CN105515614B - 一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法及其装置 - Google Patents

一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法及其装置 Download PDF

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一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法及其装置，编码过程为：上位机发送的原始信息帧进入帧定位模块进行帧头定位，定位后进入扰码模块进行扰码，扰码后进入RS编码模块进行RS编码，RS编码输出后进入卷积编码模块进行卷积编码并输出。解码过程为：解调后的基带编码信息送入Viterbi译码模块进行卷积解码，Viterbi卷积解码之后恢复出原始速率信息，帧同步模块从中搜索帧头实现帧同步，帧同步之后即可确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块，帧同步后的信息进入RS解码模块进行RS解码，最后经过解扰模块解扰，恢复出原始信息帧。本发明可应用于电力载波通信的调制解调设备中，能增强传输中信号抗干扰能力，提升传输质量，提高传输效率。

Description

一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法及其装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体的说是低压电力线载波通信系统中的一种编码解码方法及其装置，可广泛用于低压电力线载波通信系统中，尤其适合应用在低压电力线载波抄表系统的调制解调装置中。
背景技术
低压电力线载波通信（Low Power Line Communication，Low PLC）是指利用现有的坚固可靠的低压220V线路作为通信载体，通过载波方式将数字信号进行高速传输的技术。该技术具备布线组网施工量小、传输线路稳定可靠、路由合理等特点。然而，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大。现有终端调制解调模块针对这些问题通常只关注载波调制解调方法，实际当受干扰的信道误码率到达一定程度后，BFSK, QSK, BQSK等调制解调方法的改进并不能有效的降低误码率，因此现有的低压电力线通信设备的信息传输速率低、误码率高、传输效率低。如何解决以上现存问题，设计新方法开发出适合我国电力线通信特点的高性能、低成本的通信设备是该术领域内的一个重要课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法及其装置，以在传输环境较为恶劣的低压电力线载波通信系统中提高信息传输速率和通信质量，降低误码率，提高抄表效率和一次成功率。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法，包括以下步骤：
S1：对上位机发送的原始信息进行编码处理，编码后的信息经过载波调制、滤波后，通过发送模拟前端电路输出到低压电力线；所述编码处理过程为：上位机发送的原始信息帧进入帧定位模块，对信息帧进行帧头定位；定位后的信息帧进入扰码模块进行扰码以增大信号能量随机性；经过扰码后的信息帧进入RS编码模块进行RS编码；经过RS编码输出后的信息帧进入卷积编码模块进行卷积编码并输出；
S2：从低压电力线上接收信号，经过模拟接收电路处理后进行载波解调，对解调出来的基带编码信息进行解码处理，解码恢复出来的原始信息由上位机接收；所述解码处理过程为：解调出来的基带编码信息送入Viterbi译码模块进行卷积解码；Viterbi卷积解码之后恢复出原始速率信息，帧同步模块从中搜索帧头实现帧同步，帧同步之后即可确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块；帧同步后的信息进入RS解码模块进行RS解码；最后经过解扰模块解扰，恢复出原始的信息帧。
信息帧帧头前导码内容可配，帧定界符内容可配，支持可变的帧长度。
扰码采用伪随机二进制序列，生成多项式为：1+X14+X15，初始值为0X9500。
RS编码模块取自原始的系统RS(255，239，t=8)，根据信息帧长N截短为（N，N-16， t=8）编码，允许校验8个随机的错误字节；码生成多项式为：g(x)=(x+α0)(x+α1)(x+α2)…(x+α15)，式中，α＝0X02；字段生成多项式为：p(x)=x8+x4+x3+x2+1；RS截短码可在数据字段最后增加相应的全零字节，RS编码后再将全零字节丢弃生成RS码。
