基于分布式噪声注入和无线连接的电力线载波多级组网测试系统的制作方法

本发明是关于通信技术领域，特别是关于一种基于分布式噪声注入和无线连接的电力线载波多级组网测试系统。

背景技术：

低压电力线宽带载波(lvplc)通信是利用低压电力配电线(380/220v用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后利用各种等级的电力线传输，接收信息的调制解调器再把高频信号从电流中分离出来，并传送到电力线宽带用户终端(计算机、电视或电话机和智能电表、开关、变台)。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载。一般高速电力线载波的工作频率在0.7m～12m，采用ofdm调制方式，支持多级自组网，通信速率超过1mbps。

在实际的载波通信网络中，由于电力线载波环境影响及载波通信设备发送功率与接收灵敏度的限值，两个载波通信节点可能不能实现直连通信，需要依照载波通信协议进行分级自组网，将网络分为不同的中继级别，由中央协调器维护整个载波通信网络，跨级通信通过中继节点进行载波通信报文的转发实现。例如中央节点可以直接与第一层级网络节点直连通信，第二层级网络节点与中央节点通信需要经过第一层级中的代理节点进行信号的中继，以此类推，实现多级网络拓扑，试点网络中的每个节点都能够相互传输数据。为了测试载波多级组网通信，验证组网算法的可靠性及组网稳定性，需要模拟实际的电力线环境，搭建电力线载波多级组网测试系统，用以验证被测载波设备的通信及自组网能力。多级组网测试系统的主要任务是根据测试需求，形成物理的星型、线型、树形网络拓扑，使被测电力线载波设备能够按照物理拓扑进行分级，相邻级载波通信可以直连，非相邻级载波通信按照载波通信协议进行级间中继通信。通过分级组网，形成与现场环境相似的电力线载波通信网络。

理想情况下，载波信号只会沿着载波线路传导，但载波信号作为一种电磁信号，其特性符合麦克斯韦方程组(maxwell'sequations)的描述，振荡的电场能够产生振荡的磁场，其能量可以通过空间传导，在空间距离较近的设备之间可观察到载波信号的空间辐射传导，即使两个载波设备没有物理连接，也可以相互通信。

传统的电力线载波多级组网测试系统主要由屏蔽箱及内部的测试电路板、集中式开关矩阵、程控衰减器、互联电缆等组成。由于多级组网测试系统的各个测试单元空间距离相对较近，必须使用屏蔽箱屏蔽空间传导的载波信号，否则会导致网络拓扑混乱，故屏蔽箱是传统的电力线载波组网测试系统必须组成。同时，被测载波设备位于各个载波屏蔽箱中，形成一个测试单元，集中式开关矩阵使用信号线缆连接各个测试单元，通过集中式开关矩阵与程控衰减器改变载波网络物理拓扑。各个程控衰减器及开关矩阵等设备通过以太网或485总线等有线连接进行控制。传统的电力线载波多级组网测试系统典型组成如图1所示，pc机通过以太网控制开关矩阵、程控衰减器及各个测试单元，通过开关矩阵及程控衰减器改变载波网络物理拓扑。每个测试单元均位于屏蔽箱中，屏蔽级间耦合串扰。需要说明的是图1仅为示意图，并未画出全部屏蔽箱。

