CN103516395A - 自适应电力线载波通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应电力线路载波通信装置，包括耦合单元、电可调前端收发模拟电路、调制解调器、MCU以及频率选择器和相关比较器，所述频率选择器在MCU控制下，向调制解调器提供参考频率，所述相关比较器用于将所述调制解调器所产生的正交子载波分别与叠加有正交子载波的接收信号进行卷积运算并比较，比较小的值作为比较结果输出，成为当前信号质量的参考值，当所述参考值源于当前工作频率时，若信号质量参考值小于设定的门限值，所述测试接收端MCU向测试发送端MCU发起改变全网载波通信频率的请求。与现有技术相比，本发明提高了OFDM通信系统的鲁棒性，健壮性；达到了对抗频率选择性干扰的优势，降低了通信系统的误码率。

Description

自适应电力线载波通信装置及方法

技术领域

本发明涉及智能电网通讯领域，尤其涉及一种自适应电力线路载波通信装置及方法。

背景技术

电力线载波通信信道特性相当复杂，负载多样化，噪声干扰强，信道衰减大，通信环境相当恶劣。目前采用过零点检测扩频通信和过零点检测OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)两种技术来克服电力线信道中的各种干扰问题。但是扩频通信占用大量的带宽，通信系统复杂；OFDM虽然可以抑制干扰，但线路上复杂多变，无法解决频率选择性干扰的问题，单频率正交通信无法绕过频率选择性干扰而自适应的改变。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于OFDM的自适应电力线路载波通信装置及方法，克服频率选择性干扰的问题。

为此，本发明实施例采用如下技术方案：

一种自适应电力线载波通信装置，电力网络中包括一个测试发送端和一个测试接收端以及其它载波通信装置，所述装置作为测试接收端接收测试发送端定时向全网发送的测试当前电力线载波信号质量的测试帧，所述装置包括耦合单元、电可调前端收发模拟电路、调制解调器和MCU，还包括频率选择器和相关比较器，所述频率选择器在MCU控制下，向调制解调器提供参考频率，所述相关比较器用于将所述调制解调器所产生的正交子载波分别与叠加有正交子载波的接收信号进行卷积运算并比较，比较小的值作为比较结果输出，成为当前信号质量的参考值，当所述参考值源于当前工作频率时，若信号质量参考值小于设定的门限值，所述测试接收端MCU向测试发送端MCU发起改变全网载波通信频率的请求；当参考值源于电力线载波的不同工作测试频率时，选取信号质量参考值的最大值所对应的频率作为最优化频率。

在整个电网中，只有测试接收端才响应测试帧，其它载波通信装置只响应测试发送端所发出的切换电网正交子载波通信频率的命令。

测试发送端定时向全网发送测试当前电力线载波信号质量的测试帧，该测试帧频率为工前正常工作状态下的工作频率，其调制信号为恒‘1’的序列。

如果测试帧频率为当前工作频率，那么所述信号质量参考值将与预设门限作比较，如果小于预设门限，测试接收端向发送端发起改变全网载波通信频率的请求。

所述测试发送端如果收到测试接收端响应的改变全网载波通信频率的请求，则测试发送端按事先约好的规则，依次发送测试同步前导码，测试频率序列。

所述测试接收端准备接收同步前导码，与测试发送端保持同步，然后依次接收到不同正交子载波的测试频率，通过相关比较器输出不同测试频率点的信号质量参考值，并存储于缓冲区中，依据缓冲区中的信号质量参考值中的最大值确定其所对应的最优化频率点，并发送将全网电力线载波通信频率切换到所述最优化频率点的命令。

如果测试接收端没有向测试发送端发出改变全网载波通信频率的请求，则表示当前的载波频率可用，保持当前的工作频率。

一种自适应电力线载波通信方法，其中电力网络包括一个测试发送端和一个测试接收端以及其它载波通信装置，该方法包括：在测试发送端与测试接收端按照当前频率发送及接收测试帧信号时，若测试信道质量时间超时，则：测试发送端按当前的频率调制成正交子载波，叠加后耦合到电网，测试接收端按当前的频率产生对应的正交子载波，分别与接收到的混叠有该正交子载波的信号作卷积运算；测试接收端将所述卷积运算结果与设定的门限值进行比较，比较小的值作为比较结果输出，成为当前信号质量的参考值；当所述参考值源于当前工作频率时，若信号质量参考值小于设定的门限值，所述测试接收端向测试发送端发起改变全网载波通信频率的请求；当参考值源于电力线载波的不同工作测试频率时，选取信号质量参考值的最大值所对应的频率作为最优化频率。

