CN112511178B - 一种通信接收模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信接收模块，包括：分压电路；可控衰减输入电路，包括衰减可控的比例放大电路，衰减可控的比例放大电路用于使放大后的通信信号适应后级电路的量程；所述可控衰减输入电路的输出信号分为两路：一路信号经过模数转换后，进入信号预分析部分进行预分析处理；另一路信号进行滤波后，进入可控增益电路进行处理，并且再次进行滤波；然后进行模数转换，进入干扰抑制处理部分；干扰抑制处理部分进行处理后，进行信号解调。本发明取消了外部的滤波和限幅电路，对当前通信频带的带外信息进行接收；通过设置芯片内的可控衰减输入电路，避免幅值较大的通信信号在进入芯片时产生削顶失真，最终实现正确识别通信信号、提高通信质量。

Description

一种通信接收模块

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种通信接收模块，该通信接收模块可以适用于电力载波通信场合。

背景技术

在通信系统中，包括通信发射模块(发射机)和通信接收模块(接收机)。通信接收模块对信号的接收及处理决定了该信号在后续能否进行正确的解调，对于整个通信系统信息传输的有效性、可靠性具有至关重要的作用。

目前电力用户用电信息采集系统，采用电力线载波通信方式。其中的用电信息采集设备内部的通信接收模块，包括其内部通信芯片之外的接收电路(如图1所示，主要由耦合变压器、带通滤波电路、以及防止芯片输入管脚过压的四只限压保护二极管三部分组成)和通信芯片内部的接收电路(如图2所示，主要包括带通滤波BPF、两级增益调节AMP1和AMP2、低通滤波LPF和模数转换电路ADC)。

这种接收电路设计方案中普遍具有以下缺点和不足：

芯片外部的带通滤波电路会滤除带外信号，因而无法对带外干扰源进行准确的类型分析和有效的抑制处理。尤其是在频带可选的通信系统中，对于采用针对特定某一频带、内参数固定参数的带通滤波电路，当该频带受到较大干扰时，由于带外信息被滤除，无法检测其他频带的信道质量，所以不能及时切换频带，进而导致通信系统性能下降。而且，芯片外部的接收电路元件众多，成本较高。

在幅值较大的通信信号(过电压通信信号)进入通信芯片时，芯片端口会进行限幅处理，将该信号的幅度限制在芯片的供电电压范围内。这会导致近端通信信号的削顶失真，严重影响通信质量。

发明内容

本申请的目的在于提供一种通信接收模块，用以解决处理幅值较大的通信信号出现失真、通信质量差的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种通信接收模块，包括：

分压电路；

可控衰减输入电路，包括衰减可控的比例放大电路，衰减可控的比例放大电路用于使放大后的通信信号适应后级电路的量程；

所述可控衰减输入电路的输出信号分为两路：一路信号经过模数转换后，进入信号预分析部分进行预分析处理，提取有用通信信号的位置，以及干扰信号的类型和强度；

另一路信号进行滤波后，进入可控增益电路进行处理，并且再次进行滤波，滤除带外辐射；然后进行模数转换，进入干扰抑制处理部分；干扰抑制处理部分进行处理后，进行信号解调；

其中，所述可控增益电路根据所述有用通信信号的位置，干扰信号的类型和强度，设置可控增益电路的增益倍数；所述干扰抑制处理部分根据所述有用通信信号的位置，干扰信号的类型和强度，抑制带内干扰。

进一步的，所述可控衰减输入电路还包括无源分压电路。

进一步的，所述信号预分析部分依次执行前导检测、频率干扰检测和脉冲干扰检测；所述前导检测用于提取有用通信信号的位置信息；所述频率干扰检测用于提取频率干扰信号的频点和强度；所述脉冲干扰信号检测用于提取脉冲干扰信号的位置和强度。

