CN105139630A - 一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法，收发双方以相同共有的工频(50/60Hz)源为基准，各自测量其半周期T。收发双方以各自的时钟频率在长时间内进行测量计算，取得结果的精度可以满足在整帧传送时间范围内所有收发段起始点的同步要求。本发明可以不进行实质的时钟同步，而实现分散收发段的帧信号的同步接收，确保接收机在正确的脉冲存在时间段内采样，大幅度提高数据的收发稳定性。本发明使得一个帧同步词本身的同步成功概率，就是整帧定时同步成功的概率，性能得到大幅提高；此外，帧同步词长度还可以加长为多倍原系统中同步词的长度，进一步提高帧定时同步成功的稳定性。

Description

一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法

技术领域

本发明属于智能电网通信技术领域，具体涉及一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法。

背景技术

自动集中抄表是电力系统自动化受益较大，对数字通信效率要求较低，实现要求不特别高的系统。因此，在数字通信及电力系统智能化起步阶段，从小区自动集中抄表着手，是自然而然的选择。首先，利用小区内无处不在的工频电网(通信信道原本即存在)，将各家各户电表信息传输到小区某处的中心收发点；再通过特定网络传送到电力管理中心。实现这样的系统主要有两个部分的工作：一个是将原有电表从模拟的改造成数字的；一个是电力载波的物理信道和局域网络实现电表信息的双向传输。

种种考虑，国内起步阶段以低频窄带电力载波通信为嵌入点。但在这种应用中，面对的环境电磁干扰通常很大，造成这一现象的原因在于自动抄表集中于人口多且电力应用复杂的环境；另外，电力载波依赖的载体是220V工频电力线，它一般是裸露或半裸露的，很容易受到生活和工业用电的干扰。这种情况下干扰和噪声存在于电力线中，与工频电流及承载的低频窄带PLC(电力线通信)信号共存并相互影响。一个重要现象是侵入的干扰噪声的幅度受工频电流瞬间值影响而成比例变化；瞬间电流的绝对值越大，干扰噪声也越大。为应对这种周期性时变的脉冲式的干扰噪声，一般的设计安排收发只在工频交流电流的过零点附近进行(例如在过零点前后3.3ms范围内进行)，虽然工程实际操作中很难做到理想实现，但也极大躲避了这种干扰噪声被放大的不利因素。

抄表信息一般是以数据帧的形式通过电力线进行传输的，图1为一般TDD(时分双工，TimeDivisionDuplexing)数字系统的帧格式，即一次数据负载(Payload)的发射，是以帧的形式时分(TDD)发送接收的。前导词Preamble的数据格式是工业标准预先设计好、固定不变的，其格式对收发双方各种不同的帧都是相同的。同步词的主要的任务是帧定时同步，供接收机寻找FC(帧控制，FrameControl)的起点样本的时间位置。接收机寻找到FC的起点位置，便可以在接收机的数据缓冲器中，按照标准规定的速率依次提取FC和/或PD(数据负载)的数字信息，之后去进行各种解调和数字信号处理。

对于工频(50/60Hz)过零点附近比较合理可用的范围只能占有工频半周期(10ms)的四分之一或稍大，将其尽可能对称地放置于正弦电流过零点两侧范围内，本文称之为“收发段”。当前国内该领域内都是采用窄带低符号(symbol)速率的系统。在一个收发段内可容纳的脉冲(最常用的是1bit键控调频BFSK方式)通常不多，例如一百左右或更多些。因此，一帧信号需分作若干个这样不连续的收发段传送。接收机接收到所有含有当前帧的信号的收发段的信息，整合到一起，才能进行后续的信号处理。

这样的收发方式下，由于脉冲速率(波特率)和工频频率通常是不同步的。收发双方的时钟本身相互也不同步(对于这种应用对成本的要求，收发双方时钟源频率相对于产品额定值差别往往较大，例如100ppm)。所以，当一帧信号分作数百个收发段发送时候，传统的做法是逐段探测工频过零点，根据探测到的工频过零点时间，安排下一个工频过零点的收发段的起讫时间点。

