CN103414495B - 一种电力线载波通信的信号调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通信的信号调制方法，包括以下步骤：选择M组良好互相关特性且码长均为N的伪随机PN序列或其截断码P作为调制信号；将待传输的比特数据流按照每Q比特为一组映射到所述的调制信号上；引入一段线性调频信号L(t)作为基本信号；根据待传输的比特数据流所映射的调制信号，对所述基本信号进行调制，从而将待传输的比特数据流调制到相应的载波频段，得到相应的载波数据信号。本发明的有益效果在于，数据传输可靠性高。

Description

一种电力线载波通信的信号调制方法

技术领域

本发明涉及电力线载波通信领域，特别是涉及一种电力线载波通信的信号调制方法。

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“NoNew Wires”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，存在各种噪声，（包括背景噪声、脉冲噪声），各种杂波干扰（某个频率，无规律，不可预测），各种脉冲干扰（无规律，不可预测）以及严重的时变衰减，因此，电力线信道并不是十分合适的通信媒介。

而目前的很多电力线载波通信系统存在如下问题：传输的可靠性差，抗干扰能力差；通信距离不佳，无法满足应用的需求；成本非常高，给产业化的推广带来了制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电力线载波通信的信号调制方法，使得信号的传输更加可靠。

本发明所提供的技术方案为：

一种电力线载波通信的信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用反馈移位寄存器产生长度和组数均为2m-1的伪随机PN序列，并从中选择M组良好

互相关特性且码长均为N的伪随机PN序列或其截断码P作为调制信号，

$P=\{P_1,P_2,p_3,\·\·\·,P_{M-1},P_M\}\′$

$P_i=\{a_{i1},a_{i2},a_{i3},\·\·\·,a_{\mathrm{iN}}\},$ where a_ij=±1；

B、将待传输的比特数据流按照每Q比特为一组与所述的M组调制信号建立一一对应的关系，其中 $M=2^Q;$

C、引入一段线性调频信号L(t)作为基本信号，其中：

公式中，A为信号幅度，为矩形函数，为初始时刻相位，μ为调频斜率,由公式计算得到，其中BW为线性调频带宽，f₁为起始频率，f₂截止频率，T为线性调频信号的时间宽度；

D、根据待传输的比特数据流所对应的调制信号，对所述基本信号进行调制，从而将待传输的比特数据流调制到相应的载波频段，得到相应的载波数据信号S(t):

优选地，所述初始时刻相位

本发明的有益效果是：1、由于采用线性调频信号作为基本信号，调制后的载波数据信号满足电力线载波通信频谱范围可变的要求，能够适应不同国家和地区对频谱的要求，能够确保产生的调制信号符合国际电力线通信规范；而且调制后的信号对幅度限幅不太敏感，这一点对载波通信同样非常有益；2、由于采用互相关特性好的伪随机序列作为调制信号，接收端能够通过采用M组接收数据同时进行前后相关运算，比较相关最大值，从而准确地确定恢复原始的比特数据流。实验仿真表明：该数据传输方式可以在-6dB信噪比的恶劣信道环境下实现10^-4误比特率，具有良好的数据传输可靠性能。同时，该信号传输方式，使得接收机的相关很简单，运算量也很小，实现成本很低。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的流程图；

图2是本发明具体实施方式中第二组调制信号与各组调制信号的相关特性图；

图3是本发明具体实施方式的线性调频信号的波形图；

图4是本发明具体实施方式的载波数据信号的波形图；

图5是本发明具体实施方式的载波数据信号的频谱分布图。

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。

首先，对本发明的一种电力线载波通信的信号调制方法的技术方案的原理及整体构思进行阐述：

前述的电力线载波通信的数据传输方法，首先利用基于移位的m序列并设定一定的初始相位，产生长度和组数均为2^m-1的伪随机PN序列，然后根据硬件实现的复杂度和相关可靠性要求，精心挑选具有良好互相关特性的M组伪随机PN序列，截断该M组伪随机PN序列或者直接将该M组伪随机序列作为调制信号。接着，将比特数据流每Q(M=2^Q)比特直接映射到相应的伪随机PN序列调制信号上。然后，根据数据传输系统的要求定义一段线性调频信号作为基本信号。再利用映射了待传输数据的调制信号直接对基本信号进行调制，从而将待传输的比特数据流调制到相应的载波频段，从而得到最终传输的载波数据信号。

之所以选择线性调频信号作为基本信号，其原因在于：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10kHz to95kHz、B信道频带95kHz to120kHz、C信道频带120kHz to140kHz，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，所设计的基本信号需要适合不同国家和地区对电力线载波频段的要求，以符合国际电力线通信的规范。而线性调频信号不仅满足频谱在任意频带的要求，而且具有良好的自相关和互相关性能，类似PN序列的性质。另外，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，幅度变化比较有规则，对幅度限幅不太敏感，这一点对载波通信同样非常有益。因此，线性调频信号非常适合作为基本信号。

如图1所示，本实施例的一种电力线载波通信的信号调制方法的具体实现流程如下：

1、首先，根据系统实际的需求，选择合适的m位数和相应的合适的本原多项式g_m(X)，并设定一定的初始相位，利用反馈移位寄存器产生长度和组数均为2^m-1的伪随机PN序列，其中：

