CN102185810A - 在通过电网传输信号的过程中获得频谱空隙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在通过电网传输信号的过程中获得频谱空隙的方法。本发明的方法允许通过具有合适的功率谱密度的电网来传输信号，以致在可能有效率地传输频谱空隙的情况下将所述功率谱密度调整到符合现有规范。本发明的特征在于：调节一个或多个OFDM信号载波的功率，以生成前述的空隙；使用至少1024点的IDFT(如果IDFT是复数的)或至少2048点的IDFT(如果IDFT是实数的)；以及使用与符号(将随时间流逝而被发送)相乘的窗。

Description

在通过电网传输信号的过程中获得频谱空隙的方法

相关申请的交叉引用

本申请是优先权日为2004年6月18日、国际申请日为2005年6月2日、国际申请号为PCT/ES2005/000315、中国专利申请号为200580027492.2的专利申请的分案申请。

技术领域

正如在本描述性报告的陈述中所表达的，本发明涉及在通过电网传输信号的过程中获得频谱空隙的过程。频谱空隙定义为其中发送的功率密度小于某个要求的值的频带。这个过程对创建和使用借助电网的传输系统显得尤为重要，因为它允许根据不同的频率来调节所发送信号的功率，以使其适应依据不同国家的当前法规建立的、用于通过电网传输信号的规范，其中，这些法规规定了足够的频谱空隙。以这种方式，将避免干扰已得到许可的业务(这些业务使用与通过电网的通信发送的信号相同的频带)。

背景技术

最初并未设想将电网(低压和中压)用于电信信号的传输。这种通信方式是一种无屏障的通信方式，其中，所发送的信号可以辐射出去，并干扰其他使用相同频率的系统。业余无线电爱好者和包括无线电导航、紧急业务在内等的其他无线电通信业务与这一通信方式有关。在这些业务中，较弱的干扰信号便可中断通信，由于这个原因，因而避免以这些频率进行功率传输是非常重要的。

有鉴于此，在许多国家中，一些生效的法规对可以以某些频率发送的功率谱密度(PSD)进行限制，以至于根据这些法规，为通过电网发送信号，则必须获得较深的频谱空隙。作为本发明目标的本过程被设计成以可能的最大效率生成很深的频谱空隙，从而覆盖了确实必要的带宽。

该过程寻求以有效率的方式将所发送的信号调整为由前述的法定理由规定的某些功率模式。倾向于将这些功率模式定义成这样的频率范围：在其中，功率传输是严格受限的(例如，其强度比其他频率下的功率传输小30dB)，或者，在其中甚至禁止了功率传输。然而，给定这些技术限制，不可能实现具有特定功率谱密度的频带和具有不同功率谱密度的另一个频带之间的瞬时转变，因而，不可能在未减少与频谱空隙相邻的载波功率的情况下突然消除在某一频率范围内传输的信号。由于本发明的过程的缘故，通过最大程度地减少受到生成该频谱空隙影响的、与该频谱空隙相邻的载波数目，可以高效率地执行上述的功率减少。

另一方面，加窗概念(准确的说，是升余弦窗)不是该过程的发明，相反，它是一种已知的现有技术。例如，可以在电信方面的教材(如McGraw-Hill出版公司出版的John G.Proakis的“Digital Communications”(数字通信)、Prentice Hall出版公司出版的Alan V.Oppenheim的“Discreet-Time Signal Processing”(离散时间信号处理)以及“Artech House Publishers”公司出版的Richard Van Nee和Ramjee Prasad的“OFDM for Wireless Multimedia Communications”(用于无线多媒体通信的OFDM))中找到这些概念。第一份参考文献指出，升余弦窗用于设计频带中的受限信号(以避免任何码间干扰)，而最后一份参考文献指出，应用于各个OFDM符号的加窗过程用来减少信号的处于频带之外的频谱。

本发明过程的新的方面在于，通过调节某些载波中发送的功率、对OFDM符号加循环前缀进行加窗处理和为工作载波的数目和IDFT的大小使用合适的值来有效率地在频带中生成大于30dB的频谱空隙；且这一方面不能从现有技术推导得出。

