CN101951354A

CN101951354A - 基于cofdm的电力线载波基带信号调制解调器

Info

Publication number: CN101951354A
Application number: CN 201010270550
Authority: CN
Inventors: 李智; 赵建华
Original assignee: SHENZHEN YESTUNED INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN YESTUNED INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2011-01-19

Abstract

一种高速电力线载波通信的调制解调器。包括发射端将数字信号进行COFDM调制，然后在接收端进行COFDM解调的方法和装置，该方法包括以下步骤：将N个从信源得到的数字信号进行编码变为数字基带信号；对数字基带信号进行映射提高其信息传输速率；映射后的数据流进行离散傅里叶逆变换(IFFT)得到的信号经过数模转换器(DAC)变为模拟信号，这便是COFDM数据调制的方法，解调的方法与上述方法相逆，先进行COFDM过程中的OFDM的解调，然后再进行译码。该方法能对抗电力线载波信道的频率选择性衰落和多径衰落等干扰，并能显著提高电力线通信的传输速率。

Description

基于COFDM的电力线载波基带信号调制解调器

【技术领域】

本发明涉及一种在电力线载波通信***中使用的调制解调器，该调制解调器对基带信号进行编码正交频分多路复用(coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM)处理，用于电力线网络例如配电线网络进行通信。

【背景技术】

电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)是一种是利用已有的电力线网络作为信息传输媒质的通信方法。由于电力线网络分布广泛，因此使用电力线作为通信媒质无需在室内打孔布线重新构建通信网络，具有成本低廉、连接方便、受外界干扰小等优点。在传统的电力***通信领域和新兴的智能家庭网络和宽带接入方面，电力线载波通信都受到越来越多的关注。

电力线本身是设计用于传输电力而不是用于数据通信的，因此作为通信信道使用时，其特性并不理想。配电网是富含各种噪声的网络，对传输的信号具有较高的频率衰落特性。此外由于传输阻抗的不匹配，在信号的传输过程中，由于信号在网络的节点上的反射和折射，还会产生多径效应。另外，电力线的还具有工作环境恶劣、线路阻抗小、干扰大以及负载时变性大等特点。这些都会对电力线载波通信造成严重影响。

在电力线载波通信设备中，调制解调技术的选用对整个通信***的起着至关重要的作用，它不仅决定着电力线通信***的有效性，而且代表着一个国家在电力线载波通信设备产业方面的水平。在过去的几十年中，电力线载波通信之所以没有得到飞速发展，很重要的原因除了电力线信道性质比较恶劣外，就是缺乏有效的针对电力线载波通信信道特点的调制方法，造成了它长时期的发展迟缓状态。

目前，国内的电力线载波通信大多采用频分双工载波抑制单边带二次调制或三次调制方式(FDM-SSB)，国外的电力线载波通信的调制方式则采用改进型交错四相相移键控调制解调(OQPSK)、正交幅度调制(QAM)，其传输速率最大为28.8kbps。虽然近年来通信技术有所发展，但电力线载波通信设备在整机性能上没有质的变化和提高。

随着社会的发展，频带资源短缺与日益增加的使用者之间的矛盾越发尖锐。提高频利用率和开拓新的通信资源成为解决这一矛盾的两个重点工作方向。目前的电力线载波通论的调制方案已不能适应电力***通信的发展要求。

OFDM是目前已知频率利用率最高的一种通信***，在频率上采用等间隔的N个子载波分别调制一路独立的数据信息，调制后的N个子载波信号相加同时发送。通过选择载波间隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性，各子载波上的信号在频谱上相互重叠。收端利用载波之间的正交特性，可无失真地恢复发送信息。

尽管OFDM具有很强的抗干扰能力，但OFDM信号的某些子信道仍然可能由于衰落、白噪声、脉冲噪声、干扰的影响而遭到破坏。遭受衰落或窄带干扰的这些子信道中的信噪比大幅下降，使得这些子信道变得很不可靠，从而使整个通信***的误码率等性能指标严重恶化。为了对传输的数据加以保护，可以采用信道编码技术。这种利用了信道编码技术的OFDM称为Coded OFDM(COFDM)。

