CN102571654B - 一种多载波频率自适应电力线通信***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波频率自适应电力线通信***，包括发送装置、接收装置、分别与发送装置和接收装置耦合的电力传输线，其中：发送装置包括多个调制单元、合成单元以及多个开关；接收装置包括滤波分离器、多个解调单元、多个位同步器以及多个帧头检测器。本发明还公开了一种多载波频率自适应电力线通信方法，包括将基带信号分别调制到多个可选频率载波中的至少一个载波频率上进行传输，多个频率间隔较大，接收端相应进行多路解调。通过本发明的***和方法，处于一段未知电力线信道的通信双方可通过试探性通信，找到最合适的通信频率进行通信，极大地提高了通信成功概率。

Description

一种多载波频率自适应电力线通信***及方法

技术领域

本发明涉及一种电力线通信***及方法，尤其是一种多载波频率自适应电力线通信***及方法。

背景技术

电力线通信是将通信信号耦合到电力传输线上传输的通信技术。传统的电力线通信技术使用FSK或BPSK等调制模式，将信号调制到固定的载波频率上进行传输，例如120kHz，270kHz等。但通常电力传输线由于所加载的用电负荷不同，以及网络拓扑结构等因素，对于不同载波频率有不一样的衰减特性和噪声情况。而且这种与载波频率相关的衰减特性和噪声特性可以认为是随机的和不可预测的。因此，在某一段输电线线路上如果使用固定的载波频率，可能会因为其使用的载波频率正好落在这段电力线信道衰减特性的“谷值点”而导致通信失败。如图1是一段使用仪器测量的电力线通信衰减特性曲线图，图中显示400kHz附近有一个“谷值点”，任何使用400kHz附近频率通信的电力线通信设备都会失败。现有技术中，也有一些现有的电力线通信技术使用了两个或多个通信频率，但它们都存在着下面几方面的问题：

1、使用的通信频率距离太近，例如115kHz和131kHz，通信频率相靠太近，其传输特性的相关相似度可能性就很大，有可能出现两个频率要么都工作的很好，要么都不能工作的情况，失去了多载波频率通信的意义；

2、这些多载波频率的通信技术都不是自适应的，也就是说接收方必须事先知道发送方具体使用哪个载波频率通信以提前做好准备，如果收发双方没有事先约定好，那么有可能出现发送方使用频率A，而接收方调整在接收频率B的状态，而不能成功通信。而在电力线通信环境中，这种“事先约定”往往是没有条件实现的，因为双方既然由于频率不一致不能建立起基本的通信，也就无法传递“使用哪个载波频率”这种信息。如果统一用固定的频率传递约定信息，又存在着对固定频率上信道衰减特性的依赖，总而言之无法充分发挥多频率通信的特点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种多载波频率自适应电力线通信***及方法，将现有技术中的发送方使用单一载波频率通信的方式改进为发送方使用多个可选载波频率中的任意一个或多个的通信方式，并且接收方可以在事先不知道发送方使用哪个载波频率的情况下对所使用的载波频率上的信号进行检测并解调，也即，发送方可以对载波频率任意选择和任意组合，接收方都能自适应地接收。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用多载波频率自适应电力线通信***，包括发送装置、接收装置、分别与所述发送装置和接收装置耦合的电力传输线，其中：

发送装置包括：

分别将基带信号调制到不同频率载波上的多个调制单元；

将多个所述调制单元输出的多路载波调制信号叠加的合成单元，叠加后输出的通信信号经过处理后通过所述电力传输线进行传输；

多个开关，其各连接到一个所述调制单元，用以控制该调制单元的开启/关闭；

接收装置包括：

将经过处理后的来自所述电力传输线的通信信号分离为多路载波调制信号的滤波分离器；

与所述滤波分离器连接的多个解调单元，其各将一路载波调制信号转换为解调基带信号，所述解调单元的个数与所述调制单元相同；

多个位同步器，其各连接到一个所述解调单元，用于获取该解调单元输出的基带信号的比特判决值；

多个帧头检测器，其各连接到一个所述位同步器，用于将该位同步器获取的比特判决值与帧头数据进行相关比对运算，

数据处理单元，如果所述相关比对运算的结果为一致，则开始接收所述解调基带信号。

作为优选，所述合成单元与所述电力传输线之间依次连接有数/模转换器、第一功率放大器、第一耦合电路，所述电力传输线与所述滤波分离器之间依次连接有第二耦合电路、第二功率放大器、模/数转换器。

