CN105007099A - 一种基于ofdm技术的电力线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDM技术的电力线通信系统，该系统包括发送端、接收端和系统控制端，其中：发送端根据系统控制端提供的配置信息，构成一个用于传输相关配置的帧头数据包，发送时首先发送帧头数据包，然后发送真实数据包；接收端在系统控制端的控制下首先对帧头数据包进行接收，并从帧头数据包中解析出发送时的配置信息，然后根据解析出的这些信息对真实数据包进行接收，实现自适应的接收不同速率的传输数据。本发明提供的基于OFDM技术的电力线通信系统，在复杂的电力线环境下具有可靠性高、速度快的特点。
Description
技术领域
本发明涉及多载波调制(MCM)中的正交频分复用(OFDM)技术，尤其是一种基于正交频分复用技术的电力线通信系统。
背景技术
电力线通信系统是通过把要传输的数据调制到50Hz或者60Hz的工频电力线上，利用电力线为传输介质来实现通信。电力线网络具有组网快、投资少等优点，在智能抄表、工业控制、智能楼宇及路灯控制等领域有着广阔的运用前景。但是由于电力线网络拓扑结构复杂，负载时变性强，工作环境不稳定等因素，使得电力线的干扰很强，多径效应强，衰减大等不利于传输等因素，因此对载波通信提出了更高的要求。
OFDM技术采用多载波调制(MCM)，将信息流分成若干个并行数据流，然后将数据流调制到相互正交的单个子载波上进行传输。OFDM各个子载波间相互正交，提高了频谱利用率。同时OFDM技术中引入的循环前缀，可以有效减小由于多径引入码间干扰。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种基于OFDM技术的电力线通信系统，以解决现有电力线通信中存在的干扰强，多径效应强，衰减大等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于OFDM技术的电力线通信系统，该系统包括发送端、接收端和系统控制端，其中：发送端根据系统控制端提供的配置信息，构成一个用于传输相关配置的帧头数据包，发送时首先发送帧头数据包，然后发送真实数据包；接收端在系统控制端的控制下首先对帧头数据包进行接收，并从帧头数据包中解析出发送时的配置信息，然后根据解析出的这些信息对真实数据包进行接收，实现自适应的接收不同速率的传输数据。
上述方案中，所述发送端包括依次连接的TX BUFF模块201、发送FEC模块202、调制模块203、OFDM成帧模块204和发送滤波器模块205，其中：TX BUFF模块201，用于存放原始待发送数据，在发送过程中根据待发送的真实数据包生成CRC校验码并添加到真实数据包之后；发送FEC模块202，用于对待发送的真实数据包进行信道编码、交织和加扰处理；调制模块203，用于对加扰后的数据进行调制；OFDM成帧模块204，用于对调制后的数据进行成帧处理；发送滤波器模块205，用于对依次输入的前导数据和OFDM成帧后的数据进行滤波处理，然后输出给模拟前段(AFE)，最后通过变压器耦合到电力线上的信道完成发送操作。
上述方案中，所述发送FEC模块202包括块交织及RS编码器301、卷积编码模块302、BIT交织器303和加扰电路304，其中：真实数据包和CRC校验码按照每N个比特(bit)构成一个字按列写入块交织及RS编码器301，块交织及RS编码器301按行对写入的真实数据包和CRC校验码进行RS编码，然后将帧头数据和RS编码后的数据依次送入卷积编码模块302，卷积编码模块302对帧头数据和RS编码后的数据进行卷积编码，卷积编码后的数据被送入BIT交织器303进行BIT交织，BIT交织后的数据被送入加扰电路304进行加扰处理。
上述方案中，所述调制模块203将加扰后的数据根据配置的调制模式映射到星座图，经过调制后的数据变成IQ两路信号。所述配置的调制模式为BPSK、QPSK以及16QAM，在调制模式为BPSK时，0映射成(181，181)，1映射成(-181，-181)。
上述方案中，所述OFDM成帧模块204包括OFDM符号映射模块401、时域扩频电路402、IFFT模块403和加扰CP模块404，其中：OFDM符号映射模块401将数据子载波和导频子载波映射到有效子载波上，通过时域扩频电路402对映射后的子载波在有效子载波内进行循环移位实现时域扩频，扩频后的数据送入IFFT模块403进行时域信号转化(IFFT)运算以将数据从频域转化到时域，然后加扰CP模块404将IFFT运算结果的最后48个数据添加到IFFT计算结果的前端构成循环前缀，进而构成OFDM符号输出给发送滤波器模块205。
