CN102932109A

CN102932109A - 电力线通信的定时同步和扩频因子检测***及其方法

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Publication number: CN102932109A
Application number: CN201210470471XA
Authority: CN
Inventors: 张波; 张涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: CN102932109B

Abstract

本发明公开了一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***及其方法，其包括：用于接收数据帧的若干个同步检测器、和与所述同步检测器的输出相连的一选择器逻辑，而同步检测器包括第一级相关器、和与第一级相关器的输出相连的第二级相关器，其中数据帧包括位于起始的同步字、控制字、训练字、和帧有效数据。本发明中的同步码具有特别好的自相关及互相关特性，使得接收机可以得到精确的定时信息和较好地区分不同的同步字，而且同步码具有分层结构，使接收端的检测电路可以大大简化。

Description

电力线通信的定时同步和扩频因子检测***及其方法

技术领域

本发明涉及一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***及其方法。

背景技术

在电能表集抄***中，载波芯片通过RS232或RS484等接口，读取电能表的数据，将数据调制在几十至几百KHz的载波频率上并通过耦合器加载到电力线发送出去；接收端的集抄器接收多达数百个电表的数据，并通过电话线或以无线方式传送到电力管理部门。在接收端的集抄器中，带通滤波器将有信号的载波从电力线上分离出来后，载波芯片对信号进行解调还原出原来的数据。通信的载体即现成的电力线，无需象485抄表一样重新铺设通信线路。也不象无线传输那样需要复杂的发送接收设备来传输信息。它无需架设额外的通信线路，也不占用宝贵的无线频谱资源，是公认的用于远程集抄***的最佳选择。

而在传统的数据通信***中，有利用HDLC协议的帧结构用于电力线通信，该帧结构具体如下：

标志序列

地址字段

控制字段

信息字段

帧校验字段

标志序列

根据HDLC协议规定，所有信息传输必须以一个标志序列开始，且以同一个序列结束。这个标志序列是01111110，称标志序列。从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，称为一帧。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索"01111110"来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。在标志序列之后，可以有一个地址字段（8或多比特）和一个控制字段（8或16比特）。地址字段用来规定与之通信的接收站的地址。控制字段可规定若干个命令。跟在控制字段之后的是信息字段（长度可以为0或8的整数倍）。信息字段包含有要传送的数据。帧校验字段（16或32比特）用于对帧进行循环冗余校验，其校验范围从地址字段的第1比特到信息字段的最后一比特的序列。

因此为便于同步字的检测，同步字的长度是固定的。这导致在高信噪比情况下，同步字的长度可能超过正确检测的需求，降低了数据传输效率。在低信噪比情况下，同步字又有可能没有得到足够的保护，导致接收器不能正确的检测到同步字。

发明内容

本发明的目的是提供了一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***及其方法。

为达到上述目的，本发明采用第一技术方案：一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***，其包括：用于接收数据帧的若干个同步检测器、和与所述同步检测器的输出相连的一选择器逻辑，而同步检测器包括第一级相关器、和与第一级相关器的输出相连的第二级相关器，其中数据帧包括位于起始的同步字、控制字、训练字、和帧有效数据。

所述同步字采用层次结构来构造：

A=[a₀ a₁ a₂ … a₁₅]

B=[b₀ b₁ b₂ … b_k-1]

其中A是外码，长度为16；B是内码，k是B序列的长度，整体代码等于

表示克罗内克积，每个a，b取值+1或-1。

所述控制字至少包括帧类型、和帧长度信息，而帧有效数据则至少包括源地址、目的地址、电表数据、校验位信息。

为达到上述目的，本发明采用第二技术方案：一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测方法，其特征在于：

构建数据帧，其至少包括位于起始的同步字、控制字、训练字、和帧有效数据，其中同步字至少有2种不同长度，以对应不同的扩频因子；

根据信道的质量选择不同的扩频因子，直接扩频用于同步字之后的控制字、训练字、和帧有效数据并通过发射机发送；

同时接收机检测数据帧同步字的起始位置和种类，通过起始位置，得到定时同步信息；通过同步字种类，得到扩频因子；

接收机解调控制字、训练字和帧有效数据。

优选地，本发明进一步包括用于接收数据帧的若干个同步检测器、和与所述同步检测器的输出相连的一选择器逻辑，而同步检测器包括第一级相关器、和与第一级相关器的输出相连的第二级相关器。

