CN113364485A

CN113364485A - 一种电力线载波信号阵列接收方法及系统

Info

Publication number: CN113364485A
Application number: CN202110491308.0A
Authority: CN
Inventors: 陈丽云; 吴丁虎; 杨永清
Original assignee: Beijing Huitong Microelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Huitong Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2041-05-06
Also published as: CN113364485B

Abstract

本发明公开了一种电力线载波信号阵列接收方法及系统，所述方法包括：从多种频段的耦合电路中配置一种耦合电路，用于对从电力线上输入的信号进行耦合；从多种频段的滤波电路中配置一种滤波电路，用于对经过耦合后的信号进行滤波；所述系统包括有可调耦合阵列单元、可调滤波阵列单元；可调耦合阵列单元包括有多种频段的耦合电路；可调滤波阵列单元包括有多种频段的滤波电路；可调信号放大阵列单元包括有多种放大电路。本发明通过调整选择对应的耦合电路以及滤波电路，从而能适应产生多种频段噪声信号的电力线通信场景下对通信信号的准确接收。

Description

一种电力线载波信号阵列接收方法及系统

技术领域

本发明属于信号接收技术领域，特别涉及一种电力线载波信号阵列接收方法及系统。

背景技术

电力线通信技术是一种利用电力线路作为通信媒介来传输数据信息的通信方式，通过在已有的电力线路上，加载经过调制的高频载波信号进行通信。电力线通信技术由于利用了已有电力线路资源而无须敷设通信线路，使用方便便捷因而广泛应用于低压电力线载波抄表、宽带接入、智能楼宇、智能家庭等应用装置的数据通信。

电力线通信技术中需要用到电力线载波通信装置来进行通讯，但由于电网中运行的用电负荷会产生噪声信号和干扰信号，会影响电力线载波通信装置的通讯质量，所以，一般采用在电力线载波通信装置中设置耦合电路和滤波电路来避开噪声信号。

现有技术中的电力线载波通信装置中的耦合电路和滤波电路的频段都是单一的，只能适应产生单一频段噪声信号的电力通信场景。然而，现实电网中会存在多种运行的用电负荷产生多种噪声信号和干扰信号，尤其是在靠近负载，如家庭环境中，电力线载波通信装置靠近各种家用电器时，由于不同的用电设备会产生不同频段的噪声信号，具有单一频段耦合电路和单一频段滤波电路的电力线载波通信装置就不能避开不同频段的噪声信号，这样会造成电力线载波通信装置的通讯所受的影响较大。因此，现有技术中的电力线载波通信装置并不能适应产生多种频段噪声信号的电力线通信场景。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种电力线载波信号阵列接收方法，所述阵列接收方法包括：

