基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力线载波通信领域，尤其涉及一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法。
【背景技术】
[0002]G3(电力线载波通信的国际标准)物理层支持2种类型的帧结构:数据类型的帧结构(如图1所示)和应答类型的帧结构(如图2所示)。数据帧和应答帧前面都是由前导码(Preamble)和帧控制报头(FCH)组成，不同的是数据帧后面有数据(DATA)，而应答帧没有。前导码由若干个SYNCP符号和SYNCM符号组成。SYNCP符号通常是某种固定形式的波形，SYNCM符号通常是SYNCP符号反相后的波形。由于电力线所传输的市电(50Hz/60Hz)的特性，电力线上会存在一定频率(100HZ/120HZ)的脉冲干扰。在电力线上采用过零传输可避免受到市电的脉冲干扰。过零传输是指利用市电经过零点的短暂时间(零点附近)进行信号传输。但是，由于过零点的时间很短，而且市电本身的周期以及对市电过零点的检测都存在一定误差，因此，在实际应用中，信号传输与交流波形的同步不好控制，再加上现代通讯数据帧又比较长，造成过零传输难以应用。
[0003]OFDM(正交频分复用)是电力线载波通信中广泛采用的一种信号传输技术，在ZC(Zero-Crossing，过零传输)模式中，可以在市电过零点附近发送K个OFDM(正交频分复用)符号。在基于OFDM的电力线载波通信中，定义一个用于过零模式的帧控制报头为FCH-ZC，其由若干OFDM符号构成。FCH-ZC用过零模式发送是因为过零模式是在情况恶劣时才用，帧控制报头不用过零模式发送的话很可能会失败；另一方面，如果帧控制报头不用过零模式发送的话，数据也可以不用过零模式发送。
[0004]过零模式按照参考相位的选择有两种:
[0005]A)绝对相位引导符:在每个过零点附近发完整的K+1个符号，其中第一个是绝对相位的引导符，而后跟随的是K个数据符号，这K个数据符号可以是绝对相位调制或相对于前一个符号的相位调制。引导符可以是任意已知的符号，如SYNCM符号加上CP和圆滑边界。绝对相位引导符的好处是它可以用于定时跟踪，这对特长包(大于I秒)很有用。
[0006]B)相对相位:在每个过零点附近发完整的K+1个符号，其中，第一个符号的相位可以是任意的，但其后的符号必须是相对于前一个符号的相对相位调制。
[0007]假定前导码的最后一个SYNCP符号与SYNCM符号的交界处与发送端的过零点对齐，则在下一个过零点附近发送一个FCH-ZC符号，以此类推。发完FCH-ZC符号后，继续以FCH-ZC符号的内容定义的调制方式和K方式在随后的过零点附近发送数据符号，每个过零点附近发送K+1个有效符号，其中K个数据符号。
[0008]发送端发送时，DAC(数模转换器)之前的前导码及所有符号的时序和功能都与G3(电力线载波通信的国际标准)类似，只是DAC输出前或者功放电路的使能端会加以控制。DAC之前的所有处理，除了在每个过零点附近要发的K个数据符号之外，其它符号都发固定的引导符(方式A)或任意无用数据调制的符号(方式B)。发送时假设前导码的SYNCP符号与SYNCM符号的交界处与某过零点对齐，按照下面描述的方法计算在随后的过零点附近要发的有效符号的位置:
[0009]设TX_START为过零点附近的K+1个符号的发送开始时刻，令TXWC为发送时间段或窗的中心时刻，则TXWC = TX_START+((K+l)*278)/2，TXWC与相关过零点时刻相比，希望尽可能的接近过零点。对于50Hz市电，以400KHz的时钟计数器为例，计数器增量4000对应的时间是10毫秒，而278是一个OFDM符号的相应的计数器增量数。因为278*14 = 3892，278*15 = 4170，所以即使某时刻TXWC与过零点对齐，过一段时间后，也会有较大误差积累。如果市电不是50Hz而是其它频率，又会有不同情况。如果是49Hz，则计数器增量4080左右就会有一个过零点，等等。但是，给定基数，4000或5000也好，有一个唯一的规则计算从前导码的某一刻开始，TXWC与此基数相比什么是K个数据符号的位置。例如，假定基数是4000，在K= I的情况下，如果在开始时TXWC与过零点重合，并发送了 2个符号(结束时间是278)，则经过13个引导符后下一发送时间段(2个符号，结束时间点是278+4170)，但在经过12个引导符后就应该是发送时间段了(2个符号，结束时间是278+4170+3892 =8340)，等等，接收端的节点按照同样规则找到有效符号的位置。但是这种按照规则找位置的方法不太可靠，因为市电功率周期有误差，且各个终端上的过零点检测和周期估计都有误差，只能在没有误差时，各自用标准的基数来定找位置规则才有效。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法。本发明是这样实现的:
[0011]一种基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法，包括如下步骤:
[0012]步骤A:按预设采样频率对市电进行实时功率采样，同时，对采样进行计数；当市电功率过零点时以及计数达到预估的市电过零周期采样数时将计数清零；
[0013]步骤B:发送端根据数据包的各组成部分的长度分别确定各组成部分的发送起始时刻；所述发送起始时刻以所述计数表示；
[0014]步骤C:接收端接收发送端发送的各帧片段数据。
[0015]进一步地，预估市电过零周期采样数的步骤如下:
[0016]步骤Al:按所述米样频率对市电进彳丁功率米样；
[0017]步骤A2:统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将其作为市电过零周期采样数。
[0018]进一步地，接收端接收发送端发送的各帧片段数据的步骤包括:
[0019]检测各帧片段的定时信息；
[0020]根据各帧片段的定时信息接收发送端发送的各帧片段数据。
[0021]与现有技术相比，本发明采用异步传输形式，在每个过零点由发送端定发送开始时间，发送端只需要在过零点附近发送有效信息，而接收端只需按照一定的机制定时获得有效信息即可，而不需要获知过零点的具体位置，从而避免了市电功率周期的误差对信号传输与交流波形同步的影响，提高了基于过零传输模式的电力线载波通信的抗脉冲干扰能力。
【附图说明】
[0022]图1:数据帧结构示意图；
[0023]图2:应答帧结构示意图；
[0024]图3:本发明基于过零传输模式的电力线载波通信中的异步传输方法流程示意图；
[0025]图4:发送端过零传输模式下的发送时序示意图；
[0026]图5:过零模式下传输过程中相关的发送时序及定时关系示意图；
[0027]图6:ZC传输中参考选通脉冲发生器结构图；
[0028]图7:异步传输模式下发送端的信号传输示意图；
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0030]本发明提出的基于过零传输模式的电力线载波通信方法包括如下步骤:
[0031]步骤A:按预设采样频率对市电进行实时功率采样，同时，对采样进行计数；当市电功率过零点时以及计数达到预估的市电过零周期采样数时将计数清零。当前的采样计数可用于表示市电当前所处的相位，或者说功率状态，为确定数据发送起始时刻提供依据。一般而言，以功率过零点时为计数零点开始计数，当市电再次过零点时，表示市电经过了一个过零周期，此时则应该将计数清零，并从头开始计数。同时，当计数达到一个市电过零周期采样数时，也表示市电经过了一个过零周期，应该达到下一个过零点，只是可能由于干扰或其他原因而未检测到过零点，所以，此时也应该将计数清零，并从头开始计数。计数清零的时刻就表示市电过零点的时刻。
[0032]本发明采用异步传输形式，在每个过零点附近由发送端确定发送开始时间，接收端只获知大致的时间。过零检测和AC(交流)市电功率周期定时估计在过零传输模式下非常重要。市电的市电功率周期会有1%-2%左右的误差，因此，在进行基于过零传输模式的电力线载波通信时，不能直接利用相关规范规定的市电频率(如中国的50Hz)来确定市电电功率周期，因此，需要计算实际的市电功率周期。
[0033]根据工频市电的波形特征可知，市电的一个市电功率周期包括两个过零点，也即是一个市电功率周期包括两个过零周期。基于过零传输模式的电力线载波通信是利用在过零点附近的短暂时间传输数据，因此，在基于过零传输模式的电力线载波通信中，关键是检测市电过零点及过零周期。本发明通过以一定采样频率对市电进行功率采样的方式来检测市电过零点及过零周期采样数，并以市电过零周期采样数来表示市电的过零周期。这里，市电过零周期采样数是指，在该采样频率下一个市电过零周期内的对市电的功率采样数。理想情况下，如果市电频率为50Hz，则市电功率周期为20ms，以采样频率为400KHz为例，在采样时钟频率为400KHz的情况下，市电过零周期采样数可达到8000 ;如果市电频率为60Hz，则周期为16.6666667ms，同样在采样频率为400KHz的情况下，市电过零周期采样数可达到6667。实际情况则不是这样，需要实际检测及计算。
[0034]根据以上原理，本发明提出市电过零周期采样数的预估方法包括如下步骤:
[0035]步骤Al:按设定采样频率对市电进行功率采样；
[0036]步骤A2:统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将其作为市电过零周期采样数。
[0037]为方便计算，定义变量numSamHalfCycle为半个市电功率周期(即一个市电过零周期)的采样个数。以400KHz采样频率为例，在理想情况下，工频50Hz的numSamHalfCycle值为4000，工频60Hz的numSamHalfCycle = 3333。通过统计预设数量的过零周期的平均采样数，并将该平均采样数作为市电过零周期采样数，可使估计的市电过零周期采样数达到一定的精度，例如，在32个市电过零点之间求平均每个市电过零周期的