改进的最大似然S-FSK接收机AMR的PLC调制解调器

文摘

本文处理的优化软件实现窄带电力线调制解调器。调制解调器是一个节点在自动抄表系统(AMR)符合IEC 61334-5-1剖面和运营CENELEC-A乐队。由于敌对的电力线信道的通信环境,一个新的设计方法进行一个S-FSK解调器能力提供更低的误比特率(BER)比标准规范。最好的效率和结构复杂性之间的妥协是调查。提出了一些实现结果表明通信吞吐量9.6 kbps可及的设计S-FSK调制解调器。

1。介绍

国际自然环境保护日益严重的担忧在过去几十年。事实上,最生态的影响因素是能源。此外,能源消费出人意料地重要和快速上升,忽视了效率和生态方面的考虑。这些事实使一些国家试图改变他们的能源消费政策。

最宽的背后操作能量有效地称为工作。这个概念,顾名思义,是将智能集成到整个电网;发电、输电、配电和管理。目标是提高发电、传输、分配、和使用效率减少电力浪费,有利于可再生能源,和敏化消费者的实际消费1]。

这个大概念出现之后,最近只是表达的更具体和实际适用的想法。第一个是自动抄表(AMR),启用自动远程抄表。之后介绍了自动计基础设施(AMI)和自动计管理(AMM),这是两个扩张提供更多面向消费者和管理服务。

尽管有其明显的优势,AMR明显还没有被推出。实际上,一个主要的广泛部署方便智能电表的可靠性在敌对环境中缺乏沟通的电力线路通道。事实上,早期的PLC调制解调器的实现基本的普通振幅键控(问)或频移键控(移频键控)技术。

在本文中,我们调查的重要性传播频移键控(S-FSK)调制方案使传输健壮对窄带噪声和衰减等敌对的通道。因此,一个智能电力线通信(PLC)调制解调器自动抄表解决方案使用国际电工委员会(IEC) S-FSK剖面模拟,使用数字信号处理器(DSP)实现(2]。

本文组织如下。节2我们将首先介绍基于plc自动抄表解决方案。简要介绍了所选S-FSK配置文件。的描述提出S-FSK接收机提出了部分3。节4我们专注于实现S-FSK调制方案使用DSP体系结构。的效率提出了设计说明了一些实现结果表明实现PLC调制解调器的性能。终于有个结论部分中概述5。

2。AMR的PLC调制解调器

仪表读数的进化已经杰出的在过去的几十年。几个电力供应商、分销商与他们的技术伙伴,共同尝试一些新方法来自动化仪表读数。

进化从传统的手工抄表实际和未来的智能基础设施通过静电计、半自动仪表读数,完全自动化仪表读数给这些演员在这不断变化的领域一个伟大的经验。

尽管大量的可用技术,电力线通信已经同意被最适合最后一英里抄表计管理沟通。事实上,这项技术有一个最低的成本,很容易建立。此外,这项技术现在被认为是足够成熟的广泛部署。

作为一种技术,PLC是非常广泛的。无数的技术可以使用不同的调制技术和不同的协议。从另一个方面,监管仍在工作。然而,一些资料已经标准化,市场被采用。IEC S-FSK概要文件,例如,实际上是一个最常用的AMR,因为它证明了它的简单和成熟。

在本节中,我们将简要介绍自动抄表的概念,然后介绍PLC技术和技术,最后给出一个简短的调查S-FSK PLC调制解调器。

2.1。自动抄表

自动抄表技术用于收集数据从电力、天然气、水、或其他公用事业米。与手动抄表、自动抄表依靠通信技术来收集用户的消费。米自动发送数据通过通信网络管理系统。然后收集数据可以转移到一个中央数据库分析和用于计费。这意味着可以根据实际消费账单,而不是根据以往的消费统计,估计给客户更好地控制他们的使用电能,气体,或水。从另一个角度来看,预测能源使用能源分销商的仍然是一个关键优势。AMR,分销商可以获得每个消费者和消费资料的准确的信息监测网络,以防止或捕获的缺陷。

AMR的优点是几个明显的:(我)增加抄表和计费的准确性和安全;(2)允许灵活的关税变化;(3)让用户控制其消费;(iv)使一个更好的网格监控和负载管理;(v)远程电源断开和重新连接。

自动抄表系统是由图总结1。米的数据收集使用一个可用的通信方式到一个数据库中。然后,就可以访问这个数据库进行分析和管理的目的在信息系统中心。这些数据的一个子集,也可以使用专用的服务访问客户。

可以使用几种自动抄表技术取决于网格拓扑。最重要的是如下(我)手持,走过,驾车AMR;(2)公共交换电话网络的AMR;(3)基于无线通信AMR;(iv)基于电力线通信AMR。

