CN104734749A - 一种用于电力载波通信芯片 - Google Patents
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Abstract
一种用于电力载波通信芯片，属于电力载波的技术领域。采用DS-FSK直序列频移键控调制，实现方法为在1个伪码周期(31位伪码)前后各***1个伪码码元，该码元作为位同步误差调整，发送时将M序列扩展为33位扩频码；信号“0”扩频之后序列如下：(1)0000010011000111100101011011101(0)；信号“1”扩频之后序列如下：(0)1111101100111000011010100100010(1)；基带信号与扩频码元同或运算之后将信号输出。本发明实现基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠数据交换，具有通信可靠性高、高效帧的中继转发协议、完善的网络数据通信协议栈，通信能力更强，通信可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电力载波通信芯片，属于电力载波的技术领域。
背景技术
电力线载波(Power Line Carrier；以下简称：PLC)通信是指以电力线为信息传输媒介，利用载波技术，将通信信号调制到电网中进行传输，实现电网中各个节点之间传递信息的一种通信方式。近年来，随着电网管理要求的提高，对远程电能数据的采集要求越来越高。目前的调制解调芯片都对电力线中的噪声的处理效果都不理想，抗干扰能力不强，通讯可靠性不高，不利于远程抄表，且芯片***器件繁多，给后期使用带来诸多***设计的复杂度和成本问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种用于电力载波通信芯片，其目的是解决现有远程抄表载波通讯速率不高，通讯不可靠的问题。窄带扩频电力载波通信芯片是为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信芯片。
一种用于电力载波通信芯片，包括：采用DS-FSK直序列频移键控的调制和解调步骤；步骤如下；
在1个伪码周期(31位伪码)前后各***1个伪码码元，该码元作为位同步误差调整，发送时M序列扩展为33位扩频码；信号“0”扩频之后序列如下：(1)0000010011000111100101011011101(0)；信号“1”扩频之后序列如下：(0)1111101100111000011010100100010(1)；基带信号与扩频码元同或运算之后将信号输出。
DS-FSK具体解调步骤如下：为了控制接收信号与(本地)伪码信号之间相位误差不超过一个码元，定义第一相关器R1、第二相关器R2、第三相关器R3；第一相关器R1为本地M码序列；第二相关器R2与第一相关器R1循环滞后一个码元；R3与第一相关器R1循环超前一个码元；解码过程中相关器通过帧同步、以及码片(数据位)相位对齐方法，使信号与R1的相位误差不超过一个码元；在对当前码片0/1判别前，需要先计算出第一相关器R1、第二相关器R2、第三相关器R3的输出值；并命名第一相关器R1的输出值为O1输出值、第二相关器R2的输出值为O2输出值、第三相关器R3的输出值为O3输出值；通过判别O1输出值与阈值的比较，判别当前接收信号为“1”或是“0”。
帧同步的处理步骤：为了便于帧同步，在报文的数据部分前面添加了两个字节“FF FE”的同步头，即二进制的15位“1”和1位“0”；帧同步就是要找到15个“1”中的某个“1”，然后再用后面的“1”确认，经确认后(有连续超过制定个数的“1”)发现“0”，则同步成功，后面就是数据；其过程为滑动方式找“1”；找到“1”后，用上面的解码方法确认每个码片是“1”(R1相关值超过阈值)；确认自从找到第一个“1”后，连续出现“1”的个数超过制定阈值(暂定位8)；在未找到8个连续的“1”前出现“0”，则同步失败；重新开始帧同步；找到连续“1”的个数够8个后，找后面的“0”；确定数据位的起始，开始数据部分解码。
扩频信号输入后，芯片采集一个完整伪码周期长的信号，一个伪码码元宽度内取大于16个采样点，对每个采样点累加计算其相关器，各相关器相位相差一个码元；判决器则判定数据信号是否同步，若同步则有同步数据输出，当判决器判定非同步数据时，调整器会重新对采样点进行调整，重新判决数据同步输出。
