CN106253949B - 一种电力线载波通信的增益控制方法、装置及通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通信的增益控制方法，包括：获取输入信号的幅值；提取电力线过零信号，并对过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；分别计算幅值在过零区域对应的过零区域增益值和非过零区域对应的非过零区域增益值；利用加窗处理法对过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值；根据得到的目标增益控制值对输入信号进行放大或衰减。本方法利用过零信号，在时间上将分为过零区域和非过零区域，分别采用不同参数，并采用加窗法以平滑自动增益控制参数。因此，能够最大限度的利用电力线的特点，提高信号控制精度和实时性。此外，本发明还公开一种对应的装置，及包含该装置的通信模块，效果如上所述。

Description

一种电力线载波通信的增益控制方法、装置及通信模块

技术领域

本发明涉及电力线载波通信技术领域，特别是涉及一种电力线载波通信的增益控制方法、装置及通信模块。

背景技术

电力线载波通信是一种使用电力线传输数据的方法。它利用电力线网络作为传输媒质，具有成本低、施工难度小等特点，可以广泛地用于自动抄表、智能家居、宽带接入等领域。

但电力线网络并不是一种可靠的通信载体，首先，电力线对通信信号会造成强烈的衰减，这种衰减幅度时变性很强，取决于信号频率、网络拓扑、负载电器等等。另外电力线上的衰减特性呈现频率选择性衰落的特性，例如在某些频点处形成很深的凹槽。其次，电网上的电器会带来各种各样的噪声和干扰，如白噪声、脉冲噪声、窄带干扰、同步周期噪声等等，给低压电力线上的通信造成很大困难。

通信信号在电力线通信信道传播中存在衰落现象，在接收机输入端的信号强度会有很大的变化和起伏，对通信系统接收功率很大的影响。这需要设计出输入电压范围尽可能大的自动增益控制电路。

针对低压电力线载波信道的特点，已经提出了两种主要的自动增益控制技术方案。一种是模拟方案，另一种是可编程控制方案。

模拟方案具体为：增益控制电路设置放大倍数对自动增益控制放大器自动控制，利用负反馈原理，对输出信号的幅值进行采样，获得一个控制电压，去反向调节自动增益控制放大器的放大倍数。但是该方案存在如下问题：通过模拟电路形式调节自动控制放大器的放大倍数，其控制精度低，且以模拟电路形式进行自动增益控制的电路设计难度大，不利于集成。另外在载波信号的增益难以实时调整，会影响实时通信率。

可编程控制方案具体为：利用可编程增益放大器的特点，引入微控制器等模块，对载波信号的平均强度进行统计，并根据其和预置参考值的差来调整可编程增益的大小。这种方案虽然一定程度上解决了模拟方案的问题，但是可以看出，该方案没有充分利用电力线载波通信的特点，和无线通信的自动增益控制方案没有什么区别。电力线通信信道是不同于无线通信信道的，一个显著特征在于其受电力线上的各种电器影响，在过零周期的过零点附近干扰较少，噪声较小，其他区域噪声明显增大。

综上所述，传统的自动增益控制技术将面临一个严重影响自动控制的问题，自动控制电路在过零点区域得到的信号强度所产生的控制参数，去控制其他区域的信号，将会带来严重的失配。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力线载波通信的增益控制方法及装置，用于实现对电力线载波通信信号的增益控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电力线载波通信的增益控制方法，包括：

