CN104767549B - 基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法，包括步骤A：按预设采样频率对市电进行实时功率采样，同时，对采样进行计数；当市电功率过零点时以及计数达到预估的市电过零周期采样数时将计数清零；步骤B：发送端根据数据包的各组成部分的长度分别确定各组成部分的发送起始时刻；所述发送起始时刻以所述计数表示；步骤C：接收端接收发送端发送的各帧片段数据。本发明采用异步传输形式，在每个过零点由发送端定发送开始时间，发送端只需要在过零点附近发送有效信息，而接收端只需按照一定的机制定时获得有效信息，不需要获知过零点的具体位置，避免了市电功率周期的误差对信号传输与交流波形同步的影响，提高了抗脉冲干扰能力。

Description

基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法

技术领域

本发明涉及电力线载波通信领域，尤其涉及一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法。

背景技术

G3(电力线载波通信的国际标准)物理层支持2种类型的帧结构：数据类型的帧结构(如图1所示)和应答类型的帧结构(如图2所示)。数据帧和应答帧前面都是由前导码(Preamble)和帧控制报头(FCH)组成，不同的是数据帧后面有数据(DATA)，而应答帧没有。前导码由若干个SYNCP符号和SYNCM符号组成。SYNCP符号通常是某种固定形式的波形，SYNCM符号通常是SYNCP符号反相后的波形。由于电力线所传输的市电(50Hz/60Hz)的特性，电力线上会存在一定频率(100Hz/120Hz)的脉冲干扰。在电力线上采用过零传输可避免受到市电的脉冲干扰。过零传输是指利用市电经过零点的短暂时间(零点附近)进行信号传输。但是，由于过零点的时间很短，而且市电本身的周期以及对市电过零点的检测都存在一定误差，因此，在实际应用中，信号传输与交流波形的同步不好控制，再加上现代通讯数据帧又比较长，造成过零传输难以应用。

OFDM(正交频分复用)是电力线载波通信中广泛采用的一种信号传输技术，在ZC(Zero-Crossing，过零传输)模式中，可以在市电过零点附近发送K个OFDM(正交频分复用)符号。在基于OFDM的电力线载波通信中，定义一个用于过零模式的帧控制报头为FCH-ZC，其由若干OFDM符号构成。FCH-ZC用过零模式发送是因为过零模式是在情况恶劣时才用，帧控制报头不用过零模式发送的话很可能会失败；另一方面，如果帧控制报头不用过零模式发送的话，数据也可以不用过零模式发送。

过零模式按照参考相位的选择有两种：

A)绝对相位引导符：在每个过零点附近发完整的K+1个符号，其中第一个是绝对相位的引导符，而后跟随的是K个数据符号，这K个数据符号可以是绝对相位调制或相对于前一个符号的相位调制。引导符可以是任意已知的符号，如SYNCM符号加上CP和圆滑边界。绝对相位引导符的好处是它可以用于定时跟踪，这对特长包(大于1秒)很有用。

B)相对相位：在每个过零点附近发完整的K+1个符号，其中，第一个符号的相位可以是任意的，但其后的符号必须是相对于前一个符号的相对相位调制。

假定前导码的最后一个SYNCP符号与SYNCM符号的交界处与发送端的过零点对齐，则在下一个过零点附近发送一个FCH-ZC符号，以此类推。发完FCH-ZC符号后，继续以FCH-ZC符号的内容定义的调制方式和K方式在随后的过零点附近发送数据符号，每个过零点附近发送K+1个有效符号，其中K个数据符号。

发送端发送时，DAC(数模转换器)之前的前导码及所有符号的时序和功能都与G3(电力线载波通信的国际标准)类似，只是DAC输出前或者功放电路的使能端会加以控制。DAC之前的所有处理，除了在每个过零点附近要发的K个数据符号之外，其它符号都发固定的引导符(方式A)或任意无用数据调制的符号(方式B)。发送时假设前导码的SYNCP符号与SYNCM符号的交界处与某过零点对齐，按照下面描述的方法计算在随后的过零点附近要发的有效符号的位置：

