CN104954311B - 基于ofdm调制的电力线载波通信***前导信号生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，包括如下步骤：S1，设置OFDM符号的特性参数，特性参数包括IFFT点数；S2，根据IFFT点数N，设计一组长二进制伪随机序列PNL，伪随机序列PNL的长度为NL；S3，对伪随机序列PNL进行第一BPSK符号映射，得到BPSK调制信号，并将BPSK调制信号填充到对应的有效子载波上；S4，对BPSK调制信号做离散快速傅立叶反变换，得到OFDM基本信号；S5，设计一组二进制短序列PNS，短序列PNS的码长为NS；S6，对短序列PNS做BPSK调制，得到短序列符号；S7，利用短序列符号对OFDM基本信号进行联合调制，得到NS段的联合调制信号；S8，根据NS段的联合调制信号确定前导信号。本发明适应复杂的电力线多径信道环境。
Description
【技术领域】
本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法。
【背景技术】
电力线载波通信技术简称PLC，是指利用电力线传输数据的一种通信方式。电力线载波通信的工作频率远大于电网的工频信号50Hz或60Hz，这样的高频信号可以与电能同时在电力线里传输，因此，可以充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“No New Wires”技术，节约了资源，同时也节省了人力，节约了线缆投资，加快了网络开通时间。特别是电力线载波通信***可应用在自动抄表(AMR)、远程投/切开关、能量/负荷管理、设备监视和断电告警等领域，能够极大提高电网的安全性和可靠性，改善服务质量和经济效益。
然而，电力线信道传输环境非常恶劣，存在多种复杂噪声干扰、与其他业务频段信号的耦合、恶劣的频率选择性和快速时变性，这些都造成了对信号可靠传输的极大的阻碍，需要有效的技术来保证信号传输的高效鲁棒性。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，缩写为OFDM)技术具有高速的数据传输能力、高效的频谱利用率和抗多径干扰、抵抗频率选择性衰落信道能力，因此很适合应用于电力线通信领域。目前，国际上制定的窄带电力线载波通信标准，包括ERDF G3标准、PRIME标准和ITU G.9955，均是支持OFDM调制的窄带电力线载波通信技术标准。但国外的技术标准并不适合我国国情，因此，需要专门针对中国的电力线环境开发相应的OFDM通信***。
由于窄带电力线载波通信***属于突发的通信***，其对同步性能要求非常严格，任何时间或频率上的误差，都会对电力线载波通信***的性能造成很大的损失。因此，设计良好的前导信号，便于发射端和接收端快速准确的获得同步，对电力线载波通信***具有重要意义。
现有技术中，通常利用两个或多个重复的OFDM数据来设计前导信号，然而，发射端和接收端难以达到准确同步，且抗噪声性较低。
另外，不同国家和地区对电力线载波通信的通信频段要求是不同的，欧洲的CENELEC规定A信道频带10kHz to 95kHz、B信道频带95kHz to 120kHz、C信道频带120kHzto 140kHz，美国的通信委员会FCC规定采用10kHz to 490kHz，而我国规定电力线载波通信频段为3kHz～500kHz。目前的前导信号难以适应多个国家和地区对频段的要求。
【发明内容】
由于简单重复的OFDM数据的相关性并不强，导致所生成的前导信号同步精确度不高，抗噪声性也不强。电力线载波通信***中，电力线信道是非常恶劣的信道，各种干扰噪声复杂，阻抗变换大，衰减较大，存在严重的干扰、严重阻抗失配和多径衰落严重等问题。因此，现有技术的上述方法生成的前导信号无法满足应用时使发射端和接收端准确同步以及抗噪声性强的要求。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，提高同步精度和抗噪声性能。
基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，包括如下步骤：
S1，设置OFDM符号的特性参数，所述特性参数包括IFFT点数；
S2，根据所述IFFT点数N，设计一组长二进制伪随机序列PNL，所述伪随机序列PNL的长度为NL；
S3，对所述伪随机序列PNL进行第一BPSK符号映射，得到BPSK调制信号，并将所述BPSK调制信号填充到对应的有效子载波上；
