专利名称：用于电力线通信的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电力线介质通信的系统和方法，具体涉及当存在与线路相连的高振幅、非静态噪声源时的传输。
背景技术：
当前，电力线介质上的高速通信(例如家庭配线标准)使用多种调制技术以克服高噪声的环境。两种类型的系统得以普遍使用。首先，可以使用宽带系统，其使用扩展频谱以抵抗干扰，例如参见美国专利No. :5574748、5090024、5263046、6243413、6616254、 5579335以及5748671，将其内容在此引入作为参考。
其次，可以使用窄带系统，其使用在频率或相位上进行调制的一个或更多个频率。 例如参见美国专利No. :55044 和4475217，将其内容在此引入作为参考。
注意的是，某种类型的调制技术还可以使用各种同步。美国专利No. 6734784 ； 6577231 ；6784790 ；6907472 ；以及5553081中描述了典型技术，将其内容在此引入作为参考。
所使用的系统类型还取决于使用国家中所允许的频谱。多数国家没有为宽带扩频系统分配足够的频谱，所以窄带系统是有利的，例如参见
-USA :FCC, PART 15 47 CFR CH. 1A, RADIO FREQUENCY DEVICES (PART15)；
-EUROPE :EN50065_1 SIGNALING ON LOff-VOLTAGE ELECTRICAL INSTALLATIONS IN THE FREQUENCY RANGE 3kHz TO 148. 5kHz ；以及
-CANADA :ICES-006, Issue 1, August 25,2001, AC Wire Carrier Current Devices (Unintentional Radiators),
将其内容在此引入作为参考。
这些系统的一个特征是他们针对每一个消息使用连续的传输，其中消息典型地由 100个比特组成。然而，从来自现场的多个数据样本中已经观察到的是，连接有多个干扰设备的典型电力线上的噪声在时间或频率上不是恒定的，但是在这两个维度上展现出平静的时间段。当前的系统没有有效地处理这些情况。
需要提供一种解决这些问题中至少一些的信号传输系统和方法。 发明内容
在第一方面，提供了一种用于对电力线上待发送数据进行编码的方法，所述电力线在一时段上携带AC电力信号的电力线上发送，所述方法包括把所述时段与所述电力信号的预定点相关联；以及使用信号分集方案，在所述时段上至少一个信号中把所述数据编码到电力信号中。所述多样性方案可以包括针对所所发送数据信号的时间和频率多样性技术。
在该方法中，所述数据编码步骤包括把所述时段分为多个时隙；使用针对每一个时隙的不同信号对数据信号进行调制；并把所产生的信号与所述电力信号相加。在说明书的余下部分中，可以将这个把已调制的数据信号有选择地与所述电力信号相加的过程看作把所述数据编码到电力信号中。
在该方法中，所述数据调制步骤可以利用FSK信号把所述数据编码到电力信号中；以及可以将m个调制频率用于调制所述数据，并且可以选择m使得整数个完整周期与所有m个频率的每一个时隙相适合。
在该方法中，可以在两个或更多个时隙中对所述数据进行编码。备选地或附加地， 可以使用每一个均具有不同频率的两个或更多个信号对所述数据进行编码。此外，所述信号的初始相位可以不同。此外，可以在两个时隙内将所述数据编码在信号中，以及使用在所述两个时隙中每一个时隙中检测到的能量差来确定所述数据的值。
该方法还可以包括通过检测所述两个时隙中每一个时隙的能量差，对来自所述电力信号的数据进行解码。
在该方法中，可以在至少两个时隙上对所述数据进行编码。
该方法还可以包括通过把从至少两个时隙中提取出的信号进行求和和合并，对来自该时隙的数据进行解码。
在第二方面中，提供了一种用于在AC电力信号中发送出站数据和接收入站数据的电路。所述系统包括与AC电力信号的连接；用于检测所述电力信号的零交叉的电路； 编码模块，用于对所述出站数据进行编码，并且在所述零交叉附近在一个时段上的至少一个信号中将出站数据注入到所述电力信号中；以及解码模块，用于根据所述零交叉周围的时段周围的电力信号，对入站数据进行提取和解码。在该系统中，使用FSK信号对入站和出站数据进行编码和解码。