一种用于电力载波通信芯片，物理层使用DS-FSK直序列频移键控的调制解调从电力线上接收和发送比特流，实现两个数据链路之间透明的比特流传输；当数据链路层请求两个数据链路层之间建立物理连接时,物理层应立即为链路层建立物理连接；若两个数据链路之间要经过若干中继数据链路时,物理层应对这些中继数据链路进行互连,建立一条有效的物理连接；
数据链路层在网络节点之间建立、维持和释放数据链路连接，有效控制网络节点之间的物理连接；在物理层比特流的基础上建立信息帧，发送节点和接收节点主要是通过对信息帧的操作，建立可靠的数据链路；
网络层主要是实现源节点和目的节点之间的通信建立、维护和终止网络连接，并通过网络连接传输应用层服务数据；网络层实现网络建立、网络拆除、路由选择、中继转发、信息帧封装、信息帧拆分、数据传输和数据流量控制；网络层将根据网络情况和路由算法选择一条最佳的通信链路；
应用层数据通过异步半双工模式与窄带电力线载波通讯芯片的串行接口实现数据交换；字节的传输格式字节传输序列；每个字节包含8位二进制编码，传输是加上一位起始位、一位奇偶校验位和一个停止位，共传输11位；传输字节格式，D0为字节低位，D7为字节高位，先传输低位D0后传输高位D7位；接口协议采用《DL/T645多功能电表通信协议》网络数据通信的规范。
含有电力载波通信芯片的单相载波模块，包括：信号耦合电路、信号放大滤波电路、信号输入滤波电路、过零检测电路；信号耦合电路为弱电和强电之间提供载波信号的通道，信号放大滤波电路将小信号放大，能够提高载波通讯的距离，信号输入滤波电路是对从电力线上引入的信号进行滤波，提高载波信号的接收性能，过零检测电路是检测工频交流点为零点，为载波信号的同步提供依据；电力线上的载波信号经过信号耦合电路、信号输入滤波电路后，将扩频信号转化成数字信号输入，芯片将接收到的扩频信号解调；同时发送回复信号，芯片内部将回复信号调制后输出；输出的DS-FSK之序列扩频信号经过信号放大电路，将信号耦合到电力线上。
经过这些处理，扩频通信***比常规的通信***具有很强的抗干扰。
本发明提供的一种用于电力载波通信芯片，将其应用于电力线抄表领域，该芯片以专用的集成电路设计，采用DS-FSK直序列频移键控的调制和解调技术实现对接收信号的解调，并将调制信号发送，使载波信号通信具有高效帧的中继转发协议、完善的网络数据通信协议栈，通信可靠性高、抗干扰性更强，物理层连接更优，使通讯速率更快，传输距离更远并兼具硬件纠错的功能，通讯可靠性更高，同时芯片的***器件简单，方便载波通信电路设计。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为相关器内码元滑动示意图；
图3为相关器与相位漂移关系示意图；
图4为采样点的相关值图；
图5为扩频输入信号转化成数据同步输出流程图；
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1为一种用于电力载波通信芯片结构示意图。集成电路总线连接外部存储器，用于存储其在电网中的MAC地址。串行通信端口直接和兼容《DL/T645多功能电能表通信协议》网络数据通信规范的主控设备连接，实现新型电力线载波通信网络和电子终端设备之间可靠的数据交换。
该电力载波通信芯片采用DS-FSK直序列频移键控的调制，DS-FSK具体调制方法为：1个伪码周期(31位伪码)前后各***1个伪码码元，如图2所示，该码元作为位同步误差调整，发送时M序列扩展为33位扩频码。信号“0”扩频之后序列如下：(1)0000010011000111100101011011101(0)。信号“1”扩频之后序列如下：(0)1111101100111000011010100100010(1)。基带信号与扩频码元同或运算之后将信号输出。
DS-FSK解调中由于接收信号与码元之间伪码信号之间存在相位误差，为了控制接收信号与(本地)伪码信号之间相位误差不超过一个码元，故定义3个相关器即第一相关器R1、第二相关器R2、第三相关器R3。
(1)第一相关器R1：和信号相位误差不超过一个码元；
(2)第二相关器R2：与第一相关器R1循环滞后一个码元；
(3)第三相关器R3：与第一相关器R1循环超前一个码元；
如图3所示：如果第一相关器R1与信号“1”同步(相位对齐，没有漂移)，其输出O1＝L×S；当本地相关器R1滞后信号k(小于一个码元长度)个采样点，则导致相关器输出减少r×k个单位。
如果第二相关器R2与信号“1”同步(相位对齐，没有漂移)，其输出O2＝(r－1)×S；其中S是每个码元上的采用点数。如果第二相关器R2滞后信号k个采样点，则第二相关器R2的输出不会变化仍为r×S；但如果第二相关器R2超前信号k个采样点，则第二相关器R2的输出增加r×k，变为：
O2＝(r－1)×S+r×k＝r×(S+k)－S
