一种基于频域处理的电力线载波通信方法与流程

本发明涉及同时数字和模拟信息传输技术领域，特别涉及一种基于频域处理的电力线载波通信方法。

背景技术：

电力线载波通信系统由发射机，接收机以及连接发射机和接收机的电力线组成。用户要传送的数据信息经调制后由发射机发送，通过电力线后由接收机进行解调、接收信息。

电力线载波通信的工作频率远大于电网的工频信号50Hz或60Hz，这样的高频信号可以与电能同时在电力线里传输，因此，可以充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“No New Wires”技术，节约了资源，同时也节省了人力，节约了线缆投资，加快了网络开通时间。特别是电力线载波通信系统可应用在自动抄表(AMR)、远程投/切开关、能量/负荷管理、设备监视和断电告警等领域，能够极大提高电网的安全性和可靠性，改善服务质量和经济效益。

然而，由于电力线本身并不是为了通信而设计的，其电力线环境非常恶劣，存在各种噪声(包括背景噪声、脉冲噪声)、各种杂波干扰(某个频率，无规律，不可预测)、各种脉冲干扰(无规律，不可预测)以及严重的时变衰减，因此，电力线信道并不是十分合适的通信媒介。

而目前的很多电力线载波通信系统存在如下问题：

(1)传输的可靠性差，抗干扰能力差，无法达到实时通信的需求；

(2)通信距离不佳，无法满足应用的需求；

(3)成本非常高，给产业化的推广带来了制约。

因此，针对国内电力线环境的特性以及市场的需求，需要一种为恶劣电力线环境下的数据传输提供了可靠的保证的电力线载波通信方法。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中电力线载波通信系统存在的问题，提供一种基于频域处理的电力线载波通信方法。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

提供一种基于频域处理的电力线载波通信的方法，所述方法包括如下步骤：S1：利用过零检测电路检测电力线上工频信号的过零时刻，实现发送端和接收端的粗时间同步；S2：利用抗过零点抖动偏差算法，建立发送端和接收端的精时间同步；S3：通过CRC编码将原始传输数据进行校验编码，得到校验编码后的数据；S4：发送端在所述校验编码后的数据前面添加同步码和前导码，组成比特信息帧；S5：将“0”和“1”组成的M位数据的所述比特信息帧映射到由高电平、低电平构成的N种低频方波信号上，其中，M>0，N＝2^M；然后分别将所述高电平和所述低电平调制到高频载波上，并利用正弦和余弦表生成最终的载波调频信号；S6：发送端根据精同步时刻，将所述载波调频信号进行D/A转换，并利用模拟前端将待发送的所述载波调频信号耦合到电力线上；S7：接收端根据精同步时刻，利用模拟前端将电力线上的所述载波调频信号进行A/D转换，并利用带通滤波器滤除带外的干扰和噪声；S8：自动增益控制模块计算通带内的能量，并反馈调整进入A/D之前的所述载波调频信号；S9：接收端利用精确同步信号时刻，将带通滤波器过滤之后的所述载波调频信号送入数字锁相环进行频率解调，同时选择包含2个以上正弦波的窗口对解调后的所述载波调频信号进行快速傅立叶变换、判决，并结合所述同步码进行同步检测；S10：接收端启动所述前导码进行数据解调，并根据解调的前导码信息，继续接收所述载波调频信号的数据信息，直至数据信息接收完成；S11：接收端对接收的所述数据信息进行CRC校验，并输出最终的数据信息。

优选地，所述步骤S1中的工频信号为50Hz或60Hz。

优选地，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：S21：将工频信号送入低通滤波器，滤除工频信号的毛刺和高频波动信号；S22：连续检测至少3个过零时刻的工频信号，按照工频信号峰值位置不变原则确定相对精确的过零时刻位置；S23：所述工频信号的其他过零位置分别以所述相对精确的过零时刻位置位置为基准，分别推迟所述工频信号的半周期的整数倍。

