專利名稱：在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的過程中獲得頻譜空隙的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
正如在本描述性報(bào)告的陳述中所表達(dá)的，本發(fā)明涉及在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的過程中獲得頻譜空隙的過程。頻譜空隙定義為其中發(fā)送的功率密度小于某個(gè)要求的值的頻帶。這個(gè)過程對(duì)創(chuàng)建和使用借助電網(wǎng)的傳輸系統(tǒng)顯得尤為重要，因?yàn)樗试S根據(jù)不同的頻率來調(diào)節(jié)所發(fā)送信號(hào)的功率，以使其適應(yīng)依據(jù)不同國(guó)家的當(dāng)前法規(guī)建立的、用于通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的規(guī)范，其中，這些法規(guī)規(guī)定了足夠的頻譜空隙。以這種方式，將避免干擾已得到許可的業(yè)務(wù)(這些業(yè)務(wù)使用與通過電網(wǎng)的通信發(fā)送的信號(hào)相同的頻帶)。
背景技術(shù)：
最初并未設(shè)想將電網(wǎng)(低壓和中壓)用于電信信號(hào)的傳輸。這種通信方式是一種無屏障的通信方式，其中，所發(fā)送的信號(hào)可以輻射出去，并干擾其他使用相同頻率的系統(tǒng)。業(yè)余無線電愛好者和包括無線電導(dǎo)航、緊急業(yè)務(wù)在內(nèi)等的其他無線電通信業(yè)務(wù)與這一通信方式有關(guān)。在這些業(yè)務(wù)中，較弱的干擾信號(hào)便可中斷通信，由于這個(gè)原因，因而避免以這些頻率進(jìn)行功率傳輸是非常重要的。
有鑒于此，在許多國(guó)家中，一些生效的法規(guī)對(duì)可以以某些頻率發(fā)送的功率譜密度(PSD)進(jìn)行限制，以至于根據(jù)這些法規(guī)，為通過電網(wǎng)發(fā)送信號(hào)，則必須獲得較深的頻譜空隙。作為本發(fā)明目標(biāo)的本過程被設(shè)計(jì)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(shí)必要的帶寬。
該過程尋求以有效率的方式將所發(fā)送的信號(hào)調(diào)整為由前述的法定理由規(guī)定的某些功率模式。傾向于將這些功率模式定義成這樣的頻率范圍在其中，功率傳輸是嚴(yán)格受限的(例如，其強(qiáng)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(shù)限制，不可能實(shí)現(xiàn)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(gè)頻帶之間的瞬時(shí)轉(zhuǎn)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范圍內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)。由于本發(fā)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(shù)目，可以高效率地執(zhí)行上述的功率減少。
另一方面，加窗概念(準(zhǔn)確的說，是升余弦窗)不是該過程的發(fā)明，相反，它是一種已知的現(xiàn)有技術(shù)。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(shù)字通信)、Prentice Hall出版公司出版的Alan V.Oppenheim的“Discreet-Time Signal Processing”(離散時(shí)間信號(hào)處理)以及“Artech House Publishers”公司出版的Richard Van Nee和RamjeePrasad的“OFDM for Wireless Multimedia Communications”(用于無線多媒體通信的OFDM))中找到這些概念。第一份參考文獻(xiàn)指出，升余弦窗用于設(shè)計(jì)頻帶中的受限信號(hào)(以避免任何碼間干擾)，而最后一份參考文獻(xiàn)指出，應(yīng)用于各個(gè)OFDM符號(hào)的加窗過程用來減少信號(hào)的處于頻帶之外的頻譜。
