CN107070502B - 一种基于pisa的电力线系统脉冲抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法，属于电信技术领域，本发明包括：在传统的电力线脉冲抑制迭代算法中，引入了(convolutional encoder)CE以及(Viterbi Decoder)VD来提高噪声估计性能，从而减少接受信号端获取到错误信号，进而降低系统的误码率，同时在脉冲噪声估计模块参入了最优阈值的获取计算，经过多次最佳门限消隐迭代计算得到满足条件要求的信号，经过研究表明，本发明专利提出的方法改善了系统信噪比，并且降低了误码率，对于电力线信道中存在的脉冲噪声引起的信号衰减的影响得到了较好抑制作用，对电力线信道的技术研究有了更进一步的推进作用。

Description

一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法

技术领域

本发明涉及电信技术领域，具体涉及一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制策略

背景技术

OFDM是多载波传输的一种特殊情况，单个的数据流在许多较低速率的子载波中进行传输。OFDM不仅是一种调制技术，同时它也是一种复用技术。使用OFDM技术最重要的一个原因就是，它能够增加抗频率选择性衰落和窄带干扰的稳定性。在单个载波系统中，单个的衰落或者干扰，都会造成整个链路的失效(但是在多载波系统中，只有少数的子载波会受到影响，纠错码可以用来纠正那些少数的错误的子载波，使用并行数据传输和频分复用技术的概念在1960年代中期提出，一些更早的研究可以追溯到1950年代。

正交这个词揭示了OFDM系统中各个载波之间精确的数学关系。在一般的频分复用系统(OFDM)中，许多载波都以一定的间隔隔开，这样就可以使用传统的滤波器和解调器接收信号。在接收器中，不同的载波之间使用保护带宽，可是在频域中，这会导致频谱利用率的下降。所以，我们可以排列OFDM信号中的载波，让各个载波的旁带相互重叠，而且这些信号被接收时会没有相邻的载波的干扰，要想做到这一点，载波必须是正交的。

影响电力线传输的最主要的因素是衰减、多径衰落和噪声。在电力线中总共发现有5种类型的噪声：窄带噪声、彩色背景噪声、与主频异步的周期性脉冲噪声、与主频同步的周期性脉冲噪声、异步脉冲噪声。

电力线信道中存在的脉冲噪声是引起信号衰减的主要因素，而消除脉冲噪声最常用的方法是通过在OFDM接收器之前采用限幅或者消隐的非线性处理器来进行处理。

发明内容

本发明是对传统的CISA迭代抑制算法进行改善，在迭代算法中引入了CE卷积编码器和VD译码器，并且在脉冲噪声估计模块中，利用最优阈值消隐技术来消除脉冲噪声对电力线载波通信系统的影响。

一.电力线信道模型：

(一)OFDM系统

正交频分复用技术是一种多载波传输技术，它能够很好地抑制电力线信道中的多径衰落和频率选择性衰落。在正交频分复用技术中，一行高速的数据流被分成多个并行的低速的数据流，这些数据流通过离散傅里叶逆变换携带在复用的正交子载波上。正交频分复用较长的符号周期使得信号的多径传播造成的符号间干扰所产生的影响降低到最小。离散时间的正交频分复用信号的数学表达式如式：

式子(1)中：N是子载波的总数，S_k是一个正交调幅的符号序列。为了消除信道间干扰和符号干扰，正交频分复用采用循环前缀加在OFDM信号的最前面。

(二)电力线信道模型

为了在电力线信道中成功传输数据，实际和实用的电力线信道传输数据的模型是必不可少的。本发明提出ZD(Zimmermanm和Dostert)模型的运用，此信道模型更加适合描述电力线信道传输的具有实际意义的信道模型，这种模型基于真实的电力线网络的实际测量数据提出。它由信道传输的功能函数所给出，见式子(2)。

式子(2)中：M_w是多径的总数，C_k和y_k分别是权重因素和k^th路的长度，与频率相关的衰减是由参数b₀、b₁、u来模拟。在该模型中，第一个指数代表在电力线信道中的衰减，而第二个指数用传输速度vw来描述回声情形，4径模型的衰减参数包含在使用的实际测量数据中。采用该模型来仿真和研究消隐，减轻在实际的电力线系统中的脉冲噪声。

