专利名称：电力线通信方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力线通信技术，尤其涉及一种电力线通信方法和装置。
背景技术：
电力线载波通信技术(Power Line Carrier Communication)是一种利用电力线网络通信的技术。它利用了电力线作为传输媒质，具有成本低、施工难度小等特点，可以广泛地用于自动化控制、宽带接入等领域。同其它有线及无线通信信道相比，电力线通信信道中的噪声类型更加丰富，主要包括背景噪声、与工频信号同步的周期噪声、突发噪声、窄带干扰等等。其中，背景噪声和窄带干扰可以被建模为平稳的随机过程，但工频同步周期噪声不是平稳的，其分布和矩(动差，moment)都随时间变化，并与工频信号同步。实验证明，工频同步周期噪声在电力线通信网络中广泛存在，它可以来自各种功率电子电路，如开关电源、整流器等等。如何充分利用工频同步周期噪声来提高频谱资源的利用率，成为业界的一大研究方向。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种利用电力线中阶段性出现的频谱空隙来有效传输数据的方法和装置，该方法和装置能够最大化地减弱了非平稳工频同步周期噪声的干扰。根据本发明实施例的一个方面，提供一种电力线通信方法，所述方法包括:对所述电力线进行噪声信号分析，得到所述噪声在频域上的分布；检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙；如果存在频谱空隙，则控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输。根据本发明实施例的又一个方面，其中，所述方法还包括:在所述数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输的过程中，判断所述频谱空隙是否消失；如果所述频谱空隙没有消失，则继续所述噪声信号分析和频谱空隙的检测；如果所述频谱空隙消失，则控制所述数据发送端停止所述数据传输，并继续所述噪声信号分析和频谱空隙的检测。根据本发明实施例的又一个方面，其中，判断所述频谱空隙是否消失的步骤包括:对所述频谱空隙所处的频段进行噪声检测；如果所述频谱空隙所处的频段的噪声功率大于预设门限值，则确定所述频谱空隙消失。根据本发明实施例的又一个方面，其中，对所述电力线进行噪声信号分析的步骤包括:采用时基自恢复的时频分析对所述电力线进行噪声信号分析。根据本发明实施例的又一个方面，其中，检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙的步骤包括:如果所述噪声信号分析的结果为频域上对应至少一个频段的噪声的功率小于预设门限值，则确定存在频谱空隙。根据本发明实施例的又一个方面，其中，控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输的步骤包括:控制所述数据发送端将待传输数据调制到所述频谱空隙所处的所述频段并进行传输。根据本发明实施例的再一个方面，提供一种电力线通信装置，所述装置包括:分析单元，用于对所述电力线进行噪声信号分析，得到所述噪声在频域上的分布；检测单元，检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙；控制单元，如果存在频谱空隙，则控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输。根据本发明实施例的又一个方面，其中，所述装置还包括:判断单元，其在所述数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输时，判断所述频谱空隙是否消失；所述控制单元在所述判断单元的判断结果为所述频谱空隙没有消失时，持续侦听所述检测单元对频谱空隙的检测；在所述判断单元的判断结果为所述频谱空隙消失时，控制所述数据发送端停止所述数据传输，并持续侦听所述检测单元对频谱空隙的检测。根据本发明实施例的又一个方面，其中，所述判断单元包括:噪声检测模块，其对所述频谱空隙所处的频段进行噪声检测；判断模块，其在所述频谱空隙所处的频段的噪声功率大于预设门限值时，确定所述频谱空隙消失。根据本发明实施例的又一个方面，其中，所述检测单元在所述分析单元对噪声信号分析的结果为频域上对应至少一个频段的噪声的功率小于预设门限值时，确定存在频谱空隙。本发明实施例的有益效果在于:在具有复杂噪声类型的电力线通信系统中，充分利用电力线通信信道中工频同步周期噪声的非平稳特性，通过动态出现的频谱空隙传输数据，成功地克服了工频同步周期噪声对信号传输的干扰，为电力线通信提供了新的数据传输解决方案。参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中利用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文利用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
