CN112543041A - 基于ofdm技术的宽带电力线载波通信系统及方法 - Google Patents

基于ofdm技术的宽带电力线载波通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统及方法，该系统将配网终端设备的业务信息调制成高频数字信号流后，通过串并变换成低速率的多路并行数据流，然后利用傅里叶变换转成时域信号后，利用并串转换将多路并行数据串成序列，数模转换作为发射信号加载到电力线上，通过电力线进行信息的传输，而接收端采用反向动作将信息转换回原始资料，发送到总控平台，完成业务相关信息的安全、快速传输，该系统通过对载波头端以及载波终端的组成设计，通过电力线作为传输介质，进行信息的传输；所述通信方法是基于上述通信系统完成的，可通过电力线进行信息的传输，有效解决电网存在较多通信断点的问题。

Description

基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统及方法
技术领域
本发明公开涉及通讯传输的技术领域，尤其涉及一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统及方法。
背景技术
我国电网建设目前已进入到了智能化电网全面覆盖的阶段，而建设智能化离不开信息的传输及通讯。当前的通讯主要通过光纤及无线公网的方式实现。但由于地形、历史及市政建设的因素，我国大部分地区尤其是主市区无法实现全面覆盖的光纤地下敷设；而无线公网虽建设方便，但其安全性及带宽均无法满足日益增长的业务需求。
目前电网存在较多通信断点，使得国家电网的智能化建设在信息传输方面遇到瓶颈。迫切需要一种全新的通信方式解决上述问题。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统及方法，以解决以往无法进行光纤铺设地区，存在的通信断点的问题。
一方面，本发明提供了一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，该通信系统包括：配网终端设备、调制器、载波头端、电力线、载波终端、解调器以及总控平台；
所述调制器的输入端与所述配网终端设备的输出端连接；
所述载波头端包括：依次通讯连接的第一串并转换器、第一信号映射器、第一傅里叶变换器、第一并串转换器、数模转换器以及上变频器，所述第一串并转换器的输入端与所述调制器的输出端连接；
所述电力线的输入端与所述载波头端中上变频器的输出端连接；
所述载波终端包括：依次通讯连接的下变频器、模数转换器、第二串并转换器、第二傅里叶变换器、第二信号映射器以及第二并串转换器，所述下变频器的输入端与所述电力线的输出端连接，且所述第二傅里叶变换器为所述第一傅里叶变换器的逆向变换器；
所述解调器的输入端与所述载波终端中第二并串转换器的输出端连接；
所述总控平台的输入端与所述解调器的输出端连接。
优选，在所述载波终端中还设置有均衡器；
所述均衡器串联在所述第二傅里叶变换器与所述第二信号映射器之间，且所述均衡器的输入端与所述第二傅里叶变换器的输出端连接，所述均衡器的输出端与所述第二信号映射器的输入端连接。
进一步优选，所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，还包括：去噪器；
所述去噪器串联在所述电力线与所述载波终端之间，且所述去噪器的输入端与所述电力线的输出端连接，所述去噪器的输出端与所述载波终端中下变频器的输入端连接。
进一步优选，所述配网终端设备包括：音频通信终端设备、图像通信终端设备、视频通信终端设备以及数据通信终端设备。
另一方面，本发明还提供了一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，参见图2，该通讯方法包括如下步骤：
S1：获取配网终端设备发出的业务信息数据；
S2：将所述业务信息数据依次进行调制、串并转换、傅里叶变换、并串转换以及数模转换后，生成输入信号；
S3：将所述输入信号加载到电力线，由电力线进行传输；
S4：接收所述电力线的输出信号，并将所述输出信号依次进行模数转换、串并转换、逆向傅里叶变换、并串转换以及解调后，生成输出信号；
S5：将所述输出信号发送到总控平台。
优选，步骤S2中，在所述并串转换与所述数模转换之间设置有防护间隔插入的步骤；步骤S4中，在所述模数转换与所述串并转换之间设置有防护间隔拆除的步骤，且所述防护间隔拆除步骤与所述防护间隔插入步骤对应。
进一步优选，步骤S4中，接收所述电力线的输出信号，进行降噪后，再依次进行模数转换、串并转换、逆向傅里叶变换、并串转换以及解调后，生成输出信号。
进一步优选，所述业务信息数据包括：音频业务信息数据、图像业务信息数据、视频业务信息数据以及监控信息数据。
