CN107592135A - 一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，在脉冲噪声为主要影响因素的电力线通信环境中，在发送端降低发送信号的PAPR，降低接收端对接收信号限幅的误操作，采用矩估计的方法判断接收信号中脉冲噪声的干扰情况，根据脉冲噪声的干扰程度，采用不同的抑制方法对噪声进行处理，对系统中迭代单元的迭代次数进行控制。本发明使得整个系统能自适应的对脉冲噪声进行抑制，达到系统的最佳性能。

Description

一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法

技术领域

本发明涉及一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法。

背景技术

电力载波通信将现已铺设的电力线路用于数据通信,其最大的优点是成本低，能对现有的无线通信和有线通信提供有力的补充。但是电力线主要用来进行电力传输，在其上存在变化的线路阻抗，频率选择性衰落，各种噪声，尤其是脉冲噪声，使其不适合信号传输。信号消隐和限幅方法是电力线通信中减少脉冲噪声的常用方法，这些方法在脉冲明显的情况下能对噪声进行较好的抑制。但是这些方法的限幅门限不容易获得,其限幅值是一个固定值,无法根据现场噪声情况自适应变化。在时变脉冲出现的情况下，该方法无法根据噪声的变化确定理想的噪声门限。另一种脉冲噪声抑制的方法是在频域对噪声进行补偿得到脉冲噪声，采用迭代的方法对脉冲噪声进行抑制，该方法对弱的脉冲噪声有一定抑制效果，但是对大的干扰信号难以去除，对迭代的次数不能进行控制，在噪声程度很重的环境下很难将噪声的影响去除。

现有技术几种主要方法介绍如下：

(1)在OFDM解调器之前放置消隐器或者限幅器将超过某个门限的信号置零或者限幅，这种方法使用比较简单，实现也比较容易，但这种方法需要预先根据脉冲噪声的特性确定门限。见图3。

(2)在接收端增加一套OFDM调制解调设备，对接收信号进行傅里叶变换之后然后进行判决，随后进行逆的傅里叶变换，将得到的结果与某个门限进行比较，根据比较结果决定是否需要与原信号进行相减操作。改方法增加了一套OFDM调制解调设备，增加了系统的复杂度，推广应用性不强。见图4。

(3)采用压缩感知的方法消除脉冲噪声。该方法利用脉冲噪声具有稀疏性的特点，在接收端利用压缩感知的方法将脉冲噪声重构出来，然后将接收信号与重构的脉冲噪声相减，最终达到抑制脉冲噪声的目的。

现有技术对电力线噪声的抑制方法多种多样，它们都能在特定情况下对电力线噪声进行抑制，但是，各种方法都存在它们自身的缺点。方法(1)最大的缺点是不能灵活的确定非线性处理器的门限，门限都是根据实际经验确定的，对噪声的抑制只有在特定的信噪比条件下才能达到较好的性能。方法(2)在脉冲噪声干扰率很大的情况下噪声抑制效果不理想，迭代的次数是固定的，不能根据噪声情况灵活调整，消耗系统的计算时间。方法(3)需要的计算量非常大，硬件成本高，不适合实时的噪声抑制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，包括以下步骤：

1)接收到含噪信号之后，估计电力信道的各个噪声参数，根据所述噪声参数确定自适应消隐门限，同时确定迭代脉冲噪声抑制模块的迭代次数；如果接收的含噪信号只是被轻量的(本发明中定义脉冲噪声的干扰率在10％以下是轻量噪声，10％～20％的干扰率是中度噪声，达到30％是重度噪声)脉冲噪声干扰，直接跳转到步骤2)进行处理；否则，根据所述自适应消隐门限对含噪信号进行自适应消隐操作；

2)根据所述迭代次数将含噪信号输入到迭代脉冲噪声单元进行处理；

3)查询迭代次数是否到达查表确定的次数，如果迭代次数等于查表迭代次数，则将信号输出，进行后续解调处理，否则，将迭代处理过的信号重新输入迭代脉冲噪声单元的输入端，再一次进行脉冲噪声抑制处理。

本发明中，所述含噪信号包括脉冲噪声和背景噪声。

步骤1)中，噪声参数包括脉冲的干扰率脉冲噪声与背景噪声的功率比估计电力信道的各个噪声参数的公式为：

其中，

表示背景噪声功率。

利用含噪信号的前M个观测值确定a,b,c的值： 其中，|r_k|表示含噪信号的绝对值。

自适应消隐门限T_opt满足以下条件：其中，T是消隐门限的阈值(T的取值范围在0-10之间,最大概率出现在3-5之间.本发明中的方法根据噪声的特征参数自适应的确定消隐门限T)，p是脉冲噪声发生的概率。

