CN106603457A - 基于ofdm的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法。包括：接收来自链路层的数据，将所述数据分为帧控制数据和载荷数据；分别对所述帧控制数据和载荷数据进行信道编码，并将信道编码后的帧控制数据和载荷数据调制到子载波上；对调制后的帧控制数据和载荷数据进行反傅里叶变换，并分别进行功率控制，生成时域帧控制符号和时域载荷符号；对所述时域帧控制符号和时域载荷符号加循环前缀，并加时域前导符号后再进行加窗处理，生成物理层发射信号。本发明具有较高的频带利用率，较高的传输速率，较强的抗码间干扰能力和较强的抗信道衰落能力。

Description

基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法
技术领域
本发明涉及电力线载波通信技术领域，具体地说，是一种基于OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)的PLC(Power Line Communication，宽带电力线载波通信)物理层发射信号的产生方法，可用于电力线载波通信系统中。
背景技术
电力线载波通信是利用电力布线来传送和接收通信信号的有线通信技术。由于电力线网络分布广泛，因此使用电力线作为通信媒质无需在室内打孔布线重新构建通信网络，具有成本低廉、连接方便等优点，在智能电网和宽带接入方面受到越来越多的关注。
通信信道是通信的基础，与无线通信相同，电力线通信的性能主要受到电力线通信信道的制约。10kV以上的高压电力线信道环境较好，以中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已经得到了广泛的应用。低压电力网不是为传输高速数据而设计的，其构成电力网的组件是按照输送电能的损失最小并保证可靠地传输低频电流而设计的，因此在低压线上进行信号传输时会面临很多的问题，比如：干扰噪声复杂、线路阻抗小、信号衰减强等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法，可使信号在电力线传播时，具有高频带利用率和高传输速率，以及较强的抗码间干扰能力和较强的抗信道衰落能力。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，包括：
接收来自链路层的数据，将所述数据分为帧控制数据和载荷数据；
分别对所述帧控制数据和载荷数据进行信道编码，并将信道编码后的帧控制数据和载荷数据调制到子载波上；
对调制后的帧控制数据和载荷数据进行反傅里叶变换，并分别进行功率控制，生成时域帧控制符号和时域载荷符号；
对所述时域帧控制符号和时域载荷符号加循环前缀，并加时域前导符号后再进行加窗处理，生成物理层发射信号。
进一步地，所述对所述帧控制数据和载荷数据进行的信道编码包括：
分别对帧控制数据和载荷数据进行Turbo编码；
分别对经过Turbo编码的帧控制数据和载荷数据进行信道交织；
分别对经过信道交织的帧控制数据和载荷数据进行分集拷贝。
进一步地，在对所述载荷数据进行Turbo编码前，还包括：对所述载荷数据进行加扰。
进一步地，对所述帧控制数据进行Turbo编码包括：
对所述帧控制数据分别使用第一分量编码器和第二分量编码器进行编码，其中，所述第二分量编码器的输入信号先经过Turbo交织。
进一步地，所述Turbo交织按照双比特为单位进行交织，交织长度等于原始数据块长度的双比特数量。
进一步地，对经过Turbo编码的帧控制数据进行信道交织时，将所述帧控制数据的信息位和校验位分开交织，其中进行信息位交织时，将信息比特按照列进行出的方式，通过读取不同行，将信息位打乱；进行校验位交织时，从偏移量地址开始读取，将信息比特按照列进行出的方式，通过读取不同行，将信息位打乱。
进一步地，在分别对所述帧控制数据的信息位和校验位交织后，再在所述信息位和校验位之间进行交织。
进一步地，对经过信道交织的帧控制数据进行分集拷贝时，将输入的比特数据拷贝到频域子载波上，并根据需求决定拷贝次数，以此设定I路和Q路的偏置差，其中，对于频段0，帧控制个数为4个，I路和Q路的偏置量为：
符号 1 2 3 4
I路 0 192 160 96
Q路 128 64 32 224
对于频段1，帧控制的个数为12个，I路和Q路的偏置量为：
进一步地，对载荷数据进行Turbo编码时，Turbo编码分量编码器中的寄存器状态和咬尾矩阵相关，咬尾矩阵由物理块大小和分量编码器的生成多项式决定。
进一步地，所述链路层的数据包含有载波映射表，所述载波映射表中规定有物理层的编码码率、调制方式、拷贝方式、采用的物理块类型信息；所述物理层按照载波映射表索引规定的模式进行编码。
进一步地，对经过信道交织的载荷数据进行分集拷贝时，拷贝次数与拷贝时的交织器个数的关系为：
进一步地，将所述载荷数据分成多个部分分别进行拷贝，每个部分有一个或者多个交织器，将交织器输出的结果作为每个部分拷贝时子载波的映射地址，且每次拷贝选取不同的交织器。
