专利名称：电力线载波通信系统中的直接调制发射机及直接调制方法
技术领域：
本发明是一种用于在电力线中高速传输数据信号的电力线载波通信系统中的直接调制发射机及直接调制方法，属于有线通信的技术领域。
背景技术：
目前的数字通信发射机有间接调制发射器、输入基准调制发射器、直接调制发射机等，利用电力线高速传输数据信号的方法有时分多路复用(TDM)技术、码分多路复用(CDM)技术、频分多路复用(FDM)技术、正交频分多路复用(OFDM)技术等。
1、时分多路复用(TDM)技术若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可采用时分多路复用TDM技术，也即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。时分多路复用TDM不仅仅局限于传输数字信号，也可以同时交叉传输模拟信号。另外，对于模拟信号，有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。一个传输系统可以频分成许多条子通道，每条子通道再利用时分多路复用技术来细分。在宽带局域网络中可以使用这种混合技术。
由于时分复用(TDMA)更考虑时间上的问题，所以我们要注意通信中的同步和定时问题，否则会因为时隙的错位和混乱而导致接收端移动台无法正常接收信息。
2、码分多路复用(CDM)码分多路复用也是一种数字技术，但它是另一种复用信道的方法。即各个用户使用经过特殊挑选的不同的码型进行通信，因此不同的用户可在同一时间、同一频带复用信道而不会造成干扰。在码分多路复用中，每一比特时间再被分割成m个短的时间间隔，这个短的时间间隔被称为码片。通常m的取值为64或128。每个站使用一个惟一的m位码片序列。作为发送站，当发送数字1时，就发送该码片序列；当发送数字0时，则发送该码片序列的反码。这样就实现了站点传输码型的惟一性。作为接收站，必须已知发送站的码片序列，才可以从复合信号中将发送站的信号分离出来。例如，A站使用8位码片序列00010011，当A站发送1时，就发送序列00010011，如果A站发送0，则发送序列11101100。为了方便，按照惯例，将码片中的0用-1表示，1用+1表示。因此，A站的码片序列表示为-1-1-1+1-1-1+1+1。
由于码分多路复用中的每一个用户使用不同的码型进行通信，因此它具有很强的抗干扰能力和安全性。但它采用码片序列传输一位二进制数，增加了带宽。码分多路复用技术已广泛应用于移动通信和无线局域网中。CDMA通信是一种新的移动通信技术，在尽善尽美之前，还有一个不断发展和完善的过程。
3、频分多路复用(FDM)频分复用是将可用的传输频率范围分为多个较细的频带，每个分细的频带作为一个独立的信道分别分配给用户形成数据传输子通路。频分复用的特点是每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用。频分复用适合于模拟信号的频分传输，主要用于电话和有线电视(CATV)系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用。为了防止干扰，各信道之间由保护频带隔离开，保护带是频谱中不使用的部分。
载波电话通信系统是频分多路复用技术的典型例子，例如，双绞线的带宽可以达到100KHz，每一路话路信号只需300～3KHz，因此，利用频分多路复用技术，可以在同一根双绞线上同时传输多达24路电话信号。而光缆的采用，则更增加了通信链路的频带宽度，可同时传输上千路电话和数十路电视信号。
4、正交频分复用技术(OFDM)OFDM(正交频分复用技术)是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知，无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM技术有如下优点(1)OFDM是一种多载波调制方式，和单载波调制方式相比，多载波调制的主要优点是具有抗无线信道时间弥散的特性，克服多径效应。可以通过增加循环前缀减小码间干扰。
(2)多载波系统对频率选择性衰落的抵抗力很强，这是因为频率选择性衰落在某一时刻只会影响一定数量的子载波，在系统设计时可以通过交织和前向纠错编码等方法成功地修补在这些子载波上较差的信号。
(3)OFDM可以用FFT算法来实现，采用日益成熟的数字信号处理技术可以使系统用简单的混频和积分就能够很好地分离各个子信道，系统实现相对较简单，系统成本低。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种电力线载波通信中的直接调制发射机及直接调制方法，该发射机具有HPLM(指宽带高速电力载波通信系统的调制解调器)通信速率50Kbps，HPLM直接通信距离≥100米，实现Internet接入。
