CN103414673B - 一种电力线ofdm调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线OFDM调制方法及装置。其方法包括如下步骤：数据编码步骤，对原始比特数据进行编码；时域交织步骤，对编码后的数据在时域上进行交织；星座映射步骤，将经过交织后的比特数据映射成频域上的频域符号；频域交织步骤，对所述频域符号在频域上进行交织；逆离散傅里叶变换步骤，将所述频域符号进行逆离散傅里叶变换成OFDM时域信号。本发明的有益效果是：在电磁干扰很强烈的电力环境下，实现高质量高速率通信，满足了中国电力环境以及与中国电力环境类似的其他电力环境的通信要求。

Description

一种电力线OFDM调制方法及装置

【技术领域】

本发明属于电力线载波通信领域，具体涉及一种电力线OFDM调制方法及装置。

【背景技术】

电力线载波（Power Line Carrier）通信技术简称PLC，是指利用电力线作为信息传输媒介进行数据传输的一种通信方式。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。利用现有的电力线实现数据通信，可极大的节省通信网络的建设费用。随着国内智能电网和智能家居网络不断兴起，电力线载波通信赢来了有一个快速发展的时期。

但影响和制约电力线载波通信发展的因素很多，最主要的还是电力线上复杂的信道。电力线载波信道环境的特点：各种噪声，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），时变衰减（无规律，不可预测，使得通信距离局限在1000米以内），反射引起的多径（最大延迟<3us）。由此可见，电力线载波信道具有时变性，阻抗变换大，衰减较大（尤其是电力负载为容性时，对载波通信信号近似短路），各种干扰噪声复杂。

目前国内应用较多的是窄带调制技术，即采用一般的、传统的载波调制技术将数字信号的频谱调制到较高的载波频率上，主要包括幅度键控（ASK），频率键控（FSK）和相位键控（PSK）技术。但是这些传统的调制技术都存在如下缺点：1）抗干扰能力比较弱；2）窄带调制技术的数据速率很低。因此目前的技术无法满足日益发展的电力线载波通信需求。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,缩写为OFDM）是一种特殊的多载波信号调制方法，该技术的显著优势是能够有效的对抗频率选择性衰落，且与传统并行数据传输相比频谱利用率高。OFDM已经成功应用在无线通信领域，且取得了良好的效果。例如数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、无线本地局域网（WLAN）都应用了OFDM技术。

国外对电力线通信技术研究已经很久，制定了一些标准（例如Prime标准、ERDF G3标准），将OFDM引入电力线通信，该技术只有数据编码模块和逆离散傅里叶变换模块。

然而，经过一系列的实地测试表明，将国外的技术或产品应用在中国电力线上，效果很差。经过对国内电力线信道环境的研究分析得知，其存在如下特性：1、由于人口密集，电力网密布，电磁干扰比较强烈；2、中国应用的大多数电器的电磁辐射超标，给电力网带来的电磁干扰也很强烈。

【发明内容】

为了适应电磁干扰比较强烈的电力环境，本发明提供了一种电力线OFDM调制方法及装置。

一种电力线OFDM调制方法，包括如下步骤：

数据编码步骤，对原始数据进行编码；

时域交织步骤，对编码后的数据在时域上进行交织；

星座映射步骤，将经过交织的比特数据映射成频域上的数据符号；

频域交织步骤，对所述数据符号在频域上进行交织；

逆离散傅里叶变换步骤，将经过频域交织的数据符号进行逆离散傅里叶变换，获得OFDM时域信号。

交织技术，是一种时间/频率扩展技术，它把信道错误的相关度减小，在交织度足够大时，就把突发错误离散成随机错误，为正确译码创造了更好的条件。从严格意义上说，交织不是编码，因为交织技术本身不产生冗余码元；但是如果把编码器和交织器看成一个整体，则新构成的“交织码”具有了更好的纠错性能。其在无线通信等领域已经获得了较成熟的应用。而在本方案中，由于同时采用了时域交织和频域交织，因而能够在电磁干扰很强烈的电力环境下，实现高质量高速率通信，满足了中国电力环境以及与中国电力环境类似的其他电力环境的通信要求。

优选地，还包括：符号复接步骤，将导频符号与经过交织的数据符号复接成频域符号；所述逆离散傅里叶变换步骤中，所述数据符号为所述频域符号。

由于采用了导频符号，更加适应电磁干扰强烈的电力环境，使得通信质量更加良好。

优选地，还包括扰码步骤，将经过星座映射后的频域符号进行扰码后，再进行所述逆离散傅里叶变换步骤。

优选地，所述时域交织采用如下算法：

$\left\{\begin{array}{c}J=(j*n\_j+i*n\_i)\%n\\ I=(i*m\_i+J*m\_j)\%m\end{array}\right.$

其中，原来数据比特位置为（i,j），变换后的相应位置为（I,J）；m为交织深度，n为交织宽度；0≤i≤m-1；0≤j≤n-1；m_i,m_j,n_i,n_j为交织参数；GCD(m_i,m)=GCD(m_j,m)=GCD(n_i,n)=GCD(n_j,n)=1；其中，GCD表示最大公约数。

