CN114006677A - 一种低压电力线载波通信系统资源编码方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压电力线载波通信系统资源编码方法及系统，其中，一种低压电力线载波通信系统资源编码方法包括，利用正交频分单元对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元；通过编码重构单元去除数据中的噪声，并对其进行编码重构；利用电力线信道单元对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作，而后通过解码重构单元对变换的数据进行解码重构；本发明通过分析电力线信道特性，设计合理的信号编码和调制方式，提高了电力线载波通信系统资源传输的速度，对于推进电力线载波通信系统资源的合理利用具有重要意义。

Description

一种低压电力线载波通信系统资源编码方法及系统
技术领域
本发明涉及电力线载波通信的技术领域，尤其涉及一种低压电力线载波通信系统资源编码方法及系统。
背景技术
为了在电力线上传递高速数据和降低噪声影响，通常对电力线上的数据进行编码，常用的编码方法有频移键控调制、正交幅度调制和扩频技术。然而，频移键控调制只能应用于低速率的电力线数据传输，在较高速率下，不可能建立可靠的电力线通信。正交幅度调制使得星座点之间的距离更大，星座点的幅度不是完全相同的，解调器需要能同时正确检测相位和幅度，增加了QAM解调器的复杂性。扩频技术需要较高的扩展频谱增益，不能满足传输更高速率的电力线通信的要求。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种低压电力线载波通信系统资源编码方法，能够解决电力线上数据传输速度慢、噪声抗干扰性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，一种低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：包括，利用正交频分单元对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元；通过编码重构单元去除数据中的噪声，并对其进行编码重构；利用电力线信道单元对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作，而后通过解码重构单元对变换的数据进行解码重构。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法的一种优选方案，其中：所述编码重构单元包括高通滤波器、正交镜像滤波器和编码模块；经所述正交镜像滤波器获得尺度函数，通过所述尺度函数去除数据中的噪声，而后将数据发送至所述高通滤波器；所述高通滤波器根据数据选择对应的小波，对数据中的各个子载波信号进行合成，完成初步信号重构；通过所述编码模块对初步重构的信号先后进行子载波排列编码、快速傅立叶逆变换、添加循环前缀和并串变换处理，完成编码重构。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法的一种优选方案，其中：所述子载波排列编码包括，定义码字序列为：[1 2]－[2 1]－[12]；根据所述码字序列生成伪随机排列码；通过所述伪随机排列码对子载波间隔进行编码。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法的一种优选方案，其中：所述信道特性分析包括，基于低通滤波器建立冲激响应函数，通过所述冲激响应函数分析重构结果的信道噪声特性；所述冲激响应函数r(t)为：
Figure BDA0003288366950000021
其中，D(t)为重构信号，W(t)为低压电力线的噪声，β为低压电力线信号衰减值，f为低频信号的频率，d为重构信号的传输距离。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法的一种优选方案，其中：所述数据变换包括串并变换、移除所述循环前缀和快速傅立叶变换。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法的一种优选方案，其中：所述解码重构包括子载波排列解码、导频分离、并串变换、解调和解码。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码系统的一种优选方案，其中：包括，正交频分单元，用于对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元；编码重构单元，与所述正交频分单元连接，用于去除数据中的噪声，并对其进行编码重构；电力线信道单元，与所述编码重构单元连接，用于对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作；解码重构单元，与所述电力线信道单元连接，用于对变换的数据进行解码重构。
作为本发明所述的低压电力线载波通信系统资源编码系统的一种优选方案，其中：所述编码重构单元包括高通滤波器、正交镜像滤波器和编码模块；经所述正交镜像滤波器获得尺度函数，通过所述尺度函数去除数据中的噪声，而后将数据发送至所述高通滤波器；高通滤波器，与所述正交镜像滤波器连接，能够根据数据选择对应的小波，并对数据中的各个子载波信号进行合成，完成初步信号重构；编码模块，与所述高通滤波器对初步重构的信号先后进行子载波排列编码、快速傅立叶逆变换、添加循环前缀和并串变换处理，完成编码重构。
