CN105450260B - 一种电力线载波通信方法 - Google Patents

Abstract

一种电力线载波通信方法，包括数据的发送流程和数据的接收流程，数据的发送流程依次包括信道编码步骤、信道交织步骤、符号调制步骤、发送同步头与帧定界符步骤、载波调制步骤。数据的接收流程依次包括同步检测步骤、检测帧定界符步骤、解调步骤、符号解调步骤、解交织步骤、Viterbi译码步骤。本发明在不降低通信速率的情况下，提升了电力线载波通信的距离；采用了单一频点实现了同步和数据传输，具有非常窄的带宽，占用频率资源少；同步与数据传输采用同样的自相关算法，降低了运算复杂度，降低了技术的实现成本；同步与数据都是用整周期的正弦信号，发送的信号数据是固定的，不需要进行复杂运算，降低了技术实现成本。

Description

一种电力线载波通信方法

技术领域

本发明涉及一种电力线载波通信方法。

背景技术

电力线载波通信技术是通信技术中的一个特殊分支，它是有线通信，但又是一种非专线的通信。它借用了作为供电用的电线作为传输媒介，因此它具有和无线通信一样的免布线特征，而且连天线也不要，非常方便实用，尤其是用在电力公司抄表方面，优势极为明显，深受电力公司青睐。然而，电线的主用途是供电，不能因通信需要而对线路的分布、负载等等做任何限制，因此，电力线载波通信具有非常大的特殊性，影响通信的方面主要包括线路的信号衰减、线路上电器设备的干扰、随机变化的负载、线路分支等。根据多年来国内外研究电力线载波通信技术的公司分析，电力线载波信道噪声具有“动态、广谱、梳状”的特点。

噪声的动态特性说明不能以某一种固定的模型进行分析，噪声可能在某时某地非常小而在另一个时刻或地点非常大，无法采用规避的方法解决。

噪声的广谱特性说明噪声在每个频率范围都有且噪声特性多样，不能以选定某个频率范围来规避噪声。

噪声的梳状特性说明噪声的峰值具有一定的随机性，不是完全连续的，因此，在传输过程中信噪比的变化会很大，用常规的高斯白噪声理论来分析技术的抗干扰能力存在问题。

低压电力线是电力线载波通信的主要战场，电力公司抄表系统中最大工作部分就是居民用户的抄表，因为量大，通信的功率和成本是一个重要因素，目前市场上主要的电力线载波通信技术是采用直序列扩频（DSSS）通信技术，因为窄带通信的频率范围在500kHz以下，所以普遍只用了63位的扩频码，若增长扩频码，就会带来通信速率的下降，不能满足通信需求。然而，因为低压电力线信道的干扰很大且随机性强，63位扩频码产生的增益不够，导致误码率高，传输距离短的情况，只能通过中继来解决实际问题，而承担中继功能的是位置固定的电表或采集终端，不能适应所有环境需求，因此，要解决此问题，必须提升点对点通信距离。

发明内容

为克服现有电力线载波通信方法的上述不足，本发明提供一种在不降低通信速率的情况下，提升低压电力线载波的通信距离、确保方案成本不增加的电力线载波通信方法。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种电力线载波通信方法，包括数据的发送流程和数据的接收流程；

数据的发送流程依次包括信道编码步骤、信道交织步骤、符号调制步骤、发送同步头与帧定界符步骤、载波调制步骤：

A. 信道编码步骤:将待发送比特数据采用卷积编码方式进行信道编码，码率选择1/3或2/3；

B. 信道交织步骤:将编码后数据进行交织处理；

C. 符号调制步骤:经过信道编码和信道交织处理后的数据再进行符号调制，形成扩频序列，符号调制的具体步骤如下：

a.建立一个n位长的比特序列与2ⁿ个m位扩频码之间的映射表；

b.将经信道交织处理后的数据以n位长进行分组，不足n位时后补0；

c.对每个分组的n比特查上述映射表，得到每个分组的扩频码，形成一个扩频序列，即完成了符号调制；

D. 发送同步头与帧定界符步骤:

a.帧同步头由K个正向和K个反向的整载频周期的正弦信号交替组成，其

频率为载波中心频率，故可通过查表得到一组正弦信号的数据，将该组正弦信号的数据按顺序输出到DAC转换电路得到模拟正弦信号，再由功放电路驱动载波发送电路将该模拟正弦信号耦合到电力线上，即完成了同步头的发送；

