CN103209145B

CN103209145B - 一种基于ofdm调制的电力线载波信道检测方法

Info

Publication number: CN103209145B
Application number: CN201310130489.XA
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: CN103209145A

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，首先一系列的已知导频数据，填充到OFDM各个子载波上；接着利用快速傅立叶反变换（IFFT）将OFDM频域数据转换成时域OFDM数据符号，同时，根据系统抗多径时延和同步定时偏差的要求，在OFDM符号之前插入合适长度的循环前缀，形成基本OFDM符号数据；然后，定义一组长度为K且由+1和-1组成的序列；再利用该序列对基本OFDM符号数据进行调制，形成最终的OFDM调制信号并耦合到电力线上进行发送；接收端依次提取每一个OFDM符号数据，并利用导频信息进行信道估计；最后，接收端根据信道估计的结果和发送端定义的序列进行联合MMSE子载波信噪比估计。本发明可以在恶劣电力线信道环境下实现比较准确的子载波信噪比估计。

Description

一种基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法

技术领域

本发明涉及电力线载波通信领域，特别是涉及一种基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法。

背景技术

电力线载波通信技术简称PLC，是指利用电力线传输数据的一种通信方式。电力线载波通信的工作频率远大于电网的工频信号50Hz或60Hz，这样的高频信号可以与电能同时在电力线里传输，因此，可以充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“NoNewWires”技术，节约了资源，同时也节省了人力，节约了线缆投资，加快了网络开通时间。特别是电力线载波通信系统可应用在自动抄表(AMR)、远程投/切开关、能量/负荷管理、设备监视和断电告警等领域，能够极大提高电网的安全性和可靠性，改善服务质量和经济效益。

然而，由于电力线本身并不是为了通信而设计的，其电力线环境非常恶劣，存在诸多问题：

●电力线信道的时变衰减大；

●信道模型随位置、网络拓扑结构和连接在网络上的负载变化而变化；

●由噪声负载引入的干扰强；

●背景噪声幅度大；

●不同类型的脉冲噪声复杂；

●电磁兼容(EMC)限制发射机发送的信号能量。

因此，电力线信道并不是十分合适的通信媒介，存在严重的干扰、严重阻抗失配和多径衰落严重等问题。

正是由于电力线信道复杂多变，其信道特性会随时间和负载的变化而变化，在实际电力线载波通信中，需要根据信道条件采取相应的自适应编码调制解调技术来提高信息传输的可靠性和传输效率。而自适应编码调制解调技术的前提就是对信道的质量做出准确的评估。而子载波信噪比表征的是通信信道信号与噪声和干扰的相对特性，亦即功率比值，是信道链路质量的一种重要度量，能够为信道质量提供可靠而有效的依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，以实现高质量的信道检测。

一种基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，包括以下步骤：

1）发送端引入M个已知导频数据，所述M为待检测子载波个数；

2）发送端将所述导频数据填充到各个待检测的子载波上，形成OFDM频域数据；

3）发送端利用快速傅立叶反变换将所述OFDM频域数据转换时域OFDM数据符号，然后再所述时域OFDM数据符号之前插入循环前缀，形成基本OFDM符号数据；

4）发送端定义一组长度为K且由+1和-1组成的序列Q；

5）发送端利用所述序列Q对所述基本OFDM符号数据进行调制，形成最终的OFDM调制信号并耦合到电力线上进行发送；

6）接收端接收所述OFDM调制信号，从中依次提取出每一个基本OFDM符号数据并通过FFT运算得到K组OFDM频域数据；

7）接收端利用所述序列Q对所述K组OFDM频域数据进行调制，得到符号方向一致的K组OFDM频域调整数据；

8）接收端利用所述导频数据和最小二乘法准则分别对每一组的有效子载波进行信道估计，获得信道的频域响应估计值；

9）接收端根据所述K组OFDM频域调整数据、导频数据和频域响应估计值，并结合最小均方误差算法，估计出每个子载波的信噪比。

优选地，所述导频数据是通过伪随机序列的BPSK映射得到，或者是由全1序列通过线性反馈移位寄存器进行加扰后得到。

所述步骤2）还包括：将不发送数据的子载波置零。

所述序列Q是伪随机PN序列或巴克码序列。

所述序列Q的长度K≥10。

本发明与现有技术对比的有益效果在于：本发明的信道检测方法可以在恶劣电力线信道环境下实现比较准确的子载波信噪比估计，而且能够对电力线环境下的各种干扰做出相应的评估，进而为OFDM数据的自适应调制和可靠传输提供有效的依据。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的OFDM导频数据填充示意图；

图2是本发明具体实施方式的基本OFDM符号数据的数据结构示意图；

图3是本发明具体实施方式的流程图；

图4是本发明具体实施方式的信道评估的信道SNR分布图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选具体实施方式对本发明进行详细的阐述。

