CN103236914B - 一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法及装置，利用如表达式P的调制信号对线性调频信号L(t)进行调制得到同步信号，由于表达式P所示的调制信号具有良好的相关性能，且线性调频信号也具有良好的自相关和互相关性能，使得生成的同步信号也具有良好的相关性，即可为同步定时提供准确和可靠的位置。另一方面，线性调频信号类似于一般的正弦信号，具有恒定的包络幅度，使得生成的同步信号也具有恒定的包络幅度，抗噪声性强。再者，生成方法中，同步信号的频段范围与线性调频信号的参数设置有关，需要生成何种频段范围的同步信号，对应设置线性调频信号的参数即可，使得同步信号的频段范围方便可调。

Description

一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法及装置

【技术领域】

本发明涉及电力线载波通信系统，特别是涉及一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法及装置。

【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。它可以充分利用现有的配电网络基础设施，无需任何布线，就能够为用户提供数据通信服务。电力线载波通信系统属于突发的通信系统，其对同步性能要求非常严格，任何时间或频率上的误差，都会对电力线载波通信系统的性能造成很大的损失。因此，恰当的设计同步信号，使发射端和接收端快速准确的获得同步，对电力线载波通信系统具有重要意义。

现有技术中，通常利用两个或多个重复的OFDM数据设计同步信号。但是，由于重复的OFDM数据的相关性并不强，导致所生成的同步信号同步精确度不高，抗噪声性也不强。而电力线载波通信系统中，电力线信道是非常恶劣的信道，各种干扰噪声复杂，阻抗变换大，衰减较大，存在严重的干扰、严重阻抗失配和多径衰落严重等问题。因此，上述方法生成的同步信号无法满足应用时使发射端和接收端准确同步以及抗噪声性强的要求。

另外，不同国家和地区对电力线载波通信的通信频段要求是不同的，欧洲的CENELEC规定A信道频带10kHzto95kHz、B信道频带95kHzto120kHz、C信道频带120kHzto140kHz，美国的通信委员会FCC规定采用10kHzto490kHz，而我国规定电力线载波通信频段为3kHz～500kHz。因此，电力线载波通信系统中要求设计的同步信号能适应多个国家和地区对频段的要求。综上所述，如何设计一种同步信号，其精确度高、抗噪声性强且能适应不同国家和地区对电力线载波频段的要求，是电力线载波通信技术中需要解决的问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法及装置，其生成的同步信号能使发射端和接收端准确同步、抗噪声性强且能适应不同国家和地区对电力线载波频段的要求。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法，用于生成N段、信号幅度为B、每段信号调制时间为T₀、频带范围为f₁～f₂的同步信号；包括以下步骤：1）引入码长为N的调制信号P，P={a₀,a₁,B,a_N-1},其中，a_i=±1；2）引入线性调频信号L(t)：式中，A为所述线性调频信号的信号幅度；T为所述线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\≤t/T\≤1\\ 0,& \mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为所述线性调频信号的初始时刻相位：f₀为所述线性调频信号的起始频率；μ为所述线性调频信号的调频斜率；3）设置所述线性调频信号L(t)的参数：设置A=B，设置f₀=f₁，设置T=T₀，设置4）使用所述调制信号调制设置参数后的所述线性调频信号，得到同步信号S(t)，其表达式为：

优选的技术方案中，

还包括步骤5），优化同步信号：将步骤4）中得到的同步信号中最前面的m个点作为前缀增加到所述步骤4）中得到的同步信号的最前端，增加前缀后的同步信号即为优化后的同步信号；m为正整数，取值不超过所述同步信号的信号点数。这样增加前缀后，优化得到的同步信号，不仅包含基本组成部分，还包含一段前缀信号，可以满足通信系统中接收端AGC功率控制的需求，确保接收同步信号的功率的稳定性。增加的前缀的信号点数可根据系统抗干扰性和功耗要求综合设定：前缀的点数取得较多，优化后同步信号抗干扰性越强，但系统的功耗会相应增大，因此前缀点数最大不超过同步信号的信号总点数即可，以免引起系统不必要的功耗开销。

