CN1068488C - 在输电线预定的干净区中接收数据的数据接收方法 - Google Patents

在输电线预定的干净区中接收数据的数据接收方法 Download PDF

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Abstract

一种数据接收机，用于把从输电线的每个周期波内的预定数据周期的一个比特时段中接收的已调制信号变换成数据比特，包括：过零检测器，检测周期波并产生同步信号；信号变换器，把包含在每个同步信号之后的数据周期的一个比特时段内的信号变换成数字样值；阈值产生器，产生自适应阈值；及数据检测器，把变换的各个数字样值变换成数据比特。该接收机采用自适应阈值滤去噪声，在产生数据比特时不依赖于固定的载波频率，与噪声无关。

Description

在输电线预定的干净区中接收数据的数据接收方法
1．技术领域
本发明涉及在输电线环境中使用的数据接收方法，尤其涉及从输电线预定的干净(clearzone)区中接收数据的数据接收方法和装置。
2．背景技术
在输电线环境中使用的数据通信方法已经在许多先有文章中作了讨论。在1980年4月29日授予Campbell等人的美国专利4,200,862中公开了一种主要的数据通信方法。该发明所公开的输电线数据通信方法使用在输电线预定干净区内产生的若干脉中来发送数字数据。每个脉冲包括若干周载波，而每个脉冲中的载波周数则规定该脉冲的逻辑值。例如，包含48至160周的脉冲被接收机判译为逻辑0，大于160的数被判译为逻辑1。这种方法的问题是如果输电线含有接近载波频率的某些噪声，则这些噪声可与载波信号结合并在接收端造成许多数据差错。此外，在输电线环境中经常存在周期性噪声。如果某些周期性噪声的频率接近载波频率，这些周期性噪声将使许多载波信号不纯，结果传输效率将显著下降。这样的缺点使该项技术变得与噪声有关。
3．本发明的公开
因此本发明的目的是通过克服该先有技术的局限而提供能解决由周期性噪声引起的问题的数据接收方法。
本发明实现此目的的方法在于提供一种接收机，引用把从内有周期波的媒体中接收的已调制信号变换成数据比特的接收机，其中把在所述周期波的每个波周期内的预定数据周期用于数据通信，其中每个数据周期包括至少一个预定的比特周期并且在一个数据周期的所述比特周期内接收所述已调制信号，该接收机包括：同步设备，用于使所述周期波同步且当检测到波周期时产生同步信号；信号变换器，用于把在每个同步信号之后的数据周期的所述比特周期内包含的信号变换成数字样值；阈值设备，用于根据从多个数据周期(T)的所述比特周期变换成的数字样值而产生自适应阈值；以及数据检测设备，用于通过使用所述自适应阈值而把从所述已调制信号变换成的数字样值变换成所述数据比特。该接收机可产生把已调制信号的诸数字样值变换成数据比特的自适应阈值，使得它在产生数据比特时不依赖于固定的载波频率，因而变得与噪声无关。
获得的另外好处是根据从多个数据周期(period)中的所述比特周期变换成的诸数字样值来产生自适应阈值，对存在于所述比特字段中的周期性噪声进行计算，并将这些噪声综合到自适应阈值中，因而能用该自适应阈值滤去这些噪声。
4．附图的简要说明
图1是根据本发明所述的输电线发送机的电路示意图。
图2是根据本发明所述的输电线接收机的电路示意图。
图3是表示发送和接收数据信号时间关系的时序图。
图4表示放大的数据周期(period)T，在该周期中含有周期性噪声。
图5表示在数据周期T中与周期性噪声结合的数个ASK信号。
图6表示根据本发明所述的数据包结构。
图7表示在图6数据包中的比特列的结构。
图8是本发明的比特数组(array)发送过程。
图9是本发明的数据包发送过程。
图10是本发明的数字样值收集过程。
图11是本发明的平均噪声电平产生过程。
图12是本发明的平均信号电平产生过程。
图13是本发明的数据变换过程。
5．实施本发明的最佳方式