然而，传统的电力线载波多级组网测试系统存在以下两个缺点：一是可构建的分级拓扑型式有限，二是有线连接方式容易造成载波信号串扰，从而造成分级混乱。传统的电力线载波多级组网测试系统组成结构造成测试环境搭建的成本增加和所需的空间增加，受空间和屏蔽箱数量限制，测试规模一般仅限于300个以内，该方法适合于专业检测机构测试系统搭建，不适合在研发阶段的多台区大规模实验室测试环境搭建。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于分布式噪声注入和无线连接的电力线载波多级组网测试系统，其不需要传统的屏蔽箱屏蔽空间耦合信号即可实现载波网络分级。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于分布式噪声注入和无线连接的电力线载波多级组网测试系统，包括：中央控制单元、多个局端测试单元、多个表端测试单元以及多个路由衰减器网络，其中，中央控制单元与多个局端测试单元、多个表端测试单元中的每个测试单元以及多个路由衰减器网络进行通信，以控制电力线载波多级组网测试系统的运行；局端测试单元用于测试局端被测载波设备，在载波通信网络中局端被测载波设备作为网络的中央节点，以维护载波网络通信；表端测试单元用于测试表端被测载波设备，在载波通信网络中表端被测载波设备作为网络的中继节点或终端节点，以负责中继通信及终端数据的传输；路由衰减器网络作为局端测试单元和表端测试单元的载波通信路由，每个路由衰减器网络能够连接多个测试单元，并能够切换临近载波节点之间的通信衰减度；并且其中，多个局端测试单元、多个表端测试单元中的每个测试单元内置有噪声注入模块，噪声注入模块被耦合至该测试单元的被测载波设备的载波接口，用于测试载波通信的抗噪声能力。

在一优选的实施方式中，噪声注入模块能够发出白噪声、窄带噪声、脉冲噪声或从现场录制的噪声波形，噪声注入模块包括通信接口、控制模块、fpga、flash存储器、dac数模转换模块及pa功率放大器。

在一优选的实施方式中，中央控制单元包括pc机、与pc机相连接的无线通信模块、高通滤波器及通信天线，其中，pc机用于运行电力线载波多级组网测试系统的控制软件，中央控制单元的对外通信通过天线模块进行，中央控制单元的无线通信模块作为无线控制网络的中央节点，以协调电力线载波多级组网测试系统内所有无线通信模块的组网通信。

在一优选的实施方式中，每个局端测试单元包括主控模块、无线通信模块、噪声注入模块、电池供电模块、接口模块以及滤波器，并且局端测试单元引出通信天线接口和测试设备载波接口，其中，主控模块通过无线通信与中央控制单元进行通信，以控制局端测试单元内部的被测设备通信接口及噪声注入模块，通信天线接口用于连接通信天线，通信天线作为无线控制网络的数据收发通道，测试设备载波接口用于将局端被测载波设备的载波信号引出局端测试单元，通信天线接口处接有高通滤波器，测试设备载波接口处接有低通滤波器。

在一优选的实施方式中，噪声注入模块由主控模块控制，噪声注入模块内部的通信接口连接至局端测试单元的主控模块，以接收主控模块下发的控制指令，控制指令传输至噪声注入模块内部的控制模块，控制模块解析控制指令，根据主控模块的设定，控制噪声注入模块内部的fpga产生相应的数字噪声激励信号，dac数模转换模块将数字噪声激励信号转换为模拟噪声信号，并将模拟噪声信号发送至pa功率放大器，pa功率放大器将模拟噪声信号放大至指定功率后注入至局端被测载波设备的载波接口。

在一优选的实施方式中，局端被测载波设备为集中器载波通信模块，被测设备通信接口与局端被测载波设备的通信接口匹配，被测设备载波接口与局端被测载波设备的载波接口匹配。

在一优选的实施方式中，表端被测载波设备为单/三相电能表载波通信模块，表端测试单元的测试接口与被测表端通信模块相匹配，并且表端测试单元具有虚拟电能表功能，以支持抄收多个电能表数据项，并能够产生电能表事件上报信号。

在一优选的实施方式中，每个路由衰减器网络包括主控模块、无线通信模块、功率分配模块、多个数字衰减模块以及对外接口，对外接口包括通信天线接口及多路载波接口，通信天线接口连接有高通滤波器，载波接口连接有低通滤波器，路由衰减器网络内置有电池供电模块。

在一优选的实施方式中，路由衰减器网络的主控模块通过无线通信模块连接中央控制单元，并由中央控制单元进行控制，以切换不同的衰减值及连接方式，并可由功率分配模块切断某几路或连接某几路载波接口的信号，从而控制载波信号的传导路径及强度。