从多种频段的耦合电路中配置一种耦合电路，用于对从电力线上输入的信号进行耦合；

从多种频段的滤波电路中配置一种滤波电路，用于对经过耦合后的信号进行滤波。

进一步的，所述阵列接收方法还包括：从多种放大倍数的放大电路中配置一种放大电路，用于对经过滤波后的信号进行放大。

进一步的，配置一种频段的耦合电路、一种频段的滤波电路以及一种放大倍数的放大电路的方法为：

从多种频段的耦合电路中配置一个初始的耦合电路，从多种频段的滤波电路中配置一个初始的滤波电路，从多种放大倍数的放大电路中配置一个初始的放大电路；

对经初始的放大电路放大后的电力线载波信号进行处理；

根据处理的结果配置最终所需的耦合电路、滤波电路以及放大电路。

进一步的，经初始的放大电路放大后的电力线载波信号处理方法为：

对放大后的电力线载波信号进行模数转换；

对模数转换后的电力线载波信号进行噪声滤波；

对进行噪声滤波后的电力线载波信号进行前导同步识别，同时，对进行噪声滤波后的电力线载波信号精准采集；

获取前导同步识别的结果以及精准采集的结果。

进一步的，对放大后的电力线载波信号进行模数转换前，先将经放大后的电力线载波信号衰减一半，然后再进行模数转换。

进一步的，前导同步识别的结果分为未识别出可识别的前导信号或识别出可识别的前导信号。

进一步的，当未识别出可识别的前导信号时：

将精准采集后的电力线载波信号以及未识别出可识别的前导信号结果均进行解码；

根据解码的结果，保持所配置的初始的耦合电路、初始的滤波电路以及初始的放大电路不变。

进一步的，当识别出可识别的前导信号时：

将精准采集后的电力线载波信号以及识别出可识别的前导信号结果均进行解码；

根据解码的结果，配置相应的耦合电路以及滤波电路以及放大电路；

其中，在识别出可识别的前导信号时，立即控制电力线载波信号停止衰减一半。

进一步的，精准采集的方式为：采用滑动平均计算的方式进行计算。

另一方面，本发明还提供一种电力线载波信号阵列接收系统，所述系统包括有可调耦合阵列单元、可调滤波阵列单元；

所述可调耦合阵列单元包括有多种频段的耦合电路，所述耦合电路用于耦合从电力线上传输的电力线载波信号；

所述可调滤波阵列单元包括有多种频段的滤波电路，所述滤波电路用于对耦合电路耦合后的电力线载波信号进行滤波。

进一步的，所述系统还包括有可调信号放大阵列单元，所述可调信号放大阵列单元包括有多种放大电路，所述放大电路用于对滤波电路滤波后的电力线载波信号进行放大。

进一步的，所述系统还包括有ADC模数转换器以及微控制器；

所述ADC模数转换器与微控制器连接，所述ADC模数转换器用于对放大后的电力线载波信号进行模数转换。

进一步的，所述微控制器包括有噪声消除模块、前导同步信号识别模块、噪声滑动平均计算模块以及解码模块；

所述噪声消除模块，用于对经ADC模数转换器模数转换后的电力线载波信号进行滤波处理；

所述前导同步信号识别模块，用于对经噪声消除模块滤波后的电力线载波信号的噪声信号种类识别；

所述噪声滑动平均计算模块，用于经噪声消除模块滤波后的电力线载波信号精准采集；

所述解码模块，用于对噪声信号种类识别的结果以及精准采集后的电力线载波信号进行解码。

进一步的，所述微控制器还包括有控制及数据交互模块、接收阵列模块；

所述控制及数据交互模块，根据解码后的结果控制接收阵列模块；

所述接收阵列模块，用于控制配置一种频段的耦合电路、一种频段的滤波电路以及一种放大倍数的放大电路。

进一步的，所述ADC模数转换器的输入端接入有电阻分压电路；

所述电阻分压电路，用于控制放大后的电力线载波信号经衰减后传输给ADC模数转换器。

进一步的，所述电阻分压电路由前导同步信号识别模块控制。

进一步的，所述电阻分压电路控制放大后的电力线载波信号进行衰减时，衰减的幅值为一半。

本发明提供的电力线载波信号阵列接收方法及系统，通过调整不同频段的耦合电路、不同频段的滤波电路，从而能适应产生多种频段噪声信号的电力线通信场景。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

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一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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示出了根据本发明实施例的系统结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的电力线载波信号接收阵列示意图。

图3示出了根据本发明实施例的单个耦合电路图。

图4示出了根据本发明实施例的电力线载波接信号收阵列矩阵图。

图5示出了根据本发明实施例的作为初始的耦合电路的频段、初始的滤波电路频段及初始的放大电路放大倍数的选择结果示意图。

图6示出了根据本发明实施例的系统运行流程图。

图7示出了根据本发明实施例的开关S4闭合状态下输入ADC模数转换器并具有前导信号的电力载波信号波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种电力线载波信号阵列接收方法及系统，所述方法包括：

从多种频段的滤波电路中配置一种滤波电路，用于对经过耦合后的信号进行滤波；

从多种放大倍数的放大电路中配置一种放大电路，用于对经过滤波后的信号进行放大。

所述系统包括有可调耦合阵列单元以及可调滤波阵列单元；可调耦合阵列单元包括有多种频段的耦合电路；可调滤波阵列单元包括有多种频段的滤波电路；

由于电力线网络是网状结构，线路长短、分支和负荷各不相同，因此线路上的衰减也是各不相同。为了使接收到的信号能在ADC模数转换器的有效量程内，就需要对通过经过滤波电路进行滤波后的信号进行放大调理，由于不同幅值的信号需要不同放大倍数的放大电路，因此，就需要不同放大倍数的放大电路来控制接收信号的增益幅值，因此，所述系统还包括有可调信号放大阵列单元，可调信号放大阵列单元包括有多种放大电路。

所述系统还包括有ADC模数转换器以及微控制器，微控制器包括有噪声消除模块、前导同步信号识别模块、噪声滑动平均计算模块、解码模块、控制及数据交互模块以及接收阵列模块。

具体的，先通过程控开关S1在可调耦合阵列单元中选择一个初始的耦合电路；通过程控开关S2在可调滤波阵列单元中选择一个初始的滤波电路；通过程控开关S3在可调信号放大阵列单元中选择一个初始的放大电路。

示例性的，如图2所示，可调耦合阵列单元中包括但又不限于4个不同频段的耦合电路，4个耦合电路的频段分别为C1、C2、C3、C4，更进一步的，C1为10kHz-520kHz，C2为400kHz-2.1MHz，C3为1.5MHz-12.5MHz，C4为1MHz-31MHz。本实施例中，程控开关S1选择接入频段为C1的耦合电路作为初始的耦合电路，则形成的控制矩阵就是[1,0,0,0]，即：