和一般意义的数字通信系统类似，收发时钟的频率误差导致接收机的采样时间位置从收发段开始定时同步的准确点逐渐偏移，偏移随着采样数的增加而增大。采样位置的偏移向前或向后，取决于两个时钟的频率差方向。但是，由于一个收发段内含有信息的脉冲单元数不大，对于即使质量不高的采样时钟源(低质量指收发振荡源间的频差较大)，在一个收发段结束时候，这种偏差还不至于导致采样出现位置的颠覆性错误(即采样到相邻脉冲范围内)。这实际是这种设计的一个优点，这样安排它不需要安排设计成本较高较复杂的时钟频率同步环节。当收发双方的晶振源的频率偏差很小时候，有可能将接收机可以维持正确采样时间区间的范围加大，但必须付出使用高性能晶振源必须的高成本的代价。

如上所述，发射机每个收发段的起点，依靠它对前一个工频过零点的探测。而探测的误差通常是随机不理想的。误差通常在工频半周期(10ms)的几个百点范围内。所以，必须在每个收发段都安排同步词供远侧接收机做该段起点的定时同步，这是这种系统设计安排不稳定的根本所在。

一个收发段占有的脉冲数，在窄带低速系统中是相对有限的(一百到几百)。首先，同步词也是一个收发段的一部分，而同步词在噪声干扰环境下的定时可靠性，取决于同步词的长度(伪随机数的比特数)。收发段的同步词长度(Pm)越大，同步抗噪声和干扰能力越强。同时一个收发段长度(Lm)剩余的信息段(Sm)则越短：

Sm＝Lm-Pm

一个长度为N₁比特的收发段同步词，抗干扰能力(Gm)最高可达到：

Gm＝10lg(N₁)分贝(dB)

例如N₁＝20时，则Gm≈13dB；在实际环境中，这远远不够。对于一个例如100脉冲长度的收发段，这种安排下可以承载信息的数位剩下80个。继续增加同步词的数位，大致每增加一倍，抗干扰噪声能力最大提高3dB(考虑到限带滤波器作用，通常无法做到)。而承载的真正帧信息的数位相反地减少同样多数位。

这样，系统的设计处于很尴尬的情况：在实际参数允许情况下最大可能的同步词长度，也无法抵抗大部分情况下的干扰噪声。而这样安排一个收发段承载的有效帧信息很少，导致一帧信号需要的收发段的数量急剧地增加。

在一定的信道环境性能(信噪比SNR)下，定时同步的可靠性用成功同步的概率Pm表达。那么，如果一整帧信号需要N_f个收发段。整帧信号可以成功接收的概率是：

$P^f={\left(P_m\right)}^{N_f}$

上式中，指数N_f是整帧信号含有的收发段个数，Pm是单个收发段同步词同步成功概率。当一帧信号需要的收发段个数很大时候，即使Pm表面看起来并不差，但总体一帧信号成功接收的概率依然很低。

这就是传统系统稳定性(正确接收抄表信息)很低的根本原因。信道环境的性能(SNR)和人类生活和工业活动关系很大。在某些时间范围内，生活和工业活动很少，使用电器也少，信道环境就相对好些。自动集中抄表的成功概率就比较高。对于人口密集，社会活动多的地区，传统设计的系统采用电力载波自动集中抄表的成功概率(稳定性)就会比较低。注意到，收发段的定时同步成功概率，和一般的数字通信系统的帧定时同步概率一样，是无法通过纠错编码等措施改善的。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法，可以在不进行实质的时钟同步的同时实现上述“收发段”的同步接收。接收机可以在正确的脉冲时间段内采样，大幅度提高数据的收发稳定性。

一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法，包括如下步骤：

(1)发送端和接收端通过计数器(高于发送信号带宽的计数器)测量各自电力线上工频正弦电信号半周期所对应的拍数，其中发送端检测得到的拍数为M₁，接收端检测得到的拍数为M₂；

(2)数据帧信号发送初始时刻，由发送端利用计数器检测电力线上工频正弦电信号的过零点，并记录该过零点对应的计数值为N；

(3)发送端利用以工频正弦电信号过零点为中心的多个收发段将整帧信号数据传送给接收端，且使计数值D_k作为第k段抄表数据的发送起始时刻以进行数据传输；

$D_k=N+(M_1-\frac{X}{2})+(k-1)M_1$

其中：k为收发段的段序号，X为收发段段宽对应的拍数；

(4)接收端实时接收发送端发送过来的数据并进行同步词检测，同步词匹配(即帧定时同步)后，接收端从定时同步点起每隔M₂拍进行一次数据截取，每一次截取的时长为X拍，进而将截取得到的帧的所有数据段整合成发送端发送的整帧信号数据；最后再对整帧信号数据进行数字信号处理，以恢复得到原始的抄表数据及各种控制信号。

