CN112383327A - 载波交直流通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种载波交直流通信方法包括：在接收侧执行：采样滤波处理对接收到的电力线上的信号进行采样和滤波，执行能量积分将得到的信号用于解调处理；解调处理对采样滤波处理后的信号进行解调以将得到的信号流用于解扩频处理；解扩频处理对解调处理得到的信号流进行解扩频，恢复通信中的原始数据；协议解帧处理针对解扩频处理得到的原始数据，根据原始数据的帧结构恢复出电力线上的信号中的信息；在发送侧执行：协议打包处理对待通信的信息进行协议帧打包以用于扩频处理；扩频处理对协议打包处理后的数据进行扩频处理以用于调制处理；调制处理对扩频后的数据利用调制算法进行调制；载波上变频处理将调制后的数据加载到电力载波上以发送到电力线上。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种载波交直流通信方法。
背景技术
载波技术利用电力线传输信息。发展到目前，其因为具有便利性而得到广泛应用。但是，因为电力线噪声环境复杂等因素引起载波通信的不稳定性，影响该技术走进家庭场景。载波通信一般由通信算法、硬件滤波耦合电路等基本要素组成。在应用中，又有交流和直流，单相和三相，以及户外和室内电力线等场景。其中以交直流混合应用的稳定性问题最为突出。目前载波交直流通信，大多数不是混合模式，很难满足实际应用的一体化场景通信稳定性要求，并且设备通过硬件处理，体积较大，也无法满足家庭应用中的设备小型化要求(如载波应用在86插座中)。
在载波通信应用中，介质(电线)上会存在两种状态：有电和停电。而载波通信在这两种状态下都必须保证可以稳定通信。在两种应用状态特点有：1.不确定性(不知道何时有电何时停电)；2.市电频率变化(50Hz和0Hz)；3.负载衰减变化(有电时电器工作和停电时电器不工作)；4.噪声干扰变化。
目前的载波技术和产品，在交直流通信上，存在的问题：
1.不能同时兼容交流和直流模式下的载波通信。具体地说，过零检测电路是检测工频交流点为零点，为载波信号的同步提供依据。当直流情况下，此过零检测检测电路输出为直流电平，也就是说没有载波信号的同步依据，则通信无法实现。
2.交直流情况下，通信效果和稳定性差异很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种采用针对载波交直流电力线通信(换言之，交直流两用通信)的混合算法的载波交直流通信方法，主要解决了在交流和直流两种模式下的载波通信无缝转换和稳定性问题。
根据本发明，提供了一种载波交直流通信方法，包括：
在接收侧执行下述处理：
采样滤波处理：对接收到的电力线上的信号进行采样和滤波，随后执行能量积分以便将得到的信号用于解调处理；
解调处理：对采样滤波处理后的信号利用通信解调算法进行解调以便将得到的信号流用于解扩频处理；
解扩频处理：对解调处理得到的信号流进行解扩频，以恢复出通信中的原始数据；
协议解帧处理：针对解扩频处理得到的原始数据，根据原始数据的帧结构来恢复出电力线上的信号中的信息(有用信息)；
在发送侧执行下述处理：
协议打包处理：对待通信的信息进行协议帧打包以用于扩频处理；
扩频处理：对协议打包处理后的数据进行扩频处理以用于调制处理；
调制处理：对扩频后的数据利用调制算法进行调制；
载波上变频处理：将调制后的数据加载到电力载波上以发送到电力线上。
优选地，利用交直流混合同步模块在载波收发时对接收侧执行的处理和发送侧执的处理进行交直流模式下的自动同步。
优选地，交直流混合同步模块包括过零锁相环子模块、交直流同步子模块、峰值搜索子模块、和接收同步子模块。
优选地，过零锁相环子模块用于检测、判断和锁定电力线交直流工频；其中，过零锁相环子模块将市电工频信号作为外部中断触发信号，在市电工频信号的上升沿触发开启，并且记录过零锁相环子模块的高频计数器在工频周期的上一次计数值，利用环路滤波器稳定计数值；根据该计数值的范围，对市电工频做判决输出，其中，高频计数器的工作频率/滤波后的计数值＝当前市电工频频率；过零检测锁相环检测工频频率范围，当频率为0时，过零计数器自动生成50Hz伪工频信号，用于在交直流模式下工频信号的自动检测。
优选地，过零锁相环子模块包括：高频计数器、管脚硬件中断、环路滤波器、判决交直流工频模块和过零计数器。
优选地，高频计数器是20bits位宽、时钟为32MHz的自溢出高频计数器，由过零中断清零计数值；
