CN102104575B - 一种bfsk扩频载波电力线通信方法及系统 - Google Patents

一种bfsk扩频载波电力线通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种BFSK扩频电力线载波通信方法及系统,方法包括步骤:1)通信发送端对传送的数据报文的信息比特用特定扩频PN码序列代替,产生扩频数据,按照BFSK调制方式调制到发送载波频段,通过耦合电路耦合到电力线;2)通信发送端检测电力线线路干扰状态,自动选择载波通信频段和通信工作模式,同时发起包含工作模式和载频信息的报文;3)通信接收端对从电力线接收的载波信号进行解调后,对解调的BFSK信号采样,按照本端的PN码进行信号解扩,恢复出原始的信息比特,按照约定的帧格式恢复出的发送端传输的通信报文。本发明方法自动侦听电力线上的干扰、自动切换最好的通信频段和通信模式,提高了电力载波通信的可靠性和稳定性。

Description

一种BFSK扩频载波电力线通信方法及系统
技术领域
本发明涉及低压电力线载波扩频通信领域,尤其涉及一种应用于低压电力线自动抄表和用电信息采集等应用领域的基于工频电力线特点的BFSK扩频载波电力线通信方法及系统。
背景技术
近年来,电力线载波通信技术在低压电力载波抄表系统中大量应用,扩频载波通信具有很好的抗干扰性能,但是目前载波通信技术存在些问题,当前主要的扩频通信多是采用窄带BFSK或BPSF方式通信,抗同频干扰性能很差,没有结合电力线自身特点实现可靠通信。主要问题有
1.点对点通信距离相对很短,导致不能满足各种低压电网通信需要
2.电网阻抗特性和干扰发生变化时,载波通信系统的稳定性变差,载波通信不可靠
3.目前实现电力线载波抄表系统时,为保证通信的有效,大多需要复杂的建立载波通信节点的中继算法,数据传输效率低,通信路由不稳定等。
为解决上述问题,需要研究一种适用性非常好、便于实现的载波通信方法及系统。
发明内容
本发明提供了一种基于工频电力线特点的BFSK扩频载波通信方法,通过采用扩频码选择、频段自动切换、通信工作模式自动切换和高效帧同步捕获和跟踪算法等解决了低压电力载波通信距离和稳定性问题,并将本方法应用在专用集成电路中,提供了一种基于工频电力线特点的BFSK扩频载波通信系统。
为了实现本发明的目的之一,采用的技术方案如下:
一种基于工频电力线特点的BFSK扩频载波通信方法,包括步骤:
1)通信发送端对需要传送的数据报文的信息比特用特定扩频PN码序列代替,产生扩频数据,然后将扩频数据按照BFSK调制方式调制到发送载波频段,通过耦合电路耦合到电力线;
2)通信发送端根据当前检测的电力线线路干扰状态,自动选择载波通信频段和通信工作模式,同时发起包含工作模式和载频信息的报文;
3)通信接收端对从电力线接收的载波信号进行解调后,对解调的BFSK信号采样,按照本端的PN码进行信号解扩,恢复出原始的信息比特,进而按照约定的帧格式恢复出的发送端传输的通信报文。
所述步骤1)对信息码元的1,0用相应的63位PN码序列代替,产生扩频数据。
对信息比特的1,0用相应的63位PN码序列代替,产生扩频数据。PN码的每一码片Chip宽度为48us,对应信息比特的宽度为48*63=3024us。
信息比特1=000010000011111101010110011011101101001001110001011110010100011
信息比特0=111101111100000010101001100100010010110110001110100001101011100
或者:
信息比特0=000010000011111101010110011011101101001001110001011110010100011
信息比特1=111101111100000010101001100100010010110110001110100001101011100
具体应用时,也可以将对应的PN码同时循环左右移动若干位,得到新的PN码。例如:PN码循环右移4位,得到新的信息比特编码。
信息比特1=001100001000001111110101011001101110110100100111000101111001010