在该电路中，可以在所述零交叉周围的时段中的两个或更多个时隙上对出站数据进行编码。备选地或附加地，在具有不同频率的两个信号中对出站数据进行编码，将所述两个信号编码到所述零交叉周围的AC电力信号中。此外，所述信号的初始相位可以不同。
在该电路中，可以通过对所述零交叉周围的两个时隙中检测到的信号中的能量差进行估测，对入站数据进行解码。
在该电路中，可在至少两个时隙上并行地对出站数据进行编码。
在该电路中，可在至少两个时隙上并行地对出站数据进行编码。
在该电路中，可通过对从多个时隙中每一个时隙提取出的信号进行求和和合并， 对多个时隙上编码的入站数据进行解码。所述信号可以包括实电压值和复电压值。
在第三方面，提供了一种用于在某个时段中在电力线上发送数据的方法。所述方法包括把所述时段分为同步的多个时隙，使得一个时隙在用于发送所述数据的电力线信号的零交叉周围开始，每一个时隙与信道有关，并从1至η编号；调制其中使用个数m个的调制频率的窄带连续相位FSK，并且配置为使得整数个完整周期与所有m个频率的每一个所述信道的每一个所述时隙相适合；以及仅在聚集在所述电力线信号的零交叉周围的可用时隙的子集期间发送数据。
在其他方面中，提供了上述方面的集合和子集的各种组合。
根据本发明特定实施例的以下描述以及附图，本发明的方面将会变得更加明显， 其中附图仅作为示例示出了本发明的原理。在附图中，相似的数字表示相似的元件(其中单独的元件具有唯一的字母后缀)
图Ia是由实施例产生的半个电力线周期中的示范性FSK突发时隙(burst slot) 的图Ib是图Ia的FSK突发时隙的另一个视图2是与图Ia有关的实施例的两个频率FSK的相关接收机的方框图3是与图Ia有关的实施例的模拟前端(AFE)的方框图4是图3的AFE的发射机电路的示意图5是图3的AFE的低通滤波器的示意图6是图3的AFE的高通滤波器的示意图7是图3的AFE的保护电路的示意图8是图3的AFE的带通滤波器和放大器的示意图9是图3的AFE的高通滤波器的示意图10是图3的AFE的保护二极管电路的示意图11是图3的AFE的带通滤波器和放大器的示意图12是图3的AFE的另一个低通滤波器的示意图13是图3的AFE的另一个带通滤波器和放大器的示意图14是图3的AFE的限幅器的示意图1 和15b是图3的AFE的自动增益控制放大器的示意图16是示出针对图3的实施例使用正弦波的最优化多频率接收和发射的图表；
图17是由图3的实施例所处理的信号的频谱密度图18是与微控制器相连的另一个实施例的另一个模拟前端(AFE)的方框图19是图18的AFE所使用的零相交算法的流程图20是由图18的AFE所处理的一组信号的电压-时间图21是由图18的AFE所实现的接收窗信号算法的流程图22是由图18的AFE所实现的合并信道算法的方框图23是图18的AFE所使用的信号幅度计算方程；
图M是图18的AFE所使用的频率值表和相关的比特编码的集合；
图25是图18的AFE所使用的差分比特编码算法所产生的一组信号的电压_时间图表；以及
图沈是针对图18的AFE所使用的图19的零交叉算法的具有6窗结构的示范性信号处理的方框图。
具体实施方式
通过本发明原理的特定实施例的示例或示例说明，提供下文的描述和这里所描述的实施例。提供这些示例为的是说明而不是限制本发明的原理。在下文描述中，贯穿说明书和附图中，相似的部分标记相同的相应附图标记。
简要地说，与本发明的实施例有关的信号传输系统和方法使用传输信号的时间和频率多样性以改进系统的鲁棒性。当存在大量的非静态电力线噪声时，该鲁棒性的改进是显著的。由此，该实施例实现了非常恶劣情况下的显著性能改进。
在实施例的一方面，所述传输系统把时间轴分为多个同步的时隙。使得一个时隙在交流(AC)电力线信号(50或60Hz，取决于地区)的零交叉处开始。将这些时隙称作信道，并从1至η编号。对于该实施例，信道和时隙的概念可以互换地使用。然而，如果需要， 该术语可以指代不同的概念。具体地，可以将信道当作逻辑边界，而时隙可以是信道的特定实现。优选地使用的调制方法是窄带连续相位FSK，其中使用m个调制频率，其排列使得整数个完整周期适合所有m个频率的每一个信道时隙。所述系统仅在集中于电力线波形的零交叉附近的可用时隙(信道)的子集期间进行传输，其中在零交叉处噪声典型地为最小。 另外，可以改变单独频率的初始相位(从零正到零负)。这允许差分接收，其中仅使用两个突发之间的能量差来代替实际值，导致当存在噪声时更强的鲁棒性。
