基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法及系统
技术领域
本发明是关于电力线载波通信技术领域,特别是关于一种基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法及系统。
背景技术
对低压配电网来说,电力线载波通信一般具有以下特点:1)通信信道的时变性,由于低压配电网中存在负荷情况非常复杂、负载变化幅度大、噪声种类多且强等特点,各节点阻抗不匹配,信号很容易产生反射、驻波、谐振等现象,使信号的衰减变得极其复杂,造成电力载波通信信道具有很强的频率选择性。2)噪声干扰强而信号衰减大,一般来说,影响电力通信噪声主要有以下三种,即背景噪声、周期性噪声和突发性噪声。正是因为具有上述特点,使得电力载波通信在实际应用过程中一直面临着可用性与可靠性的考验。
针对电力线信道的测量,其中一种传统的方法是采用矢量网络分析仪对发送和接收端的网络传输特性进行测量,然而该方法只能测量距离较近的两个测量点之间的衰减,实际电力线传输往往收发端之间处在不同位置,该方法就不能适用。另一种传统的方法是在发送端发送一个扫频的正弦信号,在接收端采用频谱仪接收信号的幅值,采用最大保持获得信道传输特性。然而该方法容易受到电力线噪声的影响,当接收信号淹没在电力线噪声时,无法获得信道测量的结果。另一方面,信道测量的范围受到正弦信号的发送功率和接收端噪声的限制,当信道衰减较大时,很难获得准确的测量结果,而且随着电力线阻抗的变化,扫频的正弦信号容易出现过载、失真等问题。
专利CN 102833207 A公开了一种应用于OFDM系统的信道测量方法和装置,该装置需要在接收端与发送端完成同步后,在相应的时隙内完成测量信号的有效抓取,并采用滑动相关检测的方法检测相关峰,用于信道特性的研究。然而,信号同步对接收信号的信噪比要求高,而实际电力线信道测量中,往往需要在高噪声环境和低信噪比情况下的信道测量,因此该专利的方法具有很大的局限性。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法及系统,其能够通过正交扩频序列提高接收功率测量的信噪比和分辨率,大大抵消了电力线噪声的影响。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法,包括如下步骤:
发送端控制单元根据测量范围和精度要求,生成频点f和输出幅度A的测试向量V,其中:
V=[(fo,A0),(f1,A1),……(fi,Ai),……(fN,AN)];
扩频调制单元根据测试向量V以一定的时间间隔Ts依次设置调制信号的频率、幅度,进行扩频序列调制,以获得第一输出信号;
发送端耦合单元将扩频调制单元的第一输出信号注入被测试信道的输入端;
接收端耦合单元从被测试信道接收测量信号,并输出第二输出信号;
接收端变频处理单元对第二输出信号进行变频处理,并经过低通滤波器后输出变频输出信号;
功率相关计算单元采用和发送端相一致的周期为T的扩频序列分别对变频输出信号进行滑动相关积分运算,并且功率相关计算单元将有效计算结果发送至接收端控制单元;
接收端控制单元,对有效计算结果进行计数和平滑,以得到平滑后的测试结果,并且接收端控制单元根据预先设置的测试向量V,依次对频率点fo,f1,…fi…fN进行切换,接收端控制单元将所有频率点得到的平滑后的测试结果形成被测试信道在频段[fo,fN]的传输特性曲线向量,然后对测量结果进行校准;以及
显示计算机对传输特性曲线向量进行拟合和图形化展示。
在一优选的实施方式中,第一输出信号s(t)根据第一公式获得,其中第一公式为:
s(t)=AiPNI(t)cos(2πfit)+AiPNQ(t)sin(2πfit),并且其中,Ai为发射信号的幅度,PNI(t)、PNQ(t)为周期为T的扩频序列,PNI(t)、PNQ(t)采用不同的本原生成多项式,PNI(t)、PNQ(t)构成优选对使得互相关接近为0,,cos(2πfit)为单频余弦信号,sin(2πfit)为单频正弦信号;
