CN113517910B - 一种plc宽带电力载波通信系统的同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PLC宽带电力载波通信系统的同步方法及系统，属于物联网通信领域，本发明从实际工程角度出发，给出了一个完整的低压电力线宽带载波同步前导搜索的方法。包括定时粗同步、频率同步、相位同步以及定时精同步。本发明采用的定时粗同步方法，计算方法简单，仅仅采用快速傅里叶变化滑动相关计算就可完成，适合硬件FPGA实现。本发明提供一种频偏估计算法，采用两个前导符号前后之间的相位差，定时精度不高的情况下也可以精确频偏，并且适合硬件FPGA实现。在前导搜索过程中，采用搜索SYNCP和SYNCM交界点方法，由于在整个前导中仅仅有一点SYNCP和SYNCM交界点，所以简化前导搜索判定。并且搜索过程中采用2048点相关计算，提供了定时同步的精度。

Description

一种PLC宽带电力载波通信系统的同步方法及系统

技术领域

本发明属于物联网通信领域，涉及一种PLC宽带电力载波通信系统的同步方法及系统。

背景技术

在低压电力线宽带载波通信系统中，根据国家电网发布的标准，给出了低压电力线宽带载波通信系统的物理层架构，具体如图1所示。

在发射端，物理层接收来自数据链路层的输入，采用两个分开的链路分别处理帧控制数据和载荷数据。帧控制数据通过Turbo编码后，进行信道交织和帧控制分集拷贝；载荷数据经过加扰、Turbo编码以及信道交织和载荷分集拷贝后，和帧控制数据一起进行星座点映射，映射后的数据经过逆傅里叶变化(IFFT)处理后添加循环前缀形成OFDM符号，加入前导符号进行加窗处理后，形成物理层协议数据单元(PPDU)信号送入模拟前端最终发送到电力线信道中。

在接收端，从模拟前端接收到数据协同采用自动增益控制(AGC)和时间同步分别对帧控制和载荷数据进行调整，并对帧控制和载荷数据进行傅里叶变化(FFT)变换后，进入解调、译码模块，最终恢复出帧控制信息的原始数据与载荷的原始数据。

在低压电力线宽带载波通信系统的收发端中，采用突发方式进行通信，即PPDU格式，PPDU由前导、帧控制和载荷数据组成。前导为一个周期性序列，每个符号的帧控制和载荷数据的子载波个数为512个。其中，符号的保护间隔的类型包括帧控制的保护间隔、载荷数据第1个和第2个符号的保护间隔，载荷数据第3个符号及以后的保护间隔。具体的突发帧结构如图2所示。低压电力线宽带载波通信系统,通过对前导(Preamble)进行帧突发同步过程，根据国家电网发布的标准，定义前导结构图如3所示。

前导由10.5个SYNCP与2.5个SYNCM组成。SYNCP的定义为：

其中，C为可用的载波集合，N取1024。

另外，前导SYNCP也可以通过IFFT产生，IFFT的公式为：

取复信号：

可以得到：

即，SYNCP可以由X(k)的IFFT变换取实部得到。

SYNCM＝-SYNCP。其中，前导开始的0.5个SYNCP是SYNCP的后半部分，最后的0.5个SYNCM是SYNCM的前半部分。

其中前导参考相位用于对前导的SYNCP进行相位旋转，从1号载波到511号载波的相角参考值如1所示(这里仅仅给出部分，全部相角参考值请参考国家电网发布的PLC低压电力线宽带载波通信标准)。实际的相位为对应每个载波的相角参考值乘以π/8。

表1：前导相位表

根据上面关于低压电力线宽带载波通信系统帧结构定义，在通信媒介中仅仅传输实数分量，不传输虚数分量。在导致了低压电力线宽带载波通信在同步上需要一些独特的处理。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，根据低压电力线宽带载波通信物理层特点，利用前导信号特征，通过五个过程完成低压电力线宽带载波通信系统的频率同步和定时同步，提供一种PLC宽带电力载波通信系统的同步方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种PLC宽带电力载波通信系统的同步方法，包括以下步骤：

