一种plc物理层时钟同步方法
【专利摘要】本发明公布了一种PLC物理层时钟同步方法，其特征在于：物理层的发射信号由以已知数据OFDM调制而成的帧头和由以控制数据或需要传输的上层数据OFDM调制而成的帧体，并在帧体插入由已知数据OFDM调制而成的导频信号；接收机处理帧头部分的接收信号时，估计出初步的时钟频率和相位偏差；根据估计的采样时钟误差，对数字接收信号进行插值，使得插值得到的数字接收信号的采样时钟与发射端数字信号在时钟上同步；接收机处理帧体部分的接收信号时，根据导频信号进一步估计时钟相位偏差，根据估计出的时钟相位偏差对插值的参数进行调整。本发明能够接收其它节点的信号，从而可缩短以组网时间，增加网路的健壮性，简化网络的维护。
【专利说明】—种PLC物理层时钟同步方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力线通信领域，具体来说，涉及一种PLC物理层时钟同步方法。
【背景技术】
[0002]电力线通信(PLC)就是利用电力线为物理传输媒介进行信息传输，具有系统布设简单、信息传输可靠和系统成本低廉等优点。相比于其它有线通信系统，电力线通信不需要从新布线，利用现有电力线，只要有电，就可以进行通信，避免了布线施工的麻烦，节省了高昂的布线成本。相比于无线通信系统，电力线通信具有传输可靠，不考虑因障碍物遮挡而造成的信号覆盖问题。电力线通信在智能城市、智能楼宇、智能家庭和物联网等领域具有广泛应用。
[0003]现有的电力线通信需要在整个通信系统中建立物理层时钟同步，才能保证系统的正常工作。电力线通信通常是中央控制器首先工作，发送信号；收到中央控制器信号的其它节点进行频率扫描，直到与中央控制器信号的频率基本一致时，解调出数据，精确测量本节点与中央控制器之间的频率误差，然后调整本节点的时钟频率，从而建立起与中央控制器的时钟同步，中央控制器为该节点的频率参考节点。已同步的节点作为频率参考节点以类似的方式与其它未建立同步的节点建立时钟同步，直到所有节点均建立起时钟同步。
[0004]这种同步方式存在以下一些缺点。第一个缺点是系统组网时，需要的时间比较长。因为每个节点都需要进行频率扫描。第二个缺点是不稳定，当一个节点因为信道变化导致接收恶化从而丢失同步时，与该节点保持同步的其它节点都会丢失同步。此外，还有环路问题等。就是当一个节点的频率参考节点丢失同步后，该节点需要从新选择频率参考节点，在此过程中，容易形成环路，环路中的节点相互成为频率参考节点，而与系统中的其它节点无法通信。
【发明内容】
[0005]为解决【背景技术】中的问题，本发明提供一种PLC物理层时钟同步方法，使得在电力线通信线路的收发两端不需要建立实际的时钟同步，只需要在接收端的数字信号处理中建立虚拟时钟同步就能完成接收端信号的正确解调。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种PLC物理层时钟同步方法，其特征在于:物理层的发射信号由以已知数据OFDM调制而成的帧头和由以控制数据或需要传输的上层数据OFDM调制而成的帧体，并在帧体插入由已知数据OFDM调制而成的导频信号；接收机处理帧头部分的接收信号时，估计出初步的时钟频率和相位偏差；根据估计的采样时钟误差，对数字接收信号进行插值，使得插值得到的数字接收信号的采样时钟与发射端数字信号在时钟上同步；接收机处理帧体部分的接收信号时，根据导频信号进一步估计时钟相位偏差，根据估计出的时钟相位偏差对插值的参数进行调整。
[0008]作为一种优化的技术方案，插入导频的方式可以选择两种方式，第一种方式是频域方式，就是在每个OFDM符号中等频率间隔的插入导频信号；第二种方式是时域方式，就是在帧体的时域等间隔插入导频OFDM符号，导频OFDM符号完全由已知的导频数据OFDM调制而成。
[0009]作为一种优化的技术方案，接收机首先根据接收到的帧头估计与发射端的时钟频率和相位偏差，根据估计出的时钟频率和相位偏差对接收信号在数字端插值，从而得到正确时钟频率的采样数字信号，然后进行处理；接收机处理帧体部分的接收信号时，根据导频信号进一步估计时钟相位偏差，根据估计出的时钟相位偏差对插值的参数进行调整。
[0010]由于采用了上述技术方案，与现有技术相比较，本发明是一种全新的同步方法，该方法中的每个节点不需要事先建立时钟同步，就能够接收其它节点的信号，从而可以缩短组网时间,增加网路的健壮性,简化网络的维护。
【具体实施方式】
[0011]实施例
[0012]一种PLC物理层时钟同步方法，物理层的发射信号由以已知数据OFDM调制而成的帧头和由以控制数据或需要传输的上层数据OFDM调制而成的帧体，并在帧体插入由已知数据OFDM调制而成的导频信号；接收机处理帧头部分的接收信号时，估计出初步的时钟频率和相位偏差；根据估计的采样时钟误差，对数字接收信号进行插值，使得插值得到的数字接收信号的采样时钟与发射端数字信号在时钟上同步；接收机处理帧体部分的接收信号时，根据导频信号进一步估计时钟相位偏差，根据估计出的时钟相位偏差对插值的参数进行调整。
[0013]插入导频的方式可以选择两种方式，第一种方式是时频域方式，就是在每个OFDM符号中等频率间隔插入导频信号；第二种方式是时域方式，就是在帧体的时域等间隔插入导频OFDM符号，导频OFDM符号完全由已知的导频数据OFDM调制而成。
[0014]接收机首先根据接收到的帧头估计与发射端的时钟频率和相位偏差，根据估计出的时钟频率和相位偏差对接收信号在数字端插值，从而得到正确时钟频率的采样数字信号，然后进行处理。