在一优选的实施方式中，通过路由衰减器网络修改不同的网络拓扑，当路由衰减器网络采用星型网络时，路由衰减器网络的全部通道均打开，载波信道衰减为0，所有测试单元均处于同一个网络层级；当路由衰减器网络采用线型网络时，调整路由衰减器网络的载波通道以使得每个测试单元为一个独立的网络层级，相邻测试单元载波通信能够直达，非相邻测试单元载波通信需要中继；当路由衰减器网络采用树形网络时，调整路由衰减器网络的载波通道以使得多个测试单元为一个网络层级，相邻网络层级载波通信能够直达，非相邻网络层级载波通信需要中继。

与现有技术相比，根据本发明的基于分布式噪声注入和无线连接的电力线载波多级组网测试系统具有如下优点：(1)每个测试单元内部均设置有噪声注入模块，可通过注入噪声的方法，以降低本单元被测载波设备接收载波的信噪比，从而无需屏蔽箱即可防止载波信号的空间耦合，实现载波网络拓扑分级；(2)中央控制单元使用无线通信的方式控制各个测试单元及路由衰减器网络，切断了控制线路形成的载波信号传导路径，防止载波信号通过控制线路跨级传导；(3)各个测试单元之间的载波信号通过路由衰减器网络连接，可通过路由衰减器网络改变载波网络的物理拓扑，模拟不同的网络环境，灵活多变。

附图说明

图1是传统的电力线载波多级组网测试系统典型组成框图；

图2是根据本发明一实施方式的电力线载波多级组网测试系统的结构框图；

图3是理想情况的载波信号的特性图；

图4是现有的实际环境中的载波信号的特性图；

图5是根据本发明一实施方式的通过噪声注入的载波信号的特性图；

图6是根据本发明一实施方式的噪声注入模块的结构框图；

图7是高斯白噪声信号频谱；

图8是实际电力线噪声频谱；

图9是根据本发明一实施方式的中央控制单元的结构框图；

图10是根据本发明一实施方式的局端测试单元的结构框图；

图11是根据本发明一实施方式的表端测试单元的结构框图；

图12是根据本发明一实施方式的路由衰减器网络的结构框图；

图13a是根据本发明一实施方式的电力线载波多级组网测试系统采用星型网络方式连接的示意图；

图13b是根据本发明一实施方式的电力线载波多级组网测试系统采用线型网络方式连接的示意图；

图13c是根据本发明一实施方式的电力线载波多级组网测试系统采用树型网络方式连接的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图2所示，根据本发明优选实施方式的基于分布式噪声注入和无线连接的电力线载波多级组网测试系统，包括：中央控制单元101、多个局端测试单元102、多个表端测试单元103以及多个路由衰减器网络104，其中，各组件之间的载波测试通路通过射频连接线进行连接，用于被测载波设备进行组网通信，控制通路采用无线通信的方式。

上述方案中，中央控制单元与多个局端测试单元、多个表端测试单元中的每个测试单元以及多个路由衰减器网络进行通信，以控制电力线载波多级组网测试系统的运行，通过控制路由衰减器网络改变各个测试单元之间的衰减关系，从而改变物理网络拓扑，是整个系统最重要的控制单元。局端测试单元用于测试局端被测载波设备，在载波通信网络中局端被测载波设备作为网络的中央节点，以维护载波网络通信。表端测试单元用于测试表端被测载波设备，在载波通信网络中表端被测载波设备作为网络的中继节点或终端节点，以负责中继通信及终端数据的传输。路由衰减器网络作为局端测试单元和表端测试单元的载波通信路由，每个路由衰减器网络能够连接多个测试单元，并能够切换临近载波节点之间的通信衰减度，并能够实现多路载波的功率分配，实现载波通信路由选择，改变载波传输网络物理拓扑。

并且其中，多个局端测试单元、多个表端测试单元中的每个测试单元内置有噪声注入模块，噪声注入模块被耦合至该测试单元的被测载波设备的载波接口，用于测试载波通信的抗噪声能力，利用噪声注入的方式抵消空间辐射的串扰，从而在无需屏蔽箱的环境下实现空间信号隔离。

