CN110247872B

CN110247872B - 一种用于电力线载波通信芯片的同步检测方法及装置

Info

Publication number: CN110247872B
Application number: CN201910228630.7A
Authority: CN
Inventors: 房爱兵; 王丹阳
Original assignee: Nanjing Jess Microelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Jess Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN110247872A

Abstract

本发明公开一种用于电力线载波通信芯片的同步检测方法及装置，包括如下步骤：对模拟前端采样得到的实数数字信号进行512点复数FFT计算；对512点复数FFT计算结果进行合并转换矩阵乘法计算，所述合并转换矩阵合并了复数/实数FFT转换矩阵、相关序列系数以及实数/复数iFFT转换矩阵；对合并转换结果进行512点复数iFFT计算；根据512点复数iFFT计算结果进行峰值搜索，得到时域上的前导符号边界，完成同步检测。本发明利用现有的FFT后处理硬件资源，复用同一套硬件资源，将FFT后处理过程、相关运算过程、iFFT预处理过程融为一体，有效地节省了硬件资源和处理时间，可适应多场景处理。

Description

一种用于电力线载波通信芯片的同步检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力线载波通信技术领域，具体涉及一种同步检测方法及装置。

背景技术

电力线载波通信(Power Line Carrier Communication，简称PLC)是一种以输电线路为传输媒介的电力通信***。可以利用现有电力网络进行通信，广泛应用于社区、商业、工业智能电网抄表、状态监控等多个领域。

根据国家电网Q/GDW 11612.41—2016标准，电力线载波通信物理层接收机处理流程如附图1，在进行接收时，经过自动增益调整后，首先进行同步检测，成功之后依次进行帧控制/载荷数据的解调和解码，得到最终的接收数据。

同步检测是接收链路的第一步重要环节，关系到后续流程检测的成功率。在电力载波通信芯片中，一方面要保证通信性能，另一方面需要尽可以压缩资源开销以节省成本。

基于国家电网Q/GDW 11612.41—2016标准，目前国内已有较多基于该标准的PLC通信芯片及应用。在实现帧同步环节，协议提供preamble(前导)符号可用于进行相关计算。通常的做法是用接收到的前导符号单独进行一次相关运算，得到符号位置，需要单独为相关运算提供运算资源以及处理时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电力线载波通信芯片的同步检测方法及装置，以节省相关计算的硬件逻辑资源和处理时间。

本发明具体采用如下技术方案：

一种用于电力线载波通信芯片的同步检测方法，其特征在于包括如下步骤：

对模拟前端采样得到的实数数字信号进行512点复数FFT计算；

对512点复数FFT计算结果进行合并转换矩阵乘法计算，所述合并转换矩阵合并了复数/实数FFT转换矩阵、相关序列系数以及实数/复数iFFT转换矩阵；

对合并转换结果进行512点复数iFFT计算；

根据512点复数iFFT计算结果进行峰值搜索，得到时域上的前导符号边界，完成同步检测。

一种用于电力线载波通信芯片的同步检测装置，其特征在于包括：

FFT计算模块，对模拟前端采样得到的实数数字信号进行512点复数FFT计算；

FFT后处理模块，对512点复数FFT计算结果进行合并转换矩阵乘法计算，所述合并转换矩阵合并了复数/实数FFT转换矩阵、相关序列系数以及实数/复数iFFT转换矩阵；

iFFT计算模块，对合并转换结果进行512点复数iFFT计算；

峰值搜索模块，根据512点复数iFFT计算结果进行峰值搜索，得到时域上的前导符号边界。

本发明利用现有的FFT后处理硬件资源，复用同一套硬件资源，将FFT后处理过程、相关运算过程、iFFT预处理过程融为一体，由硬件在计算FFT过程中得到相关运算的初步结果，再由软件根据上报结果搜索得到帧边界，完成同步检测过程。该方案通过增加可选的系数ROM实现同步检测，有效地节省了硬件资源和处理时间，同时后处理部分由软件实现，具有一定的灵活性，可适应多场景处理。

