CN102487299A - 一种电力线载波信道噪声模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波信道噪声模拟方法及装置，该方法包括：从电力线网络中提取出高频段载波信号；将高频段载波信号转换为数字载波信号；接收用户设置的目标噪声特征要求，根据目标噪声特征要求生成噪声数据；将噪声数据叠加到数字载波信号中，获得噪声叠加信号；将噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；将噪声叠加模拟信号耦合回的电力线网络。将电力线载波信道噪声干扰的模拟完全采用数字方式实现，避免了模拟方式调整过程中的噪声和误差引入，并且采用的噪声具有可扩充性，降低了系统造价和故障概率。

Description

一种电力线载波信道噪声模拟方法及装置

技术领域

本发明关于电力线载波通信技术，特别是关于低压电力线载波通信信道噪声模拟技术，具体的讲是一种电力线载波信道噪声模拟方法及装置。

背景技术

电力线载波通信(Power Line Carrier，简称PLC)，是电力系统通信专网特有的一种通信方式，利用低压电力线和室内用户线进行高速数据通信，是近几年国外的研究热点。但是由于电力线原本是设计为用电设备传送电能的，本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。而且电力线信道的通信环境恶劣，存在阻抗匹配性差、噪声干扰不可预测、信号衰减强烈、信道特性时变性高等特点，因此，给电力线载波通信技术的研究带来诸多困难。其中，低压配电网的噪声分布一直被研究人员所关注，其中噪声的分解和模拟技术更是研究的重点。由于电力线噪声信号具有频域宽、脉冲含量丰富等特点，因此对噪声模拟技术提出了很高的要求。

目前，国内外对于低压电力线载波通信信道噪声模拟技术的研究基本处于初期阶段，没有形成统一的信道模拟标准，已有的噪声模拟系统基本可以分为两类：一类方法是利用计算机根据专用噪声模型产生，如背景噪声、窄带噪声等，通过USB总线传送给微控制器，D/A转换后经功率放大电路，将信号耦合到电力线模拟信道中的指定处。另一类方法是利用可以实际产生噪声的负载装置接入电路，如产生与工频同步的高次谐波噪声的可控硅类负载，产生异步脉冲噪声的各种操作开关等，从而直接获取噪声。

总而言之，现有的噪声模拟方案基本是利用分立式仪器或搭建的模拟电路实现对噪声的模拟。利用示波器录制用电现场的噪声信号，然后通过任意波形发生器、功率放大器和噪声注入单元来模拟信道上的噪声影响，通过电力线负载阻抗模拟网络来模拟信道的阻抗特性变化。现有的方法所能模拟的噪声种类很少，操作复杂，设备造价很高，而且难以将所模拟的噪声信号耦合到电力线上，严重影响了噪声模拟效果。

发明内容

本发明实施例提供了一种低压电力线载波通信信道噪声模拟方法及装置，以实现对低压电力线载波通信信道的噪声模拟。

本发明目的之一，提供一种低压电力线载波通信信道噪声模拟方法，该方法包括：从电力线网络的电力信号中提取出高频段载波信号；将高频段载波信号转换为数字载波信号；接收用户设置的目标噪声特征要求，根据目标噪声特征要求生成噪声数据；将噪声数据叠加到数字载波信号中，获得噪声叠加信号；将噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；将噪声叠加模拟信号耦合回的电力线网络。

本发明目的之一，提供一种低压电力线载波通信信道噪声模拟装置，该装置包括：高通滤波器，用于从电力线网络的电力信号中提取出高频段载波信号；AD采集模块，用于将高频段载波信号转换为数字载波信号；噪声生成模块，用于接收用户设置的目标噪声特征要求，根据目标噪声特征要求生成噪声数据；噪声叠加模块，将噪声数据叠加到所述的数字载波信号中，获得噪声叠加信号；DA转换模块，用于将噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；耦合模块，用于将所述的噪声模拟信号耦合回所述的电力线网络。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电力线载波通信信道噪声模拟装置的结构框图；