AGC调整：对接收信号进行幅度调整，形成一个幅度均值为1的归一化信号；

定时粗同步：利用接收帧突发数据和本地前导进行时域相关，初步确定一个前导符号的开始位置；

频率同步：利用前导符号特点，对接收端基带信号频率进行同步过程；

相位同步：完成接收端时域信号本地和发送端相位同步过程；

定时精同步：完成帧突发中精确的前导符号时域定位任务，即搜索出帧突发结构前导中的SYNCP和SYNCM符号交界点位置。

进一步，所述定时粗同步具体包括以下步骤：

S21：根据低压电力线宽带载波通信关于SYNCP定义，即SYNCP生成公式和相位表，本地生成一个SYNCP符号时域数据，记为s_syncp；

S22：接收端接收数据时钟为25M，对AGC调整之后的时域数据流进行归一化处理，记为a_rx_data，a_rx_data为实数数据流；

S23：从a_rx_data数据流的v_rx_pos位置开始依次取出1024点数据，记为a_rx_preamble，v_rx_pos初值设置为1；

S24：a_rx_preamble和s_syncp在时域进行滑动相关计算，得到一个滑动相关序列a_xcorr_value；搜索出a_xcorr_value模值最强相关峰以及位置，记为v_xcorr_peak和v_xcorr_pos；然后再计算出最强相关峰的papr值，记为v_xcorr_papr；

其中，abs()计算每个元数取模计算，mean()计算所有成员的累加平均；

S25：如果v_xcorr_papr大于等于v_xcorr_threshold值，则表明搜索到有效的前导符号位置，否则表明在a_rx_preamble中没有前导符号；

S26：如果搜索到有效的前导符号开始位置，则在a_rx_data数据流中，v_preamble_pos就是一个前导符号开始位置，并且v_preamble_pos＝v_rx_pos+v_xcorr_pos；

S27：如果步骤S25中在a_rx_preamble中没有前导符号，则在a_rx_data数据流往后移动一个步长继续搜索，即v_rx_pos＝v_rx_pos+v_rx_stepsize，并且返回步骤S23，直到a_rx_preamble中有前导符号。

进一步，所述频率同步的具体步骤包括：

S31：根据定时粗同步确定的前导开始位置，在接收数据流a_rx_data中依次取出两个前导符号时域数据，记为a_rx_preamble_data1和a_rx_preamble_data2；

S32：将两个前导时域数据进行快速傅里叶变化，将信号从时域变化到频域，记为a_rx_preamble_data1_fft和a_rx_preamble_data2_fft；

a_rx_preamble_data1_fft＝FFT(a_rx_preamble_data1)

a_rx_preamble_data1_fft＝a_rx_preamble_data1_fft(有效子载波编号)

a_rx_premable_data2_fft＝FFT(a_rx_preamble_data2)

a_rx_preamble_data2_fft＝a_rx_preamble_data2_fft(有效子载波编号)

S33：将两个前导符号频率数据a_rx_preamble_data1_fft和a_rx_premable_data2_fft进行共轭相乘，得到每个子载波的相位差，记为a_rx_preamble_phase_diff；

a_rx_preamble_phase_diff＝angle(a_rx_preamble_data2_fft.*conj(a_rx_premable_data1_fft))

其中，符号conj()表示取共轭；*表示对应元素相乘；angle()表示对数组中每个成员取角度计算，单位弧度；

S34：对所有有效子载波a_rx_preamble_phase_diff的相位进行平均计算，记为

S35：根据前后两个前导符号在频域相位差值，计算出收发两端基带的频率偏差，记为v_baseband_frequency_offset；然后对接收端基带数据进行频偏补偿；

进一步，所述相位同步的具体步骤包括：

S41：根据低压电力线宽带载波通信标准，接收端本地生成SYNCP时域信号，记为s_syncp；

S42：对接收数据流进行归一化处理，形成a_rx_data数据流；

S43：从a_rx_data中取出一个前导符号的长度的数据，从a_rx_data中取符号数据开始位置，由定时粗同步确定，记为a_rx_preamble；

S44：a_rx_preamble和s_syncp进行滑动相关计算，则得到滑动相关序列，记为a_xcorr_value；

S45：在a_xcorr_value序列中搜索最强相关峰值，记录为v_xcorr_peak_value；

v_xcorr_peak_value复数的相位角度，记为时域相位偏差角度，记为v_preamble_phase_diff；

v_preamble_phase_diff＝angle(v_xcorr_peak_value)

其中，angle()表示取复数相位角，单位弧度，取值范围(-pi,+pi)。

进一步，所述定时精同步包括以下步骤：

S51：根据低压电力线宽带载波通信系统关于前导定义，接收端本地生成SYNCP和SYNCM时域数据，每个数据长度为1024点，然后将这两个时域符号拼接成一个本地前导序列，记为a_local_preamble，并且设置有效峰值次数计数器v_search_peak_num为0；

a_local_preamble＝[s_syncp s_syncm]