在测试接收端请求改变电力线载波通信频率之后，还包括：测试发送端接收请求；测试发送端按默认的次序，依次发送同步前导频率，各个测试频率；所有频率点调制成正交子载波，叠加后耦合到电网，其中调制信号为恒‘1’的序列。

还包括：所述测试接收端准备接收同步前导码，与测试发送端保持同步；然后依次接收到不同正交子载波的测试频率，通过相关比较器输出不同测试频率点的信号质量参考值，并存储于缓冲区中；依据缓冲区中的信号质量参考值中的最大值确定其所对应的最优化频率点，并发送将全网电力线载波通信频率切换到所述最优化频率点的命令。

所有电力线载波模块，收到切换电力线载波通信频率命令后，全部切换到所述最优频率点。

所述测试频率的调制信号为全‘1’的信号，所述调制载波频率为当前工作状态的载波频率，可供选频的载波频率，同步用的默认频率。

对于上述技术方案的技术效果分析如下：

可见，本发明提供的通信方法中，正常情况下，载波模块以信道中选频干扰最小的频率作为载波，由于不同时段，有不同的用电情况，导致负载变化，电力环境变化，选频干扰也变化，于是系统每隔一段时间都检测一下当前最优化频率，试图切换到最优化频率上工作。如果检测信道质量时间到，并且接收端相关比较器输出的统计结果显示信号失真了，就请求寻找下一个最优的频率。否则还是以原始载波频率工作。通过前导码同步机制，收发端开始收发频率从60KHZ到150KHZ的子载波，最后MCU依统计结果判定出当前最优化的频率点，并切换到最优化频率点工作，返回到正常的工作。

本发明通过在现有OFDM通信装置中增加频率选择器和相关比较器，对当前信号的质量进行相关分析，如果确定信号失真，则实时请求改变频率，实现了载波自适应。特别地，启动前导码同步机制，接收端根据相关统计结果确定最优化频率，作为当前工作频率。

本发明克服了现有技术中存在的子载波频率固定而没有自适应电力线环境(用电负荷、用电电器的变异等)从而导致的选频干扰严化、通信系统性能降低、浪费带宽的问题。

本发明提供的装置和方法，与现有技术相比，提高了OFDM通信系统的鲁棒性，健壮性；达到了对抗频率选择性干扰的优势，降低了通信系统的误码率。

附图说明

图1为本发明自适应电力线载波通信装置结构示意图；

图2为本发明自适应信道选频干扰的逻辑原理图；

图3为本发明自适应电力线载波通信方法流程图。

具体实施方式

本发明在现有基于OFDM技术的通信装置中，通过相关性分析确定最优化频率点，从而实现电力线载波的自适应。

在整个电网中，包括数个载波通信装置，其中唯一一个装置兼有测试信道质量的功能，该装置作为测试发送端，定时地向全网发送测试当前电力线载波信号质量的测试帧，例如测试帧为全‘1’的一帧数据。同样地，在整个电网所述的载波通信装置中，其中唯一一个装置兼有测试信道质量的功能，该装置作为测试接收端，只有测试接收端才响应测试帧，其它载波通信装置只响应测试发送端所发出的切换电网正交子载波通信频率的命令。

下面对测试接收端通信装置的内部结构及功能详细介绍如下。

参见图1，为本发明自适应电力线载波通信装置结构示意图。

该装置包括耦合单元10、电可调前端收发模拟电路20、调制解调器30、MCU 40，以及还包括频率选择器50和相关比较器60。其中，频率选择器50和相关比较器60是特别新增用以实现载波自适应功能的模块。

下面对各个模块功能以及模块之间的连接关系介绍如下：

耦合单元10，用以耦合电力线上的载波信号，即把子载波耦合到电力线，或从电力线耦合载波信号到载波模块。

电可调前端收发模拟电路20，与耦合单元10、调制解调器30、MCU 40连接，用以放大调制后的电力线载波信号或对解调前耦合进来的电力线载波信号进行滤波，其中电可调前端收发模拟电路20的滤波参数由MCU控制。

调制解调器30，与前端收发模拟电路20，MCU 40相连，用于对MCU串并转换后的并行数字信号调制到正交子载波中，并传向收发模拟电路，最终通过耦合单元进入电网；或者从收发摸拟电路中获得从电网中传来的叠加了正交子载波的信号，解调后，并串转换，再给MCU。

