CN1599273B - 电力线载波通信收发机同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力线载波通信收发机同步装置及方法，发送端以收发端共同建立的粗略时间同步为时间基准向接收端发送带有M个同步前导符号的数据包，该同步符号是由两个或两个以上频率不同、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表示并发送。在接收端通过使用本发明所公开的方法对所接收到的同步前导信号进行处理，就可以判断出接收端相对发射端在时间上是超前还是滞后，抑或是同步，并进行相应调整，使收发端同步在允许的误差范围内，从而保证数据包其它数据符号的正确接收；理论计算和实验均证实，本发明实现简便，成本低廉，而且计算调整快捷准确。

Description

电力线载波通信收发机同步装置及方法

【技术领域】：

本发明涉及一种电力线载波通信收发机同步装置及方法，即在电力线载波通信中实现发射机与接收机在时间上的进行同步，从而保证电力线载波通信信号的正确接收。

【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在时间上同步。一般的通信系统中的同步方法有两种：(1)发射机传送一个同步信号，接收机通过对同步信号的捕获与跟踪实现与发射机的同步；(2)根据特定通信系统的结构特点，利用通信系统中已存在的信号获取同步信号。

在电力线载波通信系统中，由于电力线上存在50Hz(或60Hz)的220V(或120V)交流电力信号，可以通过对该交流电力信号过零点的检测，获得一个同步指示信号，这个信号能够被发射机和接收机同时获得，因而实现发射机和接收机间在时间上的同步。发射机以此为时间基准发送信号，接收机以此为时间基准接收信号。

然而，在电力线载波通信系统中，电力线上存在很强的干扰，而且不同地点的干扰强度有很大的差别，使得不同地点的通信系统的过零检测信号在时间上有很大的差别，另外由于电子元器件的性能不同，也会对过零检测电路的结果有很大的影响。

当收发两端电力载波通信系统通过过零检测得到的同步指示信号存在误差时，会导致接收端接收机的接收性能下降，当同步指示信号误差很大时，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，提出了一种电力线载波通信收发机同步装置及方法，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，满足通信系统的同步要求，保证双方的可靠通信。。

为实现上述目的，本发明提出一种电力线载波通信收发机同步装置，包括信号接收装置，其特征是：还包括依次相连的参考信号发生器、相关器、时间调整计算装置、时间调整控制装置，所述相关器的另一输入端还与信号接收装置的输出端相连，所述时间调整控制装置的输出端还与接收装置的控制端相连。

参考信号发生器用于提供本地参考信号，所述本地参考信号是由与发送端同频的N个频率的正弦或余弦信号按一定次序所组成的K个可能的波形序列；产生的本地参考信号是N个频率相互正交的序列，与通常的PN序列完全不同。

相关器用于将来自发送端的M个同步前导符号与所述K个序列分别进行“相关”运算，得到K个相关值，所述同步前导符号是由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，其中，M、N为自然数，均大于1；

时间调整计算装置用于对“相关”运算的结果进行计算，得出应当调整的时间值和调整方向；

时间调整控制装置用于根据所述调整的时间值和调整方向调整所述信号接收装置的接收起始时间。

本发明还提出一种电力线载波通信收发机同步方法，其特征是包括如下步骤：

(1)发送端向接收端发送带有M个同步前导符号的数据包，该同步符号由与CDMA系统采用的传统PN序列不同的N个不同频率、相互正交的正弦或余弦信号波形序列组成并传输；其中M、N为自然数，均大于1；(2)接收端接收同步前导信号，得到接收信号s(t)，并将s(t)与参考信号进行“相关”运算；所述参考信号是由与发送端同频的N个频率的正弦或余弦信号波形所组成的所有发送端可能发射的K个不同序列；(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；(5)发送端向接收端每发送完一个同步符号后停止时间T1，然后再发下一个符号。该时间间隔被接收机用于作同步时间调整。(6)步骤(2)-(4)重复最多M次，直到所有M个同步符号接收完毕，或同步误差小于要求的最大值。

