一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高電力線載波信號傳輸可靠性方法，包括高精度交流電過零檢測電路，用于檢測交流電的過零點時刻，產(chǎn)生脈沖到主控制電路；通信數(shù)據(jù)幀的長度依據(jù)過零點的時刻和信噪比來自適應調節(jié)；在此電力線通信系統(tǒng)中，接收端根據(jù)接收到的信號進行信道質量估計(CHE)，反饋應答信息到發(fā)射端，發(fā)射端根據(jù)應答信息自適應調整數(shù)據(jù)幀的長度。因為在電力線通信過程中，交流電過零點干擾最小，信道質量最好，所以在過零點區(qū)域使用高效編碼方式及高階調制方式傳輸數(shù)據(jù)，在非零點區(qū)域使用低效編碼方式及低階調制方式傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)信道估計結果自適應調整過零區(qū)域窗口大小，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 【專利說明】一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力線通信領域，尤其是一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方 法。

【背景技術】
[0002] 電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)通信方式，指利用現(xiàn)有電力線，把信號調 制在50HZ/60HZ工頻上的技術。作為電力部門特有的通信資源，電力線傳輸線路具有機械 強度高，不易受外力破壞等特點，因此電力線載波通信技術具有組網(wǎng)簡單，成本低，抗毀性 強，易于實現(xiàn)等特點，近幾年來發(fā)展很快。
[0003] 電力線載波通信的工作頻率遠大于電網(wǎng)的工頻信號50Hz或60Hz，這樣的高頻信 號可以與電能同時在電力線里傳輸，因此，可以充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡基礎設施，無 需任何布線，節(jié)約了資源，同時也節(jié)省了人力，節(jié)約了線纜投資，加快了網(wǎng)絡開通時間。電力 線載波通信系統(tǒng)可應用在自動抄表（AMR)、遠程投/切開關、能量/負荷管理、設備監(jiān)視、斷 電警告、智能電網(wǎng)、智能家居等領域。
[0004] 由于電力線網(wǎng)絡起初只是用來傳輸電能，不是專為通信設計的，所以它并不是一 個理想的傳輸媒介。電力線信道傳輸噪聲大、負載多樣化、阻抗變化范圍大、衰減量大及存 在多徑的時變信道。
[0005] 目前的很多電力線載波通信系統(tǒng)存在如下問題：傳輸?shù)目煽啃圆?，抗干擾能力差。 實驗表明，在電力線通信中，交流電過零點干擾最小，信道質量最好，因此在過零點區(qū)域進 行數(shù)據(jù)傳輸可以提高信號傳輸可靠性。


【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：獲取過零點區(qū)域需要對交流電的過 零點時刻進行準確測量，本發(fā)明中提供了一種過零點檢測電路，可以準確地檢測出交流電 的零點時刻，將交流電過零點轉換成脈沖送入主控制芯片，在主控制芯片內控制數(shù)據(jù)幀的 發(fā)送時間。
[0008] 在零點區(qū)域噪聲小，信道環(huán)境好，使用高階調制方式，提高數(shù)據(jù)吞吐率。
[0009] 在非過零點區(qū)域噪聲大，信道環(huán)境差，使用低階調制方式，降低數(shù)據(jù)吞吐率，提高 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0010] 零點區(qū)域及非過零點區(qū)域采用不同的編碼方式；過零點區(qū)域采用高效編碼方式； 非過零點區(qū)域采用低效編碼方式。
[0011] 數(shù)據(jù)幀由前導符（Preamble)，幀控制頭（FCH)，數(shù)據(jù)段（Data)三部分組成，其中前 導符和幀控制頭長度固定，數(shù)據(jù)段長度可調整。
[0012] 數(shù)據(jù)幀傳輸采用應答方式握手，發(fā)送端根據(jù)接收端反饋ACK/NACK信息及INC_DEC 信息進行發(fā)送數(shù)據(jù)長度調整。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：一種提高電力線載波信號傳輸可靠性方法，包括高精度交 流電過零檢測電路，用于檢測交流電的過零點時刻，產(chǎn)生脈沖到主控制電路；通信數(shù)據(jù)幀的 長度依據(jù)過零點的時刻和信噪比來自適應調節(jié)；在此電力線通信系統(tǒng)中，接收端根據(jù)接收 到的信號進行信道質量估計（CHE)，反饋應答信息到發(fā)射端，發(fā)射端根據(jù)應答信息自適應調 整數(shù)據(jù)幀的長度。