一种用于电力线载波通信的数字前端系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术涉及支撑智能电网的电力通信领域，具体涉及一种用于电力线载波通信的数字前端系统及其实现方法；所述数字前端系统包括依次进行通信的发射机和接收机；发射机包括依次进行通信的逆傅立叶变换模块、加窗模块I、插值滤波器、混频器I和数模转换器；所述接收机包括依次进行通信的模数转换器、混频器II、抽取滤波器、加窗模块II和傅立叶变换模块。所述实现方法包括下述步骤：（1）将调制符号输入到发射机上转换为模拟信号；（2）将所述模拟信号输入的到接收机上转换为调制符号。本发明专利技术将等效复数基带形式的数字前端与奈奎斯特窗的方法结合，具有支持频带选择、支持带宽配置、抑制带外干扰、降低发送信号带外能量并抑制带内窄带干扰的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电力线载波通信的数字前端系统及其实现方法
本专利技术涉及支撑智能电网的电力通信领域，具体涉及一种用于电力线载波通信的支撑等效复数基带正交频分复用OFDＭ调制的数字前端系统及其实现方法。
技术介绍
与其他通信系统相比，电力线载波通信信道更加复杂多变。电力线载波通信信道具有频率选择性、时变性、具有有色的背景噪声、窄带干扰和多种脉冲噪声，这些特性主要是由连接在电力线上的各种电器所引起的。举例而言，欧洲的CE（欧洲统一，CONFORMITEEUROPEENNE）认证仅测量测试电器在150千赫兹以上的电磁兼容（EMC）特性，因此，150千赫兹以下的噪声非常高。同时，随着传输距离、电网结构、信道阻抗和频率而变化的衰减也是电力线载波通信的重要影响因素。另外，在智能电网系统中，不同的组织会提供不同的应用，如高级测量体系（AMI）、电网自动化等，并且不同服务所要求的服务质量也相差甚远，这就需要在电网中分割频段进行实现。因此，多种电力线通信系统可能会工作在同一段电力线下，一个系统的信号对另外的系统而言会成为干扰，而这种带外干扰的能量甚至会大于信号本身的能量。可见，应对电力线通信系统信道上的噪声和衰减对于保证电力线通信系统的可靠性至关重要。因此，一个具有鲁棒性的电力线通信系统需要支持对频点和带宽的灵活选择，支持对带外噪声的抑制以提高可用的频带范围，降低带外发送功率以减少对相邻系统的干扰，并能够在最大程度上降低带内窄带干扰对与其相邻正交频分复用OFDM子载波接收性能的影响。为了避免使用十分复杂的模拟前端来达到以上目的，需要结合最新的现有技术研究能够支撑以上功能的数字前端结构。由于电力线载波通信使用的频段频率较低，通常在几十千赫兹到几十兆赫兹之间，因此，传统的基于正交频分复用（OFDM）的电力线通信系统的数字前端不使用数字混频器，而是直接在基带对数字信号进行调制和处理，发射端将信号映射到需要使用的子载波上，所使用的子载波直接对应着信息传输所使用的频段。OFDM符号经过逆傅立叶变换后，进行过采样和低通滤波处理，然后直接发射至数模转换器。这种传统的数字前端无法实现保证在具有较小的子载波间隔的同时提高可用频带范围，尤其是在使用中心频点较高（如10兆赫兹）的窄带OFDM进行通信时，系统的复杂度会大大提高。等效复数基带形式的数字前端广泛的用于无线通信领域。与传统的数字前端结构不同，在发射端，等效复数基带形式的数字前端使用数字混频器将信号从基带搬移到通带内，相反的，在接收端，使用数字混频器将带通信号搬移到基带，形成等效的基带信号进行处理，从而降低了对接收机采样速率的要求和滤波器设计的难度，但等效复数基带形式的数字前端目前还没有被用于电力线载波通信领域。