可调滤波阵列单元中包括但又不限于4个不同频段的滤波电路，4个滤波电路的频段分别为F1、F2、F3、F4，更进一步的，F1为30kHz-200kHz，F2为30kHz-500kHz，F3为500kHz-2MHz，F4为2MHz-12MHz。本实施例中，程控开关S2选择接入频段为F2的滤波电路作为初始的滤波电路，则形成的控制矩阵就是[0,1,0,0]，即：

可调信号放大阵列单元中包括但又不限于4个放大电路，4个放大电路的放大倍数分别为A1、A2、A3、A4，更进一步的，A1为2倍，A2为4倍，A3为8倍，A4为16倍。本实施例中，程控开关S3选择接入放大倍数为A4的放大电路作为初始放大电路，则形成的控制矩阵就是[0,0,0,1]，即：

因此，如图4以及图5所示的，配置完成后的初始的耦合电路、初始的滤波电路、初始的放大电路三者之间形成的接收阵列结果为：

具体的，对经配置完成的初始的放大电路放大后的电力线载波信号进行处理，处理的方法为：

为了能更好的利用ADC模数转换器的最优转换量程，ADC模数转换器输入端是接入电阻分压电路的，因此，对经放大16倍数的电力线载波信号通过电阻分压电路先衰减一半，并将衰减一半后的电力线载波信号再通过ADC模数转换器进行模数转换。更进一步的，如图1所示，电阻分压电路包括有R3、R4、R5这3个电阻以及一个程控开关S4，程控开关S4的初始状态是保持闭合的状态，通过如下计算公式：

可得出，经放大X16倍数的电力线载波信号能被衰减一半。

对模数转换后的电力线载波信号通过噪声消除模块进行噪声滤波处理，可有效的增加信噪比SNR。

对进行噪声滤波后的电力线载波信号通过前导同步信号识别模块进行前导同步识别，这样就能识别出从电力线上接收的电力线载波信号是否是特殊的电力识别发出的，同时，对进行噪声滤波后的电力线载波信号通过噪声滑动平均计算模块进行精准采集，采集的方式为：

对经噪声滑动平均计算模块采集的每一帧噪声数据，基于短时傅里叶变换将其变换到频域。基于短时傅里叶变换结果，采用滑动平均方法，将上述采集到的10帧噪声数据在频域上进行平均，公式如下所示：

其中，N_meas代表当前测量的噪声功率，n为当前的测量次数，则N_ave(f,t)即为当前基于n次平均得到的噪声测量结果，N_ave(f,t-1)为上一时刻基于n-1次平均得到的噪声测量结果。采用这种滑动平均方式，对每个子频率块上的噪声功率每次只需存储一个值，大大减少了噪声滑动平均计算过程中对硬件存储空间的要求。更进一步的，噪声平均测量次数n＝10。

上述公式计算的结果为某一频率f下的噪声平均结果，基于上述噪声滑动平均结果，用平均值方法计算每个子频率块的噪声基底，其中，每个子频率块代表的是将所选的F2频段平均分成1024个子频率块。

通过解码模块能获取前导同步识别的结果以及精准采集的结果，具体的，通过噪声消除模块进行噪声滤波处理后的电力线载波信号分为两种情况。

第一种情况是：通过电力线上接收的电力线载波信号是由常规的电力设备产生的通信信号，因此，通过噪声消除模块进行噪声滤波处理后的电力线载波信号不具备前导信号，只具备数据信号，前导同步信号识别模块识别的结果就是未识别出可识别的前导信号；

将精准采集后的电力线载波信号以及未识别出可识别的前导信号结果均通过解码模块进行解码；

将解码模块解码的结果传输给控制及数据交互模块，并保持所配置的初始的耦合电路、初始的滤波电路以及初始的放大电路不变。

第二种情况是：通过电力线上接收的电力线载波信号是由特殊的电力设备产生的通信信号，因此，通过噪声消除模块进行噪声滤波处理后的电力线载波信号具备前导信号和数据信号，前导信号的幅值比数据信号的幅值高一些，一般情况下，前导信号幅值是数据信号幅值的2倍，如图7所示。这样就能使ADC模数转换器的接收量程的中间位置准确度更高，效果更好。此时，该前导信号就与前导同步信号识别模块设定的识别结果同步上了，前导同步信号识别模块识别的结果就是识别出可识别的前导信号；

将精准采集后的电力线载波信号以及识别出可识别的前导信号结果均通过解码模块进行解码；

将解码模块解码的结果传输给控制及数据交互模块，可通过控制及数据交互模块控制接收阵列模块，使接收阵列模块控制程控开关S1接入对应频段的耦合电路、控制程控开关S2接入对应频段的滤波电路、控制程控开关S3接入对应放大倍数的放大电路；

