CN113949416B - G3-plc电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种G3‑PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法，该方法包括步骤1，对G3‑PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据；步骤2，将预均衡数据转换为模拟信号，发送至本地信道非线性响应模块，获得发射信号；步骤3，将发射信号转换为数字信号，发送至非线性预均衡系数计算模块；根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数；步骤4，将预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，获得非线性预均衡响应。该方法在发射端基于本地反馈的预均衡，使得接收端收到的信号质量就能得到比较大的提升，能改善接收端的解码成功率。

Description

G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法
技术领域
本发明属于载波通信领域，尤其涉及一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法。
背景技术
现有技术中G3-PLC(Power line Communication，电力载波通信)是基于接收端的信号均衡，即在接收端收到发射端的信号，并且解调成功之后，接收端会把信道均衡系数反馈给发射端，发射端根据这个反馈来产生一个预均衡的系数。由于电力线上，干扰很严重，有些情况下接收端不能解调发射端的信号，在这种情况下，发射端就不会产生预均衡系数。
G3-PLC电力载波信号在发射机端会产生非线性失真，我们称这个非线性失真为发射机的本地信道响应。这个非线性失真会严重影响信号质量，增加接收端的复杂度和难度。因此在不影响发射功率的前提下，消除或减少发射端信号的非线性失真，是个很有意义的事情。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法。
为了解决上述技术问题，第一方面，公开了一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置，应用于G3-PLC电力载波线系统的发射端，包括G3-PLC基带数据模块、非线性预均衡实现模块、DA(Digital-to-Analogue)数模转换模块、本地信道非线性响应模块、AD(Analogue-to-Digital)模数转换模块和非线性预均衡系数计算模块，
所述G3-PLC基带数据模块，用于产生G3-PLC基带数据，并将所述G3-PLC基带数据发送至非线性预均衡实现模块；
所述非线性预均衡实现模块，用于对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据，并将所述预均衡数据发送至DA数模转换模块和非线性预均衡系数计算模块；非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应能够预先抵消本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真；
所述DA数模转换模块，用于将预均衡数据转换为模拟信号，并将所述模拟信号发送至本地信道非线性响应模块；
所述本地信道非线性响应模块，用于将所述模拟信号进行信号滤波、放大以及耦合至电力线，获得发射信号，并将所述发射信号经过接收电路发送至AD模数转换模块和G3-PLC电力载波线系统的接收端；
所述AD模数转换模块，用于将发射信号转换为数字信号，并发送至非线性预均衡系数计算模块；
所述非线性预均衡系数计算模块，用于根据输入的数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数，并将所述预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，所述预均衡系数用于非线性预均衡。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述本地信道非线性响应模块包括发射端模拟滤波器、线路驱动器和本地发射电力线，将所述模拟信号输入发射端模拟滤波器进行信号滤波处理，滤除信号带外杂散，获得滤波后的模拟信号；将滤波后的模拟信号输入线路驱动器进行信号放大，获得放大后的模拟信号；将放大后的模拟信号耦合至本地发射电力线，获得发射信号。
结合第一方面，在一种实现方式中，非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应与本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线相同。两个信道响应合起来形成一个线性的信道响应，非线性预均衡响应能够预先抵消本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真，从而使得接收端收到的信号质量能够得到比较大的提升，能够改善接收端的解码成功率。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真包括发射端模拟滤波器的非线性失真、线路驱动器的非线性失真和本地发射电力线负载不匹配产生的非线性失真，所述非线性失真包括幅度相位和多径的非线性失真。
发射端模拟滤波器，由于生产制造的原因，幅度和相位的变换不是严格的线性变换，这样就会存在非线性失真。线路驱动器理论上在一定输出范围内，输出的信号是输入信号的线性放大，而且这个输出范围会随着温度的变换而变换。但是在实际应用中，数据的峰值会超过线路驱动器的工作范围，产生严重的非线性放大，线路驱动器的电子器件也存在记忆效应，这也会使得输出的信号产生相位非线性变换。本地发射电力线，电网的负载波动与网络拓扑结构的动态变化，也会对信号产生很大的影响，这个影响也包括幅度和相位的非线性。
第二方面，公开了一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法，包括以下步骤：
步骤1，对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据；
步骤2，将预均衡数据转换为模拟信号，发送至本地信道非线性响应模块，获得发射信号；
步骤3，将发射信号转换为数字信号，发送至非线性预均衡系数计算模块；根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数；