本發(fā)明過程的新的方面在于，通過調(diào)節(jié)某些載波中發(fā)送的功率、對(duì)OFDM符號(hào)加循環(huán)前綴進(jìn)行加窗處理和為工作載波的數(shù)目和IDFT的大小使用合適的值來有效率地在頻帶中生成大于30dB的頻譜空隙；且這一方面不能從現(xiàn)有技術(shù)推導(dǎo)得出。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)和防止前面部分指出的不便之處，本發(fā)明由用于在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)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(fù)用(OFDM)發(fā)送信號(hào)，其中，通信節(jié)點(diǎn)具有發(fā)射機(jī)、用于添加循環(huán)前綴的裝置和用于對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行頻域至?xí)r域的變換的裝置。
這個(gè)過程的特征在于下列事實(shí)，即它通過衰減或消除一個(gè)或多個(gè)OFDM信號(hào)載波來有選擇地調(diào)節(jié)這些載波的功率，因?yàn)樗鼘⒂脕韺㈩l域信號(hào)變換成時(shí)域信號(hào)的離散傅立葉逆變換(IDFT)用于若干個(gè)點(diǎn)(如果該IDFT是復(fù)數(shù)的，這些點(diǎn)的數(shù)目大于或等于1024，如果該IDFT是實(shí)數(shù)的，這些點(diǎn)的數(shù)目大于或等于2048)，并且，因?yàn)橐坏┨砑恿搜h(huán)前綴，時(shí)域中的OFDM符號(hào)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(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢允拱l(fā)送的信號(hào)不干擾其他得到許可的業(yè)務(wù)(這些業(yè)務(wù)使用與將通過電網(wǎng)發(fā)送的該信號(hào)相同的頻帶)。同樣，由于可以將頻譜空隙引入頻帶，因而本發(fā)明的過程允許對(duì)選擇用來發(fā)送信號(hào)的功率譜密度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明的執(zhí)行過程中，所使用的窗是升余弦窗。由于該窗具有時(shí)域上的平坦面積，并由于它的頻譜特性，因而選擇了該窗。
在本發(fā)明的另一個(gè)執(zhí)行過程中，可以用滾降因子來定義的該升余弦窗具有小于或等于0.2的滾降因子。
此外，該窗具有以樣本數(shù)計(jì)算的大小，且其樣本數(shù)大于或等于2048，其中，這些樣本是發(fā)射機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之前的數(shù)字樣本。
另一方面，那些功率得到調(diào)節(jié)的載波的數(shù)目取決于頻譜空隙的位置、寬度和深度以及為該過程而選擇的窗的形式。為產(chǎn)生適當(dāng)深度的頻譜空隙，調(diào)節(jié)了位于該頻譜空隙內(nèi)的載波的功率以及與這些載波相鄰的載波的數(shù)目。所選窗內(nèi)的頻率表示中的副瓣滾降得越快，為實(shí)現(xiàn)所需寬度和深度的頻譜空隙而必須調(diào)節(jié)的相鄰載波的數(shù)目便越少。為了對(duì)合適的載波進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，可采用各種過程，且這些過程可以組合?？赏ㄟ^逐漸衰減頻譜空隙中的載波中所發(fā)送信號(hào)的主瓣或所發(fā)送信號(hào)的副瓣(如果所述載波是相鄰的)來進(jìn)行上述調(diào)節(jié)，以使功率譜密度小于所發(fā)送信號(hào)所需的功率譜密度。
進(jìn)行調(diào)節(jié)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(fā)送要進(jìn)行調(diào)節(jié)的載波中的任何功率，使得位于頻譜空隙內(nèi)的載波連同一些相鄰的載波被消除，以確保功率譜密度小于頻譜空隙中發(fā)送的信號(hào)所需的功率譜密度。
可以在必要的載波中相互獨(dú)立地或以組合的方式使用這兩種調(diào)節(jié)過程，這樣便能消除某些載波，并使某些載波得到衰減。
為促進(jìn)對(duì)本描述性報(bào)告的理解和使其形成一個(gè)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(fā)明的目標(biāo)。


圖1示出了法規(guī)要求的功率譜密度(PSD)的實(shí)例，該功率譜密度用于在2至30dB的帶寬上傳輸信號(hào)，以保護(hù)這些頻率上的得到許可的業(yè)務(wù)。
圖2示出了可在本發(fā)明的過程中使用的窗的實(shí)例。
圖3示出了所采集信號(hào)的加窗過程的框圖。
圖4示出了各種處于時(shí)域和頻域中的典型的窗。
圖5示出了時(shí)域和頻域中的具有各種滾降因子(β)的升余弦窗。