第二输出信号r(t)根据第二公式获得,其中第二公式为:
r(t)=Hi(t)[AiPNI(t)cos(2πfit)+AiPNQ(t)sin(2πfit)]+n(t),并且其中,Hi(t)为频率fi点处的待测试的信道特征函数,n(t)为信道噪声。
在一优选的实施方式中,接收端变频处理单元对第二输出信号进行变频处理,并经过低通滤波器后输出变频输出信号具体为:收端变频处理单元首先采用频率为fi’的正交单频信号cos(2πfi’t+θ)、sin(2πfi’t+θ)进行下变频,其中,θ为接收端和发送端的相位差,此处fi’与fi二者的误差小于0.5ppm,当测量时间比较短时,认为fi’等于fi,,得到变频输出VI(t)、VQ(t)表示为:
经过低通滤波器后输出变频输出信号bI(t)、bQ(t),其中:
在一优选的实施方式中,功率相关计算单元采用和发送端一致的扩频序列PNI(t)、PNQ(t)对所述变频输出信号进行滑动相关积分运算,积分周期为T,其运算为:
其中,Hi(t)在周期为T的相关计算时间内保持不变,设定Hi(t-T+τ)≈Hi(t),而PNI(t)、PNQ(t)采用不同的生成多项式保证其互相关接近为0,即
则运算结果简化为:
在一优选的实施方式中,根据如下公式定义功率相关计算参数P(t):
其中,当发送端和接收端的扩频序列完全同步时,P(t)具有最大值,此时:
在一优选的实施方式中,功率相关计算单元还对时间序列{t0,t1...tj-1,tj,tj+1,...}上的P(tj)进行最大值搜索,设定同步判断的门限参数Ptth,当P(tj-1)<P(tj)>P(tj+1)且P(tj)>P(tth)时,
此时,功率相关计算有最大值Pmax(tj),此时有效计算结果Hi(tj)表示为:
在一优选的实施方式中,收端控制单元对有效计算结果Hi(tj)进行计数和平滑,得到平滑后的测试结果其中tjk为功率相关计算单元中输出的有效计算结果的时间点序列。
在一优选的实施方式中,接收端控制单元根据预先设置的测试向量V,依次对频率点fo,f1,…fi…fN进行切换的切换规则为:根据预先设置的测试向量V,设置切换的频率序列fo,f1,…fi…fN,其中单个频点的工作时间长度为TR;初始化工作在fo,当收到有效的功率相关计算值H0(ti)时,时间记为To,开始计算时间,当t-T0>TR时,切入f1频点接收;依次类推,从fo,f1,…fi…fN进行遍历,其中设置TT>TR,以保证接收端能够提前切入下一个频点进行等待;接收端控制单元,将所有频率点得到的平滑后的测试结果形成被测试信道在频段[fo,fN]的传输特性曲线向量
在一优选的实施方式中,对测量结果进行校准具体为:采用已知传输特性向量为[(f0,HR0),(f1,HR1),…,(fN,HRN)]的标准信道模块接入测试系统,采用上述测试方法测得信道传输特性曲线向量则测量校准向量表示为:
对传输特性曲线向量进行较准,校准后的信道传输特性曲线向量表示为:
本发明还提供了一种基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量系统,该电力线信道传输特性测量系统包括:发送端控制单元、发送端扩频调制单元、发送端耦合单元、接收端耦合单元、接收端变频处理单元、功率相关计算单元、接收端控制单元以及显示计算机;其中,发送端控制单元和扩频调制单元相连,扩频调制单元和发送端耦合单元相连,发送端耦合单元的输出端与被测试信道的输入端相连;被测试信道的输出端和接收端耦合单元相连,接收端耦合单元和变频处理单元相连,变频处理单元和功率相关计算单元相连,功率相关计算单元和接收端控制单元相连,接收端控制单元的输出端和显示计算机相连,并且接收端控制单元的输出端和变频处理单元相连,以控制变频处理单元的频点选择参数。
