CN103532901B - 一种用于电力线载波通信的定时同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电力线载波通信的定时同步方法及系统；所述系统包括模数转换器、I/Q解调器、窄带干扰检测器、自适应滤波器、归一化模块、自相关计算模块、比较器和后处理器；模数转换器、I/Q解调器和窄带干扰检测器将OFDM载波信号转变为OFDM载波频域信号；所述方法的步骤为：1、获取每个OFDM子载波f的平均功率P；2、对OFDM子载波f进行窄带干扰检测；3、对OFDM信号滤波后进行归一化处理；4、获取OFDM载波信号的起始时间并输出OFDM载波同步信号。和现有技术相比，本发明提供的一种用于电力线载波通信的定时同步方法及系统在窄带干扰、脉冲噪声、多径传播、输入信号幅值剧烈变化或非线性等多种不同的信道环境下，具有较高鲁棒性。

Description

一种用于电力线载波通信的定时同步方法及系统

技术领域

本发明涉及一种通信定时同步方法及系统，具体涉及一种用于电力线载波通信的定时同步方法及系统。

背景技术

定时同步方法是电力通信系统中一个非常重要的模块，其对整个系统的性能影响非常大。电力通信系统中无线通信系统的定时同步技术主要采用前导序列包含几个相同部分的重复结构进行两步同步操作，即粗同步（自相关）和细同步（互相关）；粗同步是为了快速地捕获一个粗略的数据包起始信息；基于该起始信息，精同步进行互相关操作从而获取更加精确的数据包起始位置。

目前许多应用于电力线载波通信系统的定时同步方法也采用粗同步或精同步技术；但与无线通信系统相比，电力线载波通信信道更加复杂多变，主要因素为电力线信道中的幅度非线性、多径效应、窄带干扰和脉冲噪声等，这些因素会影响粗同步和精同步的性能，甚至使其不能正常工作。现有技术中为克服上述缺陷的一些特定方法包括：

①：《2013年国际电力线通信及其应用研讨会》公开了针对前导序列的循环后缀进行了扰码操作，从而减小窄带干扰的影响；但应用该扰码操作后，前导序列的带外能量会增加；此外，在多径信道或脉冲噪声环境下，同步算法性能也没有得到改善。

②：《2007年国际电力线通信及其应用研讨会》公开了一种新的产生前导序列的方法以及新的同步度量，能够使系统在多径衰落信道中仍能保持很好的同步性能；同时，在同步度量中采用了归一化操作，使其能够不受信道中幅度变化过大或非线性的影响。但是如果信道中存在窄带干扰或者脉冲噪声，该同步方案的性能就会急剧下降。

③：《2011年国际信号处理、通信与计算大会（ICSPCC）》公开了与《2007年国际电力线通信及其应用研讨会》中记载相同的同步度量方法，从而使同步方案能够在多径衰减信道下很好工作但同时也不能保证其在窄带干扰和脉冲噪声环境下的性能。

传统的归一化方案是在做完相关运算之后进行的，这样能够减小输入信号幅度剧烈变化甚至非线性的影响。然而，如果一个能量很大的脉冲信号正好出现在前导序列中，那么采用传统归一化方法的同步方案性能将会急剧恶化；因此提供一种能够在窄带干扰、脉冲噪声、多径传播、输入信号幅值剧烈变化或非线性等多种不同的信道环境下，具有较高鲁棒性的定时同步方法及系统显得尤为重要。

发明内容

为了满足现有技术的需求，本发明提供了一种用于电力线载波通信的定时同步方法，所述方法包括下述步骤：

步骤1：获取每个OFDM子载波f的平均功率P；

步骤2：对所述OFDM子载波f进行窄带干扰检测；

步骤3：对OFDM载波信号滤波后进行归一化处理；以及

步骤4：获取所述OFDM载波信号的起始时间并输出OFDM载波同步信号。

优选的，所述步骤1中通过无限脉冲响应滤波器获取所述平均功率P；

优选的，所述步骤2中通过窄带干扰检测器获取所述平均功率P最大的OFDM子载波f_MAX；

若所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于窄带干扰功率阈值P_th，则结束窄带干扰检测执行步骤3；

若所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P大于窄带干扰功率阈值P_th，则将所述OFDM子载波f_MAX附近所有平均功率P大于所述窄带干扰功率阈值P_th的OFDM子载波f_th构建为子载波集合G_n，并将所述OFDM子载波f_th的功率设置为零；所述子载波集合G_n包括所述OFDM子载波f_th的功率值和序号；重复执行所述步骤2直至所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于所述窄带干扰功率阈值P_th；

