CN112636788B

CN112636788B - 一种chirp信号在电力线上传输的方法及***

Info

Publication number: CN112636788B
Application number: CN202011451291.8A
Authority: CN
Inventors: 毛翔宇; 文康; 郑建宏; 段红光
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112636788A

Abstract

本发明涉及一种chirp信号在电力线上传输的方法及***，属于物联网通信技术领域。该方法利用Chirp符号的时间和频率关系，根据干扰频段，计算出Chirp符号对应频段的时间范围；在该时间范围内发送端处于静默状态，不发送任何数据；接收端接收到一个Chirp符号数据，同样根据Chirp符号的频率和时间关系，根据干扰频段，计算出接收Chirp符号中对应频段的时间范围，接收端将该时间范围的Chirp符号数据置零，然后采用正常Chirp信号滤波器进行解调。本发明在发送端不需要额外复杂电路和多个Chirp符号；在接收端，根据上或下Chirp符号的时频关系，分别剔除干扰频率对应的Chirp符号数据即可。

Description

一种chirp信号在电力线上传输的方法及***

技术领域

本发明属于物联网通信技术领域，涉及电力线宽带载波通信***扩频通信Chirp信号使用方法，具体涉及一种在电力线采用Chirp调制传输方法及***。

背景技术

线性调频扩展频谱(Chirp Spread Spectrum，CSS)是扩频通信中一种重要的扩频方式。 Chirp信号一个符号周期内瞬时频率随着时间线性变化，具有良好的自相关特性，是一种典型的扩频信号。由于Chirp信号脉冲压缩对频偏、多普勒频移具有好很强的免疫性，多径分辨力高，发射信号的峰均功率比小，所以CSS通信***具有许多优势，比如抗干扰能力强，对频偏、多普勒频移不敏感，***复杂度低，低功耗等，所以被广泛应用到各种物联网***中。

在以往的CCS通信***中，由于Chirp信号占据的无线带宽较窄，一般只有几百赫兹，所有影响Chirp信号接收性能主要是信号功率以及多径问题。可以认为在Chirp信号的传输过程中没有频率性衰落问题，同样由于在以往的窄带CCS通信***中，Chirp符号工作带宽小，不需要进行频率性衰落处理，所以在传输数据符号中也不需要***导频符号。

由于近几年物联网通信需求的发展，人们对物联网通信也提出了更高要求，并且由于硬件技术发展，对Chirp信号处理能力也得到加强。Chirp符号带宽达到几兆赫兹，并且由于物联网***中CCS通信环境比较复杂，需要传输距离远，信号衰落比较大，干扰严重，如果不考虑Chirp信号传输过程中的频率性衰落问题，很难体现宽带Chirp传输的优势。所以在无线通信中，宽带Chirp调制传输都将采用均衡技术来解决Chirp信号的频域衰落问题。

但是仅仅采用频率均衡方法很难满足一些场景的需求，例如将宽带Chirp信号应用在电力线上传输，由于电力线没有进行屏蔽处理，所以空中的无线信号非常容易耦合到电力线上，这些无线信号将对电力线通信频率造成很强的干扰，并且加之电力线电抗随频率变化比较大，并且也会导致某些频率范围不能使用。

在OFDM***中，由于采用子载波承载信息方式进行传输，所以在OFDM***中比较容易剔除频带中不能使用的频率分成，即不使用频率对应的子载波即可。但是Chirp信号调制，频率是连续变化，并且随着时间变化而变化。但是Chirp信号没有这种简单的剔除频率成分的机制。

其实在Chirp调制技术的发展过程中，对频率使用的方式也出现两种方式，如图1所示。在Chirp调制通信过程中，可以剔除部分不使用的频率。

根据图1所示，方法(a)是将整个Chirp频带分成多个子带，将不能使用的频率从Chirp频带中剔除，每个子带生成独立的Chirp符号，然后叠加在一起进行发送，在接收端将对多个子带 Chirp符号进行联合解调。方法(b)是将整个Chirp符号也分成多个子带，将不能使用的频率从频带中剔除，当然在时间上依次生成不同子带的Chirp符号，这些子带Chirp符号在时间上不重叠，形成跳频方式，在接收端将接收到这些子带，然后进行联合解调。图1中提供的两种方法，从技术上都能够实现将Chirp符号剔除不能使用的频率成分。但是在实际工程中，特别是低成本物联网***，它们都存在一个特点，实现成本比较高，并且不容易灵活控制剔除不使用的频率。