作为优选，所述调制单元为调制乘法器。

作为优选，所述解调单元为同频载波乘法器。

本发明还提供了一种多载波频率自适应电力线通信方法，包括以下步骤：

通过开关控制将基带信号调制到多个可选载波频率中的至少一个载波频率上，得到至少一路载波调制信号；

将调制后得到的至少一路载波调制信号进行叠加后输出的通信信号经过处理后发送到电力传输线上；

将经过处理后的来自所述电力传输线的通信信号分离为至少一路载波调制信号；

将分离后的每一路载波调制信号进行载波解调转换成至少一路解调基带信号；

对于每一路所述解调基带信号分别进行位同步以获取其比特判决值，并将该比特判决值与帧头数据进行相关比对运算，如运算结果为完全一致则开始接收相应一路解调基带信号。

作为优选，所述多个可选载波频率选自3kHz至500kHz之间的载波频率，例如可以为131.58KHz、263.16KHz、312.5KHz、416.67KHz这四个载波频率。

作为优选，所述位同步利用基带信号的过零时刻通过Garnder算法实现。

作为优选，所述开始接收相应一路解调基带信号之前还包括，发出准备接收信号的通知。

与现有技术相比，本发明的多载波频率自适应电力线通信***及方法的有益效果在于：克服传统电力线通信技术中对单一固定通信载波频率的依赖，使用选自3kHz至500kHz之间的载波频率，例如131.58kHz，263.16kHz，312.5kHz，416.67kHz这四个可用的载波频率，这四个频率从低到高分布在中国国家电网允许电力线通信使用的频段范围(3k到500kHz)的几乎全范围内。由于这四个载波频率彼此分离相距较远，可认为其传输衰减特性和噪声特性是彼此无关的，几乎不可能同时处于信道衰减的“谷值点”。又由于接收方能够对使用这四个载波频率中的一个或多个的通信信号自适应接收，因此处于一段未知的电力线信道的通信双方可以通过试探性通信，找到最合适的通信频率进行通信，可以大大提高通信成功概率。

附图说明

图1为现有技术中一段使用仪器测量的电力线通信衰减特性曲线图；

图2为本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***的发送装置结构原理图；

图3为本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***的接收装置结构原理图；

图4为本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信方法的流程示意图。

主要附图标记说明

1-调制环节

1-1、1-2、1-3、1-4    调制乘法器

2-加法器              3-滤波分离器

4-电力传输线

5-解调环节

5-1、5-2、5-3、5-4   数字锁相环

6-位同步器           7-帧头检测器

8-数模转换器         9-第一功率放大器

10-第一耦合电路      11-第二耦合电路

12-第二功率放大器    13-模数转换器

14-基带成型滤波器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***及其方法作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

图2为本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***的发送装置结构原理图，图3为本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***的接收装置结构原理图。如图2和图3所示，本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***，包括发送装置、接收装置、分别与所述发送装置和接收装置耦合的电力传输线，其中：发送装置包括调制环节1，调制环节1由将基带信号分别调制到不同频率载波上的多个调制单元实现，发送装置还包括将多个调制单元输出的多路带通信号叠加的加法器2，叠加后的带通信号通过电力传输线4向接收装置传输，以及多个连接到各调制单元以控制其开启/闭合的开关；接收装置包括分离来自电力传输线4的带通信号的滤波分离器3，滤波分离器3与解调环节5连接，解调环节包括多个解调单元，解调单元的个数与调制单元相同，每个解调单元分别连接位同步器6，位同步器6与用于将位同步器6得到的比特判决值与固定的帧头数据比对运算的帧头检测器7连接。作为本实施例的一种优选放案，调制单元为调制乘法器11、12、13、14，解调单元为同频载波乘法器，例如数字锁相环或者平方环，本实施例采用的是数字锁相环51、52、53、54。

