專利名稱：一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，尤其涉及一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)：
電力線在傳輸電能量的同時可以用于通信已有悠久的歷史，早在20世紀(jì)20年代人們就成功地利用輸電線傳輸調(diào)度電話、遠(yuǎn)動、高頻保護(hù)及其他監(jiān)控系統(tǒng)的信息。在40kHz～500kHz頻帶內(nèi)進(jìn)行的電力線載波(Power Line Carrier，PLC)通信是一種重要電力系統(tǒng)通信方式。
電力線載波通信可利用的頻帶資源是40kHz～500kHz。傳統(tǒng)的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法都是窄帶的，通信帶寬小于4kHz，只適用于話音、遠(yuǎn)動和保護(hù)等低速數(shù)據(jù)傳輸。因此，現(xiàn)有的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法未能充分利用頻率資源，存在頻帶利用率低，傳輸速率低，支持的電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)種類有限等缺點。而且，傳統(tǒng)的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法無法根據(jù)信道的變化靈活地選擇信號傳輸頻帶和載波頻率，只能預(yù)先選擇信號傳輸頻帶和載波頻率，并需要采用復(fù)雜的調(diào)制和變頻技術(shù)，將信號頻譜搬移到所需的載波頻率上，實現(xiàn)復(fù)雜度較高。同時，由于電力線信道具有噪聲、路徑衰耗和時變特性，傳統(tǒng)的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法適應(yīng)信道時變的能力較差，經(jīng)常發(fā)生通信時斷時通的現(xiàn)象，通信可靠性較低。
電力線載波通信技術(shù)通常采用單邊帶(Single Side Band，SSB)調(diào)制技術(shù)或頻移鍵控(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)調(diào)制技術(shù)，其對信道干擾的抑制能力有限。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)是現(xiàn)在最流行的多載波調(diào)制技術(shù)，它把可用頻帶分成許多相互獨立的窄帶子信道，同時把串行的高速碼流轉(zhuǎn)換成低速的并行碼流，用并行碼流調(diào)制各子載波后同時發(fā)送，各子載波可以用相同或者不同的數(shù)字基帶調(diào)制方法(BPSK、QPSK、QAM等)。
設(shè)OFDM符號周期為T，在一個周期內(nèi)傳輸N個碼元(C0，C1，C2，......，CN)，碼元周期為Ts，T＝NTs，Ck為復(fù)數(shù)，第k個碼元Ck調(diào)制第k個載波，合成的OFDM信號為 {fk}是一組載波，滿足fk＝f0+kΔf，k＝0，1，2，......，N-1；f0為系統(tǒng)的發(fā)射載頻，f0一般取1/T的整數(shù)倍；Δf為子載頻間的最小間隔，一般取Δf＝1/T，則 X(t)的低通復(fù)包絡(luò)為 以fs＝1/Ts為采樣頻率對S(t)采樣，t＝nTs，則 由于采樣值{Sn}正是{Ck}的離散傅立葉反變換(Inverse Discrete FourierTransform，IDFT)，因此OFDM可以采用IDFT實現(xiàn)。實際應(yīng)用中IDFT一般用快速傅里葉反變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)實現(xiàn)。在發(fā)送端，對{Ck}進(jìn)行IFFT求得{Sn}，把{Sn}經(jīng)過一截止頻率為fs/2的低通濾波器即得到所需的OFDM信號S(t)；在接收端，先對S(t)以fs采樣得到{Sn}，再對{Sn}求FFT即得到{Ck}。由于實際發(fā)送的是信號的實部，而共軛對稱的信號的IFFT是實信號，因此實現(xiàn)時在IFFT之前，加入N個碼元{Ck}的復(fù)共軛

取2N點IFFT即可得到Re{Sn}。
為了提高頻譜利用率，OFDM允許子載波間部分頻譜重疊。為了保證子載波間不相互干擾，OFDM在進(jìn)行子載波設(shè)置時需要滿足正交性條件，即子載波間的最小頻率間隔等于符號周期倒數(shù)的整數(shù)倍。這樣在接收端采用變頻和積分的手段就可以有效地分離出各子載波上的信號。OFDM多載波并行傳輸還可以有效克服電力線信道引起的多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰減等。
本發(fā)明提出了一種基于OFDM多載波調(diào)制技術(shù)的電力線載波通信的基帶處理系統(tǒng)的技術(shù)方案。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法。


