一种电力物联网业务多进制MFSK系统信道化解调方法与流程

一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法
技术领域
1.本发明涉及一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法，属于配电网技术领域。


背景技术：

2.电力系统可以使用223-235mhz上的290个25khz专用频点开展专网应用，常用的230mhz专网频段存在宽带全频干扰、窄带同频干扰和窄带邻频三种干扰。其中宽带全频干扰主要是由各种led电子屏、电子广告牌、电子铭牌以及射灯或照明灯引起；窄带同频干扰主要由230mhz频段内的授权电台和临时干扰引起；窄带邻频干扰主要由其他使用非电力频点的230mhz窄带通信系统引起。
3.针对宽带全频段干扰，可以采用扩频通信、窄带发送等技术提高接收性能进行对抗。传统的mfsk系统是单个频点单独处理，在接收端如果有多个mfsk通信频点则需要分别对每个通信频点进行正交下变频然后进行基带解调，当通信频点较多时，传统的mfsk系统接收复杂度较高。同时由于在电力物联网本地通信系统中，存在一个边端设备对区域内的电力设备进行数据采集，当同时通信的mfsk通信频点较多时，若采用传统的单频点独立处理，其接收端和发射端的复杂度会随着频点数量急剧增长。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法，降低电力物联网业务接收复杂度。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法，所述方法包括如下步骤：
7.信号发送端采用多个电力频点通信，所述电力频点通过mfsk方式发送调制信号；
8.信号接收端将接收的调制信号通过多相滤波器组进行信道化，实现多频点mfsk信号的信道分离，降低接收端复杂度，得到信道化后的数据；
9.信道化后的数据经过mfsk解调，得到调制后的瞬时频率信号。
10.结合第一方面，进一步的，信号发送端存在多个mfsk发送频点时，采用稀疏ofdm方式进行发送，能够匹配电力物联网不同电力业务的需求同时降低多频点mfsk系统的实现复杂度。
11.进一步的，所述mfsk解调采用鉴频法，所述鉴频法使用小角度近似解调。
12.进一步的，经过小角度近似解调后瞬时频率信号的计算公式如下：
13.mfαn∝
δθ(n)＝sinδθ(n)＝q(n)i(n-1)-i(n)q(n-1)；
14.式中，i(n-1)与i(n)分别为n-1与n时刻的同相接收信号，q(n-1)与q(n)分别为n-1与n时刻的正交相接收信号，δθ(n)表示n时刻的相位变化，mf表示调频指数，αn表示调制符号。
15.进一步的，所述信号接收端对接收到的调制信号进行分组，分组后的各支路调制信号采用多个低通滤波器进行滤波，得到信道化后的数据。
16.进一步的，所述电力频点为离散的25khz带宽，每个所述25khz带宽内采用2fsk调制。
17.进一步的，所述方法还包括对得到的瞬时频率信号进行差分解调，同时完成码反变换。
18.第二方面，本发明提供一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调系统，包括处理器及存储介质；
19.所述存储介质用于存储指令；
20.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
21.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
22.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果包括：
23.本发明通过使用多频点mfsk技术实现不同电力业务的传输，能够匹配电力物联网不同电力业务的需求；
24.在发射端采用稀疏ofdm发射方案降低多频点mfsk系统的实现复杂度；
25.在接收端采用多相滤波器组实现多频点mfsk信号的信道分离，降低接收端复杂度；
26.本发明采用的mfsk系统属于窄带通信技术，与现有技术中的ofdm系统相比，该系统的峰均值低，功放效率高，可有效实现低功耗传输。
附图说明
27.图1是本发明实施例提供的电力多频点fsk技术原理图；
28.图2是根据本发明实施例提供的基于多项滤波器组的信道化原理图；
29.图3是根据本发明实施例提供的小角度近似解调法的系统结构图；
30.图4是根据本发明实施例提供的dpsk副载波调制信号解调原理图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
32.实施例一
33.本发明提供一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法，其中mfsk系统调制过程如下：
34.在频域上有m个正交调制频点[f0...fk...f
m-1
]，m为2的幂次方，根据数量为log2(m)信息比特，通过一定的映射方式选择一个频点k∈[0,m-1]，然后选择此频点调制发送，即s(t)＝cos(fct+2π*fkt)，其中fc为载波频点，设频点间的间隔为scs，每个m-fsk调制符号时长须大于1/scs，根据mfsk调制阶数m以及频点间隔scs，可以得到信号占用带宽bw＝m*scs。
[0035]
电力230m的授权频段是由40个离散的25khz频点组成，为了充分利用电力授权频
点且不干扰相邻频点，本发明提出基于电力多频点mfsk，能够使用多个电力频点进行通行，每个25khz内采用独立的mfsk调制方式。
[0036]
如图1所示为本实施例提供的电力多频点fsk技术原理图，电力频点为离散的25khz，在每个25khz带宽内采用2fsk调制，则每个频点可传输的速率为12kbps(假设有效带宽为24khz)。通过聚合多个频点提升数据速率，例如：聚合4个频点速率为48kbps，聚合5个频点为60kbps。
[0037]
由于230mhz频段是以25khz为带宽进行划分的，因此当每个频点采用2fsk调制时，可以采用子载波间隔为12.5khz的ofdm系统进行发送，其特点是每两个子载波中最多只有一个频点被激活。
[0038]