优选地，所述频域交织步骤是，将所述频域符号按列写入频域交织器，待所述频域交织器填满后，按行依次读出所述频域符号。

优选地，所述星座映射步骤中，采用BPSK、QPSK或QAM调整方式进行映射。

优选地，所述逆离散傅里叶变换步骤采用快速离散傅里叶反变换IDFT。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种电力线OFDM调制装置，包括：

数据编码装置，用于对原始数据进行编码；

时域交织装置，用于对编码后的数据在时域上进行交织；

星座映射装置，用于将进过交织的比特数据映射成频域上的数据符号；

频域交织装置，用于对所述数据符号在频域上进行交织；

逆离散傅里叶变换装置，用于将经过频域交织的数据符号进行逆离散傅里叶变换，获得OFDM时域信号。

优选地，还包括符号复接装置，用于将导频符号与经过交织的数据符号复接成频域符号；所述逆离散傅里叶变换装置中，所述数据符号为所述频域符号。

优选地，还包括扰码装置，用于将经过星座映射后的频域符号进行扰码。

优选地，所述时域交织器采用如下算法实现：

$\left\{\begin{array}{c}J=(j*n\_j+i*n\_i)\%n\\ I=(i*m\_i+J*m\_j)\%m\end{array}\right.$

其中，原来数据比特位置为（i,j），变换后的相应位置为（I,J）；m为交织深度，n为交织宽度；0≤i≤m-1；0≤j≤n-1；m_i,m_j,n_i,n_j为交织参数；GCD(m_i,m)=GCD(m_j,m)=GCD(n_i,n)=GCD(n_j,n)=1；其中，GCD表示最大公约数。

优选地，将所述频域符号按列写入频域交织装置，待所述频域交织装置填满后，按行依次读出所述频域符号。

优选地，所述星座映射装置采用BPSK、QPSK或QAM调整方式进行映射。

由于同时采用了时域交织和频域交织、导频符号及扰码，因而能够在电磁干扰很强烈的电力环境下，实现高质量高速率通信，满足了中国电力环境以及与中国电力环境类似的其他电力环境的通信要求。

【附图说明】

图1为正交频分复用多载波调制的多载波频谱的示意图；

图2是本发明的电力线OFDM调制方法的一种具体实施例的流程图；

图3是本发明的电力线OFDM调制装置的一种具体实施例的结构图；

图4是本发明的电力线OFDM调制装置的另一种具体实施例的结构图；

图5为本发明的时域交织的一种具体实现方式；

图6为本发明的星座映射的一种具体的BPSK星座映射实现方式；

图7为本发明的频域交织的一种具体实现方式。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例，进一步阐述本说明。应理解，此实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

图1为正交频分复用多载波调制的多载波频谱的示意图，图2是本发明的电力线OFDM调制方法的一种具体实施例的流程图包括如下步骤：

数据编码步骤，对原始数据进行编码；

时域交织步骤，对编码后的数据在时域上进行交织；

星座映射步骤，将经过交织的比特数据映射成频域上的数据符号；

频域交织步骤，对所述数据符号在频域上进行交织；

逆离散傅里叶变换步骤，将经过频域交织的数据符号进行逆离散傅里叶变换，获得OFDM时域信号。

图3是本发明的电力线OFDM调制装置的一种具体实施例的结构图，包括：

数据编码装置，用于对原始数据进行编码；

时域交织装置，用于对编码后的数据在时域上进行交织；

星座映射装置，用于将进过交织的比特数据映射成频域上的频域符号；

频域交织装置，用于对所述频域符号在频域上进行交织；

逆离散傅里叶变换装置，用于将所述频域符号进行逆离散傅里叶变换成OFDM时域信号。

如图4所示，电力线OFDM调制装置的另一种具体实施例的结构图，包括依次连接的FEC编码装置、时域交织装置、星座映射装置、频域交织装置、符号复接装置、扰码装置及逆离散傅里叶变换装置（IDFT装置），与图3所示的具体实施例相比，多了符号复接装置和扰码装置，编码装置采用FEC编码装置。其中IDFT装置可以用快速逆离散傅里叶变换（IFFT）装置实现。假定OFDM系统中包含N=256个子载波。其中我们使用56个载波传输导频信息，其他子载波传输数据。每个子载波都被一个复数符号调制，按设计所述可使用BPSK、QPSK、QAM调制方式。

假设FEC编码后的比特流为[x₀,x₁......x₁₉₉]，送入时域交织装置，得到交织后的比特流[x′₀,x′₁......x′₁₉₉]。

如图5所示，假设时域交织器的交织深度m=20，交织宽度n=10；

由GCD(m_i,m)=GCD(m_j,m)=GCD(n_i,n)=GCD(n_j,n)=1可得交织参数m_i＝3,m_j＝7,n_i＝3,n_j＝7

原来数据比特的位置(i,j)其中，i为0，1…19；j为0，1…9；通过时域交织后其对应的数据比特的位置(I,J)，其中

$\left\{\begin{array}{c}J=(j*n\_j+i*n\_i)\%n=(7j+3i)\%10\\ I=(i*m\_i+J*m\_j)\%m=(3i+7J)\%20\end{array}\right.$

