数字双向自动通信系统（TWACS）出站接收器和方法.pdf

一种用于电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS）的应答器的接收器和方法，其中将模拟出站消息从所述设施发送到用户并将入站应答消息从所述用户发送到所述设施。所述接收器和方法使应答器能够检测所述出站消息并包括模数转换和数字处理，以便将数字化的信号解调并提供所述出站消息。

权利要求书在电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS）中，其中将出站消息从所述设施发送到用户并将入站消息从所述用户发送到所述设施，所述相应的出站和入站消息通过所述设施的配电系统发送和接收，一种用于检测所述出站消息的接收器，所述接收器包括：
模拟滤波器组件，其接收包括出站消息的模拟出站信号以提供经过滤波的信号；
模数转换器，其将所述经过滤波的信号转换成对应的数字化信号并提供所述对应的数字化信号；以及
数字处理器，其执行：
数字预处理器组件，其接收所述对应的数字化信号，预处理所述接收到的对应的数字化信号以提供经过预处理的数字信号；以及
数字符号确定组件，其接收所述经过预处理的数字信号并数字解调所述接收到的经过预处理的数字信号以提供所述出站消息。
如权利要求1所述的接收器，其中所述滤波器组件包括：
载波陷波滤波器，其接收所述模拟出站信号并取消载波信号以提供模拟消息信号；以及
低通滤波器（LPF）组件，其接收所述模拟出站信号并对所述模拟出站信号滤波以提供经过滤波的模拟出站信号；
并且其中所述模数转换器包括：
第一模数转换器，其将所述模拟消息信号数字化成数字化消息信号；以及
第二模数转换器，其将所述经过滤波的模拟出站信号数字化并提供数字的经过滤波的信号。
如权利要求2所述的接收器，其中所述数字处理器包括缓冲组件，所述缓冲组件包括：
缓冲器，其接收所述数字化消息信号并顺序提供与该信号对应的半周期缓冲信号；以及
锁相环路（PLL）组件，其接收所述数字化的经过滤波的信号并提供与该信号对应的半周期同步信号，所述半周期同步信号采样所述半周期缓冲信号以提供对应的数字信号。
如权利要求3所述的接收器，其中所述数字预处理器组件包括：
快速傅立叶变换（FFT）组件，其接收所述对应的数字信号并提供对应于所述数字信号的频域信号；以及
维度缩减组件，其连接到所述FFT组件，用于接收所述频域信号，所述维度缩减组件提供对应于具有降低的分辨率的所述数字信号的离散化信号。
如权利要求4所述的接收器，其还包括有限冲激响应（FIR）数字滤波器，所述有限冲激响应数字滤波器从所述维度缩减组件接收所述离散化信号并对所述离散化信号滤波以提供经过预处理的数字信号，其中所述维度缩减组件仅向所述FIR滤波器提供具有大于最低级别的信噪比（SNR）的频带，由此在不显著影响性能的情况下降低计算复杂性。
如权利要求5所述的接收器，其中所述符号确定组件包括：
数字前同步码检测器，其用于接收所述经过预处理的数字信号并提供对应于所述经过预处理的数字信号的符号同步信号和权重向量w；以及
数字符号估算器组件，其用于接收所述经过预处理的数字信号并用于接收所述权重向量w以提供噪声乘积信号γ，按照所述同步信号对所述噪声乘积信号γ选择性采样以提供所述出站消息。
如权利要求1所述的接收器，其中所述模数转换器为所述数字处理器的部分且其中所述数字处理器包括缓冲所述数字化信号以顺序提供半周期信号的缓冲组件，所述缓冲组件包括锁相环路（PLL）组件，其包括相位检测器、数字控制振荡器（DCO）和环路滤波器，所述锁相环路组件接收所述数字化信号并提供对应于该信号的半周期同步信号，所述半周期同步信号采样所述半周期信号以提供对应的数字信号。
如权利要求1所述的接收器，其中所述数字预处理器组件包括：
快速傅立叶变换（FFT）组件，其接收所述对应的数字信号并提供对应于所述数字信号的频域信号；以及
维度缩减组件，其连接到所述FFT组件，用于接收所述频域信号，所述维度缩减组件提供对应于具有降低的分辨率的所述数字信号的离散化信号。
如权利要求8所述的接收器，其还包括有限冲激响应（FIR）数字滤波器，所述有限冲激响应数字滤波器从所述维度缩减组件接收所述离散化信号并对所述离散化信号滤波以提供所述经过预处理的数字信号，其中所述维度缩减组件仅向所述FIR滤波器提供具有大于最低级别的信噪比（SNR）的频带，由此在不显著影响性能的情况下降低计算复杂性。
