CN1203624C - 数字脉冲间隔调制电力线载波通信方法与收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种载波数字脉冲间隔调制C-DPIM(carrier digital pulse intervalmodulation)电力线数据通信方法与收发装置。采用线性扫频SSC扩频载波或50KHZ-535KHZ的窄带载波信号序列产生DPIM脉冲，用脉冲间隔实现DPIM符号编码。载波信号的持续时间等于或小于DPIM系统中描述两脉冲之间的时间间隔的基本时隙(slot)的时宽。引入脉冲前导码作为传输数据块的同步信号以防止差错传播。并采用单片机实现了该载波数字脉冲间隔调制(C-DPIM)通信方法，研制了电力线载波通信接口收发装置，在采用INTELLON SSC P300等收发器及方法不能实现正确通信的电力线网络环境下，采用C-DPIM通信方法实现了理想的电力线载波通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种载波数字脉冲间隔调制C-DPIM(carrier digital pulse intervalmodulation)电力线数据通信方法与收发装置。
背景技术
将低压电力网络开发成为信息接入网，利用电网进行高速可靠的数据通信的新技术成本低，实施方便，是目前人们研究的热点。目前，计算机、通信技术、微控制技术与消费电子产品的密切结合和渗透，使家用电气产品逐步步入家庭自动化，信息家电产品的有机集成则形成了家庭网络。在家庭网络中，其传输信号可分为两类，一是低速信号，如控制命令和数据量较少、实时性要求不高的水、电、气抄表信息，电灯、空调等传统家电的控制，防盗、防火报警等信息。另一种是高速信号，如视频、音频信号等。
由于低压电力线网络的时变性、衰减较大(尤其是电力负载为容性时，对载波通信信号近乎短路)及各种复杂干扰噪声的存在，使得电力线载波通信技术长期以来在国内难以得到推广应用。利用低压电力网进行载波通信，目前采用的电力载波专用芯片有LM1893，ST7536，ST7537等，虽然它们针对电力线的信道特性采取了一些抗干扰措施，但其采用的调制解调技术是较落后的FSK方式，通信传输距离仍较短，在几百米的距离范围内难以做到正常接收，用电高峰时无法传输信息而导致瘫痪，达不到实用要求。SSC P300是INTELLON公司采用最新通信技术设计的电力线载波MODEM芯片，它采用了扩频(CHIRP方式)调制解调技术，现代DSP技术及标准的CEBUS协议，但其在国内电力线载波通信抄表等领域的使用效果并不明显。究其原因，SSC P300是针对北美地区频率标准、电网特性及家庭自动化(一家一户式独立住宅)而设计的。由于电力线上存在50HZ及其倍数频率信号的强窄带干扰及背景噪声，加之我国对电网谐波的控制没有欧美严格，电力线专用通信芯片技术与方法不适应国内电网特性，目前国内外还没有一种真正适合我国电网特性的、价格合理的低压电力线载波通信芯片技术与方法能做到在几百米的距离范围内及用电高峰时实现正常的数据通信。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于我国电力线电网特性的电力线数据通信方法与收发装置，对电力线网络复杂多变的背景噪声及周期性强干扰具有强抑制作用，与现有电力线数据通信方法相比，在性能价格比方面有明显提高。
本发明所采用的技术方案：采用线性扫频Chirp扩频载波作为脉冲捕获信号的载波数字脉冲间隔调制C-DPIM(carrier digital pulse interval modulation)通信方法在电力线或其它有线通信介质上实现数据通信。该方法包括发送端对数据源进行编码、信号调制和发送，接收端对信号的接收与数据解码。发送方法包括：
1)首先将数据源转换成Log2N即N-DPIM幀数据符号。N为两脉冲之间的时间间隔内所含的最大基本时隙(slot)数。DPIM的信号结构图如图1所示，1表示“K个DPIM幀”，2表示“N个基本时隙”，3表示“线性扫频Chirp载波”。为了避免干扰的影响，每一个DPIM脉冲后附加一个基本时隙作为保护带。每一个符号以一个DPIM脉冲开始，紧跟着与被发送数据十进制数相对应的基本时隙(slot)数。时隙宽度等于一个DPIM脉冲宽度，即每一个线性扫频Chirp信号序列的持续时间。DPIM的每Log2N个数位被映射到N个可能的符号中的一个，例如，当N＝4时，源数据转换成N-DPIM幀数据符号原理如表1所示。