(三)脉冲噪声

要用一种确定的数学模型来描述电力线噪声是很困难的，为了更好的测试PISA算法的一直效果，首先利用加性高斯白噪声的模型模拟背景噪声，利用一个以一定概率出现噪声的柏松过程乘以一个高斯过程，来得到脉冲信号。因为脉冲噪声是随机出现的，在整个传输信号上，脉冲噪声就会以一定的概率出现，分为轻度、中度、重度3种情况(由于脉冲噪声的幅值符合高斯噪声的特点，再将脉冲噪声与加性高斯白噪声相加，得到信道的噪声模型。在噪声中，主要分两大类，背景噪声与脉冲噪声。为了分析它们在基于OFDM的低压电力线系统的影响，背景噪声(w_k)用均值为0，方差为

的加性高斯白噪声来表示，脉冲噪声(b_k)由式(3)给出：

b_k＝c_k d_k (3)

式(3)中：c_k是根据柏松过程生存的脉冲噪声，d_k是均值为0，方差为

的白噪声过程。该白噪声的过程代表脉冲噪声的幅度，这就意味着脉冲噪声的到来服从一个速率为每秒u个单元的柏松分布。这样1秒内脉冲噪声i次到达的概率是：

另一方面，脉冲噪声的幅度还服从均值为0，方差为

的高斯分布，脉冲幅度也被认为是高斯的。

在本发明中采用了泊松-高斯分布模型来对脉冲噪声建模，这个泊松-高斯模型，在物理上可以被看作每一个传输的符号都被一个有着概率为c_k、随机高斯幅度为d_k的脉冲所干扰。

二.电力线脉冲噪声抑制

对于脉冲噪声的消除方法，本发明在泊松-高斯分布噪声模型的基础上，对传统的CSIA迭代抑制算法进一步改进：

在传统的电力线脉冲抑制迭代算法中，引入了(convolutional encoder)CE以及(Viterbi Decoder)来提高噪声估计性能，从而减少接受信号端获取到错误信号，进而降低系统的误码率。

本发明的基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法，包括如下步骤：

1)对信号r^(l)进行OFDM解调器处理获取处理过后的R^(l)，其中l表示当前的迭代次数，初次运行时l＝0，第一运行时的信号r^(l)(利用OFDM调制器调制成时域信号后经过电力线信道得到)即为原始接收信号r⁽⁰⁾，紧接着经过Viterbi译码器处理得到S^(l)，利用卷积编码器获取得到

数据再进行OFDM调制获得

利用公式

得到

利用

估计脉冲的振幅，当

大于阈值OT的时候，可将

估计为脉冲噪声，反之，则将

赋值为0，避免下次迭代过程中将有效信号进行消隐处理，其公式如下：

其中l表示当前的迭代次数，经过脉冲噪声估计处理得到

此时根据

得到新信号的r^(l+1)，

2)以新得到的信号r^(l+1)替代r^(l)，重复步骤1)的迭代步骤,直至某一次迭代过程中Viterbi译码器的输出信号

等于前一次迭代Viterbi译码器的输出信号

此时迭代终止，l_out表示迭代满足条件时的迭代次数，最后得到的输出信号即为

且

所述的步骤1)最优阈值的获取方法具体为：

根据接受得到的信号r^(l)，获取它的峰值、中位值以及均值，从而通过峰值以及均值差获取得到INE,

INE＝max(r^(l)(dB))-mean(r^(l)(dB))；

从中位值以及均值来计算得到α值，

α＝median(r^(l)(dB))-mean(r^(l)(dB))

根据α值计算β值，β＝γ-α；其中的γ为设定的参数值，其范围是5.1±0.1，通过计算INE和β的比值来获取最佳阈值OT，OT＝INE/β。

优选的，所述的迭代过程设有最大迭代次数，当迭代达到最大迭代次数时，迭代即终止，输出信号即Viterbi译码器所输出的

l_max表示最大迭代次数。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

本发明着重分析了电力线的信道的特性，对电力线信道中的脉冲进行了重点研究，相对于现有技术的迭代算法而言，本发明提出的脉冲抑制算法(PISA)使用了CE卷积编码器和Viterbi译码器，有效提高了OFDM系统在电力线信道中的性能，提高了信噪比的同时还降低误码率。由于实际过程中，信号的信噪比是在不断变化着，因此在本专利的脉冲估计模块中，充分利用接受到的信号的分布特征以及基于脉冲估计的非线性消隐技术，来克服现有技术中固定阈值消隐并不十分精确的问题，更加准确的对脉冲进行了抑制，进一步降低了OFDM系统的误码率。