采用以上方案，并根据本发明所提供的算法，接收机就可以判断出接收端的时序是超前还是滞后，抑或是同步，并作出适当调整，使收发端时间同步在允许的误差范围内。理论计算和实验均证实，本发明实现简便，成本低廉，而且计算调整快捷准确，同步精度保持在允许的范围内，满足通信系统的同步要求，保证双方的可靠通信。

【附图说明】：

图1是本发明接收机示意图。

图2是本发明实施例流程示意图。

【具体实施方式】：

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明所提出的电力线载波通信系统的同步过程分为两部分：粗同步过程和同步调节过程。

粗同步过程是通过对电力线50Hz(或其它国家和地区的其它频率)交流电力信号进行过零检测得到的。当收发双方处在电力线三相中的同一相时，通过提取的电力线上交流电力信号的过零时刻，发送端和接收端即可建立起时间上的同步。如果收发端不处在同一交流相时，发送端或接收端在过零检测的基础上作一适当的相位调整建立收发机间的粗略同步。其调整的方法是：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。(请补充)

由于电力线噪声和过零检测电路元器件性能差别的影响，粗同步过程得到的同步信号存在误差(根据统计资料，发送端与接收端的最大同步误差可达-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，每个频率的正弦(或余弦)信号的持续时间为仅为208us，发送端与接收端的同步误差可能会大于信号的持续时间，因而为了正确传输数据，必须进行同步时间调整。

本发明主要涉及同步中的同步调节过程，本发明的原理和实现方法如下所述。

(1)首先通过过零检测电路获得粗同步信号。

(2)在粗同步信号的基础上进行同步调节过程，以获得比较精确的同步信号。

如下提供的实施例就是进行这一步处理的。

实施例一：

(a)在发送端，同步符号发送方式如下：每个符号用四个频率的正弦(或余弦)信号按一定的顺序进行传输，编码方法如下表所示。

符号	波形编码
		S0	f1，f2，f3，f4
S1	f2，f3，f4，f1
		S2	f3，f4，f1，f2
S3	f4，f1，f2，f3

设数据符号的传输速率为Rs，则每个频率的正弦(或余弦)信号的持续时间为Tc＝1/(4*Rs)。当传输速率为2400bps时，则每个频率的正弦(或余弦)信号的持续时间为Tc＝208us。

在同步调节过程中，发送端发送的符号是固定的符号，例如S0。该固定符号可连续发送M次，符号间留有间隔T1供接收端做计算、调整之用；接收端对每个符号进行接收，并进行同步调整。

如图1所示是本发明的接收机装置示意图，其中包含了本发明的同步装置。该装置包括信号接收装置，以及依次相连的参考信号发生器、相关器、时间调整计算装置、时间调整控制装置，所述相关器的另一输入端还与信号接收装置的输出端相连，所述时间调整控制装置的输出端还与接收装置的控制端相连。图中，ADC和DAC分别表示模数转换和数模转换装置。

根据下文所述的方法，图1中所述相关器是积分器，所述参考信号发生器是正弦或余弦信号发生器，用于产生与发送端同频的N个频率的正弦或余弦信号，或由N个频率的正弦或余弦信号形成的组合信号。所述时间调整计算装置为比较器和减法器。所述时间调整控制为相移器。

装置中还包括粗同步用的过零检测电路，其信号输入端接于电力线上，粗同步信号输出端接于时间调整装置。

如图2所示，在接收端，经过ADC采样后采用相关的方法进行解调，将接收信号与每个可能的发射信号分别进行相关运算，如下式：

$z_i={\∫}_0^{T_s}s\left(t\right)*r_i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：s(t)为接收到的同步符号信号；

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；

Ts为传输的符号周期；

i＝0～3。

(b)本发明中，为实现收发同步，在双方进行同步调节时发送固定的数据，例如S0。而相关运算时的r_i(t)则为对应于S0，S1，S2和S3的四个信号波形，i＝0～3，，得到四个不同的相关结果z0-z3。