设TX_START为过零点附近的K+1个符号的发送开始时刻，令TXWC为发送时间段或窗的中心时刻，则TXWC＝TX_START+((K+1)*278)/2，TXWC与相关过零点时刻相比，希望尽可能的接近过零点。对于50Hz市电，以400KHz的时钟计数器为例，计数器增量4000对应的时间是10毫秒，而278是一个OFDM符号的相应的计数器增量数。因为278*14＝3892，278*15＝4170，所以即使某时刻TXWC与过零点对齐，过一段时间后，也会有较大误差积累。如果市电不是50Hz而是其它频率，又会有不同情况。如果是49Hz，则计数器增量4080左右就会有一个过零点，等等。但是，给定基数，4000或5000也好，有一个唯一的规则计算从前导码的某一刻开始，TXWC与此基数相比什么是K个数据符号的位置。例如，假定基数是4000，在K＝1的情况下，如果在开始时TXWC与过零点重合，并发送了2个符号(结束时间是278)，则经过13个引导符后下一发送时间段(2个符号，结束时间点是278+4170)，但在经过12个引导符后就应该是发送时间段了(2个符号，结束时间是278+4170+3892＝8340)，等等，接收端的节点按照同样规则找到有效符号的位置。但是这种按照规则找位置的方法不太可靠，因为市电功率周期有误差，且各个终端上的过零点检测和周期估计都有误差，只能在没有误差时，各自用标准的基数来定找位置规则才有效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法。本发明是这样实现的：

一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法，包括如下步骤：

步骤A：按预设采样频率对市电进行实时功率采样，同时，对采样进行计数；当市电功率过零点时以及计数达到预估的市电过零周期采样数时将计数清零；

步骤B：发送端根据数据包的各组成部分的长度分别确定各组成部分的发送起始时刻；所述发送起始时刻以所述计数表示；

步骤C：接收端接收发送端发送的各帧片段数据。

进一步地，预估市电过零周期采样数的步骤如下：

步骤A1：按所述采样频率对市电进行功率采样；

步骤A2：统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将其作为市电过零周期采样数。

进一步地，接收端接收发送端发送的各帧片段数据的步骤包括：

检测各帧片段的定时信息；

根据各帧片段的定时信息接收发送端发送的各帧片段数据。

与现有技术相比，本发明采用异步传输形式，在每个过零点由发送端定发送开始时间，发送端只需要在过零点附近发送有效信息，而接收端只需按照一定的机制定时获得有效信息即可，而不需要获知过零点的具体位置，从而避免了市电功率周期的误差对信号传输与交流波形同步的影响，提高了基于过零传输模式的电力线载波通信的抗脉冲干扰能力。

附图说明

图1：数据帧结构示意图；

图2：应答帧结构示意图；

图3：本发明基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法流程示意图；

图4：发送端过零传输模式下的发送时序示意图；

图5：过零模式下传输过程中相关的发送时序及定时关系示意图；

图6：ZC传输中参考选通脉冲发生器结构图；

图7：异步传输模式下发送端的信号传输示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提出的基于过零传输模式的电力线载波通信方法包括如下步骤：

步骤A：按预设采样频率对市电进行实时功率采样，同时，对采样进行计数；当市电功率过零点时以及计数达到预估的市电过零周期采样数时将计数清零。当前的采样计数可用于表示市电当前所处的相位，或者说功率状态，为确定数据发送起始时刻提供依据。一般而言，以功率过零点时为计数零点开始计数，当市电再次过零点时，表示市电经过了一个过零周期，此时则应该将计数清零，并从头开始计数。同时，当计数达到一个市电过零周期采样数时，也表示市电经过了一个过零周期，应该达到下一个过零点，只是可能由于干扰或其他原因而未检测到过零点，所以，此时也应该将计数清零，并从头开始计数。计数清零的时刻就表示市电过零点的时刻。

本发明采用异步传输形式，在每个过零点附近由发送端确定发送开始时间，接收端只获知大致的时间。过零检测和AC(交流)市电功率周期定时估计在过零传输模式下非常重要。市电的市电功率周期会有1％-2％左右的误差，因此，在进行基于过零传输模式的电力线载波通信时，不能直接利用相关规范规定的市电频率(如中国的50Hz)来确定市电电功率周期，因此，需要计算实际的市电功率周期。

根据工频市电的波形特征可知，市电的一个市电功率周期包括两个过零点，也即是一个市电功率周期包括两个过零周期。基于过零传输模式的电力线载波通信是利用在过零点附近的短暂时间传输数据，因此，在基于过零传输模式的电力线载波通信中，关键是检测市电过零点及过零周期。本发明通过以一定采样频率对市电进行功率采样的方式来检测市电过零点及过零周期采样数，并以市电过零周期采样数来表示市电的过零周期。这里，市电过零周期采样数是指，在该采样频率下一个市电过零周期内的对市电的功率采样数。理想情况下，如果市电频率为50Hz，则市电功率周期为20ms，以采样频率为400KHz为例，在采样时钟频率为400KHz的情况下，市电过零周期采样数可达到8000；如果市电频率为60Hz，则周期为16.6666667ms，同样在采样频率为400KHz的情况下，市电过零周期采样数可达到6667。实际情况则不是这样，需要实际检测及计算。