不同的信道可以用于在相同时刻向不同客户端传送数据。另外，如下文所述，还可以把不同的信道进行组合以提供多样性。
通过在一个或更多个信道(时隙)和一个或更多个频率以及两个相位之一上传输相同的比特，所述系统可以使用信号传输多样性。其使用确认应答协议(positive acknowledgment protocol)，利用反向信道告诉发射机在任意给定时刻使用哪种冗余方法。所述发射机和接收机均与电力线信号零交叉同步，而且缺省传输方法是使用最大多样性的最低比特率。优选地，所述系统使用循环冗余校验(CRC)多项式，以检测正确的消息接收。如果没有正确地接收CRC，则不会发送应答，且发射机将在一段可编程的延迟后回复到其缺省的高冗余度状态。
在下文的描述中，使用60Hz电力线上的4个信道和2个频率的具体示例来描述所述系统的实施例。然而，本领域的技术人员可以理解，在其他实施例中，这可以容易地改变为η个信道和m个频率以及使用其他的电力线频率(例如50Hz)。
突发模式FSK
对于该实施例，可使用的一种传输方法是具有两个频率的传统FSK。参考图Ia和 lb，示出了电力波102。图Ia是半个电力线周期中的FSK脉冲串时隙，图Ib是零交叉周围的 FSK脉冲串时隙。将电力线波形的周期分为多个片段，数据传输在某些而不是全部这些片段中进行。因此，考虑在60Hz电力线中的600 μ sec的片段，周期是16. 67msec且半周期是 8. 33msec，在半个周期中给出14个595 μ sec的时隙。在这些时隙中，系统在4个595 μ sec 时隙中进行传输，而周期的剩余部分为空。这4个时隙非对称地排列，1个在零交叉之前，而 3个在零交叉之后，如图Ia和Ib所示。将这些时隙编号为1至4。图1所示的示范性信号与其中不使用冗余的最简单情况相对应。信道104和108以频率1调制并编码为0，而信道106和110以频率2调制并编码为1。表示比特图案的数据是0101，并在这一个突发期间传输。
实施例中的系统使用连续相位FSK，传输的信号如下
权利要求
1.一种使用发射机的方法，包括通过所述发射机在第一发射时段内在AC电力线信号上发射数据，初始将所述发射的数据调制到划分所述第一发射时段的第一时隙集合；以及响应于在接收机处没有正确接收到第一发射时段的所述发射数据的表示，在划分第二发射时段的第二时隙集合中根据调制方案在第二发射时段中在所述AC电力线信号上发射数据，所述调制方案包括将所述数据的至少一个比特编码到比根据初始调制将发生的时隙编号更大编号的时隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二时隙集合包括在不同发射时段中的类似时隙。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二时隙集合包括在每一个发射时段内的每一个可用时隙。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二时隙集合包括在不同发射时段中的不同时隙。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述初始调制和所述调制方案中使用二元频移键控调制。
6.根据权利要求1所述的方法，将所述第一和第二时隙集合以所述AC电力线信号的不同零交叉为中心。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一时隙集合的每一个时隙中初始调制所述数据的一个比特。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述调制方案包括在多个所述第二时隙子集合上对所述数据的至少一个比特进行冗余编码。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述调制方案包括在以所述AC电力线信号的相同零交叉为中心的多个第二时隙集合上对所述数据的至少一个比特进行冗余编码。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述调制方案包括在以所述AC电力线信号的不同零交叉为中心的多个第二时隙集合上对所述数据的至少一个比特进行冗余编码。