CN102025398B - 有线载波通信方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种有线载波通信方法与装置，利用扩频调制技术加窄带调制技术的双模式通信方法，来增强有线信道传输的可靠性和环境适应性，改善目前制约载波通信大规模推广应用的关键的物理层通信能力。该有线载波通信方法包括：采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对基带信号进行调制，得到两种模式的已调信号；发送所述两种模式的已调信号；接收所述两种模式的已调信号；采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对所述两种模式的已调信号进行解调。

Description

有线载波通信方法与装置

技术领域

本发明涉及有线通信技术领域，特别是涉及一种有线载波通信方法与装置。

背景技术

目前的通信方式有无线通信和有线通信，其中电力线通信(PLC)便是一种利用电力***的电力线资源进行信息传递的有线通信技术。由于其使用载波调制技术，因此也称为电力线载波通信。其具有覆盖范围广、永远在线、不需另外辅线等优点，因而电力线通信在现代家庭智能化、宽带接入、远程抄表***中得到了较为广泛的应用。

然而，电力线信道是一种特殊的信道，其本身的铺设是为了传输电能，而并非传递数据，所以其传输特性往往很难满足数据通信的要求。例如，电力线信道具有高衰减、高噪声、高失真、时变性等基本特点，这些因素都对通信造成了巨大的影响。因此，电力线载波通信从一开始就必然要求采用较为复杂的调制解调方式，以克服上述不利影响。

扩频技术、多载波技术等调制技术都从某些方面解决了电力线信道用于通信的先天不足，但由于电力线信道的复杂性和多样性，这些技术都或多或少有一定的局限性。

如多载波技术，其主要目标是提高频谱利用率，提升传输速率。基于目前电力线载波通信的应用主要集中在自动抄表和自动控制领域，最主要的目标仍然是提供可靠稳健的低速传输性能，因此，实际情况中，扩频技术使用较广。

扩频技术是电力线载波通信领域最常用的调制技术，其通过扩频增益可以把淹没在噪声中的信号提取出来，因此扩频通信一般具有极高的灵敏度，能有效对抗电力线信道的高衰减。具体，请参看香农(C.E.Shannon)信道容量定理：

$C=W{\log }_2(1+\frac{S}{N}),$ 其中，

C-信道容量(用信息传输速率表示)；

W-信号带宽

S-信号功率

N-噪声功率

香农公式表明：当信号传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即可以通过增大信号带宽来降低对信噪比的要求。扩频通信就是以增大信号带宽来换取信噪比上的益处，这就是扩频技术能够提高灵敏度和抗衰落能力的基础。而随着带宽的增加，带内的噪声和各种干扰也增加了，尤其是在电力线信道这样嘈杂的信道环境，由于线路上的用电器多种多样，释放的干扰和噪声也是各不相同，除了广泛存在的背景噪声外，还有各种突发噪声和脉冲噪声，其频率范围甚至覆盖了整个通信频段，这类噪声其频谱和白噪声绝然不同，无法完全通过扩频技术来获取足够的扩频增益。另外，电力线信道也是一条非线性的，非平稳的通信信道，随着信号带宽的增加，其信号失真的情况变得更加严重，而扩频信号对这类信号失真的抵抗力也较差。因此，很多情况下，使用扩频技术的载波通信并没有完全获得其扩频增益，实际灵敏度要远远低于理论灵敏度。单纯的扩频技术无法解决电力线信道的可靠通信问题。

此外，目前电力线载波通信产品仍然受制于物理层通信能力，很多***在现场都需要大量的人工进行调试安装，一种产品或方案在某个试点使用良好，但换个环境却无法收到同样的效果，一种产品在安装初期运行良好，但运行一段时间以后性能下降的案例不胜枚举，这些情况主要是由于底层的通信方案不够灵活，***冗余度不够，稳健性较差等原因造成的。这种现状导致后期需要大量的人力物力进行***维护，增加了电力线载波应用的复杂度和成本，制约了电力线载波通信的大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有线载波通信方法与装置，以解决电力线信道等有线信道的可靠性问题，并改善目前制约载波通信大规模推广应用的关键的物理层通信能力。

