CN102299728B - 一种基于时频编码的电力线载波通信的发送方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于时频编码的电力线载波通信的发送方法,该发送方法的步骤包括:对发送数据进行扩频处理,形成多个码片;对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交;将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上;将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输。相应地,本发明还提供了一种基于时频编码的电力线载波通信的发送装置。本发明通过对发送数据进行时频编码,获得在时域上和频域上的分集增益,从而有效地提高了电力线载波通信传输的可靠性。此外,由于时频编码后的传输数据具有正交性,便于在接收端直接采用性能良好的最大似然检测进行译码,所以不会增加接收端译码的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及电力线载波通信技术,尤其涉及一种基于时频编码的电力线载波通信的方法和装置。
背景技术
电力线载波通信是一种利用电力线作为传输媒介进行载波传输的一种通信方式。电力线在输送工频电流的同时,还可以传送载波信号,非常经济实用。因此,电力线载波通信目前已经成为通信研究领域中的热点之一。
电力线载波通信具有其特殊性,其利用的信道是以传输50Hz电能为目的电力线,所以,在电力线载波通信中,除了信号失真、线路上的损失和多径效应之外,噪声是影响电力线载波通信的最重要的因素。与无线通信信道不同,电力线载波通信中的噪声不是加性高斯白噪声(AWGN),电力线信道中频率在几百KHz到20MHz范围内的噪声包括有色背景噪声、窄带噪声、与主频不同步的周期性冲击噪声、与主频同步的周期性冲击噪声以及不同步的冲击噪声,其中,有色背景噪声、窄带噪声、与主频不同步的周期性冲击噪声通常在几秒到几分钟,甚至几小时都保持不变,而与主频同步的周期性冲击噪声和不同步的冲击噪声通常随时间快速变化,例如,在几微秒或几毫秒内就会发生变化,且具有一定的不预期性。这种具有不预期性的噪声容易引起传输数据的突发性错误,导致电力线传输的性能下降。
在现有技术中,通常采用扩频和OFDM技术来克服上述问题。其中,扩频技术具有很强的抗干扰能力,OFDM技术可以克服电力线上固有的高噪声、多径效应和频率衰减等现象。将扩频和OFDM技术相结合,可以有效地利用电力线实现高速的数据通信传输。
目前,我国电力线载波通信的应用已经较为普遍了,例如,在日常生活中用于远程抄表、在工业生产中用于矿井作业数据的传送。在某些应用领域中,由于传输数据具有一定的特殊性(例如矿井作业中涉及安全的相关信息),所以,对于电力线载波通信数据传输的可靠性要求是非常高的。基于上述考虑,本发明提出了一种基于时频编码的电力线载波通信的发送方法和装置,利用时间分集和频率分集以进一步提高电力线载波通信传输的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于时频编码的电力线载波通信的发送方法和装置,通过获得时间和频率上的分集增益,有效地提高电力线载波通信传输的可靠性。
根据本发明的一个方面,本发明提供了一种基于时频编码的电力线载波通信的发送方法,该发送方法的步骤包括:
对发送数据进行扩频处理,形成多个码片;
对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交;
将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上;
将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输。
根据本发明另一个方面,本发明还提供一种基于时频编码的电力线载波通信的发送装置,包括:
扩频模块,用于对发送信号进行扩频处理,形成多个码片;
时频编码模块,用于对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交;
