CN108306721A - 一种通信频段检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信频段检测方法和装置，该方法包括：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；根据该前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据该通信频段编号获取该接收信号的信号频段。

Description

一种通信频段检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种通信方法，具体涉及一种通信频段检测方法和装置。

背景技术

近些年，各公司开始研发和试生产宽带电力线载波通信产品。这些通信产品普遍采用基于OFDM调制解调方式的通信技术。宽带OFDM技术的优点一方面是通信速率大大提高，另一方面，当通信设备检测到信道在某些载波上有衰减(通常它们所占的带宽小于通信带宽)时，发信端可以减少在这些载波上信息的传输速率(采用低阶的调制方式，比如别的载波用16QAM，这个载波用QPSK)，甚至不在这些载波上传输信息，以达到提高通信可靠性的目的。图1是本发明实施例的OFDM物理帧示意图，如图1所示，在宽带载波通信协议中，每个物理帧的报文都包括前导部分和数据部分，前导部分可以称为前导码，或者前导信号，由前导符号组成，前导部分的作用是帮助接收端进行自动增益控制，定时同步(帧头检测和定时同步)，信道估计(包括频偏检测，给相干解调或差分解调提供初始相位参考，以及将各载波信道质量反馈发端以便发动进行传输比特加载)。

实用中由于通信频段常常变换，前导部分还用于实时检测所使用的通信频段。通常的检测的方法分为两步：第一步先进行帧头检测，得到帧头的粗略定时，常用方法有三种：

1.采用在全频段范围内信号强度检测的办法，根据信号强度和平时噪声的强度不同得到帧头位置。

2.利用前导符号周期重复的特性做非相干检测，如果前后两个时间相差一个符号的输入段具有相关性，则帧头检测完毕。

3.用本地产生的全频段的原始前导时域信号对接收到的信号做相关操作。

第二步做通信频段检测。现有技术下，收端通常是根据不同频段所使用了不同的载波这一特性，对收到的信号做FFT变换，在频域对全部或部分载波进行信号强度检测。比如如果要区别国标11612两种通信频段(载波编号80到480，和载波编号100到230)，可以检测载波编号80到99上是否有有用信号，或载波编号231到480上是否有有用信号。

发明内容

目前的在通信频段检测时，采用信号强度的办法可靠性很低，特别是在低信噪比的情况和存在信道衰减的情况下。原因在于，采用频谱测量的方法，信号的频谱常常被噪声淹没。本发明采用相关的方法甄别不同的通信频段。为解决待甄别的频段存在重叠的子载波分量时，相关输出特异性不高的问题，本发明重新构建通信系统中的前导符号，所有的子载波在所有的频段中都有不同的波形。

OFDM系统的时域前导符号波形由一系列不同初始相位，不同频率(对应于各个子载波频率)的余弦波形叠加而成。现有技术中，每个子载波在不同频段中的初始相位是一样的。假定一个前导符号一共有N个样值，在某个通信系统中，这个前导符号定义为：

其中，C为可用的子载波集合。为子载波K的初始相位，为子载波K的初始相位编号，取值范围0～15。前导符号一般可以由IFFT变换得到。复信号X(k)的IFFT的公式为：

如果

可以得到：

即，前导符号可以X(k)的IFFT变换取实部得到。以前的OFDM系统，每个子载波对应的余弦波初始相位是固定的。根据需要的不同，发端选择不同的频段通信，这些频段就是不同的子载波的组合。如果两者频段都包含某些子载波，则这些子载波是完全一样的。这样使用不同频段的前导其时域波形完全不同，而接收端采用多个完全不同的相关信号(对应于不同的频段的前导波形)对接收到的信号分别进行相关操作。对使用不同相关序列的相关结果分别进行峰值检测。