如权利要求1所述的接收器，其中所述符号确定组件包括：
数字前同步码检测器，其用于接收所述经过预处理的数字信号并提供对应于所述经过预处理的数字信号的符号同步信号和权重向量；以及
数字符号估算器组件，其用于接收所述经过预处理的数字信号并用于接收所述权重向量w以提供噪声乘积信号，根据所述同步信号对所述噪声乘积信号采样以提供所述出站消息。
如权利要求10所述的接收器，其中所述数字前同步码检测器包括有形计算机可读存储介质上的计算机可执行指令，所述指令由所述数字处理器执行，所述指令包括：
用来形成经过滤波的前同步码序列的组分；
用于迭代地估算接收到的符号和导向向量的组分；
用于设定所述估算的符号的阈值的组分；以及
用于将得到的序列与经过滤波的前同步码序列进行比较的组分，其中如果存在少于预设数目的错误则将检测指示器设定为1。
如权利要求11所述的接收器，其中实现自适应均衡，并且还包括估算用于所述自适应均衡的噪声协方差矩阵。
如权利要求12所述的接收器，其中所述数字预处理器组件包括：
快速傅立叶变换（FFT）组件，其接收所述对应的数字信号并提供对应于所述数字信号的频域信号；以及
维度缩减组件，其连接到所述FFT组件，用于接收所述频域信号，所述维度缩减组件提供对应于具有降低的分辨率的所述数字信号的离散化信号。
一种电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS），其包括：
分站，其从所述设施向用户发送模拟出站消息；
应答器，其从所述用户向所述设施发送入站消息，所述相应的出站和入站消息通过所述设施的配电系统发送和接收；以及
包括在所述应答器中的接收器，其用于启用所述出站消息的检测，所述接收器包括：
模拟滤波器组件，其接收包括出站消息的模拟出站信号以提供经过滤波的信号；
模数转换器，其将所述经过滤波的信号转换成对应的数字化信号并提供所述对应的数字化信号；以及
数字处理器，其执行：
数字预处理器组件，其接收所述对应的数字化信号，预处理所述接收到的对应的数字化信号以提供经过预处理的数字信号；以及
数字符号确定组件，其接收所述经过预处理的数字信号并数字解调所述接收到的经过预处理的数字信号以提供所述出站消息。
如权利要求14所述的系统，其中所述滤波器组件包括：
载波陷波滤波器，其接收所述模拟出站信号并取消载波信号以提供模拟消息信号；以及
低通滤波器（LPF）组件，其接收所述模拟出站信号并对所述模拟出站信号滤波以提供经过滤波的模拟出站信号；
并且其中所述模数转换器包括：
第一模数转换器，其将所述模拟消息信号数字化成数字化消息信号；以及
第二模数转换器，其将所述经过滤波的模拟出站信号数字化并提供数字的经过滤波的信号。
如权利要求15所述的系统，其中所述数字处理器包括缓冲组件，所述缓冲组件包括：
缓冲器，其接收所述数字化消息信号并顺序提供与该信号对应的半周期缓冲信号；以及
锁相环路（PLL）组件，其接收所述数字化的经过滤波的信号并提供与该信号对应的半周期同步信号，所述半周期同步信号采样所述半周期缓冲信号以提供对应的数字信号。
如权利要求16所述的系统，其中所述数字预处理器组件包括：
快速傅立叶变换（FFT）组件，其接收所述对应的数字信号并提供对应于所述数字信号的频域信号；以及
维度缩减组件，其连接到所述FFT组件，用于接收所述频域信号，所述维度缩减组件提供对应于具有降低的分辨率的所述数字信号的离散化信号。
如权利要求17所述的系统，其还包括有限冲激响应（FIR）数字滤波器，所述有限冲激响应数字滤波器从所述维度缩减组件接收所述离散化信号并对所述离散化信号滤波以提供经过预处理的数字信号，其中所述维度缩减组件仅向所述FIR滤波器提供具有大于最低级别的信噪比（SNR）的频带，由此在不显著影响性能的情况下降低计算复杂性。
如权利要求18所述的系统，其中所述符号确定组件包括：
数字前同步码检测器组件，其用于接收所述经过预处理的数字信号并提供对应于所述经过预处理的数字信号的符号同步信号和权重向量w；以及
数字符号估算器组件，其用于接收所述经过预处理的数字信号并用于接收所述权重向量w以提供噪声乘积信号γ，按照所述同步信号对所述噪声乘积信号γ选择性采样以提供所述出站消息。
