在载波电流上进行低数据速率通信的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于在调制直流载波电流上进行低数据速率通信的系统，该系统 被用于传送载荷消息，载荷消息从多个通信发射器经由使用直流载波电流并将发射器和接 收器彼此串行连接的导线总线（Wire bus)以平均频率异步发射到同一通信接收器，并且涉 及一种相应的通信方法。
[0002] 根据本发明的一种用于在直流载波电流上进行低数据速率通信的系统例如可应 用于光伏电力网络，光伏电力网络需要对形成中心电站的光伏电力组件的远程面板或光伏 模块发送测量值。
【背景技术】
[0003] 事实上，集成在光伏模块中的监测设备的特征之一就是能够对该模块的能量生产 和环境参数（例如，模块的温度和电压）进行规律并可靠的通信。
[0004] 为了在额外成本和复杂度方面简化这样的系统的安装，人们试图避免额外的电 缆。
[0005] 第一类解决方案提出实现一种无线通信系统，即使用无线电波；而第二类解决方 案提出将已有的电力电缆用作通信信号的传输媒介，从而形成具有DC (Direct Current，直 流电流）载波电流的通信总线。
[0006]目前研发的第一类中的许多解决方案在系统遭到由光伏模块的结构的金属反射 器引起的严重的多路径干扰时，或者在中心电站遭到位于附近的光伏面板的遮挡时，性能 大幅恶化。此外，根据所使用的基本通信协议，这些解决方案在光伏模块的数量变化的场合 之间可能不允许对容量进行灵活适配。
[0007] 因此，所寻求的解决方案允许实现在对外部干扰问题或由大流量引起的拥挤问题 的抵抗力方面具有鲁棒性的通信协议，而不要求不可用的额外频率资源。
[0008] 第二类中的许多解决方案基于采用DC电力总线上的直流载波电流的通信来克 服上述缺陷。这些到目前为止研发的解决方案使用了市售的电子发射器和/或接收器通 信模块，这些模块现货销售并且使用传统的FSK(Frequency Shift Keying，频移键控）、 ASK (Amplitude Shift Keying，幅移键控）和/或PSK (Phase Shift Keying，相移键控）型 调制。例如，STMicro Electronics公司的型号为ST7540的基于FSK型调制的器件得到了 广泛的应用。
[0009] 然而，第二类解决方案存在的缺陷一方面由所引起的复杂度和成本高造成，另一 方面与可靠性有关。事实上，工作温度的范围被限制为不超过85°C，而在工作过程中，光伏 模块的平均温度可以在30°C和50°C之间变化，并且当未对光伏模块通风时最高温度可以 达到95°C。
[0010] 因此，需要实现尽可能简单并且可以承受高达l〇〇°C的高温的解决方案。
【发明内容】
[0011] 技术问题是提出一种用于在直流载波电流上进行低数据速率通信的系统，该系统 可靠地传送载荷消息，载荷消息从多个通信发射器以平均频率异步发射到同一接收器，并 且该系统使用易于实现并对承受系统设备必须承受的高工作温度和干扰具有鲁棒性的通 信协议。
[0012] 为此，本发明涉及一种用于在调制直流载波电流上进行低数据速率通信的系统， 该系统被用于传送载荷消息，载荷消息从至少两个通信发射器中的一个或多个经由导线总 线以平均频率异步发射到同一接收器，该导线总线使用直流载波电流并将发射器和接收器 彼此串联连接，该系统包括：
[0013] 至少两个通信发射器中的一个或多个通信发射器；
[0014] 通信接收器；
[0015] 导线总线，使用形成共享传输通道的调制直流载波电流并且将所述多个通信发射 器中的所述通信发射器与所述通信接收器连接，