现有技术中，由于所有的通信频段中，各个载波的通信初始相位是不变的，而帧头检测时，收发两端只需要较少的存贮器存储初始相位。对于使用不同频段的前导信号，都可以用相同的信号作相关，有效降低运算量。但采用全频段信号对部分频段信号进行检测，由于输入信号中没有承载信号的频段中只有噪声，帧检测的性能会造成部分影响。

在本发明中，为了增加不同通信频段时域波形的特异性，系统前导由不同的子载波组合构成。每个子载波可能用在不同的通信频段里，在不同的频率组合里，给每个子载波设置不同的初始相位。第1个频段的前导符号的N个样值可以由如下公式定义。

L为系统所定义可以使用的通信频段的个数。同样的，其时域前导符号也可以由IFFT变换得到：

其中

这样使用不同频段的前导其时域波形完全不同，即使某两个频段都包含同样的子载波，该子载波在两个不同的频段中的时域分量也完全不同，便于接收端进行频段检测。在接收端采用多个完全不同的相关信号(对应于多个频段的前导波形)对接收到的信号分别进行相关操作。对多个相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，从其对应的前导符号编号可得到通信采用的信号频段。其最大峰值的位置可得到帧头的精确定时信息。

上述的相关操作可以提供精确的帧头定时，但是运算量较大。为降低整个系统的运算量，可以先进行前述的帧头检测，在发现帧头以后，再采用该的相关操作，检测通信频段。

本发明实施例提供一种通信频段检测方法和装置，提高通信频段的检测性能。

本发明实施例提供一种通信频段检测方法，包括：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，该前导符号用于收端检测通信频段，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同。

进一步地，该方法还包括：发送包含该前导信号的通信帧。

进一步地，该子载波集合中的子载波的初始相位根据伪随机序列映射得到。

进一步地，该前导符号实时生成。

本发明实施例提供一种通信频段检测方法，包括：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；根据该前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据该通信频段编号获取该接收信号的信号频段。

进一步地，根据该最大峰值的位置获取帧定时信息。

本发明另外一方面提供一种前方符号检测装置，包括处理器和存储器，该处理器和该存储器相连接，该存储器用于存储处理器可执行命令，该处理器用于处理该处理器可执行命令，以使得该装置可以执行以下动作：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，该前导符号用于收端检测通信频段，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；发送包含该前导信号的通信帧。

本发明另外一方面还提供一种前方符号检测装置，包括处理器和存储器，该处理器和该存储器相连接，该存储器用于存储处理器可执行命令，该处理器用于处理该处理器可执行命令，以使得该装置可以执行以下动作：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；根据该前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据该通信频段编号获取该接收信号的信号频段。

通过对前导符号的精心设计，通过对不同的子载波组合成前导序列，且不同子载波组合中相同频率的子载波也具有不同初始相位，可以大大提高前导序号的特异性。发端根据通信频段按照预定规则发送前导序列，收端按照同样的规则生成前导序列进行测试，直到检测到发端发送的前导序列为止。本发明大大提高了在噪声下的频段和帧头检测的可靠性和实时性，网络节点可以实时检测发端使用的通信频段以提高电力线通信帧检测的实时性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的OFDM物理帧示意图；

图2是本发明实施例的一种通信频段检测方法流程图；

图3是本发明实施例的一种通信频段检测方法发送端示意图；

图4是本发明实施例一种通信频段检测方法接收端示意图；

图5是本发明实施例随机相位前导符号的自相关和互相关性能计算机仿真图；

图6是本发明实施例频率域两个不同频段前导符合的计算机仿真图；

图7是本发明实施例采用相关的方法检测前导频段的计算机仿真图；

具体实施方式

本发明提供一种通信频段检测方法，图2是本发明实施例的一种通信频段检测方法流程图，该流程图展示了发端的操作流程，如图2所示，

S202：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，该前导符号用于收端检测通信频段，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同。

S204：发送包含该前导信号的通信帧。

在本发明中，为了增加不同频段波形的特异性，系统前导由不同的子载波组合构成。每个子载波可能用在不同的通信频段里，在不同的频率组合里，给每个子载波设置不同的初始相位。第1个频段的前导符号的N个样值可以由如下公式定义。