优选的，依据所述窄带干扰检测器检测的所述OFDM子载波f_th的数量i、所述功率值、中心频率f_NBi、带宽、衰减量、OFDM载波信号的频率f_C和采样频率f_S配置自适应滤波器；所述自适应滤波器的Z域模型为其中θ_i1＝α_i+Δα_i，可调系数Δα_i通过所述带宽和所述衰减量确定；

优选的，所述步骤3中所述归一化处理采用基于窗函数的归一化方法；所述归一化处理后的所述OFDM载波信号其中所述F(k)为滤波后的所述OFDM载波信号；所述W_1×L为计算平均幅度的窗函数向量；所述F_L×1＝{|F(k-L₁+1)|,|F(k-L₁+2)|,...,|F(k+L₂-1)|,|F(k+L₂)|}^T中的向量元素为第k个采样点相邻的采样点的幅度，L₁≥0，L₂≥0，L₁+L₂=L；

优选的，将所述OFDM载波信号F(k)与本地存储的前导序列进行互相关计算，并将其计算结果m[k]与阈值T_h比较；其中N_P为前导序列S的长度，len为整数系数；若k＝k₀时，m[k₀]＞T_h，则所述OFDM载波信号的起始时间为k₀-N_P-1；所述前导序列S通过对奈奎斯特加窗处理后的两个对称子前导序列的滚降部分叠加获得；

优选的，通过向量{m[k₀-1],m[k₀],...,m[k₀+len-1]}获取所述OFDM载波信号的准确起始时间t_arrival＝(Q-L′-N_P-1)·T_S；其中， floor((len-1)/2)为不超过(len-1)/2的最大整数。

本发明提供了一种用于电力线载波通信的定时同步系统，所述系统包括依次相连的模数转换器、I/Q解调器、自适应滤波器、归一化模块、自相关计算模块、比较器和后处理器；所述I/Q解调器的一条输出支线直接与所述自适应滤波器相连，另一条输出支线通过窄带干扰检测器与所述自适应滤波器相连；

所述模数转换器和所述I/Q解调器用于将所述系统接收的OFDM载波信号转变为OFDM载波基带信号；所述窄带干扰检测模块对所述OFDM载波基带信号进行傅里叶变换后得到OFDM载波频域信号；所述窄带干扰检测模块获取所述OFDM载波频域信号中的窄带干扰信号数量、功率值、中心频率、带宽和衰减量，从而设置自适应滤波器的配置参数；所述自适应滤波器对OFDM载波信号进行滤波处理；所述归一化模块采用基于窗函数的归一化方法对所述自相关计算模块的每个输入信号采样点进行归一化处理；所述比较器和所述后处理器用于获取所述OFDM载波信号的准确起始时间，并输出OFDM载波同步信号。

优选的，所述自适应滤波器为自适应FIR复数滤波器；所述窄带干扰检测器定时自启动检测所述窄带干扰信号从而更新所述自适应滤波器的配置参数；

优选的，所述比较器将所述自相关计算模块的输出值与阈值T_h进行比较，若k＝k₀时，m[k₀]＞T_h，，则所述OFDM载波信号的起始时间为k₀-N_P-1；所述后处理器通过所述输出值的向量{m[k₀-1],m[k₀],...,m[k₀+len-1]}计算所述OFDM载波信号的准确起始时间t_arrival；所述准确起始时间t_arrival＝(Q-L′-N_P-1)·T_S；其中， floor((len-1)/2)为不超过(len-1)/2的最大整数。

与现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，通过无限脉冲响应滤波器获取OFDM载波频域信号中每个OFDM子载波f的平均功率P，更加简单快速，降低存储资源的消耗；

2、本发明技术方案中，采用窄带干扰检测器对OFDM载波信号中的窄带干扰信号进行性能分析；通过设置窄带干扰功率阈值P_th判断OFDM子载波f是否为窄带载波干扰信号，检测更加准确；同时，窄带干扰检测器能够定时自启动检测并获取窄带干扰信号数量、功率值、中心频率、带宽和衰减量，从而设置自适应滤波器的配置参数；

3、本发明技术方案中，采用自适应FIR复数滤波器能够有效抑制多个单频干扰信号或具有一定带宽的调制信号，衰减抑制窄带干扰信号的功率（能量值）；

4、本发明技术方案中，归一化模块基于窗函数方法针对互相关计算模块的每一个输入信号采样点均进行归一化操作，能够将降低脉冲噪声对后处理模块输出OFDM载波同步信号的干扰影响；

5、本发明技术方案中，采用比较器将自相关计算模块的输出值与比较器设定的阈值进行比较，从而获得OFDM载波信号的起始时间，通过后处理模块能够针对多径信道环境输出准确的OFDM载波同步信号；