图2为电力线载波通信信道噪声模拟装置的示意图；

图3为本发明电力线载波通信信道噪声模拟装置实施方式的示意图；

图4为噪声数据库的结构示意图；

图5为电力线载波通信信道噪声模拟方法流程图；

图6为生成噪声数据的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着数字信号处理技术的发展，各类数字信号处理芯片的处理能力和处理速度都得到了巨大的提高，被广泛应用于各种数字信号处理领域。由于数字信号处理技术具有信号处理灵活，频域分析能力强，模型表示准确等模拟信号处理手段无法达到的优点，数字信号处理技术在信号生成和模拟领域具有光明的应用前景。基于这种情况，本发明提供了一种低压电力线载波通信信道噪声模拟方法及装置。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例公开了一种电力线载波通信信道噪声模拟装置的结构框图，该电力线载波通信信道噪声模拟装置10包括：高通滤波器101，AD采集模块102，噪声生成模块103，噪声叠加模块104，DA转换模块105及耦合模块106。通过高通滤波器101将电力线网络中的50Hz的工频电力信号滤除，从而提取出高频段的电力线载波信号，利用AD采集模块102将电力线载波信号由模拟信号转换为数字信号，根据要模拟的目标噪声，噪声生成模块103生成噪声数据，噪声叠加模块104将生成的噪声数据注入到数字信号中，完成与电力线载波电压数据的叠加，生成噪声叠加信号，然后，DA转换模块105将完成噪声耦合的噪声叠加信号转换为模拟信号，最后通过耦合模块106将噪声耦合后获得的模拟信号耦合回电力线网络，获得对电力线载波通信信道的噪声模拟信号。

如图2所示，为本发明的一种电力线载波通信信道噪声模拟装置的示意图，在该实施例中，采用一个噪声处理模块203实现上述的噪声生成模块103和噪声叠加模块104的功能。同时，在图2所示的实施例中电力线载波通信信道噪声模拟装置还包括功率放大器209，用于对DA转换模块输出的模拟信号进行功率放大，以增加传输距离。

如图2所示，其中，AD采集模块202包括：前置模拟放大电路2021和AD转换器2022两部分，其中前置模拟放大电路2021用于对AD采集模块所接收到的模拟信号进行初步的输入主抗匹配、直流电压偏移、信号放大、初步滤波等处理，AD转换器2022负责将经过前置模拟放大电路2021预处理的模拟信号转换为数字信号。数字通信链路207负责AD采集模块和噪声处理模块之间控制指令与数据的传输，数字式的载波信号将通过数字通信链路207由AD采集模块202传输到噪声处理模块203。

噪声处理模块203包括：噪声分量存储单元2031、噪声权重分配单元2032和延时叠加单元2033及噪声注入单元2034。噪声分量存储单元2031用于存储多种构成实际用电现场噪声的基本噪声元素种类，包括标准的窄带噪声、有色背景噪声、脉冲噪声、周期噪声和典型电器的干扰噪声等。每次根据模拟目标噪声的需求，将从基本噪声分量存储单元提取相应的噪声元素种类，并发送到噪声权重分配单元。在噪声权重分配单元2032，根据需要生成的目标噪声特征要求，计算得到目标噪声组成模型，确定所需要的基本噪声元素的权重函数和启始延时量，将基本噪声元素乘以相应的权重函数，然后为每一种基本噪声元素分配相应的起始延时量，最后将不同的噪声元素种类进行叠加，形成最终的目标噪声数据。其中对基本噪声元素的延时和叠加在延时叠加单元2033完成。噪声注入单元2034负责将生成的模拟目标噪声与数字载波信号进行叠加，模拟噪声干扰对载波信号的影响。完成噪声注入的数字信号将通过数字通信链路208传送到DA转换模块进行后继处理。

DA转换模块204包括DA转换器2042和驱动放大电路2041，其中DA转换器2042负责将数字信号转换回模拟信号，驱动放大电路2041负责对DA转换器2042输出的模拟信号进行电压放大、直流电压调整和输出阻抗匹配。

在本实施例中AD采集模块202通过数字链路207连接到噪声处理模块203，噪声处理模块203与DA转换模块204通过数字链路208相连接。

如图3所示，为本发明电力线载波通信信道噪声模拟装置的一种实施方式的示意图，在该实施方式中包括：高通滤波器301、AD数据采集卡302、计算机303、DA数据转换器304、功率放大模块305和耦合模块306。通过高通滤波器将电力线网络中的50Hz的工频电力信号滤除，从而提取出高频段的电力线载波信号，之后利用AD数据采集卡302将模拟信号转换为数字信号并输入到计算机303中进行后继的处理。在计算机303中，用户根据需要生成的目标噪声特征要求，计算得到目标噪声组成模型，确定所需要的基本噪声元素的权重函数和启始延时量，确定该噪声模型对的基本噪声元素的需求，通过与计算机的交互将该噪声特征要求输入计算机303，计算机303根据用户输入的目标噪声特征要求，选择基本噪声元素，并选择与所选择的噪声元素相对应的权重函数和启始延时量，根据用户输入的噪声特征要求，将所选择的不同的噪声元素乘以不同的权重函数，再为每一种噪声元素分配一个不同的起始延时量，从而生成噪声数据。其中，噪声元素及与噪声元素相对应的权重函数及延时量均为预先存储于计算机303中。计算机303然后将生成的噪声数据与电力线载波电压数据进行叠加，完成噪声的耦合过程；随后计算机303将数据发送到DA数据转换卡304，将数据转换为模拟信号，通过功率放大模块305进行功率放大，最后通过耦合模块306耦合回220V电力线网络。在该实施方式中通过计算机303实现噪声处理模块103的功能，即通过计算机303实现对目标噪声的生成及注入。可通过在计算机303中建立噪声模型数据块实现噪声的生成，然后通过噪声注入单元，完成生成的噪声数据与数字载波信号的叠加。