进一步的，所述衰减可控的比例放大电路包括运算放大器和模拟信号开关电路，模拟信号开关电路连接若干个用于控制衰减比例的反馈电阻。

进一步的，通过两个ADC模块分别进行模数转换或者通过一个ADC的两个通道分别进行模数转换。

本发明取消了外部的滤波和限幅电路，对当前通信频带的带外信息进行接收；通过设置芯片内的可控衰减输入电路，避免幅值较大的通信信号在进入芯片时产生削顶失真，从而实现对当前通信频带的带外信息进行接收，并且通过分析信道的带外情况，对带外干扰进行识别和抑制；最终实现正确识别通信信号、提高通信质量。

附图说明

图1是已有的电力线载波通信芯片之外的接收电路；

图2是已有的芯片内部通信信号接收处理原理图；

图3是本发明实施例的通信接收模块电路原理框图；

图4是本发明实施例中的分压电路和可控衰减输入电路；

图5是本发明实施例中信号预分析部分的处理算法流程图；

图6是本发明实施例中信号预分析部分脉冲干扰检测原理框图。

具体实施方式

本发明的基本构思是：取消通信芯片外部的滤波和限幅电路，对当前通信频带的带外信息进行接收；通过设置芯片内的可控衰减输入电路，避免幅值较大的通信信号在进入芯片时产生削顶失真，从而实现对当前通信频带的带外信息进行接收，并且通过分析信道的带外情况，对带外干扰进行识别和抑制；最终实现正确识别通信信号、提高通信质量。

下面结合图3对本发明作进一步的说明。如图3为一种电力载波通信接收模块，用于电力用户用电信息采集系统。由于在电力载波通信中，幅值较大的通信信号经常产生，因此本发明能够很好的解决该问题。

电力载波通信接收模块分为通信芯片和通信芯片外的分压电路；通信芯片包括：可控衰减输入电路，第一ADC，信号预分析部分，干扰抑制处理部分，可调滤波器1，可控增益电路，可调滤波器2，第二ADC，通信信号解调部分，应用功能处理部分。下面依次进行说明。

1，芯片外的分压电路如图4所示。

通信信号首先从接收电路的输入端Vin+和Vin-进入电力线载波通信芯片外的分压电路，然后输入电力线载波通信芯片的接收信号输入端RX+和RX-。芯片外的分压电路由耦合和分压电阻R1、R2、R5、R6构成，其作用是去除通信信号的直流成分或工频成分，增加Vin+和Vin-分别到RX+和RX-的爬电距离，提升抗静电性能，避免芯片内因信号间距太小造成放电击穿故障，避免芯片静电或强电的击毁。

2，可控衰减输入电路如图4所示，包括无源分压电路和衰减可控的比例放大电路。

芯片内可控衰减输入电路中的R3、R4构成芯片输入1/2无源分压电路。同时，输入环路在RX-端拉到1.25V参考电压，RX+端经过R4输入运放U1负输入端有两个分别接地和3.3V电源的二极管D1和D2，以对芯片内部进行过压保护。通过U1的运算放大器和R9、R10、R11、R12，以及74HC4066模拟信号开关电路，控制Vout的输出衰减比例。当S1接高电平，S2、S3、S4接低电平时，Vout＝-10×Vin；当S2接高电平，S1、S3、S4接低电平时，Vout＝-Vin；当S3接高电平，S1、S2、S4接低电平时，Vout＝-0.1×Vin；当S4接高电平，S1、S2、S3接低电平时，Vout＝-0.01×Vin。

比例放大电路将通信输入信号调节为第一ADC输入量程允许的最大信号。通过对衰减比例的调节，使得输入第一ADC和可调滤波器1的信号均没有超过量程，因此信号没有被带外滤波和产生削顶失真。这将有利于信号预分析部分计算有用通信信号以及区分干扰信号，特别是对带外的干扰成分也能进行真实的评估分析。

