在載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在調(diào)制直流載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的系統(tǒng)，該系統(tǒng) 被用于傳送載荷消息，載荷消息從多個(gè)通信發(fā)射器經(jīng)由使用直流載波電流并將發(fā)射器和接 收器彼此串行連接的導(dǎo)線總線（Wire bus)以平均頻率異步發(fā)射到同一通信接收器，并且涉 及一種相應(yīng)的通信方法。
[0002] 根據(jù)本發(fā)明的一種用于在直流載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的系統(tǒng)例如可應(yīng) 用于光伏電力網(wǎng)絡(luò)，光伏電力網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)形成中心電站的光伏電力組件的遠(yuǎn)程面板或光伏 模塊發(fā)送測(cè)量值。
【背景技術(shù)】
[0003] 事實(shí)上，集成在光伏模塊中的監(jiān)測(cè)設(shè)備的特征之一就是能夠?qū)υ撃K的能量生產(chǎn) 和環(huán)境參數(shù)（例如，模塊的溫度和電壓）進(jìn)行規(guī)律并可靠的通信。
[0004] 為了在額外成本和復(fù)雜度方面簡化這樣的系統(tǒng)的安裝，人們?cè)噲D避免額外的電 纜。
[0005] 第一類解決方案提出實(shí)現(xiàn)一種無線通信系統(tǒng)，即使用無線電波；而第二類解決方 案提出將已有的電力電纜用作通信信號(hào)的傳輸媒介，從而形成具有DC (Direct Current，直 流電流）載波電流的通信總線。
[0006]目前研發(fā)的第一類中的許多解決方案在系統(tǒng)遭到由光伏模塊的結(jié)構(gòu)的金屬反射 器引起的嚴(yán)重的多路徑干擾時(shí)，或者在中心電站遭到位于附近的光伏面板的遮擋時(shí)，性能 大幅惡化。此外，根據(jù)所使用的基本通信協(xié)議，這些解決方案在光伏模塊的數(shù)量變化的場合 之間可能不允許對(duì)容量進(jìn)行靈活適配。
[0007] 因此，所尋求的解決方案允許實(shí)現(xiàn)在對(duì)外部干擾問題或由大流量引起的擁擠問題 的抵抗力方面具有魯棒性的通信協(xié)議，而不要求不可用的額外頻率資源。
[0008] 第二類中的許多解決方案基于采用DC電力總線上的直流載波電流的通信來克 服上述缺陷。這些到目前為止研發(fā)的解決方案使用了市售的電子發(fā)射器和/或接收器通 信模塊，這些模塊現(xiàn)貨銷售并且使用傳統(tǒng)的FSK(Frequency Shift Keying，頻移鍵控）、 ASK (Amplitude Shift Keying，幅移鍵控）和/或PSK (Phase Shift Keying，相移鍵控）型 調(diào)制。例如，STMicro Electronics公司的型號(hào)為ST7540的基于FSK型調(diào)制的器件得到了 廣泛的應(yīng)用。
[0009] 然而，第二類解決方案存在的缺陷一方面由所引起的復(fù)雜度和成本高造成，另一 方面與可靠性有關(guān)。事實(shí)上，工作溫度的范圍被限制為不超過85°C，而在工作過程中，光伏 模塊的平均溫度可以在30°C和50°C之間變化，并且當(dāng)未對(duì)光伏模塊通風(fēng)時(shí)最高溫度可以 達(dá)到95°C。
[0010] 因此，需要實(shí)現(xiàn)盡可能簡單并且可以承受高達(dá)l〇〇°C的高溫的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問題是提出一種用于在直流載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的系統(tǒng)，該系統(tǒng) 可靠地傳送載荷消息，載荷消息從多個(gè)通信發(fā)射器以平均頻率異步發(fā)射到同一接收器，并 且該系統(tǒng)使用易于實(shí)現(xiàn)并對(duì)承受系統(tǒng)設(shè)備必須承受的高工作溫度和干擾具有魯棒性的通 信協(xié)議。
