基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法
【专利摘要】本发明公开一种基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，解决了通过直流配电线传输数据的问题。本发明的步骤为：(1)生成数据序列；(2)合成数据包；(3)获得载波信号；(4)耦合；(5)获得数据包；(6)确认数据包结构；(7)获得用户数据。本发明相比现有技术配电线通信方法，实现了直流配电线的数据传输，同时具有硬件成本低、传输速度快的优点，本发明在无需任何额外布线和设备的情况下实现通过直流配电线同时传输数据和电能。
【专利说明】基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信【技术领域】，更进一步涉及电力线载波通信【技术领域】中的一种基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法。本发明在无需任何额外布线和设备的情况下，通过直流配电线实现数据和电能的传输。
【背景技术】
[0002]配电线是指设备之间用于传输电能的专用电缆，一个系统由统一的电源板通过配电线提供电能。配电线通信是一种利用已有的配电线网络作为信息传输媒质的通信方法。由于配电线网络分布广泛，因此使用配电线作为通信媒质无需在室内打孔布线重新构建通信网络，具有成本低廉、连接方便、受外界干扰小等优点。
[0003]随着社会的发展，频带资源短缺的问题日益凸现。提高频带利用率和开拓新的通信资源成为解决这一问题的两个重点工作方向。正交频分复用技术是目前已知频带利用率最高的一种通信技术，具有很强的抗干扰能力。传统配电线载波通信是在交流配电线上进行数据传输，因此信道环境复杂，噪声干扰较大，而某些子信道存在的多径效应或窄带干扰，会破坏正交频分复用信号的正交性，导致信噪比大幅下降，从而使整个通信系统的误码率、标准均方误差等性能指标严重恶化。直流配电网络相较交流配电网络，噪声干扰较小，信道环境简单，数据传输性能较好，有显著优点。
[0004]福建省电力试验研究院拥有的专利技术“电力配电线传输方式及其传输系统中的信号取样装置”(专利申请号=01108169.4，授权公布号CN 1181624 B)公开了一种电力配电线传输方法。该方法将通信数据加载到电力配电线零线和火线中的任一根线上进行单线传输，信号取样装置的变压器从配电线上耦合取样得到滤波后的通信数据。该专利技术利用通信数据的单线传输，解决了电力配电线上的干扰信号与高频调制信号同时被取样，导致的高频调制信号难以解调的问题，但是，仍然存在的不足是，通信数据在交流配电线上传输，数据传输速率和准确度较差，且无法完成同时对设备稳定供电和实现数据传输的功能。
[0005]深圳市通达实业有限公司所提出的专利申请“基于COFDM的电力线载波基带信号调制解调器”(专利申请号:201010270550.7，公布号CN 101951354 A)公开了一种高速电力线载波通信的调制解调器。该调制解调器包括在发射端将数字信号进行正交频分复用调制，然后在接收端进行正交频分复用解调的方法和装置。该方法虽然利用了编码技术和正交频分复用技术的结合，能够有效对抗电力线载波通信信道的频率选择性衰落和多径衰落等干扰，提高了电力线载波通信的传输性能，但是，仍然存在的不足是，由于额外编码造成系统计算复杂度较高，对系统硬件要求较高，造价高昂。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有方法的不足，提出了基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，实现了通过直流配电线同时传输数据和电能。
[0007]实现本发明的基本思想是首先对用户数据进行正交频分复用调制生成数据序列，再对数据序列添加循环前缀，将添加循环前缀后的数据序列与已知导引序列合成数据包，数据包经过数模变换和噪声滤除后耦合到直流配电线上传输，数据接收端将配电线上的信号耦合到接收端，再经过噪声滤除和模数变换后得到接收端数据包，检测接收端数据包中的导引序列，确认数据包结构，从而得到数据包结构中的数据序列，去除数据序列的循环前缀，并进行离散傅里叶变换得到复数序列，再对复数序列进行星座图映射得到用户比特，最后对用户比特进行循环冗余校验译码得到用户数据。
