CN106712806A - 一种基于ofdm的高速电力线载波通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置，由电力线耦合装置、瞬时过压保护电路、发送端的线路驱动、接收端的滤波器以及DSP处理器组成；电力线耦合装置用于接收电力线上传输的有效信号瞬时过压保护电路2实现阻止因线路叠加上瞬态的脉冲电压；发送端的线路驱动通过PWM和滤波电路实现数模转换；接收端的滤波器采用多级无源和有源滤波及增益控制将信号传给ADC输入端DSP处理器完成ADC、PWM以及OFDM软件模块；本发明具有很好的解决频率选择性，延长符号持续时间，抗多径效应强，提高频谱效率，使通信质量明显提高的优点。

Description

一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置及方法

技术领域

本发明属于高速电力线载波通信技术领域，具体涉及一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置及方法。

背景技术

由于串扰和自然干扰的存在，导致低压电力线载波(PLC)信道呈现严重的频率选择特性，且多径现象突出，严重影响通信质量。正交频分复用技术(OFDM)因其较好的抗多径效应和高的频谱效率等特点，在数据传输过程中得到广泛应用。因此，在存在频率选择性、多径衰落以及脉冲干扰的电力线环境下，为给智能电网提供高速可靠的物理层通信手段，设计一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置及方法势在必行。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置及方法，针对PLC应用环境，采用OFDM调制技术对信号进行处理，提高了PLC通信环境中抗干扰和抗衰减的能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置，由电力线耦合装置1、瞬时过压保护电路2、发送端的线路驱动3、接收端的滤波器4以及DSP处理器5组成；

所述电力线耦合装置1包括耦合变压器12，耦合变压器12初级的一端连接电力线11，耦合变压器12初级的另一端连接电容一13；耦合变压器12次级的一端接地，耦合变压器12次级的另一端连接瞬时过压保护电路2的二极管一21的正极；

所述的瞬时过压保护电路2包括二极管一21，二极管一21的负极连接二极管二22的负极，二极管二22的正极接地；

所述的线路驱动3包括三极管一31，三极管一31的a端连接电容器二32的一端，电容器二32的另一端连接瞬时过压保护电路2的二极管一21的正极；三极管一31的b端和c端连接DSP处理器5的PMW的出口；

所述的接收端的滤波器4包括三极管三41，三极管三41的a端连接DSP处理器5的ADC的入口，三极管三41的b端接地，三极管三41的c端连接电容器三42的一端，电容器三42的另一端连接瞬时过压保护电路2的二极管一21的正极；

所述的DSP处理器5的PMW的入口和SP处理器5的ADC的出口连接SP处理器5的OFDM软件模块。

所述的OFDM软件模块分为发送端处理模块和接收端处理模块。

所述发送端处理模块方法为：

步骤一：帧结构设计；

步骤二：校验位产生过程

(1)将二进制序列数左移8位，用m(x)表示该序列数，则有m(x)×2⁸；

(2)用g(x)＝x⁸+x²+x+1除以m(x)×2⁸，得到商Q(x)和余数r(x)；

(3)编出的码组为T(x)＝m(x)×2⁸+r(x)；

步骤三：编码；

步骤四：调制。

所述接收端处理模块方法为：

步骤一：信号检测与帧同步后，采用粗同步法即用滑动窗法检测接收信号能量，具体算法如下：接收信号用r_n(n∈正整数)表示，设窗长为L，则一个窗长内接收信号的能量可表示为：

把窗口分成相等的两部分，用后一部分的能量比上前一部分的能量，用公式表示为：

λ(n)＝B_n/A_n (4)

然后采用精同步即加入采样误差估计，根据采样误差估计结果调整本地采样时钟，实现精确同步；同步的算法是用本地chirp信号和接收信号做相关，并用接收信号的能量来归一化信号，表示成如下所示：

式中，s表示离散化的chirp信号，N是chirp信号的抽样点数；

步骤二：解调以后，进行解交织处理，解交织与交织过程互逆，进行与发送端交织相反的处理过程；

步骤三：经过解交织以后，进行Viterbi译码处理；

步骤四：进行CRC校验，在接收端任一组多项式T(x)都应被生成多项式g(x)整除，如果传输中未发生错误，则接收码元与发送码元相同，故接收的码元必定能被g(x)整除；若码元在传输中发生错误，则接收的码元可能除不尽而有余数，因此我们就以余数是否为零来判断接收码元中有无错误。可能有错误的码元正好也被g(x)整除，这是CRC校验无力消除的，但通过选择多项式g(x)和增加冗余位数，使余数r(x)多项式的位数增多，来降低发生这种错误的概率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：很好的解决频率选择性，延长符号持续时间，抗多径效应强，提高频谱效率，使通信质量明显提高。

