CN103441978B - 一种基于ofdm调制的电力线载波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的电力线载波通信系统的信号帧生成方法，信号帧组成中的同步信号帧、控制信号帧均是利用伪随机序列或巴克码或其截断码作调制信号对线性调频信号进行调制得到，由于伪随机序列、巴克码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、控制信号也具有良好的相关性，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，而控制信号也具有良好的相关性可使得接收端接收到控制信号后能够准确的解调出相应的系统当前的控制方式，该方法得到的信号帧整体精确度提高，且具有恒定的包络幅度，抗噪声性强，同时使得同步信号、控制信号的频段范围方便可调，也即信号帧的频段范围可调。

Description

一种基于OFDM调制的电力线载波通信方法

【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信号帧生成方法。

【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。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。然而，由于多种因素的影响，制约了电力线载波通信技术的发展。最主要的是电力线上复杂的信道。

电力线载波信道环境的特点是：各种噪声，各种杂波干扰（杂波无规律，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，衰减较大以及各种干扰噪声复杂的特点。要在如此恶劣的信道环境中传输信号，要求设计的信号帧抗干扰性强。

具体来说，信号帧包括同步信号帧、控制信号帧和数据信号帧。同步信号帧携带用于使发射端和接收端达到同步的同步信号，控制信号帧携带通信系统所涉及的控制信息，例如通信系统的工作模式，发射端的编码方式，接收端的解码方式等，数据帧则携带需要通信系统需要传输的数据。

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。而生成信号帧中的控制信号帧时，基于正交频分复用系统（OFDM系统），通常采用OFDM符号来生成控制信号，但在恶劣的电力线环境下，由于存在突发的强脉冲干扰，传输过程中，OFDM符号往往难以抵抗恶劣的信道环境，即控制信号抗噪声性不强，导致接收端接收到的控制信息出错。综上所述，上述方法下得到的信号帧，精确度不高，抗噪声性不强，无法适应恶劣的信道环境。

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10kHz to95kHz、B信道频带95kHz to120kHz、C信道频带120kHzto140kHz，美国的通信委员会FCC规定采用10kHz to490kHz，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、控制信号能适应多个国家和地区对频段的要求。综上所述，如何设计一种信号帧，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信号帧生成方法，其生成的信号帧的精确度高、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。

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信号帧生成方法，所述信号帧包括同步信号帧、控制信号帧和数据信号帧；所述同步信号帧为段数为N、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；所述控制信号帧为段数为H，信号幅度为B1、每段信号调制时间为T1₀、频带范围为f₃～f₄的控制信号；其特征在于：包括以下步骤：1）生成所述同步信号帧，包括1-1）引入码长为N的第一调制信号P，P={a₀,a₁,B,a_N-1},其中，a_i=±1；1-2）引入第一线性调频信号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； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;t/T\&le;1\\ 0,\mathrm{other}\end{array}\right.$ 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；1-3）设置所述第一线性调频信号L(t)的参数：设置A=B，设置f₀=f₁，设置T=T₀，设置1-4）使用所述第一调制信号调制设置参数后的所述第一线性调频信号，得到同步信号帧S(t)，其表达式为：2）生成所述控制信号帧：包括2-1）引入K组码长为H的第二调制信号P1，P1={P1₀,P1₁,B,P1_K-1},其中，P1_i={b_i0,b_i1,B,b_i(H-1)},b_ij=±1；K的值为所述通信系统中控制信息能组合出的控制方式的种数；将K种控制方式与所述K组调制信号建立一一对应；2-2）引入第二线性调频信号L1(t)：式中，A1为所述第二线性调频信号的信号幅度；T1为所述第二线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T1}\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;t/T1\&le;1\\ 0,\mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为所述第二线性调频信号的初始时刻相位：f₅为所述第二线性调频信号的起始频率；μ1为所述第二线性调频信号的调频斜率；2-3）设置所述第二线性调频信号L1(t)的参数：设置A1=B1，设置f₅=f₃，设置T1=T1₀，设置2-4）使用所述通信系统当前使用的一种的控制方式所对应的一组第二调制信号P1_i调制设置参数后的所述第二线性调频信号，得到控制信号Q(t)，其表达式为：3）生成所述数据信号帧；4）将所述步骤1）得到的同步信号帧、所述步骤2）得到的控制信号帧和所述步骤3）得到的数据信号帧依次排列组合成所述信号帧。

优选的技术方案中，

所述步骤1）中还包括步骤1-5），优化同步信号：将步骤1-4）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1-4）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1）中步骤1-3）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。