3，第一ADC。

经过可控衰减输入电路调节的信号由Vout输出，该信号为第一ADC输入量程允许的最大信号，将其输入芯片的第一ADC进行模数转换。然后将第一ADC输出的采样数据输入通信芯片的信号预分析部分，获得有用通信信号的强度以及干扰信号的类型和强度。

4，信号预分析部分。

对第一ADC的采样数据进行预分析处理，处理算法流程如图5所示。首先通过前导检测算法提取有用通信信号位置信息。由于电力线载波通信物理层帧结构中含有较长的前导序列，依据其良好的自相关性质，当接收信号中存在已知的前导序列时，可对接收信号进行滑动自相关处理，根据相关处理产生相关峰的位置找到有用通信信号的起始位置。因此，可以通过前导检测算法实现符号定时同步，以便获得有用通信信号的位置信息，并用于后续的增益控制和解调。

然后对接收信号进行频率干扰检测。同样利用前导序列进行频率干扰的检测。由于前导序列为已知的信号序列，因此可以根据前导序列在当前信道频带范围内各个频点的接收情况和通信质量，判断当前信道频带范围内的是否存在干扰。因此，依据各个频点的干扰情况，能够得到有用通信信号的增益并对其进行补偿。

最后对接收信号进行脉冲干扰检测。脉冲干扰检测和处理方法的原理框图如图6所示。接收信号z(l)首先通过脉冲噪声窗口检测器。设检测窗口长度为N_FFT，能量门限为T_H，当窗口内超过门限的次数超过最大次数N₀时，则判断脉冲噪声存在。在脉冲噪声存在的前提下，通过时域非线性预处理对脉冲噪声进行限制，进一步将超过阈值A的采样点置零，得到非线性预处理后的信号y(l)；

将非线性预处理后的信号y(l)，经过FFT变换得到Y(k)。假设信道状态信息为H(k)，则经过均衡和硬判决后，得到接收端的数据符号

于是接收信号的时域估计为

加性噪声估计为

进而获得脉冲噪声估计

最后消除脉冲噪声的时域采样信号为：

5，可调滤波器1。

经过可控衰减输入电路调节后由Vout输出的信号，同时输入可调滤波器1进行滤波处理，滤除带外信号。

6，可控增益电路。

可调滤波器1的输出信号输入可控增益电路，依据信号预分析检测算法获得的有用通信信号的位置信息，以及存在干扰信号的类型(主要为频率干扰信号和脉冲干扰信号)和强度，设置可控增益电路的增益倍数，对可控增益电路的输入信号进行增益控制。同时，若出现较大强度的脉冲干扰等因素，使增益控制调节后的信号幅值较大时，可控增益电路会对其进行限幅、削顶处理，使得信号产生失真。但此类非线性处理结合后续干扰抑制处理部分，会尽可能提升有用通信信号的信噪比，同时借助编码解调的信息处理增益，从干扰中识别出通信数据，从而保证电力线载波通信芯片具有较强的抗干扰能力。

7，可调滤波器2。

增益控制调节后的信号输入到可调滤波器2，进行滤波。可调滤波器1和可调滤波器2的滤波通带都依据有用通信信号的通信频带进行设置。

其原理是：由于信号在可控增益电路中对较大的脉冲干扰等因素进行限幅、削顶处理，这将导致输入信号的带外辐射。将可调滤波器2的通带范围设置为有用通信信号的通信频带范围，对可控增益电路输出的信号进行滤波，可以滤除限幅、削顶处理产生的带外辐射。

8，第二ADC。

进行滤波处理后，可调滤波器2的输出信号输入到第二ADC进行模数转换，然后将第二ADC输出的采样数据输入电力线载波通信芯片的干扰抑制处理部分。

9，干扰抑制处理部分。

干扰抑制处理部分依据信号预分析部分检测得到的有用通信信号的位置信息，以及可能存在的频率干扰信号和脉冲干扰信号，对输入信号进行干扰抑制处理。

干扰抑制处理部分在信号预分析部分输入的干扰抑制参数的控制下，不仅会抑制通信信道中产生的干扰信号，还能抑制可控增益电路中由于限幅、削顶处理，产生的带内干扰。能够尽可能提升有用通信信号的信噪比，提高抗干扰能力。