进一步地，所述将信道编码后的帧控制数据和载荷数据调制到子载波上包括：
将信道编码后的帧控制数据和载荷数据分别进行星座图映射；
对映射后的帧控制数据和载荷数据进行加扰，并调制到对应的子载波上。
进一步地，对调制后的帧控制数据和载荷数据进行反傅里叶变换后，分别取反傅里叶变换后的帧控制数据和载荷数据的实部进行功率控制。
进一步地，对经过星座图映射的帧控制数据和载荷数据加入相位旋转因子，相位旋转参考值由伪随机产生，真实的相位为参考相位乘π/4，其中，加扰方式为：
其中，表示加扰后的载荷数据的星座点，k表示载波编号，X(k)表示加扰前的载荷数据的星座点，表示随机产生的旋转因子，对应下表中的相位编号：
进一步地，所述参考相位包含1号载波到511号载波。
进一步地，若采用0号频段，则其频段范围为1.953～11.96MHz，载波的起始编号为80，截止编号为490；若采用1号频段，则其频段范围为2.441～5.615MHz，载波的起始编号为100，截止编号为230。
进一步地，对帧控制数据及载荷数据添加循环前缀，生成OFDM符号，其中帧控制数据及载荷数据的OFDM符号时域点数为1024，时间为40.96μs；滚降间隔为124点，时间为4.96μs；帧控制数据的保护间隔为458点，时间为18.32μs；载荷数据第一个和第二个符号的保护间隔为458点，时间为18.32μs；载荷数据第三个符号之后的保护间隔为264点，时间为10.8μs。
进一步地，所述时域前导符号由以下方法生成：
在频域根据前导相位表产生频域前导符号；
对所述频域前导符号进行反傅里叶变换并取实部进行功率控制，生成所述时域前导符号。
进一步地，在频域根据前导相位表产生前导序列，其产生方法为：
其中，X(k)表示在频域产生的前导序列，k为子载波符号，表示随机产生的参考相位，其对应的相位编号为：
进一步地，所述前导的数据格式为10.5个A和2.5个-A，其中，开始的0.5个A是A的后半部分，最后的0.5个-A是-A的前半部分。
进一步地，所述前导的时域点数为1024，时间为40.96μs。
进一步地，帧控制信号的个数和采用的频段相关，其中若采用0号频段，则帧控制信号的个数为4个；若采用1号频段，则帧控制信号的个数为12个。
本发明还公开了一种基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层接收信号的处理方法，包括：
从模拟前端接收数据信号后，对所述数据信号进行增益处理；
对经增益处理后的数据信号进行时钟/帧同步；
对时钟/帧同步后的数据进行傅里叶变换；
将傅里叶变换后的数据进行解调，生成帧控制输出和载荷输出。
进一步地，所述将傅里叶变换后的数据进行解调包括：
将所述傅里叶变换后的数据分为帧控制数据和载荷数据；
分别对所述帧控制数据和载荷数据进行分集合并；
分别对分集合并后的帧控制数据和载荷数据进行信道解交织；
分别对信道解交织后的帧控制数据和载荷数据进行Turbo解码；
分别输出Turbo解码后的帧控制数据和载荷数据。
进一步地，对所述载荷数据进行Turbo解码后，还包括：对所述Turbo解码后的载荷数据去扰。
本发明的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法，具有较高的频带利用率，较高的传输速率，较强的抗码间干扰能力和较强的抗信道衰落能力。本发明采用了Turbo编码，信道交织等方法，具有较强的纠错能力和较强的抗信道衰落能力，分集拷贝通过传输相同数据的不同备份，提高了系统的分集增益，提升了系统的鲁棒性。星座图映射时加入伪随机相位旋转因子，使得OFDM符号的相位随机化，因此降低了OFDM符号的峰均比，可提升系统的功放效率。
附图说明
图1是本发明的物理层发射信号产生流程框图；
图2是与本发明帧信号对应的一种接收解调示范性实施例；
图3是本发发明中的物理层服务模型；
图4是本发明中帧数据的结构图；
图5是本发明中帧控制数据前向纠错码流程图；
图6是本发明中载荷数据前向纠错码流程图；
图7是本发明中Turbo编码器的结构图；
图8是本发明中Turbo分量编码器的结构图；
图9是本发明中加扰的流程图；
图10是本发明中前导数据的格式示意图；
图11是本发明中利用前导相位表生成的前导序列的时域图形；
图12是本发明中利用前导相位表生成的前导序列的自相关特性；
图13是本发明中利用帧控制及载荷相位表生成的帧控制序列的时域图形；
图14是本发明中利用帧控制及载荷相位表生成的帧控制序列的自相关特性；
图15是本发明中分集拷贝时的参数定义图形；
图16是本发明中分集拷贝时的一个实施例；
图17是本发明中OFDM符号的时序。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
OFDM是把一组高速传输的串行数据流转化为低速并行的数据流，再将这些并行数据调制在相互正交的子载波上，实现并行数据传输。OFDM技术具有较强的抗码间干扰能力，较强的抗衰落能力、较强的抗突发噪声能力，较高的频谱利用率等优点。针对电力线信道特点，可在电力线通信中利用OFDM技术对抗电力线信道的衰减以及引入的各种噪声和干扰，以满足智能电网在可靠性、安全性、及时性等方面的要求。