发明内容

为实现以上目标和防止前面部分指出的不便之处，本发明由用于在通过电网传输信号期间获得频谱空隙的过程组成，该过程包括通过正交频分复用(OFDM)发送信号，其中，通信节点具有发射机、用于添加循环前缀的装置和用于对OFDM符号进行频域至时域的变换的装置。

这个过程的特征在于下列事实，即它通过衰减或消除一个或多个OFDM信号载波来有选择地调节这些载波的功率，因为它将用来将频域信号变换成时域信号的离散傅立叶逆变换(IDFT)用于若干个点(如果该IDFT是复数的，这些点的数目大于或等于1024，如果该IDFT是实数的，这些点的数目大于或等于2048)，并且，因为一旦添加了循环前缀，时域中的OFDM符号中便可与窗相乘。因此，能够获得深度为20dB的突变的频谱空隙，这是一个很大的优点，因为它可以使发送的信号不干扰其他得到许可的业务(这些业务使用与将通过电网发送的该信号相同的频带)。同样，由于可以将频谱空隙引入频带，因而本发明的过程允许对选择用来发送信号的功率谱密度进行调节。

在本发明的执行过程中，所使用的窗是升余弦窗。由于该窗具有时域上的平坦面积，并由于它的频谱特性，因而选择了该窗。

在本发明的另一个执行过程中，可以用滚降因子来定义的该升余弦窗具有小于或等于0.2的滚降因子。

此外，该窗具有以样本数计算的大小，且其样本数大于或等于2048，其中，这些样本是发射机的数模转换器(DAC)之前的数字样本。

另一方面，那些功率得到调节的载波的数目取决于频谱空隙的位置、宽度和深度以及为该过程而选择的窗的形式。为产生适当深度的频谱空隙，调节了位于该频谱空隙内的载波的功率以及与这些载波相邻的载波的数目。所选窗内的频率表示中的副瓣滚降得越快，为实现所需宽度和深度的频谱空隙而必须调节的相邻载波的数目便越少。为了对合适的载波进行功率调节，可采用各种过程，且这些过程可以组合。可通过逐渐衰减频谱空隙中的载波中所发送信号的主瓣或所发送信号的副瓣(如果所述载波是相邻的)来进行上述调节，以使功率谱密度小于所发送信号所需的功率谱密度。

进行调节的另一种方式是直接消除受影响的载波，这种消除是指不发送要进行调节的载波中的任何功率，使得位于频谱空隙内的载波连同一些相邻的载波被消除，以确保功率谱密度小于频谱空隙中发送的信号所需的功率谱密度。

可以在必要的载波中相互独立地或以组合的方式使用这两种调节过程，这样便能消除某些载波，并使某些载波得到衰减。

为促进对本描述性报告的理解和使其形成一个完整的部分，以下引入了某些附图，在这些附图中，以说明而非限制的方式示出了本发明的目标。

附图说明

图1示出了法规要求的功率谱密度(PSD)的实例，该功率谱密度用于在2至30dB的带宽上传输信号，以保护这些频率上的得到许可的业务。

图2示出了可在本发明的过程中使用的窗的实例。

图3示出了所采集信号的加窗过程的框图。

图4示出了各种处于时域和频域中的典型的窗。

图5示出了时域和频域中的具有各种滚降因子(β)的升余弦窗。

图6示出了用于在传输期间创建频谱空隙的过程的框图。

图7示出了在获得深度为30dB的频谱空隙的实例中使用的窗。

具体实施方式

下面，结合附图中采用的附图标记给出对本发明实例的说明。

在传输信号期间和设计借助电网的通信系统时，最重要的问题之一是传输装置未经屏蔽，且部分发送至电网的信号被传输到外部，从而能干扰一些得到许可的系统(这些系统使用与所传输信号使用的频率范围重叠的频率范围)。