10，通信信号解调部分，应用功能处理部分。

干扰抑制处理部分输出的信号输入通信信号解调部分进行解调、译码处理，获得有用通信数据。然后将有用通信数据进一步提供给通信芯片中的应用功能处理部分，完成通信数据的应用功能处理。

以上实施例详细介绍了用户信息采集系统中所采用的基于电力载波方式的通信接收模块，本领域技术人员应当清楚，以上实施例所介绍通信模块很容易进行改造从而应用于其他通信方式(如无线通信)，只要存在类似的技术问题(幅值较大的通信信号在进入芯片时产生削顶失真)，均可以考虑应用本发明的技术方案。

以上实施例中的第一ADC和第二ADC，作为其他实施方式，可以替换为具有两个通道的一个ADC实现，通过两个通道的切换实现分时工作：第一个通道输入对应第一ADC的输入信号，第二个通道输入对应第二ADC的输入信号；依据对第一个通道输入信号的采样数据作为第一ADC的输出；依据对第二个通道输入信号的采样数据作为第二ADC的输出。

以上实施例中，关于信号预处理部分涉及具体的处理算法，本领域技术人员应当理解，实现信号预处理的现有处理方式还有很多，也可以根据需要应用。同理，可控增益电路，干扰抑制部分，通信信号调整部分虽然仅交待了相关功能，但本领域技术人员应当理解，现有技术中存在成熟的技术或者产品来实现这些电路，故不再赘述具体结构、原理等内容。

Claims (5)

1.一种通信接收模块，包括：

分压电路；

可控衰减输入电路，包括衰减可控的比例放大电路，衰减可控的比例放大电路用于调节进入第一模数转换电路和第一可调滤波器的通信信号，使输入到第一模数转换电路和第一可调滤波器的通信信号不超量程；

所述可控衰减输入电路的输出信号分为两路输出：一路输出信号进入第一模数转换电路经过模数转换后，进入信号预分析部分进行预分析处理，提取有用通信信号的位置，以及干扰信号的类型和强度；

另一路输出信号进入第一可调滤波器进行滤波后，进入可控增益电路进行处理，并且再次进行滤波，滤除带外辐射；然后进入第二模数转换电路进行模数转换，进入干扰抑制处理部分；干扰抑制处理部分进行处理后，进行信号解调；

其中，所述可控增益电路用于根据所述有用通信信号的位置，干扰信号的类型和强度，设置可控增益电路的增益倍数，对可控增益电路的输入信号进行增益控制；所述干扰抑制处理部分用于根据所述有用通信信号的位置，干扰信号的类型和强度，抑制通信信道中产生的干扰信号，并抑制可控增益电路中由于限幅、削顶处理产生的带内干扰。

2.根据权利要求1所述的通信接收模块，其特征在于，所述信号预分析部分依次执行前导检测、频率干扰检测和脉冲干扰检测；所述前导检测用于提取有用通信信号的位置信息；所述频率干扰检测用于提取频率干扰信号的频点和强度；所述脉冲干扰信号检测用于提取脉冲干扰信号的位置和强度。

3.根据权利要求2所述的通信接收模块，其特征在于，所述衰减可控的比例放大电路包括运算放大器和模拟信号开关电路，模拟信号开关电路连接若干个用于控制衰减比例的反馈电阻。

4.根据权利要求3所述的通信接收模块，其特征在于，所述可控衰减输入电路还包括无源分压电路。

5.根据权利要求1-4任一项所述的通信接收模块，其特征在于，通过两个ADC模块分别进行模数转换或者通过一个ADC的两个通道分别进行模数转换。

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