CN105681243B - 应用于宽带ofdm电力线通信系统的帧定时同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法。本发明中，通过正负OFDM符号相接的前导结构，以及互相关自相关穿插的三步同步定位，使得同步位置准确可靠，提升了系统数据帧的同步性能，为后续解调数据提供了可靠的OFDM符号开窗位置，从而很大程度上提升了系统的整体性能，能够在噪声大、干扰强的电力线环境中有效确定帧同步位置，为后续信号处理提供保证。

Description

应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法
技术领域
本发明涉及低压电力线通信技术领域，特别是涉及一种应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法。
背景技术
电力线通信(Power Line Communication)系统是指建立在电力输送网络基础上，实现电力线网络各节点之间以及与其他通信网络间通信的系统。电力线通信利用已有电力网络，无须另架通信线路，电力线四通八达，具有通信成本低并且覆盖面广的优点。但是电力线并非专为数据通信设计，电力线上噪声大、干扰强、负载阻抗变化剧烈，存在严重的频率选择性衰落，对电力线通信系统设计提出了很高的要求。
由于时延扩展的影响带来严重的码间干扰(ISI)单载波系统不能满足电力线通信的要求，因此采用多载波传输的正交频分复用(OFDM)技术被应用于电力线通信系统。OFDM技术采用多载波调制，把数据分成若干个并行数据流，再调制到相互正交的子载波上进行并行传输。OFDM技术具有很好的抗频率选择性衰落和抗码间干扰的特点，非常适合电力线通信。OFDM符号虽然有着良好的抗ISI能力，但对载波的正交性有严格的要求。在低压电力线信道中，非理想因素会引起同步偏差，从而引起数据解调错误，因此对数据帧进行精确的的同步尤为重要。常规的前导符号由单个或多个完全相同的OFDM符号组成，结构比较单一，能够采用的帧定时同步方法也比较单一，进行数据帧的同步时容易漏掉符号导致同步位置错误。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法。
(二)技术方案
根据本发明的第一个方面，提供了一种在发射端执行的宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法。该帧定时同步方法包括：
步骤S101：对发送数据进行OFDM调制生成数据帧；
步骤S102：在生成的数据帧前插入前导序列，生成信号帧，其中，前导序列由若干个OFDM符号-SYNCP和至少一个OFDM符号-SYNCM组成；以及
步骤S103：对信号帧进行数模转换，生成模拟信号送入电力线信道。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种在接收端执行的应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法。该帧定时同步方法包括：
步骤S104：从电力线信道中接收模拟信号，对该模拟信号进行模数转换，将其转换为数字信号形式的信号帧；
其中，该模拟信号由数据帧及插入其前方的前导序列进行数模转换生成，数据帧由发送数据进行OFDM调制生成；前导序列由若干个OFDM符号SYNCP和若干个OFDM符号SYNCM组成；
步骤S105，对转换后的信号帧进行自相关运算，将自相关值corr1与预设的第一阈值Tx比较，当自相关值有连续M个数值大于第一阈值Tx时，认为检测到信号帧，将自相关开始的一位作为起始位置S1，并记录该起始位置S1；
步骤S106：以起始位置S1为起点利用接收端本地存储的前导数据与接收到的信号帧在一个OFDM符号内进行互相关运算得到数组corr2，由数组corr2计算符号定时位置S2；以及
步骤S107：根据符号定时位置S2及预设的第二阈值Tx2，利用接收信号的自相关得到帧定时，完成帧定时同步，其中，第二阈值Tx2等于负的第一阈值Tx1。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明通过正负OFDM符号相接的前导结构，以及互相关自相关穿插的三步同步定位，使得同步位置准确可靠，提升了系统数据帧的同步性能，为后续解调数据提供了可靠的OFDM符号开窗位置，从而很大程度上提升了系统的整体性能，能够在噪声大、干扰强的电力线环境中有效确定帧同步位置，为后续信号处理提供保证。