以减少这种干扰为目的，许多国家规定了可以在电力线中发送的或可以在其中引入的最大功率谱密度。遗憾的是，这些法规随不同国家发生变化，因此，有必要在频谱中生成可根据国家而调节的、以用于防止在某些频率上发送信号的突变的频谱空隙。图1中可看到要求能在2和30MHz之间发送信号的功率谱密度的实例。从图中可以看出，存在多个频谱空隙，为了在该带宽上发送信号，我们必须重视这些频谱空隙。

本发明过程允许有效率地在所发送的信号中生成这些频谱空隙，并因此在任何情况下均可调节至适当的谱密度。

如前所述，本发明过程利用了现有技术中已知的加窗概念。遗憾的是，取决于所选择的技术来源，可以用一种或另一种方式来解释该概念，因为这个原因，在引入本发明过程的执行实例之前，将说明在该过程中使用的“窗”定义标准。

对数字信号加窗包括将信号的样本与窗相乘。该窗是另一种数字信号，它通常具有一组不同于零的相邻样本。在图2中可以看到以样本0为中心的窗的实例。

一旦选择了将要在该过程中使用的窗，则有必要执行加窗处理。可在图3中看到信号加窗过程。通过(1)将信号样本与窗样本相乘(为此，该窗必须移至合适的位置而非样本0所在位置)，进行了该加窗处理。该信号加窗过程(时域乘法)影响了频域中的所述信号。可以在调制或加窗定理中观察到这种相关性：

$y\left[n\right]=x\left[n\right]v\left[n\right]\⇔Y\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}X\left(e^{\mathrm{j\θ}}\right)V\left(e^{j(\mathrm{\ω}-\mathrm{\θ})}\right)\mathrm{d\θ}$

该定理表明，时域中的相乘导致了频域中的窗形状的周期性卷积。该窗在频域中的副瓣将决定y[n]输出信号的频率形式。图4中可以看出现有技术中已知的某些典型窗(三角的、巴特利特和切比雪夫窗)在时域和频域中的形状。在该图中，可以看出窗的形状决定了频率响应的副瓣。例如，切比雪夫频率响应保持不变(在副瓣方面)，而对于巴特利特频率响应，它最初的一些副瓣较高，但是后面的副瓣回落得很快。

对于所描述的执行实例，优选的窗口是升余弦窗。以下示出了以样本零为中心的升余弦窗的公式：

$v\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{si}0\≤\≤\left|n\right|\≤\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N\\ \frac{1}{2}(1+\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\βN}}\left(\right|n|-\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N)\right))& \mathrm{si}\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N\≤\left|n\right|\≤\frac{1+\mathrm{\β}}{2}\·N\\ 0& \mathrm{si}\left|n\right|>\frac{1+\mathrm{\β}}{2}\·N\end{array}\right.$

其中，N是定义为具有超过0.5的值(v[n])的窗的大小，且β为滚降因子。通常，可通过该滚降因子β来定义升余弦窗。这个因子总介于0和1之间，并表示所发送的超额信号。从图5中可看出，该滚降因子越高，则滚降越平缓。在该图中示出了若干个时域和频域中的升余弦窗以及它们与滚降因子(β)的相关性。当滚降因子达到0时，该窗变为矩形窗，该窗呈现出具有非常高频率的副瓣。

如果增加滚降值，则通过牺牲效率换取了较低的副瓣。该效率损失是由窗大小增加(其中超额部分按N*β来计算)的事实造成的。另一方面，如果使用过低的滚降因子，则因为副瓣未充分下降而损失效率，并且，在这种情形下，有必要增加已在功率上进行调节的、与频谱空隙相邻的载波的数目。

一种在增加效率的同时维持滚降因子的方法是增加OFDM信号的载波数目。必须对其进行调节来创建频谱空隙的相邻载波数目将不会发生变化(相对于以前的情形)，但因为载波的总数增大了，因而降低了效率损失所占的百分比。因为这个原因，由于IDFT载波的具体数目的增加，该过程变得切实可用。

当准备用于通过电网传输信号的设计时，为具有高效率，已计算出滚降因子必须小于0.2。同样地，窗的样本数目必须大于2048。对本发明的这个具体执行实例而言，将使用0.15的滚降因子、0.05的因子和2600个样本。