根据以上原理，本发明提出市电过零周期采样数的预估方法包括如下步骤：

步骤A1：按设定采样频率对市电进行功率采样；

步骤A2：统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将其作为市电过零周期采样数。

为方便计算，定义变量numSamHalfCycle为半个市电功率周期(即一个市电过零周期)的采样个数。以400KHz采样频率为例，在理想情况下，工频50Hz的numSamHalfCycle值为4000，工频60Hz的numSamHalfCycle＝3333。通过统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将该平均采样数作为市电过零周期采样数，可使估计的市电过零周期采样数达到一定的精度，例如，在32个市电过零点之间求平均每个市电过零周期的采样数)。

根据以上步骤A、B估计出的市电过零周期采样数可用于表示市电过零周期，即每当采样数达到一个市电过零周期采样数时，表示经过了一个市电过零周期。基于以上估计出的市电过零周期采样数，

步骤B：发送端根据数据包的各组成部分的长度分别确定各组成部分的发送起始时刻；所述发送起始时刻以所述计数表示。根据不同类型的帧结构，数据帧由前导码(Preamble)、帧控制报头(FCH)、数据帧(Data Frame)等构成，应答帧由前导码(Preamble)、帧控制报头(FCH)等组成。帧结构中的各不同组成部分具有不同作用及不同长度，在基于过零传输模式的电力线载波通信中，一个数据包的发送并不是一次性完成的，而是在每个过零点附近依次发送数据包的一部分，直到数据包完全发送。可根据数据包的各不同组成部分的长度确定各组成部分的发送起始时刻(即在计数达到某一设定值时发送数据包的某一组成部分)。例如，以图1所示的数据帧结构为例，该帧结构的前导码部分包括8个SYNCP符号及1.5个SYNCM符号，每个SYNCP符号和SYNCM符号的长度都是256个采样数所对应的时间长度。结合图4发送端过零传输模式下的发送时序示意图及图5过零模式下传输过程中相关的发送时序及定时关系示意图，设ZC_samCnt为采样数，halfCycleEst为市电过零周期采样数，可在当ZC_samCnt＝halfCycleEst–2048时开始发送前导码。当经过2048个采样数的时间长度(8个SYNCP符号的长度)后，8个SYNCP符号发送完，此时，达到市电过零点，计数清零，并开始重新计数，接着再发送1.5个SYNCM符号，当再经过384个采样数的时间长度(1.5个SYNCP符号的长度)后，即ZC_samCnt＝384时，1.5个SYNCM符号发送完，至此数据包的前导码发送完。发送完前导码后，接着在下一个过零点附近开始发送帧控制报头。定义基于过零传输模式的电力线载波通信中的帧控制报头为FCH_ZC，FCH_ZC是由若干FCH_ZC帧组成的，每个帧片段包括一个头符号和一个OFDM符号。同样，根据FCH_ZC帧的长度，可确定每一FCH_ZC帧的发送起始时刻。为确保发送每一FCH_ZC帧的时间段尽可能接近过零点，可定义samAdvance，samAdvance为过零点之前的采样数，在当ZC_samCnt＝halfCycleEst–samAdvance时开始发送FCH_ZC帧，samAdvance为FCH_ZC帧长度的一半。在基于过零传输模式的电力线载波通信中，FCH_ZC帧的长度为662个采样数的时间长度，因此，samAdvance取331，即发送完前导码后，每当ZC_samCnt＝halfCycleEst-331时，开始依次发送每一FCH_ZC帧，当ZC_samCnt＝331时，当前FCH_ZC帧发送完成。发送数据帧时，也可根据其每一帧的长度，按照前述发送帧控制报头的方法确定发送起始时刻。

步骤C：接收端接收发送端发送的各帧片段数据。接收端可根据预设的数据接收机制接收发送端发送的有效数据。接收端只要按照一定的数据接收机制定时获得有效信息即可，而不需要关心过零点在哪个位置。这个定时机制可以在发送端和接收端双方预先定义好，也可以接收端单方面使用某种接收跟踪机制。图6为ZC传输中参考选通脉冲发生器结构图。在图5中，参考选通脉冲发生器模块会根据过零周期和ZC选通脉冲的初始化设置发出使能信号，即便在没有过零点估计和市电功率周期估计的情况下也会发出。这一特性在过零检测电路故障或受干扰时会起作用，接收端仍然可以正常接收其他终端发送的过零模式数据包。过零模式的发送模式有异步和同步两种模式。这里的同步或异步是指多个OFDM符号间的定时方面的同步或异步。在异步模式中，接收端需要检测各帧片段的定时信息，然后根据各帧片段的定时信息接收发送端发送的各帧片段数据。设segStart为过零点附近的每个OFDM符号发送的第一个采样索引，ZC_index[i]为第i个过零点的过零定时索引值，samAdvance为过零点之前的采样数，于是有segStart＝ZC_index[i]–samAdvance。samAdvance＝(Kz+2)*278/2，或者其他给定的值，如((Kz+1)*278+384)/2＝(Kz+1)*139+192,for Kz＝0,...7.FCH-ZC的情况下，Kz＝0。