附图说明
图1为根据本发明实施例应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法的流程图；
图2为图1所示帧定时同步方法中所应用的前导信号数据结构示意图。
具体实施方式
本发明主要是在基于数据帧前插入的前导信号，接收数据信号时通过自相关或互相关确定符号定时、帧定时从而达到正确接收数据信号的目的。
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，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法。如图1所示，本实施例应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法包含两部分，其中第一部分在发送端执行，第二部分在接收端进行。
请继续参照图1，在第一部分中，在发射端：发送端数据帧之前插入前导序列，前导序列由若干个相同的OFDM符号：SYNCP和SYNCM组成，如图2所示。其中，SYNCP和SYNCM有符号能量较均匀的特征。
具体来讲，在第一部分中，发射端执行如下步骤：
步骤S101：首先对发送数据进行OFDM调制生成数据帧；
步骤S102：在生成的数据帧前插入前导序列，生成信号帧，其中，前导序列由若干个OFDM符号SYNCP和至少个OFDM符号SYNCM组成；
其中，其中SYNCP为G3-PLC标准协议中的CENELEC-A频段前导符号，SYNCP乘以-1得到SYNCM。SYNCP的个数一般取5～10个，本实施例中取8个；SYNCM的个数一般取1～2个，本实施例取1.5个，此处的1.5个的意思是取一整个SYNCM和半个SYNCM；
步骤S103：对信号帧进行D/A(数字/模拟)转换，生成模拟信号送入电力线信道。
请继续参照图1，在第二部分中，在接收端：对数据帧的同步分三步进行：第一步，接收端利用接收信号的自相关来搜寻前导，当自相关值有连续M(M为提前设定好的数值)个大于提前设定的阈值Tx之后认为检测到数据帧信号粗略起点；第二步，在得到的粗略起点基础上对接收信号与本地前导信号互相关来确定符号定时；第三步，在上一阶段确定的符号定时的基础上，利用接收信号的自相关来确定帧定时。
具体来讲，在第二部分中，接收端执行如下步骤：
步骤S104：从电力线信道中接收模拟信号，对该模拟信号进行A/D(模拟/数字)转换，将其转换为数字信号形式的信号帧；
步骤S105，对转换后的信号帧进行自相关运算，将自相关值corr1与预设的第一阈值Tx比较，当自相关值有连续M个数值大于第一阈值Tx1时，认为检测到信号帧，将自相关开始的一位作为起始位置S1，并记录该起始位置S1；
本步骤中，采用以下公式进行自相关运算：
其中，N为发射端OFDM调制时IFFT点数，yr(n＋i)代表模数转换后的第n+i个采样点的幅度值；yr(n＋i+N)代表模数转换后的第n+i+N个采样点的幅度值，corr1(n)代表第n个采样点作为起点的自相关结果。
其中，M的取值一般介于5～15之间，本实施例中取M＝10；第一阈值Tx1的取值与信号幅度有关，本实施例中按照下式计算：
本实施例中，N取256，Tx1＝38。
步骤S106：以起始位置S1为起点利用接收端本地存储的前导数据与接收到的信号帧在一个OFDM符号内进行互相关运算得到数组corr2，由数组corr2计算符号定时位置S2；
本步骤中，采用如下公式进行互相关运算：
其中，ssyncp(i)为本地存储的前导信号的第i个采样点的幅值。nadv为从上一步同步位置向前搜索的位数。m＝0，1，...，Nstage2-1，Nstage2为本步骤的检测采样点数，yr(S1-nadv+m+i)代表模数转换后的第S1-nadv+m+i个采样点的幅度值。
本步骤中，符号定时位置由下式得到：
其中，max为数组corr2的最大值。
步骤S107：根据符号定时位置S2及预设的第二阈值Tx2，利用信号帧的自相关得到帧定时，则完成帧定时同步。
本步骤中，采用如下公式进行自相关运算：
其中，m＝0，1，...，Nstage3-1，Nstage3为本步骤的检测时长。
如果对于某个m值，corr3(m)小于预先设定的第二阈值Tx2，则SYNCM符号的定时SSYNCM为：
SSYNCM＝S2+(m+1)·N
得到SYNCM符号的定时即得到帧定时，则帧定时同步结束；
其中，第二阈值Tx2等于负的第一阈值Tx1。