在电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS）中，其中将模拟出站消息从所述设施发送到用户并将入站消息从所述用户发送到所述设施，所述相应的出站和入站消息通过所述设施的配电系统发送和接收，一种用于检测所述出站消息的方法，所述方法包括：
接收包括出站消息的模拟出站信号；
将所述接收到的模拟出站信号转换成对应的数字化信号；
预处理所述对应的数字化信号以提供经过预处理的数字信号；以及
数字解调所述经过预处理的数字信号以提供所述出站消息。
如权利要求20所述的方法，其中所述接收包括：
对所述模拟出站信号滤波以取消载波信号并提供模拟消息信号；以及
接收所述模拟出站信号并对所述模拟出站信号滤波以提供经过滤波的模拟出站信号；
并且其中所述转换包括：
将所述模拟消息信号数字化成数字化消息信号；以及
将所述经过滤波的模拟出站信号数字化并提供数字的经过滤波的信号。
如权利要求21所述的方法，其中所述预处理包括缓冲，所述缓冲包括：
接收所述数字化消息信号并顺序提供与该信号对应的半周期缓冲信号；以及
由锁相环路接收所述数字化的经过滤波的信号并提供与该信号对应的半周期同步信号，所述半周期同步信号采样所述半周期缓冲信号以提供对应的数字信号。
如权利要求22所述的方法，其中所述预处理包括：
接收所述对应的数字信号并提供对应于所述数字信号的频域信号；以及
接收所述频域信号，并提供对应于具有降低的分辨率的所述数字信号的离散化信号。
如权利要求23所述的方法，其还包括有限冲激响应（FIR）数字滤波器，所述有限冲激响应数字滤波器从所述维度缩减组件接收所述离散化信号并对所述离散化信号滤波以提供经过预处理的数字信号，其中所述维度缩减组件仅向所述FIR滤波器提供具有大于最低级别的信噪比（SNR）的频带，由此在不显著影响性能的情况下降低计算复杂性。
如权利要求24所述的方法，其中所述解调包括：
接收所述经过预处理的数字信号并提供对应于所述经过预处理的数字信号的符号同步信号和权重向量w；以及
接收所述经过预处理的数字信号并接收所述权重向量以提供噪声乘积信号γ，按照所述同步信号对所述噪声乘积信号γ选择性采样以提供所述出站消息。

说明书数字双向自动通信系统（TWACS）出站接收器和方法
发明背景
本发明涉及通过配电网络发送的通信，并且更具体来说，涉及一种点到点通信系统，通过该系统信息可从配电网络内的任何一个位置便捷地传输到该网络内的任何其它位置。具体地，本发明涉及数字解调（双向自动通信系统）出站信号，包括出站前同步码检测。
电源线通信系统在本领域中已知。典型的系统使设施能够通过其电源线或从诸如分站的中心位置向连接到该站点的其大多数（如果不是全部的话）客户发送消息。消息包括如下内容：在客户站点的当前用电情况、用来确定是否在服务区域内发生过停电的轮询请求或用来在用电高峰期间减少或切断向位于客户站点的负载提供的电量的命令。从消息发送到的不同位置接收到的应答使设施能够确定其当前的运行状态以及可能需要进行以针对配电系统工作状况的变化（或预期变化）来重新配置配电系统的改变。
近年来，用电显著增加，使得随着时间推移对设施的需求急剧增加并且现在很多设施为了维持向其客户提供的足够服务级别而背负沉重的压力。类似地，对这些设施用来支持其运行的当前通信系统的需求也急剧增加到使得这些系统难以及时提供使设施在其运行所需级别运行所必需的信息的程度。例如，在几乎持续的基础上，设施所需的信息量已扩大到通信系统的所需信息吞吐量（数据传输速率）达到或接近通信系统的能力的限制的程度。
TWACS出站信号已使用比较器和计时器解码。以此方式，数字处理器被提供时间序列，在该时间序列，入射信号采用已知值。这具有无需昂贵的硬件的优势。
当前的模拟出站接收器需要大的信噪比（SNR），以便维持合理的位误码率。它被设计来用于特定的出站信号群。该群只包含两个信号，每个信号具有两个完整的电源周期的持续时间。因此，数据率仅为每1/30秒1位或30bps。对于此信号持续时间，此群大小可增加到多达16个符号，使得给定120bps的最大数据率每2个周期可传输最多4位。然而，将当前的接收器调适到新的群将较困难（如果不是不可能的话）。
存在对于可调适到新的群且可在通用微处理器上实现的使用模数转换的出站接收器的需要。