本发明的有益效果：本发明通过分析电力线信道特性，设计合理的信号编码和调制方式，提高了电力线载波通信系统资源传输的速度，对于推进电力线载波通信系统资源的合理利用具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法的子载波排列结构示意图；
图2为本发明第三个实施例所述的低压电力线载波通信系统资源编码系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种低压电力线载波通信系统资源编码方法，包括：
S1：利用正交频分单元100对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元200。
(1)编码
本实施例中的编码由Turbo编码器进行实现，Turbo编码器由两个成员编码器通过一个交织器I并行连接而成；将数据分别输入成员编码器I和交织器I进行处理，交织器I处理完成后将数据发送至成员编码器II，由成员编码器I、成员编码器II输出的序列经过删余矩阵，从而可以产生一系列不同码率的码；最后，将该码输入至复接器，完成编码操作。
(2)调制
将数据通过串-并转换成N路低速率并行数据流，然后对N路相互正交的载波进行OFDM调制。
(3)串并转换
正交频分单元100)通过FPGA对调制结果进行串并转换。
S2：通过编码重构单元200去除数据中的噪声，并对其进行编码重构。
编码重构单元200包括高通滤波器201、正交镜像滤波器202和编码模块203，具体的：
(1)经正交镜像滤波器202获得尺度函数，通过尺度函数去除数据中的噪声，而后将数据发送至高通滤波器201；
尺度函数φ(t)为：
φ(t)＝∑kh(k)φ(2t-k)
其中，k为输入，h(k)为正交镜像滤波器202，φ(2t-k)为小波函数。
(2)高通滤波器201根据数据选择对应的小波，对数据中的各个子载波信号进行合成，完成初步信号重构；
(3)通过编码模块203对初步重构的信号先后进行子载波排列编码、快速傅立叶逆变换、添加循环前缀和并串变换处理，完成编码重构。
①子载波排列编码
A.定义码字序列为：[1 2]－[2 1]－[1 2]；
B.根据码字序列生成伪随机排列码；
C.通过伪随机排列码对子载波间隔进行编码。
②快速傅立叶逆变换
Figure BDA0003288366950000051
③添加循环前缀
本实施例的循环前缀为扩展循环前缀，长度为16.67μs；较佳的是，循环前缀可以与其他多径分量信息相关联，得到完整的信息，此外循环前缀可以实现时间的预估计和频率同步。
④并串变换处理
S3：利用电力线信道单元300对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作，而后通过解码重构单元400对变换的数据进行解码重构。
(1)信道特性分析
基于低通滤波器建立冲激响应函数，通过冲激响应函数分析重构结果的信道噪声特性；
冲激响应函数r(t)为：
Figure BDA0003288366950000061
其中，D(t)为重构信号，W(t)为低压电力线的噪声，β为低压电力线信号衰减值，f为低频信号的频率，d为重构信号的传输距离。
(2)数据变换
①串并变换；
②移除循环前缀；
③快速傅立叶变换。
(3)解码重构
①子载波排列解码
图1为子载波排列，子载波是基于上一个子载波选出来的，新的子载波的位置只是简单的来自前一个子载波的已经定义数量的一些子载波频率间隔。
本实施例采用相干解调对子载波排列进行解码，获得子载波的绝对参考相位和幅度。
②导频分离
采用5G NR实现导频分离。
③并串变换
④解调和解码；
通过三角函数进行同步解调和解码，即将信号相乘后滤波，相乘的目的是为了从已调波信号中还原出i路或q路调制前的原始信号，但同时会生成新的倍频的高频分量；滤波的目的是为了滤除在解调过程中产生的倍频的高频信号。
实施例2
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的技术方案和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
本实施例中将采用传统的技术方案和本方法分别对低压电力线载波通信系统资源进行编码。选择两组电力线信道W1，W2，码率设置为0.5，码长设置为1024，分别采用传统的技术方案和本方法进行编码，在信噪比分别为1，2，3，4dB时通过电力线信道W1，W2发送5000帧码字，计算误码率，结果如下表所示。
表1：不同信噪比下的误码率。
误码率 1dB 2dB 3dB 4dB
传统的技术方案 10<sup>-1</sup> 10<sup>-2</sup> 10<sup>-2</sup>.5 10<sup>-3</sup>
本方法 10<sup>-2</sup> 10<sup>-4</sup> 10<sup>-5</sup> 10<sup>-7</sup>
表2：不同信噪比下的译码耗时。
译码耗时 1dB 2dB 3dB 4dB
传统的技术方案 0.964 0.954 1.248 1.521
本方法 0.0341 0.0578 0.287 0.693
对比可见，本方法具有较高的鲁棒性，满足实时性要求。
实施例3
参照图2，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种低压电力线载波通信系统资源编码系统，包括，
