CN104954312B - 一种基于ofdm调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，包括如下步骤：根据系统设计需求，确定系统需要支持的功能或者业务或者模式的数量M；根据该数量M，引入M组具有良好互相关性能的短二进制伪随机序列PNS；根据系统的OFDM特性参数，引入另外一组长二进制伪随机序列PNL，并基于该长序列PNL生成OFDM基本信号；将所述的短序列分别对OFDM基本信号进行调制，形成帧同步信号。本发明方法所产生的帧同步信号不仅仅提供了准确的定时同步功能，而且承载了一定的物理层信息，为接收端提供了简单方便而且可靠的检测手段，以满足复杂、恶劣的电力线信道环境下多功能、多模式或者多业务的需求。
Description
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法。
背景技术
电力线载波通信技术简称PLC，是指利用电力线传输数据的一种通信方式。它可以充分利用现有的配电网络基础设施，无需任何布线，就能够为用户提供数据通信服务。利用现有的电力线实现数据通信，可极大地节省通信网络的建设费用。
然而，由于多种因素的影响，制约了电力线载波通信技术的发展。最主要的是电力线上复杂的信道。电力线信道传输环境非常恶劣，存在多种复杂噪声干扰、与其他业务频段信号的耦合、恶劣的频率选择性和快速时变性，这些都造成了对信号可靠传输的极大的阻碍，需要有效的技术来保证信号传输的高效鲁棒性。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，缩写为OFDM)技术具有高速的数据传输能力、高效的频谱利用率和抗多径干扰、抵抗频率选择性衰落信道能力，因此很适合应用于电力线通信领域。目前，国际上制定的窄带电力线载波通信标准，包括ERDF G3标准、PRIME标准和ITU G.9955，均是支持OFDM调制的窄带电力线载波通信技术标准。但国外的技术标准并不适合我国国情，因此，需要专门针对中国的电力线环境开发相应的OFDM通信系统。
由于窄带电力线载波通信系统属于突发的通信系统，其对同步性能要求非常严格，任何时间或频率上的误差，都会对电力线载波通信系统的性能造成很大的损失。因此，设计良好的帧同步信号，便于发射端和接收端快速准确的获得同步，对电力线载波通信系统具有重要意义。
现有技术中，通常利用两个或多个重复的OFDM数据来设计帧同步信号。但是，由于简单重复的OFDM数据的相关性并不强，导致所生成的帧同步信号同步精确度不高，抗噪声性也不强。而电力线载波通信系统中，电力线信道是非常恶劣的信道。因此，上述方法生成的帧同步信号无法满足应用时使发射端和接收端准确同步以及抗噪声性强的要求。
另外，为了灵活应对实际传输系统对多功能、多业务或者多模式的需求，诸如通过帧同步信号快速地区分传输模式、传输类型或者传输网络类型等，因此，也需要帧同步信号能够携带一定的信息。
综上所述，如何设计一种帧同步信号，其精确度高、抗噪声性强且能适应多功能、多业务或者多模式的需求，是电力线载波通信技术中需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了应对电力线环境存在多径衰落、背景噪声和脉冲噪声等方面的挑战，弥补上述现有技术的不足，提出一种基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其生成的帧同步信号能使发射端和接收端准确同步、抗噪声性强且能适应多功能、多业务或者多模式的需求。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，具体包括：
步骤A：根据系统设计需求，确定系统需要支持的功能或者业务或者模式的数量M；
步骤B：根据该数量M，引入M组具有良好互相关性能的短二进制伪随机序列PNS；
步骤C：根据系统的OFDM特性参数，引入另外一组长二进制伪随机序列PNL，并基于该长序列PNL生成OFDM基本信号；
步骤D：将所述的短序列分别对OFDM基本信号进行调制，形成帧同步信号。
步骤A中，数量M的取值和设计主要考虑系统的应用需求，从系统所要支持的多功能、多业务以及多模式等角度来考虑。
所述步骤B中，短二进制伪随机序列PNS的长度NS兼顾传输效率和系统的性能要求；M组短序列具有预定程度的良好的互相关性能，即它们相互之间的互相关性低于一定程度，甚至完全正交。
其中，所述的短二进制伪随机序列PNS可以是m序列、Gold码、Hadamard码、巴克码以及它们的截断码；
其中，所述步骤C具体包括：
步骤C1：定义系统的OFDM参数，包括系统的基带速率、OFDM子载波间隔、IFFT点数以及OFDM有效子载波分布和无效子载波的分布情况；
步骤C2：基于IFFT点数，确定其待调制的频域子载波的最大个数Nummax；
步骤C3：基于Nummax，引入另外一组长二进制伪随机序列PNL，其长度为NL。
步骤C4：将所述长序列PNL映射成BPSK调制信号XL，其中映射规则为：
XL(k)＝[1-2×PNL(k)]+j[1-2×PNL(k)]
步骤C5：将映射后的BPSK调制信号XL(k)逐一填充到IFFT点数为N的OFDM调制载波上，即：
