CN102158299B - 一种工频通信多路传输正交编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工频通信多路传输正交调制编码方法，用于提高工频通信上行信号传输速率与减少工频通信发送装置的发送功率。所述的正交调制编码方法包括：是以N(N＞4)个相邻电流周波表示一位信息；根据工频通信上行信号调制方式、检测向量的性质，推导工频通信上行信号编码调制方式与上行信号检测向量的关系，并获得上行信号检测向量的满足条件；构造2N阶哈达玛矩阵，得到正交码组；从哈达玛矩阵中选取满足检测向量条件的码组作为工频通信上行信号检测向量；由检测向量得到上行信号正交编码调制方式；最后用该正交编码实现多路传输。

Description

一种工频通信多路传输正交编码方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种工频通信多路传输正交编码方法。

背景技术

现有技术中的工频通信技术是以中低压配电网作为通道，在工频电压的过零点附近调制下行电压信号与上行电流信号，利用电网工频电压和电流波形的微小畸变来携带信息的一种特殊电力线通信技术。该技术相对于电力线载波通信技术来说，具有可穿透变压器传输、传输距离远、可靠性高、成本低廉等特点。它是通过相对基准点(过零点)不同位置来调制信号，表示要传输的数字信息，以50Hz工频电压或工频电流波形携带信息来传输信号，因此，该技术主要存在以下两方面的不足：一是工频通信上行信号常用的调制编码方式是利用4个电流周波表示一位数字信息，使得上行信号传输速率仅为12.5bps，难以满足当前用电数据对通信的需求；另一方面，上行电流信号经过10kV/400V配电变压器后，已经衰减了大部分能量，在对应馈线出口的电流互感器CT上取得的上行电流信号已非常弱，不易于信号的检测与识别。为了保证通信可靠性，针对这个问题，通常采用增大上行信号发送功率，但同时带来的问题是，影响电能质量、易使上行信号发送模块因发热问题产生故障。

中国专利申请200610063361.6公开了一种工频电力数据传输系统，该系统包括采集模块及电力数据中心，所述工频电力数据传输系统还包括位于变压器附近的集中器，所述电力数据中心及所述采集模块通过所述集中器进行数据通信，所述集中器与所述采集模块连接于同一个配电变压器。该专利的工频电力数据传输系统中，信号不跨变压器传输，只能在台区内传输，系统集中器还需通过GPRS、GSM等方式与主站进行通信，上行信号调制编码方式为固定的四个周波表示一位数字信息，传输速率为12.5bps。

中国专利申请200810103451.2公开了一种配电网工频通讯方法及系统，该系统包括一台主站装置、中低压配电网和若干个用户端收发装置，所述配电网工频通讯系统包括变电站，所述变电站二次侧的母线以辐射状引出多条馈线，所述馈线通过配电变压器连接低压电力线路，所述主站装置包括主控制器、接收电路、发送电路、调制变压器四部分，所述用户端收发装置包括接收电路和发送电路。该专利没有对上行信号调制编码方式、多路传输方面进行说明。

本发明相对于以上专利或现有公开的资料，主要优点是：上行信号调制编码方式不是以固定的四个周波表示一位数字信息，而是以多于四个周波表示一位数字信息，信号编码方式更为灵活，并给出信号的正交编码码组推导方法。根据该正交编码码组，可实现2N-2路通道上行信号同时传输，通信速率大于83bps(N＞4)。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种工频通信多路传输正交编码的构造方法，通过多路传输技术，能很好解决工频通信速率低问题，同时又能在不降低信噪比下减少信号发送功率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种工频通信多路传输正交编码方法，包括以下步骤：

(1)由上行信号检测向量获得上行信号编码调制方式，一方面由上行信号数字信息“1”与数字信息“0”的检测运算，可得到上行信号检测向量为数字信息“1”与数字信息“0”向量之差，然后由数字信息“1”与数字信息“0”向量之和为上行信号过零区域向量，即为(1，-1，1，-1，…，1，-1)，最后由上行信号过零区域向量与号检测向量反推出数字信息“1”与数字信息“0”调制方式；另一方面由数字信息“1”与数字信息“0”表示的正负电流脉冲数相等得到上行信号检测向量的满足条件；

(2)根据哈达玛矩阵性质，用Kronecker积、强直积、反型H-矩阵与H-矩阵睦偶等方法构造2N阶哈达玛矩阵，其中N为大于4的自然数，由哈达玛矩阵获得正交码组；

(3)从哈达玛矩阵中选取满足检测向量条件的码组作为上行信号检测向量；

(4)由步骤1中的上行信号编码调制方式与上行信号检测向量的关系与步骤2由哈达玛矩阵得到的上行信号检测向量，获得上行信号正交编码调制方式。

其中，以N个相邻电流周波表示一位信息，其中N为大于4的整数，每一数字信息包含N个正电流脉冲与N个负电流脉冲信号。

其中，上行信号编码调制方式可由上行信号检测向量与向量[Q]＝[1 -1 1 -1 …]^T获得。

其中，上行信号检测向量可由哈达玛矩阵获得。

其中，从2N阶哈达玛矩阵中找出2N-2列向量作为工频通信正交检测向量，并获得与之对应的2N-2种编码调制方式，通信速率为100(1-1/N)bps，当N取值为6、8、10、16时，通信速率分别为83.3bps、87.5bps、90bps、93.75bps。