OFDM调制模块,用于将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上;
耦合模块,用于将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:通过对发送数据进行时频编码,获得在时域上和频域上的分集增益,从而有效地提高了电力线载波通信传输的可靠性。此外,由于时频编码后的传输数据具有正交性,便于在接收端直接采用性能良好的最大似然检测进行译码,所以不会增加接收端译码的复杂度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为根据本发明一个方面的基于时频编码的电力线载波通信的发送方法流程图;
图2为根据本发明一个实施例的基于时频编码的电力线载波通信的发送流程框图;
图3为根据本发明一个实施例的对时频编码后的多路传输数在时间和子载波上进行映射的示意图;
图4为根据本发明另一个实施例的对时频编码后的多路传输数在时间和子载波上进行映射的示意图;以及
图5为根据本发明又一个方面的基于时频编码的电力线载波通信发送装置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
图1为根据本发明一个方面的基于时频编码的电力线载波通信的发送方法流程图,图2为根据本发明一个实施例的基于时频编码的电力线载波通信的发送流程框图,下面将结合图1和图2对本发明所提供的基于时频编码的电力线载波通信的发送方法进行具体说明。如图1所示,该方法包括以下步骤:
在步骤S101中,对发送数据进行扩频处理,形成多个码片。
具体地,首先,在扩频处理之前,对电力线载波通信的信号源进行信源编码、信道编码、交织、基带调制等一系列常规处理。其中,当信号源为模拟信号时,可以采用例如幅度调制、角度调制、相位调制等方式对该模拟信号进行基带调制;当信号源为数字信号时,可以采用例如PAM、BPSK、QPSK、QAM等方式对该数字信号进行基带调制。基带调制结束后,通过串/并变换形成并列的多路发送数据。接着,使用扩频码对各路发送数据分别进行扩频处理。在本实施例中,采用的扩频技术为直接序列扩频(DS-SS)技术,即CDMA技术,通过使用高速率的伪随机序列与发送数据做模2加或者相乘,产生一个速率与伪随机序列速率相同的扩频序列(下文中简称为码片),以达到扩展发送数据频谱的目的。在其他实施例中,扩频的方法还包括跳频扩频(FH-SS)、跳时扩频(TH-SS)以及线性调频(Chirp)。
接着,执行步骤S 102,对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交。
具体地,首先,对扩频后形成的多个码片进行分组,然后,对每组内的码片通过编码矩阵的映射,以完成时频编码。每组内的码片通过编码矩阵映射后,可以得到和编码矩阵形式一致的传输矩阵,该传输矩阵的每一行(或列)数据将通过具有不同频率的子载波进行传输,该传输矩阵的每一列(或行)数据将在不同时刻进行传输。当一个码片通过编码矩阵的映射后,在生成的传输矩阵中多次出现,就说明该码片将会在不同的时间和/或不同的频率进行传输,从而可以实现时间分集和/或频率分集的增益,进而提高传输数据的可靠性。除了希望达到时间分集和频率分集增益,基于接收端译码复杂度的考虑,所述编码矩阵应具有基于正交设计的结构,即,编码矩阵的行元素与行元素(或者列元素与列元素)之间的内积为0,从而便于在接收端使用最大似然检测进行译码。由于编码矩阵的行元素与行元素(或者列元素与列元素)之间是正交的,所以每组内的码片通过该编码矩阵映射后所的到的多路传输数据也是相互正交的。
下面,将对编码矩阵的构造进行具体说明。
对于基带调制后的传输信号为实信号的情况下,2×2编码矩阵X2的形式如下:
对于基带调制后的传输信号为复信号的情况下,2×2编码矩阵X2的形式如下:
其中,x1和x2分别为两个调制信号,“*”表示复共轭。
以基于上述复信号的2×2编码矩阵,对8个码片进行时频编码为例进行说明。所述8个码片分别以S(1)、S(2)、...S(8)表示。首先,对所述8个码片进行分组,形成4组,每组具有两个码片;然后,将每组中的两个码片按照复信号的2×2编码矩阵的形式进行映射,形成多路传输数据,即可完成对该8个码片的时频编码。在采用上述复信号的2×2编码矩阵进行时频编码后,形成的传输矩阵如下:
其中,右边为用以表示传输矩阵,该传输矩阵的每一行代表一路数据,在后续的操作中,将相应地映射至一个子载波上;该传输矩阵的每一列代表不同时刻在多个子载波上同时传输的数据,该传输矩阵的第一列表示t1时刻的传输数据,第二列表示t2时刻的传输数据,其中,t1和t2时刻之间的间隔时长为一个数据的传输周期。
本领域的技术人员可以理解,传输矩阵不仅仅限于上述形式,在其他实施例中,还可以形成其他形式的传输矩阵,例如:
对于其他形式的传输矩阵,在此不再一一列举。
除了采用上述2×2编码矩阵,还可以采用其他形式的编码矩阵。例如,对于基带调制后的传输信号为实信号的情况下,还可以采用如下4×4编码矩阵X4:
其中,x1、x2、x3和x4分别为经过基带调制后的4个传输信号。
仍以8个码片的情况为例,在采用上述实信号的4×4编码矩阵进行时频编码后,形成的传输矩阵如下:
其中,右边为用以表示传输矩阵,该传输矩阵的每一行代表一路数据,在后续的操作中,将相应地映射至一个子载波上;该传输矩阵的每一列代表不同时刻在多个子载波上同时传输的数据,该传输矩阵的第一列、第二列、第三列和第四列分别表示t1、t2、t3和t4时刻的传输数据,其中,t1、t2、t3和t4时刻之间的间隔时长为一个数据的传输周期。在其他实施例中,还可以形成其他形式的传输矩阵,在此不再一一列举。
对于其他形式的编码矩阵,只要保证该编码矩阵为正交矩阵,且可以实现时间分集和频率分集即可,在此不再一一列举。
在步骤S103中,将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上。
具体地,对时频编码后每一路传输数据进行快速傅里叶变换(IFFT),将各路传输数据映射到相应的多个子载波上,其中,所述多个子载波之间在频域上是正交复用的。然后,将所有子载波的传输数据进行相加,生成OFDM符号,以实现OFDM调制。由于时频编码后的多路传输数据是通过映射编码矩阵而获得的,所以在时频编码后的多路传输数据中,至少存在两路传输数据,其之间存在正交性。在将彼此之间具有正交性的两路或者多路传输数据调制到不同的子载波上的时候,优选地,尽量使用频率相隔较远的子载波进行调制。当多个子载波沿电力线传输的时候,在一个OFDM符号传输的时间内,频率相隔较近的子载波,其信道的相关性较大,而频率相隔较远的子载波,其信道的相关性较小,采用频率相隔较远的子载波对两个或者多个正交的数据进行调制,不但可以达到频率复用的效果,还可以减小由于相关衰落信道所导致的传输性能的下降。
下面,以基于上述复信号的2×2编码矩阵进行时频编码后形成多路数据,并将该多路信号映射到多个正交频分复用的子载波上为例进行说明。
对发送数据进行时频编码后,形成8路数据,假设在进行OFDM调制时采用512点的IFFT,将该8路数据分别映射到编号为100到103的子载波、以及编号为300到303的子载波上,其中,具体映射关系请参考图3。如图3所示,将相互正交的两路信号[S(1)S(2)]和[-S*(2)S*(1)]分别调制到第100个子载波和第300个子载波上,将[S(3)S(4)]和[-S*(4)S*(3)]分别调制到第101个子载波和第301个子载波上,依此类推,将[S(7)S(8)]和[-S*(8)S*(7)]分别调制到第103个子载波和第303个子载波上。如此一来,用于传输两路正交信号的两个子载波之间均相隔199个子载波。通常情况下,频率相隔较远的两个子载波的传输信道之间的相关性相对较小。与用相邻或相近的两个子载波传输相互正交的两路数据相比,使用频率相隔较远的子载波可以有效地减小由于相关衰落信道所导致的传输性能的下降。
对于采用4×4编码矩阵进行时频编码的情况,将每组中4路正交的传输数据分别映射到4个正交的、且频率相互有一定间隔的子载波上,其中,一种子载波映射的方式请参考图4。如图4所示,用于传输相互正交的传输数据的子载波之间最少也相隔99个子载波,从而可以有效地保证子载波信道之间具有较小的相关性。对于子载波映射的其他方式,在此不一一列举。对于采用其他形式编码矩阵的情况,只需遵循使用频率间隔较远的子载波的原则即可,在此也不再一一赘述。