信息比特0=110011110111110000001010100110010001001011011000111010000110101
所述步骤1)利用电力线全周波时间进行通信时每一帧报文前都有同步头(包括比特同步和帧同步),作为接收端进行扩频数据的比特捕获跟踪用和帧同步用。
所述步骤1)同步头的发送BFSK调制信号中心频率F0=270kHz,F0的值可以在±5kHz偏差范围波动,对应的BFSK调制频率FH,FL围绕270kHz变化。全波通信发送,同步头的起始比特的发送在电力线电压过零点发送。
所述同步头为16进制的个数大于3字节的连续的FF...FF FF字节和特殊字节7F组成(FFFF...FF 7F),其中FF...FF FF作为接收端比特信息比特捕捉同步用,7F作为通信接收比特同步后的帧同步用。
所述步骤2)在某一种通信模式工作时,如果连续一段时间没有检测到有效的数据帧,则自动恢复到270kHz频点全波BFSK通信模式进行通信。
所述步骤3)同步头的引入保证了本通信方法的实现简单,利用载波芯片发送和接收端的时钟精度保证传送的信息比特的解扩。
为了实现本发明的目的之二,采用的技术方案如下:
一种基于工频电力线特点的BFSK扩频载波通信系统,包括信号发送端、电力线、信号接收端,其特征在于,所述信号发送端由扩频调制信号输入电路、谐振功率放大器和信号耦合电路组成;所述信号接收端由信号耦合电路、带通滤波器和模拟前端电路组成。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果有:
1、采用特定的63位扩频PN码,带来了电力线载波通信的扩频增益,提高了通信可靠性。
2、利用特定的同步头(包括比特同步和帧同步),由多个FF FF..FF的相关接收,实现信息比特的捕获和同步,利用7F字节的最高比特位为0的特点,实现了数据帧的同步。利用发送和接收端的通信时钟精度误差范围小的特点,实现方法了帧同步后信息比特同步的简单算法接收,降低了扩频接收的技术实现难度。
3、自动侦听电力线上的干扰和数据通信报文传输,自动切换最好的通信频段和通信模式,提高了电力载波通信的可靠性和稳定性。
4、本发明的通信方法在专用的集成电路中实现,降低了实现成本。
附图说明
图1为本发明载波芯片结构图;
图2为本发明载波芯片内部结构示意图;
图3为本发明通信系统结构示意图;
图4为本发明通信方法接收流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明具体实施方式为载波芯片的之间的扩频接收算法和通信帧格式和传输协议。
1.本发明实现芯片定义和内部结构
本发明实现于载波芯片引脚定义的如图1所示,其引脚定义如表1所示:
  引脚   引脚名称  描述
  1   MRST  复位端,低电平复位
  2   SSCIN  扩频调制信号输入
  3   NC  选择不同工作模式时,接收回路控制1,调整谐振元件的投入和切出(输出0,1)
  4   NC  选择不同工作模式时,接收回路控制2,调整谐振元件的投入和切出(输出0,1)
  5   NC  选择不同工作模式时,接收回路控制3,调整谐振元件的投入和切出(输出0,1)
  6   NC  选择不同工作模式时,接收回路控制4,调整谐振元件的投入和切出(输出0,1)
  7   NC  选择不同工作模式时,接收回路控制5,调整谐振元件的投入和切出(输出0,1)
  8   VSS  参考地
  9   CLKIN  晶体振荡器输入,20MHz。
  1   CLKOUT  晶体振荡器输出,20MHz。
  1   NC
  1   LOSC  本振频率方波信号输出,可作为模拟前端的本振信号源。
  1   SSCOUT  扩频调制信号输出
  1   ZERO_DET  本地交流电过零检测输入。
  1   TXLED  载波通信(发送)指示,高电平有效,通常可用于LED显示。
  1   RXLED  载波通信(接收)指示,高电平有效,通常可用于LED显示。
  1   TX  终端设备数据输出,异步串行通信
  1   RX  终端设备数据输入,异步串行通信
  1   VSS  参考地
  2   VDD  电源,+5V。
  2   NC
  2   NC
  2   NC
  2   NC