为解决以上技术问题，本发明提供一种有线载波通信方法，其包括：采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对基带信号进行调制，得到两种模式的已调信号；发送所述两种模式的已调信号；接收所述两种模式的已调信号；采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对所述两种模式的已调信号进行解调。

进一步的，所述发送两种模式的已调信号的过程包括：分别在两个通道上，同时发送所述两种模式的已调信号。

进一步的，所述发送两种模式的已调信号的过程包括：在同一通道上，分时发送所述两种模式的已调信号。

进一步的，所述发送已调信号的过程包括：在扩频调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号；以扩频模式发送设置有辅助前导信号的已调信号；以窄带模式发送窄带调制所得到的已调信号。

进一步的，所述接收已调信号的过程包括：以扩频模式进行接收；检测是否接收到辅助前导信号；当接收到辅助前导信号时，在第一预设时隙后，将接收模式转换为窄带模式；在第二预设时隙后，将接收模式转换为扩频模式。

进一步的，所述发送已调信号的过程包括：在窄带调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号；以窄带模式发送设置有辅助前导信号的已调信号；以扩频模式发送扩频调制所得到的已调信号。

进一步的，所述接收已调信号的过程包括：以窄带模式进行接收；检测是否接收到辅助前导信号；当接收到辅助前导信号时，在第三预设时隙后，将接收模式转换为扩频模式；在第四预设时隙后，将接收模式转换为窄带模式。

进一步的，所述发送已调信号的过程包括：以扩频模式和窄带模式交替多次发送扩频调制和窄带调制所得到的已调信号。

进一步的，所述接收已调信号的过程包括：分别在第一预设时间与第二预设时间内，以扩频模式和窄带模式交替接收已调信号。

本发明还提供一种有线载波通信装置，包括：载波模块控制逻辑单元、扩频调制模块、窄带调制模块、扩频解调模块、窄带解调模块、发送电路和接收电路，且：所述扩频调制模块和窄带调制模块并列连接于所述载波模块控制逻辑单元和发送电路之间，以对基带信号分别进行扩频调制和窄带调制；所述发送电路分时发送扩频调制所得到的已调信号和窄带调制所得到的已调信号；所述接收电路用以接收信号，且其所接收的信号包括扩频信号和窄带信号；所述扩频解调模块和窄带解调模块并列连接于所述接收电路和载波模块控制逻辑单元之间，以对所接收到的扩频信号和窄带信号分别进行扩频解调和窄带解调。

进一步的，所述发送电路包括：辅助前导信号设置模块，在扩频调制或窄带调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号。

进一步的，所述接收电路包括：检测模块，所接收到的扩频信号或者窄带信号前端是否置有一辅助前导信号；切换模块，连接于所述检测模块，于检测到所述辅助前导信号时，实现扩频解调模块和窄带解调模块之间的切换。

进一步的，所述接收电路包括：自动切换模块，分别以第一预设时间和第二预设时间，交替切换扩频解调模块和窄带解调模块。

本发明另提供一种有线载波通信装置，包括：载波模块控制逻辑单元；扩频发送电路和窄带发送电路；扩频调制模块，连接于所述载波模块控制逻辑单元和扩频发送电路之间；窄带调制模块，连接于所述载波模块控制逻辑单元和窄带发送电路之间；扩频接收电路和窄带接收电路；扩频解调模块，连接于所述扩频接收电路和载波模块控制逻辑单元之间；窄带解调模块，连接于所述窄带接收电路和载波模块控制逻辑单元之间。

本发明所提供的有线载波通信方法与装置，针对低频电力线载波通信的特点以及电力线信道的特点，从解决目前主流的扩频技术所存在的问题出发，提出了扩频技术加窄带调制技术的双模式通信方法，以增强有线信道传输的可靠性和环境适应性，改善目前制约载波通信大规模推广应用的关键的物理层通信能力。