本发明提供的基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，该系统将配网终端设备的业务信息调制成高频数字信号流后，通过串并变换成低速率的多路并行数据流，视为频域上的信号，然后利用傅里叶变换转成时域信号后，利用并串转换将多路并行数据串成序列后，数模转换作为发射信号加载到电力线上，通过电力线进行信息的传输，而接收端采用反向动作将信息转换回原始资料，发送到总控平台，完成业务相关信息的安全、快速传输，该系统通过对载波头端以及载波终端的组成设计，可实现信号的转换，由电力线作为传输介质，进行信息的传输，实现“电线通到哪，通信传到哪”，彻底解决“配网信息传输最后一公里”的难题。
本发明提供的基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，是基于上述通信系统完成的，可通过电力线进行信息的传输，有效解决电网存在较多通信断点的问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开实施例提供的一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统的组成模块图；
图2为本发明公开实施例提供的一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法的流程示意图；
图3为使用IFFT实现的OFDM过程的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
为了解决以往电网在无法进行光纤铺设地区，存在的通信断点的问题。本实施方案提供了一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，参见图1，该通信系统主要由配网终端设备1、调制器2、载波头端3、电力线4、载波终端5、解调器6以及总控平台7构成。
其中，调制器2的输入端与配网终端设备1的输出端连接，用于将配网终端设备1输出的业务信息调制成高频数字信号流。
载波头端3包括：依次通讯连接的第一串并转换器31、第一信号映射器32、第一傅里叶变换器33、第一并串转换器34、数模转换器35以及上变频器36，其中，第一串并转换器31的输入端与调制器2的输出端连接。电力线4的输入端与载波头端3中上变频器36的输出端连接。
载波终端5包括：依次通讯连接的下变频器51、模数转换器52、第二串并转换器53、第二傅里叶变换器54、第二信号映射器55以及第二并串转换器56，所述下变频器51的输入端与所述电力线4的输出端连接，且第二傅里叶变换器54为第一傅里叶变换器33的逆向变换器。
解调器6的输入端与载波终端5中第二并串转换器56的输出端连接，总控平台7的输入端与解调器6的输出端连接。
上述载波头端3作为传送端，将调制器2调制的高频数字信号流通过第一串并转换器31转换成N个低速的平行资料流，在分别对应成QPSK、16QAM或64QAM调变信号，该N个调变信号可视为在频域中的信号，利用第一信号映射器32处理后，利用第一傅里叶变换器33将其转换为时域信号，再利用第一并串转换器34将N个平行信号串成序列，由数模转换器35进行数模转换后，由上变频器36加在到电力线中。
载波终端5作为接收端，与载波头端3进行反向动作，用于将接收的信号转换回原始资料后，传送到总控平台7，完成信息的传输。
其中，通常第一傅里叶变换器33中采用IFFT，而第二傅里叶变换器54中采用FFT。
上述系统把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，为了使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可，参见图1，在载波终端5中还设置有均衡器57，该均衡器57串联在第二傅里叶变换器54与第二信号映射器55之间，且均衡器57的输入端与第二傅里叶变换器54的输出端连接，均衡器57的输出端与第二信号映射器55的输入端连接。
为了便于载波终端5对信息的解析，作为技术方案的改进，参见图1，在该通信系统中还设置有去噪器8，该去噪器8串联在电力线4与载波终端5之间，且去噪器8的输入端与电力线4的输出端连接，去噪器8的输出端与所述载波终端5中下变频器51的输入端连接。
上述配网终端设备1包括：音频通信终端设备、图像通信终端设备、视频通信终端设备以及数据通信终端设备。
参见图2，本实施方案提供了一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，该通信方法是基于上述的通信系统完成，包括如下步骤：
S1：获取配网终端设备发出的业务信息数据；
S2：将业务信息数据依次进行调制、串并转换、傅里叶变换、并串转换以及数模转换后，生成输入信号；