奈奎斯特窗函数的方法已被用于无线通信OFDM系统的接收端处理，但在电力线载波通信系统中还未被提出。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种用于电力线载波通信的支撑等效复数基带正交频分复用OFDM调制的数字前端系统，另一目的是提供一种用于电力线载波通信的数字前端系统的实现方法，本专利技术将等效复数基带形式的数字前端与奈奎斯特窗的方法结合，具有支持频带选择、支持带宽配置、抑制带外干扰、降低发送信号带外能量并抑制带内窄带干扰的特点。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：一种用于电力线载波通信的数字前端系统，其改进之处在于，所述数字前端系统包括依次进行通信的发射机和接收机；所述发射机包括依次进行通信的逆傅立叶变换模块、加窗模块I、插值滤波器、混频器I和数模转换器；所述接收机包括依次进行通信的模数转换器、混频器II、抽取滤波器、加窗模块II和傅立叶变换模块。优选的，所述逆傅立叶变换模块实现变换调制符号到时域的等效复数基带信号的变换；所述加窗模块I用于降低等效复数基带正交频分复用OFDM及子载波信号的带外能量；所述插值滤波器为级联模式，用于分步提高等效复数基带信号的采样率；所述混频器I实现等效复数基带信号到数字带通信号的转换；所述数模转换器用于将数字带通信号转换为模拟信号。优选的，所述接收机实现与发射机相反的操作，所述模数转换器将模拟信号转换为数字带通信号；所述混频器II实现数字带通信号到等效复数基带信号的转换；所述抽取滤波器为级联模式，用于分步降低等效复数基带信号的采样率；所述加窗模块II用于抑制等效复数基带信号的带内窄带干扰；所述傅立叶变换模块实现等效复数基带信号到调制符号的变换。较优选的，所述接收机的输入信号即模拟信号通过模数转换器转换为数字带通信号，数字带通信号再通过混频器II变频成为等效复数基带信号；等效复数基带信号通过一级速率变换因子为Ra的抽取低通滤波器和M级级联的速率变换因子为2的抽取低通滤波器，降采样至采样频率为fs的等效复数基带信号；执行奈奎斯特窗加窗和傅立叶变换处理，得到调制符号；其中fs从1千赫兹到50兆赫兹。较优选的，加窗模块I和加窗模块II均采用升余弦加窗模块（升余弦窗是奈奎斯特窗的一种）；插值滤波器采用速率变换因子为Ra插值低通滤波器，Ra=2、3或5；抽取滤波器采用速率变换因子为Ra抽取低通滤波器，Ra=2、3或5；混频器I和混频器II均采用频点为fc的混频器；其中fc从0赫兹到25兆赫兹。优选的，通过改变混频器I和混频器II的频率，用于实现对数字前端系统中心频点的配置；通过改变所述发射机插值滤波器的级联级数和插值倍数，实现对发射机带宽的配置；通过改变所述接收机抽取滤波器的级联级数和抽取倍数，实现对接收机带宽的配置；其中发射机带宽和接收机的带宽均从7.8千赫兹到25兆赫兹；插值倍数和抽取倍数的取值均与速率变换因子Ra相同，Ra=2、3或5。优选的，通过改变接收机抽取滤波器的滤波器级数和每级滤波器的阶数，结合过采样增益，用于实现不同的带外抑制效果。（不同的带外抑制效果如最高可以实现超过100分贝的带外抑制。）本专利技术基于另一目的提供的一种用于电力线载波通信的数字前端系统的实现方法，其改进之处在于，所述方法用的数字前端系统包括依次进行通信的发射机和接收机；所述发射机包括依次进行通信的逆傅立叶变换模块、加窗模块I、插值滤波器、混频器I和数模转换器；所述接收机包括依次进行通信的模数转换器、混频器II、抽取滤波器、加窗模块II和傅立叶变换模块；所述实现方法包括下述步骤：（1）将调制符号输入到发射机上转换为模拟信号；（2）将所述模拟信号输入的到接收机上转换为调制符号。