CN104363033B - 一种采用脉冲调制的电力线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在电力线上采用脉冲调制传输数据的技术，其中，脉冲调制是指将原始二进制数据通过数字基带信号处理器映射成对应的数字信号传输给脉冲发生器，所述脉冲发生器根据所述不同数字信号产生对应的模拟窄脉冲信号，通过耦合器直接加载到电力线上。

Description

一种采用脉冲调制的电力线通信方法

技术领域

本发明涉及电力线通信方法，尤其涉及一种在电力线介质上采用脉冲调制的电力线通信方法。

背景技术

电力线通信技术(Power Line Communication)是一种利用普通电力线作为通信介质传输数据的通信方式，具有成本低、施工简单、接入方便、易于拓展等优点，可广泛用于数字家庭、智能建筑、工业控制、交通工具等领域。

电力线本身用来传送工频正弦交流电信号，并非用于数据传输，由于电力线网络结构的复杂性和负载的多样性与时变性，电力线作为通信介质有其自身所特有的缺陷，比如无法预测的噪声、变化的阻抗以及信号衰减等。

目前，电力线通信系统为应对恶劣的电力线通信信道，降低系统误码率、提高传输速率，普遍采用OFDM技术和扩频通信技术(SS)等信号调制方法。

OFDM是一种多载波调制技术，把可用频带分成许多相互独立的窄带子信道，同时把串行的高速码流转换成多个低速的并行码流，用并行码流调制各子载波后同时发送，各子载波可以用相同或者不同的数字基带调制方法。OFDM具有频谱利用率高等优点，但该技术对载波正交性的要求严格、同步难度大，对硬件设计要求很高，导致大幅增加了电力线通信系统的成本和实现难度，并且无法抵抗电力线信道中的突发性噪声，无法实现稳定速率远距离传输。

扩频技术(SS)是使用比发送信息数据速率高许多倍的伪随机码将载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，生成宽带低功率谱密度的信号来发送。接收端再进行处理和解调，恢复原始数据信号，从而减少噪声对信号的影响。当前实现扩频主要有4种途径：直接序列调制、跳频调制、跳时扩频调制、利用Chirps扫描频率进行载波调制。扩频技术具有一定的抗噪性能，但其传输速率较低，目前在电力线上使用的扩频技术最高只有达到几十kbps。

目前，在电力线通信领域，研究人员还未找到一种强抗噪、强抗干扰、稳定传输数据以及系统实现成本低的调制技术。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种采用脉冲调制的电力线通信方法，借助该发明，可以在电力线上实现具有强抗噪性能、强抗干扰性能和稳定可靠传输等优点的数据通信，并可以大幅降低系统的实现成本和实现难度。

本发明的一种脉冲调制电力线通信方法将原始二进制数据通过数字基带信号处理器映射成对应的数字信号传输给脉冲发生器，所述脉冲发生器根据所述不同数字信号产生对应的模拟窄脉冲信号，通过耦合器直接加载到电力线上。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，相邻两个所述模拟窄脉冲信号之间的时间间隔大于或等于电力线信道冲激响应的持续时间，以克服信道造成的码间干扰(ISI)。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所采用的频谱范围主要由所述模拟窄脉冲信号的频谱范围决定。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所述模拟窄脉冲信号通过若干带通滤波器，将所占频谱限定在各个国家对电力线通信频谱要求范围内。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所述模拟窄脉冲信号无须调制到载波上，可直接加载到电力线上。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所述的模拟窄脉冲信号可以使用高斯脉冲、方波脉冲、三角波脉冲、尖峰脉冲、正弦波脉冲、锯齿波脉冲、阶梯波脉冲之一或其变种和组合。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所述的加载在电力线上的每个模拟窄脉冲信号的持续时间在1纳秒到10微秒的范围内。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所述的模拟窄脉冲信号可以在工频正弦交流电每个周期内的任意时刻加载到电力线上，无需检测工频正弦交流电的相位。

上述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法中，所述方法的硬件实现无需载波调制电路、锁相环电路，电路结构简单，硬件要求低。