优选地，所述步骤S4中所述同步码是伪随机序列PN码或巴克码；所述前导码包括系统传输的相位、数据帧长、数据传输速率以及媒体接入层的相关信息。

优选地，所述步骤S5中所述高频载波的频率范围是40kHz～500kHz。

优选地，所述步骤S9中所述的快速傅立叶变换窗口的大小根据调制时间、采样频率和定时相对偏差综合决定。

优选地，所述方法还包括支持工频过零点时隙发送和接收的两种模式：单相模式和三相模式。

优选地，所述方法还包括支持物理载波侦听和虚拟载波侦听。

优选地，所述方法还包括接收信号质量评估和质量指示。

本发明的有益效果为：本发明提供一种基于频域处理的电力线载波通信的方法，利用电力线的特点并将工频信号的过零时刻作为收发机同步信号，通过本发明的载波调制方式，并在频域上进行快速傅立叶处理、判决，实现数据的可靠传输。本发明所提出的方法简单、可靠，实现成本低，可以有效地对抗恶劣电力线环境下的各种多径和各种噪声、脉冲的干扰，实现数据信息的可靠传输。

附图说明

图1是本发明实施例中发送接收示意图的方法示意图。

图2是本发明实施例中抗过零点抖动偏差算法的方法示意图。

图3是本发明实施例中信号帧示意图。

图4是本发明实施例中低频方波示意图。

图5是本发明实施例中高低电平调制示意图。

图6是本发明实施例中三相位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本发明通过将传输的原始比特信息映射到载波调制信息，并利用电力线上的工频信号作为同步信号，将调制后的信息安排在过零位置时刻进行发送。而接收端则利用数字锁相环准确捕捉调制的频率信息，同时结合快速傅立叶变换和编码方式，从而解调出最终的原始比特信息。

图1显示了本发明实施例基于频域处理的电力线载波通信方法，具体包括以下步骤：

S1：利用过零检测电路检测电力线上工频信号的过零时刻，实现发送端和接收端的粗时间同步；工频信号为50Hz或60Hz。

S2：利用抗过零点抖动偏差算法，建立发送端和接收端的精时间同步。

由于电力线噪声和过零检测电路元器件性能差别的影响，粗同步过程得到的同步信号存在误差(根据统计资料，发送端与接收端的最大同步误差可达-260us～+260us)，为了减小过零点定时误差对系统性能的影响，防止过零点抖动过大，需要对过零点进行重新评估。本发明采用如下算法可以防止过零点的抖动过大的问题。

如图2所示，所述步骤S2具体还包括：

S21：将工频信号送入低通滤波器，滤除工频信号的毛刺和高频波动信号。

S22：连续检测至少3个过零时刻的工频信号，按照工频信号峰值位置不变原则确定相对精确的过零时刻位置。

S23：所述工频信号的其他过零位置分别以所述相对精确的过零时刻位置位置为基准，分别推迟所述工频信号的半周期的整数倍。当工频信号为50Hz时，半周期为10ms；当工频信号为60Hz，半周期为8.333ms。

S3：通过CRC编码将原始传输数据进行校验编码，得到校验编码后的数据；通过CRC校验，可以确保传输数据的可靠性。

S4：发送端在所述校验编码后的数据前面添加同步码和前导码，组成比特信息帧。

如图3所示，比特信息帧包括：同步序列、前导符合帧体数据。同步码可由具有一定规则的“0”和“1”序列组成，诸如伪随机序列PN或者巴克码；为了满足确保系统效率和系统可靠性，可取PN32＝{10110011100001101010010001011110}；

前导码承担传输系统参数信息，包括系统传输的相位、数据帧长、传输速率以及媒体接入层(MAC)的相关信息等等。

S5：将“0”和“1”组成的M位数据的所述比特信息帧映射到由高电平、低电平构成的N种低频方波信号上，其中，M>0，N＝2^M；然后分别将所述高电平和所述低电平调制到高频载波上，并利用正弦和余弦表生成最终的载波调频信号。

以M为2，N为4为例；首先，将每两位比特信息映射至4种低频方波信号，如表1所示：

表1每两位比特信息映射至4种低频方波信号表

其中，低频方波的调制频率一般选择在30kHz以下。

然后，对方波的高电平和低电平分别进行更高载波的调制，调制频率分别为和而调制高低电平的更高载波频率可以在40kHz～500kHz的电力线载波专用频段内任意选择；同时，高低电平调制的两个载波频率间隔也是可变化，可以根据带宽和抗噪声能力等要求综合选取。因此，可以很好地支持中国电力线载波专用频段，以及欧洲CENELEC A/B/C频段。