其中，[]表示SYNCP和SYCM数据首尾相并接方法，组成一个新的序列；

S52：在接收端接收基带数据流a_rx_data中的，令开始位置为v_rx_pos开始，依次取出两个符号长度的数据，记为a_rx_preamble_data；

a_rx_preamble_data＝a_rx_data(v_rx_pos:v_rx_pos+2048)

其中，a_rx_data(v_rx_pos:v_rx_pos+2048)表示从a_rx_data数组中，从v_rx_pos开始，连续取出2048个数据；

53：a_rx_preamble_data和a_local_preamble两个序列进行滑动相关计算，得到一个滑动相关序列，记为a_xcorr_preamble_value；搜索出a_xcorr_preamble_value中最强相关峰值和其位置，记为v_xcorr_preamble_peak和v_xcorr_preamble_pos；

S54：计算出最强相关峰值的papr值，记为v_premable_papr；

其中，abs()表示对其中每个元数取模操作；mean()表示对每个元数进行累加平均操作；

S55：如果v_premble_papr大于等于v_preamble_threshold，则表明搜索到有效帧前导符号开始位置，则v_search_peak_num增加1，即

v_search_peak_num＝v_search_peak_num+1

如果v_search_peak_num等于max_search_peak_num,则表示搜索到帧具体位置，即确定前导SYNCP和SYNCM的交界点位置为：

v_rx_pos＝v_rx_pos+v_xcorr_preamble_pos–v_glo_fft_size

其中：v_glo_fft_size为1024；

S56：如果步骤5中的v_premble_papr不大于v_preamble_threshold值，则表明没有搜索到有效前导符号位置，则将接收序列往后移动一个步长v_xcorr_preamble_stepsize，并且复位v_search_peak_num为0，继续搜索。

另一方面，本发明还提供一种PLC宽带电力载波通信系统的同步系统，包括依次连接的：

电力线适配模块：用于将通信基带信号从电力线耦合到基带上，并且完成抽样过程，形成基带数字信号，接收的数据流记录为a_rx_data；

AGC调整模块：用于对接收基带信号的功率控制，使得接收到的基带信号处于正常范围；

信号归一化模块：在基带完成了AGC信号幅度调整后，在基带信号处理之前，通过信号归一化模块对信号进行预处理，即信号归一化处理；

定时粗同步模块：用于在时域完成定时粗同步过程；

频率同步模块：用于进行频率同步过程；

相位同步模块：用于进行时域相位同步过程；

定时精同步模块：用于进行定时精同步过程。

进一步，信号归一化模块采用a_rx_data/mean(a_rx_data_segment)方法进行归一化操作，其中a_rx_data_segment表示接收一段基带数据，；mean()表示对所有样本a_rx_data_segment的幅度进行平均。

本发明的有益效果在于：

第一：本发明从实际工程角度出发，给出了一个完整的低压电力线宽带载波同步前导搜索的方法。包括定时粗同步、频率同步、相位同步以及定时精同步。

第二：本发明采用的定时粗同步方法，计算方法简单，仅仅采用快速傅里叶变化滑动相关计算就可完成，适合硬件FPGA实现。

第三：本发明提供的频偏估计算法，采用两个前导符号前后之间的相位差，定时精度不高的情况下也可以精确频偏，并且适合硬件FPGA实现。

第四：在前导搜索过程中，采用搜索SYNCP和SYNCM交界点方法，由于在整个前导中仅仅有一点SYNCP和SYNCM交界点，所以简化前导搜索判定。并且搜索过程中采用2048点相关计算，提供了定时同步的精度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为低压电力线宽带载波通信物理层结构图；