b.帧定界符采用一段时间直接停止发送，其时间等于W个载频周期，W≥1；

E. 载波调制步骤:

a.从符号调制后的扩频序列中取1位数据，若数据为1，则发送X个载频周期的正弦信号，若数据为0，则在X个载频周期内不发送任何数据，X选择≥3的奇数，从而在信号接收时进行多数判别；

b.因发送数据1时是发送X个载波中心频率的正弦信号，故可直接通过查表得到一组正弦信号的数据，将该组正弦信号的数据按顺序输出到DAC转换电路得到模拟正弦信号，再由功放电路驱动载波发送电路将前述模拟正弦信号耦合到电力线上；

数据的接收流程依次包括同步检测步骤、检测帧定界符步骤、解调步骤、符号解调步骤、解交织步骤、Viterbi译码步骤；

A. 同步检测步骤，其包括以下步骤：

a.假定每个载频周期的采样点数为H个点，则正反向的正弦信号为2H个点，首先用单周期的正反向的正弦数据与采样数据做相关运算，若得到的相关运算结果超过阈值，则确认有同步信号开始；

b.因整个同步头有K组正反向的正弦信号，故当确认有载波同步信号后，再经过（K-1）×2H个采样点的相关运算，从这中间找到运算结果的最大值，即确定了同步位置；

B. 检测帧定界符步骤:因帧界定符是W个周期不发送任何数据，故用正弦信号数据与这段期间的采样数据进行自相关运算，应该都是在阈值之下，同步后找到连续W个运算结果都低于阈值，由此推断出前面的帧同步是参考哪一组正反向的正弦信号，从而确定采集的有效数据的开始位置；

C. 解调步骤，其包括以下步骤：

a.从前面推断的数据的开始位置，以一个载频周期内的H个采样数据为间隔，将这H个采样数据与正弦信号数据进行自相关运算，若结果大于阈值，记为1，否则记为0；

b.因在数据发送时每个数据的发送时间是X个载频周期，将上一步相关运算判别的结果以X个比特为一组，若1的个数多，就将记为1，否则记为0，由此就完成了解调，得到了接收的基带信号；

D. 符号解调步骤，其步骤如下：

a.将得到的基带信号以m比特为一组，分别用前面所述映射表中的每一组扩频码进行解扩运算；

b.从运算结果中找到最大值相应的扩频码，根据映射表获得对应的n比特数据，即完成一组接收的基带信号的符号解调；

E. 解交织步骤:将符号解调后的数据按发送端所做的交织操作的逆操作，使得数据回到正常的位置；

F. Viterbi译码步骤:解交织后的数据通过Viterbi译码，纠正其中的错误，就得到了与发送端一样的数据。

通过建立比特序列与扩频码的对应表，将n位长的比特序列与m位长的扩频码一一映射，在发送数据时用m位扩频码替代n位长的比特数据，使得实际的扩频码长达到了m位，提升了通信接收灵敏度和抗干扰能力，而对于传输速度来说它相当于（m+1）/n -1位扩频码，等效通信距离可大幅提升；

在数据传输时，当传输的数据为1时，发送载频，当传输数据为0时，不发送任何信息，这样就使得平均发射功率下降了1倍；

采用互为反向的正弦载频信号进行传输，信号的长度为载频的整周期，利用自相关算法，即可得到载频反向信号位置，实现帧同步，同时，这个自相关算法还可以用于数据部分，减少了对芯片运算能力的依赖；

本发明的有益效果在于：在不降低通信速率的情况下，提升了电力线载波通信的距离；采用了单一频点实现了同步和数据传输，具有非常窄的带宽，占用频率资源少；同步与数据传输采用同样的自相关算法，降低了运算复杂度，可以用比较便宜的简单的处理器来实现，降低了技术的实现成本；同步与数据都是用整周期的正弦信号，发送的信号数据是固定的，不需要进行复杂运算，降低了技术实现成本。