所述步骤1）中步骤1-1），所述第一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。

所述步骤2）中步骤2-3）中还包括设置参数

所述步骤2）中步骤2-1），所述第二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。

所述步骤3）中由至少一个OFDM调制数据块组成所述数据信号帧。

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信号帧生成方法，信号帧组成中的同步信号帧、控制信号帧均是利用伪随机序列或巴克码或其截断码作调制信号对线性调频信号进行调制得到，由于伪随机序列、巴克码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、控制信号也具有良好的相关性，同步信号具有良好的相关性可为接收端的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；而控制信号也具有良好的相关性可使得接收端接收到控制信号后能够准确的解调出相应的系统当前的控制方式，该方法得到的信号帧整体精确度提高。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、控制信号也具有恒定的包络幅度，也即得到的信号帧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、控制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、控制信号，对应设置线性调频信号的参数，需调节生成的同步信号、控制信号的频段范围时，修改参数设置即可，使得同步信号、控制信号的频段范围方便可调，也即信号帧的频段范围可调，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信号帧生成方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式中信号帧结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中同步信号生成方法的流程图；

图4是本发明具体实施方式中设置参数后的第一线性调频信号的波形图；

图5是本发明具体实施方式中得到同步信号的结构示意图；

图6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7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8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9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10是本发明具体实施方式中控制信号生成方法的流程图；

图11是本发明具体实施方式中设置参数后的第二线性调频信号的波形图；

图12是本发明具体实施方式中得到控制信号的结构示意图；

图13是本发明具体实施方式中得到的控制信号的波形图；

图14是本发明具体实施方式中生成控制信号选用的第二调制信号与其它组调制信号的相关系数图。

【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信号帧生成方法，包括4个步骤：1）生成同步信号帧；2）生成控制信号帧；3）生成数据信号帧；4）将得到的同步信号帧、控制信号帧、数据信号帧依次排列组合成信号帧。得到的信号帧结构示意图如图2所示。其中，同步信号帧为段数为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）。控制信号帧为段数为H=16，信号幅度为B1=1、每段信号调制时间为T1₀=67×10^-6s、频带范围为10～50kHz的控制信号（即f₃=10kHz，f₄=50kHz）。

上述步骤1）中生成同步信号帧的具体步骤如图3所示：

步骤101），引入码长为N=7的第一调制信号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，即选取的第一调制信号长度也为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，第一调制信号具有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），引入第一线性调频信号L(t)：

其中，A为第一线性调频信号的信号幅度；T第一为线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;t/T\&le;1\\ 0,\mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为第一线性调频信号的初始时刻相位：f₀为第一线性调频信号的起始频率；μ为第一所述线性调频信号的调频斜率。

步骤103），设置线第一性调频信号L(t)的参数：设置A=B=1，设置f₀=f₁=10kHz，设置T=T₀=128×10^-6s，设置 $\mathrm{\&mu;}=\frac{f_2-f_1}{T}=\frac{40\&times;{10}^3}{128\&times;{10}^{-6}}=3.125\&times;{10}^8.$ 而可取0-π内的任一值，本具体实施方式中取使得第一线性调频信号在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。设置参数后的第一线性调频信号的波形图如图4所示。

步骤104），使用第一调制信号调制设置参数后的第一线性调频信号，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调制的第一线性调频信号组成，其结构示意图如图5所示。从上述表达式可知，同步信号的段数为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6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7所示，频谱图如图8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，第一线性调频信号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9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)的频段范围与第一线性调频信号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)，对应设置第一线性调频信号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。

上述步骤2）中生成控制信号帧的具体步骤如图10所示：

步骤201），引入K=6组码长为H=16的第二调制信号P1，P1={P1₀,P1₁,B,P1_K-1},其中，P1_i={b_i0,b_i1,B,b_i(H-1)},b_ij=±1。本具体实施方式中需生成的控制信号长度为16，即选取的第二调制信号长度也为16，本具体实施方式中以巴克码作为第二调制信号，需要要说明地是，第二调制信号具有P1_i={b_i0,b_i1,B,b_i(H-1)},b_ij=±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。本具体实施方式中，通信系统中有2个控制元素，数据调制方式和数据编码方式。而，数据调制方式可选方式有3种，数据编码方式可选方式有2种，这样组合后得到的控制方式总计6种，如下表所示。将6种控制方式与上述6组第二调制信号P1建立一一对应。这也是取K=6的原因。

控制方式与调制信号映射关系表

步骤202），引入第二线性调频信号L1(t)：

其中，A1为第二线性调频信号的信号幅度；T1为第二线性调频信号的时间宽度； $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T1}\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\&le;t/T1\&le;1\\ 0,\mathrm{other}\end{array}\right.$ 为矩形函数；为第二线性调频信号的初始时刻相位：f₅为第二线性调频信号的起始频率；μ1为第二线性调频信号的调频斜率。

步骤203），设置第二线性调频信号L1(t)的参数：设置A1=B1=1，设置f₅=f₃=10kHz，设置T1=T1₀=67×10^-6s，设置 $\mathrm{\&mu;}1=\frac{f_4-f_3}{T1}=\frac{40\&times;{10}^3}{67\&times;{10}^{-6}}=5.97\&times;{10}^8.$ 而可取0-π内的任一值，本具体实施方式中取使得第二线性调频信号在t=0的初始时刻相位是幅度为零，确保生成的控制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。设置参数后的第二线性调频信号的波形图如图11所示。