附图说明

图1是本发明基于PISA的电力线系统脉冲抑制策略流程图；

图2是本发明与最佳阈值计算流程图；

图3是轻度噪声下的系统误码率性能对比；

图4是中度噪声下的系统误码率性能对比；

图5是重度噪声下的系统误码率性能对比。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步描述本发明。

本发明所述的是一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制策略，提出了在传统的电力线脉冲抑制迭代算法中，引入了(convolutional encoder)CE以及(Viterbi Decoder)VD来提高噪声估计性能，从而减少接受信号端获取到错误信号，进而降低系统的误码率，同时在脉冲噪声估计模块参入了最优阈值的获取计算，经过多次最佳门限消隐迭代计算得到满足条件要求的信号。

一电力线信道模型：

(一)OFDM系统

正交频分复用技术是一种多载波传输技术，它能够很好地抑制电力线信道中的多径衰落和频率选择性衰落。在正交频分复用技术中，一行高速的数据流被分成多个并行的低速的数据流，这些数据流通过离散傅里叶逆变换携带在复用的正交子载波上。正交频分复用较长的符号周期使得信号的多径传播造成的符号间干扰所产生的影响降低到最小。离散时间的正交频分复用信号的数学表达式如式：

式子(1)中：N是子载波的总数，S_k是一个正交调幅的符号序列。为了消除信道间干扰和符号干扰，正交频分复用采用循环前缀加在OFDM信号的最前面。

(二)电力线信道模型

为了在电力线信道中成功传输数据，实际和实用的电力线信道传输数据的模型是必不可少的。本发明提出ZD(Zimmermanm和Dostert)模型的运用，此信道模型更加适合描述电力线信道传输的具有实际意义的信道模型，这种模型基于真实的电力线网络的实际测量数据提出。它由信道传输的功能函数所给出，见式子(2)。

式子(2)中：M_w是多径的总数，C_k和y_k分别是权重因素和k^th路的长度，与频率相关的衰减是由参数b₀、b₁、u来模拟。在该模型中，第一个指数代表在电力线信道中的衰减，而第二个指数用传输速度vw来描述回声情形，4径模型的衰减参数包含在使用的实际测量数据中。采用该模型来仿真和研究消隐，减轻在实际的电力线系统中的脉冲噪声。

(三)脉冲噪声

要用一种确定的数学模型来描述电力线噪声是很困难的，为了更好的测试PISA算法的一直效果，首先利用加性高斯白噪声的模型模拟背景噪声，利用一个以一定概率出现噪声的柏松过程乘以一个高斯过程，来得到脉冲信号。因为脉冲噪声是随机出现的，在整个传输信号上，脉冲噪声就会以一定的概率出现，分为轻度、中度、重度3种情况(由于脉冲噪声的幅值符合高斯噪声的特点，再将脉冲噪声与加性高斯白噪声相加，得到信道的噪声模型。在噪声中，主要分两大类，背景噪声与脉冲噪声。为了分析它们在基于OFDM的低压电力线系统的影响，背景噪声(w_k)用均值为0，方差为

的加性高斯白噪声来表示，脉冲噪声(b_k)由式(3)给出：

b_k＝c_k d_k (3)

式(3)中：c_k是根据柏松过程生存的脉冲噪声，d_k是均值为0，方差为

的白噪声过程。该白噪声的过程代表脉冲噪声的幅度，这就意味着脉冲噪声的到来服从一个速率为每秒u个单元的柏松分布。这样1秒内脉冲噪声i次到达的概率是：

另一方面，脉冲噪声的幅度还服从均值为0，方差为

的高斯分布，脉冲幅度也被认为是高斯的。

在本发明中采用了泊松-高斯分布模型来对脉冲噪声建模，这个泊松-高斯模型，在物理上可以被看作每一个传输的符号都被一个有着概率为c_k、随机高斯幅度为d_k的脉冲所干扰。

二电力线脉冲噪声抑制

对于脉冲噪声的消除方法，本发明在泊松-高斯分布噪声模型的基础上，对传统的CSIA迭代抑制算法进一步改进：

在传统的电力线脉冲抑制迭代算法中，引入了(convolutional encoder)CE以及(Viterbi Decoder)来提高噪声估计性能，从而减少接受信号端获取到错误信号，进而降低系统的误码率。

本发明的基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法，包括如下步骤：

1)对信号r^(l)进行OFDM解调器处理获取处理过后的R^(l)，其中l表示当前的迭代次数，初次运行时l＝0，第一运行时的信号r^(l)(OFDM调制器调制成时域信号后经过电力线信道得到)即为原始接收信号r⁽⁰⁾，紧接着经过Viterbi译码器处理得到S^(l)，利用卷积编码器获取得到