卷积编码采用 (2，1，7)标准卷积码，生成多项式为G=[171，133]，编码率选择1/2。
所述Viterbi卷积解码基于最大似然原理，利用网格编码图，搜索记录每一条路径的实际偏差，反复对各路径偏差进行加、比、选操作，最终选择偏差最小路径，通过回溯路径的每一次输入取值恢复出原始数据；所述Viterbi卷积解码对支路量度的处理信息存储在RAM中，且RAM存储地址在每个回溯深度内采用顺序寻址、逆序寻址交替的方法。
一种实施上述方法的装置，包括发送部分和接收部分：
所述发送部分包括依次连接的帧定位模块、扰码模块、RS编码模块、卷积编码模块；其中：帧定位模块，用于根据信息帧的结构定义，对上位机发送的原始信息进行帧头定位；扰码模块，用于对定位后的信息帧进行扰码；RS编码模块，用于对经过扰码后的信息帧进行RS编码；卷积编码模块，用于对RS编码后的信息帧进行卷积编码；
所述接收部分包括依次连接的Viterbi译码模块、帧同步模块、RS解码模块、解扰模块；其中：Viterbi译码模块，用于对载波解调出来的基带编码信息进行卷积解码，恢复出原始速率信息；帧同步模块，用于从恢复出的原始速率信息中搜索帧头实现帧同步，确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块；RS解码模块，用于对帧同步后的信息进行RS解码；解扰模块，用于对RS解码后的信息进行解扰，恢复出原始的信息帧；
上述装置还包括ARM处理器，与ARM处理器连接的片内RAM；RS编码模块、RS解码模块、Viterbi译码模块、ARM处理器以及片内RAM通过总线连接。
上述装置可应用于电力载波通信系统的调制解调设备中，所述调制解调设备包括终端电表和中继设备。
本发明的有益效果：1、本发明具有抗干扰能力强，抗衰减的能力，在恶劣的环境中仍可实现可靠的通信；2、成本低廉，无需重新布线，可广泛应用于现有的低压电力线载波通信设备中；3、本发明内部设计了级联的RS编码和卷积编码，在大干扰、低信噪比的恶劣环境中可实现低接收误码率，提高了信息传输的准确率，其支持的传输速率高和传统电力线通信设备相比明显提高了传输效率；4、本发明采用数字逻辑硬件电路和嵌入式MCU软件实现，信息处理速率高、实现方法简单，为高性能的电力载波通信设备提供的成本的解决方案。
附图说明
图1为本发明的装置在电力线载波用户端设备中的应用框图。
图2为本发明的原理框图。
图3为本发明中接收解码部分主要功能模块的原理图。
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。
本发明发送部分对原始信息先进行扰码，增加信号能量分布的随机性。随后设计了级联的RS编码和卷积编码，使信息传输具备前向纠错功能（FEC）。
本发明接收部分采用差分相干解调方法恢复调制信息，采用Viterbi译码，经过FEC解码，解扰后恢复出原始信息。
本发明提供一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法，包括以下步骤：
S1：对上位机发送的原始信息进行编码处理，编码后的信息经过载波调制、滤波后，通过发送模拟前端电路输出到低压电力线。
步骤S1中的编码处理过程为：
上位机发送的原始信息帧进入帧定位模块1，根据信息帧的结构定义进行帧头定位（电力载波通信中传输的信息帧有特定的帧头，具备这样帧结构的信息很适合采用分组码编码方法，比如本发明的RS编码。）本发明中信息帧帧头前导码内容可配，帧定界符内容可配，支持可变的帧长度，故适应于多种帧格式；
定位后的信息帧进入扰码模块2进行扰码，以增大信号能量随机性。扰码采用伪随机二进制序列，生成多项式为：1+X14+X15，初始值为0X9500。为了给解扰模块提供一个同步信息，扰码在每一帧的帧头字节处需进行初始化；
经过扰码后的信息帧进入RS编码模块3进行RS编码。RS编码模块3取自原始的系统RS(255，239，t=8)，根据信息帧长N截短为（N，N-16，t=8）编码，允许校验8个随机的错误字节；码生成多项式为：g(x)=(x+α0)(x+α1)(x+α2)…(x+α15)，式中，α＝0X02；字段生成多项式为：p(x)=x8+x4+x3+x2+1；RS截短码可在数据字段最后增加相应的全零字节，RS编码后再将这些全零字节（空字节）丢弃生成RS码；