因為在電力線通信過程中，交流電過零點干擾最小，信道質量最好，所以 在過零點區(qū)域使用高效編碼方式及高階調制方式傳輸數(shù)據(jù)，在非零點區(qū)域使用低效編碼方 式及低階調制方式傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)信道估計結果自適應調整過零區(qū)域窗口大小，從而提 高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0014] 大量的試驗表明，在電力線上，交流信號的過零點附近，干擾最小，因此根據(jù)過零 點劃分不同的區(qū)域，在零點區(qū)域和非零點區(qū)域采用不同的編碼方式，并根據(jù)信道質量改變 過零點區(qū)域窗口大小，同時選擇適當?shù)膸L度，可大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為零點檢測電路圖；
[0016] 圖2為零點檢測電路輸出脈沖圖；
[0017] 圖3為數(shù)據(jù)幀示意圖；
[0018] 圖4為應答巾貞不意圖；
[0019] 圖5為數(shù)據(jù)幀發(fā)送反饋過程示意圖；
[0020] 圖6為數(shù)據(jù)幀時域發(fā)送示意圖。

【具體實施方式】
[0021] 通信系統(tǒng)首先需要檢測電力線過零點時刻，用于信號發(fā)送控制，過零點檢測電路 如圖1，交流電火線L串聯(lián)電阻R1與光耦U1二極管側正極、光耦U2二極管側負極連接；交 流電零線N與光耦U1二極管側負極、光耦U2二極管側正極連接；光耦U1三極管側發(fā)射極 與光耦U2三極管側發(fā)射極連接后接地；VCC串聯(lián)電阻R2后與光耦U1三極管側集電極，光 耦U2三極管側集電極連接，具有施密特觸發(fā)器特性的門電路連接。
[0022] 在交流電正半周期內，光耦U1發(fā)光二極管導通，光電三極管導通，最終電路輸出 低電平；在交流電負半周期內，光耦U2的發(fā)光二極管導通，光電三極管導通，最終電路輸出 低電平；在交流電的零點附近，光耦Ul、U2不導通，則最終電路輸出高電平；因此可以在每 個零點產(chǎn)生一個高電平脈沖。
[0023] 本發(fā)明中提供的幀結構如圖3所示。數(shù)據(jù)幀由前導符，幀控制頭，數(shù)據(jù)域三部分組 成。
[0024] 前導符采用固定長度符號個數(shù)，如8個符號，使用特定的序列生成，前導符之間沒 有循環(huán)前綴（CP)。前導符用于AGC、幀檢測、符號同步、信道估計、頻偏估計等。
[0025] 幀控制頭包含數(shù)據(jù)幀的解調信息，相關控制信息等。幀控制頭占用固定符號個數(shù)， 如2個，符號間有循環(huán)前綴（CP);幀控制頭中包含數(shù)據(jù)幀的編碼方式，調制方式，長度等解 碼需要的信息。
[0026] 數(shù)據(jù)域是要傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)，本設計中，數(shù)據(jù)的符號數(shù)可以根據(jù)實際情況調節(jié)，符 號間有循環(huán)前綴（CP)，在零點區(qū)域數(shù)據(jù)使用高效編碼方式及高階調制方式，在非零點區(qū)域 數(shù)據(jù)使用低效編碼方式及低階調制方式。
[0027] 應答幀如圖4所示由前導符和幀控制頭組成。前導符與數(shù)據(jù)幀一樣，控制頭中包 含信道估計，預期傳輸增益，零點區(qū)域增減（INC_DEC)等信息，是接收端接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過 計算得到的反饋信息。
[0028] 發(fā)送端（TX)與接收端（RX)的握手過程如圖5所示；當過零點檢測電路檢測到過 零點到來時，輸出一個觸發(fā)信號，發(fā)送端根據(jù)過零點窗口啟動幀傳送，將組裝好的一幀數(shù)據(jù) 送入濾波器、放大電路，再經(jīng)耦合電路發(fā)送到電力線上。
[0029] 接收端采用相關算法，檢測數(shù)據(jù)幀的到達，通過搜索相關峰值，確定符號的準確位 置，根據(jù)FCH中的相關信息，及從前導符號中提取相關的AGC、信道估計、頻偏估計信息，實 施電路控制和數(shù)據(jù)的解調。
[0030] 接收端接收到數(shù)據(jù)幀后，能夠正確解碼，返回ACK應答幀，并根據(jù)前導符等信息計 算信道質量（CHE_NEW)，并與默認的信道質量（CHE_0LD)比較，如果CHE_NEW>CHE_0LD，說 明當前信道質量較好，接收端在應答幀中設置INC_DEC = 1(零點窗口增加）；如果CHE_ NEW〈CHE_0LD，說明當前信道質量較差，接收端在應答幀中設置INC_DEC = 2(零點窗口減 少）；如果CHE_NEW = CHE_0LD，說明當前信道質量沒有變化，接收端在應答幀中設置INC_ DEC = 0(零點窗口保持）。
[0031] 本發(fā)明中信道質量的比較是以準確數(shù)值比較為例說明，也可采用差值范圍內比 較，如信道質量差值在一定范圍內可以保持零點區(qū)域窗口。
[0032] 如果接收到的數(shù)據(jù)幀不能正確解碼，返回NACK應答幀。