优选地，所述同步字采用层次结构来构造：

A=[a₀ a₁ a₂ … a₁₅]

B=[b₀ b₁ b₂ … b_k-1]

表示克罗内克积，每个a，b取值+1或-1。

优选地，所述控制字至少包括帧类型、和帧长度，而帧有效数据则至少包括源地址、目的地址、电表数据、校验位信息。

本发明优点是：

本发明中的同步码具有特别好的自相关及互相关特性，使得接收机可以得到精确的定时信息和较好地区分不同的同步字，而且同步码具有分层结构，使接收端的检测电路可以大大简化。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明中联合检测器的结构示意图。

图2为本发明中同步代码检测器的电路示意图。

图3为本发明扩频因子=1同步长度为128的同步码的自相关性能图。

图4为本发明扩频因子=1同步长度为128的同步码和扩频因子=2同步长度为256的同步码之间的互相关性能图。

具体实施方式

实施例：参照图1-4所示，本发明提供了一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测方法的实施例，其中数据帧包括位于起始的同步字、控制字、训练字、和帧有效数据，格式如下：

同步字

控制字

训练字

帧有效数据

同步字用于接收端来检测数据帧的开始，控制字包括数据帧的一些关键参数，例如帧类型，帧长度等。训练字用于信道估计。而帧有效数据则包括源地址、目的地址、电表数据、校验位等信息，其中扩频因子在检测同步字时即可获得，即每一种同步字对应于一个扩频因子。

为克服信道的噪声和衰落的影响，对数据帧（除同步字外）运用直接扩频技术，在接收端一侧为成功地接收数据，同时检测数据帧同步字的起始位置和种类。通过起始位置，得到定时同步信息；通过同步字种类，得到扩频因子；

只有得到定时同步信息和扩频因子，接收机才可以解调控制字和帧有效数据。

扩频因子是基于信道质量来选择的。在高信号噪声比（SNR）的情况下，扩频因子可以是2^N,而在低信噪比信道的情况下，扩频因子是选择是2^(N+1),2^(N+2)或2^(N+M)。在本发明的电力线通信***中，假设N=0,M=3，在高信号噪声比（SNR）的情况下，扩频因子可以是1，即不对帧有效数据应用扩频技术。而在最低信噪比信道的情况下，扩频因子可以是8，这意味着每8个抽样信号代表一个信息符号。下边仍以N=0,M=3的例子说明本专利的具体实施例，但N和M的值可以根据实际***的需要而选择不同值。

在本发明的电力线通信***中，同步字的长度是不同的。有四种同步字A/B/C/D（相当于扩频因子1/2/4/8）的长度分别为2^K，2^(K+1)，2^(K+2)，2^(K+M)比特。而在本发明的电力线通信***中K=7。在发射端，发射机可以根据***设定，接收到的命令，或是根据信道的质量选择不同的扩频因子，从而选择不同的同步字。基本上有两种方式发射端可以获知信道的质量：1）是根据接收到的数据帧的信噪比及扩频因子推断发送信道的质量。2）是如果上次发送数据包没有得到对方的回应，则发射端考虑增加发射功率或是选用更大的扩频因子。

为了降低接收机的硬件复杂性，同步字采用层次结构，同步字构造分两个阶段：

A=[a₀ a₁ a₂ … a₁₅]

B=[b₀ b₁ b₂ … b_k-1]

其中A是外码,长度为16；B是内码,k是B（内码）序列的长度。整体代码等于

表示克罗内克kronecker积。每个a，b取值+1或-1。A（外码）序列的长度总是16。B（内码）的长度取决于扩频因子，该扩频因子是基于信道质量选择的。该同步字选择由计算机搜索。下面是一些例子：

如果扩频因子=1，则同步长度为128的样本：

A0=[-1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1];

B0=[1 1 -1 1 -1 1 -1 1];

如果扩频因子=2，则同步长度为256的样本：

A1:[1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1]

B1:[1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 -1 1 1]

如果扩频因子=4，则同步长度为512的样本：

A2:[1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1]

B2:[1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1-1 1 -1]

如果扩频因子=8，则同步长度为1024的样本：

A3:[-1 1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1]