MCU 40，与调制解调器30，频率选择器50，电可调前端收发摸拟电路20相连，作为系统的数据营运处理交换中心，切换测试频率，调整电可调端收发摸拟电路参数。

频率选择器50，用于在MCU控制下选择参考频率提供给调制解调器30，即，频率选择器50受MCU 40的控制，向调制解调器30提供用于与当前信号进行调制或解调的参考频率。

相关比较器60，用于将频率选择器50通过其中一路载波90度相移所产生的正交子载波分别与叠加有正交子载波的接收信号进行卷积运算并比较，比较小的比较结果作为当前信号质量的参考值提供给MCU 40。参考值源于当前正常工作频率时，并且所收到的帧为全‘1’的测试帧时，说明系统在咨询当前的工作频率是否可靠阶段，此时参考值与测试门限进行比较，如果信号质量不良，MCU 40请求改变全网载波模块的当前工作频率。参考值源于不同的测试频率时，说明系统进入了选择最优化频率阶段，系统选取最大参考值所对应的测试频率为最优化频率，最终向全网载波模块广播。

可见，本发明与现有技术比较，硬件上多了频率选择器50及相关比较器60，分别用以对抗电力线载波的频率选择性干扰及锁定当前载波通信线路上，最优化频率段。频率选择器50的取值范围是从60K到150K之间，作为调制解调器30的载波输入，调制解调器30的正交子载波卷积输出作为相关比较器60的输入，相关比较器60的输出是正交子载波卷积输出比较小的值作为信号质量参考值，而相关比较器60的输出则作为MCU统计通信系统信号质量的样品。

本发明自适应信道选频干扰的逻辑原理如图2所示，除了频率选择器与相关比较器之外，与传统的基于OFDM的调制解调方式一致。当检测信道通信质量的时间到，频率选择器输出载波频率依次从60KHZ到150KHZ作为相乘器的一路输入，频率间隔为10KHZ，每个频率在电力线信道上产生32个完整的周期波形用于调制解调器的卷积。每个频率的32个正交子载波信号卷积结果会输入到相关比较器，相关比较器对正交子载波中信号相关系数比较小的作为输出成为MCU统计该频率信号质量的样品。

参考图3，本发明提供的自适应电力线载波通信方法包括以下步骤：

100：整个电网上的所有载波模块工作于当前的最优化工作频率上。

200：检测信号质量是否超时，也就是系统检测通信信道的时间到了没有，若时间到，则执行300，否则返回100。

300：收发基于当前工作频率的测试帧其中调制信号为恒‘1’的序列，产生32个完整的正交子载波周期测试信号质量的帧。

400：测试接收端相关比较器的输出是否低于预设门限，若是，执行500，否则返回100。

500：测试接收端请求改变电网中电力线正交子载波通信的工作频率。

600：测试发送端是否响应请求？若是，执行700，否则返回500。

700：测试接收端同步并监测整个子载波频道通信质量。

该步骤700的具体操作过程是：

测试发送端按默认的次序，依次发送同步前导频率用于测试频率；各个频率点调制成正交子载波，叠加后耦合到电网；

测试接收端按默认的次序，依次按同步前导频率，以测试频率产生对应的正交子载波，分别与接收到的混叠有该正交子载波的信号作卷积运算；

测试接收端将所有频率点的相关比较器输出的信号质量参考值保存于缓冲区；

测试接收端根据缓冲区内容确定最优化频率点。

800：测试接收端向全网公布当前最优化频率点，并发送将全网电力线载波通信频率切换到所述最优化频率点的命令。

900：所有电力线载波模块，收到切换电力线载波通信频率命令后，全部切换到所述最优频率点。

可见，本发明提供的通信方法中，正常情况下，载波模块以信道中选频干扰最小的频率作为载波，由于不同时段，有不同的用电情况，导致负载变化，电力环境变化，选频干扰也变化，于是系统每隔一段时间都检测一下当前最优化频率，试图切换到最优化频率上工作。如果检测信道质量时间到，并且接收端相关比较器输出的统计结果显示信号失真了，就请求寻找下一个最优的频率。否则还是以原始载波频率工作。通过前导码同步机制，收发端开始收发频率从60KHZ到150KHZ的子载波，最后MCU依统计结果判定出当前最优化的频率点，并切换到最优化频率点工作，返回到正常的工作。

本发明通过在现有OFDM通信装置中增加频率选择器和相关比较器，对当前信号的质量进行相关分析，如果确定信号失真，则实时请求改变频率，实现了载波自适应。特别地，启动前导码同步机制，接收端根据相关统计结果确定最优化频率，作为当前工作频率。