[0008]本发明的具体步骤如下:
[0009](I)生成数据序列:
[0010](Ia)对待发送的用户数据进行循环冗余校验编码，得到用户比特；
[0011](Ib)采用数据映射方法，对用户比特进行子载波调制，将用户比特映射到坐标系中，得到相应星座图；
[0012](Ic)将星座图中的所有点，按横坐标为实部、纵坐标为虚部的方式表示成复数序列；
[0013](Id)对复数序列进行离散反傅里叶变换，得到周期数据序列；
[0014](2)合成数据包:
[0015](2a)在周期数据序列的一个周期的尾部，复制G长度的数据，将该G长度的数据作为循环前缀添加到数据序列每个周期的头部，得到添加循环前缀后的数据序列；
[0016](2b)将已知导引序列与m个周期的添加循环前缀后的数据序列按次排列组成数据包，m的取值为50-100 ；
[0017](3)获得载波信号:
[0018](3a)使用数模变换电路，对合成后的数据包进行数模变换，将合成后的数据包变换为模拟信号；
[0019](3b)使用高通滤波器，对模拟信号进行噪声滤除，得到载波信号；
[0020](4)耦合:
[0021]使用耦合电路，将载波信号耦合到直流配电线上进行传输；
[0022](5)获得数据包:
[0023](5a)使用耦合电路，将直流配电线上的载波信号耦合到接收端，得到接收后的载波信号；
[0024](5b)使用高通滤波器，对接收后的载波信号进行噪声滤除，得到去噪后的载波信号;
[0025](5c)使用模数变换电路，对去噪后的载波信号进行模数变换，将去噪后的载波信号变换为数字信号，得到数据包；
[0026](6)确认数据包结构:
[0027]采用符号对比的方法，检测定位数据包中的导引序列，确认数据包结构；
[0028](7)获得用户数据:
[0029](7a)截去数据包结构中的全部导引序列，将数据包结构中剩余的数据依次排列，得到周期数据序列；
[0030](7b)截去周期数据序列的每个周期头部的循环前缀，将周期数据序列每个周期的剩余数据依次排列，得到去除循环前缀的数据序列；
[0031](7c)对去除循环前缀的数据序列进行离散傅里叶变换，得到复数序列；
[0032](7d)对复数序列，按实部为横坐标、虚部为纵坐标的方式映射到坐标系中，得到相对应的星座图；
[0033](7e)采用步骤(Ib)中所述的子载波调制对应的数据映射方法，对星座图中的所有点进行子载波解调，得到用户比特；
[0034](7f)对用户比特进行循环冗余校验译码，得到用户数据。
[0035]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0036]第一，由于本发明将载波信号耦合到直流配电线上，克服了现有技术无法完成同时对设备稳定供电和实现数据传输功能的不足，使得本发明实现了直流配电线上的数据传输，提升了配电线通信系统的功能。
[0037]第二，由于本发明利用正交频分复用技术实现数据的调制与解调，完成在直流配电线上传输载波信号，克服了现有技术需要额外编码的不足，使得本发明降低了计算复杂度，降低了系统的硬件成本。
[0038]第三，由于本发明针对直流配电网络实现数据和电能的传输，克服了现有技术由于交流配电网络恶劣的信道条件导致传输速度低的不足，使得本发明实现了数据的高速传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为本发明的流程图；
[0040]图2为本发明的实施例直流配电线通信系统框图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明做进一步的描述:
[0042]参照图1，本发明的具体实施步骤如下:
[0043]步骤1，生成数据序列。
[0044]对待发送的用户数据进行循环冗余校验编码，产生循环冗余码，附加在用户数据后面，得到用户比特。
[0045]对用户比特进行子载波调制。子载波调制方法可采用多进制相移键控或多进制正交幅度调制的方法中的任一种方法，将用户比特映射到坐标系中，得到相应星座图，完成用户比特的数据映射。
[0046]将星座图中的所有点，按横坐标为实部、纵坐标为虚部的方式表示成复数序列。然后对复数序列进行离散反傅里叶变换，得到周期的数据序列。离散反傅里叶变换的计算按如下公式:
[0047]中)=丄
、'N k=0
[0048]其中，x(n)表示数据序列的第η个数据，N表示离散反傅里叶变换的点数，X(k)表示复数序列的第k个数据，e表示自然常数，j表示虚数，表示圆周率，Σ (.)表示作求和操作。
[0049]通过离散反傅里叶变换的快速算法实现离散反傅里叶变换，可以提高运算速度。
[0050]步骤2，合成数据包。
[0051]为了对抗信道的时延和多径效应，消除正交频分复用符号间的互相干扰，需要对数据序列添加循环前缀，构成保护间隔。在数据序列的一个周期的尾部，复制G长度的数据，将该G长度的数据作为循环前缀，添加到数据序列每个周期的头部，得到添加循环前缀后的数据序列，G长度取数据序列一个周期内数据总长度的10% -20%。
[0052]构造已知导引序列，即O和I依次排列组成周期序列。将10个周期的导引序列与m个周期的添加循环前缀后的数据序列依次排列合成数据包，m取50-100。导引序列作为接收端判决数据包到来的标志。
[0053]步骤3，获得载波信号。
[0054]使用数模变换电路，对合成后的数据包进行数模变换,数模变换电路的采样频率依据载波信号的频率和奈奎斯特采样定律得到，将数据包变换成模拟信号，得到数据波形。
[0055]再使用高通滤波器，对数据波形滤除带外噪声和其它无用信号，滤除噪声后得到载波信号，高通滤波器的截止频率依据载波信号的最低频率得到。
[0056]步骤4,稱合。
[0057]使用耦合电路，将载波信号耦合到直流配电线上进行传输。在配电线多载波通信系统中，载波信号耦合方式主要为电容耦合和电感耦合。耦合电路既要确保加入载波信号后，电能输出不受影响，又能够完整提取所传输的信号，所以耦合电路使用两种耦合方式的结合。耦合电路包括变压器和电容，其构成要点为:变压器原边绕组两端头的其中一端头通过电容与电源线连接，另一端接地。耦合电路的发送端和接收端的耦合线圈匝数比为1:1。
[0058]参照附图2所示的直流配电线通信系统框图，直流配电线通信系统采用24V的直流电源模块供电，服务端是直流配电线通信系统的重要组成部分，为系统中的客户端服务，对客户端的资源进行管理，各个客户端也是通过服务端才能连接在一起，实现彼此之间的高速通信，同时，客户端和服务端可以相互通信。调制解调模块中的调制模块将待发送的用户数据调制成载波信号，由耦合模块耦合到直流配电线上进行传输，接收端由耦合模块接收载波信号，再经调制解调器中的解调模块解调出用户数据。同时发光二极管作为负载，一端接电源线，一端接地，由24V直流配电线供电，实现了通过直流配电线同时传输数据和对负载供电。
[0059]步骤5，获得数据包。
[0060]电力线上的信号经过耦合保护电路后，耦合到了接收端。接收端接收到的载波信号通过高通滤波器滤除带外噪声和其他无用信号，高通滤波器的截止频率依据载波信号的最低频率得到。将滤除噪声后的载波信号通过模数转换进行采样，采样频率依据载波信号的频率和奈奎斯特采样定律得到，采样后得到离散的时域数据，即数据包。
[0061]步骤6,确认数据包结构。
[0062]数据接收后，首先对数据包头部的10个周期导引序列进行检测，需要对其和信道噪声进行区分，告知接收端数据包的到来。将数据包与导引序列进行比较，判决是否有相同的序列，作为导引序列。连续判决出6个周期导引序列则判决为数据包的到来，由数据包的合成方式，得到数据包的结构。
[0063]步骤7，获得用户数据。
[0064]根据导引序列所在位置，对数据包结构去除导引序列，截去数据包结构中的全部导引序列，将数据包结构中剩余的数据依次排列，得到周期的数据序列。
[0065]对周期数据序列去除循环前缀，截去数据序列的每个周期头部G长度的数据，该G长度的数据即为步骤2中添加的循环前缀。将数据序列每个周期的剩余数据依次排列，得到去除循环前缀的数据序列。
[0066]对去除循环前缀的数据序列进行离散傅里叶变换，得到复数序列，离散傅里叶变换的计算按如下公式:
[0067]
【权利要求】