附图说明

图1是PLC接收机处理流程；

图2是前导OFDM符号；

图3是PLC同步检测过程；

图4是合并的FFT+同步处理结构；

图5是同步检测实现装置；

图6是软件峰值搜索结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图，对本发明技术方案进行完整的描述。

实施例一

根据协议，前导帧格式示意图如图2，前导由10.5个SYNCP与2.5个SYNCM组成。SYNCP的定义为：

其中，C为可用的载波集合，N＝1024，SYNCM＝-SYNCP。前导开始的0.5个SYNCP是SYNCP的后半部分，最后的0.5个SYNCM是SYNCM的前半部分。物理层OFDM符号，时域上是基于25MHz的时钟采样率，1个符号对应1024个实数样点。

目前通常的同步检测的做法是采用原始的或理想的前导信号对接收到的信号进行相关计算再进行FFT。本发明提出了一种结合FFT计算过程，将频域相关计算融合在FFT数据转换过程中，有效简化处理流程，同时节省资源开销，有利于在通信芯片中的实现。

一种接收机利用前导信号进行同步检测的方法，包括如下步骤：获取由模拟前端采样转成的数字信号进行FIR滤波，过滤掉频段以外的噪声；然后对实数数字信号进行转复数映射，从而进行512点复数FFT计算；然后对512点复数FFT计算结果进行合并转换矩阵乘法计算，所述合并转换矩阵合并了复数/实数FFT转换矩阵、相关序列系数以及实数/复数iFFT转换矩阵；对上述转换结果进行512点复数iFFT计算；将512点复数iFFT计算结果上报给软件进行峰值搜索，搜索到的峰值位置即是有效的前导符号边界，完成同步检测。

其中，FFT与iFFT中间的转换矩阵的产生，兼容了同步检测和FFT后处理2种功能，在实现过程中针对2种矩阵进行处理。

如图3、4所示，同步检测过程分为硬件处理环节(S101～S105)与软件处理环节(S106)。

S101：512点复数FFT计算。

数字信号经过滤波后，对每个符号进行FFT计算，1个符号对应实数样点为1024个，从更低资源开销考虑，转换为512点复数FFT。所以该步骤主要将1024个实数分为奇偶2组序列作为复数的实部和虚部，使用512点复数FFT进行运算。该环节中，512点FFT计算装置作为1个IP进行调用。

S102：FFT后处理(post-FFT)，即将512点复数FFT转换为1024点实数FFT处理过程。

用512点复数FFT完成1024点实数FFT计算由以下推导过程给出。

根据通常的N点实数转N/2点复数FFT计算方法，可由下面公式得到：

其中G(k)是复数512点FFT结果，Y(k)是G(k)经转换矩阵处理的值，其中Y(k)的实虚部作为实数的偶奇序列，G*(N-k)、Y*(N-k)为G(k)、Y(k)取共轭计算的结果。

其中的A(k),B(k)参数为

S103：频域相关计算。

实现同步相关计算，在频域即为与相关序列进行共轭相乘。

相关序列Xn是已知的1024点preamble序列。频域相关计算公式为：

X(k)＝Y(k)×Xn^*，*为共轭计算。 (公式2)

S104：用512点复数iFFT完成1024点实数iFFT计算，需要做Pre-iFFT处理。

在频域完成相关运算之后，还需要转到时域从而找到符号边界，所以需要进行iFFT转换。

同FFT转换方法，iFFT的转换公式为：

其中，G'(k)表示512点复数iFFT的输入数据，*为共轭计算。

S102～S104：同步计算合并

将S102,S103,S104三个步骤合并后，可以进一步简化这个处理过程。合并公式为：

用变量Ann,Bnn表示合并系数，合并转换矩阵如下：

则最终结果为：

S105：512点复数iFFT计算，为现有通用计算方法。

S106：峰值搜索

这个过程主要是从iFFT的结果中搜索最大相关峰的大小以及所在位置，得到符号边界；然后通过找到SYNCM/SYNCP峰值相反的位置，确定帧边界。最终获得的峰值情况，如图6。