[0012] 為此，本發(fā)明涉及一種用于在調(diào)制直流載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的系統(tǒng)， 該系統(tǒng)被用于傳送載荷消息，載荷消息從至少兩個(gè)通信發(fā)射器中的一個(gè)或多個(gè)經(jīng)由導(dǎo)線總 線以平均頻率異步發(fā)射到同一接收器，該導(dǎo)線總線使用直流載波電流并將發(fā)射器和接收器 彼此串聯(lián)連接，該系統(tǒng)包括：
[0013] 至少兩個(gè)通信發(fā)射器中的一個(gè)或多個(gè)通信發(fā)射器；
[0014] 通信接收器；
[0015] 導(dǎo)線總線，使用形成共享傳輸通道的調(diào)制直流載波電流并且將所述多個(gè)通信發(fā)射 器中的所述通信發(fā)射器與所述通信接收器連接，
[0016] 每個(gè)通信發(fā)射器被配置為形成第一原始傳輸幀，所述第一原始傳輸幀采用第一常 數(shù)Nt個(gè)在0和1兩個(gè)狀態(tài)中選擇編碼的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)的第一序列的形式，形成第一幀的 二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)序列被細(xì)分為唯一不同的物理地址、載荷和檢錯(cuò)碼，所述物理地址表征所 述發(fā)射器，所述第一幀上的所述檢錯(cuò)碼根據(jù)所述通信發(fā)射器的所述載荷和所述物理地址來 確定，
[0017] 其特征在于，
[0018] 每個(gè)通信發(fā)射器被配置為：
[0019] 使用預(yù)定的擴(kuò)頻因子SF將第一原始傳輸幀擴(kuò)頻為傳輸頻譜上的第二擴(kuò)頻傳輸 幀，所述第二擴(kuò)頻傳輸幀采用第二碼片序列的形式，并且通過如下方式來獲得：首先根據(jù)長 度為第二數(shù)量Ns的全部可能的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)序列集合與2的Ns次冪個(gè)符號(hào)的集合之間 的雙射對(duì)應(yīng)規(guī)則將所述第一原始傳輸幀的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)連續(xù)編碼為長度是第二預(yù)定數(shù) 量Ns的符號(hào)，隨后將每個(gè)所獲得的符號(hào)編碼為由在0和1兩個(gè)狀態(tài)中選擇編碼的二進(jìn)制碼 片所形成的不同的擴(kuò)頻基本編碼序列，用于擴(kuò)頻的不同的基本編碼序列取決于所述符號(hào)并 且長度是所述擴(kuò)頻因子SF限定的碼片的第三預(yù)定整數(shù)個(gè)，以及
[0020] 在所述導(dǎo)線總線上根據(jù)預(yù)定調(diào)制將所述第二擴(kuò)頻幀的碼片調(diào)制為發(fā)射的通信信 號(hào)并進(jìn)行發(fā)射，其中，
[0021] 每個(gè)基本擴(kuò)頻序列從使用擴(kuò)頻因子SF作為長度的可能碼片序列中選擇從而形成 平衡碼，所述平衡碼具有中心自相關(guān)峰值，所述中心自相關(guān)峰值的第一電平明顯高于經(jīng)過 相關(guān)移位的相關(guān)積的第二電平，所述相關(guān)移位的時(shí)長大于或等于碼片周期，其中，
[0022] 用于對(duì)全部的所述發(fā)射器使用的符號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的所述基本編碼序列是相同的，并 且其中，
[0023] 由每個(gè)發(fā)射器形成的所述第二擴(kuò)頻幀的初始傳輸時(shí)間由每個(gè)發(fā)射器獨(dú)立自主確 定，而不考慮所述發(fā)射器之外的同步信號(hào)。
[0024] 根據(jù)特定實(shí)施例，如上限定的用于在直流載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的系統(tǒng) 包括以下特征中的一個(gè)或更多：
[0025] 每個(gè)發(fā)射器包括唯一不同的相關(guān)聯(lián)模塊，所述相關(guān)聯(lián)模塊用于生成所述第二擴(kuò)頻 幀的初始傳輸時(shí)間，該時(shí)間隨機(jī)或偽隨機(jī)分布并且分開大于或等于〇的有理數(shù)個(gè)碼片周 期，從而形成對(duì)來自不同的發(fā)射器的所述第二擴(kuò)頻幀進(jìn)行分離的長度可變的時(shí)間間隔，并 對(duì)所接收的第二擴(kuò)頻幀進(jìn)行去同步；