上述方案中，所述接收端包括接收滤波器模块501、AGC电路502、同步电路503、OFDM解帧模块504、信道估计模块505、解调模块506、接收FEC模块507和RX BUFF模块508，其中：
收滤波器模块501，用于对接收自电力线的模数转化后的数据进行滤波处理，消除带外噪声，然后将滤波后的数据分别送入AGC电路502和同步电路503；
自动增益调整(AGC)电路502，用于计算目标能量和实际接收信号能量的误差，根据计算的误差调整模拟前段(AFE)部分放大器的增益，对接收信号进行自动增益闭环调整，使接收信号的能量和目标能量一致；
同步电路503，用于将本地前导数据与接收数据进行同步相关处理，根据相关结果找到FFT开窗位置，并且得到数据的发送模式是普通发送还是过零发送；
OFDM解帧模块504，用于通过对接收OFDM符号内有效子载波和发送端进行相反的循环移位得到对应的有效子载波的接收数据，并且根据计算的各个子载波的信道响应对信号进行补偿，最终得到数据子载波和导频子载波信息；
信道估计模块505，用于根据提取出的导频信息进行信道估计，计算出各个数据子载波对应的信道响应，并进行相应的信道补偿；
解调模块506，用于对接收的数据进行解调，解调后的数据送入接收FEC模块507；
接收FEC模块507，用于对接收的数据进行前向纠错译码(FEC)，然后将数据输出至RX BUFF模块508；
RX BUFF模块508，用于存放接收FEC模块507信道译码后的数据，并根据CRC的校验结果判断接收数据是否正确。
上述方案中，所述自动增益调整(AGC)电路502通过在给定窗宽内计算信号的能量，把计算的能量和设置的理想能量相减得到实际能量和理想能量的误差信号，把这个误差信号进行环路滤波可以得到增益值，把这个增益送给AFE对信号进行放大，使得接收信号的能力和理想能量持平。
上述方案中，所述同步电路503通过计算给定窗宽的接收信号和本地前导信号的互相关结果，找出大于给定阈值的峰值点，通过峰值连续四个峰值点的间距是否满足前导长度或者工频过零点间距来判断系统采用的时连续发送模式还是过零发送模式。
上述方案中，所述信道估计模块505通过提取接收OFDM符号内的导频信号，并进行插值处理得出各个有效子载波的信道响应。
上述方案中，所述接收FEC模块507对接收的数据进行前向纠错译码(FEC)，包括对解调后的数据进行解交织、解卷积码和解RS编码。
上述方案中，所述RX BUFF模块508包括接收数据缓存和接收数据CRC校验电路，其中接收数据CRC校验电路首先对接收的数据进行CRC校验，检查接收数据是否正确，最后将正确的数据写入接收缓存RX BUFF模块508中。
上述方案中，所述系统控制端用于对发送端与接收端之间的收发模式进行控制，包括收发速率模式控制、过零传输和非过零传输的传输模式控制。
上述方案中，所述系统控制端向发送端提供的配置信息至少包括数据传输速率、发送模式和发送字节长度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于采用的多级AGC的结构，所以本装置的接收机的链路增益能够达到100db以上，提高了系统的灵敏度。
2、利用本发明，由于采用了灵活的前导模式，所以本装置能够对过零传输和非过零传输实现自适应接收。
3、利用本发明，由于采用了RS+卷积编解码结构，所以本装置的抗干扰能力很强，可以在SNR在-10db的情况下正常接收数据。
4、利用本发明，由于采用了时域扩频技术，所以本装置在对抗频域上的噪声和干扰能力很强。
附图说明
图1本发明提供的基于OFDM技术的电力线通信系统的结构示意图；
图2是图1中发送端的结构示意图；
图3是图2中发送FEC模块的结构示意图；
图4是图2中OFDM成帧模块的结构示意图；
图5是图1中接收端的结构示意图；
图6是图5中接收FEC模块的结构示意图；
图7是图5中OFDM解帧模块的结构示意图；
图8是依照本发明实施例的帧数据的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的电力线通信系统的组成和工作原理进行说明。
如图1所示，本发明提供的基于OFDM技术的电力线通信系统，包括发送端、接收端和系统控制端，其中，发送端根据系统控制端提供的数据传输速率、发送模式和发送字节长度等配置信息构成一个用于传输相关配置的帧头数据包，发送时首先发送帧头数据包，然后发送真实数据包；接收端在系统控制端的控制下首先对帧头数据包进行接收，并从帧头数据包中解析出发送时的数据传输速率、发送模式和发送字节长度等配置信息，然后根据解析出的这些信息对真实数据包进行接收，实现自适应的接收不同速率的传输数据。