本发明的优点和有利效益在于：首先，采用脉冲调制的电力线通信方法通过设置两个模拟窄脉冲信号之间的时间间隔大于或等于电力线信道冲激响应的持续时间，就可很容易地克服电力线信道造成的码间干扰(ISI)。其次，该方法采用的单个模拟窄脉冲信号的持续时间很短，利用了很宽的信号带宽来传输数据，而电力线上的各种窄带干扰信号在整个信号带宽中所占很小，数据信号的信噪比很高，因而，该方法的抗干扰性很强。此外，该方法直接采用模拟窄脉冲信号对二进制数据进行调制，无需传统通信系统中的载波调制与解调，大幅减少了电力线通信系统的实现成本和实现难度。同时，该方法中的模拟窄脉冲信号拓展了通信频带，降低了单位频带内的信号功率，因此对于电力线上的其他通信系统的干扰较小，无需考虑与现有其他电力线通信协议兼容问题。

附图说明

图1为本发明的脉冲调制电力线通信系统的组成示意图。

图2为本发明的电力线通信系统中用于电力线上传输数据的模拟窄脉冲信号示意图。

图3为本发明的脉冲调制电力线通信系统进行数据通信的流程示意图。

具体实施方式

下面以国内220V/50Hz低压电力线为应用对象，结合附图和典型实施例详细说明本发明的实现方法，但不以任何方式限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的采用脉冲调制的电力线通信系统包括数字基带信号处理器1、脉冲发生器2、发射通路5、接收通路11、耦合器6以及电力线7。

更详细地，所述数字基带信号处理器1包括发射单元12和接收单元13。其中，发射单元12与脉冲发生器2相连，将原始的二进制数据映射成对应的数字信号，并传输给脉冲发生器2。接收单元13与接收通路11相连，用于处理来自接收通路11的数字信号，恢复成原始的二进制数据。

所述脉冲发生器2与数字基带信号处理器1的发射单元12相连，根据输入的不同数字信号生成对应的模拟窄脉冲信号，并传输给发射通路5，所述模拟窄脉冲信号采用了持续时间小于0.5微秒的高斯脉冲。

进一步地，图2示意性地示出了用于电力线上传输数据的模拟窄脉冲信号，数字基带信号处理器1的发射单元12输出已进行相位调制后的数字信号。即，该信号表示了在单位时间(一个周期t)内模拟窄脉冲信号的相位信息。当发射单元12输出正相位数字信号时，脉冲发生器就产生一个正相位模拟窄脉冲信号，该信号表示二进制“0”；当发射单元12输出负相位数字信号时，脉冲发生器就产生一个负相位模拟窄脉冲信号，该信号表示二进制“1”。例如，当要发送的原始二进制数据为“1001”时，脉冲发生器输出如图2所示的模拟窄脉冲信号。

应注意，本发明的电力线通信系统还可采用FSK、ASK、QPSK、QAM调制等数字调制方法，而不限于相位调制(PSK)。

更详细地，所述发射通路5包括带通滤波器3和功率放大器4。其中，带通滤波器3与所述脉冲发生器2相连，用于限定脉冲发生器2发出的模拟窄脉冲信号的频带范围，以符合各国对电力线通信频带的规定。应注意，若国家没有规定电力线通信频带范围，则可省去带通滤波器3。功率放大器4与带通滤波器3相连，用于放大经带通滤波器3后的模拟窄脉冲信号的功率，以提高电力线通信系统的通信性能。发射通路5中没有载波生成器和乘法器，直接在电力线上发送很窄的脉冲信号，大大减少了发射通路的实现难度和实现成本。

更详细地，所述接收通路11包括带通滤波器8、信号放大器9和模拟数字转换器10。其中，带通滤波器8与耦合器6相连，用于滤除所述模拟窄脉冲信号频谱范围外的、来自电力线上的噪声。信号放大器9与所述接收通路11中的带通滤波器8相连，用于放大经过接收通路11中带通滤波器8之后的模拟窄脉冲信号幅值。模拟数字转换器10与信号放大器9相连，用于对模拟窄脉冲信号进行采样，并转换成数字信号。接收通路11中没有载波解调器和锁相环电路，大大减少了接收通路的电路复杂度和实现成本，并且无需载波同步，直接对接收到的模拟窄脉冲信号进行处理并采样。

