一種低壓電力線寬帶載波通信方法與流程

本發明涉及數字通信技術領域，尤其涉及一種低壓電力線寬帶載波通信方法。

背景技術：

國家電網關于低壓電力線寬帶載波通信(powerlinecommunication,plc)的通信規范中物理層(phy)幀的格式包括長前導碼、幀控制和數據載荷。其中長前導碼用于頻偏補償、自動增益控制、符號同步及信道估計。經過長前導碼訓練過后的接收系統能提高系統的符號同步特性和頻率同步特性，較準確的調節電壓增益，較準確的估計出信道的特征，從而改善接收機的性能。然而一定量的長前導碼占據了大量的帶寬和系統處理開銷，系統完成頻偏補償、自動增益控制、符號同步及信道估計的資源開銷和時間開銷比較大。

技術實現要素：

本發明提供一種低壓電力線寬帶載波通信方法，能夠在不減少精度的情況下，快速且準確的完成頻偏補償、自動增益控制、符號同步和信道估計，達到快速收斂的效果，并且減少了資源開銷和時間開銷，提高了系統的性能。

為了達到上述目的，本發明提供一種低壓電力線寬帶載波通信方法，包含：發送機對物理層協議幀進行調制發送，以及接收機對物理層協議幀進行接收處理；

所述的物理層協議幀包含：多個短前導碼、多個長前導碼、多個幀控制符號和多個數據載荷符號；

所述的對物理層協議幀的調制方法包含以下步驟：

按照固定頻率間隔選定多個子載波傳輸短前導碼；

使用可用的全部子載波傳輸長前導碼、幀控制符號和數據載荷符號。

所述的對物理層協議幀的接收處理方法包含以下步驟：

步驟s1、接收機對接收到的短前導碼和長前導碼進行直流估計、自動增益控制、頻偏補償、符號同步和信道估計；

步驟s2、接收機利用步驟s1的結果，得到信道的準確信息，然后對幀控制符號和數據載荷符號進行處理，獲得正確的數據；

所述的對物理層協議幀中的短前導碼和長前導碼進行處理的方法具體包含以下步驟：

步驟s1.1、模擬增益，模擬增益模塊調整接收到的模擬信號增益；

步驟s1.2、模數轉換，模數轉換模塊對接收到的短前導碼或長前導碼進行模數轉換，產生時域上的短前導碼或長前導碼數字采樣信號；

步驟s1.3、自動增益控制，自動增益控制模塊對短前導碼或長前導碼數字采樣信號進行能量估計，獲得能量增益參數作用到模擬增益模塊，完成能量增益系數的調整；

步驟s1.4、直流估計，直流估計模塊對短前導碼或長前導碼數字采樣信號進行直流估計，獲得時域信號；

步驟s1.5、頻偏補償，頻偏補償模塊對短前導碼進行粗粒度的頻偏補償，或對長前導碼進行細粒度的頻偏補償；

步驟s1.6、符號同步，符號同步模塊對短前導碼進行粗粒度的自相關處理，或對長前導碼進行細粒度的自相關處理，完成符號同步；

步驟s1.7、快速傅里葉變換，快速傅里葉變換模塊分別對短前導碼和長前導碼進行快速傅里葉變換，再將快速傅里葉變換后的短前導碼數據和快速傅里葉變換后的長前導碼數據從時域變換到頻域；