在干扰严重的物联网***中，剔除频率比较多，也可能比较零散，那么就需要生成很多个Chirp符号，并且Chirp符号数目不确定，并且这些Chirp符号的开始频率和结束频率也不确定，所以在工程实现中非常不方便，也不利于物联网低成本特点要求。

在Chirp调制通信***中，为了增加抗干扰能力，可以采用大带宽方式，所以宽带Chirp 符号在通信中使用比较广泛。但是大带宽也存在一些问题，例如在Chirp符号的带宽内，不同频率成分衰落差距比较大，在单Chirp符号通信中，没有一种成熟的方法来剔除Chirp符号中干扰频率成分，一般是不考虑这种频率衰落对性能的影响。在无线通信中，即使这种频率衰落差距比较大，依然可以接受，但是在物联网***中，这种衰落差别不能接受，也不利于 Chirp调制方式在零散的频带中使用。

在宽带Chirp调制中，可以采用多子带Chirp调制方式或是采用跳频Chirp方式来解决 Chirp符号的频率不连续问题，但是这两种方法适用于干扰频段固定，以及不考虑成本情况。并且这种剔除不可使用频段的灵活性比较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种chirp信号在电力线上传输的方法及***，根据 Chirp信号特点，剔除Chirp信号中不能使用的频率。在发送段实现非常简单，不需要额外复杂电路，也不要生成多个Chirp符号；仅仅在接收Chirp符号的时候，根据上Chirp或下Chirp 符号的时频关系，分别剔除干扰频率对应的Chirp符号数据即可。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种chirp信号在电力线上传输的方法，利用Chirp符号的时间和频率关系，根据干扰频段，计算出Chirp符号对应频段的时间范围；在该时间范围内发送端处于静默状态，不发送任何数据；接收端接收到一个Chirp符号数据，同样根据Chirp符号的频率和时间关系，根据干扰频段，计算出接收Chirp符号中对应频段的时间范围，接收端将该时间范围的Chirp 符号数据置零，然后采用正常Chirp信号滤波器进行解调。Chirp避开干扰频段的原理如图2 所示。

进一步，如图3所示，在发送端发送Chirp符号过程中，剔除干扰频率具体包括以下步骤：

S11：根据Chirp符号参数特性，确定Chirp符号的开始频率f₁和截至频率f₂，以及Chirp 符号长度T，生成完整的Chirp符号数据；

S12：根据Chirp符号的频率和时间关系函数，干扰频段的开始频率f₁和截至频率f₂，计算出Chirp符号干扰频段对应的开始时间t₁和结束时间t₂；

S13：发送端在正常发送Chirp符号时候，在t₁到t₂时刻禁止发送Chirp符号数据；

S14：发送端仅在干扰频段对应时刻以外的Chirp符号时间，正常发送Chirp符号。

进一步，如图4所示，在接收端接收Chirp符号过程中，剔除干扰频率具体包括以下步骤：

S21：接收端本地根据确定Chirp符号特征参数，即开始频率f₁和截至频率f₂，以及Chirp 符号长度，在通信线路上接收一个完整Chirp符号数据；

S22：根据Chirp符号频率和时间关系函数，计算出干扰频段的即开始频率f₁和截至频率 f₂，分别计算出上Chirp符号干扰频段对应的开始时间和结束时间，和下Chirp符号干扰频段对应的开始时间和结束时间；

S23：从接收到完整Chirp符号中剔除干扰频段数据，即形成两个Chirp符号数据，一个Chirp符号为接收到完整Chirp符号数据剔除上Chirp符号干扰频段对应的开始时间和结束时间对应的数据，简称上Chirp符号支路数据；另外一个Chirp符号为接收到完整Chirp符号数据剔除下Chirp符号干扰频段对应的开始时间和结束时间对应的数据，简称下Chirp符号支路数据；