系统控制端用于对发送端与接收端之间的收发模式进行控制，包括收发速率模式控制、过零传输和非过零传输的传输模式控制。
具体来说，请参照图2，发送端包括依次连接的TX BUFF模块201、发送FEC模块202、调制模块203、OFDM成帧模块204和发送滤波器模块205，其中：
TX BUFF模块201，用于存放原始待发送数据，在发送过程中根据待发送的真实数据包生成CRC校验码并添加到真实数据包之后；
发送FEC模块202，用于对待发送的真实数据包进行信道编码、交织和加扰处理，包括块交织及RS编码器301、卷积编码模块302、BIT交织器303和加扰电路304，如图3所示，首先真实数据包和CRC校验码按照每N个比特(bit)构成一个字按列写入块交织及RS编码器301，块交织及RS编码器301按行对写入的真实数据包和CRC校验码进行RS编码，然后将帧头数据和RS编码后的数据依次送入卷积编码模块302，卷积编码模块302对帧头数据和RS编码后的数据进行卷积编码，卷积编码后的数据被送入BIT交织器303进行BIT交织，BIT交织后的数据被送入加扰电路304进行加扰处理。
调制模块203，用于对加扰后的数据进行调制，即将加扰后的数据根据配置的调制模式(BPSK、QPSK以及16QAM)映射到星座图，例如在采用BPSK调制时，0映射成(181，181)，1映射成(-181，-181)，经过调制后的数据变成IQ两路信号。
OFDM成帧模块204，用于对调制后的数据进行成帧处理，包括OFDM符号映射模块401、时域扩频电路402、IFFT模块403和加扰CP模块404，如图4所示，其中OFDM符号映射模块401用于将数据子载波和导频子载波映射到有效子载波上，通过时域扩频电路402对映射后的子载波在有效子载波内进行循环移位实现时域扩频，扩频后的数据送入IFFT模块403进行时域信号转化(IFFT)运算以将数据从频域转化到时域，然后加扰CP模块404将IFFT运算结果的最后48个数据添加到IFFT计算结果的前端构成循环前缀，进而构成OFDM符号输出给发送滤波器模块205。
发送滤波器模块205，用于对依次输入的前导数据和OFDM成帧后的数据进行滤波处理，然后输出给模拟前段(AFE)，最后通过变压器耦合到电力线上的信道完成发送操作。
请参照图5，接收端包括接收滤波器模块501、AGC电路502、同步电路503、OFDM解帧模块504、信道估计模块505、解调模块506、接收FEC模块507和RX BUFF模块508。
收滤波器模块501，用于对接收自电力线的模数转化后的数据进行滤波处理，消除带外噪声，然后将滤波后的数据分别送入AGC电路502和同步电路503。
自动增益调整(AGC)电路502，用于计算目标能量和实际接收信号能量的误差，根据计算的误差调整模拟前段(AFE)部分放大器的增益，对接收信号进行自动增益闭环调整，使接收信号的能量和目标能量一致。自动增益调整(AGC)通过在给定窗宽内计算信号的能量，把计算的能量和设置的理想能量相减得到实际能量和理想能量的误差信号，把这个误差信号进行环路滤波可以得到增益值。把这个增益送给AFE对信号进行放大，使得接收信号的能力和理想能量持平。
同步电路503，用于将本地前导数据与接收数据进行同步相关处理，根据相关结果找到FFT开窗位置，并且得到数据的发送模式是普通发送还是过零发送。同步模块通过计算给定窗宽的接收信号和本地前导信号的互相关结果，找出大于给定阈值的峰值点，通过峰值连续四个峰值点的间距是否满足前导长度或者工频过零点间距来判断系统采用的时连续发送模式还是过零发送模式。
OFDM解帧模块504，用于通过对接收OFDM符号内有效子载波和发送端进行相反的循环移位得到对应的有效子载波的接收数据，并且根据计算的各个子载波的信道响应对信号进行补偿。OFDM解帧模块如图6所示，主要包括去除循环前缀604、时域信号到频域信号变换(FFT)603、提取数据子载波和导频子载波602，以及在此墓础解时域扩频601，并最终得到数据子载波和导频子载波信息。
信道估计模块505，用于根据提取出的导频信息进行信道估计，计算出各个数据子载波对应的信道响应，并进行相应的信道补偿。信道估计模块通过提取接收OFDM符号内的导频信号，并进行插值处理得出各个有效子载波的信道响应。
解调模块506，用于对接收的数据进行解调，解调后的数据送入接收FEC模块507。