附图说明

图1为本发明一实施例所提供的有线载波通信方法的流程示意图；

图2与图3分别为两种模式的已调信号在通道内传输的两种实现方式示意图；

图4与图5分别为前导辅助的模式同步方法和无前导辅助的模式盲同步方法的示意图；

图6为本发明实施例一所提供的有线载波通信装置的结构方块图；

图7为本发明实施例二所提供的有线载波通信装置的结构方块图；

图8与图9分别为两种电力线噪声的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举示例性实施例，并配合附图，作详细说明如下。

从背景技术的描述中可以知道，扩频调制技术具有极高的灵敏度，能有效对抗电力线信道的高衰减，但扩频信号对信号失真的抵抗力较差，对各类突发干扰和脉冲干扰等也抵抗较差，而这些干扰又是电力线信道上较为普遍的干扰源。为此，发明人将窄带调制技术应用于电力线通信中，这里所说的窄带调制技术是指带宽远低于载波频率的各种模拟或数字调制技术，如模拟的调频FM和数字的ASK、PSK、FSK等。经过研究后发现，窄带调制技术虽然在对抗随机噪声方面不如扩频调制技术，但由于其带宽较窄，带内干扰较少，并且很容易避开一些单音干扰和窄带干扰；且在采用合适的调制方式(如PSK和FSK)后，其对抗相位失真的能力也大为增强。为此，本发明提出了扩频调制技术加窄带调制技术的有线载波双模通信技术。具体描述如下：

请参考图1，其为本发明一实施例所提供的有线载波通信方法的流程示意图，如图所示，该方法包括如下步骤：

S1：采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对基带信号进行调制，得到两种模式的已调信号；

S2：发送所述两种模式的已调信号；

S3：接收所述两种模式的已调信号；

S4：采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对所述两种模式的已调信号进行解调。

可见，以上有线载波通信方法将扩频调制技术与窄带调制技术整合起来，形成了一种载波双模通信模式，这是一种模式冗余技术，其采用不同的方法传输相同的数据来达到可靠通信的目的，增强了电力线载波传输在各种不同环境下的适应性和稳健性。具有如下的优势：一方面，通过扩频调制获得良好的抗衰减性能，使得灵敏度有了保障，另一方面，通过窄带获得良好的抗干扰以及抗失真性能，使得环境适应性有了很大改善。

下面详细描述步骤S2(即发送两种模式的已调信号)的实现方法。请参考图2与图3，其分别给出了两种基本实现方式。第一种方式：如图2所示，分别在两个通道上，同时发送两种模式的已调信号，一般两个通道调谐在不同的载波频率上以避免两种模式信号相互干扰。这种方式的优点是效率高，同一段信息只要一次传输即可，代价是收发端调制解调器开销较大，需要做两个独立的通道以同时调制和解调两种格式的调制数据。第二种方式：如图3所示，在同一通道上，分时发送所述两种模式的已调信号，此时两个通道可调谐在同一个载波频率上因两种模式已在时间上分离。这种方式仅要求一个传输通道，两种调制格式先后进行调制和解调，很多硬件资源可在通道内复用，开销较小，代价是需要两倍的时间传输同一段信息。因此，本领域技术人员可以综合考虑硬件开销和传输效率要求来选择具体的双模实现方法。

另外，在选用第二种方式，即同一通道分时发送的方式时，发送端交替发送扩频和窄带调制所得到的已调信号，接收端需要同步跟踪发送端的模式切换操作，否则会造成模式失配。为此，本发明提供了两种方法来实现双模式切换的同步。其中一种是使用前导辅助的模式同步方法；另一种是无前导辅助的模式盲同步方法。前者使用导频或其它同步前导，接收端在当前模式检测出前导后，按时隙把接收通道切换到下一模式；这种方法的优点是效率高，只需要每种模式传输一次即实现了双模式效果，缺点是模式同步依赖于前导检测的可靠性，一旦前导被干扰，则很容易造成双模功能的失效。另外一种方法是无前导辅助模式的盲同步，依靠时间冗余来实现模式的完全匹配。