优选地，所述的发送端使用于传送整帧抄表数据的所有收发段的前n个收发段全部用做同步词传送，n为大于等于1的自然数；能够提高定时在干扰噪声中的稳定性和准确性。

进一步地，所述的步骤(1)中发送端和接收端利用DSP技术检测各自电力线上工频正弦电信号半周期所对应的拍数。

进一步地，所述的步骤(4)中，当某一时刻，接收端在该时刻一个或数个X拍时长内接收到的数据与接收端本地的同步词匹配上后，接收端从该时刻开始每隔M₂拍进行一次X长范围内的数据截取。

进一步地，所述的步骤(4)中，接收端在进行后续解交织、解扩以及解码处理时，通过一定的判决和检错机制，获得正确的原始数据。

进一步地，所述的步骤(1)中，发送端和接收端通过增加测量时间长度及采用相同的测量起讫点，可以提高测量精度和抑制各种检测和系统误差，使测量误差减小，满足工程需要。

本发明可以在不进行实质的时钟同步的同时实现上述“收发段”的同步接收。接收机可以在正确的脉冲存在时间段内采样，能够大幅度提高数据的收发稳定性。本发明使得一个长同步词本身的成功概率，等同于整帧定时同步成功的概率，性能的提高很多倍；此外，同步词还可以加长到原系统中同步词的很多倍，这个性能增益考虑进去，成功概率更加可观。

附图说明

图1为数字通信中一般帧结构的示意图。

图2为自动集中数字电表抄写在市电传输线中的传输示意图。

图3为现有自动集中抄表系统段定时同步的流程示意图。

图4为本发明将现有自动集中抄表系统改造成整帧定时同步的流程示意图。

图5为分段同步和相参控制帧同步的稳定性比较示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的一个主要目的是对所提到的原本对各工频周期两次过零点附近进行信号收发，导致现实中各收发段起讫点、工频周期、收发两侧时钟相互均不同步而对各收发段独立定时同步导致的低稳定性的改造。因此，先对即将被改造的现有系统做如下假定：

①电表和用户数据以如图1所示的帧形式在电力线中心和用户两端以电力载波形式TDD相互收发。

②各过工频零点独立检测，独立收发，如图2所示；接收机用窄小的段同步词同步。

信号调制方式：同代产品多采用单比特调频信号。主要理由是该应用对数据传输速率要求低，且容易掌握或获取该技术。此处实施描述以键控调频(FSK)为例叙述，但本发明的工业实施不受此限制。

当所有段成功同步时，整帧信号的收取时刻正确，可以进行后续信号处理(纠错、检错等信号处理，恢复数据的源信息)。图3即为现有系统及其段定时同步的示意图。

本发明可独立设计实现，也可以在图3或与之相当的满足上述两个前提的系统上进行改造实现稳定性的改进。

如图4所示，本发明改造分硬件部分和软件控制部分设计如下：

硬件或相关部分：

①原有对工频过零点的检测不需改动，它的工作方式依然有用。

②加装高速计数器。所谓高速，对当下数字IC技术而言也只是相对原有符号速率而言。例如，30K的BFSK脉冲速率的系统，如果要求一个脉宽内采样10个样本，则300K/秒速率的计数器可满足要求。

软件部分和控制改造：

关键是M(即半个工频周期额定10ms的计数测量)的步进精度，M精度越高，收发双方M误差积累越小。一个可能的方式是用极长，例如数万个工频半周期时间间隔进行测量。平均的M值可以获得极高的精准度。一个帧占用的收发段越多，对M的字长(表达精度)要求越高。仿真表明，250个收发段组成的帧，一万个收发段估算的精度可满足要求。但收发段也不能太少，太少则影响系统资源控制效率。测量除了其特定设计使用的超长同步词(4、8或更多收发段组成)本身，不再占用收发资源。但是需要系统控制相继两个这样超长同步词间的时间资源安排。

由于存在超长的M值测量周期，及其需要的特殊较长的同步词，所以控制系统在安排网络的中心收发机和从属收发机之间的通信时，需要做适当的安排和改动以应对这种变化。

本实施方式以比最大帧长度需要的收发段长很多倍为测量时间长度。例如在2¹⁴个收发段长度(M)上进行测量获取M的计数器数值表达结果。这样安排除了结果精度有保证，也为网络的时间资源控制安排提供了方便。

