CN102832963A

CN102832963A - 用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统及方法

Info

Publication number: CN102832963A
Application number: CN2012103265024A
Authority: CN
Inventors: 崔宇昊; 刘述刚; 吴斌
Original assignee: ZHUHAI ZHONGHUI MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: ZHUHAI ZHONGHUI MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: CN102832963B

Abstract

本发明公开一种用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统及方法，系统包括接收装置和发送装置，接收装置还包括信噪比检测模块，根据所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号计算信噪比；发送装置的速率选择模块接收所述信噪比并根据信噪比选择合适的扩频码并对待发送数据进行扩频处理。方法包括接收和发送两个流程，主要在于：根据时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号计算信噪比，并根据该信噪比选择合适的扩频码，以此对待发送数据进行扩频处理。本发明可以实时检测通信环境，根据实时检测结果自动调整通信速率。

Description

用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统及方法

【技术领域】

本发明涉及电力线载波通信领域，具体涉及用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统及方法。

【背景技术】

低压电力线载波通信是电力通信系统中最基本的一种通信方式，它是利用电力线作为传输通道，不需单独架设线路和维护线路，而且电力线路结构坚固，因此电力线载波通信也是电力系统中特有的通信方式，目前已广泛应用于集中抄表、智能家居、智能楼宇等领域。然而低压电力线网络结构和负荷复杂、工作环境恶劣、信号衰减大，低压电力线信道噪声干扰和时变衰减是其固有的缺陷，这造成了电力线传输数据速率较低、可靠性也比较差，严重制约了电力线载波通信技术的推广应用。目前国家正在大力推动智能电网的建设，而低压载波通信作为一种解决智能电网中存在的“最后一公里”问题的重要技术手段，将会发挥越来越大的作用。因此解决低压电力线载波通信的可靠性、提高通信速率成为了发展低压载波通信技术的关键。

扩频通信是目前电力线载波通信领域应用较为广泛的一种通信技术。该技术虽然具有抗干扰能力强，保密性好，抗衰落、抗多径干扰能力强，具有多址能力、易于实现码分多址等优点，然而在实际应用过程中还不尽如人意，存在通信成功率不高、通信速率较慢等问题。电力线载波扩频通信的通信速率与实时通信环境息息相关，环境好时（噪声干扰较少、衰减较小、电力线布线规范），在不影响通信质量的情况，通信速度可适当提高；环境恶劣时（噪声干扰大时、衰减较大、电力线布线复杂），可适当降低通信速度，以换取较高的通信可靠性。在无线通信领域，已经有一些速率自适应的方法，但这些方法并不一定适合应用于电力线载波。

扩频通信是通过注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内的通信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样。扩展带宽与初始信号之比称为处理增益(dB)，典型的扩频处理增益可以从10dB到60dB。

典型的扩频技术，如直序扩频，是在信号发射之前的引入相应的扩频码，这个过程称为扩频处理，结果将信息扩散到一个更宽的频带内。在接收链路中数据恢复之前移去扩频码，称为解扩。解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。显然，在信息传输通路的收发两端都需要预先知道扩频码，并且扩频码的长度直接决定着扩频增益。

在实际的系统中，一般扩频后的码元速率是恒定的，当改变PN码的长度时，就相应地改变了扩频增益，进而改变了基带数据的传输速率。PN码一般情况选择M序列，只有接收到的码元匹配到相应的PN码时，才能成功解扩出数据。在发送数据时，根据接收信号的信噪比来确定发送数据的PN码，当信噪比较高时，选择较短的PN码，这样基带传输速率将提高，当信噪比较低时，选择较长的PN码，增加了扩频增益，提高了抗干扰性能。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统及方法，可以实时检测通信环境，根据实时检测结果自动调整通信速率。上述目的由以下技术方案实现：

一种用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统，包括接收装置和发送装置；

接收装置包括：输入信号调理模块，用于将输入信号转换成采样模块能够识别的时间上、幅值上都连续的模拟信号；AD采样模块，用于将所述时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号；解调模块，对所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号解调，得到扩频数据序列；扩频码匹配及解扩模块，用于为所述扩频数据序列匹配合适的扩频码，对所述扩频数据序列进行解扩,得到基带二进制数据流；基带数据形成模块，将解扩后的数据处理为原始的基带数据；

发送装置包括：待发数据组织模块，对待发送数据进行格式化，并添加帧同步头；速率选择模块，选择扩频码并对待发送数据进行扩频处理；信号调制模块，用于对扩频信号进行调制；耦合放大模块，用于对通信信号进行放大，并耦合到电力线上；