需要说明的是,上述举例仅为示意性说明。在实际应用中,根据需要,传输信号往往达到几十路甚至几百路,且可以采用点数不同的IFFT来实现,例如1024点的IFFT或者2048点的IFFT。而关于子载波之间具体频率间隔的大小,需要根据传输的子载波数以及信道的具体情况来决定。
在步骤S104中,将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输。
具体地,OFDM调制后,可以通过例如电容耦合或者电感耦合的方式,将OFDM调制后的信号耦合至高压电力线或者低压电力线上,以电力线为媒介进行传输。可选地,在进行电力线耦合之前,根据传输需求,还可以对OFDM调制后的信号进行射频调制形成高频信号,然后将该高频信号通过耦合注入至电力线中传输。其中,电力线耦合以及射频调制均为本领域人员所公知的技术,在此不再赘述。
由于扩频和时频编码均为线性处理,所以其执行顺序的先后可以交换,即,可以先对串/并变换后的各路传输数据进行时频编码,然后再对时频编码后的各路传输数据进行扩频。
执行上述步骤后,与传统的基于扩频OFDM技术的电力线载波通信相比,通过对发送数据进行时频编码,在时域上和频域上获得分集增益,从而有效地提高了电力线载波通信传输的可靠性。此外,由于时频编码后的传输数据具有正交性,所以,在接收端从子载波上提取出正交的传输数据后,可以直接对其采用性能良好的最大似然检测进行译码,不会增加接收端译码的复杂度。
相应地,本发明还提供了一种基于时频编码的电力线载波通信的发送装置,请参考图5。如图所示,该装置包括扩频模块503、时频编码模块504、OFDM调制模块505以及耦合模块506。
其中,所述扩频模块503,用于对发送信号进行扩频处理,形成多个码片;具体地,在扩频处理之前,信源编码模块(未示出)、信道编码模块(未示出)、交织模块(未示出)、基带调制模块501,对电力线载波通信的信号源进行信源编码、信道编码、交织、基带调制等一系列常规处理。其中,当信号源为模拟信号时,所述基带调制模块501可以采用例如幅度调制、角度调制、相位调制等方式对该模拟信号进行基带调制;当信号源为数字信号时,所述基带调制模块501可以采用例如PAM、BPSK、QPSK、QAM等方式对该数字信号进行基带调制。基带调制结束后,通过串/并变换模块502形成并列的多路发送数据。接着,所述扩频模块503使用扩频码对各路发送数据分别进行扩频处理。在本实施例中,采用的扩频技术为直接序列扩频技术,即CDMA技术,所述扩频模块503通过使用高速率的伪随机序列与发送数据做模2加或者相乘,产生一个速率与伪随机序列速率相同的扩频序列(下文中简称为码片),以达到扩展发送数据频谱的目的。在其他实施例中,扩频的方法还包括跳频扩频、跳时扩频以及线性调频。
所述时频编码模块504,用于对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交。具体地,首先,所述时频编码模块504对扩频后形成的多个码片进行分组,然后,所述时频编码模块504对每组内的码片通过编码矩阵的映射,以完成时频编码,其中,所述编码矩阵可以由所述时频编码模块504生成,也可以由其他模块提供。所述时频编码模块504对每组内的码片进行映射后,可以得到和编码矩阵形式一致的传输矩阵,该传输矩阵的每一行(或列)数据将通过具有不同频率的子载波进行传输,该传输矩阵的每一列(或行)数据将在不同时刻进行传输。当所述时频编码模块504对一个码片进行映射后,该码片在生成的传输矩阵中多次出现,就说明该码片将会在不同的时间和/或不同的频率进行传输,从而可以实现时间分集和/或频率分集的增益,进而提高传输数据的可靠性。除了希望达到时间分集和频率分集增益,基于接收端译码复杂度的考虑,所述编码矩阵应具有基于正交设计的结构,即,编码矩阵的行元素与行元素(或者列元素与列元素)之间的内积为0,从而便于在接收端使用最大似然检测进行译码。由于编码矩阵的行元素与行元素(或者列元素与列元素)之间是正交的,所以所述时频编码模块504对每组内的码片进行映射后所的到的多路传输数据也是相互正交的。