[0033] 發(fā)送端接收到NACK幀，減少數(shù)據(jù)幀長度，每次減少固定符號長度，也即固定時間， 如0. 5ms ;發(fā)送端接收到ACK幀，根據(jù)INC_DEC信息保持、增加或減少數(shù)據(jù)幀長度，每次增加 或減少固定符號長度，也即固定時間，如0. 5ms。
[0034] 數(shù)據(jù)幀在電力線上發(fā)送的時間如圖6所示，零點區(qū)域開始新數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，前導 符與幀控制頭在零點區(qū)域發(fā)送；數(shù)據(jù)1在零點區(qū)域發(fā)送，使用高效編碼方式，如Turbo編碼， 高階調制方式，如16QAM，符號個數(shù)N可變；數(shù)據(jù)2在非零點區(qū)域發(fā)送，使用低效編碼方式， 如重復（Repeat)編碼，低階調制方式，如BPSK，符號個數(shù)Μ可變。
[0035] 通過自適應控制過零點區(qū)域窗口大小，可以顯著提高信號傳輸?shù)目煽啃?，同時能 夠利用整個交流電周期傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)吞吐率。
[0036] 以上內容是本發(fā)明的說明，不能認定本發(fā)明只限于這些說明。對于本發(fā)明所述技 術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下做出若干替代或明顯變型，而 且性能或用途相同，都應當視為屬于本發(fā)明的包含范圍。
【權利要求】
1. 一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特征在于，包括：電力線信號過零 點檢測電路；零點區(qū)域寬度根據(jù)信道環(huán)境調節(jié)；根據(jù)零點區(qū)域組裝不同長度的數(shù)據(jù)幀；零 點區(qū)域與非零點區(qū)域采用不同的碼率傳輸數(shù)據(jù)，零點區(qū)域使用高碼率傳輸數(shù)據(jù)，非零點區(qū) 域使用低碼率傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)幀長度根據(jù)信道質量自適應調制。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特征在于， 所述的過零點檢測電路為：交流電火線L串聯(lián)電阻R1與光耦U1二極管側正極、光耦U2二 極管側負極連接；交流電零線N與光耦U1二極管側負極、光耦U2二極管側正極連接；光耦 U1三極管側發(fā)射極與光耦U2三極管側發(fā)射極連接后接地；VCC串聯(lián)電阻R2后與光耦U1三 極管側集電極，光耦U2三極管側集電極，具有施密特觸發(fā)器特性的門電路連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特征在于， 所述過零點檢測電路在交流電一個周期內產(chǎn)生兩個過零點脈沖。
4. 根據(jù)權利要求1、3任一項所述的一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特 征在于，通過過零檢測電路確定過零區(qū)域，在過零區(qū)域：采用高效率編碼方式；使用高階調 制方式，如8PSK，16QAM等；提高傳輸吞吐率。
5. 根據(jù)權利要求1、3任一項所述的一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特 征在于，通過過零檢測電路確定非過零區(qū)域，在非過零區(qū)域：使用低效率編碼方式；使用低 階調制方式，如BPSK ;降低傳輸吞吐率，提高數(shù)據(jù)可靠性。
6. 根據(jù)權利要求1、4、5任一項所述的一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其 特征在于，編碼方式包括Turbo編碼，Viterbi編碼，重復（Repeat)編碼等。
7. 根據(jù)權利要求1 一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特征在于，根據(jù)接 收到ACK/NACK信息及零點區(qū)域增減（INC_DEC)信息，發(fā)送端調整過零點窗口長度。當信道 質量較好時，增大過零區(qū)域窗口；當信道質量變差時，減小過零區(qū)域窗口。
8. 根據(jù)權利要求1、7任一項一種提高電力線載波信號傳輸可靠性的方法，其特征在 于，數(shù)據(jù)幀的前導符與幀控制頭長度固定，通過改變數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分長度改變整個數(shù)據(jù) 幀的長度，使數(shù)據(jù)幀長度滿足零點區(qū)域及非零點區(qū)域長度。
【文檔編號】H04B3/54GK104144001SQ201410366420
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權日:2014年7月29日
【發(fā)明者】張永攀, 陶建平, 王和國, 孫振瑋 申請人:江蘇宏云技術有限公司