S24：将上Chirp符号支路数据输入数据送入到上Chirp滤波器，将下Chirp符号支路数据送入到下Chirp滤波器；

S25：接收端将上Chirp滤波器输出和下Chirp滤波器输出进行比较，如果上Chirp滤波器输值大于下Chirp滤波器输出，则表明发送端发送了一个上Chirp符号，否则发送端发送了一个下Chirp符号。

进一步，上Chirp符号的频率和时间关系为：

f＝f₁+(f₂-f₁)t/T

其中，f为Chirp符号的频率，t为Chirp符号时间，T为Chirp符号长度，f₁为开始频率， f₂为截至频率。

进一步，下Chirp符号的频率和时间关系为：

f＝f₂-(f₂-f₁)t/T

2、一种chirp信号在电力线上传输的***，包括Chirp符号发送端和Chirp符号接收端；所述Chirp信号发送端，包括：生成Chirp符号模块，删除干扰频段模块，以及发送Chirp符号模块；所述Chirp信号接收端，包括：接收Chirp符号模块，干扰频段置零模块，Chirp符号滤波器，判决模块，以及判决输出模块构成。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出的在宽带Chirp符号中剔除干扰频率的方法，根据Chirp符号的时频特性，可以方便计算出干扰频段在Chirp符号中对应的时间，直接在干扰频段对应的时间处于静默即可。在发送端实现非常简单，不需要额外复杂电路，也不要生成多个Chirp符号。

(2)本发明在接收端的工程实现也非常方便，如果采用多子带，跳频Chirp方式，那么将带来接收算法复杂度的增加，涉及到联合Chirp符号解调。但是采用本发明方法不需要改变Chirp符号的检测算法。仅仅在接收Chirp符号的时候，根据上Chirp或下Chirp符号的时频关系，分别剔除干扰频率对应的Chirp符号数据即可。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为现有技术中Chirp调制方式使用频率方法示意图；

图2为Chirp避开干扰频段的原理图；

图3为发射端发送Chirp符号避开干扰频段流程图；

图4为接收端接收Chirp符号避开干扰频段流程图；

图5为宽带Chirp符号在电力线上传输的框图；

图6为Chirp符号在电力线上发送流程图；

图7为电力线中上Chirp符号时频关系图；

图8为Chirp符号在电力线上接收流程。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图8，本发明优选了一种宽带Chirp符号在电力线上传输的***结构由两个部分组成，一部分是Chirp符号发送端，另外一个部分是Chirp符号接收端，如图5所示。

在Chirp信号发送端，由三个模块组成，生成Chirp符号模块，删除干扰频段模块，以及发送Chirp符号模块。

在Chirp信号接收端，由接收Chirp符号模块，干扰频段置零模块，Chirp符号滤波器，判决模块，判决输出模块构成。

在实际应用环境中，由于电力线对于电磁波处于裸露状态，也就是电力线上的高频信号容易泄露到空中，反之空中的无线信号也容易耦合到电力线上，干扰电力线的正常通信。根据北美频率分配表，如表1所示。

表1北美频率分配表

在电力线宽带通信***中，采用Chirp方式进行调制，可以选择0到30MHz带宽。Chirp 符号长度则由期望传输数据速率确定。根据表1中的0到30MHz的使用规定，形成Chirp符号可以使用的频段，如表2所示。在电力线上传输Chirp符号可以占用频率的序号：2，4，6， 8，10，12，14，16，18，20，22。需要剔除的频段序号：1，3，5，7，9，11，13，15，17， 19，21。其中序号1也不能使用的主要原因是距离直流比较近，在电力线上干扰严重，所以Chirp符号直接从1.71MHz频率开始使用。

表2电力线上传输Chirp符号有效频率表

序号	频率(MHz)
		2	1.71<F<1.8
4	2.00<F<3.5
		6	4.000<F<5.33
8	5.407<F<7.0
		10	7.3<F<10.10
12	10.15<F<14.00
		14	14.35<F<18.068
16	18.168<F<21.00
		18	21.45<F<24.89
20	24.99<F<28.0
		22	29.70<F<30.0