2.2。基于电力线通信AMR

电力线通信包括使用电线的物理通信媒介。PLC)已被用于室内和室外网络的数据传输。总之,这些应用程序的配置文件是不同的。

关于PLC使用AMR和室外通信,PLC是最技术通过电力分销商。事实上,电网已经扩大,提供了一个伟大的报道。因此,不需要使用额外的无线或有线通信介质和部署成本削减。

PLC背后的主要思想是利用电力线携带无线电频率信号。实际上,一个低功率调制信号包含的信息添加到电信号。数据然后在电网络传播,检测到远程站点。

几种调制技术可以用来传输数据电线。但他们中的大多数是基于频率调制。实际上,数据被转换为一个更高频率的信号叠加到50 Hz / 60 Hz电信号。网络上传输的信号然后反复,直到到达目标节点。

提出了几个PLC通讯配置文件和每个概要文件本质上是基于调制方案的选择。

两个不同的调制方案类可以区分:(我)单载波调制;(2)多载波调制。

第一种技术是简单的。它使用一个窄频带的数据传输。这些移频键控调制方案的例子,S-FSK,连续相频移键控(CPFSK)。这些调制方案往往选择为他们的成熟和实现简单。不过,他们不提供伟大的数据传输速率。实际上,数据速率通常范围从300个基点,至2.4 kbps [3]。窄带PLC已经收到广泛的关注由于其应用程序的工作。

第二个使用多个相邻的运营商来传输数据。通常正交频分复用(OFDM)或使用派生的调制方案。这些调制方案应用为了增加原始数据吞吐量和/或应对恶劣的信道条件。宽带PLC被看作一个激动人心的和有效的多媒体技术分布在住宅。

在这两种情况下,AMR PLC技术必须处理信道质量差。事实上,户外电线暴露在几种噪声源。此外,电力线路存在高度不同阻抗由于拓扑变化和高衰减。因此,电力线信道质量被认为是随着时间、空间和频率的依赖(4]。

为了克服这些障碍,高性能处理是不可避免的。这包括信道估计和均衡,强劲的前向纠错算法,信号重复。

除了噪声和信道质量困难,基于plc AMR有两个主要的挑战。首先,与通常的通信技术,传输速度是最重要的标准,成本和可靠性在AMR最重要的因素。第二个是很多的存在和非常不同的协议和标准,他们的特定的潜在问题,互操作性问题。

2.3。基于S-FSK PLC调制解调器配置文件

IEC 61334-5-1标准的通讯配置文件描述了基于S-FSK调制技术。

S-FSK调制和解调技术相结合的一些经典扩频系统的优势(例如,免疫力窄带陷)古典移频键控系统的优点(低,well-investigated实现)。

古典移频键控,S-FSK使用两个频率传输二进制信息在每一个时间。通过传播使用的两个频率,S-FSK使得这两个独立的渠道。这个特点是使用的解调器,确保接待质量比移频键控。事实上,如果信号品质两个渠道的关闭,解调器决定通过比较两个通道上的信号。否则,解调是只基于通道有更好的接待质量。信道质量估计的计算方法是使用一个预定义的序言之前传输数据。

同步在这个概要文件是基于零交叉检测的电信号。因此,发射和接受必须开始主要的零交叉。由于50 Hz和承运人之间的相移,零交叉信号可能提供不正确的位操作的时间同步。恢复这个延迟同步调整方法在现代软件实现。该算法基于相关法可以移动边界在接待。

时间分为系统同步时间槽宽,和物理帧只传播,每天播发或者刊登的开始。

任何帧的时隙同步是通过使用检测的序言和分隔符,描述图2。物理同步后,每个站都必须使用内部时钟跟踪位置指示器。

如前所述,米和管理系统之间的通信是通过一个特殊的节点称为访问节点通常放置在中/低压变电站(MV / LV)。访问特定节点,节点管理通信网络上特定的计。

这个概要文件使用主/从通信范式基于轮询机制。事实上,米只能由主站对此事作出回应。该方法结合开槽时间大大简化了介质访问控制。

我们在本文中提出的调制解调器是一种AMR PLC调制解调器使用IEC61334-5-1兼容的形象和经营CENELEC-A乐队(5]。它是基于三个主要阶段,描述图3;DSP处理器,混合前端,耦合接口:(我)数字阶段包括DSP处理器和外部记忆。DSP处理器提供了灵活的软件实现和容易升级到新的软件版本或合并标准;(2)混合前端基于数字模拟转换器(DAC)发射机和行动力部分,模拟到数字转换器(ADC)和可变增益放大器(VGA)接收机部分,和外部带通滤波器(瘘);(3)耦合界面使得混合前端之间的连接和电线。它提供了从高电压和峰值电压/电流保护,50/60赫兹信号的衰减,阻抗匹配的电源对发射机和接收机路径,和nonisolated电源。

