专利名称：用于经过供电导线传输信息的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及经过在低、中和高压等级上的供电导线实现数据通信的技术领域。本发明依据经一个供电网传输数据的一种方法和系统为出发点。
本发明的对象是一种用于经任何电压等级的各配电网迅速而可靠地信息传输的一种方法和一种装置。将此已存在的电网用于数据通信具有巨大的经济意义。供电企业希望不新敷设导线，例如可以询问和远距操作配电网的各项设施，或者通过远距询问和远距控制在最终用电者处优化电网的负荷。现存导线也可用作信息通道或提供给第三者。然而，这类应用的主要障碍却是该事实，供电网或能源供应网作为通信通道具有很坏的传输性能和受到强大的，不可避免的电磁波干扰。
本发明涉及一种当今技术水平，正如它由欧洲专利文献EP 0238813B1所公开的那样。其中公布一种用于经供电导线进行数据传输的方法，它专门克服传输信道的时间和频率的选择性衰落现象。为此目的多次传输该信息，其方法在于通过复制生成若干同一信息单元或符号或位字节，并且以足够的时间间隔在不同的载频上来传输。在此总是只在一个唯一的，伪随机变化的载频上以一种“频率跳跃(frequencyhopping)”或FH法发射。尤其用一种同样的已公知的“相移键控法(Phase shift keying)”或称PSK法或者“二进制相移健控法(binaryPhase shift keying)”或称BPSK法进行载频调制。此外可用一种差错防护编码纠正由传输引起的符号失真。尤其用一种由文献已知的所谓“正向纠错码”进行编码。
此外，此法的不利之处是基于FH法的受限制的传输速度或位速率。总的说来常规方法不能可靠地避免传输差错，它们是由导线上典型干扰的组合引起的。例如一持久窄带干扰源能以噪声完全干扰一第一符号在一相应载频上的传输，并且即使采用一个另外的载频一个脉冲干扰可使复制符号的传输成为不可能。
此外按美国专利U.S.Pat.No.5,185,591当今技术水平是，同时在多个载频上发射等同的复制信息，以便经供电导线进行数据通信。以此方式通过导线上的驻波产生的破坏性干扰，对不同的传输频率应这样来分布，即在导线的每个点上都可以接收一个足够的信号强度。建议将该PSK法，一种所谓的“频移键控(frequency shift keying)”或FSK法或者一种“开关键调制(on/offkey modulation)”法用于载波调制。但是这种典型为小于每秒100位(比特/秒)的极微小的位速率使得这种多重传输形式毫无吸引力。
此外美国专利U.S.Pat.No.4,577,333公开了用于具有例如象配电导线那样强电磁干扰的若干通道的一种数据传输系统。建议一种“复合移动键控(composite shift keying)”或称CSK-调制法以改善FSK法，PSK法或一种所谓的“幅移键控(amplitude shift keying)”或称ASK法。在此人们给位值0和1分配两种频率，并且通过一伴随的第三频率来确认该两频率之一的发出。采用这种结合数据块传输协议的冗余作差错识别和差错纠正。显然这对仅有三个固定载频的局限在此显著地限制了作为信息通道的电流导线的作业率和可靠性或传输能力。
在高压线上点对点通信的方法例如已在电气与电子工程协会，纽约(1981)的输电线载波应用指南“IEEE guide for power line carrierapplication”(作者IEEE电力系统通信委员会)中在报告号ANSI/IEEE Std.643-1980中公布。在点对点通信上该传输系统可以适应通道的条件，但是灵活性是相应地受到限制的。
