息发送给载波处理芯片； 

3)载波处理芯片根据接收到的过零点信息在设定时间段内对待发送信息进行调制后发送给载波发送电路； 

4)载波发送电路将接收到的调制信息耦合到电力线上。 

进一步的，所述设定时间段为所述零点信息中过零时刻t₀为中心的一时间段[t₀-t，t₀+t]， t为一时间长度。 

进一步的，所述载波处理芯片接收到所述过零点信息后，打开一定时器，然后将接收到所述零点信息t前的一时间点作为对待发送信息进行调制的起始点。 

进一步的，所述t₀＝3ms，所述t＝1.5ms。 

进一步的，所述调制方法为：将待发送信息1扩频为10组高低电平或10组高高低低电平；将待发送信息0扩频为20组高低电平或10组高低高低电平；所述高电平为425KHz频率信号，所述低电平为416KHz频率信号。 

一种电力线载波通讯的解调方法，其步骤为： 

1)载波接收电路将接收的载波信息发送给载波处理芯片； 

2)过零电路检测电力线上交流电压的过零点信息，并将其发送给载波处理芯片； 

3)载波处理芯片对接收到的载波信息进行解频； 

4)载波处理芯片根据接收到的过零点信息对设定时间段内的解频信息进行采样、滤波，得到通讯信息。 

进一步的，所述设定时间段为所述零点信息中过零时刻t₀为中心的一时间段[t₀-t，t₀+t]，t为一时间长度。 

进一步的，所述载波处理芯片接收到所述过零点信息后，打开一定时器，然后将接收到所述零点信息t前的一时间点作为对待解频信息进行解调的起始点；所述t₀＝3ms，所述t＝1.5ms。 

进一步的，所述采样、滤波方法为： 

1)对解频后的模拟信号进行采样； 

2)将采样后的数据进行平均值滤波，每次滤波后的值为一实际采样点； 

3)将每一次得到的实际采样点加到一个16字节缓冲的相应位置，并与匹配滤波器进行计算比较； 

4)将上述步骤1)～3)重复设定次数，将得出的最大值与门限值比较，大于门限值则确定通讯信息为0，小于门限值则确定通讯信息为1。 

一种电力线载波通讯电路，其特征在于包括载波处理芯片，过零电路，载波发送电路，载波接收电路；所述载波处理芯片分别与所述过零电路、载波发送电路、载波接收电路连接。 

本发明的主要内容包括：一种由载波处理芯片、过零电路、载波发送电路、载波接收电路组成的载波通讯模块和载波信号调制与解调方法。 

硬件主要包括载波处理芯片，过零电路，载波发送电路，载波接收电路，算法设计主要为载波信号的发送与解码处理方法。 

载波处理芯片通过SCI(串行通讯接口)与其它应用控制CPU通讯。通过PWM(脉冲宽度调制)发送载波信号，通过模数转换器(AD)采集接收的载波信号。 

过零电路通过对电力线电压采样，判断出电力线上交流电压的过零时刻，在过零时刻通过光耦输出一下降沿，输入到载波芯片处理芯片中。 

载波发送电路，将PWM输出的信号放大，通过驱动电路、耦合电路输送到电力线上。 

本发明的主要特点在于，要点一为在过零时刻附近发送载波信号，要点二为独特的扩频方式。 

过零发送：过零时刻，电力线上的噪声干扰最小，上传输距离会提高，实验测试结果也证实了这一点。因此选择在电力线过零点发送载波信号。为了增加抗干扰性能，选择在过零点符近3ms的时间段里发送冗余的数据。在每一个过零点前后3ms的时间段时，发送一位有效的信息，即1或0。 

在电力线上如果为全为1(高)，或0(低)，极易受到干扰。所以在电力线上实际传输的为频率信号。在本发明中，中心频率为421KHZ。发送频率为425KHZ表示高电平1，发送416KHZ表示低电平。 