参照以下的附图可以更好地理解本发明的很多方面。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大或缩小。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。此外，在附图中，类似的标号表示几个附图中对应的部件，并可用于指示多于一种实施方式中利用的对应部件。在附图中:图1是本发明电力线通信方法的流程示意图；图2是时基自恢复的时频分析方法基本原理不意图；图3是噪声在频域上的分布图；图4是本发明电力线通信装置的结构示意图；图5是本发明电力线通信装置的另一个结构示意图；图6是本发明电力线通信装置的判断单元的一个结构示意图。
具体实施例方式参照附图，通过下面的说明书，本发明实施例的前述以及其它特征将变得明显。这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。本发明适用于电力线通信信道环境下，发送端和接收端利用电力线载波实现信号传递的场景。在工频同步周期噪声的频谱中，某些频段的噪声功率有时候会很大有时候又会随着噪声周期的变化而变得很小，形成“频谱空隙”，频谱空隙具有较大的信噪比，可满足数据通信的要求，实时地选择工作频点和调制方式就能利用这些频谱空隙来实现电力线通信。本发明正是在研究工频同步周期噪声的频谱的基础上，提出使用“频谱空隙”来进行电力线通信的技术方案。实施例1本发明实施例提供了一种电力线通信方法。图1是该方法的流程示意图，请参照图1，该电力线通信方法包括:步骤SlOl:对电力线进行噪声信号分析，得到噪声在频域上的分布；步骤S102:检测噪声在频域上的分布，检测确定是否存在频谱空隙；步骤S103:如果存在频谱空隙，则控制数据发送端利用该频谱空隙所处的频段进行数据传输。在步骤SlOl中，可以采用时基自恢复的时频分析方法对电力线进行噪声信号分析，以精确分析电力线网络上的各种噪声特性，如平稳宽带噪声、工频同步周期噪声、窄带干扰等。目前，在电力线载波通信系统中，通过对周期噪声的特性进行分析，可以选择合适的工作频点、调制方式、软信息提取及组合方法，提高系统的抗噪声能力。本发明实施例通过步骤SlOl对电力线进行噪声信号分析，可以获得噪声在频域上的分布。其中，经典的信号分析方法均假定信号是已知或是平稳的，然后用变换域或其它谱估计方法进行处理，这种方法在分析平稳信号时性能很好，但对于工频同步周期噪声这种非平稳信号而言，传统谱的概念不再适用，因此本发明实施例使用时频分析方法，以得到噪声在时间、频率两个维度上的分布。其中，时基与50Hz工频信号同步，将工频周期精确划分成FFT窗口，得到每个窗口的噪声频率分布，并通过累积平均提高估计的精度。最终得到工频周期内各时间窗口、频率上的噪声功率分布情况。图2是时基自恢复的时频分析方法基本原理示意图。如图2所示，电力线的噪声信号经非线性处理后，送入锁相环，经时基生成模块得到与工频同步的时基，以此时基控制送给短时傅里叶变换的数据长度和窗口，并按工频信号周期内的不同位置做短时傅里叶变换，经累积平均后得到噪声在时间-频率两个维度上的分布，且时间维度与50Hz工频信号同步，由此，得到电力线的噪声信号在时域和频域上的分布。在步骤S102中，对经过步骤SlOl的分析所获得的噪声在频域上的分布进行检测，检测是否存在噪声功率在可接受范围之内的频段，当某频段的噪声功率小于门限值时，该频段则代表频谱空隙。在频谱空隙所处的频段中，噪声的功率较小，该频段的信噪比较高，能够满足数据通信的需要。在步骤S103中，如果检测到存在频谱空隙，则控制数据发送端将所要传输的信号调制到频谱空隙所处频段进行传输。此时，接收端则采用滤波器提取传输信号，由于传输信道具有较高的信噪比，信号能在接收端成功解调。利用本发明实施例1的电力线通信方法，能够实现利用电力线噪声信号的频谱空隙进行的数据传输。然而，由于工频同步周期噪声的非平稳性，频谱空隙并不能长期稳定地存在，在本发明实施例的一个实施方式中，在数据发送端利用检测出来的频谱空隙进行数据传输的过程中，一旦发现该频谱空隙所处的频段的噪声功率超过预设门限，即频谱空隙再次被噪声所占据，从而导致该频段无法正常通信，则立即终止信号传输。因此，在本实施例的一个具体实施方式
