CN106374975A - 一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备及方法，该设备包括射频线，用于构成射频信号上下行传输的物理传输媒介；数字模拟信号转换模块，用于将电力线载波模块射频模拟信号进行数字化或对模拟平台输出的数字信号模拟化；电力线信道模拟平台，用于构建集中器与各电表间或不同电表间电力线信道与噪声的数字化模型；通信控制模块，用于实现电力线模拟平台与上位机通信与控制；上位机，用于实现电力线信道模拟平台中信道和噪声参数的配置以及信号数据的监控。本发明进一步提高工作效率，同时解决了传统模拟设备线缆间的强电磁干扰、多端口噪声设备、多阻抗设备的问题，为形成可溯源、统一的载波模块通信性能测试标准提供信道支撑。

Description

一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备及模拟方法

技术领域

本发明涉及电力线通信领域，具体是涉及电力线信道仿真建模领域。

背景技术

目前电力线信道建模领域主流建模方法是通过在实验室中通过不同固定线长、不同材质的电力线线缆组成的庞大配电柜来构建真实电力线环境，更早之前，是通过多级衰减器来模拟电力线信道的衰减特性，然而这种方法是难以体现出电力线信道的多径效应的，目前的主流方案虽然较接近真实电力线环境，但是线缆与线缆之间存在较大的电磁感应，射频信号能够通过电磁耦合直接进行传输，长距离的线缆并没有起到该有的衰减特性；其次，不能够体现出同一台区下不同电表线路信道之间的关系；其三，实验室模拟设备成本过高且控制复杂；其三，在对多路电力线信道灌入噪声时需要多台信号发生器来产生电力线噪声；其四，阻抗特性不可控；其五，固定的线缆无法提供足够多的研究样本。

综上所述，传统的技术方法使用上不够灵活，信道建模不够准确，无法体现出信道间的相关性，具有操作复杂等问题。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种进一步提高工作效率，同时解决了研究室中传统模拟设备线缆间的强电磁干扰、多端口噪声设备、多阻抗设备的基于多端口的数字化电力线信道模拟设备及方法。本发明的技术方案如下：

一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其包括：

射频线，用于构成射频信号上下行传输的物理传输媒介；

数字模拟信号转换模块，用于将电力线载波通信的射频模拟信号进行数字化或对电力线信道模拟平台(102)输出的数字信号模拟化；

电力线信道模拟平台，用于构建集中器与各电表间，以及电表间不同上下行信道与电力线噪声的数字化模型；

通信控制模块，用于实现电力线模拟平台与计算机端的通信控制；

上位机，用于实现多端口电力线信道模拟平台的信道和噪声参数的配置以及信号数据的实时监控。

进一步的，所述电力线信道模拟平台包括：

信道模块，用于模拟电力线信道的信道系数，包括幅度衰减和相移；

噪声模块，用于对射频信号引入电力线噪声，包括有色背景噪声、窄带噪声、与工频异步的周期性噪声、与工频同步的周期噪声和突发性噪声。

进一步的，所述信道模块能够根据端口数量，生成不同的具有某一定相关程度的电力线信道，其中在设备资源允许的情况下，能够拓展更多的端口进行电力线的信道模拟；其次，信道模块还能够设计一n端口的电力线信道，具有2C_n ²个不同的信道模型，且同一端口中上行信道与下行信道具有不同信道特性，其中两两电力线信道间可以设置一定的相关性。

进一步的，所述噪声模块还用于产生随机脉冲噪声、高斯白噪声。

进一步的，所述通信控制模块用于在电力线信道模拟平台与计算机间建立通信控制桥梁，对电力线信道模拟平台起到参数的调整与数据监控的作用，其中通信控制模块与计算机间的通信可以是以太网、串行通信、并行通信中的一种；通信控制模块能够针对计算机设定的某些信道参数控制电力线信道模拟平台生成对应的电力线信道，其中参数包括电力线长度、材料以及横截面积、环境温度、分支路径数。

进一步的，所述上位机，用于设置所设电力线信道建模参数、噪声功率、噪声类型信道建模配置参数，其中上位机中包括web端或客户端；所述上位机能够通过控制集中器与电表间通信数据以及电力线信道模拟平台得到的数据在上位机上进行时-频数据分析，为电力线通信研究提供更加便捷可靠的方式。