图2为宽带电力通信系统PLC的帧突发结构图；

图3为宽带电力通信系统PLC中的前导结构图；

图4为低压电力线宽带载波通信同步框图；

图5为接收端定时粗同步过程示意图；

图6为接收端基带频率偏差计算过程示意图；

图7为接收端基带时域相位同步过程示意图；

图8为接收端基带时域定时精同步过程示意图；

图9为低压电力线宽带载波通信接收端同步系统结构图；

图10为定时粗同步搜索结果图；

图11-1为时域频偏500Hz下收到前导符号的星座图；

图11-2为时域频偏1KHz下收到前导符号的星座图；

图11-3为时域频偏1.5KHz下收到前导符号的星座图；

图12-1为时域相位偏差估计结果；

图12-2为存在相位偏差下的信道估计结果；

图13为时域相位补偿之后的信道估计结果；

图14-1为SNR＝50场景下的时域定时精同步结果；

图14-2为SNR＝0场景下的时域定时精同步结果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图14-2，在本发明中，根据低压电力线宽带载波通信物理层特点，利用前导信号特征，通过五个过程完成低压电力线宽带载波通信系统的频率同步和定时同步。如图4所示，这个5个过程分别为AGC调整、定时粗同步、频率同步、定时精同步和相位同步过程。

过程1：AGC调整：该过程完成对接收信号进行幅度调整，形成一个幅度均值为1的归一化信号。

过程2：定时粗同步：该过程利用接收帧突发数据和本地前导进行时域相关，初步确定一个前导符号的开始位置。定时粗同步具体流程如下：

步骤1：根据低压电力线宽带载波通信关于SYNCP定义，即SYNCP生成公式和相位表，根据本发明的描述要求，接收端首先在本地生成和发送端相同的SYNCP时域基带信号，记为s_syncp。如图5中1步。根据低压电力线宽带载波通信标准要求，s_syncp生成公式如下。

其中，C为可用的载波集合，收端两端事先约定采用的子载波集合，N取1024。

为固定的前导相位表，k表示子载波编号。

步骤2：接收端接收数据时钟为25M,对AGC调整之后的时域数据流进行归一化处理，记为a_rx_data，a_rx_data为实数数据流。如图5中2步。

步骤3：从a_rx_data数据流的v_rx_pos位置开始依次取出1024点数据，记为a_rx_preamble。v_rx_pos初值设置为1。如图5中3步。

步骤4：a_rx_preamble和s_syncp在时域进行滑动相关计算，得到一个滑动相关序列a_xcorr_value。搜索出a_xcorr_value模值最强相关峰以及位置，记为v_xcorr_peak和v_xcorr_pos。然后再计算出最强相关峰的papr值，记为v_xcorr_papr。如图5中4步。

v_xcorr_papr＝v_xcorr_peak/mean(abs(a_rx_preamble))

其中，abs()计算每个元数取模计算。mean()计算所有成员的累加平均。

步骤5：如果v_xcorr_papr大于等于v_xcorr_threshold值，则表明搜索到有效的前导符号位置，否则表明在a_rx_preamble中没有前导符号。如图5中5步。

步骤6：如果搜索到有效的前导符号开始位置，则在a_rx_data数据流中，v_preamble_pos就是一个前导符号开始位置，并且v_preamble_pos＝v_rx_pos+v_xcorr_pos。如图5中7步。

步骤7：如果步骤5中在a_rx_preamble中没有前导符号，则在a_rx_data数据流往后移动一个步长继续搜索。即v_rx_pos＝v_rx_pos+v_rx_stepsize。并且从步骤3开始。在该实施例中，v_rx_stepsize取值为1024/8。

在该实施例中，图10给出了定时粗同步的搜索结果，在图中存在13条明显相关峰值，主要前导是由13个前导符号组成，在每个相关峰位置存在多个峰值点，主要由于，搜索过程中采用v_rx_stepsize取值为1024/8，所以一个前导符号的开始位置，可能多次被搜索到。

过程3：时域频率同步：该过程主要利用前导符号特点，对接收端基带信号频率进行同步过程，频率同步模块：收发设备采用不同的时钟，所以收发双方总是存在时钟偏差的问题，由于时钟偏差导致了接收信号和本地信号相关性恶化，所以在时域精同步之前首先进行频率同步过程。由于该实施例中，接收信号是一个实数信号，所以不能简单直接和本地信号相关，取相位差来计算频率偏差。在该实施例中，将使用本发明方法，具体处理方式如下。

步骤1：根据定时粗同步确定的前导开始位置，在接收数据流a_rx_data中依次取出两个前导符号时域数据。记为a_rx_preamble_data1和a_rx_preamble_data2。如图6中1步。