关于按照本发明的输电线发送机10和输电线接收机20的构造，请参看图1和2。图1是把幅移键控(ASK)信号发送到输电线的输电线发送机10的电路示意图。发送机10包括连接输电线(未示出)的插头11、过零检测器(ZCD)12、产生载波信号用的连接到“与”门14的载波信号计数器13、通过控制线CTL控制“与”门14以产生ASK信号的微处理器系统15、放大器16、和线耦合器17。ZCD 12在检测到输电线的过零点时把SYNC(同步)信号发给微处理器15。图2是从输电线接收ASK信号的输电线接收机20的电路示意图。接收机20包括连接输电线(未示出)的插头21、检测输电线过零点的过零检测器(ZCD)22、线耦合器23、把输入信号变换成数字信号的信号变换器29、和微处理器系统28。信号变换器29包括带通滤波器(BPF)24、自动增益控制器(AGC)25、把输入信号解调成包络信号的解调器26、和把包络信号数字化成数字样值的模数(A/D)变换器27。输入的ASK信号将首先由解调器26解调成包络信号，然后由A/D变换器27数字化成数字样值。
微处理器系统28包括三个程序：样值收集器2d，用于收集从一个数据周期的所有比特周期接收的数字样值；阈值产生器2e，用于为每个比特周期产生自适应阈值；以及数据检测器2a，用于通过使用每个比特周期的自适应阈值而把该每个比特周期的诸数字样值变换成数据比特。阈值产生器2e还包括二个子程序：噪声电平产生器2b，用于为每个比特周期产生平均噪声电平；信号电平产生器2c，用于为每个比特周期产生平均信号电平。通过使用每个比特周期的平均噪声和信号电平来产生每个比特周期的自适应阈值，该自适应阈值大致等于每个比特周期的平均噪声和信号电平的平均值。
图3是表示发送和接收数据信号时间关系的时序图。根据大量现场测试，发现在AC输电线的每个过零点附近有一内含小得多噪声的干净区。该干净区大致等于120伏AC输电线电压从0伏变化到+12/-12伏的时期、或从0伏变化到由AC(交流)变换到DC(直流)的变换器组成的卤素灯适配器的工作电压的时期。卤素灯适配器通常在输电线网络中产生大量噪声。干净区用作发送机10和接收机20发送和接收数据信号的窗口。
图3示出来自60赫兹输电线的交流电(AC)30。发送机10的ZCD 12及接收机20的ZCD 22为每个过零点31产生一SYNC信号32。在发送机方，ZCD 12产生SYNC信号32之后，微处理器系统15开始在输电线干净区范围内的一个数据周期33中发送一系列ASK信号。在接收机方，ZCD 22产生SYNC信号32之后，微处理器系统28在等于数据周期33的整个数据周期34开始接收由A/D变换器27变换的多个数字样值。
图4示出内含周期性噪声41的放大的数据周期T，图5示出在同一数据周期T内伴随周期性噪声41的数个ASK信号51。数据周期T等分成N个比特周期。当从发送机10发送信号时，通过接通或断开“与”门14，微处理器系统15发出每一个ASK信号。如果在一特定比特周期内用控制线CTL接通“与”门14，则由计数器13产生的载波信号将通过门14并成为逻辑值1的ASK信号。否则，当准备发送逻辑值0时，就断开门14。在接收方，每个比特周期由信号变换器29数字化成诸数字样值，并且分别收集以供进一分析。
图6表示在发送机10和接收机20之间传送数据用的数据包60的结构。数据包60包括N个比特列61和多个比特数组62。每个比特数组62内含N个数据比特。数据包60将以逐个数组的顺序来传送。每个比特数组62在一个数据周期中传送，每个比特列61在该数据周期的特定比特周期中传送。例如，第i个比特列的所有数据比特将在多个相继数据周期的第i个比特周期中传送。数据包60分成三部分：诸始标数组(preamble arrays)、诸数据块数组和诸结束符数组。在一个数据包中共有P个始标数组，每个始标数组含有N个逻辑1的比特。各结束符数组用于控制目的，其结构和各始标数组的相同。
图7表示数据包60中的比特列61的结构。比特列61包括三段：始标、数据块和结束符。始标和结束符二者都包括P个逻辑1的比特。数据块包括多个数据比特。为了使始标和结束符与数据块不同，在数据块中保持着数据透明性，该透明性保证包含在数据块中的连续逻辑1比特的个数不大于最大长度Q，并且个数Q小于一个始标的长度P。要做到这点，可以在配备作传送用的数据包60时，在每Q个数据比特数组之后并且还在开头的和结尾的数据块数组处插入一逻辑0的比特数组。
图8是由发送机10的微处理器系统15为在一个数据周期内发送一个比特数组62而执行的比特数组发送过程80。该比特数组的各个数据比特用符号B(i),i=1..N表示。步骤81设置i=0步骤82等待直到检测到过零点(ZCP)步骤83设置i=i+1步骤84检查是否B(i)=1步骤85若是，则设置CTL=1步骤86若否，则设置CTL=0步骤87等待直到当前比特周期结束步骤88若i＜N，则转到步骤83