中，该方法还可以包括:步骤S104，在数据发送端利用频谱空隙所处的频段进行数据通信的过程中，判断频谱空隙是否消失。其中，通过对该频谱空隙所处的频段进行噪声检测，可以确认该频谱空隙是否消失。例如，一旦检测到该频段的噪声功率超过预设门限，则确定频谱空隙消失。其中，根据步骤S104的判断结果，如果频谱空隙没有消失，则可以保持原有频段的数据通信不变，并继续所述噪声信号分析和频谱空隙的检测；如果频谱空隙消失，则可以控制数据发送端停止在这一频段上的数据通信，并回到步骤S101，进行新一轮的噪声信号分析，检测是否存在新的可用于通信的频谱空隙。为了使本实施例的方法更容易理解，下面结合图3对本实施例的方法进行更进一步的说明。请参照图3。由于与其它传输信道相比，电力线通信信道中含有更加丰富的噪声，所以信道的频域上含有大量不规律的大功率噪声，并不适合进行正常通信，如图3D所示。但由于其中的工频同步周期噪声具有非平稳性，某些频段上会间断性地出现可用于数据通信的频谱间隙。本发明实施例基于该频谱间隙，通过实时地选择工作频点和调制方式，来利用这些频谱间隙实现电力线通信。首先，假设根据步骤SlOl对电力线进行噪声信号分析，可以得到如图3A所示的电力线通信信道噪声在频域上的分布。其中，横坐标表示噪声所处的频率，纵坐标表示噪声的强度。然后，根据步骤S102对图3A所示的噪声在频域上的分布进行分析，可以确定是否存在频谱空隙。如图3A所示，在图3A所示的频域分布图中，fl、f2、f4、f5、f6等频点上都存在着大功率的噪声干扰，不适合进行数据传输，但检测出频点f3的噪声功率小于门限值，即，频点f3上出现频谱空隙。然后，由于频点f3上出现频谱间隙，则可以通过步骤S103控制数据发送端选择适当的工作频点和调试方式，将数据信号调制到f3频段上进行传输。由于这个f3频段上具有较高的信噪比，可以实现信号的有效传输。利用该频谱间隙(频点f3所在频段)传输数据，在数据接收端，可以通过滤波器获取f3频段上的调制信号，解调得到发送端所发的原始信号，从而成功实现利用f3频段的电力线通信。在本实施例中，在利用f3频段进行电力线通信的同时，由于工频同步周期噪声的不稳定性，f3频段的频谱空隙并不是永久存在的。工频周期的改变会导致工频同步周期噪声在频域上出现偏移，有可能会“污染”正在用于通信的频域空隙，并最终占据整个通信频段，使频谱空隙消失，从而使数据通信失败，如图3C所示。因此，在本实施例中，利用频谱空隙进行电力线通信的同时，还要对该频谱空隙所在的频段进行噪声检测，以确保进行数据传输的频段具有满足通信要求的信噪比。在本实施例中，在利用频谱空隙进行电力线通信过程中，一旦检测出通信频段再次被噪声污染，则立即终止信号传输，如图3D所示。与此同时，继续进行噪声的时频分析，检测是否再次出现频谱空隙。如图3E所示，虽然f3频段再次被噪声所污染，但通过本实施例的方法在f2频段发现可用于通信的频段。如此往复，电力线通信系统利用间断性出现的频段间隙，动态地接入相应频段来实现数据通信。在上述实施例中，检测频谱空隙存在时所设定的门限值和判断频谱空隙消失时所设定的门限值可以根据待传输数据对通信信道的信噪比要求而改变，并且，上述两个门限值可以相同，也可以不同。本发明实施例1充分利用了电力线通信信道中工频同步周期噪声的非平稳特性，通过动态出现的频谱空隙传输数据，成功克服了工频同步周期噪声对信号传输的干扰，并为电力线通信提供了有效的数据传输解决方案。本发明实施例还提供了一种电力线通信装置，如下面的实施例2所述，由于该电力线通信装置解决问题的原理与实施例1的方法类似，因此其具体的实施可以参照实施例1的方法的实施，重复之处不再赘述。实施例2本发明实施例提供了一种电力线通信装置。图4是该电力线通信装置的结构示意图。请参照图4，该电力线通信装置400包括:分析单元401，用于对电力线进行噪声信号分析，得到噪声在频域上的分布；其中，分析单元401可以对电力线进行持续的、实时的噪声信号分析。
其中，分析单元401可以采用多种的信号分析方法对电力线进行噪声信号分析，例如，可以采用时基自恢复的时频分析方法，具体的分析原理与实施例1相同。检测单元402，用于检测噪声在频域上的分布，从而确定是否存在频谱空隙；其中，检测单元402在分析单元401对噪声信号分析的结果为频域上对应至少一个频段的噪声的功率小于预设门限值时，确定存在频谱空隙。控制单元403，其在所述检测单元402的检测结果为存在频谱空隙时，控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输；具体地，控制单元403可以控制发送端选择适当的工作频点和调试方式，将信号调制到频谱空隙所处的频段上，由于该频段上具有较高的信噪比，可以实现信号的有效传输，接收端通过滤波器获取该频段上的调制信号，解调得到发送端所发的原始信号，从而实现电力线通信。如图5所示，在本实施例的另一个实施方式中，电力线通信装置400还可以具有判断单元404，用于在数据发送端利用频谱空隙所处的频段进行数据传输的过程中，判断正在利用的频谱空隙是否消失。