例如由J.A.Bingham的“用于数据传输的多载波调制一种其时代已到来的思路(Multicarrier Modulation for Data TransmissionAnidea whose Time Has come)”IEEE通信杂志28卷，1990年5月，在“多载波调制法(multicarrier modulation)”或称MCM法的名称下公开了一种专门的多载波调制法。在多个不同载频的子带上以高的总传输率平行发送数据。MCM对所谓的“符号间干扰”或称信号失真和窄带干扰源是有抵抗能力的，可是对脉冲干扰没有抵抗能力。迄今MCM用于电话调制解调器或不受导线约束的信息通道，例如象数字式卫星无线电广播和移动无线电系统。
此外数字式传输系统的干扰敏感性可以通过将应发送数据“交借存取(Interleaving)”即倒频，并结合差错修正来改善。在接收侧重建的信息中传输差错则离散得这么远，以致于它们是能被修正的。例如在B Sklar“数字通信”357页以下各页，Prentice Hall，EnglewoodCliffs，1988年中可找到关于这类方法的概况。
本发明的任务在于，提出一种用于经供电网传输信息的方法和系统，它创造一种信息连接，该信息连接具有改善的传输质量，尤其具有高度的可用性、微小的差错频度和高的数据速率，尽可能地不受电网传输性能及其电磁干扰的影响。
该任务按本发明通过以下方法和系统得以解决。经一个供电网在一个发射机和一个接收机之间传输数据的方法包括下列步骤a)在发射侧通过将一个有序子符号序列I＝0，1，……P-1转换成一个倒频的子符号序列J＝0，1，……P-1(I，J，P＝正整数)来交错存取一个长度P的数据块和b)调制具有该倒频子符号序列的载频，以及c)在接收侧通过解调和解交错存取重新建立有序的子符号序列，这种方法的特点是采用一种MCM多载波调制方法，在此从应传输的串行数据流形成平行的子符号流和由这些子符号流调制多个信道，并且按规范J(I)＝(K1·I)mod(P)进行交错存取和按I(J)＝(K2·J)mod(P)进行解交错存取，在此这些常数K1和K2是正整数，它们满足关系式(K1·K2)mod(P)＝1。实现这种方法的系统包括一个具有一个交错存取器和调制器的发射机和一个具有一个解调器和解交错存取器的接收机，该系统的特点是，该交错存取器按规范J(I)＝(K1·I)mod(P)将一个有序的，一个数据块长为P的子符号序列I＝0，1，…P-1转换到一个倒频的子符号序列J＝0，1，…P-1(I，J，P，K1＝正整数)，该调制器包含一个串行-平行转换器和一个MCM多载波调制器，该解交错存取器按规范I(J)＝(K2·J)mod(P)将倒频的子符号序列返回转换成有序的子符号序列(K2＝正整数)，并且常数K1，K2满足关系式(K1·K2)mod(P)＝1。
本发明的核心就是将一种多载波调制方法与一种专门的交错存取器结合，在此该交错存取器重新编排数据，以便从时间上隔开相邻的数据并且结合差错防护编码以此来抵消脉冲状的干扰，并且该调制器将数据分配到平行的具有多个载频的发射信道上，以便达到高的数据速率和对选频的干扰和信号失真的微小的敏感性。
一个第一实施例示意地表示一种经一介于两个用户之间电流导线的单向性的信息连接。
三个其它的实施例说明用于实施按本发明传输数据方法的一种发射机构造、调制器构造和接收机构造。
其它的实施例在有关的权利要求中提出。
本发明的一个优点在于，创造了一种很高速度的，但是仍然对干扰极其不敏感的，经配电网的数据传输。
特别有利的是，极大地抵消对配电网典型的传输干扰，在其联合的作用下也是如此。
一个其它的优点在于，本发明传输方法对配电网的传输性能的巨大独立性。由此在任意的电压等级上和变化的网的配置与运行状态下，使具有任意单向或双向通信参与者数目的数据通信成为可能。
下面用几个实施例说明本发明。
以下所示
图1用于实施按本发明方法的，具有一个发射机和一个接收机的一种传输系统的示意性结构；图2用于该方法的一种优先实施形式的按图1的一个发射机的内部构造；图3用于按图2发射机的一个调制器的内部构造；图4以一种适合于按图2发射机的设计的，一个按图1接受机的内部构造。
在各图中对相同的部件配以相同的标记号。
首先分析供电网上的典型干扰，然后用各实施例阐述，本发明如何能尽可能地消除干扰对信号传输的影响。