本优选实施例的基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，首先利用一定的方式，产生一系列的已知导频数据，然后将导频数据填充到OFDM各个子载波上，同时，将不发送数据的子载波置零；接着利用快速傅立叶反变换（IFFT）将OFDM频域数据转换成时域OFDM数据符号，同时，根据系统抗多径时延和同步定时偏差的要求，在OFDM符号之前插入合适长度的循环前缀，形成基本OFDM符号数据；然后，定义一组长度为K且由+1和-1组成的序列，该序列可以自由定义，也可以是伪随机PN序列或者是巴克码序列；再利用该序列对基本OFDM符号数据进行调制，形成最终的OFDM调制信号并耦合到电力线上进行发送；接收端根据同步定时提供的位置信息，依次提取每一个OFDM符号数据，并利用导频信息进行信道估计；最后，接收端根据信道估计的结果和发送端定义的序列进行联合MMSE子载波信噪比估计。

所以，如图3所示，本优选实施例的基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法具体实现流程如下：

1）首先，利用一定的方式，产生一系列的已知导频数据。导频数据的个数等于需要检测的信噪比特性的子载波的个数，设为M。该已知导频数据可以为复数，也可以是实时。本实施例的导频数据P为复数，即：

P={P₁,P₂,P₃,...,P_M-1,P_M},P_i∈complex(1)公式(1)中，产生导频数据的方式可以是利用反馈移位寄存器产生的伪随机序列的BPSK映射得到，也可以是全1序列通过线性反馈移位寄存器进行加扰后得到。产生导频数据的原则是确保传输的导频数据的随机性，以降低OFDM的峰值平均功率比(PAPR），防止OFDM信号的非线性失真和产生谐波所造成的频谱扩展干扰及带内信号畸变，以确保整个系统的性能。

2）将导频数据填充到OFDM各个子载波上，同时，将不发送数据的子载波置零，形成OFDM频域数据，设OFDM符号的子载波总数为N，则OFDM导频数据填充示意图如图1所示。

3）利用快速傅立叶反变换（IFFT）将OFDM频域数据转换成时域OFDM数据符号，同时，根据系统抗多径时延和同步定时偏差的要求，在所述时域OFDM数据符号之前插入合适长度的循环前缀，形成基本OFDM符号数据，其数据结构如图2所示。本实施例中，时域OFDM符号数据体长度为T_U，循环前缀长度为T_CP，因此，整个基本OFDM符号长度T_S=T_U+T_CP。

4）定义一组长度为K且由+1和-1组成的序列Q，该序列可以自由定义，也可以是伪随机PN序列或者是巴克码序列。序列Q的选取原则是+1和-1的个数相当，并且确保+1和-1有一定随机间隔性。同时，K的长度要综合考虑计算复杂度与子载波信噪比评估的准确性，一般取K≥10。序列Q如公式（2）所示：

Q={Q₁,Q₂,Q₃,...,Q_K-1,Q_K}(2)

5）利用序列Q对基本OFDM符号数据进行调制，形成最终的OFDM调制信号S(t)并耦合到电力线上进行发送，即

S (t) = Σ_{j = 0}^{K - 1} Q_{j + 1} \cdot rect (\frac{t - j \cdot T_{S}}{T_{S}}) \cdot {base}_{OFDM} (t - j \cdot T_{S}) - - - (3)

其中，

rect (\frac{t}{T}) = \{\begin{matrix} 1, & 0 \leq t / T \leq 1 \\ 0, & other \end{matrix}

为矩形函数，

{base}_{OFDM} (t) |_{t = 0}^{T_{S}}

表示基本OFDM符号数据。

6）接收端根据同步定时提供的位置信息，依次提取每一个基本OFDM符号数据，作FFT运算得到K组OFDM频域数据，即

Frame (f) |_{j} = FFT {[rect (\frac{t - j \cdot T_{S}}{T_{S}}) \cdot r_{OFDM} (t - j T_{S})] |_{t_{pos} + j \cdot T_{S}}^{t_{pos} + T_{U} + j \cdot T_{S}}} - - - (4)

上式中，r_OFDM(t)表示接收的时域OFDM符号数据，t_pos表示同步定时的时刻位置。

7）接收端利用序列Q对所述K组OFDM频域数据进行调制，得到符号方向一致的K组OFDM频域调整数据，即

Frame_m(f)|_j=Q_j·Frame(f)|_j,j=1,2,3,...,K（5）

此时，如果系统不存在噪声和任何计算误差，此时的K组OFDM频域调整数据是完全一致的。

8）接收端利用导频信息和最小二乘法准则（LS）分别对每一组的有效子载波进行信道估计，获得信道的频域响应的估计值，即

H_{j} (f_{i}) = \frac{Frame_m (f_{i}) |_{j}}{P_{i}}, i = 1,2,3, . . ., M; j = 1,2,3, . . ., K - - - (6)

