CN105577237B - 一种用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法和芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法和芯片，对低压电力线载波通信系统用户端要发送的原始信息进行帧封装、BFSK载波调制、数字滤波，最后经发送模拟前端电路输出到低压电力线；从低压电力线上接收信号，通过可编程数字滤波器进行数字滤波，消除高频、低频干扰信息后得到载波中心频率附近、信息带宽范围内的载波信号，采用COSTAS环法实现本地载波同步，对载波同步后的信息去除信号中的窄脉冲，对滤除窄脉冲后的信息进行码原同步，对码原同步后的信息进行解封装。本发明具备抗高噪声、高衰减和突发干扰等特点，可实现较高的信息码传输速率和可选配的载波频率，为电力线载波通信系统中的PHY设备提供低成本高性能的AISC解决方案。

Description

一种用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法和芯片

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体的说是一种调制解调方法及调制解调芯片，可广泛用于低压电力线载波通信系统用户端中，尤其适合应用在低压电力线载波抄表系统中。

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。同时现有的低压电力线通信设备的信息传输速率低、传输效率低。如何解决以上问题对低压电力线载波通信系统中PHY层设备的设计提出了很高的要求，开发一种适合我国电力线通信特点的高性能、低成本的终端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低压电力线载波通信的调制解调方法和调制解调芯片，以提高信息传输速率，有效降低误码率，提高抄表效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法，包括以下步骤：

S1：对低压电力线载波通信系统用户端要发送的原始信息通过封装模块进行帧封装，加入前导码和帧定界符，封装后的信息通过载波调制模块进行载波调制，再通过数字滤波模块进行滤波，最后经发送模拟前端电路输出到低压电力线；

S2：从低压电力线上接收信号，经过低压电力线载波通信系统用户端的模拟接收电路处理后通过可编程数字滤波器进行数字滤波，消除高频、低频干扰信息后得到载波中心频率附近、信息带宽范围内的载波信号，然后通过载波同步模块实现本地载波同步；载波同步后的信息再进入脉冲噪声滤波模块，去除信号中的窄脉冲，便于可靠实现码原同步；滤除窄脉冲后的信息进入码原同步模块，实现码原同步状态的扑获、跟随和自恢复；码原同步后的信息进入解封装模块，完成对信息的解封装。

步骤S1中前导码为0x00_FF_AA_AA_AA，帧定界符为0x6C；其中：前导码中的0x00用于载波f0的接收载波同步，前导码中的0xFF用于载波f1的接收载波同步，f0≠f1；前导码中的0xAA_AA_AA用于接收码原同步；帧定界符0x6C用于信息的解封装。

解封装模块，通过搜索前导码和帧定界符序列，完成对信息的解封装。

步骤S1中载波调制模块采用BFSK调制方法进行载波调制，载波为中心频率可变的载波，载波频率可编程。

步骤S2中可编程数字滤波器的RTL设计为采用多级乘法器并行与串行协同工作。

步骤S2中载波同步模块采用COSTA环实现本地载波同步；COSTA环主要由压控振荡器、直接数字频率合成器、低通滤波器、鉴相器及环路滤波器组成；COSTA环中的鉴相器为反正切鉴相，采用CORDIC算法实现，环路滤波器采用二阶滤波器。

一种实施上述方法的调制解调芯片，包括发送部分和接收部分：

发送部分包括依次连接的封装模块、载波调制模块、数字滤波模块；其中，封装模块，用于接收低压电力线载波通信系统用户端发送的原始信息，并进行帧封装，加入前导码和帧定界符；载波调制模块，采用BFSK调制方法进行载波调制，载波为中心频率可变的载波。

接收部分包括依次连接的可编程数字滤波器、载波同步模块、噪声滤波模块、码原同步模块、解封装模块；其中，可编程数字滤波器的RTL设计为采用多级乘法器并行与串行协同工作；载波同步模块，采用COSTA环实现本地载波同步；噪声滤波模块，用于去除信号中的窄脉冲；码原同步模块，用于实现码原同步状态的扑获、跟随和自恢复；解封装模块，用于搜索前导码和帧定界符序列，完成对信息的解封装。

发送部分还包括与数字滤波模块连接的增益控制模块，以及与增益控制模块连接的DAC模块，DAC模块输出的信号发送给低压电力线载波通信系统用户端的模拟发送前端；接收部分还包括与可编程数字滤波器连接的ADC模块，以及与ADC模块连接的PGA模块，PGA模块接收低压电力线载波通信系统用户端的模拟接收电路输出的信号。