圖6示出了用于在傳輸期間創(chuàng)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(shí)例中使用的窗。
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖中采用的附圖標(biāo)記給出對(duì)本發(fā)明實(shí)例的說明。
在傳輸信號(hào)期間和設(shè)計(jì)借助電網(wǎng)的通信系統(tǒng)時(shí)，最重要的問題之一是傳輸裝置未經(jīng)屏蔽，且部分發(fā)送至電網(wǎng)的信號(hào)被傳輸?shù)酵獠?，從而能干擾一些得到許可的系統(tǒng)(這些系統(tǒng)使用與所傳輸信號(hào)使用的頻率范圍重疊的頻率范圍)。
以減少這種干擾為目的，許多國(guó)家規(guī)定了可以在電力線中發(fā)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(guī)隨不同國(guó)家發(fā)生變化，因此，有必要在頻譜中生成可根據(jù)國(guó)家而調(diào)節(jié)的、以用于防止在某些頻率上發(fā)送信號(hào)的突變的頻譜空隙。圖1中可看到要求能在2和30MHz之間發(fā)送信號(hào)的功率譜密度的實(shí)例。從圖中可以看出，存在多個(gè)頻譜空隙，為了在該帶寬上發(fā)送信號(hào)，我們必須重視這些頻譜空隙。
本發(fā)明過程允許有效率地在所發(fā)送的信號(hào)中生成這些頻譜空隙，并因此在任何情況下均可調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)淖V密度。
如前所述，本發(fā)明過程利用了現(xiàn)有技術(shù)中已知的加窗概念。遺憾的是，取決于所選擇的技術(shù)來源，可以用一種或另一種方式來解釋該概念，因?yàn)檫@個(gè)原因，在引入本發(fā)明過程的執(zhí)行實(shí)例之前，將說明在該過程中使用的“窗”定義標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)數(shù)字信號(hào)加窗包括將信號(hào)的樣本與窗相乘。該窗是另一種數(shù)字信號(hào)，它通常具有一組不同于零的相鄰樣本。在圖2中可以看到以樣本0為中心的窗的實(shí)例。
一旦選擇了將要在該過程中使用的窗，則有必要執(zhí)行加窗處理?？稍趫D3中看到信號(hào)加窗過程。通過(1)將信號(hào)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(jìn)行了該加窗處理。該信號(hào)加窗過程(時(shí)域乘法)影響了頻域中的所述信號(hào)?？梢栽谡{(diào)制或加窗定理中觀察到這種相關(guān)性y[n]=x[n]v[n]⇔Y(ejω)=12π∫-ππX(ejθ)V(ej(ω-θ))dθ]]>該定理表明，時(shí)域中的相乘導(dǎo)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(hào)的頻率形式。圖4中可以看出現(xiàn)有技術(shù)中已知的某些典型窗(三角的、巴特利特和切比雪夫窗)在時(shí)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(yīng)的副瓣。例如，切比雪夫頻率響應(yīng)保持不變(在副瓣方面)，而對(duì)于巴特利特頻率響應(yīng)，它最初的一些副瓣較高，但是后面的副瓣回落得很快。
對(duì)于所描述的執(zhí)行實(shí)例，優(yōu)選的窗口是升余弦窗。以下示出了以樣本零為中心的升余弦窗的公式v[n]=1si0≤|n|≤1-β2·N12(1+cos(πβN(|n|-1-β2·N)))si1-β2·N≤|n|≤1+β2·N0si|n|>1+β2·N]]>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來定義升余弦窗。這個(gè)因子總介于0和1之間，并表示所發(fā)送的超額信號(hào)。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(gè)時(shí)域和頻域中的升余弦窗以及它們與滾降因子(β)的相關(guān)性。當(dāng)滾降因子達(dá)到0時(shí)，該窗變?yōu)榫匦未?，該窗呈現(xiàn)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(jì)算)的事實(shí)造成的。另一方面，如果使用過低的滾降因子，則因?yàn)楦卑晡闯浞窒陆刀鴵p失效率，并且，在這種情形下，有必要增加已在功率上進(jìn)行調(diào)節(jié)的、與頻譜空隙相鄰的載波的數(shù)目。