在网络中选频地和选时地在幅度和相位上改变信号，并与外加的噪声信号叠加。由此导致三种主要的干扰1.信号失真(“符号间干扰”)，2.窄带信号衰减或窄带噪声(“窄带干扰”)，3.短时的，宽带脉冲干扰(“尖峰噪声”)。
这些失真可以导致，互相在时间上接近地发射出的符号彼此重叠和在接收时不再能正确识别。通过基于回波的驻波，通过共振或类似的可引起窄带的频谱信号吸收。在一个窄的频带中所集中的噪声信号，常常起永久干扰源的作用。另一方面脉冲干扰可能短时间地影响在一个宽频带中的整个传输。
常规的调制方法必须在一种这样恶劣的信息通道上包含数据传输速率和数据差错率方面的无法接受的让步，并且不能适合这里所提出的任务。除了上述引证的缓慢多载波方法，常常简单地采用移频键控法(FSK法)。FSK的优点在于接收机结构的低复杂性和也在于在小的数据传输速率时对失真的抗干扰能力。可是FSK对窄带干扰和对脉冲干扰是很敏感的。其它方法利用频带扩展调制(“直接顺序扩展频谱”或“频率跳跃扩展频谱”)。这样的方法对失真和干扰是比较有抵抗力的，可是在规定的带宽条件下仅能达到比较小的数据传输速率。
在本发明中因此第一次建议，采用经供电网进行信息交换的MCM法，并且如此来进一步开发此MCM法，没有速度损失地产生一种足够无干扰的传输。
针对MCM法的详细作用方式和可能的载波调制方法(FSK，PSK，ASK，等等)在此指明请参阅开始时引证的J.A.Bingham和B.Sklar的文章。该MCM法的一个重要标志是随着载频或子带或信道的数目增加，在恒定的总数据速率情况下信号失真在下降。在更多的信道情况下符号长度则可提高，并且降低每个信道中的位速率。通过引入单个符号传输间的时间上的防护间隔是可能完全消除信号失真的。该防护间隔也可以通过一种所谓的循环字首来填满，在其上符号的最后部分作为字首放到符号的前面。例如在J.S.Chow et al.“HDLS应用的一种离散型多音收发机系统”，IEEE Journal on Selected Areas inCommunications，第9卷，第6期，895-908页，1991年8月中已说明了该方法。通过一种合适的差错修正也可以改善对窄带干扰的抵抗力。可是MCM本身总还是对脉冲干扰敏感的，此脉冲干扰暂时在多个载波上干扰通信或者甚至于在所有载波上导致传输的短时中断，这种敏感性可以靠牺牲总传输速率或借助于差错防护编码部分地得到抑制。
本发明也对2 kbit/s的和更高数据传输速率以及通过创造一种新的交错存取法更有效地解决这个问题，使该法如此来适应MCM法，使得结合差错防护编码而达到对所有三个类型干扰的抵抗力。在B.Sklar“数字通信”357页以下各页中在常规的交错存取器上区分字块交错存取器和卷积交错存取器。在字块交错存取器中将数据逐列地读入一个矩阵和逐行地重新读出。在卷积交错存取器中通过在不同长度移位寄存器中的读入和读出重组数据。按本发明的交错存取器相反地表现为一种普遍化了的字块交错存取器，在其中在逐行地充填矩阵后，交换各行和然后才读出各列。在各实施例中以其与MCM法和差错防护编码的互相作用阐述准确的交错存取器规范。
在图1中表示了一种传输系统的基本的示意性装置，如同它为实施按本发明方法所被采用的那样。应传输的数据到达发射机(1)的数据输入端，在那里被调制到一个合适的载频上，并且经一个第一耦合环节(2)，例如一个耦合电容器给到一个供电网的一个电网导线(3)上。该电网导线(3)可以是供电网的低压、中压或高压等级的组成部分。为了简化起见在图中省略了电网的其它部分，例如下级站。该调制的载频经电网导线(3)传输到一个接收机(5)上，它经一个不必像耦合环节(2)同样类型的第二耦合环节(4)耦合在电网导线(3)上。在接收机(5)中通过解调接收信号重新获得该数据，并在数据输出端供进一步处理用。