其中，工频通信信号发送模块，使用正交的编码码组同时调制工频通信上行信号。

其中，工频通信多路信号接收模块，用于同时接收多路的工频通信上行信号。

本发明的有益效果如下：

本发明通过2N(N＞4)阶哈达玛矩阵、工频通信上行信号本身的调制编码性质，得到一种工频通信多路传输正交编码方法，该方法能很简易的找出以N个电流周波表示一位数字信息的正交编码码组。根据该正交编码码组，可实现2N-2路通道上行信号同时传输，通信速率大于83bps(N＞4)。通过本发明方法，能同时提高工频通信的传输速率与降低工频装置的发送功率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种工频通信多路传输正交编码方法实施例流程图；

图2为本发明一个以6个电流周波表示数字信息“1”与数字信息“0”编码调试方式示意图；

图3为本发明12阶哈达玛矩阵行变换后结果示意图；

图4为本发明一种工频通信多路传输实施例示意图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种工频通信多路传输调制编码的方法。为使本发明实施例的技术方案更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

请参照图1为本发明一种工频通信多路传输正交编码方法实施例的流程图。所述方法具体包括：

步骤101：获得工频通信上行信号编码方式与工频通信上行信号检测向量的关系；

设上行信号的一位数字信息用N(N＞4的整数)个相邻电流周波表示，共2N个过零调制区域。每一位数字信息包含N/2个正过零调制区域，N/2个负过零调制区域。由这2N个过零调制区域组成列向量P，P¹表示数字信息“1”，P⁰表示数字信息“0”。向量P中，在过零点1、3、5、7、…位置调制时取值1，过零点2、4、6、8、…位置调制时取值-1，过零点位置不调制时取值0。如图2所示，当N＝6时，共12个过零调制区域，当P¹＝[1 00-1 0 -1 1 0 1 -1 0 0]^T，表示P¹在第1、4、6、7、9、10过零点调制；则P⁰＝[0 -1 10 1 0 0 -1 0 0 1 -1]^T，表示P⁰在第2、3、5、8、11、12过零点调制。

设D为工频信号解码码组，即检测向量(取值1或-1)，满足[D]^T×[D]＝2N，则信号检测运算为：

M＝[D]^T×[P]  (1)

当M＝N时，表示检测到数字信息“1”；当M＝-N，表示检测到数字信息“0”，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[D\right]}^T\×\left[P^1\right]=N\\ {\left[D\right]}^T\×\left[P^0\right]=-N\end{array}\right.$

由式(2)可得[D]^T×([P¹]-[P⁰])＝2N，又因[D]^T×[D]＝2N，所以

[D]＝[P¹]-[P⁰]    (3)

另一方面，令[Q]＝[1 -1 1 -1 …]^T，因此[P¹]+[P⁰]＝[Q]＝[1 -1 1 -1 …]^T，代入式(3)

$\left\{\begin{array}{c}\left[P^0\right]=1/2\left(\right[Q]+[D\left]\right)\\ \left[P^1\right]=1/2\left(\right[Q]-[D\left]\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

所以，由式(4)可得，工频通信上行信号编码调制方式可由信号检测向量与向量[Q]导出。

步骤102：获得工频通信上行信号检测向量的满足条件；

令I＝[1 1 1 …]^T，根据向量P¹与P⁰正负电流脉冲数相等，且都为N/2可得，[P¹]^TI＝[P⁰]T^I＝0，[P⁰]^T[Q]＝[P¹]^T[Q]＝N，分别代入式(3)，即为检测向量[D]的满足条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[D\right]}^{T}I=0\\ {\left[D\right]}^T\left[Q\right]=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

显然，当检测向量[D]＝[1 1 1 …]^T或[D]＝[1 -1 1 -1 …]^T时不能满足式(5)要求。

步骤103：构造2N阶哈达玛矩阵，并获得正交码组；

由哈达玛矩阵性质可知：哈达玛矩阵是由1与-1构成的正交方阵，它的行、列都构成正交码组，并且该矩阵经过行列交换后得到的矩阵仍然正交。通常可利用矩阵的Kronecker积、强直积、反型H-矩阵或H-矩阵睦偶等方法来构造12k阶、20k阶、2^k(k＝1，2，3…)阶哈达玛矩阵，例如可用Kronecker积方法构造2^k阶哈达玛矩阵：

$H_{2^k}=\left(\begin{array}{cc}{H}_{2^{k-1}}& H_{2^{k-1}}\\ H_{2^{k-1}}& -H_{2^{k-1}}\end{array}\right){=H}_2\⊗H_{2^{k-1}}---\left(6\right)$

