CN112511193B - 一种基于误差反馈算法的宽带载波(hplc)模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块，包括发射机和接收机，接收机对接收信号进行符号定时同步，互相关值的运算实际上并不需要乘法运算，只需要根据P符号的正负，来决定是否对取相反数，在实际的硬件实现中可以省去乘法器的使用，相比传统互相关算法来说减少了大量的计算量，降低了实现复杂度，不再需要使用乘法器，便于了硬件的实现，同时在低信噪比时，还可以保持良好的符号同步性能。

Description

一种基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块

技术领域

本发明涉及电力线宽带载波技术领域，尤其涉及一种基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块。

背景技术

电力通信网是保证电力系统安全稳定运行的关键设施，电力线宽带载波(HPLC)是解决电力通信网中自动化瓶颈问题的最佳途径之一。目前电力线宽带载波(HPLC)所采用的技术主要有频移键控技术、扩频技术、OFDM技术等，其中OFDM技术依靠其优势在电力线高速数字通信中的应用已经成为技术热点。基于OFDM的宽带载波(HPLC)模块一般包括发射机和接收机，相对于发射机，OFDM的接收机设计更加复杂，接收机除了要完成解调、解交织、信道译码等与发射端相反的信号处理功能外，更为重要的是要进行同步处理，符号定时同步是OFDM同步中一个重要的方面。

互相关算法为宽带载波(HPLC)模块中常用的符号定时同步方法，主要原理为利用接收信号与前导序列中P符号做互相关运算，将互相关运算模的平方与接收信号窗能量和P符号的能量的乘积做除法运算，得到定时判决函数；定时判决函数，在接收信号的每个训练符号的终点能得到一个尖锐的峰值，之后进行峰值计数，可以正确找到符号定时点位置。上述方法在前导序列中P符号长度较长时，求出定时判决值需要大量的乘法运算和加法运算，在整个定时过程中需要的计算量与滑动窗长度的平方成正比，需要大量的乘法器，而乘法器在接收机硬件中是宝贵的资源，大量的运用乘法器，运算复杂且硬件开销巨大，在实际的开发应用中成本较高，并不适合工程项目的使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块，以解决传统宽带载波(HPLC)模块在前导序列中P符号长度较长时运算复杂且硬件开销巨大的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块，包括发射机和接收机；

发射机用于接收来自数据链路层数据，采用两个链路分别处理帧控制数据和载荷数据，对帧控制数据进行Turbo编码、信道交织和分集拷贝，对载荷数据经过加扰处理、Turbo编码、信道交织和分集拷贝之后和帧控制数据一起进行星座点映射，通过1024点IFFT变换完成OFDM调制，对调制后的OFDM符号添加循环前缀以及加窗处理，加入前导序列，最后将数字信号转换成模拟信号耦合到电力线信道中；

接收机用于对接收信号采用AGC和时间同步分别对帧控制数据和载荷数据进行调整，将接收信号和前导序列中的P符号量化并进行绝对值归一化，以完成符号定时同步，利用FFT变换完成OFDM解调，进行解调、解交织、译码处理，分别恢复帧控制的原始数据和载荷的原始数据。

可选的，接收机将接收信号和前导序列中的P符号量化并同时进行绝对值归一化的步骤包括：

计算接收信号和量化后P符号的互相关值，并计算近似后的接收信号相关窗能量；

根据互相关值和接收信号相关窗能量计算定时判决函数；

通过定时判决函数在接收信号的每个训练符号的终点能得到一个尖锐的峰值，之后进行峰值计数。

可选的，接收机还用于在完成符号定时同步后依次进行频率同步、信道估计。

可选的，接收机利用两段重复训练序列的相关值的相位在时域估计出小数倍频偏以完成频率同步。

可选的，接收机通过对前导序列中的多个元素分别进行LS信道估计再取平均，以完成信道估计。

可选的，接收机进行信道估计的步骤包括：

对接收信号中的干扰信号进行编码，将其转换成瞬时频率，对干扰信号进行频率调制，获取单位幅度的解析信号；

取解析信号的加窗时频分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计。

可选的，接收机取解析信号的加窗时频分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计的步骤包括：

对接收信号进行经验模态分解，分解出干扰信号主导的高频分量与有效信号主导的低频分量；

按照分量的不同，选择不同窗长的时频峰值对基本模式分量进行处理，窗长的选择规则为：选择长窗长对高频分量进行干扰抑制，选择短窗长以保持有效信号成分；

对经处理后的分量进行相加，同时加上残量，作为处理后的接收信号。

本发明的基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)对接收信号进行符号定时同时时，互相关值的运算实际上并不需要乘法运算，只需要根据P符号的正负，来决定是否对取相反数，在实际的硬件实现中可以省去乘法器的使用，相比传统互相关算法来说减少了大量的计算量，降低了实现复杂度，不再需要使用乘法器，便于了硬件的实现，同时在低信噪比时，还可以保持良好的符号同步性能；

(2)接收机通过对前导序列中的多个元素分别进行LS信道估计再取平均，将均值作为最终的信道估计结果，以完成信道估计，从而抑制加性噪声对信道估计结果的影响，在不增加复杂度的基础上，提高信道估计性能；

