专利名称：远动信号的多载波调制方法与解调方法
技术领域：
本发明涉及一种远动信号的多载波调制方法与解调方法。
背景技术：
(1) 单边带电力线载波机一般采用频移键控调制方式(FSK)实现远动信号 的传输，在话音与远动复用时远动信号的传输速率不超过600b/s，在远动专 用时远动信号的传输速率不超过1200b/s。为了提高远动信号的传输速率， 必须采用一种带宽效率高的调制技术。
(2) 随着数字式电力线载波机在电力线载波通信中的广泛应用，彻底解决 了单边带电力线载波机远动传输速率不超过1200b/s的问题。但是数字式载 波机并不是万能的，由于其传输容量高，对载波通道的信噪比有一定的要 求，因此在现场会出现一些载波通道无法满足数字式电力线载波机的运行条 件，而只能使用单边带电力线载波机，此时为了使远动信号的传输速率不低 于1200b/s，不能采用频移键控调制方式(FSK)，必须采用频带利用率高的调 制技术对远动信号进行处理，比如可采用单载波八进制正交振幅调制 (8QAM)来完成单边带电力线载波机复用传输一路2400bps或两路1200bps的 远动，但由于电力线载波通道的噪声大、干扰严重，为了最大限度地提高远 动信号传输的抗脉冲干扰和窄带干扰的能力，同时有效的提高频带的利用 率，在此采用多载波调制(MCM)原理来实现远动信号的传输。
发明内容
针对上述问题，本发明的任务是提供一种远动信号的多载波调制方法与 解调方法，为最大限度地提高远动信号传输的抗脉冲干扰和窄带干扰的能 力，同时有效的提高频带的利用率，使单边带电力线载波机远动信号传输速 率超过1200b/s。为实现上述任务，本发明的技术方案是采用了一种远动信号的多载波调 制方法，设定多载波调制的抽样速率为fs，经过N个抽样点接收到帧长为D 比特串行输入比特序列，该方法包括步骤如下-
(1) 先对串行输入比特序列进行串并变换得到并行序列[dO，...,dD-l]T， 在并行序列前插入Ns比特同步序列，
(2) 对并行序列进行编码得到帧长为L比特的并行序列[SO...SL-l] T，
其中
L=D+Ns (4)
(3) 采用M-QAM的调制方式，将L比特的并行序列[SO，...,SL-l] T， 分成Nf个组，每组log2M比特
Nf=L/log2M (5) 得到由Nf个独立的QAM子载波组成的多载波调制MCM,所有子载波 都有M个星座点可以选择，
Nf个子载波完成相应的信号调制映射形成调制信息序列X(k)，艮P: X(k)=[X0，...，XNf-l] T (6)
(4) 对信息序列X(k)进行离散傅里叶反变换(IDFT)，计算出多载波调 制(MCM)己调信号的时域抽样序列y(n):
y(n)=丄Fx(k)e^郝n=0,l,...，N-l (7)
N k=0
(5) 对于复信号y(n)，取y(n)的实部得到实信号yr(n)，
yr(n)=Re{y(n)} (8)
(6) 再作D/A变换，最终得到多载波调制MCM已调信号的时域波形
yr(t)。
所述fs=9600Hz ，取每6个字节作为一帧进行多载波调制，假设数据是 异步传输，l个起始位、8个数据位、l个停止位，贝"
rbN/fs《60 (12) 艮P: N《60fs/rb=576000/rb (13)在进行串并转换之前，去掉起始位和停止位，保留8个数据位，每帧传
输48个比特数据流，每N个抽样点进行组帧处理。
所述的发送数据之前在帧的首部加的帧同步序列，其长度Ns=12比特， S=011111111110，所述的对并行序列进行编码，是对在发送端检验要传输的 字节，如果某一个字节中有5个连"1"，则此字节的第5位由"1"变为 "0"，同时设置对应的编码标志置"1"。
在传输的数据流中插有相位和幅度是己知的同步信号矢量。
所述插入的独立的同步信号，是在传输的数据流中每4个子载波插入1 个子载波同步信号矢量，即每5个为1组，每组中间的子载波是1个相位为 O幅度为l+V3的标准同步信号矢量。与上述的远动信号的多载波调制方法对应，本发明还提供了远动信号的 多载波的解调方法，接收端先对接收信号yr(t)进行A/D变换，得到MCM已 调信号的抽样序列yr(n)，对该抽样序列作离散傅里叶变换(DFT)恢复出原调
制信息序列X(k): N-l