  2   NC
  2   NC
  2   NC
  2   NC
表1
芯片内部结构如附图2所示
2.扩频PN码说明
载波芯片(发送端)对每个需要传送的信息比特按照本地伪码发生器的时钟周期48us分别对信息比特的1,0用相应的63位PN码序列代替,产生速率为1秒/48微秒=20.833kbit/s的扩频数据,然后将扩频编码的比特按照BFSK调制方式,将1,0数据调制到发送载波频段,通过载波发送端的耦合电路发射到电力线。
例如:对信息比特的1,0用相应的63位PN码序列代替,产生扩频数据。PN码的每一码片Chip宽度为48us,对应信息比特的宽度为48*63=3024us。
信息比特1=000010000011111101010110011011101101001001110001011110010100011
信息比特0=111101111100000010101001100100010010110110001110100001101011100
或者:
信息比特0=000010000011111101010110011011101101001001110001011110010100011
信息比特1=111101111100000010101001100100010010110110001110100001101011100
具体应用时,也可以将对应的PN码同时循环左右移动若干位,得到新的PN码。例如:PN码循环右移4位,得到新的信息比特编码。
信息比特1=001100001000001111110101011001101110110100100111000101111001010
信息比特0=110011110111110000001010100110010001001011011000111010000110101
3.通信发送和接收实现流程:
本载波通信系统主要由发送端(发射机)和接收端(接收机)组成。主要组成部件如下:
发射机对需要传送报文进行编码,同时将字节转换成信息比特。本地的PN码发生器根据变换后的信息比特“0”或“1”连续产生如本节2所述63位的PN码,完成对要发送的信息比特的扩频。然后经BFSK调制为模拟信号、经功率放大和信号耦合电路,将信号发送到电力线上。
接收机经耦合电路,从电力线上接收发送端传送来的BFSK模拟信号,经滤波器滤波,经过小信号放大,通过BFSK解调电路完成模拟信号到未解扩的数字信号变换。接收机本地产生和发送端完全相同的PN码,由于发送端和接收端存在时钟误差,导致本地的PN码和发送端PN码存在微小的频率差和一定的相位的误差。通过对解调得到的数字信号连续采样值和本端的PN码做异或相关运算,不断调整本地PN码的相位,不断进行异或相关运算,直到相关值达到接收同步头捕获门限。然后保持本地PN码的相位不变,开始对信号采样和相关计算进行信号解扩,判别出“0”和“1”的信息比特,经解码电路恢复出发送端发来的数据报文。附图3说明了本发明通信系统的结构示意说明。
载波芯片(发送端和接收端)根据当前检测的载波线路干扰状态,自动选择通信频段和工作模式,同时发起包含工作模式和载频信息的报文。本实施例采用双频自动切换使载波传输方法更好地避开电网不同频段的信号衰减和同频干扰,大大提高通信可靠性和适用性,根据检测的传输频段内的干扰情况,自动选择一套载频来通信:
第一套载频:中心频率f0=270kHz(传号频率f1=263kHz,空号频率f2=277kHz)
第二套载频:中心频率f0=120kHz(传号频率f1=116kHz,空号频率f2=125kHz)。
更改切换到一种通信模式后,如果连续一段时间没有检测到有效的数据帧,则自动恢复到270kHz全波通信模式进行通信。根据工作方式和频段,载波芯片通过模拟开关电路调通信电路整外围参数,主要包括本振信号LC谐振回路谐振电容、信号接收回路LC谐振回路谐振电感电容的切出和接入。完成后续数据的接收。
根据载波通信芯片相关解扩恢复出原始的0,1数据流的实际相关值,和理论最大相关值进行对比,得出相对的干扰参考值提供给链路层作为中继通信依据。