如图4所示，为上述的噪声数据库的结构示意图，包括：噪声分量存储区401、噪声权重分配单元402和延时叠加单元403。噪声分量存储区401用于存储多种构成实际用电现场噪声的基本噪声元素种类的标准噪声分量，其中包括标准的窄带噪声、有色背景噪声、脉冲噪声、周期噪声和典型电器的干扰噪声等。由于采用了模块存储的方式，基本噪声元素可以不断进行扩充。每次根据目标噪声特征要求，从噪声分量存储区中提取相应的基本噪声元素种类，并发送到噪声权重分配单元。在噪声权重分配单元，包括权重函数，根据事先计算好的模拟目标噪声组成模型，将不同的噪声元素乘以不同的权重函数，然后再为每一种噪声元素分配一个不同的起始延时量，最后将不同的噪声元素种类进行叠加，形成最终的模拟噪声数据。其中对噪声元素的延时和叠加在延时叠加单元完成。

噪声数据库依据模拟目标噪声特征要求，将对所存储的多种基本噪声元素进行提取、加权、延时和叠加，以生成目标噪声，所依据的噪声生成函数如下：

$n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i{n}_i(t-{\mathrm{\τ}}_i)$

其中噪声模拟种类为N种，n_i表示第i类噪声，每种噪声的功率权重分别为g_i，每种噪声的起始延时时间为τ_i。根据不同的模拟目标噪声的需要，N、g_i、τ_i将选取不同的数值。

本发明实施方式以电力线信道噪声模型数据库为基础，利用全数字化的信号处理方法，实现对低压电力线载波通信信道的噪声模拟。该电路不但可以有效地模拟各种用电现场和用电电器的真实噪声特性，还可以模拟多种典型噪声和噪声的组合。

本实施例公开的该噪声模拟装置采用当前先进的噪声数据库生成技术、数字信号实时处理技术、数字信号处理芯片，噪声从数据库的提取和噪声模拟过程完全由计算机自动控制，提高模拟效率并可大大降低模拟过程的人为因素影响，保证了模拟结果的准确性。

实施例二

本发明提供了一种电力线载波通信信道噪声模拟方法，如图5所示，该方法包括：

步骤S501，从电力线网络的电力信号中提取出高频段载波信号；

步骤S502，将所述的高频段载波信号转换为数字载波信号；

步骤S503，根据待模拟的目标噪声生成噪声数据，并将所述的噪声数据叠加到所述的数字载波信号中，获得噪声注入后的数字载波信号；

步骤S504，将所述噪声注入后的数字载波信号转换为噪声注入后的模拟载波信号；

步骤S505，将所述的模拟载波信号耦合回所述的电力线网络。

可通过计算机预先存储构成实际用电现场噪声的各种基本噪声元素及噪声生成函数；在进行噪声模拟时，通过计算机选择欲模拟的目标噪声，根据待模拟的目标噪声基本噪声元素中提取相应的噪声元素；根据预先设置的噪声生成函数对提取的噪声元素进行加权、延时和叠加生成噪声数据；将生成的噪声数据叠加到所述的数字载波信号中，获得噪声注入后的数字载波信号。

图6所示为噪声数据生成的基本步骤，用户可通过计算机直接选择欲模拟的噪声，噪声数据库根据目标噪声，选择相应的基本噪声元素，并根据预先存储的噪声数据库模型，对所选择的基本噪声元素进行加权、延时及叠加生成噪声数据，然后将生成的噪声数据注入到载波信号中生成噪声叠加信号，并将该噪声叠加信号转换为模拟信号耦合回电力线网络，实现对电力线网络载波通信信道噪声的模拟。