获取输入信号的幅值；

提取电力线过零信号，并对所述过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

分别计算所述幅值在所述过零区域对应的过零区域增益值和所述非过零区域对应的非过零区域增益值；

利用加窗处理法对所述过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值；

根据得到的所述目标增益控制值对所述输入信号进行放大或衰减。

优选地，在所述获取输入信号的幅值之后还包括：

利用低通滤波技术对所述幅值进行低通滤波。

优选地，所述对所述过零信号分段处理具体为：

以所述过零信号的过零点为中心，所述过零点前后3.3ms范围内的区域为过零区域，所述过零点前后3.3ms范围外的区域为非过零区域。

优选地，所述获取输入信号的幅值具体通过如下公式计算：

L+S/2；或

其中，L＝max{|I|,|Q|},S＝min{|I|,|Q|}，I为所述输入信号的正交分量，Q为所述输入信号的同向分量。

优选地，在对所述输入信号进行放大或衰减之后还包括：

对所述输入信号进行模数转换得到输出信号。

一种电力线载波通信的增益控制装置，包括：

幅值获取模块，用于获取输入信号的幅值；

过零信号提取模块，用于提取电力线过零信号，并对所述过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

增益值计算模块，用于分别计算所述幅值在所述过零区域对应的过零区域增益值和所述非过零区域对应的非过零区域增益值；

加窗处理模块，用于利用加窗处理法对所述过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值；

增益放大模块，用于根据得到的所述目标增益控制值对所述输入信号进行放大或衰减。

优选地，还包括：滤波模块，用于利用低通滤波技术对所述幅值进行低通滤波。

优选地，所述过零信号提取模块具体包括：

提取单元，用于提取电力线过零信号；

处理单元，用于对所述过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

其中，以所述过零信号的过零点为中心，所述过零点前后3.3ms范围内的区域为过零区域，所述过零点前后3.3ms范围外的区域为非过零区域。

优选地，还包括：模数转换模块，用于对所述输入信号进行模数转换得到输出信号。

一种电力线载波通信模块，包括通信模块本体，还包括所述的增益控制装置。

本发明所提供的电力线载波通信的增益控制方法及装置，通过提取电力线上过零信号，在时间上将通信时间段分为过零区域和非过零区域，分别采用不同参数的自动增益控制来控制，并采用加窗法对两个区域的临界区域进行加窗以平滑自动增益控制参数。通过上述方法，能够最大限度的利用电力线的特点，提高信号控制精度和实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种电力线载波通信的增益控制方法的流程图；

图2为本发明提供的一种对过零信号分段处理的示意图；

图3为本发明提供的另一种电力线载波通信的增益控制方法的流程图；

图4为本发明提供的一种电力线载波通信的增益控制装置的结构图；

图5为本发明提供的另一种电力线载波通信的增益控制装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的核心是提供一种电力线载波通信的增益控制方法、装置及通信模块。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的一种电力线载波通信的增益控制方法的流程图。如图1所示，包括：

S10：获取输入信号的幅值。

在具体实施中，输入信号指的是电力载波通信信号，其幅值的获取方式有很多种，例如采用平方根计算，但是这种方法计算量比较大，因此，本发明中，获取输入信号的幅值具体通过如下公式计算：

L+S/2；或

其中，L＝max{|I|,|Q|},S＝min{|I|,|Q|}，I为输入信号的正交分量，Q为输入信号的同向分量。

可以理解的是，两个计算公式虽然都是近似计算，但是数据计算量比较小。

另外，作为一种优选的实施方式，步骤S11之后还包括：

S15：利用低通滤波技术对幅值进行低通滤波。

对于得到的幅值需要进行低通滤波，主要是对幅值进行平滑，减少杂散噪声，使增益控制信号尽可能稳定。设x(n)为幅值，y(n)为低通滤波后的幅值。则滤波后的幅值就是y(n)＝x(n-1)+α*x(n)，α为滤波系数。

需要说明的是，滤波器系数可以设定一组值，在实际运行中可以根据实际的效果进行选择。本发明中根据过零和非过零区域分别设定两个系数以适应不同区域的噪声和衰减特点。

S11：提取电力线过零信号，并对过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域。

可以理解的是，步骤S10和步骤S11并没有严格的顺序区分，可以是同时进行，也可以是先进行步骤S10再进行步骤S11，或者也可以是先进行步骤S11再进行步骤S10。