峰值计算方法为

Pos_peak＝Max(iFFT(k)),k＝0～1023

实施例2

一种利用前导信号进行同步检测的装置，包括：FFT计算模块，用来将时域数据转成频域结果，具体是对经过滤波后的模拟前端采样得到的1024点实数数字信号进行512点复数FFT计算；FFT后处理模块，用来将512点复数FFT结果加上复数/实数FFT转换矩阵和同步序列进行相关运算，并对相关运算结果进行实数/复数iFFT转换，同时也支持仅处理512点复数FFT结果不进行同步检测；iFFT计算模块，将同步运算的频域相关运算结果转换到时域，即对上一步转换结果进行512点复数iFFT计算；峰值搜索模块，通过峰值搜索得到时域上的符号边界，以便完成同步检测。

如图5，其中FFT、iFFT、峰值搜索是常用的现有技术，FFT后处理模块是本发明的主要内容，下面结合前面介绍的计算公式给出具体电路的实施方式。

具体地，FFT后处理模块可以实现2个功能：

功能1：同步检测。完整的同步检测按先后顺序S101～S105。所述的FFT后处理模块可以将环节S102,S103,S104合并到一起处理，输出结果送到iFFT模块，得到同步检测所需要的结果。在PLC RX接收通路进行同步检测时，使用该功能分支。该功能可通过模式选择寄存器sel＝0配置选择。

功能2：仅进行FFT结果的后处理，即将512点复数FFT转换成1024点实数FFT所需要进行的矩阵转换计算过程。在PLC RX接收通路工作时，在进行接收数据FFT转换时使用该功能分支。该功能可通过模式寄存器sel＝1配置选择。

为了能兼容实现上述2种功能，FFT后处理模块包括如下几个模块：含有4个实数乘法器的复数乘法单元；事先计算好的同步检测系数表(相关序列系数)，存放在Ann/Bnn2块512x32的ROM1中，用于功能1；事先计算好的FFT计算系数表(复数/实数FFT转换矩阵系数)，存放在An/Bn 2块512x32的ROM2中，用于功能2；模式选择控制器，用于切换2个功能的系数以及输出数据。在具体的电路上，实现简单，均为常规实现电路，可进行复用，进行同步检测时，选择功能1；在进行频域数据处理用于信道估计时，选择功能2。

具体地，Ann/Bnn的ROM1系数计算公式为：

其中N＝512,k＝0,1,2……255,X(k)为图4中相关运算后的数据。

An/Bn的ROM2系数计算公式为：

该装置中的模式选择寄存器，根据当前RX接收过程状态机进行切换。由于RX接收过程先进行同步检测，硬件状态机为同步检测过程时，sel＝0；当硬件状态机跳到FFT计算过程时，sel＝1。

本发明提出的一种简单、硬件可复用的前导同步检测的方法，省略了独立的同步相关计算过程，通过模式选择整合在FFT计算处理环节，有效简化了运算步骤，节省了硬件资源。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种用于电力线载波通信芯片的同步检测方法，其特征在于包括如下步骤：

对模拟前端采样得到的实数数字信号进行512点复数FFT计算；

对合并转换结果进行512点复数iFFT计算；

2.一种用于电力线载波通信芯片的同步检测装置，其特征在于包括：

iFFT计算模块，对合并转换结果进行512点复数iFFT计算；

3.如权利要求2所述的用于电力线载波通信芯片的同步检测装置，其特征在于所述FFT后处理模块包括ROM1和由4个实数乘法器构成的复数乘法单元，所述ROM1用于存放合并转换矩阵，所述复数乘法单元用于将512点复数FFT计算结果与合并转换矩阵进行乘法计算。

4.如权利要求3所述的用于电力线载波通信芯片的同步检测装置，其特征在于所述FFT后处理模块还包括ROM2和模式选择控制器，所述ROM2用于存放复数/实数FFT转换矩阵，所述模式选择控制器用于选择输出复数/实数FFT转换矩阵或合并转换矩阵到复数乘法器，与512点复数FFT计算结果进行乘法计算。