附图说明

图1是数据的发送流程示意图。

图2是数据的接收流程示意图。

图3是同步与数据波形示意图。

图4是映射表的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2、图3、图4，一种电力线载波通信方法，包括数据的发送流程和数据的接收流程；

数据的发送流程依次包括信道编码步骤、信道交织步骤、符号调制步骤、发送同步头与帧定界符步骤、载波调制步骤：

A. 信道编码步骤:将待发送比特数据采用卷积编码方式进行信道编码，码率选择1/3或2/3；

B. 信道交织步骤:将编码后数据进行交织处理；

C. 符号调制步骤:经过信道编码和信道交织处理后的数据再进行符号调制，形成扩频序列，符号调制的具体步骤如下：

a.建立一个n位长的比特序列与2ⁿ个m位扩频码之间的映射表。例如将4比特的符号（0000b~1111b）与16个15位的扩频码做一一映射，见图4；

b.将经信道交织处理后的数据以n位长进行分组，不足n位时后补0；

c.对每个分组的n比特查上述映射表，得到每个分组的扩频码，形成一个扩频序列，即完成了符号调制；

D. 发送同步头与帧定界符步骤:

a.帧同步头由K个正向和K个反向的整载频周期的正弦信号交替组成，其

频率为载波中心频率。如图3的1T~8T是一个K=4的同步头，其中1T、3T、5T、7T是与2T、4T、6T、8T波形相反的正弦信号。因为同步信号是载波中心频率的正弦信号，故可通过查表得到一组正弦信号的数据，将该组正弦信号的数据按顺序输出到DAC转换电路得到模拟正弦信号，再由功放电路驱动载波发送电路将该模拟正弦信号耦合到电力线上，即完成了同步头的发送；

b.帧定界符采用一段时间直接停止发送，其时间等于W个载频周期，W≥1；

E. 载波调制步骤:

a.从符号调制后的扩频序列中取1位数据，若数据为1，则发送X个载频周期的正弦信号，若数据为0，则在X个载频周期内不发送任何数据，X选择≥3的奇数，从而在信号接收时进行多数判别；

b.因发送数据1时是发送X个载波中心频率的正弦信号，故可直接通过查表得到一组正弦信号的数据，将该组正弦信号的数据按顺序输出到DAC转换电路得到模拟正弦信号，再由功放电路驱动载波发送电路将前述模拟正弦信号耦合到电力线上；

数据的接收流程依次包括同步检测步骤、检测帧定界符步骤、解调步骤、符号解调步骤、解交织步骤、Viterbi译码步骤；

A. 同步检测步骤，其包括以下步骤：

a.假定每个载频周期的采样点数为H个点，则正反向的正弦信号为2H个点，首先用单周期的正反向的正弦数据与采样数据做相关运算，若得到的相关运算结果超过阈值，则确认有同步信号开始；

b.因整个同步头有K组正反向的正弦信号，故当确认有载波同步信号后，再经过（K-1）×2H个采样点的相关运算，从这中间找到运算结果的最大值，即确定了同步位置；

B. 检测帧定界符步骤:因帧界定符是W个周期不发送任何数据，故用正弦信号数据与这段期间的采样数据进行自相关运算，应该都是在阈值之下，同步后找到连续W个运算结果都低于阈值，由此推断出前面的帧同步是参考哪一组正反向的正弦信号，从而确定采集的有效数据的开始位置；

C. 解调步骤，其包括以下步骤：

a.从前面推断的数据的开始位置，以一个载频周期内的H个采样数据为间隔，将这H个采样数据与正弦信号数据进行自相关运算，若结果大于阈值，记为1，否则记为0；

b.因在数据发送时每个数据的发送时间是X个载频周期，故将上一步相关运算判别的结果以X个比特为一组，若1的个数多，就将记为1，否则记为0，由此就完成了解调，得到了接收的基带信号；

D. 符号解调步骤，其步骤如下：

a.将得到的基带信号以m比特为一组，分别用前面所述映射表中的每一组扩频码进行解扩运算；

b.从运算结果中找到最大值相应的扩频码，根据映射表获得对应的n比特数据，即完成一组接收的基带信号的符号解调；

E. 解交织步骤:将符号解调后的数据按发送端所做的交织操作的逆操作，使得数据回到正常的位置；

F. Viterbi译码步骤:解交织后的数据通过Viterbi译码，纠正其中的错误，就得到了与发送端一样的数据。

Claims (1)