步骤C6：对调制后的信号做快速傅立叶反变换的结果再取实部，得到OFDM基本信号。即
其中，xb(n)表示OFDM基本信号。IFFT[·]表示快速傅立叶反变换操作函数。real[·]表示对复数信号取实部操作函数。
其中，所述步骤C3还包括：
所述的长序列PNL的长度需满足：
NL≥Nummax
而且所述的长序列PNL可以是m序列、Gold码以及它们的截断码；
其中，所述步骤D还包括：
步骤D1：分别对短序列从“0”到+1值以及“1”到-1值的符号映射，得到相应的短序列符号，即
步骤D2：利用短序列符号分别对OFDM基本信号进行联合调制，可以得到总长度均为N·NS的联合调制信号，即
其中，RN[·]表示基于长度N的矩形窗函数，即
步骤D3：截取前缀信号和后缀信号，分别放置于联合调制信号的最前面和最后面；
所述的前缀信号取于联合调制信号的第1段(序号i等于0)的最后面RI个数据，而后缀信号取于联合调制信号的第NS-1段(亦即最后一段，序号i等于[NS-1])的最前面RI个数据。
步骤D4：对前缀信号和后缀信号进行加窗处理，得到系统最终的帧同步信号。
其中，所述步骤D4还包括：
设计升余弦窗作为加窗函数对帧同步信号进行整体加窗处理，具体加窗函数为：
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明一方面充分利用伪随机序列的良好自相关性能，使得生成的帧同步信号也具有良好的自相关性，即可为同步提供准确和可靠的定时位置，以适应复杂的电力线多径信道环境，另一方面，充分利用多组伪随机序列之间的良好互相关性，使得接收机简单方便地识别和解调帧同步信号所携带的物理信息，极大地拓展系统的应用场景和应用范围。
本发明有效支持多功能、多模式甚至多业务的需求，能够提高重要参数传输的可靠性和灵活性。
附图说明
图1是本发明具体实施例提供的一种帧同步信号生成方法流程图；
图2是本发明具体实施例所设计的第一组短序列的自相关系数以及第一组短序列与第二组短序列的互相关系数的比较示意图；
图3是本发明具体实施例所设计的第二组短序列的自相关系数以及第二组短序列与第一组短序列的互相关系数的比较示意图；
图4是本发明具体实施例OFDM系统中有效子载波和虚拟子载波分布的一种具体实施方式；
图5是本发明具体实施方式中所生成帧同步信号结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在具体实施方式部分,本发明提供一种如图1所示的帧同步信号生成方法，用于生成OFDM电力线载波通信系统的帧同步信号。
本实施案例采用的系统参数定义如下表所示：
表1O FDM窄带电力线载波通信系统参数
| 指标 | 取值 |
| 工作频率(kHz) | 250 |
| IFFT点数N | 512 |
| 工作频带(kHz) | 39.0625～89.3555 |
| 子载波间隔Δf | 488.28125Hz |
同时，本系统需要针对室内组网和室外组网的两个网络加以区分并且确保网络间互通性。
本优选实施例具体包括以下步骤：
步骤S1：根据系统设计要求，确定系统需要支持两种不同网络业务的需求，从而确定M的数量为2。
步骤S2：根据该数量M＝2，引入2组具有良好互相关性能的短二进制伪随机序列PNS；
设计短二进制伪随机序列PNS的长度NS，其长度设计要兼顾传输效率和系统的性能要求，选择NS＝20；而且，所选取或者所设计的2组短序列应具有良好的互相关性能，即它们相互之间的互相关性很低。
优选地，选择的两种短序列PNS分别为：
第一组短序列的自相关系数以及第一组短序列与第二组短序列的互相关系数的比较正如图2所示，而第二组短序列的自相关系数以及第二组短序列与第一组短序列的互相关系数的比较正如图3所示；从两图可以看出，所设计的两组短序列自相关性能均表现优异，只有完全对齐的情况下自相关系数为1.0，而非对齐情况下其相关系数均小于0.2；而所设计的两组短序列互相关性能也同样表现优异，其互相关系数在任何情况下均小于0.35。因此，可以确保接收端准确无误地区分两组不同的序列，而且可以确保误判的概率非常低。
步骤S3：根据系统的OFDM特性参数，引入另外一组长二进制伪随机序列PNL，并基于该长序列PNL生成OFDM基本信号；
所述步骤S3具体包括：
步骤S31：定义系统的OFDM参数，正如表1所示，IFFT点数为512，工作频带为39.0625～89.3555kHz，子载波间隔488.28125Hz，因此，可以确定其有效子载波为80～183，共计104个；其子载波分布如图4所示。
步骤S32：基于IFFT点数，确定其待调制的频域子载波的最大个数
步骤S33：基于Nummax＝255，引入另外一组长二进制伪随机序列PNL。
选择8阶m序列作为长序列，其本原多项式为G1(x)＝x8+x4+x3+x2+1，优化设置合理的初始相位值为10101011b，生成长度为NL＝255的所述长序列PNL。
步骤S34：将所述长序列PNL映射成BPSK调制信号XL，其中映射规则为：
XL(k)＝[1-2×PNL(k)]+j[1-2×PNL(k)]
步骤S35：将映射后的BPSK调制信号XL(k)逐一填充到IFFT点数为512的OFDM调制载波上，即：
步骤S36：对调制信号做快速傅立叶反变换的结果再取实部，得到OFDM基本信号。即