步骤2：将两个前导时域数据进行快速傅里叶变化，将信号从时域变化到频域。记为a_rx_preamble_data1_fft和a_rx_preamble_data2_fft。如图6中2步。

a_rx_preamble_data1_fft＝FFT(a_rx_preamble_data1)

a_rx_preamble_data1_fft＝a_rx_preamble_data1_fft(有效子载波编号)

a_rx_premable_data2_fft＝FFT(a_rx_preamble_data2)

a_rx_preamble_data2_fft＝a_rx_preamble_data2_fft(有效子载波编号)

在实施例中，采用band0方式，即子载波编号从80到490，即411个有效子载波。

a_rx_preamble_data1_fft＝a_rx_preamble_data1_fft(80:490)

a_rx_preamble_data2_fft＝a_rx_preamble_data2_fft(80:490)

步骤3：由于每个前导符号的内容相同，每个子载波承载的内容相同，所以将两个前导符号频率数据a_rx_preamble_data1_fft和a_rx_premable_data2_fft进行共轭相乘，得到每个子载波的相位差。记为a_rx_preamble_phase_diff，如图6中3步。

a_rx_preamble_phase_diff＝angle(a_rx_preamble_data2_fft.*conj(a_rx_premable_data1_fft))；

其中,符号conj()表示取共轭；“.*”表示对应元素相乘；angle()表示对数组中每个成员取角度计算，单位弧度。

步骤4：从理论分析，由于收发时钟偏差，每个子载波的相位偏差应该相同，但是由于噪声，以及信道随机性，所以每个子载波上的相位偏差也不近相同，则需要对所有有效子载波a_rx_preamble_phase_diff的相位进行平均计算，记为v_rx_preamble_mean_phase_diff＝sum(a_rx_preamble_phase_diff)/有效子载波数目。如图6中4步。在该实施例中，有效子载波数目为411。

步骤5：根据前后两个前导符号在频域相位差值，计算出收发两端基带的频率偏差，记为v_baseband_frequency_offset。然后对接收端基带数据进行频偏补偿。如图6中5，6步。

v_baseband_frequency_offset＝(v_rx_preamble_mean_phase_diff/pi)*(接收端基带时钟/频域有效子载波数目)。在该实施例中，

v_baseband_frequency_offset＝(v_rx_preamble_phase_diff/pi)*(25E6/411)；

其中25E6表示25000000赫兹。

在该实施例中，为了验证时域频率同步的正确性，采用了瑞利信道，并且在信道中增加不同频率，检查使用本发明方法是否可以正确识别出收发两端基带的频偏。如图11-1、图11-2、图11-3所示。给出了不同频偏情况下收到前导符号的星座图，即频偏估算结果。在测试中：

加入基带频偏为500Hz，实际测试结果为：482Hz，估计误差为：13Hz

加入基带频偏为1KHz，实际测试结果为：1036Hz，估计误差为：36Hz

加入基带频偏为1.5KHz，实际测试结果为：1543Hz，估计误差为：43Hz

从上面的测试分析，远远小于该实施例系统的子载波间隔24KHz。

过程4：时域相位同步：完成接收端时域信号本地和发送端相位同步过程。相位同步模块：由于收发两端的时钟不同步，以及模数DAC和模数ADC变化造成相位的随机性，那么在时域上，收发两端的相位存在随机性，这将影响后期进行定时精同步的准确性。所以在该实施例将使用本发明方法完成时域相位同步过程：

步骤1：根据低压电力线宽带载波通信标准，接收端本地生成SYNCP时域信号，记为s_syncp。如图7中1步。

步骤2：对接收数据流进行归一化处理，形成a_rx_data数据流。如图7中2步。

步骤3：从a_rx_data中取出一个前导符号的长度的数据，从a_rx_data中取符号数据开始位置，由定时粗同步确定，记为a_rx_preamble。如图7中3步。

步骤4：a_rx_preamble和s_syncp进行滑动相关计算，则得到滑动相关序列。记为a_xcorr_value。如图7中4步。

步骤5：在a_xcorr_value序列中搜索最强相关峰值，记录为v_xcorr_peak_value。如图7中4步。

v_xcorr_peak_value复数的相位角度，记为时域相位偏差角度。记为v_preamble_phase_diff。

v_preamble_phase_diff＝angle(v_xcorr_peak_value)

其中。angle()表示取复数相位角，单位弧度。取值范围(-pi,+pi)。

在该实施例中，图12-1中RS symbol表示接收到的a_rx_preamble时域数据、LocalRS symbol表示本地前导频域数据、RX xcorr则表示所有相关点的相位和幅度关系、RSxcorr amplitude表示相关峰搜索过程，RS xcorr Phase Diff则表明所有相关点的相位，并且计算出估算相位偏差。估算相位偏差结果为：-158.89°。