调制环节1前置有基带成型滤波器14，加法器2与电力传输线4之间依次连接有数/模转换器8、第一功率放大器9、第一耦合电路19，电力传输线4与滤波分离器3之间依次连接有第二耦合电路11、第二功率放大器12、模/数转换器13。

图4为本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信方法的流程示意图。结合上述本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信***，对发明作进一步详细说明。如图4所示，本发明的实施例的多载波频率自适应电力线通信方法，包括以下步骤：

1)将基带信号分别送给多个载波频率的调制单元进行载波调制，所述多个调制单元受各自的开关控制可以任意打开或关闭，打开则代表基带信号将被这一路的载波频率信号调制，最终的输出的带通信号成分中将有这一路的载波频率；关闭则代表基带信号不会被这一路的载波频率信号调制，最终的输出的带通信号成分将不含有这一路的载波频率；

2)分别调制后的带通信号经过一个加法器叠加在一起，经过数字模拟转换变成模拟波形，再经过功率放大器放大后发送到电力传输线上；

3)电力传输线上叠加后的带通信号经过功率放大器放大后送给模数转换器变成数字信号，经过一个滤波分离器被分离并且还原成与上述步骤2)之前相对应的多路带通信号；

4)被分离后的每一路带通信号首先均单独经过一个解调单元进行载波解调转换成基带信号，然后经过位同步器得到比特判决值，送给帧头检测器，由于信号以帧格式传输，帧头的数据格式是固定的，帧头检测器的作用是不断的将比特判决值与固定的帧头数据做相关比对运算，如完全一致则认为开始接收解调后的基带信号，如不一致则反馈运算结果。检测到帧头信息后会给出提示信号，通知负责数据接收的例如微处理器的数字处理单元准备迎接后续的数据。由于接收提示信号是分别有效的，因此无论发送方使用哪一个载波频率进行载波调制发送，只要信号没有被完全衰减掉或信噪比符合要求，接收方都能够检测并解调出来，不需要双方的事先约定，满足了自适应的需要。

将基带信号分别送给多个载波频率的调制单元进行载波调制过程中，多个可选载波频率选自3kHz至500kHz之间的载波频率。作为改进，所述多个可选载波频率选自100kHz至500kHz之间的载波频率。

作为本发明的优选实施例，可摒弃低于100kHz的高噪声区域，将多个可选载波频率选定为例如131.58KHz、263.16KHz、312.5KHz、416.67KHz这四个载波频率，相应的解调单元为四个，分别针对该四个频点进行解调。由于这四个载波频率彼此分离相距较远，可认为其传输衰减特性和噪声特性是彼此无关的，几乎不可能同时处于信道衰减的“谷值点”。又由于接收方能够对使用这四个载波频率中的一个或多个的通信信号自适应接收，因此处于一段未知的电力线信道的通信双方可以通过试探性通信，找到最合适的通信频率进行通信，可以大大提高通信成功概率。例如，对于一段未知的电力线信道而言，假设任何一个载波频率处于其传输“谷值点”的概率为50％，则使用单一载波频率通信的电力线通信产品的通信成功率为50％；而采用本发明的多载波频率自适应电力线通信技术的电力线通信产品的通信成功率将达到1-0.5*0.5*0.5*0.5即93.75％。

作为进一步改进，将基带信号分别进行载波调制的过程，是将其分别通过多个载波频率的调制乘法器进行调制；被分离后的每一路带通信号进行解调的过程，是将其分别通过同频载波乘法器进行解调，该同频载波乘法器针对的频率分别相应地为所述调制乘法器进行调制的频率。这里的同频载波乘法器可以是经典costas数字锁相环，平方环等单载波锁相环。经解调后的基带信号处理都是一样的，位同步可以利用基带信号的过零时刻通过经典的Garnder算法或其他方式实现。

