CN1599272A - 一种电力线载波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力线载波通信方法，提出了一种用于收发端同步的数据包结构及同步信号编码传输方法。通过本发明的数据包结构及同步信号编码方法，电力线载波通信接收机可以有效地实现收发端时间同步调节，减小发送端和接收端时间同步的误差，使通信系统的同步精度提高，这有利于降低通信系统的误码率，提高通信系统的数据传输效率和可靠性。本发明的电力线载波通信数据包结构带有由同步符号组成的同步前导。同步符号由频率不同但相互正交的正弦或余弦波形序列编码并发送。接收端对所接收到的同步前导信号进行处理以判断收发端在时间上是否同步，以及应当调节的方向和大小，并实施同步调整。本发明所需额外软硬件开销较小；设计简单，易于实现。

Description

一种电力线载波通信方法

【技术领域】：

本发明涉及一种电力线载波通信方法，尤指在电力线载波通信中实现发射机与接收机时间同步和数据传输的方法和装置。

【背景技术】：

电力线载波通信系统由发射机，接收机以及连接发射机和接收机的电力线组成。用户要传送的数据信息经调制后由发射机发送，通过电力线后由接收机进行解调、接收信息。

为保证发送端发射机发送的信息在接收端能够被正确地解调出来，接收端的接收机与发送端的发射机必须同步。一般的电力线载波通信系统中的同步有两种：(1)发射机与接收机在时间上的同步；(2)发射机与接收机的帧同步。

在电力线载波通信系统中，由于电力线上存在频率为50Hz(或其它国家/地区/系统的其它频率)幅度为220V(或其它国家/地区/系统的其它电压幅度)的电力信号，可以通过对该信号波形过零点进行检测，提取获得一个参考同步信号。该信号为收发机提供了一种时间同步方法。发射机以通过过零检测得到的同步信号为时间基准发送数据包信号。接收机以通过过零检测得到的同步信号为时间参考接收数据包信号。

在电力线载波通信系统中，电力线上存在很强的干扰和噪声，而且不同地点不同时间段的干扰及噪声强度有很大的差别，使得收发端过零检测信号的同步误差随地点和时段的不同有很大的变化，另外由于电子元器件性能的不一致性，也会对过零检测电路的结果有很大的影响。当收发两端电力线载波通信系统通过过零检测得到的同步信号存在误差时，会导致接收端接收机的接收性能下降，当误差很大时，发送端和接收端的同步不复存在，接收机将不能接收信号，导致双方不能通信。

【发明内容】：

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种电力线载波通信方法，使得发射机与接收机在时间同步上的同步精度保持在允许的范围内，满足通信系统的时间同步要求。

为实现上述目的，本发明提出一种电力线载波通信方法，其特征是包括如下步骤：

(1)发送端以收发端共同建立的粗略时间同步为时间基准发送带有时间同步前导的数据包；该时间同步前导位于数据包的最前端，包括M个同步符号，通常M大于1；(2)每个同步符号由N个不同频率且相互正交的正弦或余弦信号按一定次序所形成的波形序列表示并进行传输；N大于1；(3)接收端将接收到的同步信号s(t)与参考信号进行“相关”运算；所述参考信号是由接收机本地所产生的所有可能发送的K个同步前导波形；它们为由N个频率不同、相互正交的正弦或余弦信号波形按一定次序所组成的序列(该N个频率与发送端相同)，按次序不同共形成K的不同的序列，K小于或等于N！。相关运算将s(t)与所有K个序列分别进行，得到K个相关结果；(4)对“相关”运算的结果进行处理，得出应当调整的时间值和调整方向，并据此调整接收端的接收起始时间，使其与发送端同步；(5)接收端对每一个同步符号重复步骤(3)-(4)，直到处理完全部M个同步符号；(6)然后进入数据包其它数据的解码过程。

