CN108306657A - 一种电力线载波通信方法 - Google Patents

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候耀东
衣宏昌
周泊峰
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    • H04L27/2602—Signal structure

Abstract

本发明提出一种电力线载波通信方法主体构成有三部分：上位机(PC)，载波通信模块和低压电力线缆。系统分为：硬件设计和软件实现。硬件部分主要是电力线载波通信模块的设计，采用DSP+AFE031的思路，并辅以各种搭载电路，大致分为发送、接收和耦合三种主控电路。软件部分的实现主要涉及到系统初始化配置、OFDM调制解调模块和资源优化分配算法。在整个通信系统中，DSP既作为系统的控制核心，负责数据的收发和控制，同时还作为系统的数据处理核心，完成数据的OFDM调制解调和资源优化分配算法。

Description

一种电力线载波通信方法
技术领域
本发明提出一种电力线载波通信方法,应用于能源监控领域的电力线载波通信，涉及电力及通信技术应用领域。
背景技术
伴随着“统一坚强智能电网规划”政策的出台，智能电网俨然已成为大势所趋，引起了广大学者的关注。坚强智能电网将特高压电网作为骨干网架，涉及了电能的发、输、变、配、用和调度等多个环节，涵盖全部等级电压，真正完成了电网和信息网的无缝连接。其中，作为坚强智能电网最核心的环节——高级计量架构，其重要作用在远程实时监控、配电自动化以及DSM(需求侧管理)等中尤为突出。而AMI的构建过程中，关键问题在于如何在计量终端和信息集中器之间建立固定的双向通信网络系统。
从配电网电力线载波通信实际出发，针对PLC系统中诸多约束限制的多用户混合业务动态资源分配模型，提出一种基于资源因子和改进比例公平的动态资源优化分配方案，以保证用户服务质量并在兼顾容量公平性原则下提高系统吞吐量，并尽量降低算法的复杂度。
发明内容
本发明提出一种电力线载波通信方法主体构成有三部分：上位机(PC)，载波通信模块和低压电力线缆。系统分为：硬件设计和软件实现。硬件部分主要是电力线载波通信模块的设计，采用DSP+AFE031的思路，并辅以各种搭载电路，大致分为发送、接收和耦合三种主控电路。软件部分的实现主要涉及到系统初始化配置、OFDM调制解调模块和资源优化分配算法。在整个通信系统中，DSP既作为系统的控制核心，负责数据的收发和控制，同时还作为系统的数据处理核心，完成数据的OFDM调制解调和资源优化分配算法。
整个PLC系统以AFE031载波模块为中心单元，这里的硬件设计主要指该部分的设计。该模块主要是DSP主控器和模拟前端(AFE,AnalogFront-End)组成。如附图1所示，DSP作为控制核心，主要处理调制解调等信号，同时还需实现多用户资源分配算法。因此选择TI公司高性能的TMS320F28335芯片作为处理器，其支持浮点运算且具有很强的数据处理能力。
模拟前端AFE用于信号的A/D、D/A转换，滤波以及功率放大、耦合等，TI最新研制的高性能集成芯片AFE031，适用于各种有关模拟信号调理的应用，其特点是通过功率放大电路可以得到高达1.5A的电流，以此来驱动较低的电力线阻抗，同时，它还可以检测经电网衰减后的微弱信号(最低RMS20μV)。而且能够被核心MCU无缝的链接和驱动。DSP处理器与模拟前端AFE通过SPI接口进行通信，主要用于配置模拟前端AFE的工作模式和传送调制解调信号,设计模拟前端硬件电路，分为发送链路和接收链路。
发送链路电路图可表示为图2，AFE031内部PA输出的信号经过LC串联谐振电路传输到耦合变压器原端，其中，C3是低压电容，要求具有较低的阻抗可以通过所需频带内信号，其参考值为10μF。除此之外，发送链路中还包含保护元件，如附图中D1为齐纳管，D2和D3是肖特基管，D4为瞬态电压抑制器(TVS)。稳态时，C3会被充电至约为供电电压一半的电平；当电力线上出现浪涌时，TVS管会将此浪涌钳位至其击穿电压。变压器高压侧的6R为金属氧化物压敏电阻，起保护电路作用。4R和7R是为了阻抗匹配而设计的。
接收模块AFE031内置的接收链路由Rx_PGA1、Rx_PGA2和Rx_Filter组成。其中Rx_PGA1、和Rx_PGA2的增益值通过SPI接口配置寄存器来调节，除增益放大外还可滤除带外干扰。Rx_Filter是内部配置的四阶低通滤波器，其通频带可以选择CENELEC_A或者CENELEC_B\C\D。
接收信号在进入AFE031内部低通滤波器之前，需设置一个带通滤波器来滤除接收信号中带宽之外的信号。分别用电流和电压谐振电路构成一个四阶带通滤波器组。
