CN102158456B - 基于ofdm的电力载波通信系统及其fft窗口位置恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力载波通信技术,公开了一种基于OFDM的电力载波通信系统及其FFT窗口位置恢复方法。本发明中,发送端根据交流电过零点时产生的定时信号,确定IFFT窗口的位置,对待发送信号进行IFFT变换;接收端根据交流电过零点时产生的定时同步信号,确定FFT窗口的位置,对接收信号进行FFT变换。由于交流电会周期性地过零点属于交流电网本身的特性,因此,将电网交流电过零点作为收发端的同步信号,实现OFDM系统中FFT窗口位置的同步,实现简单,而且无需占用额外的带宽。

Description

基于OFDM的电力载波通信系统及其FFT窗口位置恢复方法
技术领域
本发明涉及电力载波通信技术,特别涉及基于OFDM的电力载波通信。
背景技术
电力载波通信是指将信息调制为高频信号后叠加在电力线路上进行通信的技术,在同一变压器区域下,一个集中器采集若干个采集器或电能表的数据,构成一个基于电力线的通信网,结构如图1所示。1975年提出的X10电力通信协议实现了家电的远程控制,这种协议仅仅能实现简单的家电控制,在传输距离、抗干扰能力、双向通信和通信速率上都有巨大不足,远远不能满足电力通信的需求。因此,目前主要有以下几种电力线载波通信方法:
(1)单载波,频移键控(Frequency Shift Keying,简称“FSK”)/移相键控(Phase Shift Keying,简称“PSK”),扩频型频移键控(S-FSK);
(2)扩频通讯(spread spectrum),如混沌键控(CSK),直接数字扩频(DDS);
(3)正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,简称“OFDM”),该方法提高了信道的频谱利用率和通讯可靠性,最近几年被用于电力载波通信。
其中,OFDM方法已有近40多年的历史,最早应用于军事通讯,最近10-20年被广泛用于非对称数字用户环路(Asymmetric Digital SubscriberLine,简称“ADSL”)、数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,简称“DAB”)、高清晰度电视(High-definition Television,简称“HDTV”)、无线局域网(Wireless Local Area Network,简称“WLAN”)等。最近几年被用于电力载波通讯,如欧洲的PRIME标准和法国G3标准,意法半导体(ST Semiconductor)、安森美(OnSemi),ADDGRUP、Maxim、Echelon等公司都已推出OFDM电力载波通讯芯片。由于OFDM的子载波频谱相互覆盖,发送和接收端同步偏差会使子载波直接的正交性遭到破坏,导致子信道之间相互干扰。
通用OFDM系统的结构如图2所示,目前通常采用导频符号和循环前缀来估计接收端中的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,简称“FFT”)窗口位置,实现发送端与接收端的定时同步。主要有以下几种同步方法:
(1)基于导频最大似然估计,利用导频来估计;
(2)利用循环前缀实现同步;
(3)利用训练符号进行同步。
以上几种同步方法在通用OFDM系统里被广泛采用,较为成熟。但是,利用导频来估计需要插入额外的导频,占用额外的带宽;利用循环前缀实现同步,实现复杂且效果不理想;利用训练符号进行同步,同样也需要占用额外的带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于OFDM的电力载波通信系统及其FFT窗口位置恢复方法,使得基于OFDM的电力载波通信系统中收发端之间的同步能够简单实现,而且无需占用额外的带宽。
为解决上述技术问题,本发明的实施方式提供了一种基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,包含以下步骤:
发送端在交流电网上检测到交流电过零点时,产生定时信号,并根据产生的定时信号确定用于对待发送信号进行逆向快速傅立叶变换IFFT的IFFT窗口的位置;
接收端在检测到交流电过零点时,产生定时同步信号,并根据产生的定时同步信号确定用于对接收信号进行快速傅里叶变换FFT的FFT窗口的位置。
本发明的实施方式还提供了一种基于OFDM的电力载波通信系统,包含发送端和接收端,发送端包含:
第一零点检测模块,用于在交流电网上进行交流电过零点的检测;
定时信号生成模块,用于在第一零点检测模块检测到交流电过零点时,产生定时信号;
IFFT窗口位置确定模块,用于根据定时信号生成模块产生的定时信号,确定用于对待发送信号进行逆向快速傅立叶变换IFFT的IFFT窗口的位置;
接收端包含:
第二零点检测模块,用于在交流电网上进行交流电过零点的检测;
定时同步信号生成模块,用于在第二零点检测模块检测到交流电过零点时,产生定时同步信号;
FFT窗口位置确定模块,用于根据定时同步信号生成模块产生的定时同步信号,确定用于对接收信号进行快速傅里叶变换FFT的FFT窗口的位置。