管脚硬件中断由电力线上过零信号上升沿触发，在中断服务中采集高频计数器的计数值，并清零高频计数器，同时清零过零计时器；
环路滤波实现采样高频计数值3阶滤波，得到滤波后的工频计数值和误差值，误差值用于高频计数器实时调整计数值；滤波后的工频计数值被传递给判决交直流工频模块；
判决交直流工频模块根据输入的滤波后的工频计数值，计算高频计数器的工作频率除以滤波后的计数值，得到当前的市电频率值；
过零计数器是16bits位宽、时钟为16MHz的自溢出计数器，由过零中断的上升沿触发清零，其数值被提供给接收和发送链路的相对偏移量使用；当判决交直流工频为0时过零计数器将会产生一个自溢出的50Hz周期。
优选地，对于接收侧，在一个接收周期内，有8个单载波子峰值；在载波接收时，根据当前的定时计算出8个子峰值，获取子峰值相对的时间点；子峰值时间点位置信息被反馈到锁相模块，以调整自动锁相模块加减定时器；此过程反复迭代，在10个接收周期内完成收敛，最后接收到正确的数据帧头，以完成混合搜索过程。
优选地，载波接收采样使用硬件ADC对输入的载波模拟信号进行欠采样；其中交直流同步搜索模块输出的偏移量，作为采样的起始时刻。
优选地，对于接收侧，通过数字下变频利用欠采样对载波信号完成了一次数字下变频，得到的采样后信号频率等于载波频率减去采样频率；高速基带滤波采用FIR+IIR两级滤波，对下变频后的数字信号进行去直流，FSK滤波解调；能量峰值积分对滤波后能量做积分，得到标志符号的能量值；似然判决采用最大似然对标志符号的能量值做0和1的数据判决。
优选地，利用子峰位置定时器根据单峰子载波似然判决结果，得到8个子峰定时器的位置值；执行过零中断定时器校准，根据子峰定时器的位置值，粗调整载波接收侧和发送侧载波数据相对于本地过零信号的相对距离；执行前导码误差判决，根据实时的解扩原始数据，匹配数据帧里面的前导序列，根据前导序列的误差位，计算出子峰值的微调误差值，给到过零校准计数器，微调载波采样和本地过零之间的距离。
由此，本发明提供了一种采用针对载波交直流电力线通信的混合算法的载波交直流通信方法，主要解决了在交流和直流两种模式下的载波通信无缝转换和稳定性问题。其中，针对过零检测检测电路在直流情况下输出为直流电平，导致没有载波信号的同步依据而通信无法实现的问题，本发明当检测出来的市电工频为0时(直流)，则开启自溢出过零计数器生成一个50Hz直流情况下的伪工频信号。从而，提供一种载波通信方法能兼容交流和直流。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的载波交直流通信方法的示意图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的载波交直流通信方法采用的过零锁相环子模块的示例的示意图。
图3和图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的载波交直流通信方法采用的交直流同步及峰值搜索的示例的示意图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的载波交直流通信方法的示意图。
根据本发明优选实施例的载波交直流通信方法包括：
在接收侧执行下述处理：
采样滤波处理：对接收到的电力线上的信号进行采样和滤波，随后执行能量积分以便将得到的信号用于解调处理；
解调处理：对采样滤波处理后的信号利用通信解调算法进行解调以便将得到的信号流用于解扩频处理；
解扩频处理：对解调处理得到的信号流进行解扩频，以恢复出通信中的原始数据；
协议解帧处理：针对解扩频处理得到的原始数据，根据原始数据的帧结构来恢复出电力线上的信号中的信息(有用信息)；
在发送侧执行下述处理：
协议打包处理：对待通信的信息进行协议帧打包以用于扩频处理；
扩频处理：对协议打包处理后的数据进行扩频处理以用于调制处理；
调制处理：对扩频后的数据利用调制算法进行调制；
载波上变频处理：将调制后的数据加载到电力载波上以发送到电力线上。
其中，利用交直流混合同步模块在载波收发时对接收侧执行的处理和发送侧执的处理进行交直流模式下的自动同步。具体地说，例如，交直流混合同步包括两个反馈锁相环路：
第一子环路：利用过零中断定时器校准锁相，该第一子环路通过两个参数自动锁定同步误差，一个参数是单波子峰值位置定时误差，另一个参数是前导序列解调误码位置误差；两个误差值同时调整过零计数器的同步(清零时间点)，达到实现同步位移。