基于以上方案，本发明提出了一种用于同步的数据结构该及进行同步时间调节的方法，通过此方法减小了发送端和接收端同步信号的误差，使通信系统的同步精度提高，这有利于降低通信系统的误码率，提高通信系统的有效数据传输速率。本发明的方法设计简单，易于实现。

【附图说明】：

图1是本发明发送端数据结构示意图。

图2是本发明接收机示意图。

图3是本发明接收端流程示意图。

【具体实施方式】：

下面通过具体的实例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。本实例系统中所用的具体参数不影响本发明所提出的同步方法的一般性。对于采用其它参数而设计的系统该方法同样适用。

本实例系统中，收发端各自通过对电力线上电力信号过零点进行检测，以该过零点建立起本地时间基准。如收发端处在同一相线上，则收发端自动实现了粗略时间同步；如收发端不处在同一相线上，则收端或发端需在过零时间的基础上做适当的相位调整。具体的调整方法是：如相位相差120度，则接收机延时Tp/3；如相位相差240度，则延时2*Tp/3，这里Tp为交流电力信号周期。)

统计资料显示，由于电力线噪声和过零检测电路元器件性能差别的影响，发送端与接收端的同步误差可达-260us～+260us，使得在电力线上的数据传输速率难以提高，例如在数据传输速率为2400bps时，符号周期仅为208us，也就是说发送端与接收端的同步误差可能会大于符号信号的持续时间，因而为了正确传输数据，必须进行同步时间调整。

在本发明中，收发双方进行数据传输时，发送端发送的数据包的结构如图1所示。

在本系统实例中，采用如下时间同步前导：时间同步前导：，S，S，S，S，S，S，S，S，…，共M个符号；

在同步前导的发送过程中，每个符号以N个不同频率的正弦(或余弦)波形按一定次序所组成的序列表示。该N个不同频率的正弦(或余弦)波形相互正交，在所形成的波形序列中相位连续。设N＝4，则每个前导符号用4个频率的正弦(或余弦)信号按一定的顺序进行传输，根据所选择的前导符号S的取值，编码方法可以采用如表1所示四种方式中的任意一种。

表一：前导符号波形编码方式(N＝4)

前导符号S	波形编码
		0	f1，f2，f3，f4
1	f2，f3，f4，f1
		2	f3，f4，f1，f2
3	f4，f1，f2，f3

设符号的传输速率为Rs，则符号长度为Ts＝1/Rs，每个频率的正弦(或余弦)信号的持续时间为Tc＝Ts/N＝1/(N*Rs)。例如，当符号速率为2400bps时，每个频率的正弦(或余弦)信号的持续时间为Tc＝208us。在接收端，将接收信号与每个可能的发射信号在一个符号长度内分别进行波形相关运算，得到N个相关值z₀，z₁，…，z_N-1。接收端的装置示意图如图2所示。

在接收端，采用波形相关运算的方法进行解调，将接收信号与每个可能的发射信号在一个符号周期内分别进行相关运算。

$z_i={\∫}_0^{\mathrm{Ts}}s\left(t\right)*r_i\left(t\right)\mathrm{dt},i=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1$

其中：s(t)为接收到的信号；

r_i(t)为第i个可能的发射信号；

z_i为相应于第i个可能发射信号的相关结果；

T_s为传输的符号周期；

。

采用以上同步信号方案，一种实现电力线通信系统同步的过程如下。在以下说明中，不失一般性，N、K取4，M取8。当采用类似于表一的编码方法时，K＝N。当N增大时，相关运算时的参考信号数K亦大，系统变得复杂。

(1)首先通过过零检测电路获得粗同步信号。

(2)在进行相关运算得到N个相关值以后，找出最大的相关值和第二大的相关值，并计算最大的相关值和第二大的相关值的差值D。

(3)在过零检测信号的基础上，利用时间同步前导进行时间同步调节，以获得比较精确的同步信号。

(4)根据本发明的编码特点，当接收同步信号和发送同步信号的时间同步误差较小时，最大的相关值和第二大的相关值的差值D大。通过时序调节使最大的相关值和第二大的相关值的差值D在同步调节过程中越来越大，通过总共M次调节(因发送端在时间同步前导中发送了M个同步符号，M＞1)即可减小时间同步误差。