首先，具体描述前导辅助的模式同步方法的具体实现方式：发送端在扩频调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号；而后以扩频(DS)模式发送设置有辅助前导信号的已调信号；再以窄带(NB)模式发送窄带调制所得到的已调信号。对应于此，接收端首先以扩频(DS)模式进行接收；并检测是否接收到辅助前导信号；当接收到辅助前导信号时，在第一预设时隙后，将接收模式转换为窄带模式；在第二预设时隙后，将接收模式转换为扩频模式。其中第一预设时隙与第二预设时隙分别根据两种模式已调信号在通道内的传输时间而设定。

下面以分组检测(Package Detect，PD)前导作为辅助前导信号为例来详细描述以上实现方式。请参考图4，其给出了前导辅助的模式同步方法的示意图。如图所示，在本实施例中，使用了分组检测(Package Detect，PD)前导作为辅助前导信号，发送端每帧数据以扩频(DS)模式和窄带(NB)模式各发一次。分PD检测成功和PD检测失败两种情况。前者接收端在检测到PD后在T1时间后把接收通道切换到NB模式接收，在T2时间后再把接收通道恢复到DS模式接收，完成一次接收流程。后者接收端未检测到PD，始终停留在DS接收模式，未能达到双模式接收的效果。

以上实施例将辅助前导信号设置于经扩频调制的已调信号前，本发明不以此为限，也可将辅助前导信号设置于经窄带调制的已调信号前。具体实现方式如下：

发送端在窄带调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号；而后以窄带(NB)模式发送设置有辅助前导信号的已调信号；再以扩频(DS)模式发送扩频调制所得到的已调信号。接收端首先以窄带(NB)模式进行接收；并检测是否接收到辅助前导信号；当接收到辅助前导信号时，在第三预设时隙后，将接收模式转换为扩频(DS)模式；在第四预设时隙后，将接收模式转换为窄带(NB)模式。同样，第三预设时隙与第四预设时隙分别根据两种模式已调信号在通道内的传输时间而设定。且当未检测到辅助前导信号时，接收端始终停留在NB接收模式，未能达到双模式接收的效果。

另外，在以上接收端未能达到双模式接收的效果时，可以丢弃当前帧，令发送端重发。此外，对于辅助前导的检测方式，可以为频率检测和相关性检测，对应的发送端可以以一固定频率的正弦信号作为辅助前导信号，也可以以固定的数据作为辅助前导信号，本发明不以此为限。

其次，具体描述无前导辅助的模式盲同步方法的具体实现方式：发送端以扩频(DS)模式和窄带(NB)模式交替多次发送扩频调制和窄带调制所得到的已调信号。接收端分别在第一预设时间与第二预设时间内，以扩频模式和窄带模式交替接收已调信号。

具体，请参考图5，其给出了无前导辅助的模式盲同步方法的示意图。如图所示，发送端每帧数据以DS模式NB模式交替发送，接收端独立按照Ta和Tb间隔进行DS和NB接收模式切换，与发送模式切换无需同步。通常，每帧数据的发送次数不低于6次，以保证DS模式和NB模式均有至少一次和发送端完全匹配的机会，从而实现了双模式传输的效果。

比较以上两种方法，前导辅助的模式同步方法效率较高，但依赖于辅助前导信号的检测；而无前导辅助的模式盲同步方法的效率相对较低，但不依赖于辅助前导信号的检测。本领域技术人员可以根据需要进行选择。

下面请参考以下两个实施例，其为对应于以上方法所提供的有线载波通信装置的两种实现方式。

实施例一：

请参考图6，其为本发明实施例一所提供的有线载波通信装置的结构方块图。如图所示，该有线载波通信装置包括：载波模块控制逻辑单元10、扩频调制模块22、窄带调制模块24、扩频解调模块32、窄带解调模块34、发送电路40和接收电路50。其中，载波模块控制逻辑单元10与一控制接口相连；扩频调制模块22和窄带调制模块24并列连接于载波模块控制逻辑单元10和发送电路40之间，以对基带信号分别进行扩频调制和窄带调制；发送电路40分时发送扩频调制所得到的已调信号和窄带调制所得到的已调信号；接收电路50用以接收信号，其所接收的信号包括扩频信号和窄带信号；扩频解调模块32和窄带解调模块34并列连接于接收电路50和载波模块控制逻辑单元10之间，以对所接收到的扩频信号和窄带信号分别进行扩频解调和窄带解调。