扩频方式：1扩为10组10(高低)。0扩为20组10(高低)。即在3ms的时间段里，发送1，就发送为10组10(高低)组合，每个电平发送时间为150us；发送0，就发送为20组10(高低)组合，每个电平发送时间为75us。从另一个角度说，就是1，扩为10组1100(高高低低)，而0扩为10组1010(高低高低)，而每一组发送时间为300us，每个电平发送时间为75us。 

接收解频方式：将上述扩频方式发送出的以421KHZ为中心频率变化的电压信号，通过解频调制芯片解频，解频后，得到10组近似梯形或20组近似正弦的模拟信号。这两种信号，一种代表1，另一种代表0。对解频后的模拟信号，进行AD采样，将AD采样后的数据经过平均值滤波，每一次得到滤波平均值后，再将其送入匹配滤波器，3ms结束后，得出的最大值与门限比较，大于门限则为0，小于门限则为1。 

本发明的主要特点在于，第一，在电力线电压的传输过零点，前后3ms的时间段内发 送信号，在过零点前后3ms的时间段内接收载波信号。利用了电力线过零点附近噪声干扰小、信号传输距离远的特点。第二，在扩频方式上选择了独特的80位序列码的方式，增加了其抗干扰能力。解扩方式选择了将信号解为近似梯形的模拟信号，解决了对数字信号解调运算时间长，运算量大的问题。 

本发明的积极效果 

与现有技术相比，本发明可以大大提高电力线数据传输的可靠性，同时灵敏度更高、传输距离更远，抗干扰能力得到显著改善。 

附图说明

图1是本载波模块的应用框图。 

图2是本载波模块的结构框图。 

图3是过零点传输时间示意图。 

图4-1、4-2、4-3是扩频方式原理图。 

图5是解频后模拟信号理论图。 

图6是实测解频后的近似梯形信号 

图7是实测解频后的近似正弦信号 

具体实施方式

下面结合实例进一步说明本发明的结构方案和工作过程，但不以任何方式限制本发明的范围。 

图1为本载波模块的应用框图。载波模块通过串行接口与具有串行接口的485表、采集器或配变终端进行通信。配变终端通过串口向载波模块发送命令，另一个载波模块收到命令后，通过串口向485或采集器发送抄表命令，抄表成功后，载波模块回令。 

本发明的载波模块结构如图2所示。由载波发送电路、载波接收电路、过零点检测电路、载波信号处理芯片组成。 

首先，图2中过零点电路完成找过零点功能。在电力线载波模块上加上过零检测电路，检测电力线上交流50HZ正弦波电压的过零点。这个过零点作为硬件过零点。如图3所示，直线与正弦线的交点即为硬件过零点。应用精确的过零点检测技术，得到硬件过零点与实际过零点的偏差小于50us。 

图2中载波信号处理芯片完成对软件过零信息的处理。过零电路将检测出的硬件过零 点信号送入载波芯片。载波芯片管脚上检测到硬件过零点后，开始计算软件过零点。软件过零点的计算：载波芯片找到硬件过零点后，打开一个定时器，定时8.5ms，找到下一个硬件过零点的前1.5ms的起始点。这个点作为软件过零点，就是要发送或接收电力线载波信号的起始点。 

载波处理芯片应用直接扩频技术，在每一个软件过零点对要发送的信息1或0进行调制。两种电力线载波信号的调制：在一个软件过零点发送1bit的信息。这1bit的信息是1或0。如图4-1、图4-2表示两种调制后信号1或0。例如，图4-1表示将信息1扩频，变成10组425KHZ、416KHZ频率的方波交替变化的频率信号。在图41、图4-2中，高电平代表425KHZ的频率信号，低电平代表416KHZ的频率信号，如图4-3所示。图4-2表示将信息0扩频，变成20组425KHZ、416KHZ频率的方波交替变化的频率信号。1或0扩频后的时间长度均为3000us，即3ms。 