与现有技术相比,根据本发明的基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法及系统具有如下优点:本发明采用正交扩频序列提高了接收功率测量的信噪比和分辨率,可以有效抵消电力线噪声的影响,测量精度高和测量衰减范围大,可以在一般仪器不能完成测量的极低的信噪比条件下测量;通过特殊设计的信号处理算法,可以抵消接收端和发送端时钟的相位误差的影响,仅需要发送端和接收端频率同步,无需接收端和发送端进行载波相位同步;设计接收端与发送端同步进行频点切换的机制,从而得到信道在一定频段内的信道参数集,然后通过计算机进行曲线拟合显示。本发明测量过程快速,频率范围和分辨率可以参数化设置,以适应不同应用场景的测量要求。同时发送信号幅度可参数化设置,适应在不同阻抗的信道下测量,如阻抗很小的信道,可以适当降低发送信号幅度防止输出饱和过载,从而起到保护作用。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法流程图;
图2是根据本发明一实施方式的扩频调制和变频处理信号图;
图3是根据本发明一实施方式的频率切换和控制扩频调制示意图;
图4是根据本发明一实施方式的基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量系统框图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示,根据本发明优选实施方式的基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量方法包括如下步骤:
步骤101:发送端控制单元根据测量范围和精度要求,生成频点f和输出幅度A的测试向量V,其中:
V=[(fo,A0),(f1,A1),……(fi,Ai),……(fN,AN)];
步骤102:扩频调制单元根据测试向量V以一定的时间间隔Ts依次设置调制信号的频率、幅度,进行扩频序列调制,以获得第一输出信号;
步骤103:发送端耦合单元将扩频调制单元的第一输出信号注入被测试信道的输入端;
步骤104:接收端耦合单元从被测试信道接收测量信号,并输出第二输出信号;
步骤105:接收端变频处理单元对第二输出信号进行变频处理,并经过低通滤波器后输出变频输出信号;
步骤106:功率相关计算单元采用和发送端相一致的周期为T的扩频序列分别对变频输出信号进行滑动相关积分运算,并且功率相关计算单元将有效计算结果发送至接收端控制单元;
步骤107:接收端控制单元,对有效计算结果进行计数和平滑,以得到平滑后的测试结果,并且接收端控制单元根据预先设置的测试向量V,依次对频率点fo,f1,…fi…fN进行切换,接收端控制单元将所有频率点得到的平滑后的测试结果形成被测试信道在频段[bo,fN]的传输特性曲线向量,然后对测量结果进行校准;以及
步骤108:显示计算机对传输特性曲线向量进行拟合和图形化展示。
图2为扩频调制和变频处理信号图,第一输出信号s(t)根据第一公式获得,其中第一公式为:
s(t)=AiPNI(t)cos(2πfit)+AiPNQ(t)sin(2πfit),并且其中,Ai为发射信号的幅度,PNI(t)、PNQ(t)为周期为T的扩频序列,PNI(t)、PNQ(t)采用不同的本原生成多项式,cos(2πfit)为单频余弦信号,sin(2πfit)为单频正弦信号;第二输出信号r(t)根据第二公式获得,其中第二公式为:
r(t)=Hi(t)[AiPNI(t)cos(2πfit)+AiPNQ(t)sin(2πfit)]+n(t),并且其中,Hi(t)为频率fi点处的待测试的信道特征函数,n(t)为信道噪声。