COFDM是一种将编码器(coder)和OFDM结合在一起的技术，编码器用于提高通信的有效性，而OFDM技术不但具有较高的频谱效率，而且能够将频率选择性衰落信道转化为平衰落信道，具有较强的抗ISI能力，还可根据信道条件对子载波进行灵活调制及功率分配。

【发明内容】

基于上述情况，本发明的目的是提供一种用于电力线载波通信***的COFDM调制解调器，包括COFDM基带信号调制器和COFDM基带信号解调器，该***将原始信号经编码后调制成每个符号频率彼此正交的多个载波的串行信号，通过将IFFT之后的两路I/Q信号相加合并成一路信号，然后在接收端经过同步后将数据解调和解码，还原成原始信号，从而保持高质量和高速率的通信。

根据本发明的一方面，提供一种电力线载波通信***的COFDM基带信号调制器，包括：信号采集单元，从外部采集原始信号，以比特(bit)的形式整合成数据流；信号编码单元，提升原始信号数据流的有效性，同时去除其冗余性；数据映射单元，将N个bit的数据映射成1个波特(baud)，非常有效地提高数据传输率；导频单元，用于信道估计；OFDM调制单元，将映射后的数据进行快速离散傅里叶逆变换(IFFT)，将串行的单载波数据变为并行的M个频率彼此正交的子载波，M在数值上必须等于2^x，其中幂指数x一般为大于6的正整数。

根据本发明的另一个方面，提供一种电力线载波通信***的COFDM基带信号解调器，包括：信号调理前端，把接收下来的数据作预处理；OFDM解调单元，将并行的M个频率彼此正交的子载波进行快速离散傅里叶变换(FFT)，此处的M与COFDM基带信号调制器中的OFDM调制单元的产生的并行子载波数目M相同，得到串行的单载波数据；数据逆映射单元，将1个波特逆映射成N个bit的数据，此处的N与COFDM基带信号调制器中的数据映射单元的N相同；信号解码单元，对从逆映射得到的数据进行与信道解码运算，这里的信号解码算法应与COFDM基带信号调制器的信号编码算法相逆。

根据本发明的另一个方面，提供一种IFFT调制的方法。IFFT是离散傅里叶逆变换(IDFT)的快速优选算法，IDFT是基于下述函数执行的：

x (n) = \frac{1}{N} Σ_{k = 0}^{N - 1} X (k) e^{j 2 kπn / N}

式中X(k)是x(n)的离散傅里叶变换，n＝0，1…N-1.该函数得到的结果与IFFT得到的结果一致。

可以看到，实数傅里叶变换的结果是复数，因此离散傅里叶逆变换后的数据总量比变换前的数据总量增加一倍，这样就会浪费一倍的带宽，使发送速率降低一倍。根据实数傅里叶变换的特点，可以将其IFFT变换得到的复数的实部和虚部分别相加得到一个新的实数，COFDM基带信号解调的OFDM解调单元通过对该实数进行FFT变换解调出一个复数，该复数的实部与虚部相减即得到调制前的数据，从而节省一半的带宽，同时使得发送速率提高一倍。

下面结合附图及实例对本发明作进一步的详细说明：

【附图说明】

图1***简短的说明图

图2COFDM基带信号调制器更详细的框图

图3COFDM基带信号解调器更详细的框图

【具体实施方式】

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

在以下描述中，即使在不同的附图中，相同的附图标号也用于相同的部件，在描述中定义的诸如详细的结构和部件的内容只是用于帮助全面地理解本发明。因此，本发明显然可以在没有那些定义的内容的情况下被实现。另外，因为已知功能和构造在不必要的细节上将造成本发明不清晰，所以将不对其进行详细的描述。