类同于第二相关器R2，如果第三相关器R3与信号“1”同步(相位对齐，没有漂移)，其输出O3＝(r－1)×S；如果第三相关器R3超前信号k个采样点，则第三相关器R3的输出不会变化仍为(r－1)×S；但如果第三相关器R3滞后信号k个采样点，则第二相关器R2的输出增加r×k，变为：
O3＝(r－1)×S+r×k＝r×(S+k)-S
解码过程中相关器通过帧同步、以及码片(数据位)相位对齐方法，使信号与R1的相位误差不超过一个码元。在对当前码片0/1判别前，需要先计算出第一相关器R1、第二相关器R2、第三相关器R3的输出值；并命名R1的输出值为O1输出值、R2的输出值为O2输出值、R3的输出值为O3输出值；通过判别O1输出值与阈值的比较，判别当前接收信号为“1”或是“0”。
帧同步；
为了便于帧同步，在报文的数据部分前面添加了两个字节“FF FE”的同步头，即二进制的15位“1”和1位“0”。帧同步就是要找到15个“1”中的某个“1”，然后再用后面的“1”确认，经确认后(有连续超过制定个数的“1”)发现“0”，则同步成功，后面就是数据。其过程为滑动方式找“1”；找到“1”后，用上面的解码方法确认每个码片是“1”(R1相关值超过阈值)；确认自从找到第一个“1”后，连续出现“1”的个数超过制定阈值(暂定位8)。在未找到8个连续的“1”前出现“0”，则同步失败。重新开始帧同步；找到连续“1”的个数够8个后，找后面的“0”。确定数据位的起始，开始数据部分解码。
如图4所示为扩频输入信号转化成数据同步输出的流程图。当扩频信号输入时，芯片采集一个完整伪码周期长的信号，一个伪码码元宽度内取有16个采样点，对每个采样点累加计算其相关器，各相关器相位相差一个码元，输出值构成一个曲线，相关器的长度为一个伪码周期，当判决器判定数据信号同步时，则有数据输出。当判决器判定非同步数据时，调整器会重新对采样点进行调整，重新判决时数据同步输出。
如图5为一种用于电力载波通信芯片在单相载波模块中应用的原理框图，包括：信号耦合电路、信号放大滤波电路、信号输入滤波电路、过零检测电路。信号耦合电路为弱电和强电之间提供载波信号的通道，信号放大滤波电路将小信号放大，能够提高载波通讯的距离，信号输入滤波电路是对从电力线上引入的信号进行滤波，提高载波信号的接收性能，过零检测电路是检测工频交流点为零点，为载波信号的同步提供依据。电力线上的载波信号经过信号耦合电路、信号输入滤波电路后，将扩频信号转化成数字信号输入，芯片接收到扩频信号后于内部的31位伪随机码波形相乘运算，将基带信号扩频。在芯片内部，基带信号与31位伪随机码相乘将基带信号扩频，芯片内部将扩频信号进行载波调制后输出。输出的DS-FSK之序列扩频信号经过信号放大电路，将信号耦合到电力线上。
实施例2：
一种用于电力载波通信芯片，集成了物理层、网络层、数据链路层和应用层；
I、物理层；
物理层使用DS-FSK直序列频移键控的调制解调从电力线上接收和发送比特流，实现两个数据链路之间透明的比特流传输；当数据链路层请求两个数据链路层之间建立物理连接时,物理层应立即为链路层建立物理连接。若两个数据链路之间要经过若干中继数据链路时,物理层应对这些中继数据链路进行互连,建立一条有效的物理连接；
II、数据链路层；
数据链路层在网络节点之间建立、维持和释放数据链路连接，有效控制网络节点之间的物理连接；在物理层比特流的基础上建立信息帧，发送节点和接收节点主要是通过对信息帧的操作，建立可靠的数据链路；
III、网络层；
网络层主要是实现源节点和目的节点之间的通信建立、维护和终止网络连接，并通过网络连接传输应用层服务数据；网络层实现网络建立、网络拆除、路由选择、中继转发、信息帧封装、信息帧拆分、数据传输和数据流量控制；网络层将根据网络情况和路由算法选择一条最佳的通信链路；
IV、应用层；
应用层数据通过异步半双工模式与窄带扩频电力线载波通讯芯片的串行接口实现数据交换；字节的传输格式字节传输序列；每个字节包含8位二进制编码，传输是加上一位起始位、一位奇偶校验位和一个停止位，共传输11位；传输字节格式，D0为字节低位，D7为字节高位，先传输低位D0后传输高位D7位；接口协议采用《DL/T645多功能电表通信协议》网络数据通信的规范。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于电力载波通信芯片，其特征在于包括：采用DS-FSK直序列频移键控的调制和解调步骤；步骤如下；