OFDM调制解调部分是整个系统信号处理的核心所在，整体的框图如附图4所示，该流程为PRIME标准中规定的结构。根据PRIME标准，设置带宽范围是42-89kHz，采样频率250kHz，FFT采样个数是512，循环前缀采样个数是48，载波数是97(96个数据和1个导频)。其中，卷积编码和扰频技术作为信号处理过程中的前向编码技术，目的是在信道条件差的情况下降低接收误码率。PRIME标准相关的现场测试表明，在信道条件较好的情况下，不采用编码和扰频技术仍可以获得较好的系统性能，因此，是否采用前向纠错技术是可选择的，而且是由上层(MAC层)自适应的决定是否使用。
子载波数据调制解调模块根据动态资源分配算法的不同结果，子载波选取相应的调制方式。下图5是根据资源分配的结果对输入数据进行相应的调制，由图可以看到，调制阶数增加，调制后单位数据携带的信息也随之增加，对应的传输速率也变快，但在接收端解调的难度增加，导致误码率对应变高。PRIME标准中调制方式多是DBPSK、DQPSK和D8PSK，以DBPSK方式最为简便易操作，其他更高阶的调制方式可以采用相同的处理方法。DBPSK调制方式的优点在于接收端不需要恢复相干的参考信号，极大的降低了接收机的设计难度。DBPSK调制下先要对数据进行差分编码，其原理为：a(n)=a(n−1)+b(n)。
OFDM调制解调模块中的核心部分就是发送端的IFFT和接收端的FFT。IFFT/FFT变换可以有效降低由多径衰落带来的信号失真，并且难度较低。因为DSP中的D/A转换只能处理实数数据，因此这里在IFFT变换之前需要对数据进行“镜面”处理，即在频域构造一组对称的共轭信号旨在获得时域的实数信号，便于D/A转换。如下图6所示，假设有N个复数要进行IFFT变换，在变换之前对N个复数人为添加一组对称的共轭复数，这样IFFT变换之后就可以得到实数的值。
电力线通信中，由于多径效应及时延扩展可能会引起相邻OFDM符号间干扰问题，甚至会影响子载波相互间的正交性。因此，这里引入循环前缀模块。该模块是在数据进行IFFT运算后，将OFDM数据帧末尾一小段数据块复制到符号开头作为保护间隔，亦称为循环前缀。循环前缀的引入可以有效的避免码间干扰和信道间干扰问题，其时间长度的选取决定于信道的最大延迟时间。根据PRIME标准，循环前缀长度取48，即在FFT变换后的OFDM帧中，将最后的48位数据复制到最前端，形成循环的OFDM数据帧，其变换如附图7所示。由于CP的插入增加了OFDM符号长度，进而导致信息速率的减小。但考虑到插入CP带来的多重优势，因而信息速率的损耗也在可接受范围内。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1电力线载波通信模块结构框图。
图2发送部分电路图。
图3接收部分带通滤波器电路图。
图4 OFDM调制解调整体框图。
图5比特分配结果用于调制解调示意图。
图6对称共轭操作。
图7插入循环前缀的模块结构 。
具体实施方式
整个PLC系统以AFE031载波模块为中心单元，这里的硬件设计主要指该部分的设计。该模块主要是DSP主控器和模拟前端(AFE,AnalogFront-End)组成。如附图1所示，DSP作为控制核心，主要处理调制解调等信号，同时还需实现多用户资源分配算法。因此选择TI公司高性能的TMS320F28335芯片作为处理器，其支持浮点运算且具有很强的数据处理能力。
模拟前端AFE用于信号的A/D、D/A转换，滤波以及功率放大、耦合等，TI最新研制的高性能集成芯片AFE031，适用于各种有关模拟信号调理的应用，其特点是通过功率放大电路可以得到高达1.5A的电流，以此来驱动较低的电力线阻抗，同时，它还可以检测经电网衰减后的微弱信号(最低RMS20μV)。而且能够被核心MCU无缝的链接和驱动。DSP处理器与模拟前端AFE通过SPI接口进行通信，主要用于配置模拟前端AFE的工作模式和传送调制解调信号,设计模拟前端硬件电路，分为发送链路和接收链路。
发送链路电路图可表示为图2，AFE031内部PA输出的信号经过LC串联谐振电路传输到耦合变压器原端，其中，C3是低压电容，要求具有较低的阻抗可以通过所需频带内信号，其参考值为10μF。除此之外，发送链路中还包含保护元件，如附图中D1为齐纳管，D2和D3是肖特基管，D4为瞬态电压抑制器(TVS)。稳态时，C3会被充电至约为供电电压一半的电平；当电力线上出现浪涌时，TVS管会将此浪涌钳位至其击穿电压。变压器高压侧的6R为金属氧化物压敏电阻，起保护电路作用。4R和7R是为了阻抗匹配而设计的。
接收模块AFE031内置的接收链路由Rx_PGA1、Rx_PGA2和Rx_Filter组成。其中Rx_PGA1、和Rx_PGA2的增益值通过SPI接口配置寄存器来调节，除增益放大外还可滤除带外干扰。Rx_Filter是内部配置的四阶低通滤波器，其通频带可以选择CENELEC_A或者CENELEC_B\C\D. CENELEC_A截止频率为90KHZ, CENELEC_B\C\D截止频率为145KHZ。
接收信号在进入AFE031内部低通滤波器之前，需设置一个带通滤波器来滤除接收信号中带宽之外的信号。分别用电流和电压谐振电路构成一个四阶带通滤波器组。根据系统频带参数，设滤波中心频点为 60k Hz。