在该实施例中，如果不对时域相位进行校准，则则信道估计开始就存在相位偏差，如图12-2所示。本质就是在所有信道估计结果进行了-150.89°的相移。

采用本发明的方法进行相位偏差估计，并且进行相位补偿，得到的信道估计，采用极坐标表示，如图13所示。信道特征的角度趋于0，表示接收到时域相位和接收端保持同步。

过程5：时域定时精同步：该过程完成帧突发中精确的前导符号时域定位任务，即搜索出帧突发结构前导中的SYNCP和SYNCM符号交界点位置。定时精同步模块：在低压电力线宽带载波通信系统中，由于在控制帧和数据载荷部分没有可以使用参考信号，所以前导的时域定时精度非常关键。根据本发明的方法，在该实施例中，具体操作步骤如下：

步骤1：根据低压电力线宽带载波通信系统关于前导定义，接收端本地生成SYNCP和SYNCM时域数据，每个数据长度为1024点，然后将这两个时域符号拼接成一个本地前导序列，记为a_local_preamble。并且设置有效峰值次数计数器v_search_peak_num为0。如图8中1步。

a_local_preamble＝[s_syncp s_syncm]

其中,[]表示SYNCP和SYCM数据首尾相并接方法，组成一个新的序列。s_syncp表示SYNCP数据，s_syncm表示SYNCM数据。

步骤2：在接收端接收基带数据流a_rx_data中的，假设开始位置为v_rx_pos开始，依次取出两个符号长度的数据，记为a_rx_preamble_data。如图8中2步。

a_rx_preamble_data＝a_rx_data(v_rx_pos:v_rx_pos+2048)；

其中，a_rx_data(v_rx_pos:v_rx_pos+2048)表示从a_rx_data数组中，从v_rx_pos开始，连续取出2048个数据。

步骤3：a_rx_preamble_data和a_local_preamble两个序列进行滑动相关计算，得到一个滑动相关序列，记为a_xcorr_preamble_value。搜索出a_xcorr_preamble_value中最强相关峰值和其位置，记为v_xcorr_preamble_peak和v_xcorr_preamble_pos。从本质来讲，最强相关峰值点就是本地和接收序列在SYNCP和SYNCM对齐的时刻。如图8中3步。

步骤4：计算出最强相关峰值的papr值，记为v_premable_papr。如图8中4步。

v_premble_papr＝v_xcorr_preamble_peak/mean(abs(a_rx_preamble_data))

其中，abs()表示对其中每个元数取模操作；mean()表示对每个元数进行累加平均操作。

步骤5：如果v_premble_papr大于等于v_preamble_threshold，则表明搜索到有效帧前导符号开始位置。则v_search_peak_num增加1，即

v_search_peak_num＝v_search_peak_num+1

如果v_search_peak_num等于max_search_peak_num,则表示搜索到帧具体位置，即确定前导SYNCP和SYNCM的交界点位置为：

v_rx_pos＝v_rx_pos+v_xcorr_preamble_pos–v_glo_fft_size

其中：v_glo_fft_size为1024。如图8中5，8，9，10步。在该实施例中，max_search_peak_num设置为5，v_preamble_threshold设置为0.35。

步骤6：如果步骤5中的v_premble_papr不大于v_preamble_threshold值，则表明没有搜索到有效前导符号位置，则将接收序列往后移动一个步长v_xcorr_preamble_stepsize，并且复位v_search_peak_num为0,继续搜索。如图8中6，7步。

在图9的低压电力线宽带载波通信接收端同步系统由，电力线适配模块、AGC调整模块、信号归一化模块、定时粗同步模块、频率同步模块、相位同步模块、以及定时精同步模块组成。在该实施例中，采用band0频段。在该实施例中，v_xcorr_preamble_stepsize取值为1024/8。

为了确认定时精同步的可行性，在测试验证中，该实施例选择SNR＝50和SNR＝0两种极限情况进行相关峰搜索验证。

SNR＝50场景，如图14-1所示。其中最强相关峰值都大于0.35，但是在没有搜索到SYNCP和SYNCM的交界点的时候，相关峰值的数目比较少，所以能够很好去掉伪相关峰点。在该实施例中，根据本发明方法要求多次连续搜索到有效相关max_search_peak_num次，有效剔除了伪相关峰点。