电力线上传输的是交流信号，本步骤中是要将交流信号中的过零信号提取出来，然后对过零吸纳后进行分段处理从而得到过零区域和非过零区域。过零信号提取可以采用过零检测电路，该技术为现有技术本发明不再赘述。

图2为本发明提供的一种对过零信号分段处理的示意图。在具体实施中，对过零信号分段处理具体为：

以过零信号的过零点为中心，过零点前后3.3ms范围内的区域为过零区域，过零点前后3.3ms范围外的区域为非过零区域。

如图2所示，在过零点处，过零前和过零点后的一个Ts时间范围内的区域就是过零区域，这个区域以外的都是非过零区域。图中的Ts就是3.3ms。

可以理解的是，本文所述的过零点既包含上升沿，又包含下降沿。根据经验表明，对国内的50HZ工频信号而言，过零点附近3.3ms是个较为理想的选择，实际上可以根据实际情况进行设置。

S12：分别计算幅值在过零区域对应的过零区域增益值和非过零区域对应的非过零区域增益值。

在步骤S11中得到了过零区域和非过零区域，因此，将得到的幅值与过零区域和非过零区域进行对照，从而得到过零区域增益值和非过零区域对应的非过零区域增益值。

需要说明的是，本步骤中计算增益值是用设定好的幅值门限值Th和上面的低通滤波后的y(n)可以得到增益值G：G＝Th/y(n)。

本发明中根据过零和非过零区域分别设定两个门限值Th_过零和Th_非过零以适应不同区域的噪声和衰减特点。

S13：利用加窗处理法对过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值。

为了解决过零区域和非过零区域切换时增益控制值切换会造成信号的突变，本发明中引入加窗处理技术。可以理解的是，加窗函数可以根据实际情况选择，可以选择汉宁窗或者海明窗。设过零区域的窗函数值为w_过零，非过零区域的窗函数值为w_非过零，过零区域的增益控制值为G_过零，非过零区域的增益控制值为G_非过零，则加窗区域总增益值，即目标增益控制值为：G＝w_过零G_过零+w_非过零G_非过零。

S14：根据得到的目标增益控制值对输入信号进行放大或衰减。

通过步骤S13得到了目标增益控制值，然后就可以对获取到的输入信号按照目标增益控制值进行放大或衰减，以此得到的信号就是对输入信号进行增益控制后的信号。

本实施例提供的电力线载波通信的增益控制方法，通过提取电力线上过零信号，在时间上将通信时间段分为过零区域和非过零区域，分别采用不同参数的自动增益控制来控制，并采用加窗法对两个区域的临界区域进行加窗以平滑自动增益控制参数。通过上述方法，能够最大限度的利用电力线的特点，提高信号控制精度和实时性。

图3为本发明提供的另一种电力线载波通信的增益控制方法的流程图。如图3所示，在上述实施例的基础上，在对输入信号进行放大或衰减之后还包括：

S16：对输入信号进行模数转换得到输出信号。

图4为本发明提供的一种电力线载波通信的增益控制装置的结构图。如图4所示，包括：

幅值获取模块10，用于获取输入信号的幅值。

过零信号提取模块11，用于提取电力线过零信号，并对过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域。

增益值计算模块12，用于分别计算幅值在过零区域对应的过零区域增益值和非过零区域对应的非过零区域增益值。

加窗处理模块13，用于利用加窗处理法对过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值。

增益放大模块14，用于根据得到的目标增益控制值对输入信号进行放大或衰减。

图5为本发明提供的另一种电力线载波通信的增益控制装置的结构图。作为一种优选的实施方式，还包括：

滤波模块15，用于利用低通滤波技术对幅值进行低通滤波。

作为一种优选的实施方式，过零信号提取模块11具体包括：

提取单元，用于提取电力线过零信号；

处理单元，用于对过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

其中，以过零信号的过零点为中心，过零点前后3.3ms范围内的区域为过零区域，过零点前后3.3ms范围外的区域为非过零区域。

作为一种优选的实施方式，还包括：

模数转换模块16，用于对输入信号进行模数转换得到输出信号。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相同，因此，装支付部分的实施例请参见方法部分的实施例，本实施例不再赘述。