整个载波组网测试系统的示意图如图2所示，局端测试单元与表端测试单元分别用于测试局端载波设备及表端载波设备，路由衰减器网络作为各个测试单元的载波通信路由，每个路由衰减器网络可以连接多个测试单元，并可调整这些测试单元之间的载波通信衰减及相互物理连接关系。需要说明的是，图2只绘出了一部分测试单元，仅作为整个系统的连接示意，实际的系统实现中可以根据测试需求，增加测试单元与路由衰减器网络的数量搭建足够多的测试单元用于网络分级测试。

下面详细描述本方案通过噪声注入实现载波网络分级的方法：

如图3所示，在理想的环境下，电磁波的空间衰减无穷大的情况，载波信号的特性如图所示，分别代表三个测试单元内部的信号情况，横坐标为频率，纵坐标为功率。假设每个测试单元的本底噪声功率谱密度为-110dbm/hz，载波发送功率谱密度为-40dbm/hz，级间衰减器衰减值为40db，载波接收器的接收灵敏度为3db。载波测试单元1发出载波信号，在测试单元2接收到的信号信噪比为30db，在测试单元3接收到的信号信噪比为-10db，信号被噪声淹没，超过了载波接收器的能力。即测试单元2可以直接与测试单元1通信，测试单元3需要通过测试单元2进行中继才能与测试单元1通信，从而实现了载波网络分级。

但实际的环境中，电磁波的空间衰减并非无穷大。假设每个测试单元的本底噪声功率谱密度为-110dbm/hz，载波发送功率谱密度为-40dbm/hz，级间衰减器衰减值为40db，空间信号隔离度为60db，载波接收器的最小接收信噪比要求为3db。

如图4所示，载波测试单元1发出载波信号，通过空间耦合至测试单元2与测试单元3的信号功率为-100dbm/hz，与经过信号衰减器的信号叠加后，在测试单元2接收到的信号信噪比为30db，测试单元3通过空间耦合接收到的信号信噪比为10db。测试单元3的接收信噪比大于自身的接收灵敏度，即测试单元3也可以直接与测试单元1通信，无法实现载波网络分级。传统的方法是采用屏蔽箱提高空间隔离度，降低空间耦合信号对接收的影响，使接收信号与理想情况相似，从而实现分级。

如图5所示，本发明是通过噪声注入，来提高各个接收单元的本底噪声。例如，在上述假设的情况下，将各个测试单元的背景噪声功率谱密度提升至-90dbm/hz。在测试单元1发出-40dbm/hz功率谱密度信号的情况下，测试单元2接收到的信号信噪比为10db，测试单元3接收到的信号信噪比为-10db。测试单元3将不能直接和测试单元1进行直接的载波通信，这样不需要物理屏蔽箱就实现了载波网络拓扑的分级，即测试单元3需要通过测试单元2的中继才能与测试单元1通信。

本发明的电力线载波多级组网测试系统的各个组件结构组成如下：

如图6所示，本发明的噪声注入模块能够发出白噪声，以提高本单元内的载波通信本底噪声，降低载波信号信噪比，有利于载波网络拓扑分级；也可发出多种类型的信号，例如窄带噪声，脉冲噪声，或是从现场录制的噪声波形，噪声注入模块包括通信接口、控制模块、fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)、flash存储器、dac数模转换模块及pa功率放大器。其中，噪声注入模块的fpga外接掉电非易失的flash存储器，用于存储产生噪声信号所需的激励数据源，可存储实际录制的电力线噪声信号数据或使用软件生成的高斯白噪声信号数据，根据不同的测试需求输出不同的噪声信号。

例如，高斯白噪声信号频谱如图7所示，其功率谱密度服从均匀分布，幅度分布服从高斯分布，覆盖所有载波通信频段。实际电力线噪声频谱如图8所示，带内频谱不平坦，与现场电力线安装的用电负载相关，并且具有时变特性，没有明显的规律可循，需要现场采集录制。

如图9所示，中央控制单元101包括pc机、与pc机相连接的无线通信模块、高通滤波器及通信天线，其中，pc机用于运行电力线载波多级组网测试系统的控制软件，中央控制单元的对外通信通过天线模块进行，中央控制单元的无线通信模块作为无线控制网络的中央节点，以协调电力线载波多级组网测试系统内所有无线通信模块的组网通信。