[0026] 符號(hào)的數(shù)量等于基本序列的數(shù)量并且落入整數(shù)2、4、8的集合中，以及
[0027] 所述擴(kuò)頻因子大于或等于4,較優(yōu)地等于16 ;
[0028] 所述基本編碼序列集合由具有相同基數(shù)的基礎(chǔ)基本編碼序列的第一集合和基本 編碼序列的第二集合組成，
[0029] 所述第二集合中的所述基本編碼序列中的每一個(gè)是對(duì)應(yīng)于所述第一集合的基礎(chǔ) 基本編碼序列的互補(bǔ)編碼序列；
[0030] 由所述通信發(fā)射器實(shí)現(xiàn)的對(duì)所述碼片的調(diào)制是開關(guān)鍵控（OOK)型調(diào)制，根據(jù)OOK 型調(diào)制，碼片的〇狀態(tài)對(duì)應(yīng)于所述總線上的第一電平，且所述碼片的1狀態(tài)對(duì)應(yīng)于所述總線 上與所述第一電平不同的第二電平；
[0031] 每個(gè)通信發(fā)射器包括脈沖發(fā)生器以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述總線上的所述碼片的調(diào)制，以及
[0032] 所述脈沖發(fā)生器可以被選擇為電流受控發(fā)生器、電壓受控發(fā)生器和阻抗受控調(diào)制 器；
[0033] 所述接收器被配置為：
[0034] 對(duì)所接收的通信信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，所接收的通信信號(hào)是由所述通信發(fā)射器發(fā) 射且被傳送到所述通信接收器的輸入端上的通信信號(hào)之和，以及
[0035] 對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行采樣，所接收的信號(hào)中的直流分量被消除，至少在根據(jù)以等 于所述碼片的傳輸頻率兩倍的頻率重復(fù)的采樣時(shí)刻所接收的信號(hào)樣本中，所述采樣時(shí)刻彼 此隔著有大于或等于2的第四預(yù)定數(shù)量Nphi個(gè)相位，所述Nphi個(gè)相位根據(jù)等于所述碼片 的時(shí)長的周期循環(huán)重復(fù)，并且每個(gè)相位被介于1和Nphi之間的相位等級(jí)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，
[0036] 在每個(gè)采樣時(shí)刻之后并且根據(jù)相位等級(jí)與所述采樣時(shí)刻相同的多個(gè)先前第一樣 本，所述相位等級(jí)等于所述擴(kuò)頻因子SF與幀的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總數(shù)Nt除以符號(hào)的長度Ns之 間的乘積，通過使用滑動(dòng)幀窗口相關(guān)單元和所述基本序列集合來確定第三原始接收幀，隨 后
[0037] 根據(jù)所述第三幀來驗(yàn)證所確定的第三幀的檢錯(cuò)碼是否檢測(cè)到第三錯(cuò)誤幀，并且當(dāng) 所述檢錯(cuò)碼并未檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，提取所述發(fā)射器的地址并且將所提取的地址與預(yù)定的發(fā)射 器列表進(jìn)行比較；
[0038] 所述接收器的所述滑動(dòng)幀窗口相關(guān)單元被配置為：
[0039] 在每個(gè)采樣時(shí)刻之后并且根據(jù)相位等級(jí)與所述采樣時(shí)刻相同、等于擴(kuò)頻因子SF 的多個(gè)先前第一樣本，對(duì)變換相關(guān)副本集合以及每個(gè)變換相關(guān)副本的可能移位配置的集合 并行計(jì)算可能的相關(guān)積，所述變換相關(guān)副本通過將擴(kuò)頻編碼序列集合的電平〇、1分別變換 為電平_1、1來獲得，或者當(dāng)所述基本傳輸序列由基礎(chǔ)基本編碼序列的第一集合和作為所 述第一集合中的所述基礎(chǔ)基本編碼序列的互補(bǔ)的基本編碼序列的第二集合組成時(shí)，通過將 所述基礎(chǔ)基本傳輸編碼序列中不互補(bǔ)的一半的電平〇、1變換為電平_1、1來獲得，以及