在图2中描述了图1的发射机(1)的内部构造，正如它适合于本方法的一种优先的实施形式那样。应传输的数据在发射机(1)的内部首先给到一个编码器(6)上，它尤其用一种“正向纠错码”工作。从开始引证的B.Sklar的书或从W.Peterson和E.Weldon的“纠错码(Error Correcting Codes)”中，MIT Press，Combridge，USA，1972年，引出关于该码和该编码器的详细情况。数据的编码建立在例如通过卷积编码或添加检查数据创造冗余的基础上。随后在一个交错存取器(7)中，将在编码时产生的数据进行倒频。通过此实现，原先互相紧挨着的数据现在互相是远离的。该项准确的功能将在解交错存取器(16)上予以说明。这些重新编排的数据从交错存取器(7)到达调制器(8)，在那里它们按本发明用一种多载波调制(MCM)进行调制。
在图3中示出了调制器(8)的详细构造。对于以下的说明假设，采用多个载频，它们是可以任意地，例如互相正交地和尤其等距地在一介于20kHz至若干100kHz之间的频率范围里选择的。应调制的数据首先在一个串行-平行转换器(10)中转换成平行的子符号流。一个子符号可以在此含有一个或多个位。这些子符号流在MCM调制器(11)中平行地调制到多个信道上，并在求和器(12)中汇总。调制器(8)的一种可能的实现在开始引证的J.A.Bingham文章中已说明，它是基于一种逆“快速”傅里叶变换上的。最后将该调制的信号送到一个接在后面的功率放大器(9)上，并且随后经该耦合环节(2)耦合入电网导线(3)。
接收机(5)的一种可能的实现在图4中展示。经该耦合环节(4)从电网导线(3)取出接收信号，在一个频率滤波器(13)中与其它干扰频率分开并在一放大器(14)中以一可调节的放大倍数放大。在该放大器后面安置一个MCM解调器(15)，它将按本发明调制的信号重新解调入基频带中。此外解调器的结构取决于调制信道的数目并且尤其可以用一种不连续的傅里叶变换，一种“快速”傅里叶变换或一种格采尔(Goertzl)变换来进行。在一个同步电路(18)中，生成用于发射机和接收机之间的数据块传输同步的，对解调所需的信息。在一个解交错存取器(16)中，如此来倒频解调的信号，重新取消在交错存取器(7)中生成的重新编排。最后，在接收机(5)中在输出端还配置一个解码器(17)，它将以“正向纠错码”编码的数据重新转换恢复为未编码的数据。在一个卷积码(convolutional code)的情况下，尤其可以采用一种维特比(Viterbi)解码器用于解码。由此可以大大降低差错率。
在交错存取器(7)和解交错存取器(16)中倒频的目的在于，如此来分配通过传输信道产生的差错，使得它们对信息传输的害处是有限的，并尤其使一种“正向纠错码”变得有最佳作用。在采用一种卷积码时在解码器(17)输入端介于两个有差错数据间的最小距离应尽可能大，即有差错数据应均匀地分布，并不以脉冲串出现。在电网导线(3)上通过窄带干扰和脉冲干扰引起这样的差错脉冲串。所采用的调制方法MCM具有所希望的性能，在解调的数据流中均匀地分布窄带干扰，在该调制方法MCM上应传输的数据尤其象较后所说的那样汇总成各单个符号。脉冲干扰在解调器(15)的输出端都可导致一种差错脉冲串。因此交错存取器(7)和解交错存取器(16)的联合应这样发挥作用，使得基于两种类型干扰的差错均匀地分布在解交错存取器(16)的输出端上。
常规的字块交错存取器或卷积交错存取器不满足所提的要求并且导致一种不受欢迎的高差错率。用按本发明的方法可以排除此严重的缺点。为此将应传输的数据划分成具有P个子符号(P＝数据块长度)的各字块。在此在一个MCM信道上在一个符号内部传输的数据称为子符号。将在交错存取器(7)的输入端上或解交错存取器(16)的输出端上各单个子符号称为有序子符号，并且从I＝0，1，…P-1连续编号。将在交错存取器(7)的输出端上或解交错存取器(16)的输入端上的各单个子符号称为倒频子符号，并且从J＝0，1，…P-1连续编号。I和J也就是表示有序或倒频子符号的顺序。