[0016] 每个通信发射器被配置为形成第一原始传输帧，所述第一原始传输帧采用第一常 数Nt个在0和1两个状态中选择编码的二进制原始数据的第一序列的形式，形成第一帧的 二进制原始数据序列被细分为唯一不同的物理地址、载荷和检错码，所述物理地址表征所 述发射器，所述第一帧上的所述检错码根据所述通信发射器的所述载荷和所述物理地址来 确定，
[0017] 其特征在于，
[0018] 每个通信发射器被配置为：
[0019] 使用预定的扩频因子SF将第一原始传输帧扩频为传输频谱上的第二扩频传输 帧，所述第二扩频传输帧采用第二码片序列的形式，并且通过如下方式来获得：首先根据长 度为第二数量Ns的全部可能的二进制原始数据序列集合与2的Ns次幂个符号的集合之间 的双射对应规则将所述第一原始传输帧的二进制原始数据连续编码为长度是第二预定数 量Ns的符号，随后将每个所获得的符号编码为由在0和1两个状态中选择编码的二进制码 片所形成的不同的扩频基本编码序列，用于扩频的不同的基本编码序列取决于所述符号并 且长度是所述扩频因子SF限定的码片的第三预定整数个，以及
[0020] 在所述导线总线上根据预定调制将所述第二扩频帧的码片调制为发射的通信信 号并进行发射，其中，
[0021] 每个基本扩频序列从使用扩频因子SF作为长度的可能码片序列中选择从而形成 平衡码，所述平衡码具有中心自相关峰值，所述中心自相关峰值的第一电平明显高于经过 相关移位的相关积的第二电平，所述相关移位的时长大于或等于码片周期，其中，
[0022] 用于对全部的所述发射器使用的符号进行扩频的所述基本编码序列是相同的，并 且其中，
[0023] 由每个发射器形成的所述第二扩频帧的初始传输时间由每个发射器独立自主确 定，而不考虑所述发射器之外的同步信号。
[0024] 根据特定实施例，如上限定的用于在直流载波电流上进行低数据速率通信的系统 包括以下特征中的一个或更多：
[0025] 每个发射器包括唯一不同的相关联模块，所述相关联模块用于生成所述第二扩频 帧的初始传输时间，该时间随机或伪随机分布并且分开大于或等于〇的有理数个码片周 期，从而形成对来自不同的发射器的所述第二扩频帧进行分离的长度可变的时间间隔，并 对所接收的第二扩频帧进行去同步；
[0026] 符号的数量等于基本序列的数量并且落入整数2、4、8的集合中，以及
[0027] 所述扩频因子大于或等于4,较优地等于16 ;
[0028] 所述基本编码序列集合由具有相同基数的基础基本编码序列的第一集合和基本 编码序列的第二集合组成，
[0029] 所述第二集合中的所述基本编码序列中的每一个是对应于所述第一集合的基础 基本编码序列的互补编码序列；
[0030] 由所述通信发射器实现的对所述码片的调制是开关键控（OOK)型调制，根据OOK 型调制，码片的〇状态对应于所述总线上的第一电平，且所述码片的1状态对应于所述总线 上与所述第一电平不同的第二电平；
[0031] 每个通信发射器包括脉冲发生器以实现对所述总线上的所述码片的调制，以及
[0032] 所述脉冲发生器可以被选择为电流受控发生器、电压受控发生器和阻抗受控调制 器；
[0033] 所述接收器被配置为：
[0034] 对所接收的通信信号进行滤波和放大，所接收的通信信号是由所述通信发射器发 射且被传送到所述通信接收器的输入端上的通信信号之和，以及
[0035] 对所接收的信号进行采样，所接收的信号中的直流分量被消除，至少在根据以等 于所述码片的传输频率两倍的频率重复的采样时刻所接收的信号样本中，所述采样时刻彼 此隔着有大于或等于2的第四预定数量Nphi个相位，所述Nphi个相位根据等于所述码片 的时长的周期循环重复，并且每个相位被介于1和Nphi之间的相位等级进行标识，