(c)在进行相关计算得到四个相关值以后，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。

(d)在得到(c)中的结果后进行同步调节。考虑到可能的最大同步误差，发送端与接收端的同步误差有以下几种情况：

情况1：接收端同步信号相对于发送端同步信号滞后时间小于0.5*Tc，这种情况下相关值z0最大，z1次之。

情况2：接收端同步信号相对于发送端同步信号滞后时间大于0.5*Tc且小于Tc，这种情况下相关值z1最大，z0次之。

情况3：接收端同步信号相对于发送端同步信号滞后时间大于Tc且小于1.5*Tc，这种情况下相关值z1最大，z2次之。

情况4：接收端同步信号相对于发送端同步信号提前时间小于0.5*Tc，这种情况下相关值z0最大，z3次之。

情况5：接收端同步信号相对于发送端同步信号提前时间大于0.5*Tc且小于Tc，这种情况下相关值z3最大，z0次之。

情况6：接收端同步信号相对于发送端同步信号提前时间大于Tc且小于1.5*Tc，这种情况下相关值z3最大，z2次之。

根据本发明的编码特点，当接收同步信号相对于发送同步信号提前时间接近0.5*Tc时，最大的相关值和第二大的相关值的差值D最小，因此同步调节的目标就是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小。随着同步调节的进行，最大的相关值和第二大的相关值间的差值越来越小，时间同步调节的幅度也应越来越小，为此设置一个计数器C，用于对调节的次数进行计数，使得本次的时间调节幅度为上一次调节的一半。

每一次同步调节过程如下，门限值Th为事先确定的值：

·当z0为最大值，并且D大于Th时，接收机的时序向前调节N1/(2^C)；

·当z1为最大值，并且D大于Th时，接收机的时序向前调节N2/(2^C)；

·当z3为最大值，并且D大于Th时，接收机的时序向后调节N3/(2^C)；

·当D小于Th时，如果C＝0，随机向后调节N4；如果C不等于0，则不进行时序调节。

当一次同步调节过程结束后，C增加1。

(e)上述同步调节过程可进行若干次，在最后一次调节完成后，将接收同步信号的时序向后调整0.5*Tc。

在上述调节过程中，N1，N2，N3，N4及Th值可根据具体的通信系统设定。例如在数据传输速率为2400bps时，N1可取为156us，N2可取为260us，N3可取为104us，N1可取为78us。

通过上述(a)～(e)的调节过程可使发送端和接收端的同步信号误差减小。

实施例二：

我们还注意到，本发明的编码还有一个特点：当接收端同步信号和发送端同步信号误差较小时，最大的相关值和第二大的相关值的差值D大。

因此，本实施例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，即可使同步误差减小。第一次调整时任意选定一个时序调整方向，例如提前时序，然后进行以后各次调节。当本次得到的相关值的差值大于上一次的相关值的差值时，表示时序调节的方向正确，下一次向同样的方向调节，当本次得到的相关值的差值小于上一次的相关值的差值时，表示时序调节的方向错误，下一次向相反的方向调节。通过多次(次数应大于2，以8次为宜)调节，即可减小时间同步误差。上述同步调节过程可进行若干次，同步调节由同步调整模块完成。

实施例三：

上述实施例中计算四个相关值z0-z3所用的参考信号是用了可能的发送符号S0、S1、S2、S3，即如上表所示的四种频率组合信号。但不脱离本发明基本原理，本实施例采用单一频率f1、f2、f3、f4的信号来作为参考信号r_i(t)进行相关运算，同样可以得到四个相关值，根据四个相关值的大小，即可知道接收到的信号缺失哪个频率，以及缺失的程度。

当f1信号相关值过低时，表时接收端延后；当f4信号相关值过低时，表示信号超前；依此类推。根据这种编码特点，不难算出应当调整的时间大小和方向。

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，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；

(2)本发明所采用的调节算法，利用了原有接收机计算的相关值结果，进行本发明的同步调节所需软硬件开销较小；

(3)本发明的方法设计简单，易于实现。

Claims (10)

1.一种电力线载波通信收发机同步装置，其特征是：除包括信号接收装置，所述同步装置还包括：

参考信号发生器，用于提供本地参考信号，所述本地参考信号是由与发送端同频的N个频率的正弦或余弦信号按一定次序所组成的K个可能的波形序列；产生的本地参考信号是N个频率相互正交的序列，与通常的PN序列完全不同；