步骤4，将预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，获得非线性预均衡响应。
结合第二方面，在一种实现方式中，步骤3中所述预均衡系数为非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应系数，根据本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线计算获得。获得的非线性预均衡响应系数用于对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，能够预先抵消本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真，从而使得接收端收到的信号质量能够得到比较大的提升，能够改善接收端的解码成功率。
结合第二方面，在一种实现方式中，步骤3中所述预均衡系数采用矩阵分解计算获得。
结合第二方面，在一种实现方式中，记步骤1中预均衡数据为
Figure BDA0003291175750000031
步骤3中数字信号为
Figure BDA0003291175750000032
N为预均衡数据和数字信号的样本个数，n为样本点，1≤n≤N，记预均衡系数为akq，k表示非线性参数，q表示多径参数，1≤k≤K，0≤q≤Q-1，K为幅度非线性失真最大阶数，Q为相位非线性失真最大阶数，1≤K≤6，1≤Q≤6；
记本地信道非线性响应的反向曲线为B(n)＝f(A(n))，步骤3中根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数为公式(1)：
Figure BDA0003291175750000033
将公式(1)展开为公式(2)：
Figure BDA0003291175750000041
将公式(2)合并为公式(3)：
Figure BDA0003291175750000042
其中，矩阵M为由数字信号
Figure BDA0003291175750000043
根据公式(2)构成的矩阵，大小为(N-Q)*(K*Q)；
变换公式(3)，得到公式(4)：
Figure BDA0003291175750000044
根据公式(4)求解获得预均衡系数akq。
结合第二方面，在一种实现方式中，步骤3中非线性预均衡系数计算模块每隔时间T计算一次预均衡系数akq，为了实时更新设备温度和网络拓补变换而产生的信道变换，预均衡系数akq要保持更新一次的间隔最大为1分钟，即T≤1分钟；步骤4中非线性预均衡实现模块根据预均衡系数akq更新非线性预均衡响应，记步骤1中所述G3-PLC基带数据为
Figure BDA0003291175750000045
所述非线性预均衡响应为公式(5)：
Figure BDA0003291175750000046
每隔时间T计算一次预均衡系数akq，并对线性预均衡响应进行更新，以适应发射设备因为老化、温度变化或功率变化等因素而产生的信道变化。
结合第二方面，在一种实现方式中，所述预均衡数据和数字信号的样本个数N取值为2048，幅度非线性失真最大阶数K取值为5，相位非线性失真最大阶数Q取值为4。
有益效果：
本申请要解决的问题就是在信号送给DA模数转化模块之前，增加一个非线性预均衡实现模块，这个非线性预均衡实现模块的信道响应和发射机的本地信道非线性响应相反，即非线性预均衡响应能够预先抵消本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真。这样两个信道响应合起来形成一个线性的信道响应，G3-PLC发射端的G3-PLC基带数据经过非线性预均衡实现模块和本地信道非线性响应模块后，发射出去的信号就是失真补偿后的信号。
本申请是基于本地反馈的预均衡方法。发射端发射的信号，在本地发射电力线上就通过接收链路接收，然后根据发射信号和接收信号，通过运算产生预均衡系数，来纠正发射端模拟滤波器、线路驱动器和本地发射电力线负载匹配产生的相位幅度和多径的失真。这样接收端收到的信号质量就能得到比较大的提升，能改善接收端的解码成功率。
本申请中由于在本地信道非线性响应模块之前增加了非线性预均衡实现模块，增加了本地信道非线性响应模块中线路驱动器的发射功率，发射的信号失真情况不会增加，从而提升了线路驱动器的有效工作区。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本申请实施例提供的G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置结构示意图。
图2为本申请实施例提供的G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
本申请实施例提供了一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法，可以应用于计量表远程数据采集、家用电器远程控制和控制系统数据分析处理等应用场景：1、可以采集各种计量表的远程数据收集；2、用G3-PLC连接各种家用电器，然后G3-PLC和互联网连接，实现远程控制；3、大数据分析处理，G3-PLC可以完成数据的采集、分析及处理，比如数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表及位操作等，而这些数据就可以与存储在存储器中的参考值来比较，从而完成一定的控制操作。数据处理常用于大型的控制系统上。
如图1所示，本申请第一实施例公开一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置，应用于G3-PLC电力载波线系统的发射端，包括G3-PLC基带数据模块、非线性预均衡实现模块、DA数模转换模块、本地信道非线性响应模块、AD模数转换模块和非线性预均衡系数计算模块，
所述G3-PLC基带数据模块，用于产生G3-PLC基带数据，并将所述G3-PLC基带数据发送至非线性预均衡实现模块；
所述非线性预均衡实现模块，用于对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据，并将所述预均衡数据发送至DA数模转换模块和非线性预均衡系数计算模块；非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应能够预先抵消本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真；