SNR＝0场景，如图14-2所示。其中最强相关峰值都大于0.3，但是在没有搜索到SYNCP和SYNCM的交界点的时候，相关峰值值都小于0.3。所以能够很好去掉伪相关峰点。

在该实施例中，结合上面SNR＝0和SNR＝50的场景，确定相关峰判决门限v_preamble_threshold为0.35。

电力线适配模块：低压电力线通信是直接通过电力传输基带信号，该模块完成将通信基带信号从电力线耦合到基带上，并且完成抽样过程，形成基带数字信号。在本实施例中，模数变化(简称：ADC)数字采用时钟采用25MHz。接收的数据流记录为a_rx_data。

AGC调整模块：在低压电力线宽带载波通信系统中，由于没有采用功率控制，发送端始终采用最大功率发送，以及电力线阻抗的动态变化比较大，导致了接收端接收到信号波动范围大，所以该模块完成对接收基带信号的功率控制，使得接收到的基带信号处于正常范围。在该实施例中，AGC调整在电力线适配模块中完成。

信号归一化模块：在该实施例中基带完成了AGC信号幅度调整后，在基带信号处理之前，需要对信号进行预处理过程，即信号归一化处理。

在该实施例中，采用a_rx_data/mean(a_rx_data_segment)方法进行归一化操作。其中a_rx_data_segment表示接收一段基带数据，在该实施例中选择1024个点；mean()表示对所有样本a_rx_data_segment的幅度进行平均。

定时粗同步模块：由于该系统采用帧突发发送进行发送数据，所以接收端不能确定帧突发数据到来时刻，所以接收端首先需要在时域完成定时粗同步过程。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种PLC宽带电力载波通信系统的同步方法，其特征在于：包括以下步骤：

AGC调整：对接收信号进行幅度调整，形成一个幅度均值为1的归一化信号；

定时粗同步：利用接收帧突发数据和本地前导进行时域相关，初步确定一个前导符号的开始位置；

频率同步：利用前导符号特点，对接收端基带信号频率进行同步过程；

相位同步：完成接收端时域信号本地和发送端相位同步过程；

定时精同步：完成帧突发中精确的前导符号时域定位任务，即搜索出帧突发结构前导中的SYNCP和SYNCM符号交界点位置；

所述定时粗同步具体包括以下步骤：

S21：根据低压电力线宽带载波通信关于SYNCP定义，即SYNCP生成公式和相位表，本地生成一个SYNCP符号时域数据，记为s_syncp；

S22：接收端接收数据时钟为25M，对AGC调整之后的时域数据流进行归一化处理，记为a_rx_data，a_rx_data为实数数据流；

S23：从归一化基带数据a_rx_data的v_rx_pos位置开始依次取出1024点数据，记为a_rx_preamble，v_rx_pos初值设置为1；

S24：a_rx_preamble和s_syncp在时域进行滑动相关计算，得到一个滑动相关序列a_xcorr_value；搜索出a_xcorr_value模值最强相关峰以及位置，记为v_xcorr_peak和v_xcorr_pos；然后再计算出最强相关峰的papr值，记为v_xcorr_papr；

其中，abs()计算每个元数取模计算，mean()计算所有成员的累加平均；

S25：如果v_xcorr_papr大于等于v_xcorr_threshold值，则表明搜索到有效的前导符号位置，否则表明在a_rx_preamble中没有前导符号；

S26：如果搜索到有效的前导符号开始位置，则在归一化基带数据a_rx_data中，v_preamble_pos就是一个前导符号开始位置，并且v_preamble_pos＝v_rx_pos+v_xcorr_pos；

S27：如果步骤S25中在a_rx_preamble中没有前导符号，则在归一化基带数据a_rx_data往后移动一个步长继续搜索，即v_rx_pos＝v_rx_pos+v_rx_stepsize，并且返回S23，直到a_rx_preamble中有前导符号。

2.根据权利要求1所述的PLC宽带电力载波通信系统的同步方法，其特征在于：所述频率同步的具体步骤包括：

S31：根据定时粗同步确定的前导开始位置，在归一化基带数据a_rx_data中依次取出两个前导符号时域数据，记为a_rx_preamble_data1和a_rx_preamble_data2；