發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法。用以解決傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)在經(jīng)過IFFT變換后還需要進(jìn)行復(fù)雜的變頻調(diào)制以實現(xiàn)頻譜的搬移以及帶寬利用率不足的問題 2、技術(shù)方案 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明的電力線載波通信的基帶處理系統(tǒng)采用OFDM多載波調(diào)制技術(shù)，基帶處理系統(tǒng)包括導(dǎo)引幀(P)、同步幀(S)和數(shù)據(jù)幀(D)三種，發(fā)送過程為周期性地先發(fā)送一系列導(dǎo)引幀，然后是一個同步幀，緊跟其后是一系列數(shù)據(jù)幀，如圖1所示。
本發(fā)明包括以下步驟 其中信號的發(fā)送步驟為 1)導(dǎo)引幀和同步幀分別由導(dǎo)引序列和同步序列經(jīng)載波分配和IFFT來實現(xiàn)OFDM多載波調(diào)制； 2)用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過計算校驗比特后得到校驗數(shù)據(jù)，它和用戶數(shù)據(jù)一起與一個偽隨機(jī)(Psudo Random，PN)碼進(jìn)行異或運算后完成置亂，然后經(jīng)過里德所羅門(Reed-Solomon，RS)外碼編碼、交織編碼、卷積碼內(nèi)碼編碼、差分正交相移鍵控(Differential Quadrature Phase Shift Keying，DQPSK)調(diào)制、載波分配和IFFT后實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的OFDM多載波調(diào)制； 3)通過在這些上述導(dǎo)引幀、同步幀和數(shù)據(jù)幀之間添加CP實現(xiàn)幀與幀之間的連接組合，形成信號波形的樣值； 4)這些樣值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital Analogy Converter，DAC)后得到模擬信號，再經(jīng)過功率放大器和耦合保護(hù)電路，放大后的模擬信號就被發(fā)送到了電力線上； 其中，信號的接收步驟為 5)電力線上的信號經(jīng)過耦合保護(hù)電路后進(jìn)入電壓增益放大器(Voltage GainAmplifier，VGA)，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analogy Digital Converter，ADC)實現(xiàn)數(shù)字采樣，再經(jīng)過FFT后，信號被變換到頻域； 6)進(jìn)行導(dǎo)引確定，幀定時恢復(fù)及調(diào)整、同步確定、信道估計/頻域均衡，并通過自動增益控制(Auto Gain Control，AGC)算法控制VGA來實現(xiàn)放大增益的自動調(diào)整； 7)經(jīng)過Viterbi度量計算，Viterbi譯碼、去交織、RS譯碼、與PN碼進(jìn)行異或的解亂操作，循環(huán)冗余碼校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)，得到用戶數(shù)據(jù)輸出和校驗的結(jié)果，送到控制模塊進(jìn)行處理。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，上述步驟2)中載波分配和IFFT進(jìn)一步采用以下方式 1)零變頻的實現(xiàn)方式通過設(shè)置IFFT的點數(shù)以及采樣率可以靈活地將通信頻帶劃分為若干個子載波；在進(jìn)行IFFT變換前的載波分配時，調(diào)制數(shù)據(jù)只分配在對應(yīng)于40kHz～500kHz的子載波上，其他子載波上的數(shù)據(jù)為零，從而保證實際應(yīng)用的頻率范圍是40kHz～500kHz，無須進(jìn)行頻譜搬移； 2)自適應(yīng)頻率選擇的實現(xiàn)方式本地端通過接收對端發(fā)送的已知信號，可以計算出每個子載波的信道條件，選擇信道條件好的子載波發(fā)送信號，棄用信道條件差的子載波。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，設(shè)置的IFFT點數(shù)為1024點。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選方式為，在產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀的步驟中，即上述步驟2)中，進(jìn)一步采用以下方式 在0～511kHz范圍內(nèi)進(jìn)行1024點IFFT，即將其劃分為512個子載波，各個相鄰子載波之間間隔1kHz，在進(jìn)行IFFT變換前的載波分配時，調(diào)制數(shù)據(jù)只分配在對應(yīng)于40kHz～500kHz的子載波上，其他子載波上的數(shù)據(jù)為零，從而保證實際應(yīng)用的頻率范圍是40kHz～500kHz，而且無須進(jìn)行頻譜搬移。