所述DA数模转换模块，用于将预均衡数据转换为模拟信号，并将所述模拟信号发送至本地信道非线性响应模块；
所述本地信道非线性响应模块，用于将所述模拟信号进行信号滤波、放大以及耦合至电力线，获得发射信号，并将所述发射信号发送至AD模数转换模块和G3-PLC电力载波线系统的接收端；
所述AD模数转换模块，用于将发射信号转换为数字信号，并发送至非线性预均衡系数计算模块；
所述非线性预均衡系数计算模块，用于根据输入的数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数，并将所述预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，所述预均衡系数用于非线性预均衡。
第一实施例中，所述本地信道非线性响应模块包括发射端模拟滤波器、线路驱动器和本地发射电力线，将所述模拟信号输入发射端模拟滤波器进行信号滤波处理，滤除信号带外杂散，获得滤波后的模拟信号；将滤波后的模拟信号输入线路驱动器进行信号放大，获得放大后的模拟信号；将放大后的模拟信号耦合至本地发射电力线，获得发射信号。
第一实施例中，非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应与本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线相同。
第一实施例中，所述本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真包括发射端模拟滤波器的非线性失真、线路驱动器的非线性失真和本地发射电力线负载不匹配产生的非线性失真，所述非线性失真包括幅度相位和多径的非线性失真。
如图2所示，本申请第二实施例公开一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法，包括以下步骤：
步骤1，对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据；
步骤2，将预均衡数据转换为模拟信号，发送至本地信道非线性响应模块，获得发射信号；
步骤3，将发射信号转换为数字信号，发送至非线性预均衡系数计算模块；根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数；
步骤4，将预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，获得非线性预均衡响应。
第二实施例中，步骤3中所述预均衡系数为非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应系数，根据本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线计算获得。
第二实施例中，步骤3中所述预均衡系数采用矩阵分解计算获得。
第二实施例中，记步骤1中预均衡数据为
Figure BDA0003291175750000071
DA数模转换模块的输入端能够记录所述预均衡数据；步骤3中数字信号为
Figure BDA0003291175750000072
AD模数转换模块的输出端能够记录所述数字信号；N为预均衡数据和数字信号的样本个数，n为样本点，1≤n≤N，记预均衡系数为akq，k表示非线性参数，q表示多径参数，1≤k≤K，0≤q≤Q-1，K为幅度非线性失真最大阶数，Q为相位非线性失真最大阶数，1≤K≤6，1≤Q≤6；
记本地信道非线性响应的反向曲线为B(n)＝f(A(n))，步骤3中根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数为公式(1)：
Figure BDA0003291175750000081
将公式(1)展开为公式(2)：
Figure BDA0003291175750000082
将公式(2)合并为公式(3)：
Figure BDA0003291175750000083
其中，矩阵M为由数字信号
Figure BDA0003291175750000084
根据公式(2)构成的矩阵，大小为(N-Q)*(K*Q)；
变换公式(3)，得到公式(4)：
Figure BDA0003291175750000085
根据公式(4)求解获得预均衡系数akq。
第二实施例中，步骤3中非线性预均衡系数计算模块每隔时间T计算一次预均衡系数akq，T≤1分钟；步骤4中非线性预均衡实现模块根据预均衡系数akq更新非线性预均衡响应，记步骤1中所述G3-PLC基带数据为
Figure BDA0003291175750000086
所述非线性预均衡响应为公式(5)：
Figure BDA0003291175750000087
第二实施例中，所述预均衡数据和数字信号的样本个数N取值为2048，幅度非线性失真最大阶数K取值为5，相位非线性失真最大阶数Q取值为4。
本发明提供了一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置和方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置，其特征在于，应用于G3-PLC电力载波线系统的发射端，包括G3-PLC基带数据模块、非线性预均衡实现模块、DA数模转换模块、本地信道非线性响应模块、AD模数转换模块和非线性预均衡系数计算模块，
所述G3-PLC基带数据模块，用于产生G3-PLC基带数据，并将所述G3-PLC基带数据发送至非线性预均衡实现模块；
所述非线性预均衡实现模块，用于对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据，并将所述预均衡数据发送至DA数模转换模块和非线性预均衡系数计算模块；非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应能够预先抵消本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真；
所述DA数模转换模块，用于将预均衡数据转换为模拟信号，并将所述模拟信号发送至本地信道非线性响应模块；
所述本地信道非线性响应模块，用于将所述模拟信号进行信号滤波、放大以及耦合至电力线，获得发射信号，并将所述发射信号发送至AD模数转换模块和G3-PLC电力载波线系统的接收端；
所述AD模数转换模块，用于将发射信号转换为数字信号，并发送至非线性预均衡系数计算模块；