X(k)=E yr(n)e-j2jmk/N k-O,l,...，N广l (9)
对调制信息序列x(k)作信号逆映射、同步、去掉帧同步序列并进行解 码、并串变换即可解调出原始序列。
接收端通过对接收的比特流进行搜索，根据检测到帧同步序列s，确定
帧的开始，并据此划分帧内的数据序列；接收端检査编码标志的内容，如果 某一字节编码标志为"1"，则对相应的字节进行译码，将其字节的第5位 应置"1"。
接收端通过调整同步信号的相位与发送端保持时钟同步。 所述的调整同步信号的相位是利用每一组中的同步子载波信号去除同一 组中的子载波信号矢量，从而实现对子载波信号矢量幅度和相位失真的补 偿，当同步子载波信号矢量的相位不为零时将其调整到零相位，其它子载波信号矢量的相位和幅度也作相应调整，此时接收端与发送端保持时钟同步， 接收信号能够正确解调。
多载波调制(Multi-carrier Modulation)是指在通道上传输信号时利用多个 不同的但依次排列的子载波，每个子载波各自受到数字信号的调制，这些载 有传输信号的多路子载波一同(即并行)沿通道向接收端传输。其基本原理是 把要传输的串行数据流分解为若干个并行子数据流，使子数据流具有较低的 传输速率，与单载波调制相比，在相同的传输速率下，多载波系统子载波上 传输的数据码元周期要比单载波调制长得多，因此短时脉冲噪声对其码元的 影响比单载波调制要小得多，而且由于每个子载波只占整个通道带宽的一小 部分，脉冲噪声功率分布到子载波上的功率将减弱，对子载波的干扰相应较 小，而对于单载波调制，每个传输的数据码元占用整个通道带宽，脉冲噪声 功率全部加载到传输码元上，对其造成严重干扰，因此采用多载波调制可以 提高远动信号传输的抗脉冲干扰和窄带干扰能力。
图1为单载波QAM调制原理框图2为8QAM星型星座图3为多载波调制原理框图4为多载波解调原理框图； 图5为多载波调制的帧结构； 图6为字节编码处理；
图7为带有同步点的8QAM星型星座图； 图8为多载波调制与解调硬件方框图。
具体实施例方式
1.单载波八进制正交振幅调制(8QAM)原理
单载波8QAM调制原理框图如图l所示，串行发送的数据比特流先进行 串并变换，将比特流转换成并行码元，接着每3个比特(log28)进行信号映射 完成从数据到信号星座点的映射，得到基带频谱X(k)=Ak+jBk (1) 其中Ak为同相分量，Bk为正交分量。由于X(k)为复数，因此X(k)也称
作信号矢量。
对基带信号进行复调制，将基带频谱搬移到fc处，
y(k)=X(k)ej27ifck (2) 由于y(k)是复信号，取其实部得到实数字信号yr(k):
yrCkhAkcosP兀fclO画Bksin(;2兀fck) (" yr(k)经D/A输出，生成QAM信号yr(t)，从式(3)可用看出它是一种对载 波幅度和相位的双重调制。
由于调制方式的误码性能取决于信号空间中两个信号点之间的最小距 离，选择一个信号功率利用率最优的信号星座图非常重要，如图2为最优的 8QAM星型星座图。
2.多载波调制解调原理与远动信号多载波调制的实现 2.1多载波调制解调原理
本文主要介绍采用离散傅立叶变换的算法来实现多载波调制的方法，在 发送端利用离散傅立叶反变换(IDFT)实现多载波信号的调制，在接收端利用 离散傅立叶变换(DFT)进行多载波解调，如图3、 4分别是多载波调制与解调 的原理框图。
假设多载波调制的抽样速率为fs，经过N个抽样点接收到帧长为D比特 串行输入比特序列，先对串行输入比特序列进行串并变换得到并行序列 [dO，...，dD-l]T，在并行序列前插入Ns比特同步序列，并对并行序列进行编 码得到帧长为L比特的并行序列[SO...SL-l] T，其中
L=D+Ns (4) 根据采用的M-QAM的调制方式，将L比特的并行序列[S0,…，SL-1] T， 分成Nf个组，每组log2M比特
Nf=L/log2M (5)可以看出MCM由Nf个独立的QAM子载波组成，所有子载波都有M 个星座点可以选择，Nf个子载波完成相应的信号调制映射形成调制信息序列 X(k)，即
X(k)=[XO"..，XNf-l] T (6) 对信息序列X(k)进行离散傅里叶反变换(IDFT)，计算出多载波调制 (MCM)已调信号的时域抽样序列y(n):