其中，符号*表示乘法，%表示取余。

假设星座映射采用如图6所示的BPSK调制方式，将比特0映射到第一象限将比特1映射到第三象限时域交织后的比特流[x′₀,x′₁......x′₁₉₉]按照上述规则映射成数据符号流[Y₀,Y₁......Y₁₉₉]。

如图7所示，频域交织器采用行列交织器，其交织深度m′=10，交织宽度n′=20；将串行的数据符号按列依次将数据符号写入交织器，填满交织器后，然后按行依次读出，得到交织后的数据符号流[Y′₀,Y′₁......Y′₁₉₉]。

数据符号流[Y′₀,Y′₁......Y′₁₉₉]与56个导频信息经过符号复接装置复接后，形成OFDM频域信号，经过扰码装置进行扰码后，送入IDFT装置，经过逆离散傅立叶变化即得到调制后的OFDM时域信号[y₀,y₁......y₂₅₅]，其中

$y_n=\sqrt{\frac{1}{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_k{e}^{j2\mathrm{\&pi;n}\frac{k}{N}}=\sqrt{\frac{1}{256}}\underset{k=0}{\overset{255}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_k{e}^{j2\mathrm{\&pi;n}\frac{k}{256}}$

本发明提出的一种电力线OFDM的调制方法及装置，经过理论分析、计算机仿真、FPGA测试和芯片产品的实地环境的测试，其抗干扰的性能远优于其他现有的技术，能满足载波通信的需求。

Claims (4)

1.一种电力线OFDM调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

数据编码步骤，对原始数据进行编码；

时域交织步骤，对编码后的数据在时域上进行交织；

星座映射步骤，将经过交织的比特数据映射成频域上的数据符号；

频域交织步骤，对所述数据符号在频域上进行交织；

符号复接步骤，将导频符号与经过交织的数据符号复接成频域符号；所述逆离散傅里叶变换步骤中，所述数据符号为所述频域符号；

扰码步骤，将经过星座映射后的频域符号进行扰码后，再进行所述逆离散傅里叶变换步骤；

逆离散傅里叶变换步骤，将经过频域交织的数据符号进行逆离散傅里叶变换，获得OFDM时域信号；

所述时域交织采用如下算法：

$\left\{\begin{array}{c}J=(j*n\_j+i*n\_i)\%n\\ I=(i*m\_i+J*m\_j)\%m\end{array}\right.$

其中，原来数据比特位置为(i,j)，变换后的相应位置为(I,J)；m为交织深度，n为交织宽度；0≤i≤m-1；0≤j≤n-1；m_i,m_j,n_i,n_j为交织参数；GCD(m_i,m)＝GCD(m_j,m)＝GCD(n_i,n)＝GCD(n_j,n)＝1；其中，GCD表示最大公约数；

所述频域交织步骤中所述交织通过如下方式实现：将所述频域符号按列写入频域交织器，待所述频域交织器填满后，按行依次读出所述频域符号。

2.如权利要求1所述的电力线OFDM调制方法，其特征在于：所述星座映射步骤中，采用BPSK、QPSK或QAM调制方式进行映射。

3.一种电力线OFDM调制装置，其特征在于，包括：

数据编码装置，用于对原始数据进行编码；

时域交织装置，用于对编码后的数据在时域上进行交织；

星座映射装置，用于将经过交织的比特数据映射成频域上的数据符号；

频域交织装置，用于对所述数据符号在频域上进行交织；

符号复接装置，用于将导频符号与经过交织的数据符号复接成频域符号；

扰码装置，用于将经过星座映射后的频域符号进行扰码；

逆离散傅里叶变换装置，用于将经过交织的数据符号进行逆离散傅里叶变换，获得OFDM时域信号；

所述时域交织器采用如下算法实现：

$\left\{\begin{array}{c}J=(j*n\_j+i*n\_i)\%n\\ I=(i*m\_i+J*m\_j)\%m\end{array}\right.$

其中，原来数据比特位置为(i,j)，变换后的相应位置为(I,J)；m为交织深度，n为交织宽度；m_i,m_j,n_i,n_j为交织参数；0≤i≤m-1；0≤j≤n-1；GCD(m_i,m)＝GCD(m_j,m)＝GCD(n_i,n)＝GCD(n_j,n)＝1；其中，GCD表示最大公约数；

将所述频域符号按列写入频域交织装置，待所述频域交织装置填满后，按行依次读出所述频域符号。

4.如权利要求3所述的电力线OFDM调制装置，其特征在于：所述星座映射装置采用BPSK、QPSK或QAM调制方式进行映射。