所述非线性预均衡系数计算模块，用于根据输入的数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数，并将所述预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，所述预均衡系数用于非线性预均衡；
记非线性预均衡实现模块获得的预均衡数据为
Figure FDA0003719952180000011
AD模数转换模块转换后的数字信号为
Figure FDA0003719952180000012
N为预均衡数据和数字信号的样本个数，n为样本点，1≤n≤N，记预均衡系数为akq，k表示非线性参数，q表示多径参数，1≤k≤k，0≤q≤Q-1，K为幅度非线性失真最大阶数，Q为相位非线性失真最大阶数，1≤K≤6，1≤Q≤6；
记本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线为B(n)＝f(A(n))，根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数为公式(1)：
Figure FDA0003719952180000021
将公式(1)展开为公式(2)：
Figure FDA0003719952180000022
将公式(2)合并为公式(3)：
Figure FDA0003719952180000023
其中，矩阵M为由数字信号
Figure FDA0003719952180000024
根据公式(2)构成的矩阵，大小为(N-Q)*(K*Q)；
变换公式(3)，得到公式(4)：
Figure FDA0003719952180000025
根据公式(4)求解获得预均衡系数akq；
非线性预均衡系数计算模块每隔时间T计算一次预均衡系数akq，T≤1分钟；非线性预均衡实现模块根据预均衡系数akq更新非线性预均衡响应，记G3-PLC基带数据模块产生的G3-PLC基带数据为
Figure FDA0003719952180000026
所述非线性预均衡响应为公式(5)：
Figure FDA0003719952180000027
2.根据权利要求1所述的一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置，其特征在于，所述本地信道非线性响应模块包括发射端模拟滤波器、线路驱动器和本地发射电力线，将所述模拟信号输入发射端模拟滤波器进行信号滤波处理，滤除信号带外杂散，获得滤波后的模拟信号；将滤波后的模拟信号输入线路驱动器进行信号放大，获得放大后的模拟信号；将放大后的模拟信号耦合至本地发射电力线，获得发射信号。
3.根据权利要求2所述的一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置，其特征在于，非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应与本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线相同。
4.根据权利要求3所述的一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡装置，其特征在于，所述本地信道非线性响应模块产生的非线性响应失真包括发射端模拟滤波器的非线性失真、线路驱动器的非线性失真和本地发射电力线负载不匹配产生的非线性失真，所述非线性失真包括幅度相位和多径的非线性失真。
5.一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对G3-PLC基带数据进行非线性预均衡，获得预均衡数据；
步骤2，将预均衡数据转换为模拟信号，发送至本地信道非线性响应模块，获得发射信号；
步骤3，将发射信号转换为数字信号，发送至非线性预均衡系数计算模块；根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数；
步骤4，将预均衡系数反馈至非线性预均衡实现模块，获得非线性预均衡响应；
记步骤1中预均衡数据为
Figure FDA0003719952180000031
步骤3中数字信号为
Figure FDA0003719952180000032
N为预均衡数据和数字信号的样本个数，n为样本点，1≤n≤N，记预均衡系数为akq，k表示非线性参数，q表示多径参数，1≤k≤K，0≤q≤Q-1，K为幅度非线性失真最大阶数，Q为相位非线性失真最大阶数，1≤K≤6，1≤Q≤6；
记本地信道非线性响应的反向曲线为B(n)＝f(A(n))，步骤3中根据数字信号和预均衡数据计算获得预均衡系数为公式(1)：
Figure FDA0003719952180000033
将公式(1)展开为公式(2)：
Figure FDA0003719952180000034
Figure FDA0003719952180000041
…
Figure FDA0003719952180000042
将公式(2)合并为公式(3)：
Figure FDA0003719952180000043
其中，矩阵M为由数字信号
Figure FDA0003719952180000044
根据公式(2)构成的矩阵，大小为(N-Q)*(K*Q)；
变换公式(3)，得到公式(4)：
Figure FDA0003719952180000045
根据公式(4)求解获得预均衡系数akq；
步骤3中非线性预均衡系数计算模块每隔时间T计算一次预均衡系数akq，T≤1分钟；步骤4中非线性预均衡实现模块根据预均衡系数akq更新非线性预均衡响应，记步骤1中所述G3-PLC基带数据为
Figure FDA0003719952180000046
所述非线性预均衡响应为公式(5)：
Figure FDA0003719952180000047
6.根据权利要求5所述的一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法，其特征在于，步骤3中所述预均衡系数为非线性预均衡实现模块的非线性预均衡响应系数，根据本地信道非线性响应模块的本地信道非线性响应的反向曲线计算获得。
7.根据权利要求6所述的一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法，其特征在于，步骤3中所述预均衡系数采用矩阵分解计算获得。
8.根据权利要求7所述的一种G3-PLC电力载波线系统的非线性预均衡方法，其特征在于，所述预均衡数据和数字信号的样本个数N取值为2048，幅度非线性失真最大阶数K取值为5，相位非线性失真最大阶数Q取值为4。
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