S3：将输入信号加载到电力线，由电力线进行传输；
S4：接收电力线的输出信号，并将输出信号依次进行模数转换、串并转换、逆向傅里叶变换、并串转换以及解调后，生成输出信号；
S5：将所述输出信号发送到总控平台。
上述通信方法是基于OFDM架构传输系统完成，其基本原理是：把高速率的信源信息流通过串并变换，变换成低速率的N路并行数据流，然后将这N路数据流分别调到N个相互正交的子载波上，再将N路调制后的信号相加即得发射信号。
从频域上看，将所给信道分成N个正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且这N个正交的子载波并行传输，即整个信道划为多个窄的正交子带，并且在每个信道上进行窄带传输，子信道信号带宽小于信道相关带宽，以克服信道的频率选择性衰落。
从时域上看，采用并行方式传输多个符号可以相应的增加码的持续时间，这样就可以减少衰落环境带来的符号间干扰(IsI)的影响。
比特流经过映射、串并转换为k路并行的比特流，插入导频信号后经IFFT得到x(n)，使用IFFT实现的OFDM过程可参见图3。
在OFDM架构传输系统中，我们在子载波上以特定的调变方式来传送数据，如QPSK、16QAM或64QAM，因此接收端必须知道载波上的振幅与相位才能估测所传送的数据，但因为每个子载波都会被通道衰减所影响，因此我们必须精准的估计出信道频率响应，估测方式通常分为两种，指标式估测(Pilot-based channel estimation)与盲蔽式估测(Blindchannel estimation)，指标式估测法主要是在传送数据的过程中加入一些pilot，在接收端利用已知的pilot信号来估测信道，盲蔽式通道估测法则不需额外加入pilot，仅利用接收到的信号特性来做信道频估。
指针式通道估测需付出一些额外的带宽来传送pilot，相对也有较佳的预估能力，在不同的信道状况下适合不同的pilot编排方式，在接收到经过信道衰减后的信号后可利用简单的线性内插法或均方误差估计(Mean Square Error，MSE)。
上述实施方案提供的通信方法，具有以下优势：
1、具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔(频带)，以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。该方法各信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，各子信道信号的分离(解调)是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM的各子信道上还可以采用多进制调制(如频谱效率很高的QAM)，进一步提高了OFDM系统的频谱效率。
2、实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。
3、抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀(Cyclic Prefix，CP)方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。
在无线环境中，最常遇到的问题是多重路径延迟扩散(Multi-path DelaySpread)而产生符元间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)，造成接收端接收到的讯号质量变差及错误率提高，于是为了降低此干扰，可在每一个符元前加上一小段的防护区间(Guard Interval,GI)。每一个要传送出去的OFDM符元，并不是连续传送的，是中间隔了一小段时间后再让下一个OFDM符元传送出去。
因此，作为技术方案的改进，步骤S2中，在并串转换与数模转换之间设置有防护间隔插入的步骤；步骤S4中，在模数转换与串并转换之间设置有防护间隔拆除的步骤，且防护间隔拆除步骤与防护间隔插入步骤对应。
至于防护区间的长度要如何决定，就跟多重路径延迟扩散有关。设计时若考虑可以防止现在传送的OFDM符元不会因为有延迟扩散而干扰到下一个传送出去的符元，可以解决ISI所造成的困扰，但也牺牲一小部分的资源，也就是防护区间取的太大会增加传送功率与带宽的代价，可是若想节省而缩短防护区间，则多重路径延迟扩散影响就会变大，所以防护区间的长度会针对不同信道环境或通讯应用而有所调整。
设计防护区间解决了符元间干扰的效应，却因此而产生了每一个子载波不再具有正交性的现象，而造成载波间干扰(Inter Carrier Interference,ICI)的影响。因为在防护区间内所放的符元数据会影响到正交性，为了不失去正交性，防护区间内的讯号波形要与本身的波形是连续得，因此会设计复制同一个OFDM符元内的讯号波形当作防护区间，称做循环前缀(Cyclic prefix，CP)。
