[发明专利]电力线通信系统的数字信号处理方法

摘要

电力线通信系统的数字信号处理方法是一种用于在电力线中高速传输数据信号的方法，尤其是一种基于正交频分复用(OFDM)的宽带高速电力载波通信的方法，该数字信号处理方法分发射端和接收端两部分，采用正交频分复用(OFDM)技术，利用电力线实现宽带高速电力载波通信系统的关键技术的研究和开发，该方法通信速率≥50Kbps；直接通信距离≥100米；并且实现系统的Internet的接入；为下一步设计通信速率为1－10Mbps的电力线载波通信系统做好基础性工作。

主权项

1.一种电力线通信系统的数字信号处理方法，其特征在于该数字信号处理方法分发射端和接收端两部分，其处理方法的步骤为：发射端：1)上位机产生数据流，同时按照系统的帧格式中数据段部分的要求发送；2)积码的DSP实现：卷积码是将发送的信息序列通过一个线性的，有限状态的移位寄存器而产生的编码，通常卷积码的编码器由K级，每级k比特的移位寄存器和n个线性代数函数发生器-模2加法器组成，需要编码的二进制数据串行输入移位寄存器，每次移入k比特数据，每个k比特的输入序列对应一个n比特的输出序列，在信道编码方案中，选用在工程中最常用的K＝7，k＝1，和n＝2Rc＝1/2的卷积码，译码采用Viterbi算法，取δ＝40＞5K，硬判决，(7，1，2)卷积码的生成多项式用八进制数表示为：POLYA＝133，POLYB＝171；3)一般卷积码刚开始编码的时候初始状态都是0状态，而在编码快要结束的时候比特流的尾部会跟有填0的“Flushing”，以让编码状态回归到0，所以信息序列尾部必须人为地跟加上6bit的数据000000，以迫使编码器在一帧数据的尾部回到0状态，使得译码时最后一次回溯得到正确的译码结果；4)交织：交织的方式有块交织和卷积交织两种，系统中选用块交织，块交织的过程是：m阶交织器将编码后的数据按行的方向排成m行n列的阵列形式，然后按列的方向依次读出数据，完成数据的交织；5)16QAM映射：使用多进制调制中的16QAM调制，星座图采用方型星座图，相关参数为：最小相位偏移θ min＝18°，最小欧氏距离$d_{\min }=0.63\sqrt{E_0}$ ，峰均值为γ＝1.8，E 0为平均功率；6)虚载波和共轭扩展：虚载波的添加在DSP中是通过一个载波映射图来完成的，载波映射图的数据只包括0和1，OFDM的频带被划分为几个子载波，载波映射图中就有几个0和1的数据，0表示相应的子载波不用来传输数据，1表示相应的子载波用来传输数据；在OFDM系统中一共使用了256个子载波，其中128个是虚载波，前面的112个和后面的16个都是虚载波，只有中间的128个子载波是用来传输数据的载波映射图规则，运用傅里叶变换，实信号傅里叶变换后的结果是幅度谱呈偶对称，相位谱呈奇对称，OFDM用IFFT来实现调制也就是把频域信号转换为时域信号，将频域信号的幅度谱安排为偶对称，相位谱安排为奇对称，则变换出来的时域信号必然为实信号，可以不用经过载波调制就能将数据靠单路D/A发送出去，并且不会改变信号的频谱；如果OFDM采用I、Q路的方式，则必须加上载波调制才能将数据发送出去，共轭扩展就是有意识地将频域补为符合实信号特点的频域；7)虚载波和共轭扩展共同作用的结果是：OFDM系统以单路发送信号，如果发送信号的基带频谱宽度为W，则在虚载波的作用下实际发送信号占用的频谱为$[\frac{112}{256}W,\frac{241}{256}W]$ ，DSP中虚载波和共轭扩展的实现都是对存储器内容进行修改或者重新排序来实现的；8)IFFT在DSP中的实现：在IFFT中，采用了TI基于基4和基2的IFFT算法，减少了复数乘法的次数，在定点DSP芯片中，应用右移一位的方法来完成1/N的运算，并且防止运算过程中的溢出；9)D/A数据调整：在进行数据打包之前，将原始数据转换为适合D/A发送的数据；接收端：10)信号经由信道的传输在接收端首先通过耦合器，然后进行载波搬移，这个是和发送端相对应的一个将信号下变频过程；11)在信号作完下变频以后，经过A/D采样将模拟信号变为数字信号；12)同步模块：同步分为四步，符号粗同步，小数频率估计和纠正，整数频率估计和纠正以及精细同步；13)存储量和精度处理：细同步在进行运算的时候需要2个128字节的DSP存储器模块，外加1个A/D数据写入模块一共需要3个存储模块，在精度处理方面和粗同步是一样的；14)FFT模块实现：FFT运用在接收端，因为接收端接收到的数据都是实数，所以采用了一定的方法使实数FFT变为复数FFT进行运算，节约了原来近一半的计算量，一并完成了解共轭扩展；15)去扩展，载波逆映射，将频谱下变频变换为基带信号；16)数据反调整，反16QAM映射，反交织，在接收端，反交织器将解调后的数据按列的方向排成m行n列的阵列形式，然后按行的方向依次读出数据，完成数据的反交织；17)Viterbi译码的实现：蝶型图是Viterbi算法实现的核心，蝶型图的处理决定了Viterbi算法的效率，在DSP中实现Viterbi，利用产生快表的方法提高计算分支度量的速度；利用C54X DSP循环寻址的功能，使Metrix和Transition_matrix都限制在128字节的Circular Buffer里面，最大可能的节约和利用了存储器；18)在译码完成以后，就利用接收终端的通信串口来接收数据。