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述调制方案包括使用频率分集对所述数据的至少一个比特进行冗余编码。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在每一个第二发射时段中，按照不同的频率在多个第二发射时段中的至少一个时隙中对所述冗余编码数据进行编码，所述第二发射时段的每一个具有以所述AC电力线信号的各个零交叉为中心的时隙。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述表示是不能在预定时间内从所述接收机接收分集确认。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述发射机配置用于通过确认应答协议接收所述分集确认。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括在每一次反复时发生的表示之后，反复地将所述数据发射到具有增加冗余的附加时隙集合中。
16.一种电路，包括与AC电力线信号的连接；编码模块，用于将数据初始调制为划分所述AC电力线信号的第一发射时段的第一时隙集合；以及处理设备，用于确定在接收机处是否正确地接收到了所述初始调制的数据，所述编码模块在第二发射时段将确定为不正确接收的数据调制到第二时隙集合中，不正确接收数据的调制包括将所述不正确接收的数据的至少一个比特编码到比根据所述初始调制将发生的时隙编号更大编号的时隙。
17.根据权利要求16所述的电路，其中所述处理设备是微控制器，并且所述编码模块是所述微控制器的一部分。
18.一种使用发射机的方法，包括初始通过所述发射机在电力信号线中划分时段的多个时隙上发射第一数据；以及基于在所述发射机处从适合所述初始发射的接收机接收到的发射信息，随后通过所述发射机在可能产生最少噪声的不同时段中的时隙子集合上发射第二数据。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一数据与所述第二数据不同。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一数据与所述第二数据相同。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述发射信息提供用于在所述多个时隙上比较噪声级别的基础。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述发射信息识别可能产生最少噪声的所述时隙子集合。
23.根据权利要求18所述的方法，其中每一个时段包括所述电力线信号的零交叉。
24.根据权利要求18所述的方法，其中至少一个时段包括所述电力线信号的多个零交叉。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括基于在所述发射机处接收到的发射信息，初始在所述多个时隙中在多个频率上发射所述第一数据，并且随后在可能产生最少噪声的所述多个频率的子集合上发射所述第二数据。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括基于在所述发射机处接收到的发射信息，初始在所述多个时隙中在多个频率上发射所述第一数据，并且随后在可能产生最少噪声的所述多个相位的子集合上发射所述第二数据。
全文摘要
描述了一种电力线通信系统。该通信系统中的发射系统把时间轴分为多个同步的时隙，使得一个时隙可以在电力线信号的零交叉周围开始。将这些时隙称作信道，并从1至n编号。描述了一种调制方法，使用窄带连续相位PSK，其中使用m个调制频率，配置为使得整数个完整周期与所有m个频率的每一个信道时隙相适合。所述系统仅在聚集在电力线波形的零交叉附近的可用时隙(信道)的子集中进行发送，在该处噪声典型地为最小。
文档编号H04B3/54GK102497219SQ20111007653
公开日2012年6月13日 申请日期2006年3月16日 优先权日2005年3月16日
发明者史蒂夫·巴里尔, 查尔斯·拉巴尔 申请人:美国亚德诺半导体公司