CN104144001A - 一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高电力线载波信号传输可靠性方法，包括高精度交流电过零检测电路，用于检测交流电的过零点时刻，产生脉冲到主控制电路；通信数据帧的长度依据过零点的时刻和信噪比来自适应调节；在此电力线通信系统中，接收端根据接收到的信号进行信道质量估计(CHE)，反馈应答信息到发射端，发射端根据应答信息自适应调整数据帧的长度。因为在电力线通信过程中，交流电过零点干扰最小，信道质量最好，所以在过零点区域使用高效编码方式及高阶调制方式传输数据，在非零点区域使用低效编码方式及低阶调制方式传输数据，并根据信道估计结果自适应调整过零区域窗口大小，从而提高了数据传输的可靠性。

Description

一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法

技术领域

本发明涉及电力线通信领域，尤其是一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法。

背景技术

电力线载波通信是电力系统特有的数据通信方式，指利用现有电力线，把信号调制在50Hz/60Hz工频上的技术。作为电力部门特有的通信资源，电力线传输线路具有机械强度高，不易受外力破坏等特点，因此电力线载波通信技术具有组网简单，成本低，抗毁性强，易于实现等特点，近几年来发展很快。

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，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。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、断电警告、智能电网、智能家居等领域。

由于电力线网络起初只是用来传输电能，不是专为通信设计的，所以它并不是一个理想的传输媒介。电力线信道传输噪声大、负载多样化、阻抗变化范围大、衰减量大及存在多径的时变信道。

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。实验表明，在电力线通信中，交流电过零点干扰最小，信道质量最好，因此在过零点区域进行数据传输可以提高信号传输可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：获取过零点区域需要对交流电的过零点时刻进行准确测量，本发明中提供了一种过零点检测电路，可以准确地检测出交流电的零点时刻，将交流电过零点转换成脉冲送入主控制芯片，在主控制芯片内控制数据帧的发送时间。

在零点区域噪声小，信道环境好，使用高阶调制方式，提高数据吞吐率。

在非过零点区域噪声大，信道环境差，使用低阶调制方式，降低数据吞吐率，提高数据传输的可靠性。

零点区域及非过零点区域采用不同的编码方式；过零点区域采用高效编码方式；非过零点区域采用低效编码方式。

数据帧由前导符(Preamble)，帧控制头(FCH)，数据段(Data)三部分组成，其中前导符和帧控制头长度固定，数据段长度可调整。

数据帧传输采用应答方式握手，发送端根据接收端反馈ACK/NACK信息及INC_DEC信息进行发送数据长度调整。

本发明的有益效果是：一种提高电力线载波信号传输可靠性方法，包括高精度交流电过零检测电路，用于检测交流电的过零点时刻，产生脉冲到主控制电路；通信数据帧的长度依据过零点的时刻和信噪比来自适应调节；在此电力线通信系统中，接收端根据接收到的信号进行信道质量估计(CHE)，反馈应答信息到发射端，发射端根据应答信息自适应调整数据帧的长度。因为在电力线通信过程中，交流电过零点干扰最小，信道质量最好，所以在过零点区域使用高效编码方式及高阶调制方式传输数据，在非零点区域使用低效编码方式及低阶调制方式传输数据，并根据信道估计结果自适应调整过零区域窗口大小，从而提高了数据传输的可靠性。

大量的试验表明，在电力线上，交流信号的过零点附近，干扰最小，因此根据过零点划分不同的区域，在零点区域和非零点区域采用不同的编码方式，并根据信道质量改变过零点区域窗口大小，同时选择适当的帧长度，可大大提高数据传输的可靠性。

附图说明

图1为零点检测电路图；

图2为零点检测电路输出脉冲图；

图3为数据帧示意图；

图4为应答帧示意图；

图5为数据帧发送反馈过程示意图；

图6为数据帧时域发送示意图。

具体实施方式

通信系统首先需要检测电力线过零点时刻，用于信号发送控制，过零点检测电路如图1，交流电火线L串联电阻R1与光耦U1二极管侧正极、光耦U2二极管侧负极连接；交流电零线N与光耦U1二极管侧负极、光耦U2二极管侧正极连接；光耦U1三极管侧发射极与光耦U2三极管侧发射极连接后接地；VCC串联电阻R2后与光耦U1三极管侧集电极，光耦U2三极管侧集电极连接，具有施密特触发器特性的门电路连接。

在交流电正半周期内，光耦U1发光二极管导通，光电三极管导通，最终电路输出低电平；在交流电负半周期内，光耦U2的发光二极管导通，光电三极管导通，最终电路输出低电平；在交流电的零点附近，光耦U1、U2不导通，则最终电路输出高电平；因此可以在每个零点产生一个高电平脉冲。

本发明中提供的帧结构如图3所示。数据帧由前导符，帧控制头，数据域三部分组成。

前导符采用固定长度符号个数，如8个符号，使用特定的序列生成，前导符之间没有循环前缀(CP)。前导符用于AGC、帧检测、符号同步、信道估计、频偏估计等。

帧控制头包含数据帧的解调信息，相关控制信息等。帧控制头占用固定符号个数，如2个，符号间有循环前缀(CP)；帧控制头中包含数据帧的编码方式，调制方式，长度等解码需要的信息。