为对正在发送的信号执行本发明的过程(一旦选定了窗)，使用了类似于图6中所示的框图。在该图中，将要发送的信号输入模块(2)中的各个OFDM信号载波，其中，模块(2)调节合适载波的功率，以创建必要的频率空隙。将主要调节位于频谱空隙中的载波连同它们的相邻载波。所选升余弦窗中的副瓣的滚降越大，则必须受到影响来实现频谱空隙的相邻载波的数目便越少。然后，该执行实例中的模块(3)以复数方式执行快速傅立叶逆变换(IFFT)(通常用于实施具有OFDM调制的离散傅立叶逆变换(IDFT))。在此之后，模块(4)插入由模块(5)生成的循环前缀，且模块(6)将时域中的该数字信号与模块(7)生成的窗相乘。为使频谱空隙生成过程有效率，有必要使用具有多个载波的OFDM和具有大量点的IFFT。在该执行实例中，使用了复数的1024点IFFT。

最后，在发送之前(尽管这个模块未出现在图6中)，将通过DAC转换器将数字信号转换成模拟信号。

为实现突变的频谱空隙，衰减或消除位于频谱空隙中的各频率位置上的载波是不够的。这是因为，由于相邻载波的副瓣的原因，还存在功率剩余，在很大程度上，由于到达频谱空隙所在的频谱区域的OFDM信号的转变(transition)现象，生成了这些副瓣。为避免这一点，有必要调节功率，或者，同时消除与位于频谱空隙末端位置的载波相邻的一定数量的载波。通过图6中的模块(2)进行了这一过程。取决于由模块(7)生成的升余弦窗的形状，功率必须得到调整的相邻载波的数目可以更大或更小，因此，这两个模块是相互关联的。

在图7中可看到具有在该执行实例中选择的值(滚降因子为0.15和滚降因子为0.05，且样本数目为2600)的两个升余弦窗的形状。在这种情况下，如果需要实现30dB深的频谱空隙，则在升余弦窗滚降因子为0.15的情况下使用本发明的过程时，必须调节4个相邻载波的功率，而在使用0.05的滚降因子的情况下，必须调节总共7个相邻载波的功率。

Claims (19)

1.一种用于通过电力线根据针对电力线设置的功率谱密度传输模拟正交频分复用(OFDM)信号的方法，其中所述功率谱密度限定一个或多个频率，在该频率处模拟OFDM信号的传输是受限的，所述方法包括：

接收具有多个载波的频域数字OFDM信号；

在所述频域数字OFDM信号中创建一个或多个凹槽，以通过以下来满足功率谱密度：

调整所述频域数字OFDM信号中的每个载波的功率，所述功率对应于一个或多个频率，在该频率处传输模拟OFDM信号将被限制为由所述功率谱密度限定，其中调整所述每个载波的功率包括调整所述载波的多个相邻载波的功率；

通过执行快速傅里叶逆变换(IFFT)将具有一个或多个凹槽的所述频域数字OFDM信号变换到时域OFDM数字信号，(i)如果所述IFFT是实数的，则所述IFFT具有1024点，或者(ii)如果所述IFFT是复数的，则所述IFFT具有2048点；

将循环前缀插入所述时域OFDM数字信号；

通过将所述时域OFDM数字信号的样本乘以一个窗口来对所述时域OFDM数字信号加窗，其中所述窗口具有(i)多于2048的样本数目和(ii)滚降因子；以及

在对所述时域OFDM数字信号加窗之后，将所述时域OFDM数字信号转换为将要通过电力线传输的对应模拟OFDM信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述窗口是升余弦窗。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述升余弦窗(i)以0为中心并且(ii)表示为：

$v\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{si}0\≤\≤\left|n\right|\≤\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N\\ \frac{1}{2}(1+\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\βN}}\left(\right|n|-\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N)\right))& \mathrm{si}\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N\≤\left|n\right|\≤\frac{1+\mathrm{\β}}{2}\·N\\ 0& \mathrm{si}\left|n\right|>\frac{1+\mathrm{\β}}{2}\·N\end{array}\right.,$