S4，对所述BPSK调制信号做离散快速傅立叶反变换，得到OFDM基本信号；
S5，设计一组二进制短序列PNS，所述短序列PNS的码长为NS；
S6，对所述短序列PNS做BPSK调制，得到短序列符号；
S7，利用所述短序列符号对所述OFDM基本信号进行联合调制，得到NS段的联合调制信号；
S8，根据所述NS段的联合调制信号确定前导信号，所述前导信号包含所述联合调制信号。
在一个实施例中，在步骤S8还包括如下步骤：
截取前缀信号和后缀信号，分别放置于所述联合调制信号的第一段之前和最后一段之后；其中，所述前缀信号取于所述联合调制信号的第一段，所述后缀信号取于所述联合调制信号的最后一段；
将所述前缀信号、联合调制信号和后缀信号的整体作为所述前导信号。
在一个实施例中，所述前缀信号取于所述联合调制信号的第一段的最后面RI个数据，所述后缀信号取于联合调制信号的最后一段的最前面RI个数据。
在一个实施例中，所述步骤S2包括如下步骤：
S21，所述伪随机序列PNL的长度NL满足：
S22，选取所述伪随机序列PNL的m1阶本原多项式G1(x)，其中m1满足：
S23，根据选取的m1阶本原多项式G1(x)，设置初始相位值，生成长度为NL的伪随机序列PNL。
在一个实施例中，所述步骤S3包括如下步骤：
S31，将所述伪随机序列PNL映射成BPSK调制信号XL：
XL(k)＝[1-2×PNL(k)]+j[1-2×PNL(k)]；
其中，XL(k)表示第k个BPSK调制信号XL，PNL(k)表示伪随机序列PNL的第k个值；
S32，将所述BPSK调制信号XL(k)逐一填充到OFDM子载波上；
其中，Xb(k)表示第k个OFDM子载波。
在一个实施例中，将序号为上的子载波设置为无效子载波。
在一个实施例中，所述步骤S4包括如下步骤：
对所述BPSK调制信号做快速傅立叶反变换的结果再取实部，得到OFDM基本信号：
其中，xb(n)表示OFDM基本信号，IFFT[·]表示快速傅立叶反变换操作函数，real[·]表示对复数信号取实部操作函数。
在一个实施例中，所述步骤S6包括如下步骤：
通过如下方式对所述短序列PNS做BPSK调制：
xs(i)＝[1-2×PNS(i)],0≤i≤NS；
其中，xs(i)表示短序列符号中的第i个符号，PNS(i)表示短序列PNS中第i个值。
在一个实施例中，所述NS段的联合调制信号S(n)为：
其中，RN[·]表示基于长度N的矩形窗函数：
在一个实施例中，还包括如下步骤：
通过升余弦窗对所述前导信号进行加窗处理，其中，加窗函数win(n)为：
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明一方面充分利用伪随机序列的良好自相关性能，使得生成的前导信号也具有良好的相关性，即可为同步提供准确和可靠的定时位置，以适应复杂的电力线多径信道环境。
另一方面，充分利用OFDM有效子载波配置的灵活性，使得前导信号的频段范围方便可调，以满足适应不同国家和地区对电力线载波频段的要求。
同时，前导信号的子载波调制充分利用伪随机序列的随机特性，使得所生成的前导信号具有低峰均比的特点。
另外，通过对整个前导信号的加窗处理，进一步降低了带外辐射功率，保证***的良好电磁兼容性。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式提供的一种前导信号生成方法流程图；
图2是OFDM***中有效子载波和虚拟子载波分布的一种具体实施方式；
图3是本发明具体实施方式中长伪随机序列PNL的生成结构图；
图4是本发明具体实施方式中所生成前导信号结构示意图；
图5是本发明具体实施方式中所生成的前导信号波形示意图；
图6是本发明具体实施方式中所生成前导信号的频谱示意图；
图7是本发明具体实施方式中接收端接收的前导信号在-3dB的信噪比情况下的相关峰值示意图。
【具体实施方式】
以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。
如图1至7所示，一种实施例的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，用于生成OFDM电力线载波通信***的前导信号。
步骤S1：设置***的OFDM符号特性参数，包括工作频带、子载波间隔和IFFT点数等。
首先，定义***的OFDM符号特性参数，具体如下表所示：
表1 OFDM窄带电力线载波通信***参数
| 指标 | 取值 |
| 工作频率(kHz) | 250 |