6、本发明技术方案中，自适应FIR复数滤波器根据窄带干扰信号的数量、功率值、中心频率、带宽和衰减量进行灵活地配置；

7、本发明技术方案中，基于窗函数的归一化方法，能够确保输入信号幅度变化过大甚至幅值非线性的情况下都能正常工作；相比传统的归一化方法，存在脉冲噪声的信道中，采用基于窗函数的归一化方法的同步系统能够获得更好的同步性能；

8、本发明技术方案中，OFDM载波频域信号的前导序列S通过对奈奎斯特加窗处理后的两个对称子前导序列的滚降部分叠加获得；能够在硬件实现时节省一半的复数乘法器，且前导序列S的带外能量能够得到很好地抑制，从而减小对相邻频段干扰；

9、本发明技术方案中，采用构建同步度量即自相关计算模块的输出值通过改变其中的参数能够有效地对抗多径衰减信道；

10、本发明提供的一种用于电力线载波通信的定时同步方法及系统，能够在窄带干扰、脉冲噪声、多径传播、输入信号幅值剧烈变化或非线性等多种不同的信道环境下，具有较高鲁棒性。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中的一种用于电力线载波通信的定时同步系统结构图；

图2是：本发明实施例中的窄带干扰检测方法流程图；

图3是：本发明实施例中的前导序列结构图；

图4是：本发明实施例中采用自适应滤波器的窄带干扰的信号同步性能图；

图5是：本发明实施例中采用归一化方法的脉冲噪声干扰的信号同步性能图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1示出了本实施例中的一种用于电力线载波通信的定时同步系统结构图；如图所示，所述系统包括依次相连的模数转换器、I/Q解调器、自适应滤波器、归一化模块、自相关计算模块、比较器和后处理器；I/Q解调器的一条输出支线直接与自适应滤波器相连，另一条输出支线通过窄带干扰检测器与自适应滤波器相连；

模数转换器将系统接收的OFDM载波信号转换为数字信号；I/Q解调器将该数字信号由频带信号转换为基带信号，即OFDM载波基带信号；自适应滤波器一直处于开启状态实时对OFDM载波基带信号进行滤波；窄带干扰检测模块定时自启动，对接收到的OFDM载波基带信号进行傅里叶变换后得到OFDM载波频域信号，从而检测出窄带干扰信号，并依据窄带干扰信号数量、功率值、中心频率、带宽和衰减量，设置自适应滤波器的配置参数；归一化模块采用基于窗函数的归一化方法对自相关计算模块的每个输入信号采样点进行归一化处理；比较器将自相关计算模块的输出值与其内部的阈值进行比较，若输出值大于阈值，则可获得OFDM载波信号的起始时间；后处理器通过该输出值的向量计算OFDM载波信号更加准确的起始时间，从而输出精确的OFDM载波同步信号；

其中，自适应滤波器为自适应FIR复数滤波器。

本发明提供的一种用于电力线载波通信的定时同步方法的具体步骤为：

步骤1：窄带干扰检测器获取OFDM载波频域信号中每个OFDM子载波f的平均功率P；具体为：①：对OFDM载波基带信号进行傅里叶变换；②：在频域上计算每个OFDM子载波f的功率；③：重复执行步骤①和②直至准确获得每个OFDM子载波f的功率；④：通过无限脉冲响应滤波器获取平均功率P；

步骤2：对OFDM子载波f进行窄带干扰检测；如图2所示具体为：

①：获取步骤1中得到的平均功率P最大的OFDM子载波f_MAX；

②：判断OFDM子载波f_MAX的平均功率P与窄带干扰功率阈值P_th的大小，若f_MAX的平均功率P小于窄带干扰功率阈值P_th，则结束窄带干扰检测；若f_MAX的平均功率P大于窄带干扰功率阈值P_th，则将OFDM子载波f_MAX周围所有平均功率P大于窄带干扰功率阈值P_th的OFDM子载波f_th构建为子载波集合G_n，并将集合G_n中的OFDM子载波f_th的功率设置为零；子载波集合G_n包括OFDM子载波f_th的功率值和序号；重复执行步骤①和②直至OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于窄带干扰功率阈值P_th；

③：窄带干扰检测器依据检测到的OFDM子载波f_th的数量i、功率值、中心频率f_NBi、带宽、衰减量、OFDM载波频域信号的频率f_C和采样频率f_S设置自适应滤波器的配置参数；自适应滤波器的Z域模型为其中θ_i1＝α_i+Δα_i，θ_i2＝α_i+Δα_i，如下表所示可调系数Δα_i通过带宽和衰减量确定；