9）接收端根据接收K组OFDM频域数据、导频数据和频域信道响应值，并结合最小均方误差（MMSE）算法，评估出每个子载波的信噪比。子载波信噪比评估具体过程如下：

首先，电力线中接收的频域OFDM信号可以表征为如下形式：

Y_j(f_i)=Frame_m(f_i)|_j=H_j(f_i)·P_i+N_j(f_i)+I_j(f_i)（7）

N(f_i)和I(f_i)分别表示信道的噪声和干扰。

为了使得每一个子载波上的均方误差最小，即

ϵ_{\min} = \min {E [Σ_{j = 1}^{K} {| Y_{j} (f_{i}) - {\hat{H}}_{j} (f_{i}) \cdot P_{i} |}^{2}]} - - - (8)

对公式（8）中的进行求导数处理，并令其导数为零，得到

{\hat{H}}_{j} (f_{i}) = \frac{R_{P * Y}}{E [{| P_{i} |}^{2}]} - - - (9)

其中，

R_{P * Y} = {(R_{PY *})}^{*} = E [P_{i} \cdot Y_{j} {(f_{i})}^{*}] - - - (10)

因此，每个子载波上的信噪比可以表示接收信号功率与噪声功率的比值，即：

{\hat{ρ}}_{i} = \frac{{| {\hat{H}}_{j} (f_{i}) |}^{2} \cdot E [{| P_{i} |}^{2}]}{ϵ^{2}} = \frac{{| R_{P * Y} |}^{2}}{E [{| Y_{j} (f_{i}) |}^{2}] \cdot E [{| P_{i} |}^{2}] - {| R_{P * Y} |}^{2}} - - - (11)

发明人对本发明提出的基于OFDM调制的电力线载波自适应信道检测方法进行了计算机仿真，主要仿真参数如表1所示：

表1

仿真中采用表2所示的信道模型。

表2

抽头	幅度(dB)	延时（us）
			1	-7.8	0.519

2	-24.8	1.003
			3	-15.0	5.422
4	-10.4	2.752
			5	-11.7	0.603
6	-24.2	1.017
			7	-16.5	0.144
8	-25.8	0.154
			9	-14.7	3.320
10	-7.9	1.940
			11	-10.6	0.430
12	-9.1	3.230
			13	-11.6	0.850
14	-12.9	0.074
			15	-15.3	0.204
16	-16.5	0.194
			17	-12.4	0.924
18	-18.7	1.380
			19	-13.1	0.641
20	-11.7	1.369

基于表2的信道评估的信道SNR分布图，如图4所示，其中系统SNR=12。由图4可见，本发明实施例提出的方法对子载波的信噪比估计是相对准确而可靠的，可以为自适应编码调制解调方案的实施提供有效的依据和参考。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)发送端引入M个已知导频数据，所述M为待检测子载波个数；

2)发送端将所述导频数据填充到各个待检测的子载波上，同时，将不发送数据的子载波置零，形成OFDM频域数据；

3)发送端利用快速傅立叶反变换将所述OFDM频域数据转换成时域OFDM数据符号，然后在所述时域OFDM数据符号之前插入循环前缀，形成基本OFDM符号数据；

4)发送端定义一组长度为K且由+1和-1组成的序列Q，所述序列Q中+1和-1的个数相当，并且+1和-1有随机间隔性；

5)发送端用所述序列Q对所述基本OFDM符号数据进行调制，形成最终的OFDM调制信号并耦合到电力线上进行发送；

6)接收端接收所述OFDM调制信号，从中依次提取出每一个基本OFDM符号数据并通过FFT运算得到K组OFDM频域数据；

7)接收端利用所述序列Q对所述K组OFDM频域数据进行调制，得到符号方向一致的K组OFDM频域调整数据；

8)接收端利用所述导频数据和最小二乘法准则分别对待检测子载波进行信道估计，获得信道的频域响应估计值；

9)接收端根据所述K组OFDM频域调整数据、导频数据和频域响应估计值，并结合最小均方误差算法，估计出每个子载波的信噪比。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，其特征在于：所述导频数据是通过伪随机序列的BPSK映射得到，或者是由全1序列通过线性反馈移位寄存器进行加扰后得到。

3.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，其特征在于：所述步骤2)还包括：将不发送数据的子载波置零。

4.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，其特征在于：所述序列Q是伪随机PN序列或巴克码序列或者其他自定义的序列。

5.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波信道检测方法，其特征在于：所述序列Q的长度K≥10。