其中，xb(n)表示OFDM基本信号。IFFT[·]表示快速傅立叶反变换操作函数。real[·]表示对复数信号取实部操作函数。
步骤S4：将所述的短序列分别对OFDM基本信号进行调制，形成帧同步信号。
所述步骤S4还包括：
步骤S41：分别对短序列从“0”到+1值以及“1”到-1值的符号映射，得到相应的短序列符号，即
步骤S42：利用短序列符号分别对OFDM基本信号进行联合调制，可以得到总长度均为N·NS的联合调制信号，即
其中，RN[·]表示基于长度N的矩形窗函数，即
步骤S43：截取前缀信号和后缀信号，分别放置于联合调制信号的最前面和最后面；
优选地，所述的前缀信号取于联合调制信号的第1段(序号i等于0)的最后面RI(124)个数据，而后缀信号取于联合调制信号的第NS-1段(亦即最后一段，序号i等于[NS-1])的最前面RI(124)个数据。
步骤S44：对前缀信号和后缀信号进行加窗处理，得到系统最终的帧同步信号。
优选地，设计升余弦窗作为加窗函数对帧同步信号进行整体加窗处理，具体加窗函数为：
通过上述的实现步骤，得到最终的帧同步信号，各个节点根据自己所处网络情况分别选择各自的帧同步信号进行发送。其最终的帧同步实现结构如图5所示。
本发明方法所产生的帧同步信号不仅仅提供了准确的定时同步功能，而且承载了一定的物理层信息，为接收端提供了简单方便而且可靠的检测手段，以满足复杂、恶劣的电力线信道环境下多功能、多模式或者多业务的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A：根据系统设计需求，确定系统需要支持的功能或者业务或者模式的数量M；
B：根据该数量M，引入互相关性低于预定程度的M组短二进制伪随机序列PNS；
C：根据系统的OFDM特性参数，引入一组长二进制伪随机序列PNL，并基于所述长二进制伪随机序列PNL生成OFDM基本信号；
D：用所述短二进制伪随机序列PNS分别对OFDM基本信号进行调制，形成帧同步信号；
步骤C进一步包括以下步骤：
C1：定义系统的OFDM参数，包括系统的IFFT点数N；
C2：基于IFFT点数N，确定其待调制的频域子载波的最大个数Nummax；
C3：基于Nummax，引入所述长二进制伪随机序列PNL，其长度为NL；
C4：将所述长二进制伪随机序列PNL映射成BPSK调制信号XL，其中映射规则为：
XL(k)＝[1-2×PNL(k)]+j[1-2×PNL(k)]，其中0≤k≤NL-1；
C5：将映射后的BPSK调制信号XL(k)逐一填充到IFFT点数为N的OFDM调制载波上，即：
C6：对调制后的信号做快速傅立叶反变换的结果再取实部，得到所述OFDM基本信号，即
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其中，xb(n)表示OFDM基本信号，IFFT[·]表示快速傅立叶反变换操作函数，real[·]表示对复数信号取实部操作函数；
步骤D进一步包括以下步骤：
D1：分别对所述短二进制伪随机序列PNS从比特“0”到+1值以及比特“1”到-1值的符号映射，得到相应的短序列符号，即
其中NS为短二进制伪随机序列PNS的长度；
D2：利用短序列符号分别对OFDM基本信号进行联合调制，可以得到总长度均为N·NS的联合调制信号，即
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其中，RN[·]表示基于长度为N的矩形窗函数，即
D3：截取前缀信号和后缀信号，分别放置于所述联合调制信号的最前面和最后面；
其中所述前缀信号取于联合调制信号的第1段的最后面RI个数据，而后缀信号取于联合调制信号的最后一段的最前面RI个数据；
D4：对前缀信号和后缀信号进行加窗处理，得到系统最终的帧同步信号。
2.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，步骤B中，所述M组短二进制伪随机序列PNS的互相关性达到正交或非正交。
3.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，所述短二进制伪随机序列PNS是m序列、Gold码、Hadamard码、巴克码或它们的截断码。
4.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，所述长二进制伪随机序列PNL的长度NL满足：
NL≥Nummax。
5.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，步骤C1中定义的OFDM参数还包括系统的基带速率、OFDM子载波间隔以及OFDM有效子载波分布和无效子载波的分布情况。
6.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，所述长二进制伪随机序列PN是m序列、Gold码或它们的截断码。
7.根据权利要求1所述的基于OFDM调制的电力线载波通信系统帧同步信号生成方法，其特征在于，步骤D4还包括：
设计升余弦窗作为加窗函数对帧同步信号进行整体加窗处理，所述加窗函数为：
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