CN110943763B - 一种低压配电网端到端传输时延测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，包括上层通过电力线和一号电力线载波通信模块A3向一号微处理器A1发送测量信号，所述一号微处理器A1接收到测量信号开始进行测量过程；所述一号可编程器件A2产生的第一时间信号K1通过一号扩频信号发射A4发送，所述可编程器件记录此时的时间t1，所述一号可编程器件A2接收到第二时间信号进行相关的运算处理后，记录时间t2，传输时延t传输＝(t2‑t1‑t处理‑t发送时长)/2；t处理为各种数字信号处理所花去的时间，为一个确定值，t发送时长为第一时间信号和第二时间信号通过扩频信号发射的时间，跟K1和K2序列长度和数据传输速率相关，也是一个确定值，从而得到确定的时延结果。

Description

一种低压配电网端到端传输时延测量的方法
技术领域
本发明涉及时延测量领域，具体涉及一种低压配电网端到端传输时延测量的方法。
背景技术
现有的传输时延测量系统，主要有三类：第一类是基于通信的端到端网络传输时延测试系统，第二类基于脉冲反射的传输时延测量系统，第三类是全球卫星定位系统
第一类系统主要应用于计算机网络通信端到端创世时延测试和无线通信网络端到端传输时延测试。在时延测量时，测量方向被测量方发送一个数据包，被测量方收到这个数据包后，返回一个应答包。测量方记录发送数据包的时刻和接收到应答包的时刻，计算出信号从测量端到被测量端的端到端传输时延。
第二类系统要应用于雷达系统、网线长度测试仪、电缆长度测试仪、光纤长度测试仪、矢量网络分析仪等系统中。雷达系统通过向被探测目标发射一个电磁脉冲，然后等待被测物体间该脉冲反射回来，记录脉冲的发出时刻和反射脉冲的接收时刻，得到传输时延。网线长度测试仪、电缆长度测试仪、光纤长度测试仪都是在被测系统的一端安装设备，该设备通过在这个端口发射脉冲信号后，等待脉冲信号在末端或者断点处被反射回来，记录脉冲发射时刻和反射脉冲的接收时刻，获得传输时延。矢量网络分析仪通过两个端口测量被测线缆的长度，一个端口发射脉冲信号，另一个端口接收该脉冲信号，通过记录发射端口脉冲信号发出时间和接收端口收到脉冲的时刻，计算出传输时延。
第三类系统，采用多个发射端，同时发射不同的信号，达到同一个接收端，接收端通过计算这些信号的到达时间差，结合不同发射源的位置已知的条件，计算出地理位置。系统要求所有发射端存在一个共有的高精度的绝对时钟。发送的数据中，包含了该数据发送时间的标签，接收端在接收到数据时，利用接收到的数据时刻，减去数据中的标签时刻，得到相对传输时延。
现有第一类系统，受限于通信的传输速率及物理层传输控制机制，该时延测量精度通常都在us级以上。
现有的第二类系统中，雷达技术，不能直接应用于电力线网端到端传输时延测量；矢量网络分析仪中的技术，必须要求被测电缆的两头能够放在同一地点，显然不适用于各终端处于不同地理位置的电力线网络；网线长度测试仪、电缆长度测试仪和光纤长度测试仪要求被测线缆、光纤的一端必须与系统断开，且只有一个反射信号，而典型的电力线网络，存在多个分支开关和终端，每一个分支开关和终端都会引起阻抗的不连续，从而产生反射信号，导致测量失败，同时测量电力线网络中端到端传输时延时，也不能将电线与电网断开。
现有的第三类技术，需要系统具有全网统一的高精度时间，高精度的时钟体积大，成本高，不能嵌入到对成本、体积和功耗敏感的用电设备端，因此也不适用于电力线网络中端到端传输时延的测量。
发明内容
本发明的目的提供一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本发明的一个方面，提供了一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，包括：上层通过电力线和一号电力线载波通信模块A3向一号节点A的一号微处理器A1发送测量信号，所述一号微处理器A1接收到测量信号开始进行测量过程；
所述一号微处理器A1通过所述电力线和二号电力线载波通信模块B3向二号节点的二号微处理器B1发送开始信号，所述二号节点B的二号微处理器B1收到开始信号再通过所述二号电力线载波通信模块B3、所述电力线和一号电力线载波通信模块A3向一号微处理器A1发送确认信号；
所述一号微处理器A1接收到所述二号微处理器B1的确认信号后向所述一号节点A的一号可编程器件A2开始发送开始命令，所述一号可编程器件A2开始产生第一时间信号K1；
所述测量信号包括开始测量的命令和所述二号节点B的通信地址信息。
在某些实施方式中，所述一号可编程器A2件产生的第一时间信号K1通过所述一号节点A的扩频信号发射模块A4发送，所述一号可编程器件A2记录此时的时间t1；
所述第一时间信号K1通过所述一号节点A的扩频信号发射模块A4、耦合电路A6和电力线传输到二号节点B的耦合电路B6，再经过二号节点B的扩频信号接收模块B5后，输入所述二号节点B的可编程器件B2；
所述二号可编程器件B2接收到第一时间信号K1进行信号处理后，与本地保存的k1信号做相关运算，寻找相关峰达到最大值的时刻，寻找到后，立即产生提前产生好的自相关性性能优异的K2序列调制信号，产生的第二时间信号K2通过所述二号节点B的扩频信号发射模块B4发送，第二时间信号K2通过所述二号节点B的扩频信号发射模块B4、耦合电路B6和电力线传传输到一号节点A的耦合电路A6，再经过一号节点A的扩频信号接收模块A5后，输入一号节点A的可编程器件A2；
所述一号可编程器件A2接收到第二时间信号K2与节点A本地存储的K2信号做相关运算，寻找相关峰最大的时刻，寻找到后，记录时间t2；
传输时延t传输＝(t2-t1-t处理-t发送时长)/2 (1)
其中：t处理为各种数字信号处理所花去的时间，为一个确定值，t发送时长为第一时间信号k1和第二时间信号k2通过数模转换器发射的时间，跟第一时间信号k1和第二时间信号k2序列长度和数据传输速率相关，也是一个确定值，所述一号微处理器A1通过所述一号电力线载波通信模块A3和所述电力线向上层发送测量得到的传输时延结果。
在某些实施方式中，所述一号可编程器件A2和所述二号可编程器件B2产生的第一和第二时间信号是由伪随机码k1和k2的调制信号构成扩频序列，采用BPSK调制。
在某些实施方式中，对测量信号和被测量信号的捕获采用滑动相关法，其相关峰计算公式如式(2)-(6)所示；为降低系统复杂度，采用限幅放大1bit采样对接收到的m序列调制信号直接进行相关运算：
xm1(t)＝mm1(t)sin(ωct) (2)
xm2(t)＝m2(t)sin(ωct) (3)
Figure GDA0003543588480000041
Figure GDA0003543588480000042
Figure GDA0003543588480000043
其中，xm1(t)为测量信号，xm2(t)为测量回复信号，ym(t)为本地存储的1bit量化的m序列BPSK调制信号,y′m(t)为m序列BPSK调制信号经过信道之后的1bit量化的序列,τ为传输时延；时延测量精度为采样率的倒数。
根据本发明的另一个方面，还提供一种低压配电网端到端传输时延测量的系统，该系统设置于低压配电网用户终端内或分支开关处，其特征在于：包括电力线、电力载波模块、微处理器、可编程器件、、耦合电路、扩频信号发射模块和扩频信号接收模块；
电力线，为低压电力线，通常电压为220V或者380V配电系统传输线；
电力载波通信模块，基于所述电力线进行数据收发，完成测量端和被测量端的测量身份确认；
微处理器，负责通过所述电力线载波通信模块与外界通信、并与可编程器配合完成测量的任务调度和结果的输出；
可编程器件，负责测量信号的产生、调制、解调和时延测量，并接受微处理器的控制以及向微处理器汇报测量结果；
扩频信号发射模块，负责将可编程器件产生的信号发生到被测端；
扩频信号接收模块，负责接收发射端接收到的信号，传输到可编程器件：
耦合电路，负责从电力线接收信号或向电力线发送信号。
在某些实施方式中，所述微处理器通过TTL232、RS232、RS485、SPI或者并口中的一种连接至所述电力线载波通信模块，所述电力线载波通信模块通过电线直接连接所述电力线；所述微处理器通过TTL232、RS232、RS485、SPI或者并口中的一种连接至所述可编程器件；所述可编程器件通过SPI或者并口连接至所述扩频信号发射模块的输入；所述扩频信号发射模块的输出通过PCB上的导线连接至所述耦合电路的一个端口；所述耦合电路的另一个端口通过电线连接至所述电力线；所述耦合电路的最后一个端口通过PCB上的导线连接至所述扩频信号接收模块的的输入；所述扩频信号接收模块的输出通过PCB上的导线连接至所述可编程器件的一个I/O接口。