技术方案本发明的发送器的用途是生成和发送信息。随着4G数据率的增加，对未受干扰信号的需求也随之增长。增加容量的一个有效途径是增加频率复用，随着小区规模为适应更多的频率复用而变得越来越小，基站也要求变得更小。更小的小区规模只需较少的发送功率即可到达小区边缘，尽管降低小区内的干扰要提高系统工程的质量。所以本发明使用了正交频分复用(OFDM)技术，数模变换器(DAC)是发送器件的重要组成部分，需要较高的变换速度以使失真最小，特别是带有OFDM信号的高PAVR。通常数据需要额外采样2.5至4倍；通过增加DAC的抽样率，即可降低采样间的步长，由此使失真降至最低。在发送器件的基带处理部分，信号采用IFFT编码、调制、变换，并添加循环扩展。动态数据包分配或动态频率选择技术可以增加系统的容量，移动终端的反馈需要实现上述技术，而基带处理必须足够快，由此支持高速数据率。
本发明的电力线载波通信系统中的直接调制发射机由数模转换器、有源低通滤波器、反向比例放大器、无源低通滤波器、射极跟随器、正交调制器、无源带通滤波器、正向比例放大器、电力线耦合器顺序串联组成，数模转换器接收待发出的通信信号，电力线耦合器与外部的电力线相接。
数模转换器中的数模转换电路“U100”有两路输出，即第一路转换输出“IoA”和第二路转换输出“IoB”，该两路输出分别接有源低通滤波器中的运算放大器“U101”、“U102”的反相信号输入端，运算放大器的两输出端“OUT1”、“OUT2”为有源低通滤波器的输出端。
有源低通滤波器的两输出端“OUT1”、“OUT2”分别经电阻“R106”、“R107”接入反向比例放大器中的运算放大器“U103”、“U104”的反向信号输入端，两运算放大器的输出端为反向比例放大器的两输出端。
反向比例放大器的两输出端分别接无源低通滤波器的输入端，无源低通滤波器的两输出端分别为“OUT3”、“OUT4”。
无源低通滤波器的两输出端“OUT3”、“OUT4”分别接入射极跟随器中的运算放大器“U105”的两正相输入端，运算放大器“U105”的两反向输入端与两输出端分别相接，构成射极跟随器，运算放大器“U105”的两输出端“OUT5”、“OUT6”为射极跟随器的输出端。
射极跟随器的两输出端“OUT5”、“OUT6”分别接入正交调制器的两输入端“Iin”、“Qin”，正交调制器的输出端“RF”与无源带通滤波器的输入端“IN”相接。
无源带通滤波器的输入端与正交调制器的输出端相接，其输出端“OUT7”接入正向比例放大器中运算放大器“U106”的正向输入端。
正向比例放大器中运算放大器“U106”的正向输入端为正向比例放大器的输入端，运算放大器“U106”的输出端“OUT8”为正向比例放大器的输出端。
本发明的电力线载波通信系统中的直接调制发射机的直接调制方法为1)输入数据的帧格式为实部与虚部交替，送入数模转换器内，数据的实部与虚部按不同的时序进行转换，时钟频率远大于采样频率，近似认为数据实部与虚部的转换是同步的，2)经过数模转换后得到两路正交的模拟信号，记做I、Q信号，将I、Q两路信号经过有源低通滤波器滤除噪声，3)将上一步产生的两路信号再使用反向比例放大器进行放大，其放大倍数为2，4)将上一步产生的两路信号分别经过电阻电容组成的五阶无源低通滤波器(4)，此低通滤波器的截止频率为100KHz，5)将经过无源低通滤波器处理的信号经过运算放大器“U105”组成的射极跟随器进行匹配，使用第一组电容“C107、C10”与第二组电容“C102、C108”滤除电源的干扰，6)经过射极跟随器(5)匹配后输出的信号必须达到正交调制器的电压限制，也就是电压须小于1.5V，故分别使用第一组电阻“R117、R123”与第二组电阻“R118、R126”进行分压，正交调制器的本振由晶体振荡器加外围电路提供，其谐振频率约为10.7MHz，信号经过正交调制后生成中频信号，信号带宽为200KHz，7)由正交调制后生成的中频信号再通过由陶瓷滤波器组成的无源带通滤波器进行滤波，带通滤波器的带宽为200KHz，8)将上一步经过带通滤波器的信号使用集成运算放大器所组成的正向比例放大器进行放大，比例放大器的放大倍数为2，9)由上一步产生的信号经过电力线耦合器耦合后发射出去。
具体过程如下1、输入的数据经过串并转换，然后进行QPSK调制，再进行IFFT变换后加入循环前缀，然后进行并串转换，数据的帧格式为实部与虚部交替，送入数模转换器，数模转换器为时分复用，即数据的实部与虚部按不同的时序进行转换，其中需要解决的问题是数据的实部与虚部的同步问题，由于FPGA的工作频率远远高于信号的采样频率，所以近似认为两者是同步的。