| IFFT点数N | 512 |
| 工作频带(kHz) | 41.992～88.867 |
| 子载波间隔Δf | 488.28125Hz |
其中，工作频率是所有有效子载波和无效子载波占据的总频段。
接着，基于工作频带和子载波间隔，计算实际工作的有效子载波总数(NV＝97)以及所对应的有效子载波序号从86～182。因此，其子载波的分布如图2所示，图2中，W1表示有效子载波，W2表示无效子载波。
步骤S2：根据IFFT点数，设计一组长二进制伪随机序列，称为长序列PNL，长度为NL。
首先，根据IFFT点数N为512，确定二进制伪随机序列的长度NL的范围要求，即
接着，基于长序列PNL长度要求，即NL≥255，选取所述长伪随机序列的m1阶本原多项式G1(x)，其中m1满足：
即m1＝8
然后，根据选取的8阶本原多项式G1(x)＝x8+x4+x3+x2+1，优化设置合理的初始相位值为10101011b，生成长度为NL＝255的所述长序列PNL，其生成结构如图3所示；
步骤S3：对长序列PNL进行BPSK符号映射，得到其调制信号并填充到对应的有效子载波上；
首先，将所述长序列PNL映射成BPSK调制信号XL，其中映射规则为：
XL(k)＝[1-2×PNL(k)]+j[1-2×PNL(k)]；
其中，XL(k)第k个BPSK调制信号，PNL(k)表示伪随机序列PNL的第k个值；
其次，将BPSK调制信号XL(k)逐一填充到IFFT点数为512、子载波间隔为Δf以及有效子载波个数为97的OFDM调制载波上，即；
优选地，为了在电力线上实现基带实数信号的发送，将256≤k≤511上的子载波均设置为无效子载波。
步骤S4：对映射后的调制信号做离散快速傅立叶反变换(IFFT)，得到OFDM基本信号。
对调制信号做快速傅立叶反变换的结果再取实部，得到OFDM基本信号，即：
其中，xb(n)表示OFDM基本信号。IFFT[·]表示快速傅立叶反变换操作函数。real[·]表示对复数信号取实部操作函数。
步骤S5：引入另外一组短二进制伪随机序列或巴克码或它们的截断码，统称为短序列PNS，码长为NS；
由于短序列PNS是为了对整个OFDM基本信号进行整体调制，因此其长度设计通常要兼顾同步性能与传输效率，通常设计其码长为10～20之间。在本优选实施例中，选取NS＝13bit的具有优良相关性能的巴克码作为短序列，即
PNS＝[1,1,1,1,1,0,0,1],。1,0,1,0,1
步骤S6：对短序列PNS做BPSK调制，得到短序列符号；
短序列PNS做BPSK调制是为了实现对整个OFDM基本信号的正负调制，因此，其BPSK调制规则为：
xs(i)＝[1-2×PNS(i)],0≤i≤NS；
其中，XL(k)表示第k个BPSK调制信号XL，PNL(k)表示伪随机序列PNL的第k个值。
通过上式，实现二进制短序列从“0”到+1值以及“1”到-1值的符号映射，得到相应的短序列符号。
步骤S7：利用短序列符号对OFDM基本信号进行联合调制，得到NS段联合调制信号；
利用短序列符号对OFDM基本信号进行联合调制，可以得到总长度为N·NS的联合调制信号，即：
其中，RN[·]表示基于长度N的矩形窗函数，即
至此，可以根据所述NS段的联合调制信号确定前导信号，将联合调制信号作为前导信号。但是，由于这个联合调制信号的频谱带外骚扰等性能较差，还需要步骤S8至S9的进一步处理，才能进一步提高相关性能。
步骤S8：截取前缀信号和后缀信号，分别放置于联合调制信号的最前面和最后面；
所述的前缀信号取于联合调制信号的第1段(序号i等于0)的最后面RI个数据，而后缀信号取于联合调制信号的第NS-1段(亦即最后一段，序号i等于[NS-1])的最前面RI个数据。优选地，设置RI取值为124。其实现方式正如图4的前导信号调制示意图所示，TRI表示前缀信号和后缀信号的长度。
步骤S9：对前缀信号和后缀信号进行加窗处理，得到将加窗后的前缀信号和后缀信号、以及联合调制信号作为***最终的前导信号。
为了进一步减小***的频谱带外骚扰，通过设计升余弦窗对前导信号进行加窗处理，得到的最终前导信号波形如图5所示。具体加窗函数表示为：
从图6的最终前导信号频谱示意图可以看出，所生成的信号频谱在41.992～88.867kHz，而且带外衰减可达30dB以上，可以很好地满足通常的电磁兼容性要求。
而如图7所示为在-3dB的信噪比情况下，接收端接收的前导信号的相关峰值示意图。从图7中可以看出，即使在-3dB的恶劣通信环境下，接收端前导信号的相关峰值仍然非常明显，表明前导信号抗噪声性很强，性能很好。