图9是发送机10的微处理器系统15为发送一个数据包60而执行的数据包发送过程90。在本过程中用过程80发送所有的比特数组。步骤91设置k=0步骤92设置k=k+1步骤93发送一始标数组B(i)=1,i=1..N步骤94若k＜P则转到步骤92步骤95发送一数据块数组步骤96重复步骤95直到发送完所有的数据块数组步骤97设置k=0步骤98设置k=k+1步骤99发送一结束符数组B(i)=1,i=1..N步骤9a若k＜P则转到步骤98
图10是接收机20的样值收集器2d为收集从一个数据周期的所有比特周期中接收到的数字样值而使用的数字样值收集过程100。该过程为数据周期的N个比特周期的每个比特周期收集M个数字样值，并把所有的数字样值存储在矩阵S(i,j)中，i=1..N，j=1..M。步骤101设置i=0步骤102设置i=i+1步骤103等待直到检测到过零点(ZCP)步骤104取M个数字样值S(i,j),j=1..M步骤105等待直到当前比特周期结束步骤106若i＜N，则转到步骤103
图11是接收机20的噪声电平产生器2b为N个比特周期的每一个比特周期产生平均噪声电平而使用的平均噪声电平产生过程110。过程110不断检查最后R个相继的数据周期直到找到在所有这些数据周期中存在的如图4周期波那样的周期波，然后从该最后R个相继数据周期中为N个比特周期的每一个比特周期取得平均噪声电平。
当计算各平均噪声电平时，把最后R个数据周期中的各比特周期的每一个比特周期的平均值存储在矩阵D(k,i)中，k=1..R，i=1..N，然后把所有比特周期的各个平均噪声电平存储在噪声电平数组NL(i)中，i=1..N。在过程110中，把矩阵D(k,i),k=1..R,i=1..N作为环形队列使用，把变量r作为指示矩阵最老的入口(行)的指针使用。在从最后R个数据周期中寻找周期波中，设置一预定公差d1，用于检查比特周期i中的一个噪声电平NL(i)和所有诸平均值D(k,i),k=1..R之间的差值。如果在比特周期之中一个噪声电平NL(i)和任一平均值D(k,i),k=1..R之差小于d1，并且此条件适合于所有N个比特周期，则认为周期波存在，而且数值NL(i)就表示在比特周期i中存在的周期波的平均值。
因为使用ASK信号来发送数据比特，所以每个比特周期的平均噪声电平相当于逻辑0，而每个比特周期的平均信号电平相当于逻辑1。为了保证能从最后R个数据周期准确捕捉周期波以计算所有比特周期的各个平均噪声电平和保证在该最后R个数据周期中不包含逻辑1比特，使数目R大于一个始标的长度P，使得由于R＞P不可能从一个始标或一个结束符中收集R个连续的逻辑1比特。并且，由于在每个数据块中保持了图7说明的数据透明性，所以由于R＞P＞Q，因而也不可能从一个数据块中收集R个连续的逻辑1比特。步骤111设置k=0步骤112设置k=k+1步骤113为一个数据周期的N个比特周期的每个比特周期取M个数字
样值S(i,j),j=1..M，并为每个比特周期计算平均值： D ( k . i ) = Σ j = 1 M S ( i , j ) M , i = 1 . . . N 步骤114若k＜R，则转到步骤112步骤115设置r=1步骤116为最后R个数据周期的每个比特周期计算噪声电平NL(i)： NL ( k , i ) = Σ k = 1 R D ( k , i ) R , i = 1 . . . N 步骤117检查是否找到具有噪声电平NL(i),i=1..N的周期波：|NL(i)-D(k,i)|＜d1,i=1..N, k=1..R步骤118若是，则结束本过程步骤119为一个数据周期的N个比特周期的每一个比特周期取M个数字样值s(i,j),j=1..M，然后为每一个比特周期计算平均值： D ( r , i ) = Σ j = 1 M S ( i , j ) M , i = 1 . . . N 步骤11a设置r=r+1步骤11b若r＞R，则设置r=1步骤11c转到步骤11b