一種在增加效率的同時(shí)維持滾降因子的方法是增加OFDM信號(hào)的載波數(shù)目。必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)來創(chuàng)建頻譜空隙的相鄰載波數(shù)目將不會(huì)發(fā)生變化(相對(duì)于以前的情形)，但因?yàn)檩d波的總數(shù)增大了，因而降低了效率損失所占的百分比。因?yàn)檫@個(gè)原因，由于IDFT載波的具體數(shù)目的增加，該過程變得切實(shí)可用。
當(dāng)準(zhǔn)備用于通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的設(shè)計(jì)時(shí)，為具有高效率，已計(jì)算出滾降因子必須小于0.2。同樣地，窗的樣本數(shù)目必須大于2048。對(duì)本發(fā)明的這個(gè)具體執(zhí)行實(shí)例而言，將使用0.15的滾降因子、0.05的因子和2600個(gè)樣本。
為對(duì)正在發(fā)送的信號(hào)執(zhí)行本發(fā)明的過程(一旦選定了窗)，使用了類似于圖6中所示的框圖。在該圖中，將要發(fā)送的信號(hào)輸入模塊(2)中的各個(gè)OFDM信號(hào)載波，其中，模塊(2)調(diào)節(jié)合適載波的功率，以創(chuàng)建必要的頻率空隙。將主要調(diào)節(jié)位于頻譜空隙中的載波連同它們的相鄰載波。所選升余弦窗中的副瓣的滾降越大，則必須受到影響來實(shí)現(xiàn)頻譜空隙的相鄰載波的數(shù)目便越少。然后，該執(zhí)行實(shí)例中的模塊(3)以復(fù)數(shù)方式執(zhí)行快速傅立葉逆變換(IFFT)(通常用于實(shí)施具有OFDM調(diào)制的離散傅立葉逆變換(IDFT))。在此之后，模塊(4)插入由模塊(5)生成的循環(huán)前綴，且模塊(6)將時(shí)域中的該數(shù)字信號(hào)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(gè)載波的OFDM和具有大量點(diǎn)的IFFT。在該執(zhí)行實(shí)例中，使用了復(fù)數(shù)的1024點(diǎn)IFFT。
最后，在發(fā)送之前(盡管這個(gè)模塊未出現(xiàn)在圖6中)，將通過DAC轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。
為實(shí)現(xiàn)突變的頻譜空隙，衰減或消除位于頻譜空隙中的各頻率位置上的載波是不夠的。這是因?yàn)?，由于相鄰載波的副瓣的原因，還存在功率剩余，在很大程度上，由于到達(dá)頻譜空隙所在的頻譜區(qū)域的OFDM信號(hào)的轉(zhuǎn)變(transition)現(xiàn)象，生成了這些副瓣。為避免這一點(diǎn)，有必要調(diào)節(jié)功率，或者，同時(shí)消除與位于頻譜空隙末端位置的載波相鄰的一定數(shù)量的載波。通過圖6中的模塊(2)進(jìn)行了這一過程。取決于由模塊(7)生成的升余弦窗的形狀，功率必須得到調(diào)整的相鄰載波的數(shù)目可以更大或更小，因此，這兩個(gè)模塊是相互關(guān)聯(lián)的。
在圖7中可看到具有在該執(zhí)行實(shí)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(shù)目為2600)的兩個(gè)升余弦窗的形狀。在這種情況下，如果需要實(shí)現(xiàn)30dB深的頻譜空隙，則在升余弦窗滾降因子為0.15的情況下使用本發(fā)明的過程時(shí)，必須調(diào)節(jié)4個(gè)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(diào)節(jié)總共7個(gè)相鄰載波的功率。
權(quán)利要求
1.一種在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)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(fù)用(OFDM)發(fā)送信號(hào)，其中，通信節(jié)點(diǎn)具有發(fā)射機(jī)、用于添加循環(huán)前綴的裝置和用于對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行頻域至?xí)r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(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)OFDM信號(hào)載波的功率；-將用來將頻域信號(hào)變換成時(shí)域信號(hào)的離散傅立葉逆變換(IDFT)用于若干個(gè)點(diǎn)，如果所述IDFT是復(fù)數(shù)的，則所述若干個(gè)點(diǎn)至少為1024個(gè)點(diǎn)，且如果所述IDFT是實(shí)數(shù)的，則所述若干個(gè)點(diǎn)至少為2048個(gè)點(diǎn)；-添加循環(huán)前綴，并且，然后在時(shí)域中將所述OFDM符號(hào)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(shí)不干擾其他使用相同頻帶的得到許可的業(yè)務(wù)；符合發(fā)送所述信號(hào)所需的功率譜密度；以及這些效果的組合。