接收端变频处理单元对第二输出信号进行变频处理,并经过低通滤波器后输出变频输出信号具体为:收端变频处理单元首先采用频率为fi’的正交单频信号cos(2πfi’t+θ)、sin(2πfi’t+θ)进行下变频,其中,θ为接收端和发送端的相位差,此处通过采用恒温晶振、温补晶振、外接导航信号等措施保证fi’与fi二者的误差小于0.5ppm,当测量时间比较短时,可以认为fi’近似等于fi,得到变频输出VI(t)、VQ(t)表示为:
经过低通滤波器后输出变频输出信号bI(t)、bQ(t),其中:
进一步地,功率相关计算单元对变频输出信号进行滑动相关积分运算,采用和发送端一致的周期的为N的扩频序列PNI(t)、PNQ(t)分别对bI(t)、bQ(t)进行滑动相关积分运算,积分周期为T,运算结果如下:
其中,由于相关计算测试时间很短,可以近似认为在周期为T的相关计算时间内保持不变,即设定Hi(t-T+τ)≈Hi(t),而PNI(t)、PNQ(t)采用不同的生成多项式保证其互相关接近为0,即
则运算结果简化为:
同理,可以获得:
在一优选的实施方式中,根据如下公式定义功率相关计算参数P(t):
其中,由于PNI(t)、PNQ(t)具有良好的自相关特性,当发送端和接收端的扩频序列完全同步时,P(t)具有最大值,此时:
进一步地,功率相关计算单元还对时间序列{t0,t1…tj-1,tj,tj+1,…}上的P(tj)进行最大值搜索,设定同步判断的门限参数Pth,当P(tj-1)<P(tj)>P(tj+1)且P(tj)>Pth时,
此时,功率相关计算有最大值Pmax(tj),此时有效计算结果Hi(tj)可以表示为:
进一步地,收端控制单元对有效计算结果Hi(tj)进行计数和平滑,得到平滑后的测试结果其中tjk为功率相关计算单元中输出的有效计算结果的时间点序列。
在一优选的实施方式中,如图3所示,发送端控制单元,根据预先设置好的测试向量V,依次对频点fo,f1,…fi…fN以一定的时间间隔Ts进行频率切换和控制扩频调制单元进行调制发送;接收端控制单元根据预先设置的测试向量V,依次对频率点fo,f1,…fi…fN进行切换,切换规则为:根据预先设置的测试向量V,设置切换的频率序列fo,f1,…fi…fN,其中单个频点的工作时间长度为TR;初始化工作在f0,,当收到有效的功率相关计算值H0(ti)时,开始计算时间,记当前时间为T0,当t-T0>TR时,切入f1频点接收;依次类推,从fo,f1,…fi…fN进行遍历,其中设置TT>TR,以保证接收端能够提前切入下一个频点进行等待;接收端控制单元,将所有频率点得到的平滑后的测试结果形成被测试信道在频段[fo,fN]的传输特性曲线向量
在一优选的实施方式中,对测量结果进行校准具体为:采用已知传输特性向量为[(f0,HR0),(f1,HR1),…,(fN,HRN)]的标准信道模块接入测试系统,采用上述测试方法测得信道传输特性曲线向量则测量校准向量表示为:
所述测量校准方法,对传输特性曲线向量进行较时,校准后的信道传输特性曲线向量表示为:
如图4所示,本发明还提供了一种基于正交扩频序列的电力线信道传输特性测量系统,该电力线信道传输特性测量系统包括:发送端控制单元401、发送端扩频调制单元402、发送端耦合单元403、接收端耦合单元404、接收端变频处理单元405、功率相关计算单元406、接收端控制单元407以及显示计算机408;其中,发送端控制单元和扩频调制单元相连,扩频调制单元和发送端耦合单元相连,发送端耦合单元的输出端与被测试信道409的输入端相连;被测试信道409的输出端和接收端耦合单元相连,接收端耦合单元和变频处理单元相连,变频处理单元和功率相关计算单元相连,功率相关计算单元和接收端控制单元相连,接收端控制单元的输出端和显示计算机相连,并且接收端控制单元的输出端和变频处理单元相连,以控制变频处理单元的频点选择参数。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。