自动集中抄表系统中心收发机测量及计算结果如果记做M₁，则其将一个测量周期的起讫点T(n)和T(n+1)以一特殊的超长同步词标示(测量的起讫同步词应该比帧同步词长至少一倍)。各用户接收机通过和帧同步类似的方法取得T(n)和T(n+1)时刻，以自己的高速计数器计量该段时间，对结果的计算产生M₂。这样做的原理虽然和各自测量相当，但本实施方式采用的测量方法收发两机的实际测量区间是精准一致的。就是说，所述的方法虽然不能消除的过零点检测误差，但这个误差在收发两机之间是相同的。如此，在一帧信号的逐个收发段起点上，收发机之间原则上没有误差。

工程实际中，工频频率在极小范围内缓慢变化。所以对M₁和M₂的测量要不间断进行，以跟踪这种变化对M₁和M₂进行修正。每个测量周期的结果，供下一测量周期结果做参考进行调整。

一个数字电表初始化加入系统时候，第一次M₂的测量需要依靠自己检测工频电流过零点进行。因为测量所用的同步词可能达到数个收发段(4、8，或更多)，如果没有一个相对较准确的M₂，单纯依靠远方中心的测量同步词可能导致多个同步脉冲采集出现颠覆性偏差。数字电表自行进行过零点检测，初始测量的M₂，虽然和精准的M₂有差距，但其精确程度对正确采样中心发射机发出的超长同步词是必要的保证；之后再以中心发出的测量同步词测量即可得到精准的M₂。

如上，整个系统的中心单元自行用过零点检测机制进行如上测量M₁，同时发送和过零检测相配的特殊超长的同步词，供所有其他所有下属单元测量M₂。为了下属单元扑捉中心单元发送的计算M的同步词方便，新加入的子单元在自己初始化时候，先用自己的过零点硬件机制进行如上测量M₂(与中心单元估算自己的M₁类似)，以后再根据中心单元发送的测量用超长同步词进行精确测量。

改造后的系统，发射系统的段开始时刻的决定和原系统有所不同：第一个收发段的起点和原系统一样，而随后的其他收发段的起点都是由计数器以M的整数倍为起始的。

由此可见，旧有系统的信息接收成功，主要受限于组成一帧信号的数百个收发段的同步的同时成功，以及每个收发段对同步词长度的限制。而经过本发明的改进，只要一帧信号的初始同步(一个或几个收发段组成)成功，整帧信号的接收同步即可实现。

简单举例说明，在一定环境SNR下，如果传统设计一个收发段的定时同步成功概率是P_m＝0.95，假定一帧信号需要100个收发段。它们同时同步成功的概率是：

$P={P_m}^{100}\≅0.006$

这是个很低的接收成功概率(0.6％)。前边已经提到，不可能通过诸如纠错编码技术提高其成功率。不仅如此，每个收发段的同步词因为资源限制不可能足够长，造成P_m本身也不足够大。

而采用本发明的技术。一个长同步词本身的成功概率(比如说一样是P_m＝0.95)，就是整帧定时同步成功的概率(95％)，性能的提高上百倍。何况，本发明的设计，同步词还可以加长到原系统中同步词的很多倍，这个性能增益考虑进去，成功概率更加可观。

我们对本发明的性能进行了仿真，在以上对本发明的说明中，为了描述的方便做了一些参数的假定，仿真以这些假定的参数为基础进行：

①信号以FSK形式调制。一个脉冲一个bit(数位)，即BFSK(BinaryFrequencyShiftKeying)调制。

②调制脉冲速率30K。即一个工频半周期有300个脉冲。

③每个收发段100个脉冲，理想情况下应该均等跨在工频电流过零两侧。

④调制用DSP数字进行，发送通过DAC数模转换器的频率及开关控制。

⑤解调用直接的FM解调器进行，在解调后的脉冲时间范围内取样判决。

⑥收发双方时钟源的相对频差最大0.0002，即单个晶振源质量100ppm。

⑦假定硬件对过零点的检测最大误差是±5％，即±0.5ms。

⑧帧信号占用250个收发段。

⑨计数器时钟速率240K/s。

仿真按照以上假定的系统进行。分作两部分：一个是满足接收机在以上假定条件下在整帧所有收发段所有脉冲均能在正确时间范围内采样所需要的参数；另外一个是改进后的系统性能和原有系统的比较。这里所说的“性能”指的是一定环境噪声情况下，整帧信号可以被接收机在正确位置提取信号信息的概率。