本发明为提高通信抗干扰性，时延测量采用伪随机码m1和m2构成。由于伪随机码具有良好的自相关性和互相性，且相关时刻包含了多个码片的统计特性，因此具有良好的抗干扰性，提高了测量的稳定性。为解决低压配电网多个分支节点和终端对测量信号反射，导致测量模糊的问题，特采用被测量端回复正交的m2信号，屏蔽m1信号的多次反射信号的干扰，保证了测量的有效性和准确性。由于采用了伪随机码调制信号，测量信号属于扩频信号，可以以较低的功率发射，对电力线载波通信系统影响较小；同时电力线载波通信模块的通信信号，相对于测量系统是窄带通信信号，其信号对测量系统的干扰相当于窄带干扰，根据扩频通信技术特点，窄带干扰在扩频信号解扩时，会被大大降低，因此本发明所提的测量方法，可以与电力线载波通信系统共存。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的结构框图；
图2为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的工作流程结构示意图；
图3为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的滑动相关法的扩频信号捕获框图；
图4为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的无噪声和干扰时的相关峰仿真图；
图5为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的SNR＝-5dB时的最大相关峰仿真图；
图6为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的多径干扰SIR＝5dB时的最大相关峰仿真图；
图7为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的单频干扰SIR＝0dB时的最大相关峰仿真图；
图8为本发明的一种实施方式的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法的不同干扰下系统测量精度仿真图。
具体实施方式
实施例1
如图2-图3所示，所提时延测量系统的流程描述如下：
①上层通过电力线通信模块给节点A发送包含被测量的节点ID(设为B)时延测量命令；
②节点A的微处理器通过电力线通信模块向节点B发送时延测量命令；
③节点B的微处理器通过电力线通信模块给节点A回复测量确认命令；
④节点A的微处理器向其可编程器件发出时延测量开始命令；
⑤节点A的可编程器件产生测量信号，送其射频发射模块，并在在测量信号全部发送完时，记录当前时间t1；
⑥节点A发出的测量信号，通过内部电路和电力线后，达到节点B的射频接收模块；
⑦节点B的射频接收模块将信号处理后，送给节点B的可编程器件；
⑧在节点B的可编程器件中，对收到的测量信号进行识别，识别到后，立即将提前产生好的测量回复信号发送给节点B的射频输出模块；
⑨测量回复信号经过内部电路和电力线后达到节点A的射频接收电路：
⑩节点A的射频接收电路将接收到的测量回复信号处理后，送给节点A的可编程器件：
Figure GDA0003543588480000071
节点A的可编程器件在发送完测量调制信号后，一直在等待测量回复信号的到来。节点A识别到测量回复信号到来后，记录此时时刻t2，则传输时延：
t传输＝(t2-t1-t处理)/2 (1)
其中，t处理为信号调制、识别、发送所花去的时间，它为一个确定值，与调制和识别算法、处理器运算速度、信号发送速率以及信号长度有关。节点A的可编程器件把测量结果t传输发送给节点A的微处理器；
Figure GDA0003543588480000072
节点A的微处理器将测量结果，通过电力线通信模块向上层汇报。
实施例2
采用BPSK调制方式，载波频率4MHz，m1和m2序列选用15位m码，其中m1＝[1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1],m2＝[1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1]。FPGA采用EP4CE15，MCU采用STM32F407，电力线载波通信模块采用深国电TXHX13-GD31001模块。FPGA对扩频信号的采样率频率为100MHz。给出了不同噪声干扰下，相关峰输出结果。图4为无噪声和干扰时的相关峰，图5为仅存在白噪声干扰(SNR＝-5dB)时的相关峰，图6为仅存在一条多径干扰(SIR＝5dB)时的相关峰，图7为仅存在4MHz单频干扰(SIR＝0dB)时的相关峰。
如图4-7所示，由于是对BPSK调制信号直接进行相关运算公式(2)-(6)，因此在2个码元(200个采样点)内，会出现7个相关峰，但是主峰的位置仍然表征了m序列BPSK调制信号对齐的时刻，因此可以用式(4)捕获正确的相关峰，从而计算出传输时延。从图4-图7还可以看出，在不同的干扰下，相关峰的最大值变小了，但是最大值出现的位置在系统测量精度范围内(±10ns)，且在取判决门限为150的条件下，可以正确的提取出各个相关峰。