[0015]本实施例还举出了一个具体的例子，如下所述:
[0016]发射信号的帧格式。
[0017]发射信号包括帧头和帧体两部分。帧头由一个OFDM循环前缀和8完全相同的OFDM基本符号组成，帧体根据需要传输的数据包大小由若干个OFDM符号组成。每个OFDM符号由循环前缀和基本符号组成。每个基本符号包含1024个采样点。OFDM符号的循环前缀有128个采样点构成，并与紧随其后的基本符号的后128个采样点完全相同。每个基本符号由1024个频域数据经过IFFT从频域变换到时域并取实部得到。其中帧头OFDM基本符号的1024个频域数据的前257个数据为由I和-1构成的已知的随机序列，后767个数据为O。帧体OFDM基本符号的1024个频域数据的后767个数据为0，前257个数据中的第0、8、…、248,256个数为由I和-1构成的已知的随机序列，其余的位置用于传输用户数据。
[0018]发射信号按照上述格式生成后按照25MHz的时钟频率进行DA转换并发送出去。25MHz的时钟频率可以有最大50PPM的误差。
[0019]接收端的信号处理。
[0020]接收信号经过接收端的模拟前端处理后，按照25MHz的时钟频率进行AD转换成为数字接收信号。25MHz的时钟频率可以有最大50PPM的误差。
[0021]数字接收信号首先进行信号检测处理，用于检测帧头的到来。如果检测到帧头，则利用帧头信号完成采样时钟误差估计、信道估计和OFDM符号定时等的处理。
[0022]一种可能的采样时钟误差估计方法。
[0023]设S0、S1、…、S1023、S1024、S1025、…、S2047为接收信号帧头部分的一段连续的时域信号，将so、S1、…、S1023和S1024、S1025、…、S2047分别进行1024点FFT变换得到HKF1、…、F1023和F1024、F1025、…、F2047，则采样时钟误差可以用下式计算:
[0024]Da = (F1025*F0)/(F1024*F1) + (F1026*F1)/(F1025*F2)+…+ (F1152*F127)/(F1151*F128)；
[0025]Efc = 1-Angle (Da) / (2*Π)；
[0026]其中AngleO为求复数的角弧度。Efc表示采样时钟误差的比例，例如0.001表示接收端的采样时钟比发射端的采样时钟快0.001倍。
[0027]根据估计的采样时钟误差，对数字接收信号进行插值，使得插值得到的数字接收信号的采样时钟与发射端数字信号在时钟上同步。
[0028]根据插值得到的数字接收信号和OFDM符号定时估计，截取OFDM基本符号，进行FFT变换，并利用信道估计对FFT变换得信号进行信道均衡，然后解调数据。
[0029]为了补偿因采样时钟误差估计的偏差导致的相位偏差，在解调每个OFDM符号时，都需要对OFDM符号进行相位补偿。
[0030]一种可能的采样时钟误差估计方法。
[0031]设R0、R1、…、R1023为接收信号帧体部分的一段连续的对应一个OFDM基本符号的时域信号，将R0、R1、…、R1023进行1024点FFT变换得到K0, KU...、K1023，在帧头部分得到的信道估计为HO、Hl、…、Η1023，首先进行信道均衡:
[0032]BO = Κ0/Η0, BI = Κ1/Η1,…，Β1023 = Κ1023/Η1023 ；
[0033]然后估计相位偏差:
[0034]Ac = angle (Β1/Β0+Β2/Β1+...+Β128/Β127)；
[0035]然后对接收信号进行相位补偿:
[0036]Ci = Bi*exp (_j*i*Ac)，i = 0，1，…，128，896，897，…，1023 ；
[0037]其中exp O为指数函数。
[0038]本发明不局限于上述的优选实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种PLC物理层时钟同步方法，其特征在于:物理层的发射信号由以已知数据OFDM调制而成的帧头和由以控制数据或需要传输的上层数据OFDM调制而成的帧体，并在帧体插入由已知数据OFDM调制而成的导频信号；接收机处理帧头部分的接收信号时，估计出初步的时钟频率和相位偏差；根据估计的采样时钟误差，对数字接收信号进行插值，使得插值得到的数字接收信号的采样时钟与发射端数字信号在时钟上同步；接收机处理帧体部分的接收信号时，根据导频信号进一步估计时钟相位偏差，根据估计出的时钟相位偏差对插值的参数进行调整。
2.根据权利要求1所述的PLC物理层时钟同步方法，其特征在于:插入导频的方式可以选择两种方式，第一种方式是频域方式，就是在每个OFDM符号中等频率间隔的插入导频信号；第二种方式是时域方式，就是在帧体的时域等间隔插入导频OFDM符号，导频OFDM符号完全由已知的导频数据OFDM调制而成。
3.根据权利要求2所述的PLC物理层时钟同步方法，其特征在于:接收机首先根据接收到的帧头估计与发射端的时钟频率和相位偏差,根据估计出的时钟频率和相位偏差对接收信号在数字端插值，从而得到正确时钟频率的采样数字信号，然后进行处理；接收机处理帧体部分的接收信号时，根据导频信号进一步估计时钟相位偏差，根据估计出的时钟相位偏差对插值的参数进行调整。
【文档编号】H04L7/00GK104243130SQ201410506098
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】姚飞 申请人:南京芯度电子科技有限公司