采样参数仿真估计的部分结果如表1所示：

表1

测量长度(Tm)	M1	M2	E_2
				K＝10000	1200(dt_1＝0)	1200.2(dt_1＝0)	-0.0085
K＝1000	1200.1(dt_1＝0.8ms)	1200.3(dt_1＝1.0ms)	-0.1020
				K＝100	1201(dt_1＝0.8ms)	1201.2(dt_1＝1.0ms)	-1.0198

表中dt_1是在一个测量段两侧对过零点检测误差之和，这里取最大相对误差。收发两侧时钟频率相对误差0.0002。E_2是在帧的最后一个脉冲的采样点将从最开始定时同步时在脉冲内采样位置最大可能偏离开的量，单位是BFSK脉宽。

仿真结果表明，在给定的参数下，1000个收发段的测量长度还不能有足够高的稳定性。而10000个收发段的测量长度的稳定性已经非常高了。考虑到系统对帧安排资源控制需要足够的自由程度，建议再适当增加测量长度。一万个工频半周期时间是100秒。

在上述结果基础上，做四个收发段组成的帧同步词(帧长250个收发段)，和逐段同步(同步词20个BFSK脉冲)，帧长分别为100个和300个收发段长度进行比较。如图5所示，如果要求超过99％同步及接收成功，长同步词和短同步词对环境性能(SNR)要求的差别大致是13～14dB(仿真中没有考虑滤波器带宽影响)。这和理论计算的结果相当。而当对同步成功概率要求适当降低时，长同步词的优势(对SNR要求降低)就极大显现出来。这是因为逐段同步时候，整帧成功同步接收概率，必须要求所有收发同时定时同步成功。

Claims (8)

1.一种用于自动集中抄表的窄带通信数据传输方法，包括如下步骤：

(1)发送端和接收端通过计数器测量各自电力线上工频正弦电信号半周期所对应的拍数，其中发送端检测得到的拍数为M₁，接收端检测得到的拍数为M₂；

(2)数据帧信号发送初始时刻，由发送端利用计数器检测电力线上工频正弦电信号的过零点，并记录该过零点对应的计数值为N；

(3)发送端利用以工频正弦电信号过零点为中心的多个收发段将整帧信号数据传送给接收端，且使计数值D_k作为第k段抄表数据的发送起始时刻以进行数据传输；

$D_k=N+(M_1-\frac{X}{2})+(k-1)M_1$

其中：k为收发段的段序号，X为收发段段宽对应的拍数；

(4)接收端实时接收发送端发送过来的数据并进行同步词检测，同步词匹配后即帧定时同步成功后，接收端从定时同步点起每隔M₂拍进行一次数据截取，每一次截取的时长为X拍，进而将所有截取得到的数据段整合成发送端发送的整帧信号数据；最后再对整帧信号数据进行数字信号处理，以恢复得到原始的抄表数据及各种控制信号。

2.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：所述的发送端使用于传送整帧抄表数据的所有收发段的前n个收发段全部用做同步词传送，n为大于等于1的自然数。

3.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：所述的步骤(1)中发送端和接收端利用DSP技术检测各自电力线上工频正弦电信号半周期所对应的拍数。

4.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，当某一时刻，接收端在该时刻前一个或数个X拍时长内接收到的数据与接收端本地的同步词匹配上后，接收端从该时刻开始每隔M₂拍进行一次数据截取。

5.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，接收端在进行后续解交织、解扩以及解码处理时，通过一定的判决和检错机制，获得正确的原始数据。

6.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，发送端和接收端通过增加测量时间长度及采用相同的测量起讫点，可以提高测量精度和抑制各种检测和系统误差，使测量误差减小，满足工程需要。

7.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：工程实际中，工频频率在极小范围内缓慢变化，所以对M₁和M₂的测量要不间断进行，以跟踪这种变化对M₁和M₂进行修正；每个测量周期的结果，供下一测量周期结果做参考进行调整。

8.根据权利要求1所述的窄带通信数据传输方法，其特征在于：在不进行实质的时钟同步的同时实现收发段的同步接收，接收机在正确的脉冲存在时间段内采样，能够大幅度提高数据的收发稳定性。