本发明克服了现有技术中存在的子载波频率固定而没有自适应电力线环境(用电负荷、用电电器的变异等)从而导致的选频干扰严化、通信系统性能降低、浪费带宽的问题。

本发明提供的装置和方法，与现有技术相比，提高了OFDM通信系统的鲁棒性，健壮性；达到了对抗频率选择性干扰的优势，降低了通信系统的误码率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种自适应电力线载波通信装置，电力网络中包括一个测试发送端和一个测试接收端以及其它载波通信装置，所述装置作为测试接收端接收测试发送端定时向全网发送的测试当前电力线载波信号质量的测试帧，所述装置包括耦合单元、电可调前端收发模拟电路、调制解调器和MCU，其特征在于，还包括频率选择器和相关比较器，所述频率选择器在MCU控制下，向调制解调器提供参考频率，所述相关比较器用于将所述调制解调器所产生的正交子载波分别与叠加有正交子载波的接收信号进行卷积运算并比较，比较小的值作为比较结果输出，成为当前信号质量的参考值，当所述参考值源于当前工作频率时，若信号质量参考值小于设定的门限值，所述测试接收端MCU向测试发送端MCU发起改变全网载波通信频率的请求；当参考值源于电力线载波的不同工作测试频率时，选取信号质量参考值的最大值所对应的频率作为最优化频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在整个电网中，只有测试接收端才响应测试帧，其它载波通信装置只响应测试发送端所发出的切换电网正交子载波通信频率的命令。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，测试发送端定时向全网发送测试当前电力线载波信号质量的测试帧，该测试帧频率为工前正常工作状态下的工作频率，其调制信号为恒‘1’的序列。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，如果测试帧频率为当前工作频率，那么所述信号质量参考值将与预设门限作比较，如果小于预设门限，测试接收端向发送端发起改变全网载波通信频率的请求。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测试发送端如果收到测试接收端响应的改变全网载波通信频率的请求，则测试发送端按事先约好的规则，依次发送测试同步前导码，测试频率序列。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测试接收端准备接收同步前导码，与测试发送端保持同步，然后依次接收到不同正交子载波的测试频率，通过相关比较器输出不同测试频率点的信号质量参考值，并存储于缓冲区中，依据缓冲区中的信号质量参考值中的最大值确定其所对应的最优化频率点，并发送将全网电力线载波通信频率切换到所述最优化频率点的命令。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，如果测试接收端没有向测试发送端发出改变全网载波通信频率的请求，则表示当前的载波频率可用，保持当前的工作频率。

8.一种自适应电力线载波通信方法，其中电力网络包括一个测试发送端和一个测试接收端以及其它载波通信装置，其特征在于，该方法包括：

在测试发送端与测试接收端按照当前频率发送及接收测试帧信号时，若测试信道质量时间超时，则：

测试发送端按当前的频率调制成正交子载波，叠加后耦合到电网，测试接收端按当前的频率产生对应的正交子载波，分别与接收到的混叠有该正交子载波的信号作卷积运算；

测试接收端将所述卷积运算结果与设定的门限值进行比较，比较小的值作为比较结果输出，成为当前信号质量的参考值；

当所述参考值源于当前工作频率时，若信号质量参考值小于设定的门限值，所述测试接收端向测试发送端发起改变全网载波通信频率的请求；当参考值源于电力线载波的不同工作测试频率时，选取信号质量参考值的最大值所对应的频率作为最优化频率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在测试接收端请求改变电力线载波通信频率之后，还包括：

测试发送端接收请求；

测试发送端按默认的次序，依次发送同步前导频率，各个测试频率；所有频率点调制成正交子载波，叠加后耦合到电网，其中调制信号为恒‘1’的序列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

所述测试接收端准备接收同步前导码，与测试发送端保持同步；

然后依次接收到不同正交子载波的测试频率，通过相关比较器输出不同测试频率点的信号质量参考值，并存储于缓冲区中；

依据缓冲区中的信号质量参考值中的最大值确定其所对应的最优化频率点，并发送将全网电力线载波通信频率切换到所述最优化频率点的命令。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所有电力线载波模块，收到切换电力线载波通信频率命令后，全部切换到所述最优频率点。

12.根据权利要求8至11任一项所述方法，其特征在于，所述测试频率的调制信号为全‘1’的信号，所述调制载波频率为当前工作状态的载波频率，可供选频的载波频率，同步用的默认频率。

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