一种基于所述模拟设备的数字化电力线信道模拟方法，其包括以下步骤：

S301、通过上位机设定所需电力信道与噪声参数；

S302、通信控制模块将数据发送给信道模拟平台，模拟平台根据参数生成相应电力信道与噪声；

S303、集中器将射频信号送人数字模拟模块离散数字化；

S304、将射频数字信号送入模拟平台；

S305、数据分别通过模拟信道广播给电表并参加各电表本地电力线噪声；

S306、将模拟平台数字化信号连续化为模拟信号；

S307、智能电表1通过射频线发送射频信号；

S308、将射频数字信号送入模拟平台；

S309、数据分别通过模拟信道广播给各端口并参加各端本地电力线噪声；

S310、将模拟平台数字信号连续化为模拟信号；S311、模拟平台将射频数字信号在模拟平台处理前后的数据返回上位机端；

S312、上位机通过通信控制模块获取模拟平台数据并进行数据分析。

进一步的，步骤S301所述所需电力信道与噪声参数的模型分别为电力线信道模型h(m,s,l,p,z)与噪声模型n(type,power)，其中m为电力线线缆材质，s为电力线线缆横截面积，l为电力线网络中发送端到接收端的分支路径数，p为各路径长度，z为负载阻抗，type为电力线噪声类型，power为电力线噪声功率大小。

进一步的，步骤S311返回的数据不仅仅能够储存在上位机端，而且可以根据需要进行相应的数据处理，包括将时域数据通过FFT切换到频域进行观察。

进一步的，上位机通过通信控制模块获取模拟平台数据并进行所需的数据分析包括频域观察信道响应与噪声序列以及信号的时频特性。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明与目前技术相比，本发明设备提供的数字化式多端口的电力线信道模拟设备通过将原本电力线中传输的模拟信号数字化，经由信道模拟平台对同一台区下集中器与电表间通信、电表与电表间通信数据进行电力线信道化处理，代替原有冗长的电力线，并且通过上位机能够便捷地配置具有不同电力线参数与数量的信道衰减、噪声、阻抗，不仅能够促进深入理解电力线信道特性、噪声特性以及阻抗特性，而且可以帮助科研人员更加准确、灵活、便捷地完成电力线载波通信中的各种科研项目，避免实地测量所需的各种笨重测量设备，进一步提高工作效率，同时解决了研究室中传统模拟设备线缆间的强电磁干扰、多端口噪声设备、多阻抗设备等问题。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备整体结构示意图；

图2为通过本发明实施例提供的一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备集中器与电表两端口间通信基本流程图；

图3给出了一种电力线信道多径效应频率幅度特性曲线图；

图4给出了一种随机脉冲Class-A噪声。

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明的技术方案如下：

请参阅附图1，为本发明实施例提供的一种多端口数字化的电力线信道模拟设备的结构示意图，该设备包括：数字模拟转化模块101、电力线信道模拟平台102、通信控制模块103、上位机104以及射频线105，其中：

数字模拟转化模块101，用于将电力线载波通信的射频模拟信号进行数字化或对模拟平台数字信号模拟化。

电力线信道模拟平台102，用于建模电力线信道和电力线噪声，其中1021-1026信道都具有各自不同的信道衰减特性，其中每一信道中分为上行与下行信道，同时具有不一致的信道衰减特性，此外，每一上下行信道的电力线噪声也不一致，其中电力线噪声可以是有色背景噪声、窄带噪声、与工频异步的周期性噪声、与工频同步的周期噪声和突发性噪声的一种或多种；特别地，两两信道间可能会存在相关性，具体由信道建模时的参数设定相关程度。

通信控制模块103，用于实现电力线模拟平台与计算机间的信息交互。

上位机104，用于实现多端口电力线信道模拟平台的信道和噪声参数的配置以及信号数据的实时监控。

射频线105，用于构成射频信号上下行传输的物理传输媒介；

本发明设备提供的多端口数字化电力线信道模拟设备通过将电力线中传输的模拟信号数字化，在信道模拟平台中对同一台区下集中器与电表间通信、电表与电表间通信数据进行电力线信道化处理，代替原有冗长的电力线信道，并且通过上位机能够便捷地配置具有不同电力线参数与数量的信道衰减、噪声、阻抗，使得电力线载波通信科研变得更加便捷灵活，从而避免实地测量时笨重设备的挪动，进一步提高了工作效率，同时解决了研究室中传统模拟设备线缆间的强电磁干扰、多端口噪声设备、多阻抗设备等问题。

为了本领域技术人员更加清晰的理解本发明实施例中的电力线信道模拟平台，下面举一具体例子说明电力线信道模拟平台中的数据传输过程，请参阅附图2。

第一阶段：技术人员设定电力线信道模型相应参数。

S301：技术人员通过上位机设定需要模拟的电力线信道模型h(m,s,l,p,z)与噪声模型n(type,power)，其中m为电力线线缆材质，s为电力线线缆横截面积，l为电力线网络中发送端到接收端的分支路径数，p为各路径长度，z为负载阻抗，type为电力线噪声类型，power为电力线噪声功率大小。