图1示出了该COFDM基带信号调制解调器***的简短说明图。调制器101将数据调制成优选的数据格式，然后利用天线向解调器102发送数据，解调器102同样通过天线接收数据并将数据解调成原始信号。这里的优选数据格式就是后文图2详述的过程。如上文讨论的，调制器101并不只是起调制作用的，还包括信号采集单元、信号编码单元、数据映射单元、导频单元、OFDM调制单元；解调器102也不只是起解调作用，还包括信号调理前端，OFDM解调单元、数据逆映射单元、信号解码单元。应当理解，为了简化，在图1中仅示出了单一的发射机101和无线传输方式，然而，本领域的普通技术人员应认识到，多个发射机的情况和有线传输的方式也应当包括在其中。

图2示出了图1的调制器101的编码正交频分复用(COFDM)基带信号调制方法的实施例。在信号采集单元10中，传感器10a先将需要传输的信源信号I由非电物理量(如温度、声音等)或电物理量(如电压、电流等)变为电信号，模数转换器10b(A/D)再将该电信号由模拟量量化成数字量。但本领域的技术人员应当理解，有时候传感器10a是数字传感器，输出信号是数字信号，此时模数转换器10b就没必要存在了。

信号编码单元11根据来自信号采集单元10的数字信号，选择一定的编码方法将数字信号编码，例如编码效率为9/15的RS(Reed-Solomon)码或编码效率为1/2的卷积编码。数据映射单元12根据来自信号编码单元11的数字输入产生频率系数的向量，或者说将实数域的数字信号映射成复数域的信号。根据例如2^MQAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)的映射方案，或者作为其特殊情况的2^MPSK(Phase Shift Keying，相移键控)。根据频率系数和分量，或者说根据数据映射单元12的复数域信号，OFDM调制单元13通过快速傅里叶逆变换(IFFT)产生同相信号分量I和正交信号分量Q，每个信号分量通过复制自身信号的后一部分填充到信号的头部，形成循环前缀(cyclic prefix)或者保护间隔(guard interval)。这样形成的实数信号被送到数模转换器(D/A)14中被传换成模拟信号。

图3示出了图1的解调器102编码正交频分复用(COFDM)基带信号解调方法的实施例。接收到的COFDM调制信号首先送到信号调理前端21，经过模数转换器21a转换为数字信号流，COFDM调制信号由于信道中的随机噪声、干扰噪声等影响产生衰减，因此从21a出来的数字信号流需要在21b中进行线性放大。被放大后的信号被馈送到OFDM解调单元22中，OFDM解调单元22将实数信号去循环前缀或者保护间隔后FFT得到复数信号，该复数信号的实部和虚部形成两路信号。在下一步骤中，这两路信号分别被数据逆映射单元23变为一路实数信号，随后被信号解码单元24恢复成信号源发送时出来的信号。

尽管通过参考具体的实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上的多种变化.例如，尽管上文所给出的描述主要涉及QAM调制，但是本领域的普通技术人员应认识到，还可以使用其他的数据映射方式。该变化应涵盖在附属权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于电力线载波通信的调制解调器，该调制解调器用于通过配电线网络进行通信的通信***；

该调制解调器带有数据映射调整装置；

该数据映射调整装置具有：

可根据信道的好坏改变数据映射方式，信道的好坏由信噪比(SNB)衡量，具体而言，SNB＜-3dB视为差的信道，SNB＞-3dB视为好的信道。

2.如权利要求1所述的调制解调器，其中的数据映射调整装置，它在信道好的情况下，将选择波特率高的数据映射方式。

3.如权利要求1所述的调制解调器，其中的数据映射调整装置，它在信道差的情况下，将选择波特率低的数据映射方式。

4.一种用于电力线载波通信的调制解调器，该调制解调器用于通过配电线网络进行通信的通信***；

该调制解调器带有IFFT(离散傅里叶逆变换)调整装置；

该IFFT整装置具有：

可以调整两路输出变为一路输出。

5.如权利要求4所述的调制解调器，其中的IFFT调整装置，它将复数两路IQ信号相加变为一路实数信号，通过DAC(模数转换器)发送出去。