通常，发送电路40内可以设置一辅助前导信号设置模块，在扩频调制或窄带调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号。接收电路50内可以设置检测模块与切换模块，其中检测模块检测所接收到的扩频信号或者窄带信号前端是否置有一辅助前导信号；切换模块则连接于检测模块，于检测到所述辅助前导信号时，实现扩频解调模块32和窄带解调模块34之间的切换。另外，可以在接收电路内设置一自动切换模块，代替上面的检测模块和切换模块，分别以第一预设时间和第二预设时间，交替切换扩频解调模块32和窄带解调模块34。

以上扩频调制模块22可以选用直接序列扩频调制来实现，窄带调制模块24可以选用FM、ASK、FSK和PSK来实现，较佳的，选择BFSK、BPSK、QPSK等调制方式。

可见，本实施例中的有线通信载波装置对应于图3所示的第二种方式，即在同一通道上，分时发送两种模式的已调信号。其两种调制、解调模块复用了大部分硬件电路，包括收发电路和模拟前端电路等，这样，两种调制方式只能分时选择，这种设计是综合考虑应用需求和实现成本等多方面因素的结果。

实施例二：

其不同于实施例一，采用了图2所示的第一种方式，即分别在两个通道上，同时发送两种模式的已调信号。如此，其两种调制与解调模块需要各自的硬件电路来构建两个独立的通道。

具体请参考图7，其为本发明实施例二所提供的有线载波通信装置的结构方块图。如图所示，该有线载波通信装置包括载波模块控制逻辑单元100、扩频调制模块220和窄带调制模块240、扩频解调模块320和窄带解调模块340、扩频发送电路420和窄带发送电路440、扩频接收电路520和窄带接收电路540。其中，扩频调制模块220连接于载波模块控制逻辑单元100和扩频发送电路420之间；窄带调制模块240连接于载波模块控制逻辑单元100和窄带发送电路440之间；扩频解调模块320连接于扩频接收电路520和载波模块控制逻辑单元100之间；窄带解调模块340连接于窄带接收电路540和载波模块控制逻辑单元100之间。

从图中可以看出，在实施例二中，需要为扩频调制和窄带调制两种调制方式分别构建硬件电路，以建立两个独立的通道，进行信息传输，其相对于实施例一效率较高，同一段信息只要一次传输即可，但其硬件开销相对较大。本领域技术人员可以综合考虑硬件开销和传输效率要求来选择具体的构造方式。

下面请参考图8与图9，其给出了两种电力线噪声的频谱图，第一种的特点是噪声水平较高，但相对较为平稳，在一个较宽的带宽内其近似随机噪声特性。第二种的特点是噪声水平较低，但谐波和窄带干扰较为丰富。分别在上述两种环境中测试扩频技术，窄带调制技术以及本发明所提供的载波双模技术，实验分别传输1000个30字节的伪随机数据帧，统计接收误帧率(PER)，其中：

环境1：扩频PER～2.9％，窄带PER～16.7％，双模PER～0.3％

环境2：扩频PER～23.3％，窄带PER～3.2％，双模PER～0.4％

测试表明，虽然信道环境差异很大，但载波双模测试结果较为接近，环境一致性较好，并且性能都较单纯一种调制技术有较大提高，传输可靠性与环境适应性都有了很大提高。另外又测试了多种电力线环境，都获得了类似的结果。故以上方法还适用于其它低频段(9KHz～500KHz)或高频段(500KHz以上)有线载波信道的通信***，包括双绞线信道，同轴电缆信道，以及其它各种有线信道。

以上仅为举例，并非用以限定本发明，本发明的保护范围应当以权利要求书所涵盖的范围为准。

Claims (12)