进一步优选的技术方案中，

所述步骤3）中还包括设置参数这样设置线性调频信号，使得其在t=0的初始时刻相位是幅度为零，可确保生成的同步信号的起始时刻幅度从零开始，以减小硬件的幅度冲击响应。

所述调制信号由伪随机序列、巴克码、伪随机序列的截断码或者巴克码的截断码选取而来。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：

一种电力线载波通信系统的同步信号生成装置，用于生成N段、信号幅度为B、每段信号调制时间为T₀、频带范围为f₁～f₂的同步信号；包括调制信号生成模块、线性调频信号生成模块、参数设置模块和调制模块；所述调制信号生成模块生成码长为N的调制信号P，P={a₀,a₁,B,a_N-1},其中，a_i=±1；所述调制信号生成模块的输出端连接所述调制模块的第一输入端；所述线性调频信号生成模块生成线性调频信号L(t)：式中，A为所述线性调频信号的信号幅度；T为所述线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\≤t/T\≤1\\ 0,& \mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为所述线性调频信号的初始时刻相位：f₀为所述线性调频信号的起始频率；μ为所述线性调频信号的调频斜率；所述线性调频信号生成模块的输出端连接所述参数设置模块的输入端；所述参数设置模块设置所述线性调频信号L(t)的参数：设置A=B，设置f₀=f₁，设置T=T₀，设置所述参数设置模块的输出端连接所述调制模块的第二输入端；所述调制模块接收所述调制信号和设置参数后的所述线性调频信号，使用所述调制信号调制设置参数后的所述线性调频信号，得到同步信号S(t)，其表达式为：

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的电力线载波通信系统的同步信号生成方法及装置，利用如表达式P的调制信号对线性调频信号L(t)进行调制得到同步信号，由于表达式P所示的调制信号具有良好的相关性能，且线性调频信号也具有良好的自相关和互相关性能，使得生成的同步信号也具有良好的相关性，即可为同步定时提供准确和可靠的位置，使同步信号具有使接收端和发射端数据符号准确同步的功能。另一方面，线性调频信号类似于一般的正弦信号，具有恒定的包络幅度，使得生成的同步信号也具有恒定的包络幅度，幅度变化比较有规则，对幅度限幅不太敏感，抗噪声性强。再者，生成方法中，同步信号的频段范围与线性调频信号的参数设置有关，需要生成何种频段范围的同步信号，对应设置线性调频信号的参数，需调节生成的同步信号的频段范围时，修改参数设置即可，使得同步信号的频段范围方便可调，以满足适应不同国家和地区对电力线载波频段的要求。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式中同步信号生成方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式中设置参数后的线性调频信号的波形图；

图3是本发明具体实施方式中同步信号的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式中经优化后的同步信号的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中得到的经优化后的同步信号的波形图；

图6是本发明具体实施方式中得到的经优化后的同步信号的频谱图；

图7是本发明具体实施方式中接收端接收的同步信号在-2dB的信噪比情况下的相关峰值示意图；

图8是本发明具体实施方式中同步信号生成装置的结构图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本具体实施方式中电力线载波通信系统的同步信号生成方法，用于生成段数为N=7、信号幅度为B=1、每段信号调制时间为T₀=128×10^-6s、频带范围为10～50kHz的同步信号（即f₁=10kHz，f₂=50kHz）。生成方法包括以下步骤：

步骤101），引入码长为N=7的调制信号P，P={a₀,a₁,B,a_N-1},其中，a_i=±1。本具体实施方式中需生成的同步信号长度为7，即选取的调制信号长度也为7，本具体实施方式中以巴克码作为调制信号，P={+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1}。需要说明地是，调制信号具有P={a₀,a₁,B,a_N-1},其中，a_i=±1这一表达式的形式即可，因此，也可由伪随机序列、伪随机序列的截断码或巴克码的截断码选取得到。

步骤102），引入线性调频信号L(t)：

其中，A为线性调频信号的信号幅度；T为线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\≤t/T\≤1\\ 0,& \mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为线性调频信号的初始时刻相位：f₀为线性调频信号的起始频率；μ为所述线性调频信号的调频斜率。