数据再进行OFDM调制获得

利用公式

得到

利用

估计脉冲的振幅，当

大于阈值OT的时候，可将

估计为脉冲噪声，反之，则将

赋值为0，避免下次迭代过程中将有效信号进行消隐处理，其公式如下：

其中l表示当前的迭代次数，经过脉冲噪声估计处理得到

此时根据

得到新信号的r^(l+1)，

2)以新得到的信号r^(l+1)替代r^(l)，重复步骤1)的迭代步骤,直至某一次迭代过程中Viterbi译码器的输出信号

等于前一次迭代Viterbi译码器的输出信号

此时迭代终止，l_out表示迭代满足条件时的迭代次数，最后得到的输出信号即为

且

所述的步骤1)最优阈值的获取方法具体为：

根据接受得到的信号r^(l)，获取它的峰值、中位值以及均值，从而通过峰值以及均值差获取得到INE,

INE＝max(r^(l)(dB))-mean(r^(l)(dB))；

从中位值以及均值来计算得到α值，

α＝median(r^(l)(dB))-mean(r^(l)(dB))

根据α值计算β值，β＝γ-α；其中的γ为设定的参数值，其范围是5.1±0.1，通过计算INE和β的比值来获取最佳阈值OT，OT＝INE/β。

优选的，所述的迭代过程设有最大迭代次数，当迭代达到最大迭代次数时，迭代即终止，输出信号即Viterbi译码器所输出的

l_max表示最大迭代次数。

3)为了验证本发明的有效性，将系统分成四个环境下运行：1.信道A中只有高斯白噪声，2.信道B中有高斯白噪声和脉冲噪声，3.加入CISA抑制脉冲迭代算法于信道B中，4.加入PISA抑制脉冲迭代算法于信道B中。试验中我们对这四种信道环境下，采用BPSK调制下，分别在轻度，中度和重度三种噪声下观察OFDM电力线系统的误码率性能的变化，通过实验比较发现，在只有高斯白噪声的信道中，OFDM系统的误码率较明显的低于有脉冲噪声的信道环境下，显而易见，脉冲噪声对于系统的性能有较严重的影响。在三种噪声环境下，本专利提出的一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制策略相对于传统的CISA抑制脉冲迭代算法而言，对系统的误码率有明显的提升，同时在各个噪声环境下，其抑制脉冲噪声的抑制效果是相对来说比较稳定的。仿真结果如下图3-5所示。

Claims (3)

1.一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对信号r^(l)进行OFDM解调器处理获取处理过后的R^(l)，其中l表示当前的迭代次数，初次运行时l＝0，初次运行时的信号r⁽⁰⁾为OFDM调制器调制成时域信号后经过电力线信道得到的原始接收信号；

紧接着经过Viterbi译码器处理得到S^(l)，利用卷积编码器获取得到

数据再进行OFDM调制获得

利用公式

得到

利用

估计脉冲的振幅，当

大于阈值OT的时候，将

估计为脉冲噪声，反之，则将

赋值为0，避免下次迭代过程中将有效信号进行消隐处理，其公式如下：

其中l表示当前的迭代次数，经过脉冲噪声估计处理得到

此时根据

得到新信号r^(l+1)，

2)以新得到的信号r^(l+1)替代r^(l)，重复步骤1)的迭代步骤,直至某一次迭代过程中Viterbi译码器的输出信号

等于前一次迭代Viterbi译码器的输出信号

此时迭代终止，l_out表示迭代满足条件时的迭代次数，最后得到的输出信号即为

且

2.根据权利要求1所述的一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法，其特征在于所述的步骤1)最优阈值的获取方法具体为：

根据接受得到的信号r^(l)，获取它的峰值、中位值以及均值，从而通过峰值以及均值差获取得到INE,

INE＝max(r^(l)(dB))-mean(r^(l)(dB))；

从中位值以及均值来计算得到α值，

α＝median(r^(l)(dB))-mean(r^(l)(dB))

根据α值计算β值，β＝γ-α；其中的γ为设定的参数值，其范围是5.1±0.1，通过计算INE和β的比值来获取最佳阈值OT，OT＝INE/β。

3.根据权利要求1所述的一种基于PISA的电力线系统脉冲抑制方法，其特征在于所述的迭代过程设有最大迭代次数，当迭代达到最大迭代次数时，迭代即终止，输出信号即Viterbi译码器所输出的

l_max表示最大迭代次数。

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