定义cycleError为市电功率周期误差，cycleError＝numSamHalfCycle–4000。使第一个有效OFDM符号与过零点定时对齐。于是在标准市电50Hz电力线上有：ZC_index[0]＝0,ZC_index[1]＝4000+cycleError,...,ZC_index[i]＝i*numSamHalfCycle＝i*(4000+cycleError)。定时序列关系如图5所示，图5中每个OFDM符号两边缘虚线所指示的时间分别为该OFDM符号开始发送和发送结束的时刻。图7为异步传输模式下发送端的信号传输示意图。异步模式根据过零定时将符号片段放置在合理位置。为了方便实现，可把前导码的最后278个采样用来作每个片段中的符号和过零点的同步。比如每个过零点附以segStart时刻开始发送278个采样。

对于每个帧片段，当samCnt＝segStart时，计数器ZC_TX_samCnt开始对输出采样计数。对于第0个片段(前导码)，计数器ZC_TX_samCnt在数到2432(8个SYNCP符号加1.5个SYNCM符号的长度)时停止计数。对于每个FCH_ZC帧，也就是说第1个片段到第6个片段，计数器ZC_TX_samCnt在数到331*2＝662(每个FCH_ZC帧的长度)时停止计数。对于每个片段中包含KZ+1 OFDM符号的数据帧，计数器ZC_TX_samCnt在数到2*samAdvance＝2*((FCH_ZC_bits.KZ+1)*139+192)时停止计数。从第一个片段开始，定义计数器OFDM_TX_outSamCnt来统计所有OFDM符号的采样个数，计数器OFDM_symCnt来统计FCH_ZC帧和数据帧(不含前导码)中所有OFDM符号的采样个数。每当OFDM_TX_samCnt到达278，OFDM_symCnt加1并产生一个符号使能信号。但当OFDM_symCnt到达“6+(FCH_ZC_bits.FL+1)*(FCH_ZC_bits.KZ+1)*8-1”时，OFDM_symCnt停止加1也不产生使能信号。当计数器OFDM_TX_outSamCnt停止计数时，OFDM symCnt也停下来。

在FCH_ZC帧片段传输阶段，每收到一个符号使能信号，时域采样发生器(包括OFDM调制模块以及IFFT模块)将初始化参考相位队列，并产生新的OFDM时域采样，加上PC并将采样放入TSB(发送采样缓存器)。在数据帧片段传输阶段，当收到符号使能信号时，OFDM调制模块重新初始化参考相位队列，并产生片段中的第一个OFDM符号，然后接下来的OFDM符号将使用先前的参考相位队列作为参考相位。然后产生相应的OFDM时域采样，加上PC并将采样放入TSB。

当计数器ZC_TX_samCnt计数达到第376个采样时，计数器OFDM_TX_outSamCnt和OFDM_symCnt开始工作。在收到帧片段中每个符号使能信号时，OFDM符号的采样放入TSB。当计数器C_TX_samCnt数到每个片段的最后一个采样时，OFDM相关计数器都停止计数。图5同时表示了不同参数和计数器的定时关系，这些参数或计数器包括片段preamble计数器，起始点，片段长度，FCH-ZC和数据帧的OFDM符号计数器。除了第0个片段，每个片段都需要初始化参考相位队列或初始化成“延迟SYNCM时域采样”对应的相位矢量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：按预设采样频率对市电进行实时功率采样，同时，对采样进行计数；当市电功率过零点时以及计数达到预估的市电过零周期采样数时将计数清零；

步骤B：发送端根据数据包的各组成部分的长度分别确定各组成部分的发送起始时刻；所述发送起始时刻以所述计数表示；

步骤C：接收端检测各帧片段的定时信息，根据各帧片段的定时信息接收发送端发送的各帧片段数据。

2.如权利要求1所述的基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法，其特征在于，预估市电过零周期采样数的步骤如下：

步骤A1：按所述采样频率对市电进行功率采样；

步骤A2：统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将其作为市电过零周期采样数。