根据上面分析，在电力线上传输Chirp符号，那么可以使用的频率序号只能是2，4，6， 8，10，12，14，16，18，20，22，总结由11个子带频率可以使用。

其中，序号2的频率范围1.71<F<1.8，序号22的频率范围29.70<F<30.0，所以在该实施例中Chirp符号的带宽从1.71MHz开始到30MHz。并且剔除序号3，5，7，9，11，13， 15，17，19，21的子带频段。

由于实际物联网通信***的特殊需要，需要在1.71MHz到30MHz频率范围生成一个Chirp符号非常困难，并且解析也非常复杂。不利于物联网的电力线通信场景使用。

而采用本发明的方法，则很容易解决这个问题，下面将从发送端和接收端两个方面介绍如何使用本发明来解决宽带Chirp符号在电力线上的使用。

根据本发明描述，在该实施例中发送Chirp符号的流程如图6所示。

步骤1：根据Chirp符号特点，在该实施例中，根据表3内容，确定Chirp符号的开始频率f₁＝1.71MHz和截止频率f₂＝30MHz，Chirp符号承载的比特速率为300Kbps，则每个Chirp 符号长度T＝1000/300微秒(us)，生成完整的Chirp符号数据。如图6中1步。

该实施例中，电力线中传输的上Chirp符号的时频图，如图7所示。电力线传输Chirp 符号长度为T＝1000/300微秒，带宽为30-1.71＝28.29MHz，根据Chirp符号特点，则时频关系的斜率u为Chirp符号带宽/Chirp符号长度，即(28.29×300)/1000＝8.487(兆赫兹/微妙)。采用函数关系表达式为：

f＝1.71+8.487t

同理，可以得出电力线中传输的下Chirp符号，时频关系函数为：

f＝30-8.487t

其中，f为Chirp符号的频率，单位MHz，t为Chirp符号时间，单位微秒。

步骤2：假设发送端发送上Chirp符号，则根据Chirp符号的时频关系函数f＝1.71+8.487t，则根据确定的频率可以计算出时间t＝(f-1.71)/8.487。计算结果如表3所示。

表3剔除上Chirp符号干扰频段对应时间关系表

同样原理，假设发送端发送下Chirp符号，则根据Chirp符号的时频关系函数

f＝30-8.487t

则根据确定的频率可以计算出时间t＝(30-f)/8.487。计算结果如表4所示。

表4剔除下Chirp符号干扰频段对应时间关系表

根据发送端发送的Chirp符号不同，即上Chirp符号还是下Chirp符号，剔除干扰频段对应的时间段也不同。如图6中2步。

步骤3：由于需要在Chirp符号中剔除序号3，5，7，9，11，13，15，17，19，21的子带频段，所以在表3和表4计算中，每个子频段开始时间到结束时间内，发送端都不发送任何数据，处于静默状态。

在发送端，假设发送上Chirp符号数据，则根据表3剔除干扰频段对应的开始时间到结束时间的数据。假设发送下Chirp符号数据，则根据表4剔除干扰频段对应的开始时间到结束时间的数据。如图6中3步。

步骤4：根据电力线上Chirp符号的特征，计算出一个Chirp符号时间长度是3.333us时间，发送端从Chirp符号时间0开始到3.333us时间范围内。如果是上Chirp符号数据，在表3中给出开始时间和结束时间内不发送数据，其它时刻正常发送Chirp符号数据。如果是下 Chirp符号数据，在表4中给出开始时间和结束时间内不发送数据，其它时刻正常发送Chirp 符号数据。如图6中4步。

根据本发明描述，在该实施例中接收Chirp符号的流程如图8所示。

步骤1：接收端在电力线接收Chirp符号，完成Chirp符号的同步过程，然后接收端接收到一个完整的Chirp符号数据，根据Chirp符号的信号特征，该Chirp符号的时间长度为： (0～1000/300)微秒。如图8中1步。