DSP的使用允许更大的控制信号处理阶段和实现S-FSK调制解调器的更大的灵活性。

3所示。S-FSK调制技术

本节详细介绍S-FSK调制原理和未达最佳标准的理论和模拟接收机。

3.1。S-FSK原则

S-FSK调制由一个二进制移频键控调制频率偏移足够大来生成一个谱有两个单独的叶。出于这个原因,双通道的概念介绍:通道0指的是放置在一个频率的信号通道1指的是放置在一个频率的信号,(6,7]。

生成的符号传播率,在那里是象征期,属于字母吗。因此,二元假设和在传输可以关联到0和1,分别。

与二进制数字信号波形信号由两种信号和为,是一个正整数: 在哪里是一个真正的常数。

频率选择性信道的加性非白人高斯噪声是;然而,通道增益噪声功率谱密度假定为平坦的频率。因此,在接收机输入信噪比(信噪比)通道是 的完全描述接收信号的质量。此外,另一个收到S-FSK质量信号的特征可以通过的不平衡因素,平均信噪比。这最后一项被定义为信号能量的比例和平均噪声功率密度。这些相关参数(2)如下:

3.2。最大似然S-FSK接收器

在实际渠道,接收到的信号相位跟踪非常困难甚至是不可能的。因此,检测过程可能无视相位信息来避免复杂的电路,在某些牺牲性能下降。这就是所谓的非相干检测(8,9]。

早期使用信道模型提出假设下的接收信号和是 在哪里是一个未知的信号阶段和是零均值的高斯白噪声和噪声功率谱密度,。

未知的阶段与功率密度函数是随机的。我们假设均匀分布在,也就是说,

相关接收机输入信号相关与一个存储信号的复制品。输出是必要的歧视是否+ 1−1已经被传播。

模量包络检测器的输出可能为两个正交S-FSK信号建模如下: 在哪里是一种添加剂和零均值和方差圆高斯噪声吗,。

在噪声是高斯分布的假设下,信封的采样输出探测器和Rician或瑞利分布取决于这两个信号吗和传播。

在假设下概率密度函数信号的振幅与是

在假设下概率密度函数信号的振幅与是 在哪里和。是修改后的第一类贝塞尔函数的0。

假设这些符号传输相同的概率和处理独立的声音和(典型S-FSK调制),最大似然(ML)的决策是最优决策规则(10]。

特别是,决策规则使用以下决策值:

决策规则是比较最大似然函数和选择:

3.3。改善毫升S-FSK接收机

毫升接收机的实现困难由于公式的复杂性(8)(9)。一种改进的方法,估算对数似度量提出了一个实际的实现。

为了描述接收机,。的对数似然比信号的介绍:

使用发行版(8)- (9),(11)可以简化为如下方程:

使用近似函数对数和贝塞尔函数接近。让是一个复合函数的分段线性近似定义为

近似的定义时间间隔。和计算了实施等于每个区间的边界上定义了分段近似:

使用(14)(12),一个loglikelihood的近似估计比得到方程:

该接收机决定相应的(10在以下的决定值):

如果先有知识的符号创建序言(选择1和0符号),信道和噪声参数估计可能使用信号(6)如下:

3.4。模拟的结果

不同接收机的性能相比,通过使用Matlab通信模式实现。基于分组传输已经被采用,序言长度等于32和304个随机载荷。以下曲线平均超过1000包。

数据4,5,6显示了比特误码率(BER)与平均信噪比三的不平衡因素。

从之前的数据,移频键控接收器失去性能的提高贡献因子;然而,毫升S-FSK接收机提出了相关改善平衡通道。对误比特率等于10⁻⁴,超过6分贝增益。

为这个近似担保均方误差低于10⁻³,足以获得微不足道的损失之间的性能理想毫升S-FSK接收器和改进毫升S-FSK接收器。

4所示。DSP实现方法

在设计优先考虑模块化、简单、低成本、和可靠性。32-bit-fixed点通用DSP体系结构是优化S-FSK接收机的软件实现。DSP-based数字通信部分,通过全双工的串行端口,与主机设备。另一端,DSP通信,半双工,通过混合前端通过电力线耦合接口。