上述调制解调芯片，还包括电源管理模块、时钟管理模块、看门狗、MCU接口，所述MCU接口与低压电力线载波通信系统用户端的MCU连接。

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、本发明对信息帧再次封装处理，便于接收端各级同步（载波同步、码原同步、帧同步）的实现，提高了信息传输的准确率；4、本发明载波频率可编程，避开突发干扰的频率点及某一频率点的持续干扰，有效解决现有抄表系统对突发干扰及某一频率的持续干扰力不从心的困难；5、本发明采用COSTA环实现载波同步，具体设计中用反正切鉴相法取代了传统的乘法鉴相法，同步精度高；6、本发明的信息传输速率高，和传统设备相比明显提高了传输效率。

附图说明

图1为本发明应用于低压电力线通信系统的示意图。

图2为本发明芯片在低压电力线载波用户端设备中的应用框图。

图3为本发明芯片的主要功能模块原理图。

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。

参见图2和图3，本发明提供一种用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法，包括以下步骤：

S1：对低压电力线载波通信系统用户端要发送的原始信息通过封装模块1进行帧封装，封装后的信息通过载波调制模块2进行载波调制，再通过数字滤波模块3（BPF）进行滤波，最后经模拟发送前端（AFE）电路输出到低压电力线。

步骤S1中封装模块1的封装方法为：对要发送的原始信息加入前导码0x00_FF_AA_AA_AA和帧定界符0x6C；其中：0x00用于载波f0的接收载波同步，0xFF用于载波f1的接收载波同步，f0≠f1；0xAA_AA_AA用于接收码原同步；帧定界符0x6C用于信息的解封装。

步骤S1中载波调制模块2采用BFSK调制方法进行载波调制，载波为中心频率可变的载波，载波频率可编程，以适应不同干扰的电力线特征。

S2：从低压电力线上接收信号，经过低压电力线载波通信系统用户端的模拟接收电路处理后通过可编程数字滤波器4进行数字滤波，消除高频、低频干扰信息后得到载波中心频率附近、信息带宽范围内的载波信号，然后通过载波同步模块5实现本地载波同步；载波同步后的信息再进入脉冲噪声滤波模块6，去除信号中的窄脉冲，便于可靠实现码原同步；滤除窄脉冲后的信息进入码原同步模块7，实现码原同步状态的扑获、跟随和自恢复；码原同步后的信息进入解封装模块8，自动搜索前导码和帧定界符序列，完成对信息的解封装。

步骤S2中可编程数字滤波器4的RTL设计为采用多级乘法器并行与串行协同工作，可同时兼顾资源占用与处理速度。可编程数字滤波器4的滤波参数可以根据载波频率的不同进行相应的调整，能够将低频和高频成分去除。

步骤S2中载波同步模块5采用COSTA环实现载波同步；COSTA环主要由压控振荡器（VCO）、直接数字频率合成器（DDS）、低通滤波器（LPF）、鉴相器（PD）及环路滤波器（LF）组成，COSTA环中的鉴相器为反正切鉴相，采用CORDIC算法实现，环路滤波器采用二阶滤波器。

本发明还提供一种实施上述方法的调制解调芯片，包括发送部分和接收部分：

发送部分包括依次连接的封装模块1、载波调制模块2、数字滤波模块3（BPF）；其中，封装模块1，用于接收和封装用户端MCU发送的原始信息；本发明内部自生成中心频率可变的载波，载波调制模块2，采用BFSK调制方法进行载波调制。发送部分还包括与数字滤波模块3连接的增益控制模块，以及与增益控制模块连接的DAC模块（即数模转换器），DAC模块输出的信号发送给低压电力线载波通信系统用户端的模拟发送前端。

接收部分包括依次连接的可编程数字滤波器4、载波同步模块5、噪声滤波模块6、码原同步模块7、解封装模块8；其中，可编程数字滤波器4的RTL设计为采用多级乘法器并行与串行协同工作；载波同步模块5，采用COSTA环实现本地载波同步，COSTA环主要由压控振荡器（VCO）、直接数字频率合成器（DDS）、低通滤波器（LPF）、鉴相器（PD）及环路滤波器（LF）组成，COSTA环中的鉴相器为反正切鉴相，采用CORDIC算法实现，环路滤波器采用二阶滤波器；噪声滤波模块6，用于去除信号中的窄脉冲，便于可靠实现码原同步；码原同步模块7，用于实现码原同步状态的扑获、跟随和自恢复；解封装模块8，用于搜索前导码和帧定界符序列，完成对信息的解封装。接收部分还包括与可编程数字滤波器4连接的ADC模块（即模数转换器），以及与ADC模块连接的PGA模块（即可编程增益放大器），PGA模块接收低压电力线载波通信系统用户端的模拟接收电路输出的信号。