y(n)」NS X(k),郝n=0， 1 ，…,N-1 (7)
N k=o
由于y(n)是复信号，取y(n)的实部得到实信号yr(n)，
yr(n)=Re{y(n)} (8) 再作D/A变换，得到MCM已调信号的时域波形yr(t)。接收端先对接收 信号yr(t)进行A/D变换，得到MCM已调信号的抽样序列yr(n)，对该抽样序 列作离散傅里叶变换(DFT)恢复出原调制信息序列X(k):
X(k"S1 yr(n)e-j27mk/N k=0， 1,…，N广1 (9)
n=0
对调制信息序列X(k)作信号逆映射、同步、去掉帧同步序列并进行解
码、并串变换即可解调出原始序列。
2.2远动信号多载波调制与解调的实现
根据电力系统远动传输的特点，利用数字信号处理器(DSP)通过软件来 实现远动信号的多载波调制与解调，要做到这一点必须解决帧周期和同步序 列的选择、数据的编码与解码、发送与接收的同步实现等关键技术，下面将 详细介绍这些关键技术的解决方案。
2.2.1帧周期(抽样点数N)的选择
电力线载波通道音频频带的最高截止频率《3940Hz，抽样速率为fs至少 为最高截止频率的2倍，艮P:
fs> 7880Hz (10)
10远动信号的传输速率rb—般为300 9600b/s，为了便于信号处理，取fs 为rb的整数倍，因此在多载波调制系统中选取
fs=9600Hz (11) 对于帧周期(抽样点数N)，综合考虑数据传输的延迟时间以及数字信 号处理器(DSP)实现的可能性， 一般取每6个字节作为一帧进行多载波调 制，假设数据是异步传输，l个起始位、8个数据位、l个停止位，贝U:
rbN/fs《60 (12) 艮口 N《60fs/rb=576000/rb (13) 当rb^200b/s时，N《480，取N-480。 在进行串并转换之前，去掉起始位和停止位，保留8个数据位，每帧 传输48个比特数据流，每N个抽样点进行组帧处理。
具体地，多载波调制系统中选取抽样速率为9.6kHz，综合考虑数据传输 的延迟时间以及数字信号处理器(DSP)实现的可能性， 一般取每6个字节作 为一帧进行多载波调制，假设数据是异步传输，1个起始位、8个数据位、1 个停止位，当远动信号传输速率为1200b/s时，抽样点数N为480;当远动 信号传输速率为2400b/s时，抽样点数N为240;当远动信号传输速率为 4800b/s时，抽样点数N为120;每N个抽样点进行组帧处理。 2.2.2帧同步序列的选择以及数据的编码
由于发送端与接收端的工作时钟是相互独立的，而多载波调制是按帧处 理的，因此，在发送数据之前应该在帧的首部加一个特殊的序列，即帧同步 序列(S，其长度为Ns比特)，以便在收、发两端建立统一的时间基准，接收 端对接收的比特流进行搜索， 一旦检测到帧同步序列S，就知道了帧的开 始，并据此划分帧内的数据序列。
为了进行透明传输，即允许所传输的信息可以是任意的比特序列，应设 法防止在整个比特序列中出现与帧同步序列相同的数据流，因此对所传输的 信息进行编码，对于帧同步序列S，其长度Ns^2比特，S=011111111110， 多载波调制的帧结构如图5所示。在发送端检验要传输的字节，如果某一个字节中有5个连"1"，则此
字节的第5位由"1"变为"0"，同时对应的编码标志置"1"。接收端检
查编码标志的内容，如果某一字节编码标志为"1"，则对相应的字节进行
译码，将其字节的第5位应置"1"。示意图如图6所示，可以看出经过编 码，所传输的信息序列中不会出现与帧同步序列相同的数据比特序列。另外 在接收端利用编码标志还可以检测是否有误码出现，比如当Cl=l时，在译 码前如果字节1的第5位为"1"，则说明有误码出现；当接收到的字节数 (Num)大于6时，接收帧出错。 2.2.3发送与接收的时钟同步
时钟同步是进行数据同步传输的一项关键技术，它直接决定多载波调制 与解调系统的工作是否可靠，为了保证整个系统的性能，必须解决其帧同步 以及调制与解调过程中的时钟同步。如果多载波调制与解调系统收发两端的 时钟一致，则在帧同步(见2.2.2)建立后，两端在时间上步调一直保持一致。 但收发两端的时钟是有误差的，不可能保持一致，因此在数据的传输过程中 必须调整接收端的时钟，以保证收发两端同步。