接收端载波通信芯片产生本地振荡信号,和发送端送来的模拟信号进行混频,经过中频放大和低频信号鉴频解调电路,对输入BFSK信号进行解调。接收端载波通信芯片对解调后的低速未解扩信号高速采样,同本地PN码发生器产生的PN序列进行相关运算。采用本地PN码循环移位和采样信号进行相关运算,从产生的63个相关值中找出最大的相关值,根据此相关值是否超过判决门限判定是否捕捉同步头信息。如果捕捉到同步头,则由对应的PN码循环移位的时刻,确定本地和发送端的PN码发生器时差,调整本地PN码发生器与发送端的误差,达到比特同步。恢复出原始的0,1数据流。然后搜寻帧同步信号后,开始数据报文的正常接收。附图4说明了接收数据流程。
4.通信数据报文格式:
本发明数据报文通信帧格式如表2所示。
 同步头(大等于4字节)  帧长度(1字节)   数据(N字节)  帧效验(2字节)  后续帧长度(1字节)
 FF...FF FF 7F   Len   Data.........  Check  Len
表2
帧同步头:
利用电力线的全周波时间通信时每一帧报文前都有同步头16进制的FF...FF FF7F(FF...FF FF大于3字节),作为接收方进行扩频数据的帧同步捕获跟踪用,然后利用发送和接收端载波芯片的时钟精度保证后续数据帧比特的解扩。
帧长度:从帧长度数据字节开始到帧效验结束
数据:报文的内容
帧效验:从帧长度数据字开始到数据字段结束的按照一定验证规则运算后得出的效验值
后续帧长度:考虑到本通信方法接收信息比特的的同步主要靠接收发送端的时钟精度保证的,当数据报文长度超过一定字节数后,由于接收和发送PN码的时钟误差累计到接近24us时,收发端的接收比特同步将失败,所以,在收发一定字节报文后,要重新比特同步,发送新的比特同步头,消除累计时钟误差,进行后续报文的接收发送。
后续帧格式如表3所示。
  数据(N字节)   帧效验(2字节)  后续帧长度(1字节)
  Data.........   Check  Len
表3

Claims (4)

1.一种BFSK扩频电力线载波通信方法,包括步骤:
1)通信发送端对需要传送的数据报文的信息比特用特定扩频PN码序列代替,产生扩频数据,然后将扩频数据按照BFSK调制方式调制到发送载波频段,通过耦合电路耦合到电力线,
所述步骤1)对信息比特的1,0用63位PN码代替,产生扩频数据,将对应的PN码同时循环左右移动若干位,得到新的PN码;
所述步骤1)利用电力线全周波时间进行通信时每一帧报文前都有同步头,作为接收端进行扩频数据的比特捕获跟踪用和帧同步用,所述同步头为16进制的个数大于3字节的连续的FF…FF FF字节和FF FF…FF7F字节组成,其中FF…FF FF作为接收端比特信息比特捕捉同步用,7F作为通信接收比特同步后的帧同步用;
2)通信发送端根据当前检测的电力线线路干扰状态,自动选择载波通信频段和通信工作模式,同时发起包含工作模式和载频信息的报文,
所述步骤2)在某一种通信模式工作时,如果连续一段时间没有检测到有效的数据帧,则自动恢复到270kHz频点全波BFSK通信模式进行通信;
3)通信接收端对从电力线接收的载波信号进行解调后,对解调的BFSK信号采样,按照和发送端相同的PN码进行信号解扩,恢复出原始的信息比特,并按照约定的帧格式恢复出的发送端传输的通信报文,
所述步骤3)同步头利用载波芯片发送和接收端的时钟精度保证传送的信息比特的解扩。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述同步头发送BFSK调制信号中心频率F0=270kHz,F0的值在±5kHz偏差范围波动,对应的BFSK调制频率FH,FL围绕270kHz变化。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,全波通信发送,同步头的起始比特在电力线电压过零点发送。
4.一种基于权利要求1所述载波通信方法的BFSK扩频电力线载波通信系统,包括信号发送端、电力线、信号接收端,其特征在于,所述信号接收端由信号耦合电路、带通滤波器和模拟前端本振电路和解扩电路组成,接收端由耦合电路接收载波信号,根据电力线载波通信方法由解扩电路按照和发送端相同的PN码进行信号解扩,按照监测到的通信线路干扰情况,自动调整外部谐振电感和电容参数,改变接收带通滤波器滤波特性,实现通信信号频率的切换。
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