假设边侧设备射频带宽为3.2mhz，以12.5khz为子载波间隔时，共有256个子载波。假设电力可用的25khz频端的中心频率为f1,f2,
…
,fk，单个25khz频段内发送比特bi与频率的对应关系为：
[0039][0040]
发送的稀疏ofdm符号的数据域表示如下：
[0041][0042]
对序列d1,d2,
…
,d
256
进行ifft变换即可得到边侧设备的多频点mfsk发送信号，即：
[0043][0044]
其中表示第n个ofdm符号对应的频域数据，ts表示一个ofdm符号的持续时间，g(t)为时宽为ts的矩形脉冲，即：
[0045][0046]
在边侧设备进行多频点mfsk系统接收时，为了降低接收端处理复杂度，本发明采取基于多相滤波器组的信道化技术，能够快速实现接收信号的信道化。在本发明的fsk系统中，可以利用该技术快速实现多个25khz信道的分离与采样，其原理如图2所示。多相滤波信道化是对传统信道化结构的改进,通过各支路共用一个低通滤波器提高资源的利用率,同时采用多相抽取提高了后续滤波和fft的运算效率。
[0047]
在上行接收过程中，假设不同电力终端发送信息的时刻随机，n个电力终端同时发送时，边侧电力接收设备的接收信号可以表示为：
[0048][0049]
式中，wc为载波频率，tn为第n个终端到边侧设备的传输时延，mf为调频指数，αn(t-tn)是第n个终端发送的数据流，wn是符号速率。
[0050]
采样后的数据可以表示为：
[0051][0052]
式中，σ表示噪声。
[0053]
接收端采用多项滤波器组进行信道化，假设窄带原型滤波器为：
[0054][0055]
式中，窄带原型滤波器的长度为k,将其按照下列方式分解成为d组，并且假设k为d的整数倍，对上式做分解，表示为：
[0056][0057]
其中
[0058]
令则
[0059]
同理，将接收到的数据也按照上述方式进行分组并乘以可得：
[0060][0061]
针对每个数据分组进行滤波，可得：
[0062]rk
＝yk*ek，
[0063]
信道化后的数据可以表示为：
[0064]
c＝ifft([r
1 r2…
rd])＝(c0,c1,
…
,c
d-1
)，
[0065]
式中，c0～c
d-1
表示第1至d个信道的窄带信号。
[0066]
本发明针对多项滤波器组信道化后的每一路数据的mfsk解调采用鉴频法，使用的鉴频算法没有采用传统的反正切运算鉴频，而是采用了一种避免反正切运算的方法。
[0067]
传统反正切函数求导表示如下：
[0068][0069]
式中，q(n)和i(n)分别表示接收信号ck,k＝0,1,
…
,d-1在第n个采样时刻的的实部和虚部。
[0070]
从星座图来看，由于fsk是恒包络调制，即星座图上所有点都在单位圆上，故有：
[0071]
cosθ1＝i(n-1)，sinθ1＝q(n-1
[0072]
cosθ2＝i(n)，sinθ2＝q(n)，
[0073]
则有：
[0074]
sinδθ(n)＝sin(θ
2-θ1)＝sinθ2cosθ
1-cosθ2sinθ1[0075]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
＝q(n)i(n-1)-i(n)q(n-1)，
[0076]
当δθ(n)很小时，由小角度近似法则，sinδθ(n)与δθ(n)近似相等，进一步简化得到x(n)，即：
[0077]
mfαn∝
δθ(n)＝sinδθ(n)＝q(n)i(n-1)-i(n)q(n-1)
[0078]
式中，i(n-1)与i(n)分别为n-1与n时刻的同相接收信号，q(n-1)与q(n)分别为n-1与n时刻的正交相接收信号，δθ(n)表示n时刻的相位变化，mf表示调频指数，αn表示调制符号。
[0079]
传统的正交解调法,计算的是θ(n)的三角函数,不能近似，只能采用计算或查反三角函数表的方法；小角度近似解调法的优势在于计算的是δθ(n)三角函数,可以近似。
[0080]
本发明使用小角度近似解调法的系统结构图3所示，得到的结果即为差分鉴频的输出，为mfsk载波调制的瞬时频率信号。本发明根据小角度近似解调法,获得最简单的算法，由于只有两次乘法和一次减法,而没有反正切、除法等计算,大大简化计算量。
[0081]
进一步的，本发明也可采用较高的中频采样率,但只能应用在调制角度较小的情况。
[0082]
经过mfsk解调得到的即是频率稳定的dpsk副载波调制信号，此信号进入差分解调模块进行解调。差分解调模块进行差分解调的原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制信息。由于解调的同时完成了码反变换的作用，故解调器中不需要码反变换器，即不需要专门的相干载波，其原理框图如图4所示，发射端采用fft生成fsk，接收端采用信道化并行解调。
[0083]
实施例二
[0084]
本发明还提供一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调系统，包括处理器及存储介质，其中存储介质用于存储指令，处理器用于根据指令进行操作以执行一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法的步骤。
[0085]
实施例三
[0086]
计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种电力物联网业务多进制mfsk系统信道化解调方法的步骤。
[0087]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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。
[0088]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
[0089]
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。
[0090]
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。
[0091]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。