B3:[1 1 -1 1 1 1 1-1 1 1-1 1-1-1-1 1 1 1-1 1 1 1 1-1-1-1 1-1 1 1 1-1 1-1-1-1-11-1-1-1 1 1 1-1 1-1-1 1-1-1 1-1-1-1 1-1-1 1 1 1 1-1 1]

如图1所示，在本发明的电力线通信***中，用于对扩频因子和同步字的检测是通过一联合检测器来实现，其由4个同步检测器和一个选择器逻辑组成。接收到的信号首先被抽样，数字化，然后进行预处理步骤。而预处理步骤包括：去除直流偏移、数字自动增益控制、再抽样、信号滤波。预处理后的信号接着被输入4个并行的同步检测器。如果有任何同步检测器输出一个有效信号，则帧定时，同步字和扩频因子可确定。如果有多个同步检测器都输出有效信号，则输出最大的峰值的同步检测器确定帧定时和扩频因子。

在图2中，同步检测器包括第一级相关器（即内码相关器）、和与第一级相关器的输出相连的第二级相关器（即外码相关器）。第一级相关器输出的复值信号立刻输入到第二级相关器进行运算。第二级相关器输出的复值信号被用于功率计算，从而与预先设定的阈值（门限i）比较。如果相关器输出的功率大于阈值，有效的信号的功率值及其被检测到的时间被发送到选择器逻辑。第一级相关器和第二级相关器均设有延时单位D和加法器。每个延时单位D延迟信号一个码元。如果要获得1/2个码元的时间估计精确度，延时单元D存储2个抽样数据。如果要获得1/4个码元的时间估计精确度，延时单元D存储4个抽样数据。延时单元可以用硬件寄存器或是内存实现。由于本发明的电力通信***采用QPSK调制技术，每个字包含同相和正交相抽样。每个抽样数据的值由多个比特位表示输入信号，以确保数字信号的精确性。对于长度为128的相关器。第一级相关器有128个延时单位D和16个加法器，而第二级相关器有15个延时单位D和16个加法器。256、512、1024长度的同步字的相关结构是相似的。例如，1024长度相关器，第一级相关器和第二级相关器总的加法器是64+16=80。4个同步探测器中的第一级相关器的内存，即延时单元可以共享。

本发明同步字的符号长度、构成与数据完全不同，同步字在帧检测、定时提取、频率与增益控制等方面具有特别重要的作用，有助于提高***性能，同时同步字可采用计算机搜索产生，具有特别好的自相关及互相关特性，如图3和图4所示，自相关特性使得接收机可以得到精确的定时信息，互相关特性使得接收机可以较好地区分不同的同步字，进而解调扩频因子，而且同步码具有分层结构，以使接收端的检测电路可以大大简化。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***，其特征在于其包括：用于接收数据帧的若干个同步检测器、和与所述同步检测器的输出相连的一选择器逻辑，而同步检测器包括第一级相关器、和与第一级相关器的输出相连的第二级相关器，其中数据帧包括位于起始的同步字、控制字、训练字、和帧有效数据，其中同步字长度可变。

2.根据权利要求1所述的一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***，其特征在于：所述同步字采用层次结构来构造：

A=[a₀ a₁ a₂ … a₁₅]

B=[b₀ b₁ b₂ … b_k-1]

表示克罗内克积，每个a，b取值+1或-1。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测***，其特征在于：所述控制字至少包括帧类型、和帧长度，而帧有效数据则至少包括源地址、目的地址、电表数据、校验位信息。

4.一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测方法，其特征在于其包括以下步骤：

接收机解调控制字、训练字和帧有效数据。

5.根据权利要求4所述的一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测方法，其特征在于其包括：用于接收数据帧的若干个同步检测器、和与所述同步检测器的输出相连的一选择器逻辑，而同步检测器包括第一级相关器、和与第一级相关器的输出相连的第二级相关器。

6.根据权利要求5所述的一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测方法，其特征在于：所述同步字采用层次结构来构造：

A=[a₀ a₁ a₂ … a₁₅]

B=[b₀ b₁ b₂ … b_k-1]

表示克罗内克积，每个a，b取值+1或-1。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种电力线通信的定时同步和扩频因子检测方法，其特征在于：所述控制字至少包括帧类型、和帧长度信息，而帧有效数据则至少包括源地址、目的地址、电表数据、校验位信息。