本发明主要提供了一种基于OFDM的宽带电力线载波通信的物理层发射信号产生方法。
本发明所使用的通信频段如表1所示：
表1 通信频段：
其中，频段0和频段1是目前使用的频段，频段2～4为保留频段。
本发明采用的OFDM符号，时域上基于25MHz的时钟采样，其时域点数如表2所示。
表2 OFDM符号特性：
本发明物理层的发射信号结构由前导，帧控制和载荷组成，其中，前导由13个OFDM符号组成，前导的数据格式如图10所示，由10.5个A和2.5个-A组成，开始的0.5个A是A的后半部分，最后的0.5个-A是-A的前半部分，A表示一个OFDM符号。帧控制信号所用的符号个数如表3所示，在频段0采用4个帧控制符号，在频段1采用12个帧控制符号。
表3 帧控制个数：
频段 频段范围(MHz) 帧控制个数
0 1.953～11.96 4
1 2.441～5.615 12
2～4 保留 --
如图1所示，本发明的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层信号处理方法具体实施步骤如下：
步骤1、物理层接收来自数据链路层的输入，具体是来自介质访问控制(MAC)子层的输入。
步骤2、物理层将来自MAC层的数据分为帧控制数据和载荷数据，分开处理帧控制和载荷数据的编码。
步骤3、对帧控制数据进行编码。
图5是表示帧控制前向纠错码流程图，由图可以看出，帧控制的编码流程为：先进行Turbo编码，接着进行信道交织，最后进行分集拷贝。具体包括：
3a)对帧控制数据进行Turbo编码。
帧控制的Turbo编码块长度为PB16，码率为1/2，最终Turbo输出为256比特，其中，前128比特是信息码，后128比特是校验码。图7是一个Turbo编码器结构图，Turbo编码器由Turbo交织器和两个相同的分量编码器组成。Turbo编码器的工作流程为：每输入一对信息比特[u0,u1]，输出系统将此对信息比特输出，同时第一个分量编码器根据输入的比特对[u0,u1]输出一个校验比特p0；输入的两个信息比特[u0,u1]经过Turbo交织器，输入分量编码器二，输出一个校验比特q0。经过Turbo编码后输入的[u0,u1]编码为[u0,u1,p0,q0]。Turbo交织器用于将原始数据交织后作为第二个分量编码器的输入。Turbo交织按照双比特为单位进行交织，交织长度等于原始数据块长度的双比特数量。其中，所述双比特指两个比特，交织时，将两个比特作为一个单位进行交织。由于交织以双比特为单位，故交织长度等于双比特的数列，比如数据比特数目为128，以2比特为单位，则交织长度为64。
图8为分量编码器的示范性实施例，实施例中采用二进制编码，有三个状态寄存器，其生成多项式可表示为G＝[15 13 11]，对应的二进制多项式为[1111,1101,1011]。
步骤3b)，对经过Turbo编码的帧控制数据进行信道交织。
Turbo编码产生的数据信息位与校验位和编码前的顺序相同，且信息位在前，校验位在后，若K代表信息比特的数量，N-K代表校验比特的数量，K个信息比特会分成4个子块，每个子块的大小为K/4比特，N-K个校验比特分成4个子块，每个子块的大小为(N-K)/4比特。
对信息码进行交织时，将Turbo编码输出的信息码写入矩阵存储空间中，编码器顺序输出信息比特的第一块(K/4比特)到区块1中，第二块(K/4比特)到区块2中，第三块(K/4比特)到区块3中，第四块(K/4比特)到区块4中，等价于把信息比特存入一个K/4行4列的矩阵，第1列代表区块1，第2列代表区块2，第3列代表区块3，第4列代表区块4。进行交织时每行的4个比特同时读出。从矩阵读出数据时，首先从第0行开始，之后每次读取首行地址增加一个交织步长StepSize，这样第一轮行地址读出顺序为(0，StepSize，2*StepSize，…)，当读取[K/4]/StepSize行后，就读到矩阵尾部，然后下一轮读取行首地址加1，之后每次读取行地址增加交织步长StepSize，读取[K/4]/StepSize行后再次到达尾部，第二轮读取行地址顺序为(1，1+StepSize，1+2*StepSize，…)，然后第三轮行地址再加1为2，依次类推，经过StepSize轮之后全部行读取完毕。
对校验码进行交织时，将校验码存入矩阵存储空间的方式同信息码方式相同，于1/2码率，校验比特的读法与信息比特的读法类似，不同在于校验比特第一次读从交织偏移值offset定义的行开始，交织步长为StepSize，本实施例定义T＝(N-K)/4，第一轮读出的行的顺序为(offset，(offset+StepSize)mod T，(offset+2*StepSize)mod T，…)，然后第二轮首行加1，再重复StepSize-1轮，最后经过StepSize轮，每轮读出T/StepSize行数据，共计读取T行数据。对于16/18码率，每轮读完不初始化行指针，而是从开始持续读取(offset，(offset+StepSize)mod T，(offset+2*StepSize)mod T，…)，一直到T行读取完毕。