图8给出了不同干扰下系统测量精度。仿真次数为50次，判决门限为150，除做特别说明外，其余仿真条件与图4-图7的相同。由图8可知，得益于扩频系统的良好抗干扰性，本文所提时延测量系统在SNR＝-13dB的白噪、SIR＝3dB的多径以及SIR＝-3dB的单频干扰下，均能达到±10ns的测量精度。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，其特征在于，包括：
上层通过电力线和一号电力线载波通信模块A3向一号节点A的一号微处理器A1发送测量信号，所述一号微处理器A1接收到测量信号开始进行测量过程；
所述一号微处理器A1通过所述电力线和二号电力线载波通信模块B3向二号节点的二号微处理器B1发送开始信号，所述二号节点B的二号微处理器B1收到开始信号再通过所述二号电力线载波通信模块B3、所述电力线和一号电力线载波通信模块A3向一号微处理器A1发送确认信号；
所述一号微处理器A1接收到所述二号微处理器B1的确认信号后向所述一号节点A的一号可编程器件A2开始发送开始命令，所述一号可编程器件A2开始产生第一时间信号K1；
所述测量信号包括开始测量的命令和所述二号节点B的通信地址信息；
所述一号可编程器A2件产生的第一时间信号K1通过所述一号节点A的扩频信号发射模块A4发送，所述一号可编程器件A2记录此时的时间t1；
所述第一时间信号K1通过所述一号节点A的扩频信号发射模块A4、耦合电路A6和电力线传输到二号节点B的耦合电路B6，再经过二号节点B的扩频信号接收模块B5后，输入所述二号节点B的可编程器件B2；
二号可编程器件B2接收到第一时间信号K1进行信号处理后，与本地保存的k1信号做相关运算，寻找相关峰达到最大值的时刻，寻找到后，立即产生自相关性性能优异的K2序列调制信号，产生的第二时间信号K2通过所述二号节点B的扩频信号发射模块B4发送，第二时间信号K2通过所述二号节点B的扩频信号发射模块B4、耦合电路B6和电力线传输到一号节点A的耦合电路A6，再经过一号节点A的扩频信号接收模块A5后，输入一号节点A的可编程器件A2；
所述一号可编程器件A2接收到第二时间信号K2与节点A本地存储的K2信号做相关运算，寻找相关峰最大的时刻，寻找到后，记录时间t2；
传输时延t传输＝(t2-t1-t处理-t发送时长)/2 (1)
其中：t处理为各种数字信号处理所花去的时间，为一个确定值，t发送时长为第一时间信号k1和第二时间信号k2通过数模转换器发射的时间，跟第一时间信号k1和第二时间信号k2序列长度和数据传输速率相关，也是一个确定值，所述一号微处理器A1通过所述一号电力线载波通信模块A3和所述电力线向上层发送测量得到的传输时延结果。
2.根据权利要求1所述的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，其特征在于，所述一号可编程器件A2和所述二号可编程器件B2产生的第一和第二时间信号是由伪随机码k1和k2的调制信号构成扩频序列，采用BPSK调制。
3.根据权利要求2所述的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，其特征在于，所述一号可编程器件A2和所述二号可编程器件B2产生的第一和第二时间信号K1和K2是正交的m序列。
4.根据权利要求3所述的一种低压配电网端到端传输时延测量的方法，其特征在于，对测量信号和被测量信号的捕获采用m序列滑动相关法，其相关峰计算公式如式(2)-(6)所示；为降低系统复杂度，采用限幅放大1bit采样对接收到的m序列调制信号直接进行相关运算：
xm1(t)＝mm1(t)sin(ωct) (2)
xm2(t)＝m2(t)sin(ωct) (3)
Figure FDA0003543588470000021
Figure FDA0003543588470000022
Figure FDA0003543588470000023
其中，xm1(t)为测量信号,xm2(t)为测量回复信号，ym(t)为本地存储的1bit量化的m序列BPSK调制信号,y′m(t)为m序列BPSK调制信号经过信道之后的1bit量化的序列,τ为传输时延；时延测量精度为采样率的倒数。
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