步骤103），设置线性调频信号L(t)的参数：设置A=B=1，设置f₀=f₁=10kHz，设置T=T₀=128×10^-6s，设置 $\mathrm{\μ}=\frac{f_2-f_1}{T}=\frac{40\×{10}^3}{128\×{10}^{-6}}=3.125\×{10}^8.$ 而可取0-π内的任一值，本具体实施方式中取使得线性调频信号在t=0的初始时刻相位是幅度为零，确保生成的同步信号的起始时刻幅度从零开始，以减小硬件的幅度冲击响应。设置参数后的线性调频信号的波形图如图2所示。

步骤104），使用调制信号调制设置参数后的线性调频信号，得到同步信号S(t)，

得到的同步信号S(t)即是由N段+1或者-1调制的线性调频信号组成，其结构示意图如图3所示。从上述表达式可知，同步信号段数为7、信号幅度为B=1、每段信号调制时间为T₀=128×10^-6s、频带范围为f₁～f₂，即10～50kHz，满足设计要求。

为优化同步信号，可在得到的同步信号前端增加前缀，取同步信号中最前面的m个点作为前缀增加到同步信号的最前端，以此来优化同步信号。优化后同步信号的结构示意图如图4所示，在同步信号S(t)最前端有一段由m个点组成的前缀。其中，m为正整数，取值不超过所述同步信号的信号点数。具体取值可根据接收端AGC功率控制要求和系统开销的要求综合考虑。优化后的同步信号，不仅包含基本组成部分，还包含一段前缀信号，可以满足通信系统中接收端AGC功率控制的需求，确保接收同步信号的功率的稳定性。本具体实施方式中，取m=200，得到的优化同步信号的波形图如图5所示，频谱图如图6所示，从频谱图中可以得到，其频谱范围仍然是10～50kHz。

由上述方法生成的同步信号，利用如表达式P所示的信号对线性调频信号L(t)进行调制，由于如P^N表达式所示的信号具有良好的相关性，且线性调频信号L(t)也具有良好的自相关和互相关性能，使得生成的同步信号S(t)也具有良好的相关性，而信号具有良好的相关性才能在后续接收端被准确识别出来，为同步定时提供准确和可靠的位置，使得接收端和发射端同步，即同步信号具有良好的相关性就能实现使接收端和发射端数据符号准确同步的功能。

另一方面，线性调频信号L(t)类似于一般的正弦信号，具有恒定的包络幅度，使得生成的同步信号S(t)也具有恒定的包络幅度，幅度变化比较有规则，对幅度限幅不太敏感，抗噪声性强。如图7所示，为在-2dB的信噪比情况下，接收端接收的同步信号的的相关峰值示意图。从中可以看出，即使在-2dB的恶劣环境下，接收端同步信号的相关峰值仍然非常明显，表明同步信号抗噪声性很强。

再者，生成方法中，同步信号S(t)的频段范围与线性调频信号L(t)的参数设置有关，需要生成何种频段范围的同步信号S(t)，对应设置线性调频信号L(t)的参数，因此需调节生成的同步信号S(t)的频段范围时，仅通过简单的操作，修改参数设置即可，即可使同步信号S(t)的频段范围方便可调，以满足适应不同国家和地区对电力线载波频段的要求。

本具体实施方式，还涉及一种电力线载波通信系统的同步信号生成装置，其结构图如图8所示，用于生成N段、信号幅度为B、每段信号调制时间为T₀、频带范围为f₁～f₂的同步信号，包括调制信号生成模块1、线性调频信号生成模块2、参数设置模块3和调制模块4，调制信号生成模块1的输出端连接调制模块4的第一输入端，线性调频信号生成模块2的输出端连接参数设置模块3的输入端，参数设置模块3的输出端连接调制模块4的第二输入端。

调制信号生成模块1生成码长为N的调制信号P输出至调制模块4中。其中，P={a₀,a₁,N,a_N-1},其中，a_i=±1。调制信号生成模块1可选取伪随机序列、巴克码、伪随机序列的截断码或者巴克码的截断码生成调制信号P^N。

线性调频信号生成模块2生成线性调频信号L(t)输出至参数设置模块3中。其中，式中，A为线性调频信号的信号幅度；T为线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\≤t/T\≤1\\ 0,& \mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为线性调频信号的初始时刻相位：f₀为线性调频信号的起始频率；μ为线性调频信号的调频斜率。可取0-π内的任一值，可优选取