图12是接收机20的信号电平产生器2c使用的平均信号电平产生过程120，该过程通过使用平均噪声电平NL(i)而为每个比特周期产生平均信号电平P(i)，然后为每个比特周期产生自适应阈值TH(i)，该阈值大致等于平均噪声电平NL(i)和平均信号电平P(i)的平均值。识别始标数组的方法是把每个比特周期的平均值与其平均噪声电平加上约等于数据信号的五分之一的预定公差d2作比较。如果每个比特周期的平均值大于其平均噪声电平加d2，则找到始标数组。必须进一步检查和收集以后的(P-1)个始标数组以便计算每个比特周期的平均信号电平。步骤121设置k=1步骤122为一个数据周期的N个比特周期的每个比特周期取M个数字样值
S(i,i),j=1..M,然后为每个比特周期计算平均值： A ( k , i ) = Σ j = 1 M D ( S i , j ) M , i = 1 . . . N 步骤123检查当前数组是否为始标数组：|A(k,i)-NL(i)|＞d2   i=1..N步骤124若否，则转到步骤122步骤125设置k=k+1步骤126为一个数据周期的N个比特周期的每个比特周期取M个数字样值
S(i,j),j=1..M,然后为每个比特周期计算平均值： A ( k . i ) = Σ j = 1 M S ( i , j ) M , i = 1 . . . N 步骤127检查当前数组是否为始标数据：|A(k,i)-NL(i)|＞d2   i=1..N步骤128若否，则结束本过程步骤129若k＜P，则转到步骤125步骤12a为每个比特周期计算平均信号电平P(i)： P ( i ) = Σ k = 1 p A ( k , i ) P , i = 1 . . . N 步骤12b为每个比特周期计算自适应阈值TH(i)：NL(i)+P(i)TH(i)=2          i=1 ..N
图13是接收机20的数据检测器2a使用的数据变换过程130，该过程通过使用由过程120产生的各个自适应阈值TH(i)，i=1..N而把由过程120检测的一数据包中的所有数据块数组变换成比特数组。首先对每个比特周期的各数据样值取平均值，然后将其与产生一个数据比特用的自适应阈值作比较。当检测到该数据包的各结束符数组时，就结束过程130。步骤131为一个数据周期的N个比特周期的每个比特时段取M个数字样值
S(i,i),i=1..M，然后为每个比特时段计算数据比特B(i)：
Figure C9619715900122
步骤132为进一步处理而存储比特数组B(i),i=1..N步骤133重复步骤131和132直到检测到当前数据包的各个结束符数组

Claims (21)

1．一种把从内有周期波(30)的媒体中接收的已调制信号(51)变换成数据比特的接收机(20)，其中把在所述周期波(30)的每个波周期内的预定数据周期(34)用于数据通信，其中每个数据周期(34)包括至少一个预定的比特周期并且在一个数据周期(34)的所述比特周期内接收所述已调制信号(51)，其中所述接收机(20)包括：
同步设备(22)，用于使所述周期波同步且当检测到波周期时产生同步信号(32)；
信号变换器(29)，用于把在每个同步信号(32)之后的数据周期的所述比特周期内包含的信号变换成数字样值；
阈值设备(2e)，用于根据从多个数据周期(T)的所述比特周期变换成的数字样值而产生自适应阈值；以及
数据检测设备(2a)，用于通过使用所述自适应阈值而把从所述已调制信号(51)变换成的数字样值变换成所述数据比特。
2．如权利要求1所述的接收机，其中所述媒体是具有周期波(30)的交流电的输电线，且其中所述同步设备是检测所述输电线的过零点的和当检测到过零点(31)时产生同步信号(32)用的所述过零检测器(22)。
3．如权利要求2所述的接收机，其中所述预定的数据周期(34)大致等于输电线电压从0伏变化到+12伏或-12伏的时期。
4．如权利要求2所述的接收机，其中所述预定的数据周期(34)大致等于输电线电压从0伏变化到卤素灯适配器的工作电压的时期。
5．如权利要求1所述的接收机，其中从所述已调制信号(51)变换成的各个数字样值首先进行平均然后与产生所述数据比特用的所述自适应阈值作比较。
6．如权利要求1所述的接收机，其中所述已调制信号(51)是幅移键控信号且其中所述信号变换器(29)包括把所述幅移键控信号解调成包络信号的解调器(26)及把所述包络信号数字化成数字样值的模数(A/D)变换器(27)。