L为系统所定义可以使用的通信频段的个数。同样的，其时域前导符号也可以由IFFT变换得到：

其中

这样使用不同频段的前导其时域波形完全不同，即使某两个频段都包含同样的子载波，该子载波在两个不同的频段中的时域分量也完全不同，便于接收端进行频段检测。在接收端采用多个完全不同的相关信号(对应于多个频段的前导波形)对接收到的信号分别进行相关操作。对使用不同相关序列的相关结果分别进行峰值检测。每一次相关序列产生的峰值中最大的序列编号可以得到发端信号的频段，而该峰值的位置则可以得到帧头的定时。

进一步地，该子载波集合中的子载波的初始相位根据伪随机序列映射得到。

为构造不同通信频段的载波初始相位，可以使用不同的伪随机序列。伪随机序列的个数众多，实现简单。通过仿真，我们可以看到伪随机序列构成的前导序列具有非常好的自相关和互相关特性。自相关特性好的序列其相关结果只有单个主峰值，副峰值相当小，这样检测的定时准确。互相关特性好的序列便于区别不同的序列，使得通信频段检测的结果更为可靠。

进一步地，为减少在收端和发端需要存贮的对应于不同通信频段的前导的时域波形和频域初始相位，这些前导序列可以实时生成。

图3是本发明实施例的一种通信频段检测方法发送端示意图，如图3所示，发端根据不同的频段要求，产生不同的时域前导符号。以国标11612-2016标准为例，频段代号1的频段范围为1.953～11.96MHZ，对应于25MHZ采样率，1024点FFT的系统，其子载波起始编号为80，截止编号为490。频段代号2的频段范围为2.441～5.615MHZ，其子载波起始为100，截止为230。初始相位编号生成包括根据频段代号产生512个初始相位编号，每个编号取值范围0～15。512个编号可以用伪随机数的产生的办法产生。比如采用m序列产生电路产生512＊4个2进制比特，每4比特表示一个多进制值范围为0～15。m序列的产生由其多项式和初始值唯一确定。(伪随机数产生应该是本行业人员的常识)频段屏蔽的功能是将产生的512个初始相位编号进一步按照公式(3)的方法产生IFFT变换的输入。其中没有用到的子载波需要被设为0。最后一步是IFFT变换，其实部输出最为前导符号。整个通信帧的前导部分由多个前导符号组成。

图4是本发明实施例一种通信频段检测方法接收端示意图，为了确定发端采用的频段，需要对接收的信号分别用所有可能的频段代号相对应的前导符号进行相关操作。在示意图中收端同时检测L个不同的频段。如果可用的频段个数较多，为确定频段所需要的运算量非常大。为减少运算量，收端先进行帧头检测，待检测到有通信帧的时候，才开始频段检测。

具体而言，本发明实施例提供一种通信频段检测方法，包括：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；根据该前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据该通信频段编号获取该接收信号的信号频段。

综合来说，发端和终端相互配合完成了频段的检测工作：

STEP 1：发端根据序列编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；

STEP 2：通信系统的发端根据通信频段产生包含该前导信号的通信帧。

STEP 3：收端进行帧头检测，得到粗略帧头定时(该操作为减少运算量)

STEP 4：收端也采用不同频段编号的前导信号对接收的信号进行相关操作。对多个相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，从其对应的前导符号编号可得到通信采用的信号频段。其最大峰值的位置可得到帧头的精确定时信息。