(3)对电力线宽带载波通信中的干扰信号的瞬时频率进行估计，采用时频峰值干扰过滤技术对电力线宽带载波通信干扰信号中的原始信号进行恢复，在信号处理前，对信时频峰值滤波算法进行改进，获取基本模式分量，依据干扰信号与有效信号的主导模态，依据不同窗长进行处理，将最终得到的电力线宽带载波通信信号应用于时频峰值滤波技术中实现干扰过滤，干扰过滤效果好，过滤性能高，运行时间短，具有一定的实用性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本实施例的基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块包括发射机和接收机。发射机用于接收来自数据链路层数据，采用两个链路分别处理帧控制数据和载荷数据，对帧控制数据进行Turbo编码、信道交织和分集拷贝，对载荷数据经过加扰处理、Turbo编码、信道交织和分集拷贝之后和帧控制数据一起进行星座点映射，通过1024点IFFT变换完成OFDM调制，对调制后的OFDM符号添加循环前缀以及加窗处理，加入前导序列，最后将数字信号转换成模拟信号耦合到电力线信道中。接收机用于对接收信号采用AGC和时间同步分别对帧控制数据和载荷数据进行调整，将接收信号和前导序列中的P符号量化并进行绝对值归一化，以完成符号定时同步，利用FFT变换完成OFDM解调，进行解调、解交织、译码处理，分别恢复帧控制的原始数据和载荷的原始数据。

本实施例中，发射机通过IFFT完成OFDM调制，之后采用取实部的方式发送。前导包括10.5个P符号与2.5个M符号，M＝-P，M符号与P符号相位相差π。其中，前导开始的0.5个P符号是P符号的后半部分，前导尾部的0.5个M符号是M符号的前半部分。每个P符号和M符号都包含了1024个采样点，它缓存在发送端，并在数据符号被传输之前发送。在接收端，P符号将被用于AGC、符号定时同步、信道估计等。前导P符号的生成可以利用前导参数相位经过1024点IFFT生成。前导相邻符号之间不需要插入循环前缀，发送前需要将前导序列作为整体进行加窗处理，前导序列的开始的0.5个P符号包含上升窗部分，最后0.5个M符号包含下降窗部分。P符号属于CAZAC序列，具有恒包络和零自相关性的特点。

传统互相关算法进行符号定时同步的公式为：

其中，C(n)为接收信号和前导序列P符号的互相关值，R(n+k)为接收信号，L为相关窗口大小，取1024，P(k)为前导序列的P符号，E(n)是接收信号相关窗能量，Ep为P符号的能量，M(n)是定时判决函数。从上述公式可以看出，接收信号与前导序列中P符号的互相关值的每一个值均需要1024次乘法运算和1023次加法运算，接收信号的相关窗能量的每一个值需要1024次乘法和1023次加法运算，定时判决函数的每一个值需要两次乘法与一次除法，对于硬件实现来说，开销太大。

本实施例中，接收机将接收信号和前导序列中的P符号量化并同时进行绝对值归一化的步骤包括：计算接收信号和量化后P符号的互相关值，并计算近似后的接收信号相关窗能量；根据互相关值和接收信号相关窗能量计算定时判决函数；通过定时判决函数在接收信号的每个训练符号的终点能得到一个尖锐的峰值，之后进行峰值计数。上述步骤的计算公式为：

其中，C(n)为接收信号和量化后P符号的互相关值，R()为接收信号，P()为前导序列的P符号，sgn()为量化后的P符号，E(n)是近似后的接收信号相关窗能量，M(n)是定时判决函数，L为相关窗口大小，取1024。利用上述公式，当检测到前导序列时，会出现多个峰值平台，根据峰值的个数，进行数组分组的定时同步。本实施例中，对前导序列的生成是在IFFT变换之后有一个取实部的过程，因此P符号是一个长度为1024的实数向量。那么P符号量化后的结果为：

实际硬件实现中，每一次乘法

因此，互相关值的运算实际上并不需要乘法运算，只需要根据P符号的正负，来决定是否对取相反数，在实际的硬件实现中可以省去乘法器的使用，相比传统互相关算法来说减少了大量的计算量，降低了实现复杂度，不再需要使用乘法器，便于了硬件的实现，同时在低信噪比时，还可以保持良好的符号同步性能。其次，相比于不做归一化操作的方法来说，由于电力线信道中噪声的影响以及各种干扰的存在，接收信号存在着衰减，互相关值的幅度范围变化较大，直接对互相关值进行判决则容易错误判决了数据分组的位置，将互相关值做绝对值归一化的操作后，可以减小接收信号衰减对判决门限的影响。