	0.05	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3
							带宽	0.044	0.09	0.13	0.18	0.22	0.27
衰减能量(dB)	63	52	45	40	36	33

本实施例中的自适应滤波器的脉冲响应函数为：如图4所示，当窄带干扰功率阈值P_th＝0.9时，不采用自适应滤波器时只能够对抗平均功率为60dB的窄带干扰信号；而采用自适应滤波器时，则能够对抗平均功率超过80dB的窄带干扰信号，从而使得系统对窄带干扰的抑制提高了20dB；

步骤3：对OFDM载波信号进行滤波和归一化处理；具体为：

采用基于窗函数的归一化方法对互相关计算模块的每个输入信号采样点进行归一化处理；归一化处理后的OFDM载波信号其中F(k)为滤波后的OFDM载波信号；F_L×1＝{|F(k-L₁+1)|,|F(k-L₁+2)|,...,|F(k+L₂-1)|,|F(k+L₂)|}^T中的向量元素为第k个采样点相邻的采样点的幅度，L₁≥0，L₂≥0，L₁+L₂=L；W_1×L为计算平均幅度的窗函数向量；

本实施例中的归一化处理后的OFDM载波信号W_1×7＝{0.25，0.5，1，1，1，0.5，0.25}，F_7×1＝{|F(k-3)|,|F(k-2)|,...,|F(k+2)|,|F(k+3)|}^T；如图5所示，当窄带干扰功率阈值P_th＝0.9时，传统的归一化方法只能够对抗平均功率为45dB的脉冲噪声干扰；而采用基于窗函数的归一化方法时，则能够对抗平均功率超过55dB的脉冲噪声干扰。

步骤4：获取OFDM载波信号的起始时间并输出OFDM载波同步信号，具体为：

①：将OFDM载波信号F(k)与本地存储的前导序列进行互相关计算，并将其计算结果m[k]与阈值T_h比较；其中N_P为前导序列S的长度，len为整数系数；若k＝k₀时，m[k₀]＞T_h，则OFDM载波信号的起始时间为k₀-N_P-1，阈值T_h根据实际测试情况设定；如图3前导序列S通过对奈奎斯特加窗处理后的两个对称子前导序列的滚降部分叠加获得；奈奎斯特窗的滚降系数定义为N_win为前导序列的单侧滚降部分长度，N_syn为前导序列长度；通过奈奎斯特加窗操作之后，前导序列的带外能量得到了抑制，且前导序列的对称结构，定时同步算法的硬件实现能够得到简化并且能够节省一半的复数乘法器。

②：后处理器通过互相关计算模块输出值向量{m[k₀-1],m[k₀],...,m[k₀+len-1]}计算OFDM载波信号的准确起始时间t_arrival；准确起始时间t_arrival＝(Q-L′-N_P-1)·T_S；其中， floor((len-1)/2)为不超过(len-1)/2的最大整数；

③：依据所述准确起始时间t_arrival输出OFDM载波同步信号。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于电力线载波通信的定时同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：获取每个OFDM子载波f的平均功率P；

步骤2：对所述OFDM子载波f进行窄带干扰检测；

所述步骤2中通过窄带干扰检测器获取所述平均功率P最大的OFDM子载波f_MAX；

若所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于窄带干扰功率阈值P_th，则结束窄带干扰检测执行步骤3；

若所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P大于窄带干扰功率阈值P_th，则将所述OFDM子载波f_MAX附近所有平均功率P大于所述窄带干扰功率阈值P_th的OFDM子载波f_th构建为子载波集合G_n，并将所述OFDM子载波f_th的功率设置为零；所述子载波集合G_n包括所述OFDM子载波f_th的功率值和序号；重复执行所述步骤2直至所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于所述窄带干扰功率阈值P_th；

依据所述窄带干扰检测器检测的所述OFDM子载波f_th的数量i、所述功率值、中心频率f_NBi、带宽、衰减量、OFDM载波信号的频率f_C和采样频率f_S配置自适应滤波器；所述自适应滤波器的Z域模型为其中θ_i1＝α_i+Δα_i，θ_i2＝α_i-Δα_i，可调系数Δα_i通过所述带宽和所述衰减量确定；