[0040] 將所接收的符號(hào)檢測(cè)為：
[0041] 當(dāng)基本編碼序列集合與變換相關(guān)副本集合各自的基數(shù)相同時(shí)，對(duì)應(yīng)于與所計(jì)算的 具有最高電平的相關(guān)積的所述變換相關(guān)副本相關(guān)聯(lián)的所述基本編碼序列的符號(hào)；或者
[0042] 當(dāng)所述基本編碼序列集合的基數(shù)是所述變換相關(guān)副本集合的基數(shù)的兩倍時(shí)，對(duì)應(yīng) 于與所計(jì)算的具有最高正電平的相關(guān)積的所述變換相關(guān)副本相關(guān)聯(lián)的所述基本編碼序列 的符號(hào)；或者
[0043] 當(dāng)所述基本編碼序列集合的基數(shù)是所述變換相關(guān)副本集合的基數(shù)的兩倍時(shí)，對(duì)應(yīng) 于與所計(jì)算的具有最高負(fù)電平的相關(guān)積的所述變換相關(guān)副本相關(guān)聯(lián)的所述基礎(chǔ)基本編碼 序列的所述互補(bǔ)基本編碼序列的符號(hào)，
[0044] 隨后將所述符號(hào)解碼為Ns個(gè)對(duì)應(yīng)位的序列并且將所述二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入移位寄存 器，所述移位寄存器的長度是第三幀的長度Nt ;以及
[0045] 所述預(yù)定的發(fā)射器列表是在所述接收器被安裝時(shí)在所述接收器處提供并確定的 列表，或者是在所述檢錯(cuò)碼沒有檢測(cè)到第三幀的錯(cuò)誤時(shí)根據(jù)對(duì)從所述第三幀中提取的所述 發(fā)射器地址實(shí)施的統(tǒng)計(jì)濾波來建立的發(fā)射器列表。
[0046] 本發(fā)明還涉及一種用于在調(diào)制直流載波電流上進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率通信的方法，所述 方法由上述通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述通信系統(tǒng)被用于傳送載荷消息，所述載荷消息從至少兩 個(gè)通信發(fā)射器中的一個(gè)或多個(gè)通信發(fā)射器經(jīng)由使用直流載波電流的導(dǎo)線總線以平均頻率 異步發(fā)射到同一接收器，所述導(dǎo)線總線將所述發(fā)射器和所述接收器彼此串聯(lián)連接，該步驟 包括：
[0047] 每個(gè)通信發(fā)射器形成第一原始傳輸幀，所述第一原始傳輸幀采用第一常數(shù)Nt個(gè) 在從0和1兩個(gè)狀態(tài)中選擇編碼的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)的第一序列的形式，形成第一幀的所述 二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)被細(xì)分為唯一不同的地址、載荷和檢錯(cuò)碼，所述地址表征所述發(fā)射器，所述 第一幀上的所述檢錯(cuò)碼根據(jù)所述載荷和所述發(fā)射器的所述地址來確定，
[0048] 并且，所述方法還包括以下步驟：
[0049] 每個(gè)發(fā)射器使用預(yù)定的擴(kuò)頻因子SF將第一原始傳輸幀擴(kuò)頻為傳輸頻譜上的第二 擴(kuò)頻傳輸幀，所述第二擴(kuò)頻傳輸幀采用第二碼片序列的形式，并且通過如下方式來獲得：首 先根據(jù)長度為第二數(shù)量Ns的全部可能的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)序列集合與2的Ns次冪個(gè)符號(hào)的 集合之間的雙射對(duì)應(yīng)規(guī)則將所述第一原始傳輸幀的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)連續(xù)編碼為長度是第 二預(yù)定數(shù)量Ns的符號(hào)，隨后將每個(gè)所獲得的符號(hào)編碼為由在0和1兩個(gè)狀態(tài)中選擇編碼的 二進(jìn)制碼片所形成的不同的擴(kuò)頻基本編碼序列，用于擴(kuò)頻的不同的基本編碼序列取決于所 述符號(hào)并且長度是所述擴(kuò)頻因子SF限定的碼片的第三預(yù)定整數(shù)個(gè)，之后