信息位和校验位交织后要在信息位和校验位之间继续进行交织，根据码率的不同设置不同的交织方式，例如码率为1/2时，输出的前4比特为信息码，接着4比特为校验码，以此类推。交织之后以4比特为单位进行位移，每两个4比特调整一次顺序。
步骤3c)，对经过信道交织的帧控制数据进行分集拷贝。
分集拷贝是将输入的原始比特数据拷贝到不同的频域子载波上，便于下一步进行星座点映射。例如，帧控制输入的比特数为256，则拷贝时I路和Q路地址的偏置量差设为128，若采用四个帧控制OFDM符号，第一个帧控制符号I路的偏置量为0，Q路偏置量为128，第二个帧控制符号I路的偏置量为192，Q路的偏置量为64，第三个帧控制符号I路的偏置量为160，Q路的偏置量为32，第四个帧控制符号I路的偏置量为96，Q路的偏置量为224。偏置量的含义为：在第一个帧控制符号拷贝时，其第a个载波上拷贝的数据为第((a+偏置量)mod256)。
本发明在频段0，帧控制的可用子载波数目为411，子载波编号为80到490，采用QPSK调制方式，有4个帧控制符号，其I路和Q路的偏置量如表4所示。在频段1，真控制的可用子载波数目为131，子载波编号为100到230，采用QPSK调制方式，有12个帧控制符号，其I路和Q路的偏置量如表5所示。
表4 频段0帧控制I路和Q路的偏置量：
符号 1 2 3 4
I路 0 192 160 96
Q路 128 64 32 224
表5 频段1帧控制I路和Q路的偏置量：
符号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
I路 0 192 160 96 144 80 48 240 24 184 136 40
Q路 128 64 32 224 16 208 176 112 152 56 8 168
步骤4、对载荷数据进行编码。
帧控制的Turbo编码仅支持PB16,1/2码率，载荷的Turbo编码支持PB72、PB136、PB256等模式，支持1/2和16/18两种码率。但是在进行Turbo编码时，除了编码时的参数不一样之外，其编码的方法和流程同帧控制是一样的。
图6是载荷前向纠错码流程图，由图可以看出，载荷的编码流程为：先进行加扰，再进行Turbo编码，接着进行信道交织，最后进行分集拷贝。具体包括：
步骤4a)，对载荷数据进行加扰。
加扰方式为数据流和一个重复伪随机噪声序列进行“异或”运算。伪随机噪声序列的扰码多项式由本原多项式产生，例如，扰码多项式可以为：
s(x)＝x10+x3+1
上式表示每输入一个数据，扰码多项式左移一位，并将它的第3位和第10位做异或运算，输出的结果与输入数据再做异或运算，即可得到输出数据，其流程图如图9所示。
步骤4b)，对经过加扰的载荷数据进行Turbo编码。
对载荷数据进行Turbo编码时，其编码方式和帧控制的编码方式类似，仍然是每输入一对信息比特[u0,u1]，输出系统将此对信息比特输出，同时第一个分量编码器根据输入的比特对[u0,u1]输出一个校验比特p0；输入的两个信息比特[u0,u1]经过Turbo交织器，输入分量编码器二，输出一个校验比特q0。经过Turbo编码后输入的[u0,u1]编码为[u0,u1,p0,q0]。
载荷数据的分量编码器同帧控制的分量编码器相同，仍然可采用[15,13,11]的多项式，其中分量编码器的状态寄存器计算方法如下：首先设置初始状态为S0＝[S01,S02,S03]＝[0,0,0]；再将信息码输入，直至最后一位，对于分量编码器1，信息码直接输入，得到状态寄存器的末状态，对于分量编码器2，信息码输入后经过Turbo交织器，得到状态寄存器的末状态，寄存器末状态用SN＝[SN1,SN2,SN3]表示；最后根据PB块的大小决定状态寄存器的咬尾矩阵，若PB大小为264，则咬尾矩阵为将作为分量编码器的初始状态。
载荷数据的Turbo交织支持PB72、PB136、PB264、PB520等模式，其中，PB72、PB136、PB264支持1/2码率，PB520支持1/2和16/18两种码率。Turbo交织按照双比特为单位进行，交织器长度等于原始数据块长度的双比特数量，不同的PB块对应不同的交织长度，如表6所示。
表6 Turbo交织参数表：
Turbo交织的地址映射定义为：
I(x)＝[S(x mod N)-(x div N)*N+L]mod L,x＝0,1,…,L
其中，I(x)表示Turbo交织的地址映射，S( )表示查找表，mod表示取模运算，div表示整除运算，N表示交织块的长度，L表示双比特的交织长度。其中PB16，PB72，PB136，PB264，PB520的S的查找表分别如表7、8、9、10、11所示。
表7 PB16的S查找表：
x 0 1 2 3 4 5 6 7
S(x) 53 20 9 32 62 39 51 18
表8 PB72的S查找表：
x 0 1 2 3 4 5 6 7
S(x) 1 200 255 166 221 132 187 98
x 8 9 10 11 12 13 14 15