参数设置模块3设置线性调频信号L(t)的参数：设置A=B，设置f₀=f₁，设置T=T₀，设置将设置参数后的线性调频信号L(t)输入至调制模块4中。

调制模块4接收调制信号P^N和设置参数后的线性调频信号L(t)，使用调制信号P^N调制设置参数后的线性调频信号L(t)，得到同步信号S(t)，其表达式为：

进一步地，还包括优化模块（图中未示出），可对生成的同步信号进行优化，优化模块的输入端连接调制模块4的输出端，接收同步信号S(t)，将接收的同步信号S(t)中最前面的m个点作为前缀增加到接收的同步信号S(t)的最前端，输出增加前缀后的同步信号S(t)。其中，m为正整数，取值不超过所述同步信号的信号点数。

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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，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 (6)

1.一种电力线载波通信系统的同步信号生成方法，用于生成N段、信号幅度为B、每段信号调制时间为T₀、频带范围为f₁～f₂的同步信号；其特征在于：包括以下步骤：

1)引入码长为N的调制信号P，P＝{a₀，a₁，…，a_i，…，a_N-1}，其中，a_i＝±1；

2)引入线性调频信号L(t)：式中，A为所述线性调频信号的信号幅度；T为所述线性调频信号的时间宽度； $rect\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\≤t/T\≤1\\ 0,& other\end{array}\right.$ 为矩形函数；为所述线性调频信号的初始时刻相位：f₀为所述线性调频信号的起始频率；μ为所述线性调频信号的调频斜率；

3)设置所述线性调频信号L(t)的参数：设置A＝B，设置f₀＝f₁，设置T＝T₀，设置 $\mathrm{\μ}=\frac{f_2-f_1}{T};$

4)使用所述调制信号调制设置参数后的所述线性调频信号，得到同步信号S(t)，其表达式为：

还包括步骤5)，优化同步信号：将步骤4)中得到的同步信号中最前面的m个点作为前缀增加到所述步骤4)中得到的同步信号的最前端，增加前缀后的同步信号即为优化后的同步信号；m为正整数，取值不超过所述同步信号的信号点数。

2.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统的同步信号生成方法，其特征在于：所述步骤3)中还包括设置参数

3.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统的同步信号生成方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述调制信号由伪随机序列、巴克码、伪随机序列的截断码或者巴克码的截断码选取而来。

4.一种电力线载波通信系统的同步信号生成装置，用于生成N段、信号幅度为B、每段信号调制时间为T₀、频带范围为f₁～f₂的同步信号；其特征在于：包括调制信号生成模块、线性调频信号生成模块、参数设置模块和调制模块；

所述调制信号生成模块生成码长为N的调制信号P，P＝{a₀，a₁，…，a_i，…，a_N-1}，其中，a_i＝±1；所述调制信号生成模块的输出端连接所述调制模块的第一输入端；

所述线性调频信号生成模块生成线性调频信号L(t)：式中，A为所述线性调频信号的信号幅度；T为所述线性调频信号的时间宽度； $rect\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\≤t/T\≤1\\ 0,& other\end{array}\right.$ 为矩形函数；为所述线性调频信号的初始时刻相位：f₀为所述线性调频信号的起始频率；μ为所述线性调频信号的调频斜率；所述线性调频信号生成模块的输出端连接所述参数设置模块的输入端；

所述参数设置模块设置所述线性调频信号L(t)的参数：设置A＝B，设置f₀＝f₁，设置T＝T₀，设置所述参数设置模块的输出端连接所述调制模块的第二输入端；

所述调制模块接收所述调制信号和设置参数后的所述线性调频信号，使用所述调制信号调制设置参数后的所述线性调频信号，得到同步信号S(t)，其表达式为：

还包括优化模块，所述优化模块的输入端连接所述调制模块的输出端，接收所述同步信号，将接收的同步信号中最前面的m个点作为前缀增加到接收的同步信号的最前端，输出增加前缀后的同步信号；m为正整数，取值不超过所述同步信号的信号点数。

5.根据权利要求4所述的电力线载波通信系统的同步信号生成装置，其特征在于：所述参数设置模块还设置参数

6.根据权利要求4所述的电力线载波通信系统的同步信号生成装置，其特征在于：所述调制信号生成模块选取伪随机序列、巴克码、伪随机序列的截断码或者巴克码的截断码生成所述调制信号。