实现同步的方法有3种(1)使用统一的时间标准；(2)利用独立的同步 信号；(3)采用由数据信号本身提取定时信息的"自同步"。本系统采用第2 种方法，即在传输的数据流中插入相位(零相位)和幅度是已知的同步信号矢 量，接收端通过调整同步信号的相位与发送端保持时钟同步。这样用DSP软 件容易实现。
2.2.4多载波调制与解调的实现
在传输的数据流中每4个子载波插入1个子载波同步信号矢量，即每5 个为1组，每组中间的子载波是1个相位为0幅度为l+V3的标准同步信号 矢量，其星座图如图7所示。在接收端对多载波信号进行解调得到与发送端 相对应的信号序列，由于在发送端插入的同步子载波信号的相位和幅度是已 知的，每一组子载波信号所占用的频带很窄，其幅度和相位响应是基本不变 的，因此同一组中的5个子载波信号矢量在电力线载波通道传输中产生的幅
12度和相位失真是一致的，利用每一组中的同步子载波信号去除同一组中的子 载波信号矢量，从而实现对子载波信号矢量幅度和相位失真的补偿，当同步 子载波信号矢量的相位不为零时将其调整到零相位，其它子载波信号矢量的 相位和幅度也作相应调整，此时接收端与发送端保持时钟同步，接收信号能 够正确解调。
当远动信号的传输速率rb =1200b/s时，N=480，此时1帧有69个比 特，需要传输的子载波为23个，每5个子载波为1组，加上同步子载波共有 29个子载波(g卩Nf=29)，则分成6个组，此时传输1路1200b/s所需的带宽 为
BT=29 9600/480=580Hz (14)
当远动信号的传输速率为2400b/s和4800b/s时，所需的带宽分别为 1160Hz和2320Hz，因此对于采用多路数字韦瓦复调制原理的载波机，在 4kHz的标称带宽内可以实现1路话音和1路速率为2400b/s(或2路1200b/s) 的远动信号的传输。
对29个子载波映射形成调制信息矢量序列X(k)，进行离散傅里叶反变 换(IDFT)，得到
1 28
y(n)=— E X(k)e,2jmk/480 n=0,l，...，479 (15) 480 k=o
由于y(n)是复信号，取y(n)的实部得到实信号yr(n)，再作D/A变换，完 成远动信号的多载波调制。远动信号的多载波解调基本上是调制的反过程， 这里不再详细介绍。
3.远动信号多载波调制与解调的硬件实现方案
远动信号多载波调制与解调利用高速DSP(数字信号处理)、多通道音频 编解码器(CODEC) 、 RS232接口转换器、微控制器(MCU)等来实现(如图8 所示)。
由数据终端输出的数据信号("1"或"0")经RS232接口转换器进行电 平转换后送到DSP， DSP进行串并变换、帧同步插入及编码、信号映射、IDFT后得到多载波调制(MCM)已调信号的时域抽样序列y(n)，取y(n)的实 部，然后通过多通道音频编解码器(CODEC)的D/A输出多载波调制信号。接 收到的多载波调制信号经多通道音频编解码器(CODEC)的A/D转换成数字信 号并送到DSP， DSP进行DFT、信号逆映射、时钟同步、删除帧同步序列并 进行解码、并串变换恢复出原始数据，经RS232接口转换器进行电平转换后 送到数据终端。PC机通过微控制器(MCU)对多载波调制信号的中心频率、传 输速率、异同步以及发送电平等调制与解调参数进行设置，以满足各种传输 协议的要求。
采用多载波调制与解调技术，大大提高了单边带电力线载波机传输远动 信号的能力，在4kHz的标称带宽内可以实现1路话音复用1路速率为 2400b/s或2路速率为1200b/s的远动信号；可以实现1路传真复用1路速率 为600b/s的远动信号；在专用方式下可以传输1路速率为4800b/s或2路速 率为2400b/s以及4路速率为1200b/s的远动信号。
权利要求