2、经过数模转换后得到两路正交的模拟信号，记做I、Q信号，由于数模转换产生了噪声，所以将I、Q两路信号经过低通滤波器滤除带外噪声，然后再用运算放大器放大2倍，再经过五阶LC低通网络，其截止频率为100KHz。五阶LC低通网络由软件进行仿真，其带内平坦，带外衰减大。
3、经过上一步处理的信号达到正交调制器的电压限制(＜1.5V)，正交调制器的本振由晶体振荡器加外围电路提供，其谐振频率约为10.7MHz，信号经过正交调制后生成中频信号，信号带宽为200K，为了减少本振泄露和镜像的影响，设计中用LC电路加以匹配滤波。
4、由上一步生成的中频信号再通过陶瓷滤波器低通滤波，因为陶瓷滤波器的带内特性很好，低通滤波后再用集成运算放大器进行放大。
5、由上一步生成的中频信号经过电力线耦合器耦合后发射出去。
有益效果提高电力线网络传输质量。多载波调制技术(本发明使用OFDM技术)对于传输突发性的Internet数据流是个理想的网络。即便是在配电网受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且适当的纠错技术可以确保可靠的数据传输。即便是在配电网受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且适当的纠错技术可以确保可靠的数据传输。
本发明的最终效果(1)、HPLM通信速率 56Kbps，(2)、HPLM直接通信距离 100米，(3)、实现Internet接入，
图1是本发明的系统框图，图2是本发明的数模转换器和有源低通滤波器的电原理图，图3是本发明的反向比例放大器与无源低通滤波器的电原理4是本发明的射极跟随器、正交调制器与无源带通滤波器的电原理5是本发明的正向比例放大器的电原理图。
具体实施例方式
主要器件中要有中文名称——电路图中的编号——元件的型号·数模转换器U100DAC7802·正交调制器U106MIQA-10M·运算放大器U101OPA602·运算放大器U102OPA602·运算放大器U103OPA602·运算放大 U104OPA602·运算放大器U105TL072·运算放大器U108LMH6714本发明是一种电力线载波通信中的直接调制发射机，主要包括数模转换器、比例放大器、正交调制器、滤波器、放大器、电力线耦合器，其具体工作机理如下(1)数模转换器将采集到的数据按实部和虚部以时分的方式依次进行数模转换，得到两路模拟信号，一路为信号的实部，另一路为信号的虚部，(2)将上一步得到的两路模拟信号进行低通滤波，该低通滤波器由运放器(OPA602)、电阻R100和电容C114组成，低通滤波后再使用比例放大器进行匹配，该射极跟随器由运放器(OP602)、R102和R103组成，其放大倍数为2倍。
(3)将上一步得到的两路信号进行低通滤波，该低通滤波器由5阶LC滤波电路组成，低通滤波后经过放大器，该放大器由运放(TL072)组成，放大后使用正交调制器(IQ1OM)进行正交调制，得到射频信号，正交调制器的本振由晶振(TCXO)经放大器(LMH6502)放大后提供。
(4)将上一步中经过正交调制后的射频信号进行低通滤波，该滤波器为陶瓷滤波器U107。
(5)将上一步中得到的信号经过放大后，该放大电路由集成运放(LMH6714)及外围电路组成，放大后的信号通过电力线耦合器进入接收端。
直接调制发射机由数模转换器1、有源低通滤波器2、反向比例放大器3、无源低通滤波器4、射极跟随器5、正交调制器6、无源带通滤波器7、正向比例放大器8、电力线耦合器9顺序串联组成，数模转换器1接收待发出的通信信号，电力线耦合器9与外部的电力线相接。
数模转换器1中的数模转换电路“U100”有两路输出，即第一路转换输出“IoA”和第二路转换输出“IoB”，该两路输出分别接有源低通滤波器2中的运算放大器“U101”、“U102”的反相信号输入端，运算放大器的两输出端“OUT1”、“OUT2”为有源低通滤波器2的输出端。有源低通滤波器2的两输出端“OUT1”、“OUT2”分别经电阻“R106”、“R107”接入反向比例放大器3中的运算放大器“U103”、“U104”的反向信号输入端，两运算放大器的输出端为反向比例放大器3的两输出端。反向比例放大器3的两输出端分别接无源低通滤波器4的输入端，无源低通滤波器4的两输出端分别为“OUT3”、“OUT4”。无源低通滤波器4的两输出端“OUT3”、“OUT4”分别接入射极跟随器5中的运算放大器“U105”的两正相输入端，运算放大器“U105”的两反向输入端与两输出端分别相接，构成射极跟随器5，运算放大器“U105”的两输出端“OUT5”、“OUT6”为射极跟随器5的输出端。射极跟随器5的两输出端“OUT5”、“OUT6”分别接入正交调制器6的两输入端“Iin”、“Qin”，正交调制器6的输出端“RF”与无源带通滤波器7的输入端“IN”相接。无源带通滤波器7的输入端与正交调制器6的输出端相接，其输出端“OUT7”接入正向比例放大器(8)中运算放大器“U106”的正向输入端。正向比例放大器8中运算放大器“U106”的正向输入端为正向比例放大器8的输入端，运算放大器“U106”的输出端“OUT8”为正向比例放大器8的输出端。