DSP编程结构定义处理实时传输或接收S-FSK信号。

的S-FSK基带调制解调器通过S-FSK调制器的实现在发射机和一种改进的毫升接收机接收方。

4.1。调制器的实现

发射机是由三个阶段:(我)涉及DSP数字阶段执行频率合成和直接数字合成器(DDS);(2)数字模拟转换器(DAC)能够产生一个线性信号其全面输出;(3)线路驱动器提供放大信号。

图中描述7,DDS是基于一个正弦信号的样本存储在查表(附近地区),阅读指定的整数指数决定相位增量步,以生成所需的频率哪一步指数有关采样频率,和的长度由以下关系:

减小的大小是很重要的因为实现将在嵌入式处理器的资源尤其是内存大小是有限的。采样频率选择的多个数据率,因此样品的数量是一个整数。

一旦适当的读取正弦样品他们DAC作为输入。生成的信号的DAC销是放大的司机。

S-FSK调制器产生信号CENELEC乐队从3千赫到95千赫应对以下规格:(我)频率带宽kHz和比特率的倍数;(2)可编程的比特率;(3)频率和是多种多样的。采样频率固定在3.125 MHz,样本的数量被设置为320样本在解调端性能优化错误。因此,数据速率等于9.6 kbps。

一步指数是一个整数;因此,该决议频率是发现通过设置 分辨率频率设置为4.8 kHz尊重两个频率之间的正交性的约束和。

最小值附近地区长度满足条件已经引用和频率的生成和零位误差是656。

在表1,我们现在可能选择正交频率和对于在波特率9.6 kbps S-FSK解调器。

4.2。改善毫升接收机的实现

相干移频键控信号的非相干解调可以避免载波恢复。改进的ML解调器是正交接收机能够检测信号与未知的阶段。

它可以实现四个相关器如图8,四个参考信号,,,。我们将使用相同的DDS模块调制器产生那些参考信号。

信号由一个同相分量和正交分量。因此,信号部分相关和部分与。因此,我们使用两个相关器来收集信号能量在这两个部分。

第一个输出用于估计信道参数。然后,我们应用概率函数(15使用估计信道参数和相关器输出函数。的函数是一个分段线性近似数据并存储在内存中。

所有的样品收到位按图加工8。接收机是优化的主要约束ADC的采样频率所以,有

不同的配置是可能的;我们必须选择一个最大化。在这种情况下= 2和ADC采样频率就等于1.565 MHz。

因此,样本的计算时间160个样本。样品的数量每个符号的时期必须是8的倍数直接内存访问(DMA)使用提供传输设施和速度。

4.3。实现结果

DSP处理器BF506F,选址评估板(11,12),运营与频率400 MIPS L1 32 kb的内存相关指令(L1_code), 32 kb的数据(L1_data)访问完整的处理器速度,和32 mb的外部闪存。

评估S-FSK现代软件的复杂性,重要的是要确定消耗周期和消费数据的内存空间13]。

我们使用的数据记忆存储的表包含656个样本在16位编码。

功能是存储数据的内存空间。函数是defiened / 8间隔和关联系数编码16和32位。

周期的消费是有限的可用的每个样品的周期数,由DSP速度400 MIPS。

DDS算法仅消耗2周期/样本,一个周期的内存访问阅读样本的,和一个周期递增阅读指数。DDS的转移样品DAC转换器需要10周期/样品。

在接收站点,解调器调用4相关器。在每个相关器,一个样本是治疗周期读,4日乘、积累和更新索引。

最后,我们应用函数结束时对相关器的输出符号的接待。

周期的每个样品消耗这些不同的模块展示在表2。是很重要的报告,额外的模块实现,确保同步,构建包,和处理不同的事件。

循环的消费S-FSK现代软件组成的调制器,解调器和PHY层根据IEC 61334-5-1功能低于每个符号的使用周期。

通过考虑DSP实现,我们测量在传输过程中平均周期9076年消费周期(周期)的21.78%和9232年的周期期间接待(可用周期的22.15%)。

数据内存和内存消耗10.25% 45.17%代码内存。

物理层是设计和实现。剩余的可用周期和内存将被用来构建上层:MAC层和应用程序层。

5。结论

在本文中,我们描述了S-FSK概要的设计和优化的DSP实现PLC节点在一个AMR系统。克服电力线信道条件下,一种改进的ML S-FSK接收机使用。改善接收机提出了误差性能接近理想的ML S-FSK接收器,但简化物体系结构。

分析新的接收机显示优秀结果内存职业而言,所需的周期,和BER性能。

数据率9.6 kbps很容易改变接收机参数提供了灵活性和可编程性。

确认

这项工作是支持的嵌入式系统技术(EBSYS)工作部门和高等学校GRESCOM研究实验室突尼斯的沟通。

引用

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