发明内容
在一种形式中，本发明包括用于电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS）的接收器，其中将出站消息从设施发送到用户并将入站消息从用户发送到设施。相应的出站和入站消息通过设施的配电系统发送和接收。接收器检测出站消息并包括模拟滤波器、模数转换器和数字处理器。模拟滤波器组件接收包括出站消息的模拟出站信号（AOS）r(t)以提供经过滤波的信号。模数转换器将经过滤波的信号转换成对应的数字化信号并提供该对应的数字化信号。数字处理器执行用于接收对应的数字化信号并用于预处理接收到的对应的数字化信号以提供经过预处理的数字信号z[k]的数字预处理器组件。处理器也执行用于接收经过预处理的数字信号z[k]并用于将接收到的经过预处理的数字信号z[k]数字解调以提供出站消息的数字符号确定组件。
在另一种形式中，本发明包括电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS），其包括将模拟出站消息从设施发送到用户的分站、将入站消息从用户发送到设施的收发器以及包括在收发器中用于启用出站消息的检测的接收器。接收器包括模拟滤波器组件、模数转换器和执行数字预处理器组件和数字符号确定组件的数字处理器。
在另一种形式中，本发明包括电气设施使用的双向自动通信系统（TWACS）中的方法，其中将模拟出站消息从设施发送到用户并将入站消息从用户发送到设施，相应的出站和入站消息通过设施的配电系统发送和接收。该方法检测出站消息并包括：
接收包括出站消息的模拟出站信号；
将接收到的模拟出站信号转换成对应的数字化信号；
预处理对应的数字化信号以提供经过预处理的数字信号；以及
数字解调经过预处理的数字信号以提供出站消息。
其它目标和特征将部分显而易见且部分在后文中说明。
附图简述
图1为并入设施的配电网络的点到点通信系统的简化示意图。标为XN的框表示多个出站信号发送器之一。标为YN的框表示多个出站接收器之一。图1示出了配电变压器的低压（LV）一侧上的出站接收器。也构想了可将接收器改为或另外置于中压（MV）一侧上（未在图1中示出）。
图2为示出了出站TWACS（双向自动通信系统）信号的一个实施例的波形示意图，其中该信号由接收器数字解调，以及本发明的方法。
图3为详细描述前同步码检测器和接收器之间的交互的流程图。
图4为示出了30bps TWACS出站信号集的一个实施例的波形示意图。
图5为根据本发明的接收器的一个实施例的框图。
图6示出了如在图5的FFT的输出看到的未经滤波的前同步码系数PK以及如在图5的FIR滤波器‑1+z‑2的输出看到的经过滤波的前同步码系数q[k]。
图7示出了图5的数字锁相环路（PLL）的一个实施例的框图。
图8示出了图7的数字PLL的环路滤波器H(z)的频率和冲激响应的一个实施例。
在所有附图中，对应的参考字符指示对应的部件。
详细描述

如图1所示，点到点的通信系统20使消息能够从配电系统内的任何一个位置A传输到系统内的任何其它位置B。通常，消息从分站发送到一个或多个设备，而应答消息单独从每个设备发回到分站。然而，消息可从分站之外的位置发送到通信系统20内的任何其它位置（可能但不一定是分站）是本发明的一个特征。
如图1所示，由设施产生或传播的电压波形WG（即电源信号）跨高压变压器THV的初级绕组来标记。波形WG通常为3相，往往介于35KVAC和160KVAC之间，60Hz的波形；尽管本领域的技术人员将理解通信系统20对于其它设施产生的波形（例如，在很多国家中由设施产生的50Hz的波形）也能同样良好地工作。
变压器THV的次级绕组又跨变压器TI‑TN的初级绕组连接。总体指示为12的收发器的发送器XN跨在位置A的变压器T1的次级或低压绕组LV连接。在位置B，收发器13包括连接至电源线用于接收和处理通过通信系统20发送的消息的接收器YN。
图1中所示的信号波形WM表示包括由收发器12添加的经过调制的消息的波形WG，用于由收发器13接收和解码。TWACS传输被锁相到如图2中所示的电源信号MS。在任何给定的此信号的半周期中，发送器具有发射其信号的选择权。所得电流可由函数g(t)表示。任何TWACS传输的入站和出站信号群从而可由如下等式概括：