进一步地,可以在根据交流电过零点产生定时信号/定时同步信号后,立即进行IFFT/FFT变换;也可以在根据交流电过零点产生定时信号/定时同步信号后,等待一定时长(等待的时长为发送端与接收端约定的时长)后进行IFFT/FFT变换。从而能够灵活多变地实现本发明的技术方案。
进一步地,FFT窗口中CP的传输时间长度Tcp满足条件:Tcp≥4×ΔT,以有效避免产生码间干扰(Inter-Chip Interference,简称“ICI”)和子载波间干扰(Inter-Symbol Interference,简称“ISI”)。其中,ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay,ΔTjitter为发送端和接收端检测到交流电过零点的时间偏差,ΔTdelay为载波信号在信道上传输时间延迟。
本发明技术方案与现有技术相比,主要区别及其效果在于:
发送端根据交流电过零点时产生的定时信号,对待发送信号进行IFFT变换;接收端根据交流电过零点时产生的定时同步信号,对接收信号进行FFT变换。由于交流电会周期性地过零点属于交流电网本身的特性,因此,将电网交流电过零点作为收发端的同步信号,实现OFDM系统中FFT窗口位置的同步。相对于现有技术中的通过发送额外的数据(导频和训练符号)实现FFT窗口位置恢复的技术方案而言,无需占用额外的带宽;相对于现有技术中的利用循环前缀实现FFT窗口位置恢复的技术方案而言,性能更好,实现简单,大大减低了复杂度。
附图说明
图1是根据现有技术中基于电力线的通信网的结构示意图;
图2是根据现有技术中的通用OFDM系统的结构示意图;
图3是根据本发明第一实施方式的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法示意图;
图4是根据本发明第一实施方式中发送端的操作流程图;
图5是根据本发明第一实施方式中接收端的操作流程图;
图6是根据本发明第三实施方式的基于OFDM的电力载波通信系统的结构示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中,为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是,本领域的普通技术人员可以理解,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法。本实施方式应用在基于OFDM的电力载波通信系统中。在本实施方式中,利用电网自有的50/60Hz电压信号来同步OFDM系统收发端,发送端在交流电电压过零点发送载波信号,接收端同样在过零点采样载波信号,如图3所示。
发送端中的操作流程如图4所示,在步骤401中,发送端在交流电网上对交流电进行过零点的检测。由于本实施方式中的交流电网为50/60Hz的交流电网,而在50/60Hz的交流电网上,交流电会周期性地过零点,因此,发送端势必会每隔一段时间后,检测到交流电过零点。
当发送端检测到交流电过零点时,进入步骤402。在步骤402中,发送端产生定时信号。
接着,进入步骤403,发送端根据产生的定时信号,确定用于对待发送信号进行逆向快速傅立叶变换(Inverse Fast Transform,简称“IFFT”)的IFFT窗口的位置。
具体地说,在本步骤中,一旦产生定时信号,则立即对待发送的载波信号进行IFFT。本领域技术人员可以理解,一旦确定了载波信号进行IFFT变换的时刻,该IFFT窗口的位置也就确定了。
接着,在步骤404至步骤407中,发送端根据经IFFT变换后的信号插入循环前缀(Cyclic Prefix,简称“CP”),将插入CP后的信号进行上变频插值,将经上变频插值后的信号进行数模转换,最后将经数模转换后的信号耦合到电力线上发送。步骤404至步骤407属于本领域的公开技术,在此不再赘述。
接收端中的操作流程如图5所示,在步骤501中,接收端在交流电网上对交流电进行过零点的检测。由于本实施方式中的交流电网为50/60Hz的交流电网,而在50/60Hz的交流电网上,交流电会周期性地过零点,因此,接收端势必会每隔一段时间后,检测到交流电过零点。
需要说明的是,接收端在进行过零点检测的同时,还需要对接收到的信号进行耦合滤波、模数转换、下变频降采样等操作,如步骤501’所示。对接收信号进行的耦合滤波、模数转换、下变频降采样等操作,属于本领域的公开技术,在此不再赘述。
当接收端检测到交流电过零点时,进入步骤502。在步骤502中,接收端产生定时同步信号。
接着,进入步骤503,接收端根据产生的定时同步信号,确定用于对接收信号进行FFT的FFT窗口的位置。
具体地说,在本步骤中,一旦产生定时同步信号,接收端则立即对经下变频降采样后的信号进行FFT。本领域技术人员可以理解,一旦确定了载波信号进行FFT变换的时刻,该FFT窗口的位置也就确定了,从而实现了发送端与接收端的同步。