如图10所示，每个局端测试单元102包括主控模块、无线通信模块、噪声注入模块、电池供电模块、接口模块以及滤波器，并且局端测试单元引出通信天线接口和测试设备载波接口，其中，主控模块通过无线通信与中央控制单元进行通信，以控制局端测试单元内部的被测设备通信接口及噪声注入模块，通信天线接口用于连接通信天线，通信天线作为无线控制网络的数据收发通道，测试设备载波接口用于将局端被测载波设备的载波信号引出局端测试单元，通信天线接口处接有高通滤波器，防止载波信号由天线接口向外辐射，测试设备载波接口处接有低通滤波器，防止无线信号对载波通信造成影响。典型的局端被测载波设备为集中器载波通信模块，主控模块通过无线通信与中央控制单元进行通信，控制局端测试单元内部的通信接口及噪声注入模块。被测设备通信接口与局端被测载波设备的通信接口匹配，被测设备载波接口与局端被测载波设备的载波接口匹配。主控模块可通过被测设备通信接口控制被测设备的工作状态。

其中，噪声注入模块由本测试单元的主控模块控制，噪声注入模块内部的通信接口连接至局端测试单元的主控模块，以接收主控模块下发的控制指令，控制指令传输至噪声注入模块内部的控制模块，控制模块解析控制指令，根据主控模块的设定，控制噪声注入模块内部的fpga产生相应的数字噪声激励信号，dac数模转换模块将数字噪声激励信号转换为模拟噪声信号，并将模拟噪声信号发送至pa功率放大器，pa功率放大器将模拟噪声信号放大至指定功率后注入至局端被测载波设备的载波接口。

图11为表端测试单元的结构框图，表端测试单元103要测试的是表端载波设备典型的表端被测载波设备为单/三相电能表载波通信模块，其内部组成及功能与局端测试单元类似，通过无线通信与中央控制单元连接。其与局端测试单元的不同在于被测设备通信接口与被测设备载波接口，表端测试单元的测试接口与被测表端通信模块相匹配，并且表端测试单元具有虚拟电能表功能，以支持抄收多个电能表数据项，并能够产生电能表事件上报信号。

如图12所示，每个路由衰减器网络104包括主控模块、无线通信模块、功率分配模块、多个数字衰减模块以及对外接口，对外接口包括通信天线接口及多路载波接口，通信天线接口连接有高通滤波器，载波接口连接有低通滤波器，可防止无线信号与载波通信的相互干扰，路由衰减器网络内置有电池供电模块，可脱离电网独立工作，防止载波信号通过电源线互相串扰。

路由衰减器网络的主控模块通过无线通信模块连接中央控制单元，并由中央控制单元进行控制，以切换不同的衰减值及连接方式，主控模块可以通过调节路由衰减器网络内部不同的数字衰减模块，改变路由衰减器网络各个载波接口之间的衰减值，并可由功率分配模块切断某几个或连接某几个载波接口的信号，控制载波信号的传导路径及强度，实现不同的物理载波网络拓扑。

如图13a-13c所示，下面是通过路由衰减器网络修改不同网络拓扑的示例(图中所示有局端测试单元102、表端测试单元103、路由衰减器网络104)：

星型网络，路由衰减器网络的全部通道均打开，载波信道衰减为0，所有测试单元均处于同一个网络层级。

线型网络，调整路由衰减器网络的载波通道以使得每个测试单元为一个独立的网络层级，相邻测试单元载波通信能够直达，非相邻测试单元载波通信需要中继。

树形网络，调整路由衰减器网络的载波通道以使得多个测试单元为一个网络层级，相邻网络层级载波通信能够直达，非相邻网络层级载波通信需要中继。

需要说明的是，上述星型、线型、树型网络为典型的测试网络拓扑。实际的网络中载波拓扑千变万化，均可通过路由衰减器网络的不同配置在本提案提出的电力线载波多级组网测试系统中进行模拟。

本发明的每个测试单元及路由衰减器网络均具备有独立的电池供电模块，可以使整个系统脱离电网工作，可以切断供电线路形成的载波信号传导路径，防止载波信号通过供电线路跨级传导。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。