附图说明

图1为本发明的组成示意图。

图2为本发明发送端的处理流程。

图3为本发明接收端的处理流程。

图4为本发明的发送端帧的结构图。

图5为本发明的帧头的结构图。

图6为本发明信号检测与帧同步粗同步滑动窗能量检测的仿真结果。

图7为本发明信号检测与帧同步精同步检测的仿真结果。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案等更加清楚明了，将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照图1所示，一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置，由电力线耦合装置1、瞬时过压保护电路2、发送端的线路驱动3、接收端的滤波器4以及DSP处理器5组成；

所述电力线耦合装置1包括耦合变压器12，耦合变压器12初级的一端连接电力线11，耦合变压器12初级的另一端连接电容一13；耦合变压器12次级的一端接地，耦合变压器12次级的另一端连接瞬时过压保护电路2的二极管一21的正极；

所述的瞬时过压保护电路2包括二极管一21，二极管一21的负极连接二极管二22的负极，二极管二22的正极接地；

所述的线路驱动3包括三极管一31，三极管一31的a端连接电容器二32的一端，电容器二32的另一端连接瞬时过压保护电路2的二极管一21的正极；三极管一31的b端和c端连接DSP处理器5的PMW的出口；

所述的接收端的滤波器4包括三极管三41，三极管三41的a端连接DSP处理器5的ADC的入口，三极管三41的b端接地，三极管三41的c端连接电容器三42的一端，电容器三42的另一端连接瞬时过压保护电路2的的二极管一21的正极；

所述的DSP处理器5的PMW的入口和SP处理器5的ADC的出口连接SP处理器5的OFDM软件模块。

参照图2所示，所述的OFDM软件模块分为发送端处理模块和接收端处理模块；

所述发送端处理模块方法为：

步骤一：帧结构设计，参照图4所示，同步段长度为一个FFT周期，即512个采样点；参照图5所示，帧头为2个OFDM符号周期，包含1024个采样点；数据段为M个OFDM符号周期，包含M*560个采样点。

步骤二：校验位产生过程

(1)将二进制序列数左移8位，用m(x)表示该序列数，则有m(x)×2⁸；

(2)用g(x)＝x⁸+x²+x+1除以m(x)×2⁸，得到商Q(x)和余数r(x)；

(3)编出的码组为T(x)＝m(x)×2⁸+r(x)。

步骤三：编码，采用(2，1，7)卷积码，它由六个移位寄存器、加法器构成，分两路输出。

步骤四：调制，采用DBPSK调制。

参照图3所示，所述接收端处理模块方法为：

步骤一：信号检测与帧同步后，采用粗同步法即用滑动窗法检测接收信号能量，具体算法如下：接收信号用r_n(n∈正整数)表示，设窗长为L，则一个窗长内接收信号的能量可表示为：

把窗口分成相等的两部分，用后一部分的能量比上前一部分的能量，用公式表示为：

λ(n)＝B_n/A_n (4)

如图6所示，当没有信号到达时，两部分中的信号都是噪声，能量相当；当有信号到达前一部分时，B_n值逐渐增大，A_n值没有增长，比值逐渐增大；当信号进入后一部分时，两者的值逐渐趋于相等，比值变小。因此λ值的变化反应出信号到达的大致时刻。仿真一个窗长内接收信号的总能量和两部分能量比值。

然后采用精同步即加入采样误差估计，根据采样误差估计结果调整本地采样时钟，实现精确同步；同步的算法是用本地chirp信号和接收信号做相关，并用接收信号的能量来归一化信号，表示成如下所示：

式中，s表示离散化的chirp信号，N是chirp信号的抽样点数；

精同步检测的结果如图7所示，用接收信号的能量来归一化，是为了使得互相关的结果和接收信号的功率无关，便于设定门限值。

步骤二：解调以后，进行解交织处理，解交织与交织过程互逆，进行与发送端交织相反的处理过程。

步骤三：经过解交织以后，进行Viterbi译码处理。

步骤四：进行CRC校验，在接收端任一组多项式T(x)都应被生成多项式g(x)整除，如果传输中未发生错误，则接收码元与发送码元相同，故接收的码元必定能被g(x)整除；若码元在传输中发生错误，则接收的码元可能除不尽而有余数，因此我们就以余数是否为零来判断接收码元中有无错误。可能有错误的码元正好也被g(x)整除，这是CRC校验无力消除的，但通过选择多项式g(x)和增加冗余位数，使余数r(x)多项式的位数增多，来降低发生这种错误的概率。