经过RS编码输出后的信息帧进入卷积编码模块4进行卷积编码并输出。卷积编码采用 (2，1，7)标准卷积码，生成多项式为G=[171，133]，编码率选择1/2。
S2：从低压电力线上接收信号，经过模拟接收电路处理后进行载波解调，对解调出来的基带编码信息进行解码处理，解码恢复出来的原始信息由上位机接收。
步骤S2中的解码处理过程为：
解调出来的基带编码信息送入Viterbi译码模块5进行卷积解码；Viterbi卷积解码基于最大似然原理，利用网格编码图，搜索记录每一条路径的实际偏差，反复对各路径偏差进行加、比、选操作，最终选择偏差最小路径，通过回溯路径的每一次输入取值恢复出原始数据。本发明中Viterbi卷积解码基于(2，1，7)的卷积码其对应Viterbi算法共有64种状态，每个译码时刻都有2条路径到达同一个状态，故需要记录128条支路度量，但经过比较选择后只保留偏差小的64条路径。回溯深度应满足不小于5*(N-1)，此处N=7，本发明Viterbi卷积解码的回溯深度为45。本发明中Viterbi卷积解码对支路量度的处理信息存储在RAM中，且RAM存储地址在每个回溯深度内采用顺序寻址、逆序寻址交替的方法，大大节省的存储空间，提高了处理速度。同时Viterbi解码之后的信息再次经过同样的卷积编码，并和信道接收的原始编码信息进行比较，统计出误码率以检测信道传输质量、劣化程度。
Viterbi卷积解码之后恢复出原始速率信息，帧同步模块6从中搜索帧头实现帧同步，帧同步之后即可确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块；
帧同步后的信息进入RS解码模块7进行RS解码，RS解码的过程包括RS计算、错误检测和纠错，理论计算中经过正确的RS纠错，输入BER（误码率）可以从10-4降低到10-15；
最后经过同样生成多项式的解扰模块8对RS解码后的信息进行解扰，恢复出原始的信息帧。
本发明还提供一种实施上述方法的装置，包括发送部分和接收部分：
发送部分包括依次连接的帧定位模块1、扰码模块2、RS编码模块3、卷积编码模块4；其中：
帧定位模块1，用于根据信息帧的结构定义，对上位机发送的原始信息帧进入进行帧头定位。
扰码模块2，用于对定位后的信息帧进行扰码；扰码采用伪随机二进制序列，生成多项式为：1+X14+X15，初始值为0X9500。为了给解扰模块提供一个同步信息，扰码在每一帧的帧头字节处需进行初始化。
RS编码模块3，用于对经过扰码后的信息帧进行RS编码；RS编码模块3取自原始的系统RS(255，239，t=8)，根据信息帧长N截短为（N，N-16，t=8）编码，允许校验8个随机的错误字节；码生成多项式为：g(x)=(x+α0)(x+α1)(x+α2)…(x+α15)，式中，α＝0X02；字段生成多项式为：p(x)=x8+x4+x3+x2+1；RS截短码可在数据字段最后增加相应的全零字节，RS编码后再将这些全零字节（空字节）丢弃生成RS码。
卷积编码模块4，用于对RS编码后的信息帧进行卷积编码并输出；卷积编码采用(2，1，7)标准卷积码，生成多项式为G=[171，133]，编码率选择1/2。
接收部分包括依次连接的Viterbi译码模块5、帧同步模块6、RS解码模块7、解扰模块8；其中：
Viterbi译码模块5，用于对载波解调出来的基带编码信息进行卷积解码，恢复出原始速率信息。从低压电力线上接收到的信号经过相应的模拟接收电路处理后进行载波解调，解调出来的基带编码信息送入Viterbi译码模块进行卷积解码，Viterbi卷积解码之后恢复出原始速率信息。Viterbi卷积解码基于最大似然原理，利用网格编码图，搜索记录每一条路径的实际偏差，反复对各路径偏差进行加、比、选操作，最终选择偏差最小路径，通过回溯路径的每一次输入取值恢复出原始数据。本发明中Viterbi卷积解码基于(2，1，7)的卷积码其对应Viterbi算法共有64种状态，每个译码时刻都有2条路径到达同一个状态，故需要记录128条支路度量，但经过比较选择后只保留偏差小的64条路径。回溯深度应满足不小于5*(N-1)，此处N=7，本发明Viterbi卷积解码的回溯深度为45。本发明中Viterbi卷积解码对支路量度的处理信息存储在与ARM处理器连接的RAM中，且RAM存储地址在每个回溯深度内采用顺序寻址、逆序寻址交替的方法，大大节省的存储空间，提高了处理速度。同时Viterbi解码之后的信息再次经过同样的卷积编码，并和信道接收的原始编码信息进行比较，统计出误码率以检测信道传输质量、劣化程度。
帧同步模块6，用于从恢复出的原始速率信息中搜索帧头实现帧同步，确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块。帧头信息内容可配。