载波处理芯片在软件过零点完成信息的调制后，立即将调制后的信号输出，送入载波发送电路。 

如图2中的载波发送电路将从载波处理芯片接收到的调制信号耦合到电力线上。完成载波的调制发送。 

另一个载波模块完成对载波信息的接收。 

和发送模块找硬件过零点与软件过零点的方法一样。找到硬件过零点，计算出软件过零点。以下所述均为在过零点时刻的处理。 

图2中载波接收电路完成对载波信号的解频。载波接收电路将电力线上的频率信号耦合到电路中，对该信号进行多次滤波，将滤波后信号送到解调器中，应用滤波解频技术完成对信号的解频。 

解频后的理论信号波形如图5所示，该模拟信号的抗干扰能力极强。实测解频后的信号如图6、图7所示。图6为图4-1扩频信号发送到电力线上的信号经另一个载波模块接收电路解频后的信号。图7为图4-2扩频信号发送到电力线上的信号经另一个载波模块接收电路解频后的信号。即图6或图7所示的信号为解频后1或0。 

在软件过零点，接收模块的载波处理芯片应用AD采样、匹配滤波器、自适应门限技术对图6和图7中所示的两种近似模拟正弦或梯形信号进行识别。 

载波处理芯片，从软件过零点开始，对解频后的模拟信号进行AD采样，将采样后的数据进行平均值滤波，每次滤波后的值为一实际采样点。每一次得到实际采样点后，加到一个16字节缓冲的相应位置，并与匹配滤波器进行计算比较。经过80次采样、相加、匹 配计算，即3ms时间后，得出最大的值与门限值比较。大于门限值则为0，小于门限值的即为1。在比较匹配的过程中，载波芯片对门限的值依据匹配比较的结果进行调整，使门限适应当前的信号强度。这种识别方式大大提高的识别速度，简化了处理过程，运算时间短，运算量小。 

这样就完成了找过零点，载波的发送与接收。这种3ms过零点传输，提高了信息的传送距离、增强了抗干扰能力。这种独特的扩频与解频解码方法提高了载波通信的灵敏度，同时载波发送与接收均能严格的在3.3ms内完成，单个载波芯片可以完成在电力线的三相三个过零点上同时发送同时接收，互不影响，提高了通信效率。 

Claims (4)

1.一种电力线载波通讯的调制方法，其步骤为：

1)过零电路检测电力线上交流电压的过零点信息；

2)过零电路将过零点信息发送给载波处理芯片；

3)载波处理芯片根据接收到的过零点信息在设定时间段内对待发送信息进行调制后发送给载波发送电路；

4)载波发送电路将接收到的调制信息耦合到电力线上；

其中，所述设定时间段为所述过零点信息中过零时刻t₀为中心的一时间段[t₀-t，t₀+t]，t为一时间长度；所述t₀＝3ms，所述t＝1.5ms。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述对待发送信息进行调制的方法为：将待发送信息1扩频为10组高低电平或10组高高低低电平；将待发送信息0扩频为20组高低电平或10组高低高低电平；其中，高电平为425KHz频率信号，低电平为416KHz频率信号。

3.一种电力线载波通讯的解调方法，其步骤为：

1)载波接收电路将接收的载波信息发送给载波处理芯片；

2)过零电路检测电力线上交流电压的过零点信息，并将其发送给载波处理芯片；

3)载波处理芯片对接收到的载波信息解频为近似梯形的模拟信号；

4)载波处理芯片根据接收到的过零点信息对设定时间段内的解频信息进行采样、滤波，得到通讯信息；

其中，所述设定时间段为所述过零点信息中过零时刻t₀为中心的一时间段[t₀-t，t₀+t]，t为一时间长度；所述t₀＝3ms，所述t＝1.5ms。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述采样、滤波方法为：

41)对解频后的模拟信号进行采样；

42)将采样后的数据进行平均值滤波，每次滤波后的值为一实际采样点；

43)将每一次得到的实际采样点加到一个16字节缓冲的相应位置，并与匹配滤波器进行计算比较；

44)将上述步骤41)～43)重复设定次数，将得出的最大值与门限值比较，大于门限值则确定通讯信息为0，小于门限值则确定通讯信息为1。

Images