S32：将两个前导时域数据进行快速傅里叶变化，将信号从时域变化到频域，记为a_rx_preamble_data1_fft和a_rx_preamble_data2_fft；

a_rx_preamble_data1_fft＝FFT(a_rx_preamble_data1)

a_rx_preamble_data1_fft＝a_rx_preamble_data1_fft(有效子载波编号)

a_rx_premable_data2_fft＝FFT(a_rx_preamble_data2)

a_rx_preamble_data2_fft＝a_rx_preamble_data2_fft(有效子载波编号)

S33：将两个前导符号频率数据a_rx_preamble_data1_fft和a_rx_premable_data2_fft进行共轭相乘，得到每个子载波的相位差，记为a_rx_preamble_phase_diff；

a_rx_preamble_phase_diff＝angle(a_rx_preamble_data2_fft.*conj(a_rx_premable_data1_fft))

其中，符号conj()表示取共轭；.*表示对应元素相乘；angle()表示对数组中每个成员取角度计算，单位弧度；

S34：对所有有效子载波a_rx_preamble_phase_diff的相位进行平均计算，记为

S35：根据前后两个前导符号在频域相位差值，计算出收发两端基带的频率偏差，记为v_baseband_frequency_offset；然后对接收端基带数据进行频偏补偿；

3.根据权利要求1所述的PLC宽带电力载波通信系统的同步方法，其特征在于：所述相位同步的具体步骤包括：

S41：根据低压电力线宽带载波通信标准，接收端本地生成SYNCP时域信号，记为s_syncp；

S42：对接收数据流进行归一化处理，形成归一化基带数据a_rx_data；

S43：从归一化基带数据a_rx_data中取出一个前导符号的长度的数据，从归一化基带数据a_rx_data中取符号数据开始位置，由定时粗同步确定，记为a_rx_preamble；

S44：a_rx_preamble和s_syncp进行滑动相关计算，则得到滑动相关序列，记为a_xcorr_value；

S45：在a_xcorr_value序列中搜索最强相关峰值，记录为v_xcorr_peak_value；

v_xcorr_peak_value复数的相位角度，记为时域相位偏差角度，记为v_preamble_phase_diff；

v_preamble_phase_diff＝angle(v_xcorr_peak_value)

其中，angle()表示取复数相位角，单位弧度，取值范围(-pi,+pi)。

4.根据权利要求1所述的PLC宽带电力载波通信系统的同步方法，其特征在于：所述定时精同步包括以下步骤：

S51：根据低压电力线宽带载波通信系统关于前导定义，接收端本地生成SYNCP和SYNCM时域数据，每个数据长度为1024点，然后将这两个时域符号拼接成一个本地前导序列，记为a_local_preamble，并且设置有效峰值次数计数器v_search_peak_num为0；

a_local_preamble＝[s_syncp s_syncm]

其中，[]表示SYNCP和SYCM数据首尾相并接方法，组成一个新的序列；

S52：在接收端接收归一化基带数据a_rx_data中的，开始位置为v_rx_pos开始，依次取出两个符号长度的数据，记为a_rx_preamble_data；

a_rx_preamble_data＝a_rx_data(v_rx_pos:v_rx_pos+2048)

其中，a_rx_data(v_rx_pos:v_rx_pos+2048)表示从a_rx_data数组中，从v_rx_pos开始，连续取出2048个数据；

53：a_rx_preamble_data和a_local_preamble两个序列进行滑动相关计算，得到一个滑动相关序列，记为a_xcorr_preamble_value；搜索出a_xcorr_preamble_value中最强相关峰值和其位置，记为v_xcorr_preamble_peak和v_xcorr_preamble_pos；

S54：计算出最强相关峰值的papr值，记为v_premable_papr；

其中，abs()表示对其中每个元数取模操作；mean()表示对每个元数进行累加平均操作；

S55：如果v_premble_papr大于等于v_preamble_threshold，则表明搜索到有效帧前导符号开始位置，则v_search_peak_num增加1，即

v_search_peak_num＝v_search_peak_num+1

如果v_search_peak_num等于max_search_peak_num,则表示搜索到帧具体位置，即确定前导SYNCP和SYNCM的交界点位置为：

v_rx_pos＝v_rx_pos+v_xcorr_preamble_pos–v_glo_fft_size

其中：v_glo_fft_size为1024；

S56：如果步骤54中的v_premble_papr不大于v_preamble_threshold值，则表明没有搜索到有效前导符号位置，则将接收序列往后移动一个步长v_xcorr_preamble_stepsize，并且复位v_search_peak_num为0，继续搜索。

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