步骤3：对OFDM载波信号滤波后进行归一化处理；以及

步骤4：获取所述OFDM载波信号的起始时间并输出OFDM载波同步信号。

2.如权利要求1所述的一种用于电力线载波通信的定时同步方法，其特征在于，所述步骤1中通过无限脉冲响应滤波器获取所述平均功率P。

3.如权利要求1所述的一种用于电力线载波通信的定时同步方法，其特征在于，所述步骤3中所述归一化处理采用基于窗函数的归一化方法；所述归一化处理后的所述OFDM载波信号其中所述F(k)为滤波后的所述OFDM载波信号；所述W_1×L为计算平均幅度的窗函数向量；所述F_L×1＝{|F(k-L₁+1)|,|F(k-L₁+2)|,...,|F(k+L₂-1)|,|F(k+L₂)|}^T中的向量元素为第k个采样点相邻的采样点的幅度，L₁≥0，L₂≥0，L₁+L₂＝L。

4.如权利要求3所述的一种用于电力线载波通信的定时同步方法，其特征在于，将所述OFDM载波信号F(k)与本地存储的前导序列进行互相关计算，并将其计算结果m[k]与阈值T_h比较；其中N_P为前导序列S的长度，len为整数系数；若k＝k₀时，m[k₀]＞T_h，则所述OFDM载波信号的起始时间为k₀-N_P-1；所述前导序列S通过对奈奎斯特加窗处理后的两个对称子前导序列的滚降部分叠加获得。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种用于电力线载波通信的定时同步方法，其特征在于，通过向量{m[k₀-1],m[k₀],...,m[k₀+len-1]}获取所述OFDM载波信号的准确起始时间t_arrival＝(Q-L′-N_P-1)·T_S；其中，floor((len-1)/2)为不超过(len-1)/2的最大整数。

6.一种用于电力线载波通信的定时同步系统，其特征在于，所述系统包括依次相连的模数转换器、I/Q解调器、自适应滤波器、归一化模块、自相关计算模块、比较器和后处理器；所述I/Q解调器的一条输出支线直接与所述自适应滤波器相连，另一条输出支线通过窄带干扰检测器与所述自适应滤波器相连；

所述模数转换器和所述I/Q解调器用于将所述系统接收的OFDM载波信号转变为OFDM载波基带信号；通过无限脉冲响应滤波器获取OFDM载波频域信号中每个OFDM子载波f的平均功率P；

所述窄带干扰检测模块对所述OFDM载波基带信号进行傅里叶变换后得到OFDM载波频域信号；所述窄带干扰检测模块获取所述平均功率P最大的OFDM子载波f_MAX，并对所述OFDM子载波f进行窄带干扰检测，包括：若所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于窄带干扰功率阈值P_th，则结束窄带干扰检测；若所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P大于窄带干扰功率阈值P_th，则将所述OFDM子载波f_MAX附近所有平均功率P大于所述窄带干扰功率阈值P_th的OFDM子载波f_th构建为子载波集合G_n，并将所述OFDM子载波f_th的功率设置为零；所述子载波集合G_n包括所述OFDM子载波f_th的功率值和序号；重复对所述OFDM子载波f进行窄带干扰检测直至所述OFDM子载波f_MAX的平均功率P小于所述窄带干扰功率阈值P_th；

所述窄带干扰检测模块获取所述OFDM子载波f_th的数量i、所述功率值、中心频率f_NBi、带宽、衰减量、OFDM载波信号的频率f_C和采样频率f_S，从而设置自适应滤波器的配置参数以配置自适应滤波器；所述自适应滤波器的Z域模型为其中θ_i1＝α_i+Δα_i，θ_i2＝α_i-Δα_i，可调系数Δα_i通过所述带宽和所述衰减量确定；所述自适应滤波器对OFDM载波信号进行滤波处理；

所述归一化模块采用基于窗函数的归一化方法对所述自相关计算模块的每个输入信号采样点进行归一化处理；所述比较器和所述后处理器用于获取所述OFDM载波信号的准确起始时间，并输出OFDM载波同步信号。

7.如权利要求6所述的一种用于电力线载波通信的定时同步系统，其特征在于，所述自适应滤波器为自适应FIR复数滤波器；所述窄带干扰检测器定时自启动检测所述窄带干扰信号从而更新所述自适应滤波器的配置参数。

8.如权利要求6所述的一种用于电力线载波通信的定时同步系统，其特征在于，所述比较器将所述自相关计算模块的输出值与阈值T_h进行比较，若k＝k₀时，m[k₀]＞T_h，则所述OFDM载波信号的起始时间为k₀-N_P-1；所述后处理器通过所述输出值的向量{m[k₀-1],m[k₀],...,m[k₀+len-1]}计算所述OFDM载波信号的准确起始时间t_arrival；所述准确起始时间t_arrival＝(Q-L′-N_P-1)·T_S；其中，N_P为前导序列S的长度，len为整数系数，floor((len-1)/2)为不超过(len-1)/2的最大整数。