其中，在前导同步信号识别模识别出可识别的前导信号时，控制程控开关S4立即打开，停止电力线载波信号继续衰减一半后传输给ADC模数转换器，以便后面的电力线载波信号的幅值能利用ADC模数转换器转换量程的最优区间。

如图3所示，本实施例中，单个的耦合电路包括有电容C5、电容C6、线圈T1、电阻R1、电阻R2，电容C5和电容C6均为隔离耦合电容；线圈T1为隔离耦合线圈，线圈T1的作用是将高压端(信号输入端)和低压端(信号输出端)隔离分开。电阻R1为阻抗匹配电阻，电阻R2为限流电阻，保护可调耦合阵列单元中的元器件免受大电流冲击。

如图6所示，本实施例中，还需对整个所述系统运行过程中是否正常运行进行判断，其判断的流程如下：

步骤一：开始后，对整个系统进行复位并自检。

步骤二：读取需要配置的参数，具体的，该参数是为了选择可以匹配的耦合电路、滤波电路以及放大电路。

步骤三：根据步骤二读取的参数，判断是否有阵列需要配置，如不需要配置，则继续执行步骤二，若需要配置，则执行下一步。

步骤四：在有阵列配置的情况下，依次配置可调耦合阵列、可调滤波阵列、可调信号放大阵列。

步骤五：判断配置执行是否成功，具体的，对步骤四中配置好的耦合电路、滤波电路、放大电路进行检查，例如可对程控开关S1、程控开关S2以及程控开关S3的连接情况进行检查，若对应的程控开关S1、程控开关S2以及程控开关S3没有连接好，则判断系统运行为异常，反之，则进行下一步。

步骤六：数据采集并识别前导信号，具体的，根据ADC模数转换器、噪声消除模块、噪声滑动平均计算模块进行数据的采集，通过前导同步信号识别模块进行识别前导信号。

步骤七：根据步骤六，可对系统运行是否异常进行判断；根据步骤六，判断前导信号是否同步上，具体的，根据步骤六中识别的结果进行判断。

步骤八：根据步骤七，若前导信号未同步上，即，未识别出可识别的前导信号，则继续保持闭合程控开关S4，此时，还需要对系统运行是否异常进行判断；若前导信号同步上，即，识别出可识别的前导信号，则控制打开程控开关S4，并对系统运行是否异常进行判断。

根据步骤五、步骤七以及步骤八中，对系统运行是否异常的判断时，若判断运行系统异常，则对系统进行复位并自检；若判断系统运行没有异常，则继续读取需要配置的参数。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，所述阵列接收方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，所述阵列接收方法还包括：从多种放大倍数的放大电路中配置一种放大电路，用于对经过滤波后的信号进行放大。

3.根据权利要求2所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，配置一种频段的耦合电路、一种频段的滤波电路、一种放大倍数的放大电路的方法为：

对经初始的放大电路放大后的电力线载波信号进行处理；

4.根据权利要求3所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，经初始的放大电路放大后的电力线载波信号处理方法为：

对放大后的电力线载波信号进行模数转换；

对模数转换后的电力线载波信号进行噪声滤波；

获取前导同步识别的结果以及精准采集的结果。

5.根据权利要求4所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，对放大后的电力线载波信号进行模数转换前，先将经放大后的电力线载波信号衰减一半，然后再进行模数转换。

6.根据权利要求5所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，前导同步识别的结果分为未识别出可识别的前导信号或识别出可识别的前导信号。

7.根据权利要求6所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，当未识别出可识别的前导信号时：

根据解码的结果，保持所配置的初始的耦合电路、初始的滤波电路、初始的放大电路不变。

8.根据权利要求6所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，当识别出可识别的前导信号时：

根据解码的结果，配置相应的耦合电路、滤波电路以及放大电路；

9.根据权利要求4所述的一种电力线载波信号阵列接收方法，其特征在于，精准采集的方式为：采用滑动平均计算的方式进行计算。

10.一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述系统包括有可调耦合阵列单元以及可调滤波阵列单元；

11.根据权利要求10所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述系统还包括有可调信号放大阵列单元，所述可调信号放大阵列单元包括有多种放大电路，所述放大电路用于对滤波电路滤波后的电力线载波信号进行放大。

12.根据权利要求11所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述系统还包括有ADC模数转换器以及微控制器；

13.根据权利要求12所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述微控制器包括有噪声消除模块、前导同步信号识别模块、噪声滑动平均计算模块以及解码模块；

14.根据权利要求13所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述微控制器还包括有控制及数据交互模块以及接收阵列模块；

15.根据权利要求13或14所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述ADC模数转换器的输入端接入有电阻分压电路；

16.根据权利要求15所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述电阻分压电路由前导同步信号识别模块控制。

17.根据权利要求16所述的一种电力线载波信号阵列接收系统，其特征在于，所述电阻分压电路控制放大后的电力线载波信号进行衰减时，衰减的幅值为一半。