對端通過發(fā)送導(dǎo)引幀信號，本地端進(jìn)行信道估計，選擇好可使用的子帶，這樣本地端DQPSK調(diào)制數(shù)據(jù)在載波分配時，只分配在40～500分支(bins)范圍內(nèi)可使用的子帶上，即，如果某頻帶無法使用，可更換為其他頻帶，并且可根據(jù)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率，選擇最大傳輸容量的可用頻隙。
3、有益效果 本發(fā)明利用零變頻技術(shù)，無需將信號進(jìn)行頻譜搬移，通過OFDM調(diào)制方法，可直接將信號調(diào)制到所需的傳輸頻帶和載波頻率上，從而降低實現(xiàn)的復(fù)雜度；由于可自適應(yīng)地選擇信號傳輸頻帶，因此，該實現(xiàn)方法可為不同數(shù)據(jù)傳輸速率的業(yè)務(wù)提供支持。



圖1是基帶處理系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)圖 圖2是OFDM基帶發(fā)送步驟流程圖 圖3是OFDM基帶接收步驟流程圖 圖4是基帶處理器系統(tǒng)實現(xiàn)框圖
具體實施例方式 TMS320VC5509是TI公司針對通信應(yīng)用推出的中高檔16位定點DSP系列器件。該器件具有較高的性價比，功能強(qiáng)大、靈活，與C54系列指令集兼容。速度可達(dá)288MIPS/400MIPS。可由兩片TI公司的高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320VC5509分別完成發(fā)送和接收的基帶處理算法和幀結(jié)構(gòu)的處理，由ARM7或ARM9微控制器實現(xiàn)整個基帶處理系統(tǒng)的程序控制。
發(fā)送單元由一片TMS320VC5509實現(xiàn)。需要發(fā)送的數(shù)據(jù)由微控制器輸入到基帶發(fā)送處理模塊的入口，基帶發(fā)送處理模塊首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，增加CRC校驗比特及經(jīng)過偽隨機(jī)序列調(diào)制(置亂)。偽隨機(jī)序列調(diào)制使信號“白化”，可以有效地降低一些特殊數(shù)據(jù)流(例如周期信號、0比特與1比特比例嚴(yán)重不均勻分布等)的信號輸出的功率峰均值比。同時，偽隨機(jī)序列可以用于作為用戶的身份碼和保密通信，每一個用戶使用唯一的偽隨機(jī)序列，不同用戶之間的通信相互保密。然后輸入到RS編碼器進(jìn)行編碼。RS編碼與深度時間交織電路結(jié)合起來，用于抗電力線上存在的、有一定持續(xù)時間長度的突發(fā)干擾。RS編碼交織后的數(shù)據(jù)流送到第二級編碼器——卷積編碼器進(jìn)行編碼。卷積編碼器輸出的比特流通過QPSK調(diào)制，經(jīng)過子載波信號幅度系數(shù)調(diào)整，完成數(shù)據(jù)流到OFDM子載波的影射。子載波信號幅度系數(shù)調(diào)整電路，根據(jù)每一個子載波信道的傳輸特性，調(diào)整每一個子載波信道的信號幅度放大系數(shù)，從而達(dá)到信道自適應(yīng)的目的，這需要首先發(fā)射導(dǎo)引信號序列，獲取信道的相關(guān)參數(shù)，由TMS320VC5509進(jìn)行計算、分析，然后由子載波系數(shù)控制電路進(jìn)行實時更新子載波信號放大系數(shù)。經(jīng)1024個抽樣點的IFFT變換和插入循環(huán)前綴(CP)，輸出給D/A轉(zhuǎn)換電路后，輸入到功率放大器。
接收單元由另外一片TMS320VC5509實現(xiàn)。從電力線進(jìn)入輸入放大器的信號，經(jīng)過A/D變換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)入基帶接收處理模塊；基帶接收處理模塊首先經(jīng)1024點FFT變換后，一路輸入到信道估計、幀定時恢復(fù)和調(diào)整電路，另一路輸入到同步模塊，完成OFDM符號同步。Viterbi譯碼器用于卷積編碼的譯碼，Viterbi譯碼器到去交織電路和RS譯碼器，整個過程是對應(yīng)發(fā)送單元的反過程。
假設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率為18kbps，大約需要40kHz的傳輸頻帶。首先對端發(fā)射導(dǎo)引信號序列，本地端獲取信道的相關(guān)參數(shù)，確定最佳的信號傳輸頻帶，假設(shè)50kHz～89kHz為最佳的信號傳輸頻帶，則數(shù)據(jù)幀在進(jìn)行1024點IFFT變換前的載波分配時，QPSK調(diào)制數(shù)據(jù)只分配在50～89分支(bins)上，1～49分支及90～512分支上的數(shù)據(jù)為零，從而實現(xiàn)零變頻和自適應(yīng)選擇最佳頻帶的目的。