其中，增益放大模块14可以为PGA，而PGA可以使用现成的芯片，也可以使用模拟IP嵌在芯片产品中。此外，幅值获取模块10、过零信号提取模块11、增益值计算模块12、加窗处理模块13可以在诸如MCU，FPGA，ASIC等实现。

本实施例提供的电力线载波通信的增益控制装置，通过提取电力线上过零信号，在时间上将通信时间段分为过零区域和非过零区域，分别采用不同参数的自动增益控制来控制，并采用加窗法对两个区域的临界区域进行加窗以平滑自动增益控制参数。通过上述方法，能够最大限度的利用电力线的特点，提高信号控制精度和实时性。

一种电力线载波通信模块，包括通信模块本体，还包括上述实施例所述的增益控制装置。

在具体实施中，增益控制装置设置在通信模块中，这样整个电力线载波通信网络中的各个通信节点都实现了只是上述的增益控制。

以上对本发明所提供的电力线载波通信的增益控制方法、装置及通信模块进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前 提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (8)

1.一种电力线载波通信的增益控制方法，其特征在于，包括：

获取输入信号的幅值；

提取电力线过零信号，并对所述过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

分别计算所述幅值在所述过零区域对应的过零区域增益值和所述非过零区域对应的非过零区域增益值；

利用加窗处理法对所述过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值；

根据得到的所述目标增益控制值对所述输入信号进行放大或衰减；

所述对所述过零信号分段处理具体为：

以所述过零信号的过零点为中心，所述过零点前后3.3ms范围内的区域为过零区域，所述过零点前后3.3ms范围外的区域为非过零区域。

2.根据权利要求1所述的增益控制方法，其特征在于，在所述获取输入信号的幅值之后还包括：

利用低通滤波技术对所述幅值进行低通滤波。

3.根据权利要求1所述的增益控制方法，其特征在于，所述获取输入信号的幅值具体通过如下公式计算：

L+S/2；或

其中，L＝max{|I|,|Q|},S＝min{|I|,|Q|}，I为所述输入信号的正交分量，Q为所述输入信号的同向分量。

4.根据权利要求1所述的增益控制方法，其特征在于，在对所述输入信号进行放大或衰减之后还包括：

对所述输入信号进行模数转换得到输出信号。

5.一种电力线载波通信的增益控制装置，其特征在于，包括：

幅值获取模块，用于获取输入信号的幅值；

过零信号提取模块，用于提取电力线过零信号，并对所述过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

增益值计算模块，用于分别计算所述幅值在所述过零区域对应的过零区域增益值和所述非过零区域对应的非过零区域增益值；

加窗处理模块，用于利用加窗处理法对所述过零区域增益值和非过零区域增益值进行处理得到目标增益控制值；

增益放大模块，用于根据得到的所述目标增益控制值对所述输入信号进行放大或衰减；

所述过零信号提取模块具体包括：

提取单元，用于提取电力线过零信号；

处理单元，用于对所述过零信号分段处理，得到过零区域和非过零区域；

其中，以所述过零信号的过零点为中心，所述过零点前后3.3ms范围内的区域为过零区域，所述过零点前后3.3ms范围外的区域为非过零区域。

6.根据权利要求5所述的增益控制装置，其特征在于，还包括：

滤波模块，用于利用低通滤波技术对所述幅值进行低通滤波。

7.根据权利要求5所述的增益控制装置，其特征在于，还包括：

模数转换模块，用于对所述输入信号进行模数转换得到输出信号。

8.一种电力线载波通信模块，包括通信模块本体，其特征在于，还包括如权利要求5-7任意一项所述的增益控制装置。