S(x) 153 64 119 30 85 284 51 250
x 16 17
S(x) 17 216
表9 PB136的S查找表：
x 0 1 2 3 4 5 6 7
S(x) 383 68 262 180 484 363 302 152
x 8 9 10 11 12 13 14 15
S(x) 405 529 97 11 333 509 40 198
x 16 17 18 19 20 21 22 23
S(x) 236 454 428 124 273 493 73 389
x 24 25 26 27 28 29 30 31
S(x) 162 293 2 211 467 252 411 183
x 32 33
S(x) 310 86
表10 PB264的S查找表：
x 0 1 2 3 4 5 6 7
S(x) 309 175 737 667 1024 224 622 962
x 8 9 10 11 12 13 14 15
S(x) 527 845 926 1052 366 54 249 784
x 16 17 18 19 20 21 22 23
S(x) 108 551 410 479 823 866 442 654
x 24 25 26 27 28 29 30 31
S(x) 321 33 85 610 730 765 1038 352
x 32
S(x) 954
表11 PB520的S查找表
x 0 1 2 3 4 5 6 7
S(x) 1183 32 425 1434 165 331 1574 1039
x 8 9 10 11 12 13 14 15
S(x) 1084 1332 1513 536 213 1908 761 1231
x 16 17 18 19 20 21 22 23
S(x) 1659 476 1842 809 2007 895 1717 1950
x 24 25 26 27 28 29 30 31
S(x) 101 937 618 1606 704 1786 570 843
x 32 33 34 35 36 37 38 39
S(x) 349 2038 1102 1260 235 40 648 1347
步骤4c)，对经过Turbo编码的载荷数据进行信道交织。
载荷数据的信道交织方式同帧控制的信道交织方式类似，不同之处在于，帧控制的信道交织支持的数据块模式为PB16，码率为1/2，载荷数据的信道交织支持B72、PB136、PB264、PB520等数据块模式，其中，PB72、PB136、PB264支持1/2码率，PB520支持1/2和16/18两种码率，信道交织时校验位的偏移量根据PB模式的不同有不同的选择，信道交织可以选取表12参数，其中，PB16为帧控制的信道交织模式。
表12 信道交织参数：
步骤4d)，对经过信道交织的载荷数据进行分集拷贝。
由于帧控制仅支持PB16,1/2,码率，故帧控制的比特数目确定，符号数目也是约定好的，其偏移量也是约定好的，所以帧控制的分集拷贝其对应的拷贝位置也是确定的。
载荷的分集拷贝需要根据数据块的大小，编码速率，拷贝次数等参数确定拷贝时需要的符号数目，拷贝时的偏移量等，根据已知的参数和计算得到的参数确定拷贝方法。
分集拷贝用于将原始信号进行分集和映射，当分集次数为1时，可忽略此环节。物理层按照图3服务模型接收MAC子层信息，MAC子层信息中包含载波映射表，载波映射表规定了物理层的编码码率，调制方式，分集拷贝次数，采用的PB类型等信息，物理层按照载波映射表规定的模式进行分集拷贝。本发明支持的分集拷贝基本模式如表13所示，支持的分集拷贝扩展模式如表14所示。
表13 分集拷贝基本模式：
表14 分集拷贝扩展模式：
本发明在进行分集拷贝时根据拷贝次数规定了拷贝时的交织器个数和交织器的交织方法。其中，交织器个数如表15所示，交织方法为：根据实际可用的子载波个数和交织器个数确定交织长度，然后按照行进列出的方式进行交织。
表15 分集次数与交织个数映射表：
分集次数 2 4 5 7 11
交织器个数 8 8 10 14 11
每部分的交织器个数 4 2 2 2 1
在进行分集拷贝时，首先需要计算拷贝时的参数，物理层根据载波映射表信息可以获得的参数有：物理层载荷编码速率，分集次数，采用的PB类型，通过载波映射表中获得的参数可以计算得到分集拷贝时需要的参数，如图15所示，其中，PadBitsNum表示拷贝时需要填充的比特数目，假设有N个分集拷贝，第1个分集的数据来自原始数据的第0～PadBitsNum-1个比特，第2个分集的数据来自原始数据的第PadBitsNum～2*PadBitsNum-1个比特，依次类推至第N个分集，UsedCarrierNum表示根据交织器个数确定的实际使用载波数目，CarrierNumPerGroup表示在每个部分内的子载波数目，CarrierNumPerInter表示每个交织器对应的子载波数目，BitsInLastOFDM表示拷贝时最后一个OFDM符号包含的原始数据的比特数目，