其中为kronecker乘积，H₂为2阶哈达玛矩阵，2N取值为12k、20k或2^k(k＝1，2，3…)。

步骤104：从哈达玛矩阵中选取满足条件的码组作为工频通信上行信号检测向量；

由Kronecker积方法方式构造的哈达玛矩阵是规范的H-矩阵，其中该矩阵第一列为[1 1 1 …]^T，第二列为[1 -1 1 -1 …]^T，由式(5)可得，该两列向量不能满足工频通信检测向量条件。但其它列都满足[D]^TI＝0、[D]^T[Q]＝0条件。但是其它方式构造的12k阶、20k阶哈达玛矩阵或不是规范的H-矩阵时，第二列不是[1 -1 1 -1 …]^T形式，但是都可通过行列变换得到该形式，如图3所示。所以，任一2N阶哈达玛矩阵都能找出2N-2列向量作为工频通信正交检测向量。

步骤105：获得工频通信上行信号正交编码调制方式，确定适用的一位数字信息的电流周波数。

根据工频通信上行信号编码调制方式与信号检测向量的关系，由2N阶哈达玛矩阵得到2N-2列工频通信正交检测向量，从而得到与之对应的2N-2种编码调制方式。在工频通信系统中，将这2N-2组编码方式应用到2N-2个不同工频用户终端上，这些终端可同时传输上行信号而互相不受干扰，上行信号通信传输速率为：

$V=\frac{1}{0.02N}\×(2N-2)=100(1-\frac{1}{N})---\left(7\right)$

其中N表示周波数，由式(8)可得，当周波数N足够大时，工频通信多路传输通信传输速率理论上可接近100bps。根据哈达玛矩阵构造方法，当N取值6、8、10、16，通信速率分别为83.3bps、87.5bps、90bps、93.75bps。当N＞16时，会极大地增加工频通信系统的复杂性。

当周波数N＝6时，根据以上方法得到的10组正交的工频通信检测向量与10组调“1”、调“0”编码方式见表1、表2、表3；

表112阶哈达玛矩阵生成的检测向量

表210组对应的工频通信调“1”正交编码方式

表310组对应的工频通信调“0”正交编码方式

当周波数N＝16时，得到30组的正交工频通信检测向量与30组调“1”、调“0”编码方式见表3、表4、表5。

表432阶哈达玛矩阵生成的检测向量

表530组对应的工频通信调“1”正交编码方式

表630组对应的工频通信调“0”正交编码方式

步骤106：通过正交编码方式实现多路传输。请参照图4，工频通信上行信号发送模块(1～2N-2)401用上述的一组正交编码方式在对应的通道上同时调制上行信号，然后各通道的上行信号都可通过电力线同时传输到接收模块402；工频通信上行信号接收模块402用来接收各路通道模块401发送的上行信号，在接收模块402上接收的上行信号是各路通道模块401发送组成的混合信号，这里通过各路通道的正交检测向量分别得到各自通道的信号，从而实现工频通信多路上行信号的同时接收。

以上对本发明所提供的一种工频通信多路传输正交编码方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，只是用于帮助理解该技术的方法及其核心思想。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (2)

1.一种工频通信多路传输正交编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由上行信号检测向量获得上行信号编码调制方式，一方面由上行信号数字信息“1”与数字信息“0”的检测运算，可得到上行信号检测向量为数字信息“1”与数字信息“0”向量之差，然后由数字信息“1”与数字信息“0”向量之和为上行信号过零区域向量，即为(1，-1，1，-1，…，1，-1)，最后由上行信号过零区域向量与号检测向量反推出数字信息“1”与数字信息“0”调制方式；另一方面由数字信息“1”与数字信息“0”表示的正负电流脉冲数相等得到上行信号检测向量的满足条件；

(2)根据哈达玛矩阵性质，用Kronecker积、强直积、反型H-矩阵与H-矩阵睦偶等方法构造2N阶哈达玛矩阵，其中N为大于4的自然数，由哈达玛矩阵获得正交码组；

(3)从哈达玛矩阵中选取满足检测向量条件的码组作为上行信号检测向量；

(4)由步骤1中的上行信号编码调制方式与上行信号检测向量的关系与步骤2由哈达玛矩阵得到的上行信号检测向量，获得上行信号正交编码调制方式。

以N个相邻电流周波表示一位信息，其中N为大于4的整数，每一数字信息包含N个正电流脉冲与N个负电流脉冲信号。

从2N阶哈达玛矩阵中找出2N-2列向量作为工频通信正交检测向量，并获得与之对应的2N-2种编码调制方式，通信速率为100(1-1/N)bps，当N取值为6、8、10、16时，通信速率分别为83.3bps、87.5bps、90bps、93.75bps。

上行信号编码调制方式可由上行信号检测向量与向量[Q]＝[1 -1 1 -1 …]^T获得。

上行信号检测向量可由哈达玛矩阵获得。

工频通信信号发送模块，使用正交的编码码组同时调制工频通信上行信号。

2.如权利要求1所述的一种工频通信多路传输正交编码方法，其特征在于，工频通信多路信号接收模块，用于同时接收多路的工频通信上行信号。