同时，从所述方法可以看出，通过简单修改工作频带，可以确保***工作在40kHz～500kHz的电力线载波专用频段内的任意频段，因而可以很好地支持中国电力线载波专用频段，以及欧洲CENELEC A/B/C/D频段和扩展频段。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (7)
1.基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，包括如下步骤：
S1，设置OFDM符号的特性参数，所述特性参数包括IFFT点数；
S2，根据所述IFFT点数N，设计一组长二进制伪随机序列PNL，所述伪随机序列PNL的长度为NL；
S3，对所述伪随机序列PNL进行第一BPSK符号映射，得到BPSK调制信号，并将所述BPSK调制信号填充到对应的有效子载波上；
S4，对所述BPSK调制信号做离散快速傅立叶反变换，得到OFDM基本信号；
S5，设计一组二进制短序列PNS，所述短序列PNS的码长为NS；
S6，对所述短序列PNS做BPSK调制，得到短序列符号；
S7，利用所述短序列符号对所述OFDM基本信号进行联合调制，得到NS段的联合调制信号；
S8，根据所述NS段的联合调制信号确定前导信号，所述前导信号包含所述联合调制信号；
步骤S2具体包括：根据所述IFFT点数N，确定所述伪随机序列的长度NL的范围要求为基于伪随机序列PNL的长度NL的要求，选取伪随机序列PNL的m1阶本原多项式G1(x)，其中m1满足根据选取的m1阶本原多项式G1(x)，设置初始相位值，生成长度为NL的伪随机序列PNL；
步骤S8具体包括：截取前缀信号和后缀信号，分别放置于联合调制信号的最前面和最后面；其中，所述前缀信号取于联合调制信号的第1段的最后面RI个数据，所述后缀信号取于联合调制信号的最后一段的最前面RI个数据；对所述前缀信号和所述后缀信号进行加窗处理，并将加窗后的前缀信号和后缀信号以及联合调制信号作为所述前导信号。
2.如权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，所述步骤S3包括如下步骤：
S31，将所述伪随机序列PNL映射成BPSK调制信号XL：
XL(k)＝[1-2×PNL(k)]+j[1-2×PNL(k)]；
其中，XL(k)表示第k个BPSK调制信号XL，PNL(k)表示伪随机序列PNL的第k个值；
S32，将所述BPSK调制信号XL(k)逐一填充到OFDM子载波上；
其中，Xb(k)表示第k个OFDM子载波。
3.如权利要求2所述的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，
将序号为上的子载波设置为无效子载波。
4.如权利要求3所述的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，所述步骤S4包括如下步骤：
对所述BPSK调制信号做快速傅立叶反变换的结果再取实部，得到OFDM基本信号：
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其中，xb(n)表示OFDM基本信号，IFFT[·]表示快速傅立叶反变换操作函数，real[·]表示对复数信号取实部操作函数。
5.如权利要求4所述的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，所述步骤S6包括如下步骤：
通过如下方式对所述短序列PNS做BPSK调制：
xs(i)＝[1-2×PNS(i)],0≤i≤NS；
其中，xs(i)表示短序列符号中的第i个符号，PNS(i)表示短序列PNS中第i个值。
6.如权利要求5所述的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，所述NS段的联合调制信号S(n)为：
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其中，RN[·]表示基于长度N的矩形窗函数：
7.如权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信***前导信号生成方法，其特征是，还包括如下步骤：
通过升余弦窗对所述前导信号进行加窗处理，其中，加窗函数win(n)为：
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