第二系统环路：将同步后的过零计数器值分别反馈至载波采样、子波峰值积分、和解扩似然判决，作用于接收链路。
具体地，例如，交直流混合同步模块包括过零锁相环子模块、交直流同步子模块、峰值搜索子模块、和接收同步子模块。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的载波交直流通信方法采用的过零锁相环子模块的示例的示意图。
过零锁相环子模块用于检测、判断和锁定电力线交直流工频。其中，过零锁相环子模块将市电工频信号作为外部中断触发信号(例如过零锁相环子模块的处理器的外部管脚硬中断触发信号)，在市电工频信号的上升沿触发开启，并且记录过零锁相环子模块的高频计数器(例如32MHz高频计数器)在工频周期的上一次计数值。因为工频信号存在抖动和偏差，利用环路滤波器(3阶环路滤波器)稳定计数值。然后根据该计数值的范围，对工频50Hz/60Hz/直流工频做判决输出。其中：高频计数器的工作频率/滤波后的计数值＝当前市电工频频率。
过零检测锁相环检测工频频率范围，当频率为0时(直流时)，锁相环输出为0，则过零计数器自动生成50Hz伪工频信号，保证在交直流模式下，工频信号都能自动检测，并且不会消失。
具体地，例如，过零锁相环子模块包括：高频计数器、管脚硬件中断、环路滤波器、判决交直流工频模块和过零计数器。
高频计数器是20bits位宽、时钟为32MHz的自溢出高频计数器，由过零中断清零计数值；
管脚硬件中断由电力线上过零信号上升沿触发，在中断服务中采集高频计数器的计数值，并清零高频计数器，同时开启清零一个过零计时器；
环路滤波：实现采样高频计数值3阶滤波，得到精确的计数值(滤波后的工频计数值)和误差值，误差值用于高频计数器实时调整计数值；精确的计数值被传递给判决交直流工频模块；
判决交直流工频模块根据输入的滤波后工频计数值，计算高频计数器的工作频率除以滤波后的计数值，得到当前的市电频率值。
过零计数器是16bits位宽、时钟为16MHz的自溢出计数器，由过零中断的上升沿触发清零，其数值被提供给接收和发送链路的相对偏移量使用。当判决交直流工频为0时，即直流时，过零计数器将会产生一个自溢出的50Hz周期。
如图3所示，对于接收侧，在一个接收周期内，有8个单载波子峰值。在载波接收侧，根据当前的定时，计算出8个子峰值后，获取到子峰值相对的时间点。子峰值时间点位置信息反馈到锁相模块，调整自动锁相模块加减定时器。此过程反复迭代，在10个接收周期内完成快速收敛，最后接收到正确的数据帧头，混合搜索过程结束。
如图3所示，载波接收采样使用硬件ADC对输入的载波模拟信号进行欠采样。其中交直流同步搜索模块输出的偏移量，作为采样的起始时刻。
数字下变频利用欠采样对载波信号完成了一次数字下变频，得到的采样后信号频率＝载波频率-采样频率。
高速基带滤波采用FIR+IIR两级滤波，对下变频后的数字信号进行去直流，FSK滤波解调。
能量峰值积分对滤波后能量做积分，得到标志符号(symbol)的能量值。
似然判决采用最大似然对标志符号的能量值做0、1数据判决。
如图4所示，利用子峰位置定时器根据单峰子载波似然判决结果，得到8个子峰定时器的位置值。执行过零中断定时器校准，根据子峰定时器的位置值，粗调整载波接收侧和发送侧载波数据相对于本地过零信号的相对距离。执行前导码误差判决，根据实时的解扩原始数据，匹配数据帧里面的前导序列，根据前导序列的误差位，计算出子峰值的微调误差值，给到过零校准计数器，微调载波采样和本地过零之间的距离。
术语说明：
电力载波通讯(即PLC，英文Power line Communication的简称)是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。
交流市电：交流市电是指电流方向随时间作周期性变化的电流，在一个周期内的平均电流为零。不同于直流电，它的方向是会随着时间发生改变的，而直流电没有周期性变化。交流电可以有效传输电力。
交直流通信的直流电：当交流市电停电后，原先的电线就从交流载体变成了直流载体。
工频是指电力系统的发电、输电、变电与配电设备以及工业与民用电气设备采用的额定频率，单位:赫兹(Hz)。中国采用50Hz，有些国家采用60Hz。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种载波交直流通信方法，其特征在于包括：