[0036] 在每个采样时刻之后并且根据相位等级与所述采样时刻相同的多个先前第一样 本，所述相位等级等于所述扩频因子SF与帧的二进制数据的总数Nt除以符号的长度Ns之 间的乘积，通过使用滑动帧窗口相关单元和所述基本序列集合来确定第三原始接收帧，随 后
[0037] 根据所述第三帧来验证所确定的第三帧的检错码是否检测到第三错误帧，并且当 所述检错码并未检测到错误时，提取所述发射器的地址并且将所提取的地址与预定的发射 器列表进行比较；
[0038] 所述接收器的所述滑动帧窗口相关单元被配置为：
[0039] 在每个采样时刻之后并且根据相位等级与所述采样时刻相同、等于扩频因子SF 的多个先前第一样本，对变换相关副本集合以及每个变换相关副本的可能移位配置的集合 并行计算可能的相关积，所述变换相关副本通过将扩频编码序列集合的电平〇、1分别变换 为电平_1、1来获得，或者当所述基本传输序列由基础基本编码序列的第一集合和作为所 述第一集合中的所述基础基本编码序列的互补的基本编码序列的第二集合组成时，通过将 所述基础基本传输编码序列中不互补的一半的电平〇、1变换为电平_1、1来获得，以及
[0040] 将所接收的符号检测为：
[0041] 当基本编码序列集合与变换相关副本集合各自的基数相同时，对应于与所计算的 具有最高电平的相关积的所述变换相关副本相关联的所述基本编码序列的符号；或者
[0042] 当所述基本编码序列集合的基数是所述变换相关副本集合的基数的两倍时，对应 于与所计算的具有最高正电平的相关积的所述变换相关副本相关联的所述基本编码序列 的符号；或者
[0043] 当所述基本编码序列集合的基数是所述变换相关副本集合的基数的两倍时，对应 于与所计算的具有最高负电平的相关积的所述变换相关副本相关联的所述基础基本编码 序列的所述互补基本编码序列的符号，
[0044] 随后将所述符号解码为Ns个对应位的序列并且将所述二进制数据输入移位寄存 器，所述移位寄存器的长度是第三帧的长度Nt ;以及
[0045] 所述预定的发射器列表是在所述接收器被安装时在所述接收器处提供并确定的 列表，或者是在所述检错码没有检测到第三帧的错误时根据对从所述第三帧中提取的所述 发射器地址实施的统计滤波来建立的发射器列表。
[0046] 本发明还涉及一种用于在调制直流载波电流上进行低数据速率通信的方法，所述 方法由上述通信系统来实现，所述通信系统被用于传送载荷消息，所述载荷消息从至少两 个通信发射器中的一个或多个通信发射器经由使用直流载波电流的导线总线以平均频率 异步发射到同一接收器，所述导线总线将所述发射器和所述接收器彼此串联连接，该步骤 包括：
[0047] 每个通信发射器形成第一原始传输帧，所述第一原始传输帧采用第一常数Nt个 在从0和1两个状态中选择编码的二进制原始数据的第一序列的形式，形成第一帧的所述 二进制原始数据被细分为唯一不同的地址、载荷和检错码，所述地址表征所述发射器，所述 第一帧上的所述检错码根据所述载荷和所述发射器的所述地址来确定，
[0048] 并且，所述方法还包括以下步骤：
[0049] 每个发射器使用预定的扩频因子SF将第一原始传输帧扩频为传输频谱上的第二 扩频传输帧，所述第二扩频传输帧采用第二码片序列的形式，并且通过如下方式来获得：首 先根据长度为第二数量Ns的全部可能的二进制原始数据序列集合与2的Ns次幂个符号的 集合之间的双射对应规则将所述第一原始传输帧的二进制原始数据连续编码为长度是第 二预定数量Ns的符号，随后将每个所获得的符号编码为由在0和1两个状态中选择编码的 二进制码片所形成的不同的扩频基本编码序列，用于扩频的不同的基本编码序列取决于所 述符号并且长度是所述扩频因子SF限定的码片的第三预定整数个，之后