1.一种基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，包括如下步骤: (1)生成数据序列: (Ia)对待发送的用户数据进行循环冗余校验编码，得到用户比特； (Ib)采用数据映射方法，对用户比特进行子载波调制，将用户比特映射到坐标系中，得到相应星座图； (Ic)将星座图中的所有点，按横坐标为实部、纵坐标为虚部的方式表示成复数序列； (Id)对复数序列进行离散反傅里叶变换，得到周期数据序列； (2)合成数据包: (2a)在周期数据序列的一个周期的尾部，复制G长度的数据，将该G长度的数据作为循环前缀添加到数据序列每个周期的头部，得到添加循环前缀后的数据序列； (2b)将已知导引序列与m个周期的添加循环前缀后的数据序列按次排列组成数据包，m的取值为50-100 ； (3)获得载波信号: (3a)使用数模变换电路，对合成后的数据包进行数模变换，将合成后的数据包变换为模拟信号； (3b)使用高通滤波器，对模拟信号进行噪声滤除，得到载波信号； (4)耦合: 使用耦合电路，将载波信号耦合到直流配电线上进行传输； (5)获得数据包: (5a)使用耦合电路，将直流配电线上的载波信号耦合到接收端，得到接收后的载波信号; (5b)使用高通滤波器，对接收后的载波信号进行噪声滤除，得到去噪后的载波信号；(5c)使用模数变换电路，对去噪后的载波信号进行模数变换，将去噪后的载波信号变换为数字信号，得到数据包； (6)确认数据包结构: 采用符号对比的方法，检测定位数据包中的导引序列，确认数据包结构； (7)获得用户数据: (7a)截去数据包结构中的全部导引序列，将数据包结构中剩余的数据依次排列，得到周期数据序列； (7b)截去周期数据序列的每个周期头部的循环前缀，将周期数据序列每个周期的剩余数据依次排列，得到去除循环前缀的数据序列； (7c)对去除循环前缀的数据序列进行离散傅里叶变换，得到复数序列； (7d)对复数序列，按实部为横坐标、虚部为纵坐标的方式映射到坐标系中，得到相对应的星座图； (7e)采用步骤(Ib)中所述的子载波调制对应的数据映射方法，对星座图中的所有点进行子载波解调，得到用户比特； (7f)对用户比特进行循环冗余校验译码，得到用户数据。
2.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(Ib)中所述的数据映射方法是指，采用多进制相移键控或多进制正交幅度调制方法中的一种方法完成用户比特的数据映射。
3.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的G长度的取值是指，取数据序列一个周期内数据总长度的10% -20%的数据作为G长度。
4.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的已知导引序列是指将O和I按次排列组成的周期序列作为导引序列。
5.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的数模变换电路是指，数模变换电路的采样频率依据载波信号的频率和奈奎斯特采样定律得到。
6.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的高通滤波器是指，高通滤波器的截止频率依据载波信号的最低频率得到。
7.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(4)中所述的耦合电路是指，该耦合电路的发送端和接收端的耦合线圈匝数比为1:1。
8.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(5c)中所述的模数变换电路是指，模数变换电路的采样频率依据载波信号的频率和奈奎斯特采样定律得到。
9.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(6)中所述的符号对比方法是指，对比频域序列和已知导引序列的符号，将二者相同的序列段作为导引序列。
10.根据权利要求1所述的基于正交频分复用技术的直流配电线通信方法，其特征在于，步骤(7e)中所述的数据映射方法是指，采用多进制相移键控或多进制正交幅度解调方法中的一种方法完成星座图中所有点的数据映射。
【文档编号】H04B3/54GK104202069SQ201410468050
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】楼顺天, 张伟涛, 杨若男, 来文娟 申请人:西安电子科技大学