本发明的调制解调芯片还包括电源管理模块、时钟管理模块、看门狗、MCU接口，所述MCU接口与低压电力线载波通信系统用户端的MCU连接。

参见图1和图2，本发明应用于电力载波通信系统的用户端中，如用户终端电表。本发明具备抗高噪声、高衰减和突发干扰等特点，可实现较高的信息码传输速率和可选配的载波频率，为电力线载波通信系统中的PHY设备提供低成本、高性能的AISC解决方案。

Claims (7)

1.一种用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：对低压电力线载波通信系统用户端要发送的原始信息通过封装模块进行帧封装，加入前导码和帧定界符，封装后的信息通过载波调制模块进行载波调制，再通过数字滤波模块进行滤波，最后经发送模拟前端电路输出到低压电力线；

S2：从低压电力线上接收信号，经过低压电力线载波通信系统用户端的模拟接收电路处理后通过可编程数字滤波器进行数字滤波，消除高频、低频干扰信息后得到载波中心频率附近、信息带宽范围内的载波信号，然后通过载波同步模块实现本地载波同步；载波同步后的信息再进入脉冲噪声滤波模块，去除信号中的窄脉冲，便于可靠实现码原同步；滤除窄脉冲后的信息进入码原同步模块，实现码原同步状态的扑获、跟随和自恢复；码原同步后的信息进入解封装模块，完成对信息的解封装；

步骤S2中载波同步模块采用COSTA环实现本地载波同步；COSTA环主要由压控振荡器、直接数字频率合成器、低通滤波器、鉴相器及环路滤波器组成；COSTA环中的鉴相器为反正切鉴相，采用CORDIC算法实现，环路滤波器采用二阶滤波器；

步骤S2中可编程数字滤波器的RTL设计为采用多级乘法器并行与串行协同工作。

2.根据权利要求1所述的用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法，其特征在于：步骤S1中前导码为0x00_FF_AA_AA_AA，帧定界符为0x6C；其中：前导码中的0x00用于载波f0的接收载波同步，前导码中的0xFF用于载波f1的接收载波同步，f0≠f1；前导码中的0xAA_AA_AA用于接收码原同步；帧定界符0x6C用于信息的解封装。

3.根据权利要求2所述的用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法，其特征在于：解封装模块，通过搜索前导码和帧定界符序列，完成对信息的解封装。

4.根据权利要求1所述的用于低压电力线载波通信系统的调制解调方法，其特征在于：步骤S1中载波调制模块采用BFSK调制方法进行载波调制，载波为中心频率可变的载波，载波频率可编程。

5.一种实施权利要求1所述方法的调制解调芯片，其特征在于：包括发送部分和接收部分：

发送部分包括依次连接的封装模块、载波调制模块、数字滤波模块；其中，封装模块，用于接收低压电力线载波通信系统用户端发送的原始信息，并进行帧封装，加入前导码和帧定界符；载波调制模块，采用BFSK调制方法进行载波调制，载波为中心频率可变的载波；

接收部分包括依次连接的可编程数字滤波器、载波同步模块、噪声滤波模块、码原同步模块、解封装模块；其中，可编程数字滤波器的RTL设计为采用多级乘法器并行与串行协同工作；载波同步模块，采用COSTA环实现本地载波同步；噪声滤波模块，用于去除信号中的窄脉冲；码原同步模块，用于实现码原同步状态的扑获、跟随和自恢复；解封装模块，用于搜索前导码和帧定界符序列，完成对信息的解封装。

6.根据权利要求5所述的调制解调芯片，其特征在于：发送部分还包括与数字滤波模块连接的增益控制模块，以及与增益控制模块连接的DAC模块，DAC模块输出的信号发送给低压电力线载波通信系统用户端的模拟发送前端；接收部分还包括与可编程数字滤波器连接的ADC模块，以及与ADC模块连接的PGA模块，PGA模块接收低压电力线载波通信系统用户端的模拟接收电路输出的信号。

7.根据权利要求5所述的调制解调芯片，其特征在于：还包括电源管理模块、时钟管理模块、看门狗、MCU接口，所述MCU接口与低压电力线载波通信系统用户端的MCU连接。