在1个伪码周期(31位伪码)前后各***1个伪码码元，该码元作为位同步误差调整，发送时将M序列扩展为33位扩频码；信号“0”扩频之后序列如下：(1)0000010011000111100101011011101(0)；信号“1”扩频之后序列如下：(0)1111101100111000011010100100010(1)；基带信号与扩频码元同或运算之后将信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力载波通信芯片，其特征在于DS-FSK具体解调步骤如下：为了控制接收信号与(本地)伪码信号之间相位误差不超过一个码元，定义第一相关器、第二相关器、第三相关器；第一相关器为本地M码序列；第二相关器与第一相关器循环滞后一个码元；第三相关器与第一相关器循环超前一个码元；解码过程中相关器通过帧同步、以及码片(数据位)相位对齐方法，使信号与第一相关器的相位误差不超过一个码元；在对当前码片0/1判别前，需要先计算出第一相关器、第二相关器、第三相关器的输出值；并命名第一相关器的输出值为O1输出值、第二相关器的输出值为O2输出值、第三相关器的输出值为O3输出值；通过判别O1输出值与阈值的比较，判别当前接收信号为“1”或是“0”。
3.根据权利要求2所述的一种用于电力载波通信芯片，其特征在于帧同步的处理步骤：为了便于帧同步，在报文的数据部分前面添加了两个字节“FF FE”的同步头，即二进制的15位“1”和1位“0”；帧同步就是要找到15个“1”中的某个“1”，然后再用后面的“1”确认，经确认后(有连续超过指定个数的“1”)发现“0”，则同步成功，后面就是数据；其过程为滑动方式找“1”；找到“1”后，用上面的解码方法确认每个码片是“1”(R1相关值超过阈值)；确认自从找到第一个“1”后，连续出现“1”的个数超过制定阈值(暂定位8)；在未找到8个连续的“1”前出现“0”，则同步失败；重新开始帧同步；找到连续“1”的个数够8个后，找后面的“0”；确定数据位的起始，开始数据部分解码。
4.根据权利要求1所述的一种用于电力载波通信芯片，其特征在于，扩频信号输入后，芯片采集一个完整伪码周期长的信号，一个伪码码元宽度内取大于16个采样点，对每个采样点累加计算其相关器，各相关器相位相差一个码元；判决器则判定数据信号是否同步，若同步则有同步数据输出，当判决器判定非同步数据时，调整器会重新对采样点进行调整，重新判决数据同步输出。
5.如权利要求1、2、3或者4所述的一种用于电力载波通信芯片，其特征在于：物理层使用DS-FSK直序列频移键控的调制解调从电力线上接收和发送比特流，实现两个数据链路之间透明的比特流传输；当数据链路层请求两个数据链路层之间建立物理连接时,物理层应立即为链路层建立物理连接；若两个数据链路之间要经过若干中继数据链路时,物理层应对这些中继数据链路进行互连,建立一条有效的物理连接；
数据链路层在网络节点之间建立、维持和释放数据链路连接，有效控制网络节点之间的物理连接；在物理层比特流的基础上建立信息帧，发送节点和接收节点主要是通过对信息帧的操作，建立可靠的数据链路；
网络层主要是实现源节点和目的节点之间的通信建立、维护和终止网络连接，并通过网络连接传输应用层服务数据；网络层实现网络建立、网络拆除、路由选择、中继转发、信息帧封装、信息帧拆分、数据传输和数据流量控制；网络层将根据网络情况和路由算法选择一条最佳的通信链路；
应用层数据通过异步半双工模式与窄带电力线载波通讯芯片的串行接口实现数据交换；字节的传输格式字节传输序列；每个字节包含8位二进制编码，传输是加上一位起始位、一位奇偶校验位和一个停止位，共传输11位；传输字节格式，D0为字节低位，D7为字节高位，先传输低位D0后传输高位D7位；接口协议采用《DL/T645多功能电表通信协议》网络数据通信的规范。
6.含有电力载波通信芯片的单相载波模块，其特征在于包括：信号耦合电路、信号放大滤波电路、信号输入滤波电路、过零检测电路；信号耦合电路为弱电和强电之间提供载波信号的通道，信号放大滤波电路将小信号放大，能够提高载波通讯的距离，信号输入滤波电路是对从电力线上引入的信号进行滤波，提高载波信号的接收性能，过零检测电路是检测工频交流点为零点，为载波信号的同步提供依据；电力线上的载波信号经过信号耦合电路、信号输入滤波电路后，将扩频信号转化成数字信号输入，芯片将接收到的扩频信号解调；同时发送回复信号，芯片内部将回复信号调制后输出；输出的DS-FSK之序列扩频信号经过信号放大电路，将信号耦合到电力线上。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150624 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |