在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法
2023-05-19 06:20:01
專利名稱：在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法
技術領域：
正如在本描述性報告的陳述中所表達的，本發明涉及在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的過程。頻譜空隙定義為其中發送的功率密度小於某個要求的值的頻帶。這個過程對創建和使用藉助電網的傳輸系統顯得尤為重要，因為它允許根據不同的頻率來調節所發送信號的功率，以使其適應依據不同國家的當前法規建立的、用於通過電網傳輸信號的規範，其中，這些法規規定了足夠的頻譜空隙。以這種方式，將避免幹擾已得到許可的業務(這些業務使用與通過電網的通信發送的信號相同的頻帶)。
背景技術：
最初並未設想將電網(低壓和中壓)用於電信信號的傳輸。這種通信方式是一種無屏障的通信方式，其中，所發送的信號可以輻射出去，並幹擾其他使用相同頻率的系統。業餘無線電愛好者和包括無線電導航、緊急業務在內等的其他無線電通信業務與這一通信方式有關。在這些業務中，較弱的幹擾信號便可中斷通信，由於這個原因，因而避免以這些頻率進行功率傳輸是非常重要的。
有鑑於此，在許多國家中，一些生效的法規對可以以某些頻率發送的功率譜密度(PSD)進行限制，以至於根據這些法規，為通過電網發送信號，則必須獲得較深的頻譜空隙。作為本發明目標的本過程被設計成以可能的最大效率生成很深的頻譜空隙，從而覆蓋了確實必要的帶寬。
該過程尋求以有效率的方式將所發送的信號調整為由前述的法定理由規定的某些功率模式。傾向於將這些功率模式定義成這樣的頻率範圍在其中，功率傳輸是嚴格受限的(例如，其強度比其他頻率下的功率傳輸小30dB)，或者，在其中甚至禁止了功率傳輸。然而，給定這些技術限制，不可能實現具有特定功率譜密度的頻帶和具有不同功率譜密度的另一個頻帶之間的瞬時轉變，因而，不可能在未減少與頻譜空隙相鄰的載波功率的情況下突然消除在某一頻率範圍內傳輸的信號。由於本發明的過程的緣故，通過最大程度地減少受到生成該頻譜空隙影響的、與該頻譜空隙相鄰的載波數目，可以高效率地執行上述的功率減少。
另一方面，加窗概念(準確的說，是升餘弦窗)不是該過程的發明，相反，它是一種已知的現有技術。例如，可以在電信方面的教材(如McGraw-Hill出版公司出版的John G.Proakis的「DigitalCommunications」(數字通信)、Prentice Hall出版公司出版的Alan V.Oppenheim的「Discreet-Time Signal Processing」(離散時間信號處理)以及「Artech House Publishers」公司出版的Richard Van Nee和RamjeePrasad的「OFDM for Wireless Multimedia Communications」(用於無線多媒體通信的OFDM))中找到這些概念。第一份參考文獻指出，升餘弦窗用於設計頻帶中的受限信號(以避免任何碼間幹擾)，而最後一份參考文獻指出，應用於各個OFDM符號的加窗過程用來減少信號的處於頻帶之外的頻譜。
本發明過程的新的方面在於，通過調節某些載波中發送的功率、對OFDM符號加循環前綴進行加窗處理和為工作載波的數目和IDFT的大小使用合適的值來有效率地在頻帶中生成大於30dB的頻譜空隙；且這一方面不能從現有技術推導得出。
發明內容
為實現以上目標和防止前面部分指出的不便之處，本發明由用於在通過電網傳輸信號期間獲得頻譜空隙的過程組成，該過程包括通過正交頻分復用(OFDM)發送信號，其中，通信節點具有發射機、用於添加循環前綴的裝置和用於對OFDM符號進行頻域至時域的變換的裝置。
這個過程的特徵在於下列事實，即它通過衰減或消除一個或多個OFDM信號載波來有選擇地調節這些載波的功率，因為它將用來將頻域信號變換成時域信號的離散傅立葉逆變換(IDFT)用於若干個點(如果該IDFT是複數的，這些點的數目大於或等於1024，如果該IDFT是實數的，這些點的數目大於或等於2048)，並且，因為一旦添加了循環前綴，時域中的OFDM符號中便可與窗相乘。因此，能夠獲得深度為20dB的突變的頻譜空隙，這是一個很大的優點，因為它可以使發送的信號不幹擾其他得到許可的業務(這些業務使用與將通過電網發送的該信號相同的頻帶)。同樣，由於可以將頻譜空隙引入頻帶，因而本發明的過程允許對選擇用來發送信號的功率譜密度進行調節。
在本發明的執行過程中，所使用的窗是升餘弦窗。由於該窗具有時域上的平坦面積，並由於它的頻譜特性，因而選擇了該窗。
在本發明的另一個執行過程中，可以用滾降因子來定義的該升餘弦窗具有小於或等於0.2的滾降因子。
此外，該窗具有以樣本數計算的大小，且其樣本數大於或等於2048，其中，這些樣本是發射機的數模轉換器(DAC)之前的數字樣本。
另一方面，那些功率得到調節的載波的數目取決於頻譜空隙的位置、寬度和深度以及為該過程而選擇的窗的形式。為產生適當深度的頻譜空隙，調節了位於該頻譜空隙內的載波的功率以及與這些載波相鄰的載波的數目。所選窗內的頻率表示中的副瓣滾降得越快，為實現所需寬度和深度的頻譜空隙而必須調節的相鄰載波的數目便越少。為了對合適的載波進行功率調節，可採用各種過程，且這些過程可以組合。可通過逐漸衰減頻譜空隙中的載波中所發送信號的主瓣或所發送信號的副瓣(如果所述載波是相鄰的)來進行上述調節，以使功率譜密度小於所發送信號所需的功率譜密度。
進行調節的另一種方式是直接消除受影響的載波，這種消除是指不發送要進行調節的載波中的任何功率，使得位於頻譜空隙內的載波連同一些相鄰的載波被消除，以確保功率譜密度小於頻譜空隙中發送的信號所需的功率譜密度。
可以在必要的載波中相互獨立地或以組合的方式使用這兩種調節過程，這樣便能消除某些載波，並使某些載波得到衰減。
為促進對本描述性報告的理解和使其形成一個完整的部分，以下引入了某些附圖，在這些附圖中，以說明而非限制的方式示出了本發明的目標。
圖1示出了法規要求的功率譜密度(PSD)的實例，該功率譜密度用於在2至30dB的帶寬上傳輸信號，以保護這些頻率上的得到許可的業務。
圖2示出了可在本發明的過程中使用的窗的實例。
圖3示出了所採集信號的加窗過程的框圖。
圖4示出了各種處於時域和頻域中的典型的窗。
圖5示出了時域和頻域中的具有各種滾降因子(β)的升餘弦窗。
圖6示出了用於在傳輸期間創建頻譜空隙的過程的框圖。
圖7示出了在獲得深度為30dB的頻譜空隙的實例中使用的窗。
具體實施例方式
下面，結合附圖中採用的附圖標記給出對本發明實例的說明。
在傳輸信號期間和設計藉助電網的通信系統時，最重要的問題之一是傳輸裝置未經屏蔽，且部分發送至電網的信號被傳輸到外部，從而能干擾一些得到許可的系統(這些系統使用與所傳輸信號使用的頻率範圍重疊的頻率範圍)。
以減少這種幹擾為目的，許多國家規定了可以在電力線中發送的或可以在其中引入的最大功率譜密度。遺憾的是，這些法規隨不同國家發生變化，因此，有必要在頻譜中生成可根據國家而調節的、以用於防止在某些頻率上發送信號的突變的頻譜空隙。圖1中可看到要求能在2和30MHz之間發送信號的功率譜密度的實例。從圖中可以看出，存在多個頻譜空隙，為了在該帶寬上發送信號，我們必須重視這些頻譜空隙。
本發明過程允許有效率地在所發送的信號中生成這些頻譜空隙，並因此在任何情況下均可調節至適當的譜密度。
如前所述，本發明過程利用了現有技術中已知的加窗概念。遺憾的是，取決於所選擇的技術來源，可以用一種或另一種方式來解釋該概念，因為這個原因，在引入本發明過程的執行實例之前，將說明在該過程中使用的「窗」定義標準。
對數位訊號加窗包括將信號的樣本與窗相乘。該窗是另一種數位訊號，它通常具有一組不同於零的相鄰樣本。在圖2中可以看到以樣本0為中心的窗的實例。
一旦選擇了將要在該過程中使用的窗，則有必要執行加窗處理。可在圖3中看到信號加窗過程。通過(1)將信號樣本與窗樣本相乘(為此，該窗必須移至合適的位置而非樣本0所在位置)，進行了該加窗處理。該信號加窗過程(時域乘法)影響了頻域中的所述信號。可以在調製或加窗定理中觀察到這種相關性y[n]=x[n]v[n]Y(ej)=12-X(ej)V(ej(-))d]]>該定理表明，時域中的相乘導致了頻域中的窗形狀的周期性卷積。該窗在頻域中的副瓣將決定y[n]輸出信號的頻率形式。圖4中可以看出現有技術中已知的某些典型窗(三角的、巴特利特和切比雪夫窗)在時域和頻域中的形狀。在該圖中，可以看出窗的形狀決定了頻率響應的副瓣。例如，切比雪夫頻率響應保持不變(在副瓣方面)，而對於巴特利特頻率響應，它最初的一些副瓣較高，但是後面的副瓣回落得很快。
對於所描述的執行實例，優選的窗口是升餘弦窗。以下示出了以樣本零為中心的升餘弦窗的公式v[n]=1si0|n|1-2N12(1+cos(N(|n|-1-2N)))si1-2N|n|1+2N0si|n|>1+2N]]>其中，N是定義為具有超過0.5的值(v[n])的窗的大小，且β為滾降因子。通常，可通過該滾降因子β來定義升餘弦窗。這個因子總介於0和1之間，並表示所發送的超額信號。從圖5中可看出，該滾降因子越高，則滾降越平緩。在該圖中示出了若干個時域和頻域中的升餘弦窗以及它們與滾降因子(β)的相關性。當滾降因子達到0時，該窗變為矩形窗，該窗呈現出具有非常高頻率的副瓣。
如果增加滾降值，則通過犧牲效率換取了較低的副瓣。該效率損失是由窗大小增加(其中超額部分按N*β來計算)的事實造成的。另一方面，如果使用過低的滾降因子，則因為副瓣未充分下降而損失效率，並且，在這種情形下，有必要增加已在功率上進行調節的、與頻譜空隙相鄰的載波的數目。
一種在增加效率的同時維持滾降因子的方法是增加OFDM信號的載波數目。必須對其進行調節來創建頻譜空隙的相鄰載波數目將不會發生變化(相對於以前的情形)，但因為載波的總數增大了，因而降低了效率損失所佔的百分比。因為這個原因，由於IDFT載波的具體數目的增加，該過程變得切實可用。
當準備用於通過電網傳輸信號的設計時，為具有高效率，已計算出滾降因子必須小於0.2。同樣地，窗的樣本數目必須大於2048。對本發明的這個具體執行實例而言，將使用0.15的滾降因子、0.05的因子和2600個樣本。
為對正在發送的信號執行本發明的過程(一旦選定了窗)，使用了類似於圖6中所示的框圖。在該圖中，將要發送的信號輸入模塊(2)中的各個OFDM信號載波，其中，模塊(2)調節合適載波的功率，以創建必要的頻率空隙。將主要調節位於頻譜空隙中的載波連同它們的相鄰載波。所選升餘弦窗中的副瓣的滾降越大，則必須受到影響來實現頻譜空隙的相鄰載波的數目便越少。然後，該執行實例中的模塊(3)以複數方式執行快速傅立葉逆變換(IFFT)(通常用於實施具有OFDM調製的離散傅立葉逆變換(IDFT))。在此之後，模塊(4)插入由模塊(5)生成的循環前綴，且模塊(6)將時域中的該數位訊號與模塊(7)生成的窗相乘。為使頻譜空隙生成過程有效率，有必要使用具有多個載波的OFDM和具有大量點的IFFT。在該執行實例中，使用了複數的1024點IFFT。
最後，在發送之前(儘管這個模塊未出現在圖6中)，將通過DAC轉換器將數位訊號轉換成模擬信號。
為實現突變的頻譜空隙，衰減或消除位於頻譜空隙中的各頻率位置上的載波是不夠的。這是因為，由於相鄰載波的副瓣的原因，還存在功率剩餘，在很大程度上，由於到達頻譜空隙所在的頻譜區域的OFDM信號的轉變(transition)現象，生成了這些副瓣。為避免這一點，有必要調節功率，或者，同時消除與位於頻譜空隙末端位置的載波相鄰的一定數量的載波。通過圖6中的模塊(2)進行了這一過程。取決於由模塊(7)生成的升餘弦窗的形狀，功率必須得到調整的相鄰載波的數目可以更大或更小，因此，這兩個模塊是相互關聯的。
在圖7中可看到具有在該執行實例中選擇的值(滾降因子為0.15和滾降因子為0.05，且樣本數目為2600)的兩個升餘弦窗的形狀。在這種情況下，如果需要實現30dB深的頻譜空隙，則在升餘弦窗滾降因子為0.15的情況下使用本發明的過程時，必須調節4個相鄰載波的功率，而在使用0.05的滾降因子的情況下，必須調節總共7個相鄰載波的功率。