1、一种远动信号的多载波调制方法，其特征在于，设定多载波调制的抽样速率为fs，经过N个抽样点接收到帧长为D比特串行输入比特序列，该方法包括步骤如下(1)先对串行输入比特序列进行串并变换得到并行序列[d0，...，dD-1]T，在并行序列前插入Ns比特同步序列，(2)对并行序列进行编码得到帧长为L比特的并行序列[S0...SL-1]T，其中L＝D+Ns(4)(3)采用M-QAM的调制方式，将L比特的并行序列[S0，...，SL-1]T，分成Nf个组，每组log2M比特Nf＝L/log2M(5)得到由Nf个独立的QAM子载波组成的多载波调制MCM，所有子载波都有M个星座点可以选择，Nf个子载波完成相应的信号调制映射形成调制信息序列X(k)，即X(k)＝[X0，. ..，XNf-1]T (6)(4)对信息序列X(k)进行离散傅里叶反变换(IDFT)，计算出多载波调制(MCM)已调信号的时域抽样序列y(n)(5)对于复信号y(n)，取y(n)的实部得到实信号yr(n)，yr(n)＝Re{y(n)} (8)(6)再作D/A变换，最终得到多载波调制MCM已调信号的时域波形yr(t)。
2、根据权利要求l所述的远动信号的多载波调制方法，其特征在于，所述f^9600Hz，取每6个字节作为一帧进行多载波调制，假设数据是异步 传输，l个起始位、8个数据位、l个停止位，贝U: rbN/fs《60 (12) 艮口 N《60fs/rb=576000/rb (13) 在进行串并转换之前，去掉起始位和停止位，保留8个数据位，每帧传 输48个比特数据流，每N个抽样点进行组帧处理。
3、 根据权利要求1所述的远动信号的多载波调制方法，其特征在于，所 述的发送数据之前在帧的首部加的帧同步序列，其长度Ns=12比特， S=011111111110，所述的对并行序列进行编码，是对在发送端检验要传输的 字节，如果某一个字节中有5个连"1"，则此字节的第5位由"1"变为"0"，同时设置对应的编码标志置"1"。
4、 根据权利要求l、 2或3任一条所述的远动信号的多载波调制方法， 其特征在于，在传输的数据流中插有相位和幅度是已知的同步信号矢量。
5、 根据权利要求4所述的远动信号的多载波调制方法，其特征在于，所 述插入的独立的同步信号，是在传输的数据流中每4个子载波插入l个子载 波同步信号矢量，即每5个为1组，每组中间的子载波是1个相位为0幅度 为l+V3的标准同步信号矢量。
6、 一种与权利权利要求l所述的远动信号的多载波调制方法对应的解 调方法，其特征在于，接收端先对接收信号》(t)进行A/D变换，得到MCM 已调信号的抽样序列》(n)，对该抽样序列作离散傅里叶变换(DFT)恢复出原 调制信息序列X(k):<formula>formula see original document page 3</formula>(9) 对调制信息序列X(k)作信号逆映射、同步、去掉帧同步序列并进行解码、并串变换即可解调出原始序列。
7、 根据权利要求6所述的远动信号的多载波解调方法，其特征在于，接收端通过对接收的比特流进行搜索，根据检测到帧同步序列s，确定帧的开始，并据此划分帧内的数据序列；接收端检査编码标志的内容，如果某一 字节编码标志为"1"，则对相应的字节进行译码，将其字节的第5位应置"r 。
8、 根据权利要求6或7所述的远动信号的多载波解调方法，其特征在 于，接收端通过调整同步信号的相位与发送端保持时钟同步。
9、 根据权利要求8所述的远动信号的多载波解调方法，其特征在于， 所述的调整同步信号的相位是利用每一组中的同步子载波信号去除同一组中 的子载波信号矢量，从而实现对子载波信号矢量幅度和相位失真的补偿，当 同步子载波信号矢量的相位不为零时将其调整到零相位，其它子载波信号矢 量的相位和幅度也作相应调整，此时接收端与发送端保持时钟同步，接收信
全文摘要
本发明涉及一种远动信号的多载波调制与解调方法，通过合理的帧周期(抽样点数N)的选择、帧同步序列的选择以及数据的编码、发送与接收的时钟同步等措施，同时在传输的数据流中每4个子载波插入1个子载波同步信号，在接收端对多载波信号进行解调得到与发送端相对应的信号序列，使接收端与发送端保持时钟同步，接收信号能够正确解调。多载波调制与解调采用离散傅里叶反变换和傅里叶变换分别实现。最大限度地提高了远动信号传输的抗脉冲干扰和窄带干扰的能力，同时有效的提高频带的利用率，使单边带电力线载波机远动信号传输速率超过1200b/s。
文档编号H04L27/10GK101447959SQ20081009103
公开日2009年6月3日 申请日期2008年4月10日 优先权日2007年11月29日
发明者王奎甫, 王宏淼, 苏陆军 申请人:许继集团有限公司;许昌许继昌南通信设备有限公司