使用循环前缀除了能使OFDM减少符元间干扰外，还有一个好处是，接收端收到的有效OFDM符元可表示成传送端有效OFDM符元与通道脉冲响应(Channel impulseresponse)做环旋积(Circular convolution)，则在频谱上可表示为有效的OFDM频谱与通道频谱相乘的效果，对通道补偿的均衡器设计能大大的简化。
作为方案的进一步改进，步骤S4中，接收电力线的输出信号，进行降噪后，再依次进行模数转换、串并转换、逆向傅里叶变换、并串转换以及解调后，生成输出信号。
上述业务信息数据包括：音频业务信息数据、图像业务信息数据、视频业务信息数据以及监控信息数据。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，其特征在于，包括：配网终端设备(1)、调制器(2)、载波头端(3)、电力线(4)、载波终端(5)、解调器(6)以及总控平台(7)；
所述调制器(2)的输入端与所述配网终端设备(1)的输出端连接；
所述载波头端(3)包括：依次通讯连接的第一串并转换器(31)、第一信号映射器(32)、第一傅里叶变换器(33)、第一并串转换器(34)、数模转换器(35)以及上变频器(36)，所述第一串并转换器(31)的输入端与所述调制器(2)的输出端连接；
所述电力线(4)的输入端与所述载波头端(3)中上变频器(36)的输出端连接；
所述载波终端(5)包括：依次通讯连接的下变频器(51)、模数转换器(52)、第二串并转换器(53)、第二傅里叶变换器(54)、第二信号映射器(55)以及第二并串转换器(56)，所述下变频器(51)的输入端与所述电力线(4)的输出端连接，且所述第二傅里叶变换器(54)为所述第一傅里叶变换器(33)的逆向变换器；
所述解调器(6)的输入端与所述载波终端(5)中第二并串转换器(56)的输出端连接；
所述总控平台(7)的输入端与所述解调器(6)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，其特征在于，在所述载波终端(5)中还设置有均衡器(57)；
所述均衡器(57)串联在所述第二傅里叶变换器(54)与所述第二信号映射器(55)之间，且所述均衡器(57)的输入端与所述第二傅里叶变换器(54)的输出端连接，所述均衡器(57)的输出端与所述第二信号映射器(55)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，其特征在于，还包括：去噪器(8)；
所述去噪器(8)串联在所述电力线(4)与所述载波终端(5)之间，且所述去噪器(8)的输入端与所述电力线(4)的输出端连接，所述去噪器(8)的输出端与所述载波终端(5)中下变频器(51)的输入端连接。
4.根据权利要求1所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信系统，其特征在于，所述配网终端设备(1)包括：音频通信终端设备、图像通信终端设备、视频通信终端设备以及数据通信终端设备。
5.一种基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取配网终端设备发出的业务信息数据；
S2：将所述业务信息数据依次进行调制、串并转换、傅里叶变换、并串转换以及数模转换后，生成输入信号；
S3：将所述输入信号加载到电力线，由电力线进行传输；
S4：接收所述电力线的输出信号，并将所述输出信号依次进行模数转换、串并转换、逆向傅里叶变换、并串转换以及解调后，生成输出信号；
S5：将所述输出信号发送到总控平台。
6.根据权利要求5所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，其特征在于，步骤S2中，在所述并串转换与所述数模转换之间设置有防护间隔插入的步骤；步骤S4中，在所述模数转换与所述串并转换之间设置有防护间隔拆除的步骤，且所述防护间隔拆除步骤与所述防护间隔插入步骤对应。
7.根据权利要求5所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，其特征在于，步骤S4中，接收所述电力线的输出信号，进行降噪后，再依次进行模数转换、串并转换、逆向傅里叶变换、并串转换以及解调后，生成输出信号。
8.根据权利要求5所述基于OFDM技术的宽带电力线载波通信方法，其特征在于，所述业务信息数据包括：音频业务信息数据、图像业务信息数据、视频业务信息数据以及监控信息数据。
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