權(quán)利要求
1、一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟
其中信號的發(fā)送步驟為
1)導(dǎo)引幀和同步幀分別由導(dǎo)引序列和同步序列經(jīng)載波分配和IFFT來實現(xiàn)OFDM多載波調(diào)制；
2)用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過計算校驗比特后得到校驗數(shù)據(jù)，它和用戶數(shù)據(jù)一起與一個偽隨機(jī)(Psudo Random，PN)碼進(jìn)行異或運算后完成置亂，然后經(jīng)過里德所羅門(Reed-Solomon，RS)外碼編碼、交織編碼、卷積碼內(nèi)碼編碼、差分正交相移鍵控(Differential Quadrature Phase Shift Keying，DQPSK)調(diào)制、載波分配和IFFT后實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的OFDM多載波調(diào)制；
3)通過在這些上述導(dǎo)引幀、同步幀和數(shù)據(jù)幀之間添加CP實現(xiàn)幀與幀之間的連接組合，形成信號波形的樣值；
4)這些樣值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital Analogy Converter，DAC)后得到模擬信號，再經(jīng)過功率放大器和耦合保護(hù)電路，放大后的模擬信號就被發(fā)送到了電力線上；
其中，信號的接收步驟為
5)電力線上的信號經(jīng)過耦合保護(hù)電路后進(jìn)入電壓增益放大器(Voltage GainAmplifier，VGA)，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analogy Digital Converter，ADC)實現(xiàn)數(shù)字采樣，再經(jīng)過FFT后，信號被變換到頻域；
6)進(jìn)行導(dǎo)引確定，幀定時恢復(fù)及調(diào)整、同步確定、信道估計/頻域均衡，并通過自動增益控制(Auto Gain Control，AGC)算法控制VGA來實現(xiàn)放大增益的自動調(diào)整；
7)經(jīng)過Viterbi度量計算，Viterbi譯碼、去交織、RS譯碼、與PN碼進(jìn)行異或的解亂操作，循環(huán)冗余碼校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)，得到用戶數(shù)據(jù)輸出和校驗的結(jié)果，送到控制模塊進(jìn)行處理。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，上述步驟2)中載波分配和IFFT進(jìn)一步采用以下方式
1)零變頻的實現(xiàn)方式通過設(shè)置IFFT的點數(shù)以及采樣率可以靈活地將通信頻帶劃分為若干個子載波；在進(jìn)行IFFT變換前的載波分配時，調(diào)制數(shù)據(jù)只分配在對應(yīng)于40kHz～500kHz的子載波上，其他子載波上的數(shù)據(jù)為零，從而保證實際應(yīng)用的頻率范圍是40kHz～500kHz，無須進(jìn)行頻譜搬移；
2)自適應(yīng)頻率選擇的實現(xiàn)方式本地端通過接收對端發(fā)送的已知信號，可以計算出每個子載波的信道條件，選擇信道條件好的子載波發(fā)送信號，棄用信道條件差的子載波。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，設(shè)置的IFFT點數(shù)為1024點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種零變頻和自適應(yīng)頻率選擇的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方法，通過設(shè)置IFFT的點數(shù)以及采樣率可以靈活地將通信頻帶劃分為若干個子載波；在進(jìn)行IFFT變換前的載波分配時，調(diào)制數(shù)據(jù)只分配在對應(yīng)于40kHz～500kHz的子載波上，其他子載波上的數(shù)據(jù)為零，從而保證實際應(yīng)用的頻率范圍是40kHz～500kHz，無須進(jìn)行頻譜搬移。本地端通過接收對端發(fā)送的已知信號，可以計算出每個子載波的信道條件，選擇信道條件好的子載波發(fā)送信號，棄用信道條件差的子載波。本發(fā)明可直接將信號調(diào)制到所需的傳輸頻帶和載波頻率上，從而降低實現(xiàn)的復(fù)雜度；由于可自適應(yīng)地選擇信號傳輸頻帶。
文檔編號H04B3/54GK101394200SQ20081023495
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者郭經(jīng)紅, 浩 張 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 南京南瑞集團(tuán)公司