權利要求
1.一種在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，該方法包括通過正交頻分復用(OFDM)發送信號，其中，通信節點具有發射機、用於添加循環前綴的裝置和用於對OFDM符號進行頻域至時域的變換的裝置；其中，該方法包括-通過從衰減和消除這些載波的過程中選出的過程來調節一個或多個OFDM信號載波的功率；-將用來將頻域信號變換成時域信號的離散傅立葉逆變換(IDFT)用於若干個點，如果所述IDFT是複數的，則所述若干個點至少為1024個點，且如果所述IDFT是實數的，則所述若干個點至少為2048個點；-添加循環前綴，並且，然後在時域中將所述OFDM符號與窗相乘；以取得從下列效果中選出的效果取得深度超過30dB的突變的頻譜空隙，同時不幹擾其他使用相同頻帶的得到許可的業務；符合發送所述信號所需的功率譜密度；以及這些效果的組合。
2.如權利要求1所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，用來獲得所述突變的頻譜空隙的所述窗是升餘弦窗。
3.如權利要求2所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，所述升餘弦窗具有的最大滾降因子為0.2。
4.如權利要求1所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，所述窗口具有至少2048個樣本，且所述樣本是所述發射機的數模轉換器(DAC)之前的數字樣本。
5.如權利要求1所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，功率得到調節的所述載波的數目取決於所述頻譜空隙的位置、寬度和深度以及所述窗口的形狀，由此產生了頻譜空隙，並調節了位於該頻譜空隙內的載波的功率以及與這些載波相鄰的載波的功率，其中，用於所述傳輸過程的所述窗的副瓣減小得越快，則與所述頻譜空隙內的載波相鄰的那些載波的功率便越低。
6.如權利要求1所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，通過逐漸衰減波瓣來對所述載波的功率進行調節，以便使所述功率譜密度小於在所述頻譜空隙中發送的信號所需的功率譜密度(PSD)，其中，所述波瓣是所述頻譜空隙內的載波中發送的信號的主瓣，或者，如果所述載波是相鄰的，則該波瓣是所發送信號的副瓣。
7.如權利要求1所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，通過消除載波來調節所述載波的功率，這種消除涉及不發送待調節載波中的任何功率、消除位於所述頻譜空隙內的載波和足夠數量的相鄰載波，以實現功率譜密度(PSD)小於在所述頻譜空隙中發送的信號所需的功率譜密度。
8.如權利要求6和7中的任一項所述的在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，通過從逐漸衰減、消除和它們的組合中選出的過程來實現對所述載波的調節。
全文摘要
本發明涉及一種在通過電網傳輸信號的過程中獲得頻譜空隙的方法。本發明的方法允許通過具有合適的功率譜密度的電網來傳輸信號，以致在可能有效率地傳輸頻譜空隙的情況下將所述功率譜密度調整到符合現有規範。本發明的特徵在於調節一個或多個OFDM信號載波的功率，以生成前述的空隙；使用至少1024點的IDFT(如果IDFT是複數的)或至少2048點的IDFT(如果IDFT是實數的)；以及使用與符號(將隨時間流逝而被發送)相乘的窗。
文檔編號H04L27/26GK101015134SQ200580027492
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月2日 優先權日2004年6月18日
發明者J·V·布拉斯科克拉雷特, J·C·裡維羅因素阿, S·伊蘭佐莫利尼羅, L·M·託雷斯康頓, J·阿巴德莫利納 申請人:矽系統設計公司