相关器，用于将来自发送端的M个同步前导符号与所述K个序列分别进行“相关”运算，得到K个相关值，所述同步前导符号是由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，其中，M、N为自然数，均大于1；

时间调整计算装置，用于对“相关”运算的结果进行计算，得出应当调整的时间值和调整方向；

时间调整控制装置，用于根据所述调整的时间值和调整方向调整所述信号接收装置的接收起始时间；

在发送端向所述信号接收装置发送所述M个同步前导符号过程中，每发送一个同步前导符号停顿时间Td，所述时间调整控制装置利用该时间间隔进行有关于相应同步前导符号的所述调整；

所述参考信号发生器、所述相关器、所述时间调整计算装置、所述时间调整控制装置依次相连，所述相关器的另一输入端还与信号接收装置的输出端相连，所述时间调整控制装置的输出端还与所述信号接收装置的控制端相连。

2.如权利要求1所述的电力线载波通信收发机同步装置，其特征是：所述时间调整计算装置为逻辑及/或算数运算器。

3.如权利要求1所述的电力线载波通信收发机同步装置，其特征是：所述时间调整控制装置为相移器或延时器。

4.如权利要求2所述的电力线载波通信收发机同步装置，其特征是：还包括粗同步用的过零检测电路，其信号输入端接于电力线上，用于检测电力线上电力交流信号的过零时刻；收发端通过各自的过零检测电路建立其本地时间参考，并在使用同一电力交流信号即收发端处于同一交流相的收发机间建立粗略同步；接收端粗同步信号输出端接于时间调整控制装置。

5.如权利要求4所述的电力线载波通信收发机同步装置，其特征是：还包括收发端不处在同一交流相的情况；这时，发送端或接收端在过零检测的基础上作一适当的相位调整建立收发机间的粗略同步。

6.一种电力线载波通信收发机同步方法，其特征是包括如下步骤：

(1)发送端向接收端发送带有M个同步前导符号的数据包，该同步前导符号是由与CDMA系统采用的传统PN序列不同的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表示并发送，M、N为自然数，均大于1；

(2)接收端接收同步前导信号s(t)，并将接收同步前导信号s(t)与本地参考信号进行“相关”运算；所述本地参考信号是由与发送端同频的N个频率的正弦或余弦信号按一定次序所组成的K个可能的波形序列；s(t)与K个序列分别进行相关运算，得到K个相关值；

(3)对“相关”运算的结果进行计算，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；

(4)在发送端向接收端发送同步前导符号过程中，每发送一个符号停顿时间Td；接收机利用该时间间隔进行所述调整；

(5)对每一个同步前导符号，接收机重复步骤(2)-(4)。

7.如权利要求6所述的电力线载波通信收发机同步方法，其特征是：步骤(1)中所述频率数N为4至32，所述同步前导符号数M为4至32，相应地，步骤(2)-(4)中重复调整4至32次。

8.如权利要求6或7所述的电力线载波通信收发机同步方法，其特征是：

在步骤(2)中进行“相关”运算的方法是：将接收同步前导信号s(t)与本地参考信号相乘后进行积分，积分区间为同步符号周期Ts；所述本地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！；所述同步前导波形为由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，将同步前导信号s(t)与所有K个序列分别进行相关运算，得到K个相关结果；

在步骤(3)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，再按下述步骤之一进行调整：(4-1)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；(4-2)向能够使D值减小的方向调节时序，直至将D值调节到最小，然后将接收同步信号的时序向后调整相当于Ts/N的时间。

9.如权利要求6或7所述的电力线载波通信收发机同步方法，其特征是：在所述步骤(4)中进行调整的时间调节幅度是逐渐缩小的，每次调节的幅度为上一次调节幅度的一半。

10.如权利要求6所述的电力线载波通信收发机同步方法，其特征是：在所述步骤(1)之前还包括粗同步过程：利用过零检测电路从电力线上的交流电力信号获得粗同步信号。

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