步骤204），使用通信系统当前使用的一种的控制方式所对应的一组第二调制信号P1_i调制设置参数后的第二线性调频信号。其中，本具体实施方式中假设电力线载波通信系统当前使用上表中的第2种控制方式，即选用的是数据调制方式2+数据编码方式1这一控制方式，则此时选择与之对应的第二组PN码P1₂={-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1}作为调制信号。即用P1₂作为第二调制信号调制第二线性调频信号L1(t)，得到控制信号Q(t)，其表达式为：

得到的控制信号Q(t)即是由H段+1或者-1调制的线性调频信号组成，其结构示意图如图12所示。从上述表达式可知，控制信号的段数为H=16、信号幅度为B1=1、每段信号调制时间为T1₀=67×10^-6s、频带范围为f₃～f₄，即10～50kHz，满足设计要求。图13所示即为所得控制信号Q(t)的波形图。

如图14所示，为本具体实施方式映射表中第二组调制信号P1₂与其它各组调制信号的相关系数图，从图中可知，第二组调制信号P1₂与其他各组调制信号的相关系数都非常小，仅与其自身的相关系数为1，因此可见第二组调制信号P1₂具有良好的相关性，这样，接收端根据接收的控制信号与其它各组调制信号的相关系数就可知，控制信号选用的是第二组调制信号P1₂，从而能够准确的判断发送端发送的控制信号携带的控制信息即是数据调制方式2+数据编码方式1这一控制方式。

上述步骤3）中生成数据信号帧方法有多种，可选用现有技术生成数据信号的方法，例如由至少一个OFDM调制数据块组成所述数据信号帧，在此不详细说明。

本具体实施方式，信号帧组成中的同步信号帧、控制信号帧均具有良好的相关性，同步信号具有良好的相关性可为接收端的同步定时提供准确和可靠的位置，而控制信号也具有良好的相关性可使得接收端接收到控制信号后能够准确的解调出相应的系统当前的控制方式，因此该方法得到的信号帧整体精确度提高。另一方面，方法中生成的同步信号、控制信号也具有恒定的包络幅度，也即得到的信号帧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、控制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、控制信号，对应设置线性调频信号的参数，需调节生成的同步信号、控制信号的频段范围时，修改参数设置即可，使得同步信号、控制信号的频段范围方便可调，也即信号帧的频段范围可调，以满足适应不同国家和地区对电力线载波频段的要求。

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 (7)

1.一种电力线载波通信系统的信号帧生成方法，所述信号帧包括同步信号帧、控制信号帧和数据信号帧；所述同步信号帧为段数为N、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；所述控制信号帧为段数为H，信号幅度为B1、每段信号调制时间为T1₀、频带范围为f₃～f₄的控制信号；其特征在于：包括以下步骤：

1)生成所述同步信号帧，

1-1)引入码长为N的第一调制信号P，P＝{a₀,a₁,…,a_N-1},其中，a_i＝±1；

1-2)引入第一线性调频信号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；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；

1-3)设置所述第一线性调频信号L(t)的参数：设置A＝B，设置f₀＝f₁，设置T＝T₀，设置

1-4)使用所述第一调制信号调制设置参数后的所述第一线性调频信号，得到同步信号帧S(t)，是由N段+1或者-1调制的第一线性调频信号组成，其表达式为：

2)生成所述控制信号帧：

2-1)引入K组码长为H的第二调制信号P1，

P1＝{P1₀,P1₁,…,P1_K-1},其中，P1_i＝{b_i0,b_i1,…,b_i(H-1)},b_ij＝±1；

K的值为所述通信系统中控制信息能组合出的控制方式的种数；将K种控制方式与所述K组调制信号建立一一对应；

2-2)引入第二线性调频信号L1(t)：式中，A1为所述第二线性调频信号的信号幅度；T1为所述第二线性调频信号的时间宽度；为矩形函数；为所述第二线性调频信号的初始时刻相位：f₅为所述第二线性调频信号的起始频率；μ1为所述第二线性调频信号的调频斜率；

2-3)设置所述第二线性调频信号L1(t)的参数：设置A1＝B1，设置f₅＝f₃，设置T1＝T1₀，设置

2-4)使用所述通信系统当前使用的一种的控制方式所对应的一组第二调制信号P1_i调制设置参数后的所述第二线性调频信号，得到控制信号Q(t)，其表达式为：

3)生成所述数据信号帧；

4)将所述步骤1)得到的同步信号帧、所述步骤2)得到的控制信号帧和所述步骤3)得到的数据信号帧依次排列组合成所述信号帧。

2.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统的信号帧生成方法，其特征在于：所述步骤1)中还包括步骤1-5)，优化同步信号：将步骤1-4)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1-4)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。

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

4.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统的信号帧生成方法，其特征在于：所述步骤1)中步骤1-1)，所述第一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。

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

6.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统的信号帧生成方法，其特征在于：所述步骤2)中步骤2-1)，所述第二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。

7.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统的信号帧生成方法，其特征在于：所述步骤3)中由至少一个OFDM调制数据块组成所述数据信号帧。