Claims (5)

1.本发明提出一种电力线载波通信方法,主体构成有三部分：上位机(PC)，载波通信模块和低压电力线缆，分为：硬件设计和软件实现，硬件部分主要是电力线载波通信模块的设计，采用DSP+AFE031的思路，并辅以各种搭载电路，大致分为发送、接收和耦合三种主控电路，软件部分的实现主要涉及到系统初始化配置、OFDM调制解调模块和资源优化分配算法。
2.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信方法,以AFE031载波模块为中心单元，这里的硬件设计主要指该部分的设计,该模块主要是DSP主控器和模拟前端组成，DSP作为控制核心，主要处理调制解调等信号，同时还需实现多用户资源分配算法。
3.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信方法,发送链路电路图中AFE031内部PA输出的信号经过LC串联谐振电路传输到耦合变压器原端。
4.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信方法,接收模块AFE031内置的接收链路由Rx_PGA1、Rx_PGA2和Rx_Filter组成，其中Rx_PGA1、和Rx_PGA2的增益值通过SPI接口配置寄存器来调节，除增益放大外还可滤除带外干扰，Rx_Filter是内部配置的四阶低通滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信方法,接收信号在进入AFE031内部低通滤波器之前，设置一个带通滤波器来滤除接收信号中带宽之外的信号，分别用电流和电压谐振电路构成一个四阶带通滤波器组。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110138418A (zh) * 2019-05-30 2019-08-16 磐基技术有限公司 一种支持多用户同时接入的有线通信装置
CN110474717A (zh) * 2019-08-26 2019-11-19 江西省计量测试研究院 一种用于泛在电力物联网通信的物理层安全技术

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