其特征在于：接收装置还包括信噪比检测模块，根据所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号计算信噪比；发送装置的速率选择模块接收所述信噪比并根据信噪比选择合适的扩频码并对待发送数据进行扩频处理。

一种用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，包括接收和发送两个流程；

接收流程包括：（1）将输入信号转换成采样模块能够识别的时间上、幅值上都连续的模拟信号；（2）将所述时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号；（3）对所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号解调，得到扩频数据序列；（4）为所述扩频数据序列匹配合适的扩频码，对所述扩频数据序列进行解扩,得到基带二进制数据流；（5）将解扩后的数据处理为原始的基带数据；

发送流程包括：a.待发数据组织模块，对待发送数据进行格式化，并添加帧同步头；b.速率选择模块，选择扩频码并对待发送数据进行扩频处理；c.信号调制模块，用于对扩频信号进行调制；d.耦合放大模块，用于对通信信号进行放大，并耦合到电力线上；

其特征在于：还包括根据所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号计算信噪比，并根据该信噪比选择合适的扩频码，以此对待发送数据进行扩频处理的步骤。

作为具体的技术方案，步骤（1）先对输入信号进行放大处理，之后进行滤波处理，得到所述时间上、幅值上都连续的模拟信号。

作为具体的技术方案步骤（2）采用过采样方式进行采样，具体包括三步：1）高速采样所述时间上、幅值上都连续的模拟信号；2）对采样后的数据进行数字低通滤波；3）滤波后抽取数字序列。

作为具体的技术方案，所述扩频码匹配的方法如下：分别用三种PN码与之前获得的扩频码序列移位进行相关运算，寻找匹配相关系数大于判决阈值的扩频码序列，其中一个PN码匹配系数连续大于阈值三次，则之后以该PN码为解扩PN码进行匹配解扩运算。

作为具体的技术方案，对所述数字信号进行解扩的方法如下：解扩PN码的每次匹配解扩出1bit基带数据，通过解扩匹配运行，得到基带二进制数据流。

作为具体的技术方案，步骤（5）具体为;首先通过帧同步头数据匹配运算对所述基带二进制数据流寻找帧同步头，找帧同步头则按bit位顺序获得完整的基带数据报文。

作为具体的技术方案，所述根据该信噪比选择合适的扩频码的具体方法为：采用模糊隶属度分类，将信噪比分成三个等级，每个等级分别对应一种通信速率的扩频码。

本发明公开的系统及方法通过检测实时通信环境，根据实时检测结果自动调整通信速率。在通讯环境较好时，采用较高通信速率，在通信环境比较恶劣时，降低通信速率以提高通信可靠性。

【附图说明】

图1是实施例提供的电力线载波扩频通信的速率自适应系统的结构框图。

图2是实施例提供的扩频码匹配相关系数算法示意图。

以下结合附图及示例对本发明作进一步说明。

【具体实施方式】

结合图1所示，本实施例提供的电力线载波扩频通信的速率自适应系统包括接收装置和发送装置。其中，接收装置包括：输入信号调理模块、采样模块、信噪比检测模块、解调模块、扩频码匹配及解扩模块、基带数据形成模块；发送装置包括待发数据组织模块、速率选择模块、信号调制模块及耦合放大模块。

下面说明上述各模块的功能及速率自适应调整的流程。以BFSK调制（数字频率调制又称频移键控）方式为例，载波基带数据通信速率的可调范围为：150bps、300bps、600bps，对应的PN码长度分别为31、63、127。

（一）接收装置各模块的功能及整个接收流程如下：

1、输入信号调理模块：对输入到接收系统中的模拟信号进行放大、滤波处理，滤除带外干扰，将输入信号转换成采样模块能够识别的时间上、幅值上都连续的模拟信号。本实施例中的输入信号调理模块主要通过放大电路及带通滤波电路实现。

2、AD采样模块：将输入的时间上、幅值上都连续的模拟信号，转换成时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号。本实施例采用过采样技术以确保较高的采样精度，过采样技术分三步：1）高速（相对于输入信号频谱）采样模拟信号；2）数字低通滤波；3）抽取数字序列。采用这项技术，既保留了输入信号的较完整信息，降低了对输入信号频谱的要求，又可以提高采样子系统的精度。

3、信噪比（S/N）检测模块：根据所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号计算信噪比。信噪比是衡量一个信号质量优劣的指标，它是在指定频带内，同一端口信号功率P_s和噪声功率P_n的比值，即：