电力线载波通信系统中的直接调制发射机的直接调制方法1)输入数据的帧格式为实部与虚部交替，送入数模转换器1内，数据的实部与虚部按不同的时序进行转换，时钟频率远大于采样频率，近似认为数据实部与虚部的转换是同步的，2)经过数模转换后得到两路正交的模拟信号，记做I、Q信号，将I、Q两路信号经过有源低通滤波器2滤除噪声，3)将上一步产生的两路信号再使用反向比例放大器3进行放大，其放大倍数为2，4)将上一步产生的两路信号分别经过电阻电容组成的五阶无源低通滤波器(4)，此低通滤波器的截止频率为100KHz，5)将经过无源低通滤波器4处理的信号经过运算放大器“U105”组成的射极跟随器(5)进行匹配，使用第一组电容“C107、C10”与第二组电容“C102、C108”滤除电源的干扰，6)经过射极跟随器5匹配后输出的信号必须达到正交调制器6的电压限制，也就是电压须小于1.5V，故分别使用第一组电阻“R117、R123”与第二组电阻“R118、R126”进行分压，正交调制器6的本振由晶体振荡器加外围电路提供，其谐振频率约为10.7MHz，信号经过正交调制后生成中频信号，信号带宽为200KHz，7)由正交调制后生成的中频信号再通过由陶瓷滤波器组成的无源带通滤波器7进行滤波，带通滤波器的带宽为200KHz，8)将上一步经过带通滤波器的信号使用集成运算放大器所组成的正向比例放大器8进行放大，比例放大器的放大倍数为2，9)由上一步产生的信号经过电力线耦合器(9)耦合后发射出去。
发送端调制过程(1)串并缓存器将信息序列分解成Nf比特的帧，每一帧中的Nf比特被分成 组(子信道数)，其中第i组(第i组子信道)被分配 比特，且Σl=1N~n~i=Nf;]]>(2)将多载波各个子信道看作 个独立的DQPSK信道所组成，每一条信道以符号速率1/T进行操作(注每个信道可采用不同的星座)，第i条信道使用Mi=2ni]]>个信号点；用Xk(k=0,1,...,N~-1)]]>表示相应于各子信道上的信息符号的复信号点；(3)使用逆DFT(IDFT)调制符号{Xk}到 个子载波。为了等价 个DQPSK调制载波。采用共轭扩展方法实现。
首先共轭扩展N=2·N~]]>XN-k=Xk*,]]>k=1,...,N~-1]]>且X0′=Re(X0),]]>XN~=Im(X0)]]>从而IDFT的输入数据为[Re(X0)X1X2...XN~-1Im(X0)XN~-1*...X2*X1*];]]>其次实现N点IDFT，产生实序列xn=1N·Σk=0N-1Xkej2πnk/N,n=0,1,...,N-1,]]>式中， 是标度因子；(4)加入M个循环前缀，组成一帧发送序列x-M，…，x0，…，xN-1；(5)对应时域连续信号为x(t)=1N·Σk=0N-1XkeJ2πkl/T,Tcp≤t≤T,]]>子载波的频率为fk＝k/T，k=0,1,...,N~.]]>离散域序列的取值{xn}表示x(t)在t＝nT/N时刻的抽样值，其中n＝-M，…，0，1，…，N-1。信号样值{xn}通过D/A变换器，在理想情况下，输出信号波形为x(t)。
权利要求
1.一种电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于该发射机由数模转换器(1)、有源低通滤波器(2)、反向比例放大器(3)、无源低通滤波器(4)、射极跟随器(5)、正交调制器(6)、无源带通滤波器(7)、正向比例放大器(8)、电力线耦合器(9)顺序串联组成，数模转换器(1)接收待发出的通信信号，电力线耦合器(9)与外部的电力线相接。
2.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于数模转换器(1)中的数模转换电路“U100”有两路输出，即第一路转换输出“IoA”和第二路转换输出“IoB”，该两路输出分别接有源低通滤波器(2)中的运算放大器“U101”、“U102”的反相信号输入端，运算放大器的两输出端“OUT1”、“OUT2”为有源低通滤波器(2)的输出端。