其中N是所述升余弦窗中的样本的数目，β对应于所述滚降因子并在0至1之间。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述滚降因子小于0.2。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述升余弦窗中的样本的预定数目是2600。

6.一种用于获取频带中的凹槽以防止在特定频率上发送信号的方法，所述方法包括：

使用正交频分复用在频谱空隙中发送信号；

在一个或多个正交频分复用信号载波中的每一个载波中输入信号，其中所述凹槽中的每个信号载波具有(i)主瓣和(ii)多个副瓣；

调整正交频分复用信号载波中的多个载波的功率，以(i)创建所述凹槽和(ii)消除多个载波，其中所述多个载波(i)与所述正交频分复用信号载波相邻并且(ii)位于所述凹槽的末端处的位置中，

其中，调整所述功率包括衰减处理或消除处理，其中所述衰减处理包括降低主瓣和副瓣，其中所述主瓣和副瓣被减小到低于使用正交频分复用在频谱空隙中发送信号的功率谱密度要求，并且

其中所述正交频分复用信号载波的多个载波包括在所述凹槽中的载波以及在所述凹槽中的所述载波的相邻载波；

向所生成的信号应用傅里叶逆变换，以将所生成的信号从频域信号变换为时域信号，(i)如果所述傅里叶逆变换是复数的，则所述傅里叶逆变换至少具有1024点，并且(ii)如果所述傅里叶逆变换是实数的，则所述傅里叶逆变换至少具有2048点；

接收所述时域信号，并插入循环前缀以生成数字信号；以及

将所述数字信号乘以升余弦窗。

7.根据权利要求6所述的方法，其中多个载波的消除取决于所述升余弦窗。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述升余弦窗具有的最大滚降因子为0.2。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述升余弦窗具有的样本数目至少为2048，其中所述样本是数字样本。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述正交频分复用信号载波中的多个载波取的数目取决于(i)所述凹槽的位置、宽度和深度，以及(ii)所述升余弦窗的形状，其中所述副瓣降低地越快，则所述相邻载波的功率越低。

11.根据权利要求6所述的方法，其中所述消除处理包括：不在待调整的载波中发送任何功率，以消除凹槽中的载波和多个相邻载波。

12.根据权利要求6所述的方法，其中为了使用正交频分复用获取低于在频谱空隙中发送信号所需的功率谱密度，(i)执行对所述正交频分复用信号载波中的多个载波的功率的调整，而不在待调整的载波中发送功率，并且(ii)对所述正交频分复用信号载波中的多个载波的功率的调整包括消除位于所述频谱空隙中的载波和多个相邻载波。

13.根据权利要求6所述的方法，其中对所述正交频分复用信号载波中的多个载波的功率的调整在频段中创建大于30dB的凹槽。

14.根据权利要求6所述的方法，其中所述凹槽具有至少20B的深度。

15.根据权利要求6所述的方法，还包括调整多个相邻载波。

16.根据权利要求6所述的方法，其中将所述数字信号乘以升余弦窗包括：将使用正交频分复用发送的所述信号在时域中乘以窗口样本。

17.根据权利要求6所述的方法，其中将所述数字信号乘以升余弦窗生成频域中的升余弦窗形状的周期性卷积。

18.根据权利要求6所述的方法，其中所述升余弦窗(i)以0为中心并且(ii)表示为：

$v\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{si}0\≤\≤\left|n\right|\≤\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N\\ \frac{1}{2}(1+\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\βN}}\left(\right|n|-\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N)\right))& \mathrm{si}\frac{1-\mathrm{\β}}{2}\·N\≤\left|n\right|\≤\frac{1+\mathrm{\β}}{2}\·N\\ 0& \mathrm{si}\left|n\right|>\frac{1+\mathrm{\β}}{2}\·N\end{array}\right.$

其中N是所述升余弦窗的大小，β是在0至1之间的滚降因子。

19.根据权利要求6所述的方法，还包括：通过增加使用正交频分复用发送的信号的载波的数目，维持滚降因子。

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