本发明还提供一种优选实施例仿真结果，前导参数(除了初始相位)符合国标11612-2016标准，FFT长度1024，使用子载波80～490，抽样速率25MHZ。和国标不同的是，这里采用伪随机码作为初始相位，前导符号的自相关特性和互相关特性在这个仿真中使用了两个伪随机码。用这两个伪随机码分别产生两个前导符号。然后用这两个前导符号重复各重复4次作为前导序列(仿真的开始和序列的开始不一致)。这两个序列的频段都是从80到490。图6是本发明实施例随机相位前导符号的自相关和互相关性能仿真图，如图6所示，图6(a)是第一个前导序列和第一个前导符号的相关结果。(b)是第一个前导序列和第二个前导符号的相关结果。(c)是第二个前导序列和第一个前导符号的相关结果。(d)是第二个前导序列和第二个前导符号的相关结果。由此可见采用伪随机序列作为前导的初始相位的前导符号，其自相关和互相关特性良好。

本发明还提供一种优选实施例仿真，在50％重叠的两个不同频段，采用国标11612-2016标准的初始相位，有两个频段，一个是从80到280(对应频率从1.95Mhz到6.34Mhz)，第二个序列的频段事从180到380(对应频率从4.40Mhz到9.28Mhz)。SNR＝3dB。图7是本发明实施例频率域两个不同频段前导符合的仿真图，如图7所示，图7(a)是第一个频段的频率域仿真图，(b)是第二个频段的频率域仿真图。从此图可以看出采用载波信号强度的方法检测频段，在低信噪比情况是非常不可靠的。

图7是本发明实施例采用相关的方法检测前导频段的仿真图，如图7所示：图7(a)是第一个前导序列和第一个前导符号的相关结果。图7(b)是第一个前导序列和第二个前导符号的相关结果。图7(c)是第二个前导序列和第一个前导符号的相关结果。在SNR＝3的相同情况下，可以看出，采用序列相关的办法检测可以较为可靠的检测出前导所使用的频段。

本发明还提供一种前方符号检测装置，包括处理器和存储器，该处理器和该存储器相连接，该存储器用于存储处理器可执行命令，该处理器用于处理该处理器可执行命令，以使得该装置可以执行以下动作：

根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，该前导符号用于收端检测通信频段，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；发送包含该前导信号的通信帧。

本发明还提供一种前方符号检测装置，包括处理器和存储器，该处理器和该存储器相连接，该存储器用于存储处理器可执行命令，该处理器用于处理该处理器可执行命令，以使得该装置可以执行以下动作：根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据该子载波集合生成前导符号，其中，不同该子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同，根据该前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据该通信频段编号获取该接收信号的信号频段。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种通信频段检测方法，其特征在于，包括：

根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据所述子载波集合生成前导符号，所述前导符号用于收端检测通信频段，其中，不同所述子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：发送包含所述前导信号的通信帧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子载波集合中的子载波的初始相位根据伪随机序列映射得到。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前导符号实时生成。

5.一种通信频段检测方法，其特征在于，包括：

根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据所述子载波集合生成前导符号，其中，不同所述子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；

根据所述前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据所述通信频段编号获取所述接收信号的信号频段。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述最大峰值的位置获取帧定时信息。

7.一种前方符号检测装置，包括处理器和存储器，所述处理器和所述存储器相连接，所述存储器用于存储处理器可执行命令，所述处理器用于处理所述处理器可执行命令，以使得所述装置可以执行以下动作：

根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据所述子载波集合生成前导符号，所述前导符号用于收端检测通信频段，其中，不同所述子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；

发送包含所述前导信号的通信帧。

8.一种前方符号检测装置，包括处理器和存储器，所述处理器和所述存储器相连接，所述存储器用于存储处理器可执行命令，所述处理器用于处理所述处理器可执行命令，以使得所述装置可以执行以下动作：

根据通信频段编号生成具有多个不同频率子载波的子载波集合，根据所述子载波集合生成前导符号，其中，不同所述子载波集合中相同频率子载波的初始相位不同；

根据所述前导符号与接收信号进行相关运算，对相关结果进行峰值检测，其最大的峰值超过预定阈值时，根据所述通信频段编号获取所述接收信号的信号频段。