下面结合实施例介绍分集拷贝方法，如图16所示，实施例中，需拷贝的数据为6个部分G1～G6，需拷贝4次，拷贝时的移位参数为[0,0,1,1],G1表示第1个部分中的所有数据，I1表示中的第一组交织器生成的载波地址。若进行4次分集，每个部分需要两个交织器个数为2。在第一次分集中，交织参数为第1,2组交织器生成的载波地址，第一部分数据交织后的结果为G1(I1)、G1(I2)，此后第一次分集的所有部分均按照第1,2组交织生成的载波地址进行拷贝；在第二次分集中，交织参数为第3,4组交织器生成的交织地址，第一部分数据交织后的结果为G1(I3)、G1(I4)，并且G1(I3)、G1(I4)按照拷贝时的移位参数进行移位，此后第二次分集的所有部分均按照第3,4组交织生成的载波地址进行拷贝；之后的每次分集拷贝方式均和第二次分集拷贝方式类似，直至拷贝结束。
步骤5、将帧控制数据和载荷数据，分别进行调制。具体包括：
步骤5a)，将帧控制数据和载荷数据分别进行映射。
本发明对于帧控制和载荷数据采用了不同的映射方式，例如，帧控制可采用QPSK进行映射，载荷数据调制方式可扩展，支持BPSK、QPSK、16QAM等方式。调制方式不同，帧控制和载荷数据在每个载波上的比特数目不同，例如，对于QPSK，每载波承载比特数为2，对于BPSK，每载波承载的比特数为1。
步骤5b)，对映射后的帧控制数据和载荷数据进行加扰，且调制到对应的子载波上。
映射结束后要对帧控制数据和载荷数据进行加扰，加扰方式为在每个子载波上加入旋转因子，加扰的相位编号如表16所示，加扰方法为：
其中，表示加扰后的载荷数据的星座点，X(k)表示加扰前的载荷数据的星座点，表示随机产生的旋转因子，对应表8中的相位编号，实际中若采用频段0，则取对应载波编号为100～230的相位编号，若采用频段1，则取对应载波编号为80～490的相位编号。
将加扰后的帧控制数据和载荷数据放置到对应的子载波上，对于不使用的子载波，将其值设置为0。
调制结束后得到一个个帧控制符号和一个个载荷符号。
表16 帧控制和载荷数据映射相位表：
步骤6、将经过调制得到的一个个帧控制符号和一个个载荷符号，分别进行反傅里叶变换(IFFT)，并分别取实部进行功率控制，生成时域帧控制符号和时域载荷符号。
在进行功率控制时，根据调制方式不同，功率归一化因子不同，例如，若采用QPSK，则功率归一化因子为若采用BPSK，则功率归一化因子为1。
步骤7、将时域帧控制符号和时域载荷符号，分别添加循环前缀(CP)，生成一个个完整的OFDM帧控制符号和OFDM载荷符号。
添加循环前缀时，帧控制符号和载荷符号有不同的循环前缀长度，帧控制的CP长度为582个数据点，载荷的第1,2个符号的CP长度也为582个数据点，其他载荷的CP长度为388个数据点，OFDM符号的CP长度即为OFDM符号的保护间隔和滚降间隔的和，如图17所示。添加CP时，将符号末尾的CP长度个数据符号，拷贝到符号的前端。
添加完CP即可得到完整的OFDM帧控制符号和OFDM载荷符号。
步骤8、在频域根据前导相位表产生频域前导符号，经IFFT后取实部并进行功率控制，生成时域前导信号。
前导信号的格式如图10所示，由10.5个A和2.5个-A组成，开始的0.5个A是A的后半部分，最后的0.5个-A是-A的前半部分。
在频域产生一串序列B，其产生方式为：
其中，X(k)表示在频域产生的前导序列，k为子载波符号，表示随机产生的参考相位，对应表9中的相位编号，实际中，若采用频段0，则取对应载波编号为100～230的相位编号，若采用频段1，则取对应载波编号为80～490的相位编号。
在频域产生复数序列B后，进行N点IFFT得到对应的时域序列A，按照图10中的前导格式，将时域序列A进行排布，将排布后的序列取实部，并进行功率控制即可得到前导信号。
其相位参考表17如下，真实相位为参考相位乘π/8。
表17 前导相位表：
步骤9、对时域前导信号，所有的OFDM帧控制符号和所有的OFDM载荷符号进行加窗处理。
窗函数定义如表18所示。对于前导，帧控制及载荷前部滚降间隔内的数据加上升窗，后部滚降间隔内的数据加上降窗。对于前导数据，是对整个前导进行加窗，其前部无重叠，后部与帧控制的第一个OFDM符号前部有重叠。对于帧控制和载荷数据是对每个OFDM符号进行加窗，帧控制和载荷数据除了最后一个OFDM符号后部无重叠之外，其余的OFDM符号后部都会和下一个OFDM符号的前部有重叠。
表18 窗函数定义：
步骤10、生成OFDM的物理层发射信号进入模拟前端。
其中OFDM的物理层发射信号格式如图4所示。物理层的发射信号结构由前导，帧控制和数据载荷组成。如图4中所示，前导的长度为13*1024，帧控制和数据载荷的长度都为1024，前导的滚降间隔为124，帧控制的滚降间隔同样为124，帧控制的保护间隔为458，数据载荷1和数据载荷2的保护间隔为458，其余的载荷间隔为264。其中，帧控制信号根据不同频段选择有不同符号的个数，在频段0，也即在1.953～11.96MHz范围内，帧控制符号个数为4个；在频段1，也即在2.441～5.615MHz范围内，帧控制符号个数为12个。
相应地，如图2所示，本发明的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层接收信号的处理方法，包括：