值得一提的是,在基于OFDM的电力载波通信系统中,发送端和接收端检测到交流电过零点时存在一定的时间偏差,为方面描述,将交流电过零点时间偏差表示为ΔTjitter;载波信号在信道上也存在传输时间延迟,为方面描述,将电网信道延迟表示为ΔTdelay。其中,ΔTjitter主要由发送端和接收端过零点检测的精度和本地时钟精度决定,与电网交流电的频率偏差无关,通常小于60μs;电网信道延时ΔTdelay主要由发送端和接收端电力线距离决定,ΔTdelay=5.775μs/km×D,信号在电力线信道传播每千米产生5.775μs延时,D为发送端和接收端电力线距离,通常在10Km以内。过零点的OFDM电力载波通信系统总时间偏差ΔT:ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay。由于上述这些偏差和延迟会影响到OFDM系统的同步,从而导致ICI和ISI。因此,为保证不产生ICI和ISI,FFT窗口中的CP的传输时间长度Tcp需要满足条件:Tcp≥4×ΔT。
由于一个FFT窗口中包含了CP和预定长度的接收信号,而一个FFT窗口中的信息需在一个OFDM系统符号时间Ts内传输,也就是说,Ts=Tcp+Tfft。其中,Tfft为FFT窗口中预定长度的接收信号的传输时间长度。由于Tcp≥4×ΔT,所以Tfft<Ts-4×ΔT。子载波间隔Δf=1/Tfft,子载波数N=f/Δf,f为可用带宽。
另外,本领域技术人员可知,我国电力系统的标称频率为50Hz,GB/T15945-1995《电能质量一电力系统频率允许偏差》中规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz,当系统容量较小时,偏差值可放宽到±0.5Hz。也就是说,电网最大频率为50.5Hz,最小频率为49.5Hz,过零点的最小时间距离为9.090ms,最大时间距离为10.101ms,所以OFDM系统符号时间Ts必须小于9.090ms,以便与我国的电力系统的标准相符。
不难发现,在本实施方式中,将电网交流电过零点作为收发端的同步信号,实现OFDM系统中FFT窗口位置的同步。相对于现有技术中的通过发送额外的数据(导频和训练符号)实现FFT窗口位置恢复的技术方案而言,无需占用额外的带宽,减小了缓存空间。相对于现有技术中的利用循环前缀实现FFT窗口位置恢复的技术方案而言,实现简单,大大减低了复杂度。
本发明第二实施方式涉及一种基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法。第二实施方式与第一实施方式基本相同,区别主要在于:
在第一实施方式中,发送端在根据产生的定时信号确定IFFT窗口的位置时,在产生定时信号后,立即对待发送信号进行IFFT。接收端在根据产生的定时同步信号确定FFT窗口的位置时,在产生定时同步信号后,立即对接收信号进行FFT。
然而在本第二实施方式中,发送端在根据产生的定时信号确定IFFT窗口的位置时,在产生定时信号后,等待预定时长,在预定时长后对待发送信号进行IFFT。其中,预定时长为与接收端约定的时长。接收端在根据产生的定时同步信号确定FFT窗口的位置时,在产生定时同步信号后,等待预定时长,在预定时长后对接收信号进行FFT。
也就是说,发送端和接收端之间可以约定,在根据交流电过零点产生定时信号/定时同步信号后,立即进行IFFT/FFT变换。或者在根据交流电过零点产生定时信号/定时同步信号后,等待一定时长后进行IFFT/FFT变换。从而使得本发明的技术方案能灵活多变地实现。
需要说明的是,本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现,指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的,易失性的或者非易失性的,固态的或者非固态的,固定的或者可更换的介质等等)。同样,存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic,简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory,简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory,简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM,简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc,简称“DVD”)等等。
本发明第三实施方式涉及一种基于OFDM的电力载波通信系统。图6是该基于OFDM的电力载波通信系统的结构示意图,本实施方式中的交流电网为50/60Hz的交流电网。该基于OFDM的电力载波通信系统包含发送端和接收端。发送端包含:
第一零点检测模块,用于在交流电网上进行交流电过零点的检测。
定时信号生成模块,用于在第一零点检测模块检测到交流电过零点时,产生定时信号。
IFFT窗口位置确定模块,用于根据定时信号生成模块产生的定时信号,确定用于对待发送信号进行逆向快速傅立叶变换IFFT的IFFT窗口的位置。
接收端包含:
第二零点检测模块,用于在交流电网上进行交流电过零点的检测。
定时同步信号生成模块,用于在第二零点检测模块检测到交流电过零点时,产生定时同步信号。
FFT窗口位置确定模块,用于根据定时同步信号生成模块产生的定时同步信号,确定用于对接收信号进行快速傅里叶变换FFT的FFT窗口的位置。