S302：通信控制模块将信道配置数据发送给信道模拟平台，模拟平台根据相应参数生成对应的电力线信道与噪声。如集中器0与电表1间的下行电力线信道h₀₁以及表1的本地电力线噪声n₁；集中器0与电表1间的上行电力线信道h₁₀以及集中器的本地电力线噪声n₀。本发明设备不仅构建了集中器与各电表间的信道与噪声模型，且能够构建以某一电表作为中继的中继通信信道与噪声模型，如电表1与电表2间的电力线信道[h₁₂ h₂₁]以及表1与表2各自的本地电力线噪声[n₁ n₂]。

因此，对于各端口，可以得到一个四端口的电力线信道模型以及各端本地电力线噪声模型[n₀ n₁ n₂ n₃]。

第二阶段：集中器与电表、电表与电表间通信信道模拟。

①集中器0与电表1/2/3间通信信道模拟

S303：集中器通过射频线发送到数字模拟转化模块进行采样量化，设射频信号为x₀(t)则

采样：

量化：一般视硬件平台所支持的精度而定；

其中f_s为数字模拟转换模块的采样率。

S304：将数字化射频信号数据x₀(k)送入模拟平台。

S305：数据x₀(k)分别通过电力线模拟信道[h₀₁ h₀₂ h₀₃]广播给各电表并叠加各表本地电力线噪声[n₁ n₂ n₃]，则各端接收数据为[y₁ y₂ y₃]，有

y₁＝x₀·h₀₁+n₁

y₂＝x₀·h₀₂+n₂

y₃＝x₀·h₀₃+n₃

其中上式给出的“·”为时域卷积。

此时数据x₀、[y₁ y₂ y₃]、[h₀₁ h₀₂ h₀₃]与[n₁ n₂ n₃]能够分别存储在外部的ROM或RAM中以备步骤S311调用。

S306：将模拟平台数字信号y_i(k)连续化为模拟信号y_i(t)。如集中器0对智能电表1发送抄表指令，表1的电力线载波通信模块接收y₁(t)并能够将其解调，表1执行相应抄表动作返回数据回集中器0。

其中各电表与集中器上行信道与上述流程类似，如表1作为发送端将射频信号广播给各端口有：y₀＝x₁·h₁₀+n₀；y₂＝x₁·h₁₂+n₂；y₃＝x₁·h₁₃+n₃。

②电表与电表间通信信道模拟

本发明装置除了模拟集中器与电表上下行信道之外，还能够同时模拟电表与电表之间的中继信道，大致步骤流程如下。

S307：智能电表1通过射频线反馈数据回集中器。若表1通过表2将射频信号转发给集中器0，即表1---表2---集中器0，设智能电表1发送射频信号为x₁(t)。

S308：将射频信号x₁(t)采样量化并送入电力线信道模拟平台得到x₁(k)。

$x_1\left(k\right)=x_1\left(t\right){|}_{t=\frac{k}{f_s}},k=1,2,3,...$

S309：数据x₁(k)分别通过电力线模拟信道[h₁₀ h₁₂ h₁₃]并叠加各端本地电力线噪声[n₀ n₂ n₃]，则各端有[y₀ y₂ y₃]

y₀＝x₁·h₁₀+n₀；y₂＝x₁·h₁₂+n₂；y₃＝x₁·h₁₃+n₃

其中数据x₁、[y₀ y₂ y₃]、[h₁₀ h₁₂ h₁₃]与[n₀ n₂ n₃]能够存储在外部的ROM或RAM中以备步骤S311调用。

S310：将模拟平台数字信号y_i(k)转为模拟信号y_i(t)。此时，集中器0、表2与表3根据相应的路由表信息对接收到的y₀、y₂与y₃进行相应的处理。如S307假设，集中器0与表3可能由于h₁₀与h₁₃的信道衰落过大，无法对信号解调或由于自身路由表信息等原因，仅表2收到表1信号数据，表2作为中继解调得到信号y₂，进而表2广播给各端口。

y_2,0＝y₂·h₂₀+n₀；y_2,1＝y₂·h₂₁+n₁；y_2,3＝y₂·h₂₃+n₃

集中器0接收y_2,0(t)并解调，将电表反馈数据存储至本地或返回主站并显示。

S311：模拟平台将射频数字信号在模拟平台中处理前后的数据返回上位机端。

S312：上位机通过通信控制模块获取模拟平台数据并进行所需的数据分析，如频域观察信道响应与噪声序列以及信号的时频特性。

此外S311返回的数据不仅仅能够储存在上位机端，而且可以根据需要进行相应的数据处理，如将时域数据通过FFT切换到频域进行观察等，其一，这样节省了昂贵的设备仪器，其二，能够通过多种多样的数据处理方式提高了技术人员的研究效率。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。对于装置或系统类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他险的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的模拟平台可以直接用FPGA/CPLD或DSP等其他具有数据处理和存储能力的工作平台。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其特征在于，包括：