2)按照已转换的N-DPIM幀数据符号产生DPIM信号。DPIM幀的长度即两脉冲之间的时间间隔随着发送数据的不同而变化，DPIM幀间隔长度代表了要传送的信息。每K个DPIM幀中包含一个前导码，它占有一个DPIM幀，但其脉冲间隔长度固定为3N。定义一个数据块(block)由K-1个DPIM幀组成，即Log2N乘K-1个二进制数据位。因而一个数据块包含有K-1个脉冲和一个前导码脉冲，块长度在3N+NK-1和3N+K-1之间变化。
3)按照已产生的DPIM信号，由DPIM脉冲触发并产生载波信号序列，经电力线信号藕合电路藕合到电力线或其它有线通信介质传输。本发明专利选择了用于捕获脉冲间隔调制脉冲的载波信号由若干个线性扫频Chirp波形组成。这种Chirp具有固定模式，可被网上的任意节点接收。这些Chirp波形覆盖了200kHz--350kHz的频带，并总是以200kHz开始线性扫描到350kHz结束，这段时间约为50us。这种Chirp波形具有很强的自相关特性，所有连接在网络上的设备可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并不需要在发送和接收设备间进行同步。本发明采用35KHZ-535KHZ的窄带载波信号作为DPIM电力线通信系统的脉冲捕获信号或用符合CEBUS协议的100KHZ-400KHZ的线性扫频Chirp波形作为DPIM电力线通信系统的脉冲捕获信号。
接收方法为：由载波监测器对DPIM载波信号的线性扫频Chirp信号进行相关滤波检测，如果接收到与线性扫频Chirp相关检测滤波器模式相匹配的线性扫频Chirp信号序列，则由载波监测器产生一个DPIM脉冲，进而由单片机进行判决，检测DPIM数据块的前导码和数据码。在接收完一个数据块后，通过估计DPIM脉冲的间隔位置获得DPIM系统数据解码。载波监测器可采用SSC P485或LM1893芯片实现。
使用上述方法，我们研制了一种载波数字脉冲间隔调制电力线通信收发装置。该装置由电力线载波信号藕合电路，功率放大、载波信号发送电路，载波信号接收滤波电路，载波信号相关检测电路(即载波监测器)，单片机控制器电路相互连接而成(如图2所示)。具体电路连接为：电力线载波信号耦合电路有一个电阻R16、一个电容C22并联后于一耦合变压器T1的初级串联而成；由三态运算放大集成电路IC3和交流信号耦合电路C10、RI1构成功率放大、载波信号发送电路，集成电路IC3的输出端第3、6脚经交流信号耦合电路(C10、RI1)与耦合变压器T1的次级连接，R100跨接集成电路IC3的第6和11脚，集成电路IC3的第9脚连接Q10的集电极，第11脚经R12和C11串接后与集成电路IC2的第14脚相连；NPN三极管放大电路(Q2，R9，R15，D1，Q4，R10)的输入端连接π型低通滤波器(L3，C17，C18)，再经高通滤波器(C15，L4)、浪涌吸收电路(D4，D5)、电平嵌位电路(D2，D3)与耦合变压器T1的次级连接，Q2的集电极连接集成电路IC2的第11脚，组成载波信号接收滤波电路；集成电路IC2、R103、R104等构成载波监测器，R103连接集成电路IC2的第6、19脚，集成电路IC2的第6脚经R104接电源，集成电路IC2的第11脚经R102接Q10的基极，第17脚与Q2的集电极相连；单片机集成电路IC1的第6脚与集成电路IC2的第7脚相连，第7脚与集成电路IC2的第8脚相连，第8脚与集成电路IC2的第12脚相连。
发送时，单片机将要发送的数据转换成DPIM码，并从第7脚输出DPIM脉冲发送控制信号与IC2的第8脚相连，IC2收到这一信号后从第14脚输出载波信号经C11，RI2与功率放大、载波信号发送电路及电力线载波信号藕合电路相连并藕合到电力线上传输。
接收时，载波Chirp波形信号经电力线载波信号藕合电路、载波信号接收滤波电路与载波监测器电路IC2的第17脚相连，载波监测器收到该信号后进行相关检测判决输出载波监测信号经第7脚与单片机第6脚相连，单片机收到该信号后以此作为DPIM的脉冲信号，进一步由软件完成DPIM信号的解码。