接收FEC模块507，用于对接收的数据进行前向纠错译码(FEC)，包括对解调后的数据进行解交织、解卷积码和解RS编码，然后将数据输出至RX BUFF模块508；接收FEC模块507如图7所示，包括解扰电路701、BIT解交织702、Viterbi译码器703以及解块交织RS译码704。
RX BUFF模块508，用于存放接收FEC模块507信道译码后的数据，并根据CRC的校验结果判断接收数据是否正确。RX BUFF模块包括接收数据缓存和接收数据CRC校验电路。接收数据CRC校验电路首先对接收的数据进行CRC校验，检查接收数据是否正确，最后将正确的数据写入接收缓存RX BUFF模块508中。
本发明提供的基于OFDM技术的电力线通信系统，通过在图8中帧头数据中传输的不同数据速率控制字，在发送端选择采用不同的传输速率来进行数据传输，接收端通过对帧头数据进行解析得出传输速率以自适应的接收不同速率的传输数据。
本发明提供的基于OFDM技术的电力线通信系统，通过将图8中的帧数据连续发送或者在工频每次过零附近发送一个前导或者一个OFDM符号来实现发送的连续发送和过零发送，接收端根据检查到的连续前导的距离来判断系统采用的连续发送模式还是过零发送模式，从而达到连续发送和过零发送的自适应接收。
综上所述，本发明提供的基于OFDM技术的电力线通信系统，可以选择不同的数据传输速率，并且把连续发送模式和过零发送模式做到了自适应接收。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，该系统包括发送端、接收端和系统控制端，其中：
发送端根据系统控制端提供的配置信息，构成一个用于传输相关配置的帧头数据包，发送时首先发送帧头数据包，然后发送真实数据包；
接收端在系统控制端的控制下首先对帧头数据包进行接收，并从帧头数据包中解析出发送时的配置信息，然后根据解析出的这些信息对真实数据包进行接收，实现自适应的接收不同速率的传输数据。
2.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述发送端包括依次连接的TX BUFF模块(201)、发送FEC模块(202)、调制模块(203)、OFDM成帧模块(204)和发送滤波器模块(205)，其中：
TX BUFF模块(201)，用于存放原始待发送数据，在发送过程中根据待发送的真实数据包生成CRC校验码并添加到真实数据包之后；
发送FEC模块(202)，用于对待发送的真实数据包进行信道编码、交织和加扰处理；
调制模块(203)，用于对加扰后的数据进行调制；
OFDM成帧模块(204)，用于对调制后的数据进行成帧处理；
发送滤波器模块(205)，用于对依次输入的前导数据和OFDM成帧后的数据进行滤波处理，然后输出给模拟前段(AFE)，最后通过变压器耦合到电力线上的信道完成发送操作。
3.根据权利要求2所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述发送FEC模块(202)包括块交织及RS编码器(301)、卷积编码模块(302)、BIT交织器(303)和加扰电路(304)，其中：
真实数据包和CRC校验码按照每N个比特(bit)构成一个字按列写入块交织及RS编码器(301)，块交织及RS编码器(301)按行对写入的真实数据包和CRC校验码进行RS编码，然后将帧头数据和RS编码后的数据依次送入卷积编码模块(302)，卷积编码模块(302)对帧头数据和RS编码后的数据进行卷积编码，卷积编码后的数据被送入BIT交织器(303)进行BIT交织，BIT交织后的数据被送入加扰电路(304)进行加扰处理。
4.根据权利要求2所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述调制模块(203)将加扰后的数据根据配置的调制模式映射到星座图，经过调制后的数据变成IQ两路信号。
5.根据权利要求4所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述配置的调制模式为BPSK、QPSK以及16QAM，在调制模式为BPSK时，0映射成(181，181)，1映射成(-181，-181)。
6.根据权利要求2所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述OFDM成帧模块(204)包括OFDM符号映射模块(401)、时域扩频电路(402)、IFFT模块(403)和加扰CP模块(404)，其中：