从模拟前端接收数据信号后，对所述数据信号进行增益处理；
对经增益处理后的数据信号进行时钟/帧同步；
对时钟/帧同步后的数据进行傅里叶变换；
将傅里叶变换后的数据进行解调，生成帧控制输出和载荷输出。
其中，所述将傅里叶变换后的数据进行解调包括：
将所述傅里叶变换后的数据分为帧控制数据和载荷数据；
分别对所述帧控制数据和载荷数据进行分集合并；
分别对分集合并后的帧控制数据和载荷数据进行信道解交织；
分别对信道解交织后的帧控制数据和载荷数据进行Turbo解码；
分别输出Turbo解码后的帧控制数据和载荷数据。
其中，对所述载荷数据进行Turbo解码后，还包括：对所述Turbo解码后的载荷数据去扰。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (26)

1.一种基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，包括：
接收来自链路层的数据，将所述数据分为帧控制数据和载荷数据；
分别对所述帧控制数据和载荷数据进行信道编码，并将信道编码后的帧控制数据和载荷数据调制到子载波上；
对调制后的帧控制数据和载荷数据进行反傅里叶变换，并分别进行功率控制，生成时域帧控制符号和时域载荷符号；
对所述时域帧控制符号和时域载荷符号加循环前缀，并加时域前导符号后再进行加窗处理，生成物理层发射信号。
2.如权利要求1所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述对所述帧控制数据和载荷数据进行的信道编码包括：
分别对帧控制数据和载荷数据进行Turbo编码；
分别对经过Turbo编码的帧控制数据和载荷数据进行信道交织；
分别对经过信道交织的帧控制数据和载荷数据进行分集拷贝。
3.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，在对所述载荷数据进行Turbo编码前，还包括：对所述载荷数据进行加扰。
4.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对所述帧控制数据进行Turbo编码包括：
对所述帧控制数据分别使用第一分量编码器和第二分量编码器进行编码，其中，所述第二分量编码器的输入信号先经过Turbo交织。
5.如权利要求4所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述Turbo交织按照双比特为单位进行交织，交织长度等于原始数据块长度的双比特数量。
6.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对经过Turbo编码的帧控制数据进行信道交织时，将所述帧控制数据的信息位和校验位分开交织，其中进行信息位交织时，将信息比特按照列进行出的方式，通过读取不同行，将信息位打乱；进行校验位交织时，从偏移量地址开始读取，将信息比特按照列进行出的方式，通过读取不同行，将信息位打乱。
7.如权利要求6所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，在分别对所述帧控制数据的信息位和校验位交织后，再在所述信息位和校验位之间进行交织。
8.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对经过信道交织的帧控制数据进行分集拷贝时，将输入的比特数据拷贝到频域子载波上，并根据需求决定拷贝次数，以此设定I路和Q路的偏置差，其中，对于频段0，帧控制个数为4个，I路和Q路的偏置量为：
符号 1 2 3 4 I路 0 192 160 96 Q路 128 64 32 224
对于频段1，帧控制的个数为12个，I路和Q路的偏置量为：
9.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对载荷数据进行Turbo编码时，Turbo编码分量编码器中的寄存器状态和咬尾矩阵相关，咬尾矩阵由物理块大小和分量编码器的生成多项式决定。
10.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述链路层的数据包含有载波映射表，所述载波映射表中规定有物理层的编码码率、调制方式、拷贝方式、采用的物理块类型信息；所述物理层按照载波映射表索引规定的模式进行编码。
11.如权利要求2所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对经过信道交织的载荷数据进行分集拷贝时，拷贝次数与拷贝时的交织器个数的关系为：
12.如权利要求11所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，将所述载荷数据分成多个部分分别进行拷贝，每个部分有一个或者多个交织器，将交织器输出的结果作为每个部分拷贝时子载波的映射地址，且每次拷贝选取不同的交织器。