当用分贝表示信噪比时，有

信噪比越大，信号质量越好。本实施例中采用分贝表示，并将检测到的数据传输给发送系统中的速率选择模块。

4、解调模块：对所述时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号解调，得到扩频数据序列。对于BFSK来说，由于其采用两个不同频率的信号分别代表‘0’和‘1’，故其解调的过程就是鉴频的过程，即通过对采样到的离散信号序列的FFT分析，完成鉴频，进而完成解调。

5、扩频码匹配及解扩模块，用于对所述数字信号匹配合适的扩频码，并对所述扩频数据序列进行解扩。PN码的长度决定基带速率，扩频码匹配的方法如下：分别采用三种长度的PN码进行数据匹配，即分别用三种PN码与之前获得的扩频码序列移位进行相关运算，寻找匹配相关系数大于判决阈值的扩频码序列，PN码的匹配算法见图2。其中一个PN码匹配系数连续大于阈值3次，则之后以该PN码为解扩PN码进行匹配解扩运算，同时也自适应了数据发送方采用的数据通信速率。解扩PN码的每次匹配均可解扩出1bit基带数据，通过解扩匹配运行，可得到基带二进制数据流。

6、基带数据形成模块，对解扩后的基带二进制数据流进行处理，得到原始的基带数据。具体地：首先进行帧同步。通过帧同步头数据匹配运算来寻找帧同步头，一旦帧同步上，则按bit位顺序获得完整的基带数据报文。

（二）发送系统各模块的功能及整个接收流程如下：

1、待发数据组织模块：对待发送数据进行格式化，并添加帧同步头。

2、速率选择模块：根据发送系统检测到的信噪比选择合适的PN码并对上述处理后的待发送数据进行扩频处理。其中，速率选择的具体方法为：采用模糊隶属度分类，将信噪比即电力线载波通信信道环境的恶劣程度分成三个等级，每个等级分别对应一种通信速率。采用下式进行分类：

φ (S / N) = \{\begin{matrix} 2 & (S / N > S_{2}) \\ 1 & (S_{1} < S / N < S_{2}) \\ 0 & (S / N < S_{1}) \end{matrix}

其中：S₁、S₂为信噪比的分类间隔，需结合硬件电路的设计进行确定。

3、信号调制模块：用于对扩频信号进行调制，变换成易于在信道上传输的信号。

4、耦合放大模块：用于将通信信号进行放大，并耦合到电力线上。

Claims

1.一种用于电力线载波扩频通信的速率自适应系统，包括接收装置和发送装置；

2.一种用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，包括接收和发送两个流程；

发送流程包括：a.待发数据组织模块，对待发送数据进行格式化，并添加帧同步头b.速率选择模块，选择扩频码并对待发送数据进行扩频处理；c.信号调制模块，用于对扩频信号进行调制d.耦合放大模块，用于对通信信号进行放大，并耦合到电力线上；

3.根据权利要求2所述的用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，其特征在于，步骤（1）是先对输入信号进行放大处理，之后进行滤波处理，得到所述时间上、幅值上都连续的模拟信号。

4.根据权利要求2所述的用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，其特征在于，步骤（2）采用过采样方式进行采样，具体包括三步：1）高速采样所述时间上、幅值上都连续的模拟信号；2）对采样后的数据进行数字低通滤波；3）滤波后抽取数字序列。

5.根据权利要求2所述的用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，其特征在于，所述扩频码匹配的方法如下：分别用三种PN码与之前获得的扩频码序列移位进行相关运算，寻找匹配相关系数大于判决阈值的扩频码序列，其中一个PN码匹配系数连续大于阈值三次，则之后以该PN码为解扩PN码进行匹配解扩运算。

6.根据权利要求5所述的用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，其特征在于：对所述数字信号进行解扩的方法为：解扩PN码的每次匹配解扩出1bit基带数据，通过解扩匹配运行，得到基带二进制数据流。

7.根据权利要求6所述的用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，其特征在于：步骤（5）具体为;首先通过帧同步头数据匹配运算对所述基带二进制数据流寻找帧同步头，找帧同步头则按bit位顺序获得完整的基带数据报文。

8.根据权利要求2所述的用于电力线载波扩频通信的速率自适应方法，其特征在于：所述根据该信噪比选择合适的扩频码的具体方法为：采用模糊隶属度分类，将信噪比分成三个等级，每个等级分别对应一种通信速率的扩频码。