OFDM符号映射模块(401)将数据子载波和导频子载波映射到有效子载波上，通过时域扩频电路(402)对映射后的子载波在有效子载波内进行循环移位实现时域扩频，扩频后的数据送入IFFT模块(403)进行时域信号转化(IFFT)运算以将数据从频域转化到时域，然后加扰CP模块(404)将IFFT运算结果的最后48个数据添加到IFFT计算结果的前端构成循环前缀，进而构成OFDM符号输出给发送滤波器模块(205)。
7.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述接收端包括接收滤波器模块(501)、AGC电路(502)、同步电路(503)、OFDM解帧模块(504)、信道估计模块(505)、解调模块(506)、接收FEC模块(507)和RX BUFF模块(508)，其中：
收滤波器模块(501)，用于对接收自电力线的模数转化后的数据进行滤波处理，消除带外噪声，然后将滤波后的数据分别送入AGC电路(502)和同步电路(503)；
自动增益调整(AGC)电路(502)，用于计算目标能量和实际接收信号能量的误差，根据计算的误差调整模拟前段(AFE)部分放大器的增益，对接收信号进行自动增益闭环调整，使接收信号的能量和目标能量一致；
同步电路(503)，用于将本地前导数据与接收数据进行同步相关处理，根据相关结果找到FFT开窗位置，并且得到数据的发送模式是普通发送还是过零发送；
OFDM解帧模块(504)，用于通过对接收OFDM符号内有效子载波和发送端进行相反的循环移位得到对应的有效子载波的接收数据，并且根据计算的各个子载波的信道响应对信号进行补偿，最终得到数据子载波和导频子载波信息；
信道估计模块(505)，用于根据提取出的导频信息进行信道估计，计算出各个数据子载波对应的信道响应，并进行相应的信道补偿；
解调模块(506)，用于对接收的数据进行解调，解调后的数据送入接收FEC模块(507)；
接收FEC模块(507)，用于对接收的数据进行前向纠错译码(FEC)，然后将数据输出至RX BUFF模块(508)；
RX BUFF模块(508)，用于存放接收FEC模块(507)信道译码后的数据，并根据CRC的校验结果判断接收数据是否正确。
8.根据权利要求7所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述自动增益调整(AGC)电路(502)通过在给定窗宽内计算信号的能量，把计算的能量和设置的理想能量相减得到实际能量和理想能量的误差信号，把这个误差信号进行环路滤波可以得到增益值，把这个增益送给AFE对信号进行放大，使得接收信号的能力和理想能量持平。
9.根据权利要求7所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述同步电路(503)通过计算给定窗宽的接收信号和本地前导信号的互相关结果，找出大于给定阈值的峰值点，通过峰值连续四个峰值点的间距是否满足前导长度或者工频过零点间距来判断系统采用的时连续发送模式还是过零发送模式。
10.根据权利要求7所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述信道估计模块(505)通过提取接收OFDM符号内的导频信号，并进行插值处理得出各个有效子载波的信道响应。
11.根据权利要求7所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述接收FEC模块(507)对接收的数据进行前向纠错译码(FEC)，包括对解调后的数据进行解交织、解卷积码和解RS编码。
12.根据权利要求7所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述RX BUFF模块(508)包括接收数据缓存和接收数据CRC校验电路，其中接收数据CRC校验电路首先对接收的数据进行CRC校验，检查接收数据是否正确，最后将正确的数据写入接收缓存RX BUFF模块(508)中。
13.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述系统控制端用于对发送端与接收端之间的收发模式进行控制，包括收发速率模式控制、过零传输和非过零传输的传输模式控制。
14.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的电力线通信系统，其特征在于，所述系统控制端向发送端提供的配置信息至少包括数据传输速率、发送模式和发送字节长度。
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