步驟s1.8、信道估計，信道估計模塊對短前導碼數據或長前導碼數據進行信道估計獲得前導碼估計值。

所述的自動增益控制包含以下步驟：

步驟s1.2.1、前導碼檢測，若檢測到短前導碼數據或長前導碼數據，啟動計數器；

步驟s1.2.2、計數器對短前導碼數據或長前導碼數據進行計數，并計算能量；

步驟s1.2.3、比較器將短前導碼能量或長前導碼能量與系統設定的閾值進行比較，輸出的能量增益參數作用到模擬增益模塊，對后續接收進行能量的調整；

如果能量<低閾值，則輸出能量增益參數為正值，如果能量>高閾值，則輸出能量增益參數為負值。

所述的頻偏補償包含以下步驟：

步驟s1.4.1、判斷前導碼的類型，如果是短前導碼，同時進行步驟s1.4.2和步驟s1.4.4，如果是長前導碼，同時進行步驟s1.4.3和步驟s1.4.4；

步驟s1.4.2、對短前導碼進行粗粒度的頻偏補償，進行步驟s1.4.5；

步驟s1.4.3、對長前導碼進行細粒度的頻偏補償，進行步驟s1.4.5；

步驟s1.4.4、對短前導碼和長前導碼進行緩存，用于對頻偏補償后的結果的疊加，進行步驟s1.4.5；

步驟s1.4.5、進行頻偏補償疊加；

步驟s1.4.6、將補償后的數據輸出給符號同步模塊。

所述的符號同步包含以下步驟：

步驟s1.5.1、判斷前導碼的類型，如果是短前導碼，同時進行步驟s1.5.2和步驟s1.5.4，如果是長前導碼，同時進行步驟s1.5.3和步驟s1.5.4；

步驟s1.5.2、對短前導碼進行粗粒度的自相關處理，以較大步長快速的做符號同步，進行步驟s1.5.5；

步驟s1.5.3、對長前導碼進行細粒度的自相關處理，以較小步長精細的做符號同步，進行步驟s1.5.5；

步驟s1.5.4、對短前導碼和長前導碼進行緩存，用于符號同步，進行步驟s1.5.5。

步驟s1.5.5、進行符號同步結果疊加。

所述的信道估計包含以下步驟：

步驟s1.7.1、判斷前導碼的類型，如果是短前導碼，進行步驟s1.7.2，如果是長前導碼，進行步驟s1.7.4；

步驟s1.7.2、對短前導碼進行信道插值，得到全部可用子載波的頻譜，進行步驟s1.7.3；

步驟s1.7.3、對短前導碼進行插值濾波，使頻譜平滑化，進行步驟s1.7.4；

步驟s1.7.4、對短前導碼或長前導碼進行信道濾波，進行步驟s1.7.5；

步驟s1.7.5、對短前導碼或長前導碼進行相位估計，得到前導碼估計值。

本發明在發送物理層協議幀時，先發送短的前導碼，用于自動增益控制、信道估計、粗粒度的頻偏補償和符號同步，然后發送長前導碼，用于自動增益控制、信道估計、細粒度的頻偏補償和符號同步。與單純發送長前導相比，采用短前導碼和長前導碼相結合的方式能夠在不減少精度的情況下，快速且準確的完成頻偏補償、自動增益控制、符號同步和信道估計，達到快速收斂的效果，并且減少了資源開銷和時間開銷，提高了系統的性能。

附圖說明

圖1是本發明提供的物理層協議幀的結構示意圖。

圖2是短前導的子載波調制頻譜。

圖3是長前導/幀控制/數據載荷的子載波調制頻譜。

圖4是對物理層協議幀中的短前導碼和長前導碼進行處理的方法流程圖。

圖5是自動增益控制的流程圖。

圖6是頻偏補償的流程圖。

圖7是符號同步的流程圖。

圖8是信道估計的流程圖。

具體實施方式

以下根據圖1～圖8，具體說明本發明的較佳實施例。

本發明適用于國家電網低壓電力寬帶載波通信網絡，也可應用于符合低壓電力寬帶載波通信其他標準的通信系統。

本發明提供的一種低壓電力線寬帶載波通信方法，包含：發送機對物理層協議幀進行調制發送，以及接收機對物理層協議幀進行接收處理。

如圖1所示，所述的物理層協議幀包含：多個短前導碼、多個長前導碼、多個幀控制符號和多個數據載荷符號。

其中，短前導碼是一段已知的序列，其按照固定頻率間隔占據載波段的特定子載波；長前導碼是一段已知的序列，其占據全部可用載波段的子載波；幀控制符號包含幀的控制信息，其占據全部可用載波段的子載波；數據載荷符號包含幀的有效數據，其占據全部可用載波段的子載波。

所述的對物理層協議幀的調制方法包含以下步驟：

按照固定頻率間隔選定多個子載波傳輸短前導碼；

使用可用的全部子載波傳輸長前導碼、幀控制符號和數據載荷符號。

如圖2所示，短前導碼在調制時，首選選定起始子載波頻點m*f0，然后以x*f0為頻率間隔選定相應的子載波頻點，如果短前導的大小為n+1，則選定一組{m*f0,x*f0+m*f0,2x*f0+m*f0,…,n*x*f0+m*f0}的子載波來傳輸短前導碼，其中，f0為基頻頻率，n、x和m均為自然數。

如圖3所示，f0為基頻頻率，長前導碼、幀控制符號和數據載荷符號調制的載波段為可用的全部載波段。實際使用中若某個子載波不可使用，則該子載波不在全部可用子載波段中。需要說明的是短前導碼調制的載波段是長前導碼調制的載波段的子集。

所述的對物理層協議幀的接收處理方法包含以下步驟：

步驟s1、接收機對接收到的短前導碼和長前導碼進行直流估計、自動增益控制、頻偏補償、符號同步和信道估計。

步驟s2、接收機利用步驟s1的結果，得到信道的準確信息，然后對幀控制符號和數據載荷符號進行處理，獲得正確的數據。

其中，如圖4所示，所述的對物理層協議幀中的短前導碼和長前導碼進行處理的方法具體包含以下步驟：

步驟s1.1、模擬增益，模擬增益模塊調整接收到的模擬信號增益；

步驟s1.2、模數轉換，模數轉換模塊對接收到的短前導碼或長前導碼進行模數轉換，產生時域上的短前導碼或長前導碼數字采樣信號；

步驟s1.3、自動增益控制，自動增益控制模塊對短前導碼或長前導碼數字采樣信號進行能量估計，獲得能量增益參數作用到模擬增益模塊，完成能量增益系數的調整；

步驟s1.4、直流估計，直流估計模塊對短前導碼或長前導碼數字采樣信號進行直流估計，獲得時域信號；

步驟s1.5、頻偏補償，頻偏補償模塊對短前導碼進行粗粒度的頻偏補償，或對長前導碼進行細粒度的頻偏補償；

步驟s1.6、符號同步，符號同步模塊對短前導碼進行粗粒度的自相關處理，或對長前導碼進行細粒度的自相關處理，完成符號同步；

步驟s1.7、快速傅里葉變換，快速傅里葉變換模塊分別對短前導碼和長前導碼進行快速傅里葉變換(fft)，再將快速傅里葉變換后的短前導碼數據和快速傅里葉變換后的長前導碼數據從時域變換到頻域；