2.如權(quán)利要求1所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)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余弦窗。
3.如權(quán)利要求2所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，所述升余弦窗具有的最大滾降因子為0.2。
4.如權(quán)利要求1所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)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(gè)樣本，且所述樣本是所述發(fā)射機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之前的數(shù)字樣本。
5.如權(quán)利要求1所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，功率得到調(diào)節(jié)的所述載波的數(shù)目取決于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(chǎn)生了頻譜空隙，并調(diào)節(jié)了位于該頻譜空隙內(nèi)的載波的功率以及與這些載波相鄰的載波的功率，其中，用于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(nèi)的載波相鄰的那些載波的功率便越低。
6.如權(quán)利要求1所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)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(duì)所述載波的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使所述功率譜密度小于在所述頻譜空隙中發(fā)送的信號(hào)所需的功率譜密度(PSD)，其中，所述波瓣是所述頻譜空隙內(nèi)的載波中發(fā)送的信號(hào)的主瓣，或者，如果所述載波是相鄰的，則該波瓣是所發(fā)送信號(hào)的副瓣。
7.如權(quán)利要求1所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的過程中獲得頻譜空隙的方法，其中，通過消除載波來調(diào)節(jié)所述載波的功率，這種消除涉及不發(fā)送待調(diào)節(jié)載波中的任何功率、消除位于所述頻譜空隙內(nèi)的載波和足夠數(shù)量的相鄰載波，以實(shí)現(xiàn)功率譜密度(PSD)小于在所述頻譜空隙中發(fā)送的信號(hào)所需的功率譜密度。
8.如權(quán)利要求6和7中的任一項(xiàng)所述的在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)所述載波的調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在通過電網(wǎng)傳輸信號(hào)的過程中獲得頻譜空隙的方法。本發(fā)明的方法允許通過具有合適的功率譜密度的電網(wǎng)來傳輸信號(hào)，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(diào)整到符合現(xiàn)有規(guī)范。本發(fā)明的特征在于調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)OFDM信號(hào)載波的功率，以生成前述的空隙；使用至少1024點(diǎn)的IDFT(如果IDFT是復(fù)數(shù)的)或至少2048點(diǎn)的IDFT(如果IDFT是實(shí)數(shù)的)；以及使用與符號(hào)(將隨時(shí)間流逝而被發(fā)送)相乘的窗。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101015134SQ200580027492
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者J·V·布拉斯科克拉雷特, J·C·里維羅因素阿, S·伊蘭佐莫利尼羅, L·M·托雷斯康頓, J·阿巴德莫利納 申請(qǐng)人:硅系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司