所述耦合器6，与发射通路5、接收通路11、电力线7相连，用于将发射通路5的模拟窄脉冲信号耦合到电力线7上，以及接收来自电力线7上的模拟窄脉冲信号，并且隔离电力线上的工频正弦交流电信号，避免损害发射通路5和接收通路11上的器件。

如图3所述，是利用本发明的采用脉冲调制的电力线通信系统进行数据通信的流程示意图。具体地，结合图1，在步骤S01中，通过数字基带信号处理器1的发射单元12发送原始二进制数据。在步骤S02中，数字基带信号处理器1的发射单元12将要发送的二进制数据映射成对应的数字信号。在步骤S03中，脉冲发生器2根据不同数字信号产生对应的模拟窄脉冲信号。在步骤S04中，通过带通滤波器3、功率放大器4、耦合器6将模拟的模拟窄脉冲信号进行滤波、放大，并发送到电力线上进行传输。在步骤S05中，通过耦合器6接收模拟窄脉冲信号，再通过接收通路11中的带通滤波器8和信号放大器9进行滤波、放大。在步骤S06中，通过模拟数字转换器10对模拟窄脉冲信号进行采样，转变成数字信号。在步骤S07中，通过数字基带信号处理器1的接收单元13对数字信号进行处理，恢复成原始二进制数据，从而在电力线上实现了数据传输。

综上所述，本发明的采用无载波脉冲调制方法的电力线通信系统，通过数字基带信号处理器1将原始二进制数据映射成对应的数字信号，脉冲发生器2根据不同数字信号产生对应的模拟窄脉冲信号，通过发射通路5滤波放大后由耦合器6直接加载到电力线7上，经过电力线7传输后，由耦合器6、接收通路11、数字基带信号处理器1接收模拟窄脉冲信号并恢复成原始二进制数据。因此，本发明的电力线通信系统直接采用模拟窄脉冲信号对二进制数据进行调制，无需传统通信系统中的载波调制与解调，大幅减少了电力线通信系统的实现成本和实现难度；并且单个模拟窄脉冲信号的持续时间很短，利用了很宽的信号带宽来传输数据，而电力线上的各种窄带干扰信号在整个信号带宽中所占很小，信噪比很高，因而抗干扰性强、抗噪声性强、稳定可靠。

通过附图和说明，给出了具体实施方式的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，个中变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (6)

1.一种采用脉冲调制的电力线通信方法，其特征在于所述方法将原始二进制数据通过数字基带信号处理器进行PSK、FSK、ASK、QPSK或QAM数字调制后变成数字信号再传输给脉冲发生器，所述脉冲发生器根据所述不同数字信号产生对应的模拟窄脉冲信号，所述模拟窄脉冲信号的持续时间在1纳秒到10微秒的范围内，所述模拟窄脉冲信号无须调制到载波上，通过耦合器直接加载到电力线上，并且接收通路上包括一个模拟数字转换器，用于将接收到的模拟窄脉冲信号转换成数字信号，数字基带信号处理器对数字信号进行处理恢复成原始二进制数据。

2.如权利要求1所述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法，其特征在于相邻两个所述模拟窄脉冲信号之间的时间间隔大于或等于电力线信道冲激响应的持续时间，以克服信道造成的码间干扰(ISI)。

3.如权利要求1所述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法，其特征在于所述方法所采用的频谱范围主要由所述模拟窄脉冲信号的频谱范围所决定。

4.如权利要求3所述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法，其特征在于所述模拟窄脉冲信号通过若干带通滤波器，将所占频谱限定在各个国家对电力线通信频谱要求范围内。

5.如权利要求1所述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法，其特征在于所述的模拟窄脉冲信号可以使用高斯脉冲、方波脉冲、三角波脉冲、尖峰脉冲、正弦波脉冲、锯齿波脉冲、阶梯波脉冲之一或其变种和组合。

6.如权利要求1所述的一种采用脉冲调制的电力线通信方法，其特征在于所述模拟窄脉冲信号可以在工频正弦交流电每个周期内的任意时刻加载到电力线上，无需检测工频正弦交流电的相位。