所述OFDM调制模块505,用于将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上。具体地,所述OFDM调制模块505对时频编码后每一路传输数据进行快速傅里叶变换(IFFT),将各路传输数据映射到相应的多个子载波上,其中,所述多个子载波之间在频域上是正交复用的。然后,所述OFDM调制模块505将所有子载波的数据进行相加,生成OFDM符号,以实现OFDM调制。由于时频编码后的多路传输数据是通过映射编码矩阵而获得的,所以在时频编码后的多路传输数据中,至少存在两路传输数据,其之间存在正交性。在将彼此之间具有正交性的两路或者多路传输数据调制到不同的子载波上的时候,优选地,所述OFDM调制模块505尽量使用频率相隔较远的子载波进行调制。当多个子载波沿电力线传输的时候,在一个OFDM符号传输的时间内,频率相隔较近的子载波,其信道的相关性较大,而频率相隔较远的子载波,其信道的相关性较小,采用频率相隔较远的子载波对两个或者多个正交的数据进行调制,不但可以达到频率复用的效果,还可以减小由于相关衰落信道所导致的传输性能的下降。
所述耦合模块506,将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输。具体地,OFDM调制后,耦合模块506可以通过例如电容耦合或者电感耦合的方式,将OFDM调制后的信号耦合至高压电力线或者低压电力线上,以电力线为媒介进行传输。
可选地,还包括射频调制模块(未示出),在进行电力线耦合之前,根据传输需求,射频调制模块对OFDM调制后的信号进行射频调制形成高频信号,然后耦合模块506将该高频信号通过耦合注入至电力线中传输。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外,显然“包括”一词不排除其他单元或步骤,单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。
Claims (8)
1.一种基于时频编码的电力线载波通信的发送方法,该方法的步骤包括:
对发送数据进行扩频处理,形成多个码片;
对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交;
将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上;
将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输;
其中,所述对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据的步骤包括:
将所述多个码片进行分组,并将每个分组内的码片通过编码矩阵的映射,形成多路传输数据。
2.根据权利要求1所述的发送方法,其中,所述编码矩阵为正交矩阵。
3.根据权利要求1或2所述的发送方法,其中:
将所述每个分组内的码片经过时频编码后所形成多路传输数据映射至相互正交频分复用的多个子载波上,该多个子载波相互之间存在一定的频率间隔。
4.根据权利要求1所述的发送方法,其中:
所述扩频处理包括直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频或者线性调频。
5.一种基于时频编码的电力线载波通信的发送装置,其中:
扩频模块,用于对发送数据进行扩频处理,形成多个码片;
时频编码模块,用于对所述多个码片进行时频编码,形成多路传输数据,其中,对于任何一路传输数据,均存至少一路另外的传输数据与其正交;
OFDM调制模块,用于将所述多路传输数据映射到多个相互正交频分复用的子载波上;
耦合模块,用于将所述子载波上的传输数据耦合至电力线上进行传输;
其中:
所述时频编码模块将所述多个码片进行分组,并将每个分组内的码片通过编码矩阵的映射,形成多路传输数据。
6.根据权利要求5所述的发送装置,其中,所述编码矩阵为正交矩阵。
7.根据权利要求5或6所述的发送装置,其中:
所述OFDM调制模块将所述每个分组内的码片经过时频编码后所形成多路传输数据映射至相互正交频分复用的多个子载波上,该多个子载波相互之间存在一定的频率间隔。
8.根据权利要求5所述的发送装置,其中:
所述扩频模块对发送数据进行直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频或者线性调频处理。
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