RS解码模块7，用于对帧同步后的信息进行RS解码，RS解码的过程包括RS计算、错误检测和纠错，理论计算中经过正确的RS纠错，输入BER（误码率）可以从10-4降低到10-15。
解扰模块8，用于对RS解码后的信息进行解扰，恢复出原始的信息帧。
本发明装置还包括ARM处理器，与ARM处理器连接的片内RAM；RS编码模块3、RS解码模块7、Viterbi译码模块5、ARM处理器以及片内RAM通过总线连接。
本发明可应用于电力载波通信系统的调制解调设备中，包括终端电表和中继设备，能增强传输中的信号抗干扰能力，提升传输质量，提高传输效率。

Claims (3)

1.一种用于电力线载波通信的信道级联编解码方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：对上位机发送的原始信息进行编码处理，编码后的信息经过载波调制、滤波后，通过发送模拟前端电路输出到低压电力线；所述编码处理过程为：上位机发送的原始信息帧进入帧定位模块，对信息帧进行帧头定位；定位后的信息帧进入扰码模块进行扰码以增大信号能量随机性；经过扰码后的信息帧进入RS编码模块进行RS编码；经过RS编码输出后的信息帧进入卷积编码模块进行卷积编码并输出；
S2：从低压电力线上接收信号，经过模拟接收电路处理后进行载波解调，对解调出来的基带编码信息进行解码处理，解码恢复出来的原始信息由上位机接收；所述解码处理过程为：解调出来的基带编码信息送入Viterbi译码模块进行卷积解码；Viterbi卷积解码之后恢复出原始速率信息，帧同步模块从中搜索帧头实现帧同步，帧同步之后即可确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块；帧同步后的信息进入RS解码模块进行RS解码；最后经过解扰模块解扰，恢复出原始的信息帧；
信息帧帧头前导码内容可配，帧定界符内容可配，支持可变的帧长度；
扰码采用伪随机二进制序列，生成多项式为：1+X14+X15，初始值为0X9500；
RS编码模块取自原始的系统RS(255，239，t=8)，根据信息帧长N截短为（N，N-16， t=8）编码，允许校验8个随机的错误字节；码生成多项式为：g(x)=(x+α0)(x+α1)(x+α2)…(x+α15)，式中，α＝0X02；字段生成多项式为：p(x)=x8+x4+x3+x2+1；RS截短码可在数据字段最后增加相应的全零字节，RS编码后再将全零字节丢弃生成RS码；
卷积编码采用 (2，1，7)标准卷积码，生成多项式为G=[171，133]，编码率选择1/2；
所述Viterbi卷积解码基于最大似然原理，利用网格编码图，搜索记录每一条路径的实际偏差，反复对各路径偏差进行加、比、选操作，最终选择偏差最小路径，通过回溯路径的每一次输入取值恢复出原始数据；所述Viterbi卷积解码对支路量度的处理信息存储在RAM中，且RAM存储地址在每个回溯深度内采用顺序寻址、逆序寻址交替的方法。
2.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括发送部分和接收部分：
所述发送部分包括依次连接的帧定位模块、扰码模块、RS编码模块、卷积编码模块；其中：帧定位模块，用于根据信息帧的结构定义，对上位机发送的原始信息进行帧头定位；扰码模块，用于对定位后的信息帧进行扰码；RS编码模块，用于对经过扰码后的信息帧进行RS编码；卷积编码模块，用于对RS编码后的信息帧进行卷积编码；所述接收部分包括依次连接的Viterbi译码模块、帧同步模块、RS解码模块、解扰模块；其中：Viterbi译码模块，用于对载波解调出来的基带编码信息进行卷积解码，恢复出原始速率信息；帧同步模块，用于从恢复出的原始速率信息中搜索帧头实现帧同步，确定RS解码数据分组信息，同步的结果同时反馈到Viterbi译码模块；RS解码模块，用于对帧同步后的信息进行RS解码；解扰模块，用于对RS解码后的信息进行解扰，恢复出原始的信息帧；
还包括ARM处理器，与ARM处理器连接的片内RAM；RS编码模块、RS解码模块、Viterbi译码模块、ARM处理器以及片内RAM通过总线连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：可应用于电力载波通信系统的调制解调设备中，所述调制解调设备包括终端电表和中继设备。
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