用于交错存取器(7)和解交错存取器(16)的按本发明的重新编排规范为J(I)＝(K1·I)mod(P)，(1)I(J)＝(K2·J)mod(P). (2)式中K1和K2为正整数，对此适用(K1·K2)mod(P)＝1(3)最后的条件意味着，K1和K2对P是不公约因子。由此保证了，所有的有序子符号是单值地反映到倒频的子符号上并且该解交错存取器(16)正好实施交错存取器(7)的相反的操作。该交错存取器是一个一般化了的字块交错存取器。逐列地将各单个子符号读入具有K1行和K2列的一个矩阵，在此K2是大于或等于P/K1的最小整数，各行被调换和然后逐行地读出。
此外对交错存取器结合MCM调制法的最佳工作方式假设，一个字块是编码成N个符号，每个为M个子符号(M＝每个符号的子符号数目，P＝M·N)，在此该第一个符号包含倒频的子符号J＝0，1，…M-1，该第二个符号包含倒频的子符号M，M+1，……2M-1，等等，并且选MCM法的信道数目等于M，在此一个字块的倒频的子符号以一种确定的顺序反映在MCM信道上。然后该方程(3)说明，K1和K2和是对M和N不公约的。满足条件(1)-(3)的所有可能的解交错存取器(16)的实现具有该特性，即它们将由一种窄带干扰源产生的差错均匀地分配在处于解交错存取器(16)输出端上的数据流上。如果解交错存取器(16)输入端上M个信道之一的所有子符号受到破坏，在解交错存取器(16)的输出端上的各差错则以最大可能的间距M出现。交错存取器的结构也就是保证，在MCM法上虽然倒频仍在不同子带上传输一个符号的各子符号。由于这个原因交错存取器与MCM法是兼容的。
数目K1和K2如此有利地来选择，使得由脉冲干扰产生的差错也最大地分配，即两个差错间的最小间距最大化。这通过对给定值M和N的一种数字式优化来实现。作为实例假设，该MCM法有M＝8个信道，并且N＝16个这样的符号汇总在一个数据字块中，每个字块则包括M·N＝128个子符号。一个数字式优化导致解K1＝17和K2＝113，这就是说交错存取器J(I)＝(17·I)mod(128)，(4)解交错存取器 I(J)＝(113·J)mod(128)· (5)由此即以间距8个子符号来分配由窄带干扰源产生的差错，又如此地分配由一个脉冲干扰源产生的字块差错，使得两个差错间的最小间距为15。这很接近地位于一个上限，该上限为N＝16，可是按估计它是完全不能达到的。
概括地可以说，针对用于一个新传输信道的抗干扰可靠性和传输速率用本发明一方面利用了MCM法的各优点和另一方面通过一种新的交错存取器和一种差错防护编码再一次显著地得到改善。
总之以本发明提供一种用于在供电网中传输数据的方法，在此方法上显著地减小电网特有的干扰对传输的影响，并且仍然可以实现一种高的数据速率。
名称清单1 发射机2，4 耦合环节(例如耦合电容器)3 一个供电网的电网导线5 接收机6 编码器7 交错存取器8 调制器9 功率放大器10串行-平行转换器11MCM调制器12求和器13频率滤波器14信号放大器15MCM解调器16解交错存取器17解码器18同步电路
权利要求
1.用于经一个供电网在一个发射机(1)和一个接收机(5)之间传输数据的方法包括下列步骤a)在发射侧通过将一个有序子符号序列I＝0，1，…P-1转换成一个倒频的子符号序列J＝0，1，……P-1(I，J，P＝正整数)来交错存取一个长度P的数据块和b)调制具有该倒频子符号序列的载频，以及c)在接收侧通过解调和解交错存取重新建立有序的子符号序列，其特征在于，d)采用一种MCM多载波调制方法，在此从应传输的串行数据流形成平行的子符号流和由这些子符号流调制多个信道，并且e)按规范J(I)＝(K1·I)mod(P)进行交错存取和按I(J)＝(K2·J)mod(P)进行解交错存取，在此这些常数K1和K2是正整数，它们满足关系式(K1·K2)mod(P)＝1。
2.按权利要求1的方法，其特征在于，a)确定数据块长为P＝M·N(M，N＝正整数)，在此N表示每个数据块的符号数目而M表示每个符号的子符号数目，并且b)选信道和平行子符号流的数目等于M。