1.一种有线载波通信方法，其特征是，包括：

采用扩频调制和窄带调制的双模式调制方式对基带信号进行调制，得到两种模式的已调信号，所述基带信号为相同应用数据；

分别在两个不同频率的通道上同时发送或在同一通道上分时发送所述两种模式的已调信号；

接收所述两种模式的已调信号；

采用扩频解调和窄带解调的双模式解调制方式对所述两种模式的已调信号进行解调。

2.根据权利要求1所述的有线载波通信方法，其特征是，所述发送已调信号的过程包括：

在扩频调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号；

以扩频模式发送设置有辅助前导信号的已调信号；

以窄带模式发送窄带调制所得到的已调信号。

3.根据权利要求2所述的有线载波通信方法，其特征是，所述接收已调信号的过程包括：

以扩频模式进行接收；

检测是否接收到辅助前导信号；

当接收到辅助前导信号时，在第一预设时隙后，将接收模式转换为窄带模式；

当接收到辅助前导信号时，在第二预设时隙后，将接收模式转换为扩频模式。

4.根据权利要求1所述的有线载波通信方法，其特征是，所述发送已调信号的过程包括：

在窄带调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号；

以窄带模式发送设置有辅助前导信号的已调信号；

以扩频模式发送扩频调制所得到的已调信号。

5.根据权利要求4所述的有线载波通信方法，其特征是，所述接收已调信号的过程包括：

以窄带模式进行接收；

检测是否接收到辅助前导信号；

当接收到辅助前导信号时，在第三预设时隙后，将接收模式转换为扩频模式；

当接收到辅助前导信号时，在第四预设时隙后，将接收模式转换为窄带模式。

6.根据权利要求1所述的有线载波通信方法，其特征是，所述发送已调信号的过程包括：

以扩频模式和窄带模式交替多次发送扩频调制和窄带调制所得到的已调信号。

7.根据权利要求6所述的有线载波通信方法，其特征是，所述接收已调信号的过程包括：

分别在第一预设时间与第二预设时间内，以扩频模式和窄带模式交替接收已调信号。

8.一种有线载波通信装置，其特征是，包括：载波模块控制逻辑单元、扩频调制模块、窄带调制模块、扩频解调模块、窄带解调模块、发送电路和接收电路，且：

所述载波模块控制逻辑单元用以在发送通路中对分时发送过程的时序进行控制，以及在接收通路中对分时接收过程的时序进行控制；

所述扩频调制模块和窄带调制模块并列连接于所述载波模块控制逻辑单元和发送电路之间，以对基带信号分别进行扩频调制和窄带调制；

所述发送电路分时发送扩频调制所得到的已调信号和窄带调制所得到的已调信号；

所述接收电路用以接收信号，且其所接收的信号包括扩频信号和窄带信号；

所述扩频解调模块和窄带解调模块并列连接于所述接收电路和载波模块控制逻辑单元之间，以对所接收到的扩频信号和窄带信号分别进行扩频解调和窄带解调。

9.根据权利要求8所述的有线载波通信装置，其特征是，所述发送电路包括：

辅助前导信号设置模块，在扩频调制或窄带调制所得到的已调信号前设置辅助前导信号。

10.根据权利要求8所述的有线载波通信装置，其特征是，所述接收电路包括：

检测模块，所接收到的扩频信号或者窄带信号前端是否置有一辅助前导信号；

切换模块，连接于所述检测模块，于检测到所述辅助前导信号时，实现扩频解调模块和窄带解调模块之间的切换。

11.根据权利要求8所述的有线载波通信装置，其特征是，所述接收电路包括：

自动切换模块，分别以第一预设时间和第二预设时间，交替切换扩频解调模块和窄带解调模块。

12.一种有线载波通信装置，其特征是，包括：

载波模块控制逻辑单元，用以在发送通路中对同时发送过程的时序进行控制，以及在接收通路中对同时接收过程的时序进行控制；

扩频发送电路和窄带发送电路；

扩频调制模块，连接于所述载波模块控制逻辑单元和扩频发送电路之间；

窄带调制模块，连接于所述载波模块控制逻辑单元和窄带发送电路之间；

扩频接收电路和窄带接收电路；

扩频解调模块，连接于所述扩频接收电路和载波模块控制逻辑单元之间；

窄带解调模块，连接于所述窄带接收电路和载波模块控制逻辑单元之间。