本发明电力线载波通信信道噪声模拟方法，将低压电力线载波信道的噪声干扰的模拟完全采用数字方式实现，避免了模拟方式调整过程中的噪声和误差引入，并且通过噪声处理装置模拟多种噪声干扰，噪声模拟种类丰富、调整灵活，同时噪声数据具有可扩充性，随时可以将新获得的噪声测量结果添加为新的噪声元素数据，由于A/D、计算机通信接口、D/A芯片的数据处理速度高，实现了对模拟信号的过采样，可以完成对窄带载波通信信道的实时模拟，信道模拟精度高，本发明电力线载波通信信道模拟装置明显降低了系统造价和故障概率，便于批量生产和推广应用。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种电力线载波信道噪声模拟方法，其特征在于，所述的方法包括：

从电力线提取出高频段载波信号；

将所述的高频段载波信号转换为数字载波信号；接收用户设置的目标噪声特征要求，根据所述的目标噪声特征要求和预先存储的噪声生成函数生成噪声数据；将所述的噪声数据叠加到所述的数字载波信号中，获得噪声叠加信号；

将所述的噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；

将所述的噪声叠加模拟信号耦合回所述的电力线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

对所述的噪声叠加模拟信号进行功率放大。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的接收用户设置的目标噪声特征要求，根据所述的目标噪声特征要求和预先存储的噪声生成函数生成噪声数据包括：

接收用户设置的目标噪声特征要求；

根据所述的目标噪声特征要求，从预先存储的构成实际用电现场噪声的各种基本噪声元素中选取相应的噪声元素；

预先存储权重分配函数，根据所选择的基本噪声元素选取相应的权重函数，将所选择的基本噪声元素乘以所选取的权重函数；；

根据所选取的相应的噪声元素分配对所选取的噪声元素分配相应的延时量，并根据所述的噪声生成函数对所选择的噪声元素进行延时和叠加，生成噪声数据。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的噪声生成函数为：

$n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i{n}_i(t-{\mathrm{\τ}}_i)$

其中，N为噪声模拟种类，n_i为第i类噪声，g_i为每种噪声的功率权重，τ_i为每种噪声的起始延时时间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将所述的高频段载波信号转换为数字载波信号包括：

对所述的高频段载波信号进行输入阻抗匹配、电流电压偏移、信号放大及初步滤波处理；

将处理后的高频段载波信号转换为数字载波信号。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将所述噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号包括：

将所述的噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；

对所述的噪声叠加模拟信号信号进行电压放大、直流电压调整及输出阻抗匹配处理。

7.一种电力线载波信道噪声模拟装置，其特征在于，所述的装置包括：

高通滤波器，用于从电力线中提取出高频段载波信号；

AD采集模块，用于将所述的高频段载波信号转换为数字载波信号；

噪声生成模块，用于接收用户设置的目标噪声特征要求，根据所述的目标噪声特征要求和预先存储的噪声生成函数生成噪声数据；

噪声叠加模块，用于将所述的噪声数据叠加到所述的数字载波信号中，获得噪声叠加信号；

DA转换模块，用于将所述噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；

耦合模块，用于将所述的噪声模拟信号耦合回所述的电力线。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括：

功率放大模块，用于对所述的噪声注入后的模拟载波信号进行功率放大。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的噪声生成模块包括：

噪声特征接收单元，用于接收用户设置的目标噪声特征要求；

噪声分量存储单元，根据所述的目标噪声特征要求，从预先存储的构成实际用电现场噪声的各种噪声元素中选取相应的噪声元素；

噪声权重分配单元，用于预先存储权重分配函数，根据所选择的噪声元素选取相应的权重函数，并将所选择的噪声元素乘以对应的权重值；

延时叠加单元，用于根据所选取的相应的噪声元素分配对所选取的噪声元素分配相应的延时量，并根据所述的噪声生成函数对所选择的噪声元素进行延时和叠加，生成噪声数据。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的噪声生成函数为：

$n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i{n}_i(t-{\mathrm{\τ}}_i)$

其中，N为噪声模拟种类，n_i为第i类噪声，g_i为每种噪声的功率权重，τ_i为每种噪声的起始延时时间。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的AD采集模块包括：

前置模拟放大电路，用于对所述的高频段载波信号进行输入阻抗匹配、电流电压偏移、信号放大及初步滤波处理；

AD转化器，用于将处理后的高频段载波信号转换为数字载波信号。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的DA转换模块包括：

DA转换器，用于将所述的噪声叠加信号转换为噪声叠加模拟信号；

驱动放大电路，用于对所述的噪声叠加模拟信号信号进行电压放大、直流电压调整及输出阻抗匹配处理。

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