脉冲间隔调制DPIM(digital pulse interval modulation)是PPM(pulse positionmodulation)的一种修改形式，它不是通过在一个固定幀中脉冲的位置来传送信息，而是用相邻两脉冲间的时间间隔的大小来传送信息，可采用单片机实现数字脉冲间隔调制、载波信号序列的识别，对电力线上50HZ及其倍数频率信号的强窄带干扰有极强的抑制作用。另一方面，由于采用了线性扫频Chirp扩频通信技术，提高了通信系统对电力线网络背景噪声干扰的抑制能力，即使载波信号被噪声淹没，在接收端也能正确检测到载波信号的出现，使通信误码率下降，可靠性大大提高。
大量的实验和分析结果表明，本发明载波数字脉冲间隔调制C-DPIM电力线数据通信方法对低压电力线网络的干扰抑制能力较强，通信效果较好。使其在呈时变、高信号衰减特性并存在复杂干扰的列车车载低压电力线网络及家庭办公低压电力线网络上实现了理想的通信，与基于CEBUS协议的INTELLON SSC P300芯片技术相比，通信误码率有明显降低，在很多采用INTELLON SSC P300芯片不能实现正确通信的电力线网络环境下能实现诸如数据远程采集等功能的低速信号传输，传输速度目前可达5KBPS。C-DPIM电力线载波通信技术在工业自动化现场总线控制系统、家庭楼宇自动化系统、远程抄表系统中有着广泛的应用前景。
采用上述方法及载波数字脉冲间隔调制电力线通信收发装置在实验大楼、住宅小区、列车380V低压电力线网络做了大量通信实验，效果明显。每次实验连续实验时间为17小时，传送的总比特数为10000000。实验大楼380V电力线网络通信实验在干扰较大的20m范围内的微机室进行，C-DPIM收发装置与SSC P300收发器(CEBUS协议)传输误码率分别为0.09％与18.5％。实验大楼380V电力线网络通信实验在大楼1楼至五楼350m连线范围内的两个通信点进行，C-DPIM收发装置与SSC P300收发器(CEBUS协议)传输误码率分别为1.75％与99.9％。列车380V低压电力线网络通信实验在相邻两节车厢进行，C-DPIM收发装置与SSC P300收发器(CEBUS协议)传输误码率分别为0.77％与99.9％。列车380V低压电力线网络通信实验在相隔4节车的两车厢间进行，C-DPIM收发装置与SSC P300收发器(CEBUS协议)传输误码率分别为2.79％与100％。结果表明，在用电高峰期，电力线负载增大，信号衰减大，干扰增加，传输误码率上升。另外，当通信距离增大时，电力线对信号产生更大衰减和畸变，使传输误码率增大，从而导致了SSC P300通信系统瘫痪。而采用本发明载波数字脉冲间隔调制电力线通信收发装置在恶劣的环境下仍具有较好的通信效果。
附图说明
图1为DPIM的信号结构图。
图2为载波数字脉冲间隔调制电力线通信收发装置原理图。
具体实施方式
图1中，1表示“K个DPIM幀”，2表示“N个基本时隙”，3表示“线性扫频Chirp载波”。
图2中，单片机集成电路IC1采用的型号为P87PLC759，集成电路IC2采用的型号为SSC 485，三态运算放大集成电路IC3采用的型号为TLE2310。
表1：源数据转换成N-DPIM幀数据符号表
Claims (1)
1、一种数字脉冲间隔调制电力线载波通信方法，其特征是该方法包括发送端对数据源进行编码、信号调制与发送，接收端对信号的接收与数据解码；发送方法包括：1)首先将数据源转换成Log2N即数字脉冲间隔调制N-DPIM幀数据符号，N为两脉冲之间的时间间隔内所含的最大基本时隙数；2)按照已转换的N-DPIM幀数据符号产生DPIM信号；3)按照已产生的DPIM信号，由DPIM脉冲触发并产生载波信号序列，经电力线信号耦合电路耦合到电力线或其它有线通信介质传输；接收方法为：由载波监测器对DPIM载波信号的线性扫频Chirp信号进行相关滤波检测，如果接收到与线性扫频Chirp相关检测滤波器模式相匹配的线性扫频Chirp信号序列，则由载波监测器产生一个DPIM脉冲，进而由单片机进行判决，检测DPIM数据块的前导码和数据码，在接收完一个数据块后，通过估计DPIM脉冲的间隔位置获得DPIM系统数据解码。
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