(5)帧同步：在完成时间调整过程后，通过帧同步字的检测，可判定是否完成帧同步，在完成帧同步后即可接收用户数据。

通过上述(1)～(5)的调节过程可使发送端和接收端的同步信号误差减小。

其中接收端部分的流程如图3所示。

因此本发明所提供的同步调节方法有以下的特点和优点：

(1)本发明的方法，提出了一种用于同步的数据包结构及同步信号编码传输方法；

(2)通过本发明的数据包结构及同步信号编码传输方法，得出了进行同步时间调节的方法，通过此方法减小了发送端和接收端同步信号的误差，使通信系统的同步精度提高，这有利于降低通信系统的误码率，提高通信系统的数据传输速率；

(3)本发明的方法设计简单，易于实现。

Claims (5)

1、一种电力线载波通信方法，其特征是包括如下步骤：

(1)发送端以收发端共同建立的粗略同步时间为时间基准发送带有时间同步前导的数据包；该时间同步前导位于数据包之最前端，包括M个同步符号，M大于1；

(2)每个同步符号由N个频率不同、相互正交的正弦或余弦信号波形按一定次序所形成的序列表示并进行传输，N大于1；

(3)接收机接收同步前导信号s(t)并与参考信号进行“相关”运算；所述参考信号是由接收机本地所产生的所有可能发送的K个同步前导波形，K小于或等于N！；它们为由N个频率不同、相互正交的正弦或余弦信号波形按一定次序所组成的序列，该N个频率与发送端相同，按次序不同共可形成N！个的不同的序列，其中K个波形序列被选择用于本电力线载波通信系统数据调制。相关运算将s(t)与所有K个序列分别进行；

(4)对“相关”运算的结果进行处理，得出应当调整的时间值和调整方向，并据此调整接收端的接收起始时间，使其与发送端同步；

(5)接收端对每个同步前导符号重复步骤(3)-(4)，直到处理完全部M个同步符号；

(6)然后进入数据包其它数据的解码过程。

2、如权利要求1所述的电力线载波通信方法，其特征是：在步骤(1)中所述数据包还包括有帧同步字，位于时间同步前导和用户数据之间；相应地，在接收端步骤(6)中，还包括帧同步字解码、比较过程，该过程中把接收到的帧同步字进行解码，并与标准值进行比较，如果比较结果一致，则表示收发机已实现同步。

3、如权利要求1或2所述的电力线载波通信方法，其特征是：步骤(2)中所述频率数N为4-32；步骤(1)中所述同步符号数M为4-32。

4、如权利要求1或2所述的电力线载波通信方法，其特征是：

在步骤(3)中进行“相关”运算的方法是：将接收信号s(t)与参考信号相乘后进行积分，积分区间为同步符号周期Ts；所述参考信号是由接收机本地所产生的所有可能发送的K个同步前导波形；它们为由N个频率不同、相互正交的正弦或余弦信号波形按一定次序所组成的序列，该N个频率与发送端相同，K小于或等于N！。相关运算将s(t)与所有K个序列分别进行，得到K个相关结果；

在步骤(4)中进行计算和调整的方法是：对上述K个相关结果进行比较，找出最大的相关值和第二大的相关值，并计算其差值D，再按下述原则进行时间调整：向能够使D值增大的方向调节时序，直至将D值调节到最大。

5、如权利要求1或2所述的电力线载波通信方法，其特征是：在步骤(2)时间同步前导码的发射过程中，每发送一个前导符号，发送端停止发送一定的时间，该时间间隔用于接收端时间同步调整。

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