3.根掘权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于有源低通滤波器(2)的两输出端“OUT1”、“OUT2”分别经电阻“R106”、“R107”接入反向比例放大器(3)中的运算放大器“U103”、“U104”的反向信号输入端，两运算放大器的输出端为反向比例放大器(3)的两输出端。
4.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于反向比例放大器(3)的两输出端分别接无源低通滤波器(4)的输入端，无源低通滤波器(4)的两输出端分别为“OUT3”、“OUT4”。
5.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于无源低通滤波器(4)的两输出端“OUT3”、“OUT4”分别接入射极跟随器(5)中的运算放大器“U105”的两正相输入端，运算放大器“U105”的两反向输入端与两输出端分别相接，构成射极跟随器(5)，运算放大器“U105”的两输出端“OUT5”、“OUT6”为射极跟随器(5)的输出端。
6.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于射极跟随器(5)的两输出端“OUT5”、“OUT6”分别接入正交调制器(6)的两输入端“Iin”、“Qin”，正交调制器(6)的输出端“RF”与无源带通滤波器(7)的输入端“IN”相接。
7.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于无源带通滤波器(7)的输入端与正交调制器(6)的输出端相接，其输出端“OUT7”接入正向比例放大器(8)中运算放大器“U106”的正向输入端。
8.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机，其特征在于正向比例放大器(8)中运算放大器“U106”的正向输入端为正向比例放大器(8)的输入端，运算放大器“U106”的输出端“OUT8”为正向比例放大器(8)的输出端。
9.一种如权利要求1所述的电力线载波通信系统中的直接调制发射机的直接调制方法，其特征在于直接调制的步骤为1)输入数据的帧格式为实部与虚部交替，送入数模转换器(1)内，数据的实部与虚部按不同的时序进行转换，时钟频率远大于采样频率，近似认为数据实部与虚部的转换是同步的，2)经过数模转换后得到两路正交的模拟信号，记做I、Q信号，将I、Q两路信号经过有源低通滤波器(2)滤除噪声，3)将上一步产生的两路信号再使用反向比例放大器(3)进行放大，其放大倍数为2，4)将上一步产生的两路信号分别经过电阻电容组成的五阶无源低通滤波器(4)，此低通滤波器的截止频率为100KHz，5)将经过无源低通滤波器(4)处理的信号经过运算放大器“U105”组成的射极跟随器(5)进行匹配，使用第一组电容“C107、C10”与第二组电容“C102、C108”滤除电源的干扰，6)经过射极跟随器(5)匹配后输出的信号必须达到正交调制器(6)的电压限制，也就是电压须小于1.5V，故分别使用第一组电阻“R117、R123”与第二组电阻“R118、R126”进行分压，正交调制器(6)的本振由晶体振荡器加外围电路提供，其谐振频率约为10.7MHz，信号经过正交调制后生成中频信号，信号带宽为200KHz，7)由正交调制后生成的中频信号再通过由陶瓷滤波器组成的无源带通滤波器(7)进行滤波，带通滤波器的带宽为200KHz，8)将上一步经过带通滤波器的信号使用集成运算放大器所组成的正向比例放大器(8)进行放大，比例放大器的放大倍数为2，9)由上一步产生的信号经过电力线耦合器(9)耦合后发射出去。
全文摘要
电力线载波通信中的直接调制发射机及直接调制方法是一种用于在电力线中高速传输数据信号的电力线载波通信系统中的直接调制发射机及直接调制方法，该发射机具有HPLM(指宽带高速电力载波通信系统的调制解调器)通信速率≥50Kbps，HPLM直接通信距离≥100米，实现Internet接入。该发射机由数模转换器(1)、有源低通滤波器(2)、反向比例放大器(3)、无源低通滤波器(4)、射极跟随器(5)、正交调制器(6)、无源带通滤波器(7)、正向比例放大器(8)、电力线耦合器(9)顺序串联组成，数模转换器(1)接收待发出的通信信号，电力线耦合器(9)与外部的电力线相接。
文档编号H04B1/02GK1996775SQ20061009671
公开日2007年7月11日 申请日期2006年10月10日 优先权日2006年10月10日
发明者于东海, 张志云, 李桑, 邹采荣 申请人:东南大学