正交频分单元100，用于对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元200；
编码重构单元200，与正交频分单元100连接，用于去除数据中的噪声，并对其进行编码重构；编码重构单元200包括高通滤波器201、正交镜像滤波器202和编码模块203；经正交镜像滤波器202获得尺度函数，通过尺度函数去除数据中的噪声，而后将数据发送至高通滤波器201；高通滤波器201，与正交镜像滤波器202连接，能够根据数据选择对应的小波，并对数据中的各个子载波信号进行合成，完成初步信号重构；编码模块203，与高通滤波器201对初步重构的信号先后进行子载波排列编码、快速傅立叶逆变换、添加循环前缀和并串变换处理，完成编码重构。
电力线信道单元300，与编码重构单元200连接，用于对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作；
解码重构单元400，与电力线信道单元300连接，用于对变换的数据进行解码重构。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，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，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：包括，
利用正交频分单元(100)对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元(200)；
通过编码重构单元(200)去除数据中的噪声，并对其进行编码重构；
利用电力线信道单元(300)对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作，而后通过解码重构单元(400)对变换的数据进行解码重构。
2.如权利要求1所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：所述编码重构单元(200)包括高通滤波器(201)、正交镜像滤波器(202)和编码模块(203)；
经所述正交镜像滤波器(202)获得尺度函数，通过所述尺度函数去除数据中的噪声，而后将数据发送至所述高通滤波器(201)；
所述高通滤波器(201)根据数据选择对应的小波，对数据中的各个子载波信号进行合成，完成初步信号重构；
通过所述编码模块(203)对初步重构的信号先后进行子载波排列编码、快速傅立叶逆变换、添加循环前缀和并串变换处理，完成编码重构。
3.如权利要求2所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：所述子载波排列编码包括，
定义码字序列为：[1 2]－[2 1]－[1 2]；
根据所述码字序列生成伪随机排列码；
通过所述伪随机排列码对子载波间隔进行编码。
4.如权利要求1或2所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：所述信道特性分析包括，
基于低通滤波器建立冲激响应函数，通过所述冲激响应函数分析重构结果的信道噪声特性；
所述冲激响应函数r(t)为：
Figure FDA0003288366940000011
其中，D(t)为重构信号，W(t)为低压电力线的噪声，β为低压电力线信号衰减值，f为低频信号的频率，d为重构信号的传输距离。
5.如权利要求4所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：所述数据变换包括串并变换、移除所述循环前缀和快速傅立叶变换。
6.如权利要求5所述的低压电力线载波通信系统资源编码方法，其特征在于：所述解码重构包括子载波排列解码、导频分离、并串变换、解调和解码。
7.一种低压电力线载波通信系统资源编码系统，其特征在于：包括，
正交频分单元(100)，用于对采集的低压电力线载波通信数据进行编码、调制、串并转换处理，并将处理完成的数据发送至编码重构单元(200)；
编码重构单元(200)，与所述正交频分单元(100)连接，用于去除数据中的噪声，并对其进行编码重构；
电力线信道单元(300)，与所述编码重构单元(200)连接，用于对重构结果进行信道特性分析和数据变换操作；
解码重构单元(400)，与所述电力线信道单元(300)连接，用于对变换的数据进行解码重构。
8.如权利要求7所述的低压电力线载波通信系统资源编码系统，其特征在于：所述编码重构单元(200)包括高通滤波器(201)、正交镜像滤波器(202)和编码模块(203)；
经所述正交镜像滤波器(202)获得尺度函数，通过所述尺度函数去除数据中的噪声，而后将数据发送至所述高通滤波器(201)；
高通滤波器(201)，与所述正交镜像滤波器(202)连接，能够根据数据选择对应的小波，并对数据中的各个子载波信号进行合成，完成初步信号重构；
编码模块(203)，与所述高通滤波器(201)对初步重构的信号先后进行子载波排列编码、快速傅立叶逆变换、添加循环前缀和并串变换处理，完成编码重构。
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张有兵,程时杰.: "基于正交小波的低压电力线多载波通信新方法.", 《电力系统自动化》, vol. 27, no. 17, pages 0 - 2 *

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