优选的，所述步骤（1）包括下述步骤：A、调制符号分别映射到子载波上，通过逆傅立叶变换模块处理转换为时域的等效复数基带信号；B、将等效复数基带信号进行升余弦窗加窗处理，用于降低等效复数基带信号的带外能量；假设基带采样频率为fs，经过奈奎斯特窗加窗处理后的等效复数基带信号通过M级速率变换因子为2的插值低通滤波器过采样至2M·fs，其中M为整数且0≤M≤9；C、所述等效复数基带信号再经过一级速率变换因子为Ra，Ra=2，3或5的插值低通滤波器，等效复数基带信号的采样率为Ra·2M·fs；D、所述等效复数基带信号由载波频点为fc的混频器上变频成为数字带通信号；E、所述数字带通信号经过数模转换器后将数字带通信号转换为模拟信号。优选的，所述步骤（2）包括下述步骤：<1>输入到接收机的模拟信号通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电力线载波通信的数字前端系统，其特征在于，所述数字前端系统包括依次进行通信的发射机和接收机；所述发射机包括依次进行通信的逆傅立叶变换模块、加窗模块I、插值滤波器、混频器I和数模转换器；所述接收机包括依次进行通信的模数转换器、混频器II、抽取滤波器、加窗模块II和傅立叶变换模块。

【技术特征摘要】
1.一种用于电力线载波通信的数字前端系统，其特征在于，所述数字前端系统包括依次进行通信的发射机和接收机；所述发射机包括依次进行通信的逆傅立叶变换模块、加窗模块I、插值滤波器、混频器I和数模转换器；所述接收机包括依次进行通信的模数转换器、混频器II、抽取滤波器、加窗模块II和傅立叶变换模块；所述逆傅立叶变换模块实现变换调制符号到时域的等效复数基带信号的变换；所述加窗模块I用于降低等效复数基带正交频分复用调制信号及各子载波的带外能量；所述插值滤波器为级联模式，用于分步提高等效复数基带信号的采样率；所述混频器I实现等效复数基带信号到数字带通信号的转换；所述数模转换器用于将数字带通信号转换为模拟信号；所述接收机实现与发射机相反的操作，所述模数转换器将模拟信号转换为数字带通信号；所述混频器II实现数字带通信号到等效复数基带信号的转换；所述抽取滤波器为级联模式，用于分步降低等效复数基带信号的采样率；所述加窗模块II用于抑制等效复数基带信号的带内窄带干扰；所述傅立叶变换模块实现等效复数基带信号到调制符号的变换；所述接收机的输入信号通过模数转换器转换为数字带通信号，其中，输入信号为模拟信号；数字带通信号再通过混频器II变频成为等效复数基带信号；等效复数基带信号通过一级速率变换因子为Ra的抽取低通滤波器和M级级联的速率变换因子为2的抽取低通滤波器，降采样至采样频率为fs的等效复数基带信号；执行奈奎斯特窗加窗和傅立叶变换处理，得到调制符号；其中fs从1千赫兹到50兆赫兹；加窗模块I和加窗模块II均采用升余弦加窗模块；混频器I和混频器II均采用频点为fc的混频器；其中fc从0赫兹到25兆赫兹；通过改变混频器I和混频器II的频率，用于实现对数字前端系统中心频点的配置；通过改变所述发射机插值滤波器的级联级数和插值倍数，实现对发射机带宽的配置；通过改变所述接收机抽取滤波器的级联级数和抽取倍数，实现对接收机带宽的配置；其中发射机带宽和接收机的带宽均从7.8千赫兹到25兆赫兹；通过改变接收机抽取滤波器的滤波器级数和每级滤波器的阶数，结合过采样增益，增加数模转换器...

【专利技术属性】
技术研发人员：高鸿坚，布米勒·歌德，刘伟麟，杨冰，李建岐，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：