将基带信号分别送给多个载波频率的调制单元进行载波调制之前，基带信号为采用基带成型滤波器对待发送信息数据处理形成统一的基带波形信号。

与现有技术中的电力线载波通讯***相比，本发明的多载波频率自适应电力线通信***及方法，克服传统电力线通信技术中对单一固定通信载波频率的依赖，使用彼此分离相距较远的多个载波频率，使之几乎不可能同时处于信道衰减的“谷值点”。又由于接收方能够对使用这四个载波频率中的一个或多个的通信信号自适应接收，因此处于一段未知的电力线信道的通信双方可以通过试探性通信，找到最合适的通信频率进行通信，可以大大提高通信成功概率。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多载波频率自适应电力线通信***，其特征在于，包括发送装置、接收装置、分别与所述发送装置和接收装置耦合的电力传输线，其中：

发送装置包括：

分别将基带信号调制到不同频率载波上的多个调制单元，该不同频率选自3kHz至500kHz之间的载波频率；

将多个所述调制单元输出的多路载波调制信号叠加的合成单元，叠加后输出的通信信号经过处理后通过所述电力传输线进行传输；

多个开关，其各连接到一个所述调制单元，用以控制该调制单元的开启/关闭；

接收装置包括：

将经过处理后的来自所述电力传输线的通信信号分离为多路载波调制信号的滤波分离器；

与所述滤波分离器连接的多个解调单元，其各将一路载波调制信号转换为解调基带信号，所述解调单元的个数与所述调制单元相同；

多个位同步器，其各连接到一个所述解调单元，用于获取该解调单元输出的基带信号的比特判决值；

多个帧头检测器，其各连接到一个所述位同步器，用于将该位同步器获取的比特判决值与帧头数据进行相关比对运算；

数据处理单元，如果所述相关比对运算的结果为一致，则开始接收所述解调基带信号。

2.根据权利要求1所述的多载波频率自适应电力线通信***，其特征在于，所述合成单元与所述电力传输线之间依次连接有数/模转换器、第一功率放大器、第一耦合电路，所述电力传输线与所述滤波分离器之间依次连接有第二耦合电路、第二功率放大器、模/数转换器。

3.根据权利要求1所述的多载波频率自适应电力线通信***，其特征在于，所述调制单元为调制乘法器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多载波频率自适应电力线通信***，其特征在于，所述解调单元为同频载波乘法器。

5.一种多载波频率自适应电力线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过开关控制将基带信号调制到多个可选载波频率中的至少一个载波频率上，得到至少一路载波调制信号，所述多个可选载波频率选自3kHz至500kHz之间的载波频率；

将调制后得到的至少一路载波调制信号进行叠加后输出的通信信号经过处理后发送到电力传输线上；

将经过处理后的来自所述电力传输线的通信信号分离为至少一路载波调制信号；

将分离后的每一路载波调制信号进行载波解调转换成至少一路解调基带信号；

对于每一路所述解调基带信号分别进行位同步以获取其比特判决值，并将该比特判决值与帧头数据进行相关比对运算，如运算结果为完全一致则开始接收相应一路解调基带信号。

6.根据权利要求5所述的多载波频率自适应电力线通信方法，其特征在于，所述多个可选载波频率选自100kHz至500kHz之间的载波频率。

7.根据权利要求5所述的多载波频率自适应电力线通信方法，其特征在于，所述多个可选载波频率为131.58KHz、263.16KHz、312.5KHz、416.67KHz这四个载波频率。

8.根据权利要求5所述的多载波频率自适应电力线通信方法，其特征在于，所述位同步利用基带信号的过零时刻通过Garnder算法实现。

9.根据权利要求5所述的多载波频率自适应电力线通信方法，其特征在于，所述开始接收相应一路解调基带信号之前还包括，发出准备接收信号的通知。