7．如权利要求1所述的接收机，其中所述阈值设备(2e)首先通过使用多个数据周期(34)的所述比特周期的数字样值而产生所述比特周期的平均噪声和信号电平，然后通过使用所述平均噪声和信号电平而产生所述自适应阈值。
8．如权利要求7所述的接收机，其中所述自适应阈值大致等于所述比特周期的平均噪声电平和平均信号电平的平均值。
9．如权利要求1所述的接收机，其中，所述信号变换器(29)包括：
连接到所述媒体的解调器(26)，其中构成所述解调器(26)以提供与调制在所述周期信号(30)上的数据相应的模拟信号；
连接到所述解调器(26)的变换器(27)，其中构成所述变换器(27)以提供从所述解调器(26)来的所述模拟信号的数字表示；以及
连接到所述变换器(27)和所述同步器(22)的样值收集器(2d)，其中构成所述样值收集器(2d)以存储所述数字表示。
10．如权利要求9所述的接收机，其中，所述阈值设备(2e)首先通过使用多个数据时段的所述比特时段的数字样值而产生所述比特的平均噪声和信号电平，然后通过使用所述平均噪声和信声电平而产生所述自适应阈值。
11．如权利要求9所述的接收机，其中所述自适应阈值大致等于所述比特时段的平均噪声电平和平均信号电平的平均值。
12．如权利要求9所述的接收机，其中使用微处理器(28)来实现所述样值收集器(2d)、所述阈值设备(2e)和所述检测设备(2a)。
13．一种把从内有周期波(30)的媒体中接收的已调制信号(51)变换成数据比特的方法，其中把在所述周期波(30)的每个波周期内的预定数据周期(34)用于数据通信，其中每个数据周期(34)包括至少一个预定的比特周期并且在一个数据周期(34)的所述比特周期内接收所述已调制信号(51)，其中所述方法包括：
使所述周期波(30)同步且当检测到波周期时产生同步信号(32)；
把在每个同步信号(32)之后的数据周期(34)的所述比特时段内包含的信号变换成数字样值；
根据从多个数据周期(34)的所述比特周期变换的数字样值而产生自适应阈值；以及
通过使用所述自适应阈值而把从所述已调制信号(51)变换的的数字样值变换成所述数据比特。
14．如权利要求13所述的方法，其中所述媒体是具有周期波(30)的交流电的输电线且所述交流电通过检测其过零点(31)而得到同步，其中当检测到过零点(31)时产生所述同步信号(32)。
15．如权利要求13所述的方法，其中所述已调制信号(51)的各个数字样值首先进行平均然后与产生所述数据比特用的所述自适应阈值进行比较。
16．如权利要求13所述的方法，其中所述已调制信号是幅移键控信号，该幅移键控信号首先由解调器(26)解调成包络信号然后由模数(A/D)变换器(27)数字化成所述数字样值。
17．如权利要求13所述的方法，其中首先通过使用多个数据周期(34)的所述比特周期的数字样值而产生所述比特周期的平均噪声和信号电平，然后通过使用所述平均噪声和信号电平而产生所述自适应阈值。
18．如权利要求17所述的方法，其中所述自适应阈值大致等于所述比特周期的平均噪声电平和平均信号电平的平均值。
19．如权利要求17所述的方法，其中所述比特周期的平均噪声电平相当于所述数据比特的逻辑0，所述比特周期的平均信号电平相当于所述数据比特的逻辑1，其中在所述比特周期中保持数据透明性，该透明性保证通过所述比特周期发送的连续逻辑1比特的个数不大于最大长度。
20．如权利要求19所述的方法，其中所述比特周期的平均噪声电平通过对从第一预定个数的所述比特周期中接收的各个数字样值取平均值而产生，而且其中所述第一预定个数的比特周期的每一个比特周期中的各个数字样值的平均值与所述平均噪声电平之差在第一预定公差之内，而且所述第一预定个数大于所述数据透明性的所述最大长度。
21．如权利要求20所述的方法，其中所述比特周期的平均信号电平通过对从第二预定个数的所述比特周期接收的各个数字样值取平均值而产生，而且所述第二预定个数的所述比特周期的每一个比特周期中的各个数字样值的平均值大于所述平均噪声电平加上第二预定公差，且其中所述第一预定个数大于所述第二预定个数，所述第二预定个数又大于所述数据透明性的所述最大长度。
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