本实施例中，接收机还用于在完成符号定时同步后依次进行频率同步、信道估计。接收机利用两段重复训练序列的相关值的相位在时域估计出小数倍频偏以完成频率同步，从而本实施例的接收机通过种基于训练符号的频偏估计算法实现信道同步，该算法在时域内进行，算法实现较为简单。传统接收机中，常通过基于训练序列的信道估计算法进行信道估计，常用的有最小平方(LS)算法，用传统的LS信道估计方法在信噪比较低时，受噪声影响较大，信道估计不准确，尤其是电力线信道中衰落较深的地方。按照协议规定，载荷数据中不允许插入导频，而电力线信道衰落严重，必须通过信道估计对接收信号进行修正，所以对信道估计的准确性要求较高，必须利用前导得到较准确的信道估计结果。本实施例优选接收机通过对前导序列中的多个元素分别进行LS信道估计再取平均，将均值作为最终的信道估计结果，以完成信道估计，从而抑制加性噪声对信道估计结果的影响，在不增加复杂度的基础上，提高信道估计性能。

在对接收信号进行信道估计时，电力线宽带载波通信存在大量干扰信号，传统方法依据干扰信号的特征构建干扰模型，导致有效信号被淹没于干扰信号中，只能在高信噪比的情况下可有效完成通信过程中的干扰过滤。本实施例中，优选接收机进行信道估计的步骤包括：对接收信号中的干扰信号进行编码，将其转换成瞬时频率，对干扰信号进行频率调制，获取单位幅度的解析信号；取解析信号的加窗时频分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计。因为干扰信号和有效信号的频谱重叠，很难实现恢复所有的有效信号。所以本实施例获取的是有效信号的估计值，但该估计值和实际值相差不大，可以代替实际值进行计算，实现信号恢复。利用干扰信号的分布峰值进行瞬时频率估计，恢复有效信号，实现了时频峰值滤波技术对干扰信号的过滤。

本实施例中，采用上述方式对电力线宽带载波通信进行干扰过滤的过程中，在采用加窗时频分布进行频率估计时，窗长的选择会产生信号保真与干扰压制之间的矛盾。若选择较长的窗长，可有效抑制干扰信号，但源信号的幅值哀减将很大，信号失真程度较大；若选择较短的窗长，可有效保护源信号的幅值，但干扰过滤效果较差。而信号保真程度和干扰过滤效果将直接影响电力线宽带载波通信的质量。从而本实施例优选接收机取解析信号的加窗时频分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计的步骤包括：对接收信号进行经验模态分解，分解出干扰信号主导的高频分量与有效信号主导的低频分量；按照分量的不同，选择不同窗长的时频峰值对基本模式分量进行处理，窗长的选择规则为：选择长窗长对高频分量进行干扰抑制，而有效信号主导的低频分量由于干扰信号含量少，有效占大部分，选择短窗长以保持有效信号成分，过滤干扰信号分量；对经处理后的分量进行相加，同时加上残量，作为处理后的接收信号。这样避免了进行干扰信号过滤时效果较差、导致电力线宽带载波通信的质量差的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块，包括发射机和接收机，其特征在于：

发射机用于接收来自数据链路层数据，采用两个链路分别处理帧控制数据和载荷数据，对帧控制数据进行Turbo编码、信道交织和分集拷贝，对载荷数据经过加扰处理、Turbo编码、信道交织和分集拷贝之后和帧控制数据一起进行星座点映射，通过1024点IFFT变换完成OFDM调制，对调制后的OFDM符号添加循环前缀以及加窗处理，加入前导序列，最后将数字信号转换成模拟信号耦合到电力线信道中；

接收机用于对接收信号采用AGC和时间同步分别对帧控制数据和载荷数据进行调整，将接收信号和前导序列中的P符号量化并进行绝对值归一化，以完成符号定时同步，利用FFT变换完成OFDM解调，进行解调、解交织、译码处理，分别恢复帧控制的原始数据和载荷的原始数据；

接收机将接收信号和前导序列中的P符号量化并同时进行绝对值归一化的步骤包括：

计算接收信号和量化后P符号的互相关值，并计算近似后的接收信号相关窗能量；

根据互相关值和接收信号相关窗能量计算定时判决函数；

通过定时判决函数在接收信号的每个训练符号的终点能得到一个尖锐的峰值，之后进行峰值计数；

接收机还用于在完成符号定时同步后依次进行频率同步、信道估计；

接收机利用两段重复训练序列的相关值的相位在时域估计出小数倍频偏以完成频率同步；

接收机通过对前导序列中的多个元素分别进行LS信道估计再取平均，以完成信道估计。

2.如权利要求1所述的基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块，其特征在于，接收机进行信道估计的步骤包括：

对接收信号中的干扰信号进行编码，将其转换成瞬时频率，对干扰信号进行频率调制，获取单位幅度的解析信号；

取解析信号的加窗时频分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计。

3.如权利要求2所述的基于误差反馈算法的宽带载波(HPLC)模块，其特征在于，接收机取解析信号的加窗时频分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计的步骤包括：

对接收信号进行经验模态分解，分解出干扰信号主导的高频分量与有效信号主导的低频分量；

按照分量的不同，选择不同窗长的时频峰值对基本模式分量进行处理，窗长的选择规则为：选择长窗长对高频分量进行干扰抑制，选择短窗长以保持有效信号成分；

对经处理后的分量进行相加，同时加上残量，作为处理后的接收信号。