进一步的，以每个过零点时间作为低频方波调制时间为例，4种低频方波信号的频率可以设置为(2.4·n)kHz,n＝1,2,3,4，因此，对应的每个方波的时间周期分别为因此，50Hz工频信号每个过零点数据包含的上述4种方波的周期个数分别为8、16、24和32。

调制的低频方波示意图见图4，其中,TZCP为过零点时间，50Hz工频信号情况下为TZCP为3.33ms。而对高低电平的载波调频的调制时间分别为

正如图5所示。则载波调频信号的产生可利用正弦和余弦表直接查表得到，以采样频率为1.2288MHz为例，将360度相位均匀分成4096份，因此，每个相位的增量为ΔP＝4096*fc/fs，即fc为载波频率，fs为采样频率。所以，当fc取2.4kHz的整数倍时，即fc＝2.4·Nc(kHz)时，增量ΔP＝8·Nc。

S6：发送端根据精同步时刻，将所述载波调频信号进行D/A转换，并利用模拟前端将待发送的所述载波调频信号耦合到电力线上。

S7：接收端根据精同步时刻，利用模拟前端将电力线上的所述载波调频信号进行A/D转换，并利用带通滤波器滤除带外的干扰和噪声。

S8：自动增益控制模块计算通带内的能量，并反馈调整进入A/D之前的所述载波调频信号。

S9：接收端利用精确同步信号时刻，将带通滤波器过滤之后的所述载波调频信号送入数字锁相环进行频率解调，同时选择包含2个以上正弦波的窗口对解调后的所述载波调频信号进行快速傅立叶变换、判决，并结合所述同步码进行同步检测。

其中，快速傅立叶变换窗口的大小根据调制时间、采样频率和定时相对偏差综合决定。

假设接收端的A/D采样频率以1.2288MHz为例，采用32倍下采样，快速傅立叶变换(FFT)采用128点，分辨率为300Hz。而根据步骤E映射的低频方波的4种频率组合，数字锁相环输出信号的频率应该是2.4kHz、4.8kHz、7.2kHz和9.6kHz，正好是分辨率的整数倍。因此，直接比较快速傅立叶变换(FFT)输出结果的第8点、第16点、第24点以及第32点的数值大小，从而判决得到原始的调频组合，进而最终解调出原始的发送比特信息。

其中，数字锁相环由鉴相器、环路滤波器和低通滤波器组成。

S10：接收端启动所述前导码进行数据解调，并根据解调的前导码信息，继续接收所述载波调频信号的数据信息，直至数据信息接收完成；

S11：接收端对接收的所述数据信息进行CRC校验，并输出最终的数据信息。

如图6所示，所述方法还包括支持工频过零点时隙发送和接收的两种模式：单相模式和三相模式。电力线信道时间划分为以50Hz/60Hz工频同步为基准的时隙，时隙宽度为3.3ms/2.76ms。因而，在50Hz/60Hz半周内有三个时隙，代表三个信道。这三个时隙的位置安排为：每个时隙的中心位置分别对应三相线(A，B，C)上50Hz/60Hz工频的过零点。而单相模式仅仅安排在A或者B或者C相进行数据传输，三相模式可以安排在三相线同时进行数据的发送和接收。

其中，所述方法还包括支持物理载波侦听(PCS)和虚拟载波侦听(VCS)，以便很好的支持具有优先级的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)技术。接收各节点通过同步信号的检测，进而解调出相应的前导信息，从而评估出信号的质量、信号的强度(AGC的增益)、以及后续数据帧的长度和相应的传输时间等信息，以便载波侦听和媒体接入层协议的实现。

其中，所述方法还包括接收信号质量评估和质量指示，以便系统的组网。通过评估接收信号的功率和载波调制信号的能功率，从而得到相应的接收信噪比情况，进而指示相应的信号质量情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。