数据域是要传输的实际数据，本设计中，数据的符号数可以根据实际情况调节，符号间有循环前缀(CP)，在零点区域数据使用高效编码方式及高阶调制方式，在非零点区域数据使用低效编码方式及低阶调制方式。

应答帧如图4所示由前导符和帧控制头组成。前导符与数据帧一样，控制头中包含信道估计，预期传输增益，零点区域增减(INC_DEC)等信息，是接收端接收到数据后经过计算得到的反馈信息。

发送端(TX)与接收端(RX)的握手过程如图5所示；当过零点检测电路检测到过零点到来时，输出一个触发信号，发送端根据过零点窗口启动帧传送，将组装好的一帧数据送入滤波器、放大电路，再经耦合电路发送到电力线上。

接收端采用相关算法，检测数据帧的到达，通过搜索相关峰值，确定符号的准确位置，根据FCH中的相关信息，及从前导符号中提取相关的AGC、信道估计、频偏估计信息，实施电路控制和数据的解调。

接收端接收到数据帧后，能够正确解码，返回ACK应答帧，并根据前导符等信息计算信道质量(CHE_NEW)，并与默认的信道质量(CHE_OLD)比较，如果CHE_NEW>CHE_OLD，说明当前信道质量较好，接收端在应答帧中设置INC_DEC＝1(零点窗口增加)；如果CHE_NEW<CHE_OLD，说明当前信道质量较差，接收端在应答帧中设置INC_DEC＝2(零点窗口减少)；如果CHE_NEW＝CHE_OLD，说明当前信道质量没有变化，接收端在应答帧中设置INC_DEC＝0(零点窗口保持)。

本发明中信道质量的比较是以准确数值比较为例说明，也可采用差值范围内比较,如信道质量差值在一定范围内可以保持零点区域窗口。

如果接收到的数据帧不能正确解码，返回NACK应答帧。

发送端接收到NACK帧，减少数据帧长度，每次减少固定符号长度，也即固定时间，如0.5ms；发送端接收到ACK帧，根据INC_DEC信息保持、增加或减少数据帧长度，每次增加或减少固定符号长度，也即固定时间，如0.5ms。

数据帧在电力线上发送的时间如图6所示，零点区域开始新数据帧的发送，前导符与帧控制头在零点区域发送；数据1在零点区域发送，使用高效编码方式，如Turbo编码，高阶调制方式，如16QAM，符号个数N可变；数据2在非零点区域发送，使用低效编码方式，如重复(Repeat)编码，低阶调制方式，如BPSK，符号个数M可变。

通过自适应控制过零点区域窗口大小，可以显著提高信号传输的可靠性，同时能够利用整个交流电周期传输数据，提高了数据吞吐率。

以上内容是本发明的说明，不能认定本发明只限于这些说明。对于本发明所述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包含范围。

Claims (8)

1.一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，包括：电力线信号过零点检测电路；零点区域宽度根据信道环境调节；根据零点区域组装不同长度的数据帧；零点区域与非零点区域采用不同的码率传输数据，零点区域使用高码率传输数据，非零点区域使用低码率传输数据；数据帧长度根据信道质量自适应调制。

2.根据权利要求1所述的一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，所述的过零点检测电路为：交流电火线L串联电阻R1与光耦U1二极管侧正极、光耦U2二极管侧负极连接；交流电零线N与光耦U1二极管侧负极、光耦U2二极管侧正极连接；光耦U1三极管侧发射极与光耦U2三极管侧发射极连接后接地；VCC串联电阻R2后与光耦U1三极管侧集电极，光耦U2三极管侧集电极，具有施密特触发器特性的门电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，所述过零点检测电路在交流电一个周期内产生两个过零点脉冲。

4.根据权利要求1、3任一项所述的一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，通过过零检测电路确定过零区域，在过零区域：采用高效率编码方式；使用高阶调制方式，如8PSK,16QAM等；提高传输吞吐率。

5.根据权利要求1、3任一项所述的一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，通过过零检测电路确定非过零区域，在非过零区域：使用低效率编码方式；使用低阶调制方式，如BPSK；降低传输吞吐率，提高数据可靠性。

6.根据权利要求1、4、5任一项所述的一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，编码方式包括Turbo编码，Viterbi编码，重复(Repeat)编码等。

7.根据权利要求1一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，根据接收到ACK/NACK信息及零点区域增减(INC_DEC)信息，发送端调整过零点窗口长度。当信道质量较好时，增大过零区域窗口；当信道质量变差时，减小过零区域窗口。

8.根据权利要求1、7任一项一种提高电力线载波信号传输可靠性的方法，其特征在于，数据帧的前导符与帧控制头长度固定，通过改变数据帧的数据部分长度改变整个数据帧的长度，使数据帧长度满足零点区域及非零点区域长度。