步驟s1.8、信道估計，信道估計模塊對短前導碼數據或長前導碼數據進行信道估計獲得前導碼估計值。

如圖5所示，所述的自動增益控制包含以下步驟：

步驟s1.2.1、前導碼檢測，若檢測到短前導碼數據或長前導碼數據，啟動計數器；

步驟s1.2.2、計數器對短前導碼數據或長前導碼數據進行計數，并計算能量；

步驟s1.2.3、比較器將短前導碼能量或長前導碼能量與系統設定的閾值進行比較，輸出的能量增益參數作用到模擬增益模塊，對模擬增益模塊的后續接收進行能量的調整以提高精度及避免限幅失真；

如果能量<低閾值，則輸出能量增益參數為正值，如果能量>高閾值，則輸出能量增益參數為負值。

經過多次的自動增益控制，能夠快速且準確的完成能量增益系數的調整。

如圖6所示，所述的頻偏補償包含以下步驟：

步驟s1.4.1、判斷前導碼的類型，如果是短前導碼，同時進行步驟s1.4.2和步驟s1.4.4，如果是長前導碼，同時進行步驟s1.4.3和步驟s1.4.4；

步驟s1.4.2、對短前導碼進行粗粒度的頻偏補償，進行步驟s1.4.5；

根據圖2所示的短前導的子載波調制頻譜，粗粒度的頻偏補償最大可以調整x*f0的頻率偏移，粗粒度頻偏補償能夠以較大步長快速的將頻率調整到子載波中心頻點周圍；

步驟s1.4.3、對長前導碼進行細粒度的頻偏補償，進行步驟s1.4.5；

根據圖3所示的長前導的子載波調制頻譜，細粒度能夠進一步縮小待估計頻點與中心頻點的偏移量，提高頻偏補償的精度；

步驟s1.4.4、對短前導碼和長前導碼進行緩存，用于對頻偏補償后的結果的疊加，進行步驟s1.4.5；

步驟s1.4.5、進行頻偏補償疊加；

步驟s1.4.6、將補償后的數據輸出給符號同步模塊。

經過多次頻偏補償，能夠快速且準確的完成頻偏補償。

如圖7所示，所述的符號同步包含以下步驟：

步驟s1.5.1、判斷前導碼的類型，如果是短前導碼，同時進行步驟s1.5.2和步驟s1.5.4，如果是長前導碼，同時進行步驟s1.5.3和步驟s1.5.4；

步驟s1.5.2、對短前導碼進行粗粒度的自相關處理，以較大步長快速的做符號同步，進行步驟s1.5.5；

步驟s1.5.3、對長前導碼進行細粒度的自相關處理，以較小步長精細的做符號同步，進行步驟s1.5.5；

步驟s1.5.4、對短前導碼和長前導碼進行緩存，用于符號同步，進行步驟s1.5.5。

步驟s1.5.5、進行符號同步結果疊加。

經過多次的粗/細粒度的符號同步調整，能夠快速且準確的完成符號同步定時。

如圖8所示，所述的信道估計包含以下步驟：

步驟s1.7.1、判斷前導碼的類型，如果是短前導碼，進行步驟s1.7.2，如果是長前導碼，進行步驟s1.7.4；

步驟s1.7.2、對短前導碼進行信道插值，得到全部可用子載波的頻譜，進行步驟s1.7.3；

步驟s1.7.3、對短前導碼進行插值濾波，使頻譜平滑化，進行步驟s1.7.4；

步驟s1.7.4、對短前導碼或長前導碼進行信道濾波，進行步驟s1.7.5；

步驟s1.7.5、對短前導碼或長前導碼進行相位估計，得到前導碼估計值。

經過信道估計得到的估計值會在幀控制和數據載荷的處理中使用。

本發明在發送物理層協議幀時，先發送短的前導碼(shortpreamble，sp)，用于自動增益控制、信道估計、粗粒度的頻偏補償和符號同步，然后發送長前導碼(longpreamble，lp)，用于自動增益控制、信道估計、細粒度的頻偏補償和符號同步。與單純發送長前導相比，采用短前導碼和長前導碼相結合的方式能夠在不減少精度的情況下，快速且準確的完成頻偏補償、自動增益控制、符號同步和信道估計，達到快速收斂的效果，并且減少了資源開銷和時間開銷，提高了系統的性能。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。