其中,IFFT窗口位置确定模块在定时信号生成模块产生定时信号后,立即对待发送信号进行IFFT。FFT窗口位置确定模块在定时同步信号生成模块产生定时同步信号后,立即对接收信号进行FFT。
值得一提的是,在基于OFDM的电力载波通信系统中,发送端和接收端检测到交流电过零点时存在一定的时间偏差,将交流电过零点时间偏差表示为ΔTjitter;载波信号在信道上也存在传输时间延迟,将电网信道延迟表示为ΔTdelay。过零点的OFDM电力载波通信系统总时间偏差ΔT:ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay。由于上述这些偏差和延迟会影响到OFDM系统的同步,从而导致ICI和ISI。因此,为保证不产生ICI和ISI,FFT窗口中的CP的传输时间长度Tcp需要满足条件:Tcp≥4×ΔT。
由于一个FFT窗口中包含了CP和预定长度的接收信号,而一个FFT窗口中的信息需在一个OFDM系统符号时间Ts内传输,也就是说,Ts=Tcp+Tfft。其中,Tfft为FFT窗口中预定长度的接收信号的传输时间长度。由于Tcp≥4×ΔT,所以Tfft<Ts-4×ΔT。子载波间隔Δf=1/Tfft,子载波数N=f/Δf,f为可用带宽。
另外,本领域技术人员可知,我国电力系统的标称频率为50Hz,GB/T15945-1995《电能质量一电力系统频率允许偏差》中规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz,当系统容量较小时,偏差值可放宽到±0.5Hz。也就是说,电网最大频率为50.5Hz,最小频率为49.5Hz,过零点的最小时间距离为9.090ms,最大时间距离为10.101ms,所以OFDM系统符号时间Ts必须小于9.090ms,以便与我国的电力系统的标准相符。
不难发现,第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式,本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效,为了减少重复,这里不再赘述。相应地,本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本发明第四实施方式涉及一种基于OFDM的电力载波通信系统。第四实施方式与第三实施方式基本相同,区别主要在于:
在第三实施方式中,IFFT窗口位置确定模块在定时信号生成模块产生定时信号后,立即对待发送信号进行IFFT。FFT窗口位置确定模块在定时同步信号生成模块产生定时同步信号后,立即对接收信号进行FFT。
然而在第四实施方式中,IFFT窗口位置确定模块在定时信号生成模块产生定时信号后,等待预定时长,在预定时长后对待发送信号进行IFFT。其中,预定时长为与接收端约定的时长。FFT窗口位置确定模块在定时同步信号生成模块产生定时同步信号后,等待预定时长,在预定时长后对接收信号进行FFT。
不难发现,第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式,本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效,为了减少重复,这里不再赘述。相应地,本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。
需要说明的是,本发明各设备实施方式中提到的各模块都是逻辑模块,在物理上,一个逻辑模块可以是一个物理模块,也可以是一个物理模块的一部分,还可以以多个物理模块的组合实现,这些逻辑模块本身的物理实现方式并不是最重要的,这些逻辑模块所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外,为了突出本发明的创新部分,本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入,例如发送端的循环前缀插入模块、插值上变频模块、数模转换模块、耦合模块等,接收端的耦合滤波模块、模数转换模块、下变频采样模块等,这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的模块。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式,已经对本发明进行了图示和描述,但本领域的普通技术人员应该明白,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种基于正交频分复用OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,包含以下步骤:
发送端在交流电网上检测到交流电过零点时,产生定时信号,并根据产生的定时信号确定用于对待发送信号进行逆向快速傅立叶变换IFFT的IFFT窗口的位置;
接收端在所述交流电网上检测到交流电过零点时,产生定时同步信号,并根据产生的定时同步信号确定用于对接收信号进行快速傅里叶变换FFT的FFT窗口的位置。
2.根据权利要求1所述的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,所述根据产生的定时信号确定IFFT窗口的位置的步骤中,包含以下子步骤:
所述发送端在产生所述定时信号后,立即对待发送信号进行IFFT;
所述根据产生的定时同步信号确定FFT窗口的位置的步骤中,包含以下子步骤:
所述接收端在产生所述定时同步信号后,立即对接收信号进行FFT。
3.根据权利要求1所述的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,所述根据产生的定时信号确定IFFT窗口的位置的步骤中,包含以下子步骤:
所述发送端在产生所述定时信号后,等待预定时长,在所述预定时长后对待发送信号进行IFFT;其中,所述预定时长为与所述接收端约定的时长;
所述根据产生的定时同步信号确定FFT窗口的位置的步骤中,包含以下子步骤:
所述接收端在产生所述定时同步信号后,等待所述预定时长,在所述预定时长后对接收信号进行FFT。
4.根据权利要求1所述的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,一个FFT窗口中包含预定长度的接收信号和循环前缀CP,所述CP的传输时间长度Tcp满足以下条件:Tcp≥4×ΔT
其中,ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay,ΔTjitter为所述发送端和所述接收端检测到交流电过零点的时间偏差,ΔTdelay为载波信号在信道上传输时间延迟。
5.根据权利要求1所述的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,一个FFT窗口中包含预定长度的接收信号和循环前缀CP,所述预定长度的接收信号的传输时间长度Tfft满足以下条件:Tfft<Ts-4×ΔT
其中,ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay,ΔTjitter为所述发送端和所述接收端检测到交流电过零点的时间偏差,ΔTdelay为载波信号在信道上传输时间延迟;Ts为符号时间。
6.根据权利要求5所述的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,所述Ts小于9.090ms。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于OFDM的电力载波通信系统中FFT窗口位置恢复方法,其特征在于,所述交流电网为50/60Hz的交流电网。
8.一种基于OFDM的电力载波通信系统,包含发送端和接收端,其特征在于,所述发送端包含:
第一零点检测模块,用于在交流电网上进行交流电过零点的检测;
定时信号生成模块,用于在所述第一零点检测模块检测到交流电过零点时,产生定时信号;
IFFT窗口位置确定模块,用于根据所述定时信号生成模块产生的定时信号,确定用于对待发送信号进行IFFT的IFFT窗口的位置;
所述接收端包含:
第二零点检测模块,用于在所述交流电网上进行交流电过零点的检测;
定时同步信号生成模块,用于在所述第二零点检测模块检测到交流电过零点时,产生定时同步信号;
FFT窗口位置确定模块,用于根据所述定时同步信号生成模块产生的定时同步信号,确定用于对接收信号进行FFT的FFT窗口的位置。
9.根据权利要求8所述的基于OFDM的电力载波通信系统,其特征在于,所述IFFT窗口位置确定模块在所述定时信号生成模块产生所述定时信号后,立即对待发送信号进行IFFT;
所述FFT窗口位置确定模块在所述定时同步信号生成模块产生所述定时同步信号后,立即对接收信号进行FFT。
10.根据权利要求8所述的基于OFDM的电力载波通信系统,其特征在于,所述I FFT窗口位置确定模块在所述定时信号生成模块产生所述定时信号后,等待预定时长,在所述预定时长后对待发送信号进行IFFT;其中,所述预定时长为与所述接收端约定的时长;
所述FFT窗口位置确定模块在所述定时同步信号生成模块产生所述定时同步信号后,等待所述预定时长,在所述预定时长后对接收信号进行FFT。
11.根据权利要求8所述的基于OFDM的电力载波通信系统,其特征在于,一个FFT窗口中包含预定长度的接收信号和循环前缀CP,所述CP的传输时间长度Tcp满足以下条件:Tcp≥4×ΔT
其中,ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay,ΔTjitter为所述发送端和所述接收端检测到交流电过零点的时间偏差,ΔTdelay为载波信号在信道上传输时间延迟。
12.根据权利要求8所述的基于OFDM的电力载波通信系统,其特征在于,一个FFT窗口中包含预定长度的接收信号和循环前缀CP,所述预定长度的接收信号的传输时间长度Tfft满足以下条件:Tfft<Ts-4×ΔT
其中,ΔT=ΔTjitter+ΔTdelay,ΔTjitter为所述发送端和所述接收端检测到交流电过零点的时间偏差,ΔTdelay为载波信号在信道上传输时间延迟;Ts为符号时间。
13.根据权利要求12所述的基于OFDM的电力载波通信系统,其特征在于,所述Ts小于9.090ms。
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