$g_m\left(X\right)=X^m+a_{m-1}{X}_{m-1}+\·\·\·a_{1}X+a_0\·\·\·\left(1\right)$

2、根据硬件实现的复杂度和相关可靠性以及抗噪声性能要求，精心挑选具有良好互相关特性的M组码长均为N(N≤2^m-1)的伪随机PN序列或其截断码P作为调制信号，即

$P=\{P_1,P_2,p_3,\·\·\·,P_{M-1},P_M\}\′$

$P_i=\{a_{i1},a_{i2},a_{i3},\·\·\·,a_{\mathrm{iN}}\},$ where aij=±1(2)

需要注意的是，所有不同组的伪随机PN序列需要具有良好的互相关特性，即不同组的伪随机PN序列互相关系数应该较小，远远小于1。其中，N=2^m-1表示所选择的调制信号是步骤1所产生的伪随机PN序列；N=2^m＜1表示调制信号时步骤1所产生的伪随机序列的截断码。

3、将待传输的比特数据流按照每Q(M=2^Q)比特为一组与所述M组调制信号建立一一

对应的映射关系，其映射关系如下表所示

比特数据bQbQ-1…b2b1	PN调制信号
		00…00	P1
00…01	P2
		00…11	P3
......	......
		11…10	PM-1
11…11	PM

4、接着，定义系统所要求的一段线性调频信号作为基本信号，即：

其中A为信号幅度，为矩形函数，为初始时刻相位，μ为调频斜率,由以下公式计算得到：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{BW}}{T}=\frac{f_2-f_1}{T}$

其中BW为线性调频带宽，f₁为起始频率，f₂截止频率，T为线性调频信号的时间宽度，f₁、f₂、T需预先设置。

需要特别注意的是，本发明所定义的线性调频信号在t=0的初始时刻相位是即幅度为零。这是为了确保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，因此： $=\mathrm{Arect}\left(\frac{t}{T}\right)\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\π}(f_{1}t+\frac{{\mathrm{\μt}}^2}{2})]$ （3）

$=\mathrm{Arect}\left(\frac{t}{T}\right)\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\π}(f_{1}t+\frac{{\mathrm{\μt}}^2}{2})]$

5、根据待传输比特数据流映射选择的调制信号P_i，直接对基本信号进行调制，从而将

比特数据流调制到相应的载波频段，得到相应的联合调制信号S(t)，S(t)即为用于传

输的载波数据信号：

$s\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}\·\mathrm{Arect}\left(\frac{t-j\·T+T}{T}\right)\cos \{\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\π}[f_1(t-j\·T+T)+\frac{\mathrm{\μ}{(t-j\·T+T)}^2}{2}\left]\right\}---\left(4\right)$

因此，得到的载波数据信号波形是由N段+1或者-1调制的线性调频信号，亦即以T时间长度的线性调频信号为基本信号，然后分N段进行+1或者-1调制，正如下表所示：

将上述载波数据信号耦合值电力线上进行传输。

6、接收端接收到该载波数据信号后，根据相关算法检测出发送端所传输的调制信息，

从而解调出相应的比特数据信息，实现载波收发的可靠通信。下文结合更加具体的实施例，进一步阐述本发明。假设所设计的电力线载波通信系统选择的m序列位数m=5，生成多项式为g₅(X)=1+X²+X⁵，初始相位为：11111。同时，设置M=4,N=15，即选择互相关性能良好的4组截断码长为15的PN序列作为调制信号。因此，根据比特数据流映射与调制信号的关系，可将其关系表现为下表所示，其中Q=2。

比特数据b2b1	PN调制信号
		00	-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,-1
01	-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1,1,-1
		10	1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1,1
11	-1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1

以第二组调制信号与各组调制信号的相关性为例，其相关系数见图2。从图2可以看出，第二组调制信号与其他各种调制信号的相关系数都非常小，可见它们之间具有很好的互相关性。这样，接收端根据接收的载波数据信号与各种调制信号的相关性，就能够准确的判断发送端发送的调制信号，进而根据表格2可靠的解调出系统发送的原始比特数据。

假设此时电力线载波通信系统发送比特数据01，即此时应该选择第二组伪随机PN码P₂={-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1,1,-1}作为调制信号。同时，假设系统起始频点f₁=40kHz，终止频点f₂=100kHz，信号调制时间为T=65×10^-6s，则按照公式(3)和公式(4)产生的基本线性调频信号和最终的联合调制信号波形分别如图,3和图4所示，而联合调制信号的频谱图则如图5所示。

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 (2)

1.一种电力线载波通信的信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用反馈移位寄存器产生长度和组数均为2^m-1的伪随机PN序列，并从中选择M组良好互相关特性且码长均为N的伪随机PN序列或其截断码P作为调制信号，

P＝{P₁,P₂,P₃,...P_M-1,P_M}

                               ；

P_i＝{a_i1,a_i2,a_i3,...a_iN},其中a_ij＝±1

B、将待传输的比特数据流按照每Q比特为一组与所述的M组调制信号建立一一对应的映射关系，其中M＝2^Q；

C、引入一段线性调频信号L(t)作为基本信号，其中：

公式中，A为信号幅度，为矩形函数，为初始时刻相位，μ为调频斜率,由公式计算得到，其中BW为线性调频带宽，f₁为起始频率，f₂截止频率，T为线性调频信号的时间宽度；

D、根据待传输的比特数据流所对应的调制信号，对所述基本信号进行调制，从而将待传输的比特数据流调制到相应的载波频段，得到相应的载波数据信号S(t):

2.根据权利要求1所述的电力线载波通信的信号调制方法，其特征在于：所述初始时刻相位