否则，如果corr3(m)大于或等于第二阈值，则返回步骤105。
步骤S108：帧定时同步结束后，将数据帧中的前导信号移除；
步骤S109：对数据帧进行OFDM解调得到传输数据。
至此，已经结合附图对本发明的一实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各步骤方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
此外，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。并且，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。
综上所述，本发明克服了低压电力线信道噪声大、干扰强的缺陷，可以更好的确定数据帧同步位置，从而在恶劣的低压电力线信道中准确接收数据，提高系统性能，具有较好的应用价值。
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 (7)

1.一种应用于宽带OFDM电力线通信系统的帧定时同步方法，其特征在于，在接收端执行，包括：
步骤S104：从电力线信道中接收模拟信号，对该模拟信号进行模数转换，将其转换为数字信号形式的信号帧；
其中，该模拟信号由数据帧及插入其前方的前导序列进行数模转换生成，数据帧由发送数据进行OFDM调制生成；前导序列由若干个OFDM符号SYNCP和若干个OFDM符号SYNCM组成；
步骤S105，对转换后的信号帧进行自相关运算，将自相关值corr1与预设的第一阈值Tx比较，当自相关值有连续M个数值大于第一阈值Tx1时，认为检测到信号帧，将自相关开始的一位作为起始位置S1，并记录该起始位置S1；
步骤S106：以起始位置S1为起点利用接收端本地存储的前导数据与接收到的信号帧在一个OFDM符号内进行互相关运算得到数组corr2，由数组corr2计算符号定时位置S2；以及
步骤S107：根据符号定时位置S2及预设的第二阈值Tx2，利用接收信号的自相关得到帧定时，完成帧定时同步，其中，第二阈值Tx2等于负的第一阈值Tx1。
2.根据权利要求1所述的帧定时同步方法，其特征在于，所述步骤S105中，采用以下公式进行自相关运算：
其中，N是一个前导符号的长度，yr(n+i)代表模数转换后的第n+i个采样点的幅度值；yr(n+i+N)代表模数转换后的第n+i+N个采样点的幅度值，corr1(n)代表第n个采样点作为起点的自相关结果。
3.根据权利要求2所述的帧定时同步方法，其特征在于，所述步骤S105中，M的取值为[5，15]，第一阈值Tx1按下式进行计算：
i等于1到N，N是SYNCP的个数。
4.根据权利要求1所述的帧定时同步方法，其特征在于，所述步骤S106中，采用以下公式进行互 相关运算：
其中，Ssyncp(i)为本地存储的前导符号SYNCP的第i个采样点的幅值，nadv为从位置S1向前搜索的位数，m＝0，1，...，Nstage2-1，Nstage2为本步骤的检测时长，yr(S1-nadv+m+i)代表模数转换后的第S1-nadv+m+i个采样点的幅度值，N是一个前导符号的长度。
5.根据权利要求1所述的帧定时同步方法，其特征在于，所述步骤S106中，采用以下公式计算符号定时位置S2：
其中，max{}为数组corr2的最大值在数组中所处的位置；
nadv为从位置S1向前搜索的位数，m＝0，1，...，Nstage2-1，Nstage2为本步骤的检测时长。
6.根据权利要求1所述的帧定时同步方法，其特征在于，所述步骤S107中，采用如下公式进行自相关运算：
其中，m＝0，1，...，Nstage3-1，Nstage3为本步骤的检测时长，N是一个前导符号的长度；
对于某个m值，corr3(m)小于预先设定的第二阈值Tx2，则SYNCM符号的定时SSYNCM为：SSYNCM＝S2+(m+1)·N。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的帧定时同步方法，其特征在于，所述步骤S104中：
SYNCP为G3-PLC标准协议中的CENELEC-A频段前导符号，SYNCP乘以-1得到SYNCM；
所述SYNCP的个数取[5，10]，所述SYNCM的个数取[1，2]。
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