Claims (2)

1.一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置，由电力线耦合装置(1)、瞬时过压保护电路(2)、发送端的线路驱动(3)、接收端的滤波器(4)以及DSP处理器(5)组成，其特征在于：

所述电力线耦合装置(1)包括耦合变压器(12)，耦合变压器(12)初级的一端连接电力线(11)，耦合变压器(12)初级的另一端连接电容一(13)；耦合变压器(12)次级的一端接地，耦合变压器(12)次级的另一端连接瞬时过压保护电路(2)的二极管一(21)的正极；

所述的瞬时过压保护电路(2)包括二极管一(21)，二极管一(21)的正极连接电力线耦合装置(1)，二极管一(21)的负极连接二极管二(22)的负极，二极管二(22)的正极接地；

所述的线路驱动(3)包括三极管一(31)，三极管一(31)的a端连接电容器二(32)的一端，电容器二(32)的另一端连接瞬时过压保护电路(2)的二极管一(21)的正极；三极管一(31)的b端和c端连接DSP处理器(5)的PMW的出口；

所述的接收端的滤波器(4)包括三极管三(41)，三极管三(41)的a端连接DSP处理器(5)的ADC的入口，三极管三(41)的b端接地，三极管三(41)的c端连接电容器三(42)的一端，电容器三(42)的另一端连接瞬时过压保护电路(2)二极管一(21)的正极；

所述的DSP处理器(5)的PMW的入口和SP处理器(5)的ADC的出口连接SP处理器(5)的OFDM软件模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的高速电力线载波通信装置，其特征在于，所述的OFDM软件模块分为发送端处理模块和接收端处理模块；

所述发送端处理模块方法为：

步骤一：帧结构设计；

步骤二：校验位产生过程

(1)将二进制序列数左移8位，用m(x)表示该序列数，则有m(x)×2⁸；

(2)用g(x)＝x⁸+x²+x+1除以m(x)×2⁸，得到商Q(x)和余数r(x)；

(3)编出的码组为T(x)＝m(x)×2⁸+r(x)；

步骤三：编码；

步骤四：调制；

所述接收端处理模块方法为：

步骤一：信号检测与帧同步后，采用粗同步法即用滑动窗法检测接收信号能量，具体算法如下：接收信号用r_n(n∈正整数)表示，设窗长为L，则一个窗长内接收信号的能量可表示为：

$E_n=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\Σ}}{r}_{n-k}{r^{*}}_{n-k}=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\Σ}}|r_{n-k}{|}^2---\left(1\right)$

把窗口分成相等的两部分，用后一部分的能量比上前一部分的能量，用公式表示为：

$A_n=\underset{k=0}{\overset{L/2-1}{\Σ}}{r}_{n-k}{r^{*}}_{n-k}=\underset{k=0}{\overset{L/2-1}{\Σ}}|r_{n-k}{|}^2---\left(2\right)$

$B_n=\underset{k=L/2}{\overset{L-1}{\Σ}}{r}_{n-k}{r^{*}}_{n-k}=\underset{k=L/2}{\overset{L-1}{\Σ}}|r_{n-k}{|}^2---\left(3\right)$

λ(n)＝B_n/A_n (4)

然后采用精同步即加入采样误差估计，根据采样误差估计结果调整本地采样时钟，实现精确同步；同步的算法是用本地chirp信号和接收信号做相关，并用接收信号的能量来归一化信号，表示成如下所示：

$\mathrm{\γ}\left(n\right)=\frac{|\underset{i=1}{\overset{N-1}{\Σ}}r\[n-i\]s_{N-i}^{*}|}{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}|r\[n-i\]{|}^2}}---\left(5\right)$

式中，s表示离散化的chirp信号，N是chirp信号的抽样点数；

步骤二：解调以后，进行解交织处理，解交织与交织过程互逆，进行与发送端交织相反的处理过程；

步骤三：经过解交织以后，进行Viterbi译码处理；

步骤四：进行CRC校验，在接收端任一组多项式T(x)都应被生成多项式g(x)整除，如果传输中未发生错误，则接收码元与发送码元相同，故接收的码元必定能被g(x)整除；若码元在传输中发生错误，则接收的码元可能除不尽而有余数，因此我们就以余数是否为零来判断接收码元中有无错误。可能有错误的码元正好也被g(x)整除，这是CRC校验无力消除的，但通过选择多项式g(x)和增加冗余位数，使余数r(x)多项式的位数增多，来降低发生这种错误的概率。