13.如权利要求1所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述将信道编码后的帧控制数据和载荷数据调制到子载波上包括：
将信道编码后的帧控制数据和载荷数据分别进行星座图映射；
对映射后的帧控制数据和载荷数据进行加扰，并调制到对应的子载波上。
14.如权利要求13所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对调制后的帧控制数据和载荷数据进行反傅里叶变换后，分别取反傅里叶变换后的帧控制数据和载荷数据的实部进行功率控制。
15.如权利要求13所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对经过星座图映射的帧控制数据和载荷数据加入相位旋转因子，相位旋转参考值由伪随机产生，真实的相位为参考相位乘π/4，其中，加扰方式为：
其中，表示加扰后的载荷数据的星座点，k表示载波编号，X(k)表示加扰前的载荷数据的星座点，表示随机产生的旋转因子，对应下表中的相位编号：
16.如权利要求15所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述参考相位包含1号载波到511号载波。
17.如权利要求16所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，若采用0号频段，则其频段范围为1.953～11.96MHz，载波的起始编号为80，截止编号为490；若采用1号频段，则其频段范围为2.441～5.615MHz，载波的起始编号为100，截止编号为230。
18.如权利要求1所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，对帧控制数据及载荷数据添加循环前缀，生成OFDM符号，其中帧控制数据及载荷数据的OFDM符号时域点数为1024，时间为40.96μs；滚降间隔为124点，时间为4.96μs；帧控制数据的保护间隔为458点，时间为18.32μs；载荷数据第一个和第二个符号的保护间隔为458点，时间为18.32μs；载荷数据第三个符号之后的保护间隔为264点，时间为10.8μs。
19.如权利要求1所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述时域前导符号由以下方法生成：
在频域根据前导相位表产生频域前导符号；
对所述频域前导符号进行反傅里叶变换并取实部进行功率控制，生成所述时域前导符号。
20.如权利要求18所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，在频域根据前导相位表产生前导序列，其产生方法为：
其中，X(k)表示在频域产生的前导序列，k为子载波符号，表示随机产生的参考相位，其对应的相位编号为：
21.如权利要求18所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述前导的数据格式为10.5个A和2.5个-A，其中，开始的0.5个A是A的后半部分，最后的0.5个-A是-A的前半部分。
22.如权利要求18所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，所述前导的时域点数为1024，时间为40.96μs。
23.如权利要求1所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层发射信号处理方法，其特征在于，帧控制信号的个数和采用的频段相关，其中若采用0号频段，则帧控制信号的个数为4个；若采用1号频段，则帧控制信号的个数为12个。
24.一种基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层接收信号的处理方法，其特征在于，包括：
从模拟前端接收数据信号后，对所述数据信号进行增益处理；
对经增益处理后的数据信号进行时钟/帧同步；
对时钟/帧同步后的数据进行傅里叶变换；
将傅里叶变换后的数据进行解调，生成帧控制输出和载荷输出。
25.如权利要求24所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层接收信号的处理方法，其特征在于，所述将傅里叶变换后的数据进行解调包括：
将所述傅里叶变换后的数据分为帧控制数据和载荷数据；
分别对所述帧控制数据和载荷数据进行分集合并；
分别对分集合并后的帧控制数据和载荷数据进行信道解交织；
分别对信道解交织后的帧控制数据和载荷数据进行Turbo解码；
分别输出Turbo解码后的帧控制数据和载荷数据。
26.如权利要求25所述的基于OFDM的宽带电力线载波通信物理层接收信号的处理方法，其特征在于，对所述载荷数据进行Turbo解码后，还包括：对所述Turbo解码后的载荷数据去扰。
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