步骤2：在接收端接收到一个完整Chirp符号数据，接收端不知该Chirp符号是上Chirp 符号还是下Chirp符号。采用接收端和发送端相同方法，生成表3和表4干扰频段对应Chirp 符号开始时间和结束时间。如图8中2步。

步骤3：假设接收端接收到Chirp符号是一个上Chirp符号，则根据表3计算的开始时间和结束时间，将Chirp符号数据中剔除表3中的干扰频段对应的数据，生成上Chirp支路数据。并且将上Chirp支路数据送到上Chirp信号滤波器中。如图8中3步。

假设接收端接收到Chirp符号是一个下Chirp符号，则根据表4计算的开始时间和结束时间，将Chirp符号数据中剔除表4中的干扰频段对应的数据，形成下Chirp支路数据。并且将下Chirp支路数据送到下Chirp信号滤波器中。如图8中4步。

步骤4：在该实施例模块中，比较上Chirp信号滤波器和下Chirp信号滤波器的输出值，如果上Chirp信号滤波器值大于下Chirp信号滤波器值，则判定发送端发送上Chirp符号，否则发送端发送下Chirp符号。如图8中5，6，7步。

在该实施例中，假设在发送端上Chirp符号代表“1”，下Chirp符号代表“0”，接收端判定出上Chirp符号还是下Chirp符号，即接收端可判定发送端发送的数据是“1”还是“0”比特。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种chirp信号在电力线上传输的方法，其特征在于，利用Chirp符号的时间和频率关系，根据干扰频段，计算出Chirp符号对应频段的时间范围；在该时间范围内发送端处于静默状态，不发送任何数据；接收端接收到一个Chirp符号数据，同样根据Chirp符号的频率和时间关系，根据干扰频段，计算出接收Chirp符号中对应频段的时间范围，接收端将该时间范围的Chirp符号数据置零，然后采用正常Chirp信号滤波器进行解调；

在发送端发送Chirp符号过程中，剔除干扰频率具体包括以下步骤：

S11：根据Chirp符号参数特性，确定Chirp符号的开始频率f₁和截至频率f₂，以及Chirp符号长度T，生成完整的Chirp符号数据；

S14：发送端仅在干扰频段对应时刻以外的Chirp符号时间，正常发送Chirp符号；

在接收端接收Chirp符号过程中，剔除干扰频率具体包括以下步骤：

S21：接收端本地根据确定Chirp符号特征参数，即开始频率f₁和截至频率f₂，以及Chirp符号长度，在通信线路上接收一个完整Chirp符号数据；

S22：根据Chirp符号频率和时间关系函数，计算出干扰频段的即开始频率f₁和截至频率f₂，分别计算出上Chirp符号干扰频段对应的开始时间和结束时间，和下Chirp符号干扰频段对应的开始时间和结束时间；

S25：接收端将上Chirp滤波器输出和下Chirp滤波器输出进行比较，如果上Chirp滤波器输出值大于下Chirp滤波器输出值，则表明发送端发送了一个上Chirp符号，否则发送端发送了一个下Chirp符号。

2.根据权利要求1所述的chirp信号在电力线上传输的方法，其特征在于，上Chirp符号的频率和时间关系为：

f=f₁+( f₂- f₁)t/T

其中，f为Chirp符号的频率，t为Chirp符号时间，T为Chirp符号长度，f₁为开始频率，f₂为截至频率。

3.根据权利要求1所述的chirp信号在电力线上传输的方法，其特征在于，下Chirp符号的频率和时间关系为：

f=f₂-( f₂- f₁)t/T

4.根据权利要求1~3中任意一项所述chirp信号在电力线上传输的方法，其特征在于，适用于该方法的***包括Chirp符号发送端和Chirp符号接收端；

所述Chirp符号发送端，包括：生成Chirp符号模块，删除干扰频段模块，以及发送Chirp符号模块；

所述Chirp符号接收端，包括：接收Chirp符号模块，干扰频段置零模块，Chirp符号滤波器，判决模块，以及判决输出模块构成。