1.一种电力线载波通信方法，包括数据的发送流程和数据的接收流程，其特征在于：

数据的发送流程依次包括信道编码步骤、信道交织步骤、符号调制步骤、发送同步头与帧定界符步骤、载波调制步骤：

A. 信道编码步骤:将待发送比特数据采用卷积编码方式进行信道编码，码率选择1/3或2/3；

B. 信道交织步骤:将编码后数据进行交织处理；

C. 符号调制步骤:经过信道编码和信道交织处理后的数据再进行符号调制，形成扩频序列，符号调制的具体步骤如下：

a.建立一个n位长的比特序列与2ⁿ个m位扩频码之间的映射表；

b.将经信道交织处理后的数据以n位长进行分组，不足n位时后补0；

c.对每个分组的n比特查上述映射表，得到每个分组的扩频码，形成一个扩频序列，即完成了符号调制；

D. 发送同步头与帧定界符步骤:

a.帧同步头由K个正向和K个反向的整载频周期的正弦信号交替组成，其

频率为载波中心频率，通过查表直接得到一组正弦信号的数据，将该组正弦信号的数据按顺序输出到DAC转换电路得到模拟正弦信号，再由功放电路驱动载波发送电路将该模拟正弦信号耦合到电力线上，即完成了同步头的发送；

b.帧定界符采用一段时间直接停止发送，其时间等于W个载频周期，W≥1；

E. 载波调制步骤:

a.从符号调制后的扩频序列中取1位数据，若数据为1，则发送X个载频周期的正弦信号，若数据为0，则在X个载频周期内不发送任何数据，X选择≥3的奇数，从而在信号接收时进行多数判别；

b.因发送数据1时是发送X个载波中心频率的正弦信号，故直接通过查表得到一组正弦信号的数据，将该组正弦信号的数据按顺序输出到DAC转换电路得到模拟正弦信号，再由功放电路驱动载波发送电路将前述模拟正弦信号耦合到电力线上；

数据的接收流程依次包括同步检测步骤、检测帧定界符步骤、解调步骤、符号解调步骤、解交织步骤、Viterbi译码步骤；

A. 同步检测步骤，其包括以下步骤：

a.假定每个载频周期的采样点数为H个点，则正反向的正弦信号为2H个点，首先用单周期的正反向的正弦数据与采样数据做相关运算，若得到的相关运算结果超过阈值，则确认有同步信号开始；

b.当确认有载波同步信号后，再经过（K-1）×2H个采样点的相关运算，从这中间找到运算结果的最大值，即确定了同步位置；

B. 检测帧定界符步骤:因帧界定符是W个周期不发送任何数据，故用正弦信号数据与这段期间的采样数据进行自相关运算，应该都是在阈值之下，同步后找到连续W个运算结果都低于阈值，由此推断出前面的帧同步是参考哪一组正反向的正弦信号，从而确定采集的有效数据的开始位置；

C. 解调步骤，其包括以下步骤：

a.从前面推断的数据的开始位置，以一个载频周期内的H个采样数据为间隔，将这H个采样数据与正弦信号数据进行自相关运算，若结果大于阈值，记为1，否则记为0；

b.因在数据发送时每个数据的发送时间是X个载频周期，将上一步相关运算判别的结果以X个比特为一组，若1的个数多，就将记为1，否则记为0，由此就完成了解调，得到了接收的基带信号；

D. 符号解调步骤，其步骤如下：

a.将得到的基带信号以m比特为一组，分别用前面所述映射表中的每一组扩频码进行解扩运算；

b.从运算结果中找到最大值相应的扩频码，根据映射表获得对应的n比特数据，即完成一组接收的基带信号的符号解调；

E. 解交织步骤:将符号解调后的数据按发送端所做的交织操作的逆操作，使得数据回到正常的位置；

F. Viterbi译码步骤:解交织后的数据通过Viterbi译码，纠正其中的错误，就得到了与发送端一样的数据。