3.按权利要求2的方法，其特征在于，a)在一个其它的信道上传输一个符号的每一个子符号，b)将每个数据块的符号数目确定为N＝16和确定每个符号的子符号数目为M＝8，并且c)尤其对常数K1和K2选择标出的值为K1＝17和K2＝113。
4.按权利要求1-3之一的方法，其特征在于，在发射侧，对子符号进行差错防护编码，尤其采用一种所谓的“正向纠错码”，并且在接收侧，通过解码恢复未编码的子符号，例如在采用一种维特比(Viterbi)解码器。
5.按权利要求1-4之一的方法，其特征在于，引入介于传输符号之间的时间上的防护间隔或者给符号配备以循环的字首。
6.用于经一个供电网传输数据的系统包括一个具有一个交错存取器(7)和调制器(8)的发射机(1)和一个具有一个解调器(15)和解交错存取器(16)的接收机(5)，该系统的特征在于，a)该交错存取器(7)按规范J(I)＝(K1·I)mod(P)将一个有序的，一个数据块长为P的子符号序列I＝0，1，……P-1转换到一个倒频的子符号序列J＝0，1，…P-1(I，J，P，K1＝正整数)，b)该调制器(8)包括一个串行-平行转换器(10)和一个MCM多载波调制器(11)，c)该解交错存取器(16)按规范I(J)＝(K2·J)mod(P)将倒频的子符号序列返回转换成有序的子符号序列(K2＝正整数)，并且d)常数K1，K2满足关系式(K1·K2)mod(P)＝1。
7.按权利要求6的用于经一个供电网数据传输的系统，其特征在于，a)发射机(1)将一个长为P＝M·N的数据块编码为N个符号，每个符号有M个子符号，b)串行-平行转换器(10)将应传输的串行数据流转换成M个平行子符号流，并且c)MCM调制器(11)生成M个信道，用平行子符号流中的各一个调制这些信道和将它们送给一个求和器(12)。
8.按权利要求7的用于经一个供电网数据传输的系统，其特征在于，a)串行-平行转换器(10)将一个符号的每一个子符号分配到一个其它的平行子符号流上，b)每个数据块的符号数目N＝16和每个符号的子符号数目M＝8，并且c)尤其常数K1和K2取标出值K1＝17和K2＝113。
9.按权利要求6-8之一的用于经一个供电网数据传输的系统，其特征在于，a)发射机(1)包含一个尤其用一种“正向纠错码”工作的编码器(6)，并且b)接收机(5)包含一个尤其为一维特比解码器的解码器(17)。
10.按权利要求6-9之一的用于经一个供电网数据传输的系统，其特征在于，发射机(1)将时间上的防护间隔插入传输符号之间或者给符号配备以循环的字首。
11.按权利要求6-10之一的用于经一个供电网数据传输的系统，其特征在于，a)发射机(1)包含一个功率放大器(9)，b)一个耦合电容器或者一个耦合线圈作为介于发射机(1)或接收机(5)和电网导线(3)之间的耦合环节(2，4)起作用，并且c)接收机(5)包含一个频率滤波器(13)和/或一个信号放大器(14)和/或一个同步电路(18)。
12.按权利要求6-11之一的用于经一个供电网数据传输的系统，其特征在于，发射机(1)和/或接收机(5)分配在许多个通信所在地上并且经该配电网交换数据。
13.按前述权利要求之一的用于经一个供电网数据传输的方法或系统，其特征在于，a)载频互相正交地，尤其等距地位于介于20kHz和500kHz的范围内，并且b)传输速率高于2kbit/s。
全文摘要
本发明说明用于经任意电压等级上的供电网迅速而无干扰地进行数据通信的一种方法和系统。通过采用一种MCM多载波调制法降低由信号失真、频率选择的信号衰减或信号噪声引起的干扰和由脉冲引起的干扰的联合作用。通过MCM法与一种专门适配的交错存取器(数据倒频器)和一种差错防护编码相结合可以急剧地降低差错率并且将传输速率显著地提高到超过2kbit/s。
文档编号H04B3/54GK1196617SQ9810664
公开日1998年10月21日 申请日期1998年4月17日 优先权日1997年4月17日
发明者B·德克, J·勒曼, S·拉姆瑟尔, O·维斯拜 申请人:Abb研究有限公司