在接收侧执行下述处理：
采样滤波处理：对接收到的电力线上的信号进行采样和滤波，随后执行能量积分以便将得到的信号用于解调处理；
解调处理：对采样滤波处理后的信号利用通信解调算法进行解调以便将得到的信号流用于解扩频处理；
解扩频处理：对解调处理得到的信号流进行解扩频，以恢复出通信中的原始数据；
协议解帧处理：针对解扩频处理得到的原始数据，根据原始数据的帧结构来恢复出电力线上的信号中的信息；
在发送侧执行下述处理：
协议打包处理：对待通信的信息进行协议帧打包以用于扩频处理；
扩频处理：对协议打包处理后的数据进行扩频处理以用于调制处理；
调制处理：对扩频后的数据利用调制算法进行调制；
载波上变频处理：将调制后的数据加载到电力载波上以发送到电力线上。
2.根据权利要求1所述的载波交直流通信方法，其特征在于，利用交直流混合同步模块在载波收发时对接收侧执行的处理和发送侧执的处理进行交直流模式下的自动同步。
3.根据权利要求2所述的载波交直流通信方法，其特征在于，交直流混合同步模块包括过零锁相环子模块、交直流同步子模块、峰值搜索子模块、和接收同步子模块。
4.根据权利要求3所述的载波交直流通信方法，其特征在于，过零锁相环子模块用于检测、判断和锁定电力线交直流工频；其中，过零锁相环子模块将市电工频信号作为外部中断触发信号，在市电工频信号的上升沿触发开启，并且记录过零锁相环子模块的高频计数器在工频周期的上一次计数值，利用环路滤波器稳定计数值；根据该计数值的范围，对市电工频做判决输出，其中，高频计数器的工作频率/滤波后的计数值＝当前市电工频频率；过零检测锁相环检测工频频率范围，当频率为0时，过零计数器自动生成50Hz伪工频信号，用于在交直流模式下工频信号的自动检测。
5.根据权利要求3或4所述的载波交直流通信方法，其特征在于，过零锁相环子模块包括：高频计数器、管脚硬件中断、环路滤波器、判决交直流工频模块和过零计数器。
6.根据权利要求5所述的载波交直流通信方法，其特征在于，
高频计数器是20bits位宽、时钟为32MHz的自溢出高频计数器，由过零中断清零计数值；
管脚硬件中断由电力线上过零信号上升沿触发，在中断服务中采集高频计数器的计数值，并清零高频计数器，同时清零过零计时器；
环路滤波实现采样高频计数值3阶滤波，得到滤波后的工频计数值和误差值，误差值用于高频计数器实时调整计数值；滤波后的工频计数值被传递给判决交直流工频模块；
判决交直流工频模块根据输入的滤波后的工频计数值，计算高频计数器的工作频率除以滤波后的计数值，得到当前的市电频率值；
过零计数器是16bits位宽、时钟为16MHz的自溢出计数器，由过零中断的上升沿触发清零，其数值被提供给接收和发送链路的相对偏移量使用；当判决交直流工频为0时过零计数器将会产生一个自溢出的50Hz周期。
7.根据权利要求1或2所述的载波交直流通信方法，其特征在于，对于接收侧，在一个接收周期内，有8个单载波子峰值；在载波接收时，根据当前的定时计算出8个子峰值，获取子峰值相对的时间点；子峰值时间点位置信息被反馈到锁相模块，以调整自动锁相模块加减定时器；此过程反复迭代，在10个接收周期内完成收敛，最后接收到正确的数据帧头，以完成混合搜索过程。
8.根据权利要求1或2所述的载波交直流通信方法，其特征在于，载波接收采样使用硬件ADC对输入的载波模拟信号进行欠采样；其中交直流同步搜索模块输出的偏移量，作为采样的起始时刻。
9.根据权利要求1或2所述的载波交直流通信方法，其特征在于，对于接收侧，通过数字下变频利用欠采样对载波信号完成了一次数字下变频，得到的采样后信号频率等于载波频率减去采样频率；高速基带滤波采用FIR+IIR两级滤波，对下变频后的数字信号进行去直流，FSK滤波解调；能量峰值积分对滤波后能量做积分，得到标志符号的能量值；似然判决采用最大似然对标志符号的能量值做0和1的数据判决。
10.根据权利要求1或2所述的载波交直流通信方法，其特征在于，利用子峰位置定时器根据单峰子载波似然判决结果，得到8个子峰定时器的位置值；执行过零中断定时器校准，根据子峰定时器的位置值，粗调整载波接收侧和发送侧载波数据相对于本地过零信号的相对距离；执行前导码误差判决，根据实时的解扩原始数据，匹配数据帧里面的前导序列，根据前导序列的误差位，计算出子峰值的微调误差值，给到过零校准计数器，微调载波采样和本地过零之间的距离。
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