射频线(105)，用于构成射频信号上下行传输的物理传输媒介；

数字模拟信号转换模块(101)，用于将电力线载波通信的射频模拟信号进行数字化或对电力线信道模拟平台(102)输出的数字信号模拟化；

电力线信道模拟平台(102)，用于构建集中器与各电表间，以及电表间不同上下行信道与电力线噪声的数字化模型；

通信控制模块(103)，用于实现电力线模拟平台与计算机端的通信控制；

上位机(104)，用于实现多端口电力线信道模拟平台(102)的信道和噪声参数的配置以及信号数据的实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其特征在于，所述电力线信道模拟平台(102)包括：

信道模块，用于模拟电力线信道的信道系数，包括幅度衰减和相移；

噪声模块，用于对射频信号引入电力线噪声，包括有色背景噪声、窄带噪声、与工频异步的周期性噪声、与工频同步的周期噪声和突发性噪声。

3.根据权利要求2所述的一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其特征在于，所述信道模块能够根据端口数量，生成不同的具有某一定相关程度的电力线信道，其中在设备资源允许的情况下，能够拓展更多的端口进行电力线的信道模拟；其次，信道模块还能够设计一n端口的电力线信道，具有2C_n ²个不同的信道模型，且同一端口中上行信道与下行信道具有不同信道特性，其中两两电力线信道间可以设置一定的相关性。

4.根据权利要求2所述的一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其特征在于，所述噪声模块还用于产生随机脉冲噪声、高斯白噪声。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其特征在于，所述通信控制模块(103)用于在电力线信道模拟平台与计算机间建立通信控制桥梁，对电力线信道模拟平台起到参数的调整与数据监控的作用，其中通信控制模块与计算机间的通信可以是以太网、串行通信、并行通信中的一种；通信控制模块能够针对计算机设定的某些信道参数控制电力线信道模拟平台生成对应的电力线信道，其中参数包括电力线长度、材料以及横截面积、环境温度、分支路径数。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于多端口的数字化电力线信道模拟设备，其特征在于，所述上位机(104)，用于设置所设电力线信道建模参数、噪声功率、噪声类型信道建模配置参数，其中上位机中包括web端或客户端；所述上位机能够通过控制集中器与电表间通信数据以及电力线信道模拟平台得到的数据在上位机上进行时-频数据分析，为电力线通信研究提供更加便捷可靠的方式。

7.一种基于权利要求1所述模拟设备的数字化电力线信道模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S301、通过上位机设定所需电力信道与噪声参数；

S302、通信控制模块将数据发送给信道模拟平台，模拟平台根据参数生成相应电力信道与噪声；

S303、集中器将射频信号送人数字模拟模块离散数字化；

S304、将射频数字信号送入模拟平台；

S305、数据分别通过模拟信道广播给电表并参加各电表本地电力线噪声；

S306、将模拟平台数字化信号连续化为模拟信号；

S307、智能电表1通过射频线发送射频信号；

S308、将射频数字信号送入模拟平台；

S309、数据分别通过模拟信道广播给各端口并参加各端本地电力线噪声；

S310、将模拟平台数字信号连续化为模拟信号；S311、模拟平台将射频数字信号在模拟平台处理前后的数据返回上位机端；

S312、上位机通过通信控制模块获取模拟平台数据并进行数据分析。

8.根据权利要求7所述数字化电力线信道模拟方法，其特征在于，步骤S301所述所需电力信道与噪声参数的模型分别为电力线信道模型h(m,s,l,p,z)与噪声模型n(type,power)，其中m为电力线线缆材质，s为电力线线缆横截面积，l为电力线网络中发送端到接收端的分支路径数，p为各路径长度，z为负载阻抗，type为电力线噪声类型，power为电力线噪声功率大小。

9.根据权利要求7所述数字化电力线信道模拟方法，其特征在于，步骤S311返回的数据不仅仅能够储存在上位机端，而且可以根据需要进行相应的数据处理，包括将时域数据通过FFT切换到频域进行观察。

10.根据权利要求7所述数字化电力线信道模拟方法，其特征在于，上位机通过通信控制模块获取模拟平台数据并进行所需的数据分析包括频域观察信道响应与噪声序列以及信号的时频特性。