如果频谱空隙消失，则控制单元403控制数据发送端停止数据传输，并持续侦听检测单元402对频谱空隙的检测；如果频谱空隙没有消失，则维持数据通信状态，并持续侦听检测单元402对频谱空隙的检测。在一个具体的实施方式中，判断单元404可以包括:噪声检测模块4041和判断模块4042，如图6所示，其中:噪声检测模块4041用于对频谱空隙所处的频段进行噪声检测；判断模块4042用于在所述频谱空隙所处频段的噪声功率大于预设门限值时，确定所述频谱空隙消失。根据本发明实施例2的电力线通信装置，能够充分利用电力线通信信道中工频同步周期噪声的非平稳特性，通过动态出现的频谱空隙传输数据，成功克服了工频同步周期噪声对信号传输的干扰，提供了一种用于有效利用电力线进行通信装置。以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。
权利要求
1.一种电力线通信方法，所述方法包括: 对所述电力线进行噪声信号分析，得到所述噪声在频域上的分布； 检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙； 如果存在频谱空隙，则控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的电力线通信方法，其中，所述方法还包括: 在所述数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输的过程中，判断所述频谱空隙是否消失； 如果所述频谱空隙没有消 失，则继续所述噪声信号分析和频谱空隙的检测； 如果所述频谱空隙消失，则控制所述数据发送端停止所述数据传输，并继续所述噪声信号分析和频谱空隙的检测。
3.根据权利要求2所述的电力线通信方法，其中，判断所述频谱空隙是否消失的步骤包括: 对所述频谱空隙所处的频段进行噪声检测； 如果所述频谱空隙所处的频段的噪声功率大于预设门限值，则确定所述频谱空隙消失。
4.根据权利要求1所述的电力线通信方法，其中，对所述电力线进行噪声信号分析的步骤包括: 采用时基自恢复的时频分析对所述电力线进行噪声信号分析。
5.根据权利要求1所述的电力线通信方法，其中，检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙的步骤包括: 如果所述噪声信号分析的结果为:频域上对应至少一个频段其噪声功率小于预设门限值，则确定存在频谱空隙。
6.根据权利要求1所述的电力线通信方法，其中，控制所述数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输的步骤包括: 控制所述数据发送端将待传输数据调制到所述频谱空隙所处的所述频段并进行传输。
7.一种电力线通信装置，所述装置包括: 分析单元，用于对所述电力线进行噪声信号分析，得到所述噪声在频域上的分布； 检测单元，检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙； 控制单元，如果存在频谱空隙，则控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输。
8.根据权利要求7所述的电力线通信装置，其中，所述装置还包括: 判断单元，其在所述数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输的过程中，判断所述频谱空隙是否消失； 所述控制单元在所述判断单元的判断结果为所述频谱空隙没有消失时，持续侦听所述检测单元对频谱空隙的检测；在所述判断单元的判断结果为所述频谱空隙消失时，控制所述数据发送端停止所述数据传输，并持续侦听所述检测单元对频谱空隙的检测。
9.根据权利要求8所述的电力线通信装置，其中，所述判断单元包括: 噪声检测模块，其对所述频谱空隙所处的频段进行噪声检测； 判断模块，其在所述频谱空隙所处的频段的噪声功率大于预设门限值时，确定所述频谱空隙消失。
10.根据权利要求7所述的电力线通信装置，其中，所述检测单元在所述分析单元对噪声信号分析的结果为频域上对应至少一个频段的噪声的功率小于预设门限值时，确定存在频谱空隙。`
全文摘要
本发明提供了一种电力线通信方法和装置，该方法包括对所述电力线进行噪声信号分析，得到所述噪声在频域上的分布；检测所述噪声在频域上的分布，确定是否存在频谱空隙；如果存在频谱空隙，则控制数据发送端利用所述频谱空隙所处的频段进行数据传输。通过本发明，能够充分利用电力线通信信道中工频同步周期噪声的非平稳特性，通过动态出现的频谱间隙传输数据，克服了工频同步周期噪声对信号传输的干扰，并为电力线通信提供了新的数据传输解决方案。
文档编号H04B3/54GK103078668SQ20131004007
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者雷帅帅 申请人:北京曼若科技有限公司