自适应消隐门限T_opt的计算公式为：其中 表示背景噪声功率，表示信号功率，表示脉冲噪声功率，μ表示脉冲噪声与背景噪声的功率比。

步骤2)的具体实现过程包括：

1)将含噪信号输入到前置多路选择器，前置多路选择器和后置多路选择器共同拥有一个迭代次数计数器INC，INC初始值设置为0；

2)在频域均衡之后，对含噪信号进行解映射操作，得到不含噪声的信号将含噪信号减去得到包含背景噪声和脉冲噪声的噪声信号

3)通过离散傅里叶变换将转换到时域，在时域重构脉冲噪声，再将得到的脉冲噪声转换到频域，将原含噪信号与此信号相减，得到去噪的接收信号

4)如果INC<AIN，则将反馈到前置多路选择器并且重复迭代操作，否则，将输出到解调模块，迭代过程停止；AIN为查找表中存储的自适应迭代次数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明事先不需要知道脉冲噪声的特征，根据接收的信号估计信道上脉冲噪声各种信息，能够实时的检测信道中噪声的变化情况；根据脉冲噪声动态的变化对噪声抑制的方法进行调整，得到噪声抑制的最优性能；对迭代噪声抑制方法的迭代次数进行优化，能够最大程度减少系统的执行时间，提高系统的效率。

附图说明

图1为OFDM脉冲噪声抑制框图；

图2为本发明脉冲噪声抑制流程图；

图3为在OFDM解调器之前放置消隐器或者限幅器将超过某个门限的信号置零或者限幅；

图4为在接收端增加一套OFDM调制解调设备，对接收信号进行傅里叶变换之后然后进行判决，随后进行逆的傅里叶变换，将得到的结果与某个门限进行比较，根据比较结果决定是否需要与原信号进行相减操作。

具体实施方式

本发明提供的OFDM噪声抑制框图如下图1所示。在发射机端，信息比特经过OFDM模块调制之后输入到PAPR抑制模块进行处理，然后将其送往含有背景噪声和脉冲噪声的电力线信道。在接收端，系统主要由参数估计模块、脉冲噪声抑制判决模块、自适应门限判决模块、自适应消隐模块以及迭代脉冲噪声抑制模块组成。

参数估计模块使用矩估计方法计算信道噪声的脉冲干扰率p、脉冲噪声与背景噪声的方差及其功率比u。自适应门限判决模块根据估计的噪声参数计算自适应消隐门限，脉冲噪声抑制判决模块根据估计的噪声参数使能自适应消隐模块的操作，自适应消隐模块将信号中较重的脉冲噪声去除，迭代脉冲噪声抑制模块处理残留的轻量级脉冲噪声。当接收的信号被脉冲噪声重度或者中度干扰时，使能自适应消隐模块工作，当脉冲噪声为轻量级噪声时，直接将信号输入迭代脉冲噪声抑制模块进行处理。具体的脉冲噪声抑制过程如下图2，

(1)系统接收到含噪信号之后，使用矩估计方法估计电力信道的各个噪声参数。根据噪声参数确定自适应消隐门限，同时确定迭代脉冲噪声抑制模块的迭代次数。

(2)如果接收的信号只是被轻量的脉冲噪声干扰，直接跳转到步骤(3)进行处理；否则，根据计算的自适应门限值将接收信号进行自适应消隐操作。

(3)根据估计的迭代次数将信号输入到迭代脉冲噪声抑制模块进行处理。

(4)查询迭代次数是否到达查表确定的次数，如果迭代次数等于查表迭代次数，则将信号输出，进行后续解调处理，否则，将迭代处理过的信号重新输入迭代脉冲噪声单元的输入端，再一次进行脉冲噪声抑制处理。

由于电力线上的脉冲噪声具有伯努力-高斯噪声的特性，噪声中主要含有脉冲噪声和背景噪声。为了表述方便，将信号功率与背景噪声功率之和表示成即将信号功率、背景噪声功率以及脉冲噪声功率三者之和表示成即其中，表示背景噪声功率，表示信号功率，表示脉冲噪声功率。在接收端使用矩估计方法估计信道的噪声情况。令A，B，C表示接收信号的不同期望值，在接收端对接收信号进行参数估计如下：

B＝E(r_k ²)＝(1-p)σ² ₁+pσ² ₂ (2)

E(·)表示期望操作，令b＝B,代入(1)-(3)式，可以求出上式中噪声的σ₁和σ₂。

上两式必须满足以下条件，

在实际测试中，可以通过测试接收信号的前M个观测值来确定a,b,c的值，

联合以上各式，可以估计得到脉冲的干扰率p，脉冲噪声与背景噪声功率比u。

通过这些参数，很容易得知信号是否被重度脉冲噪声干扰，系统可以选择一种抑制噪声模式对信号进行处理。

现有确定脉冲噪声门限的方法都是基于事先测试确定的，该方法在实际应用中不能获得最佳的噪声门限。本发明根据矩估计方法得到的噪声参数提出一种自适应门限确定方法，其基本的原则是取得消隐正确概率P_bc和错误消隐避免概率P_fa之间的平衡。P_bc表示接收信号受脉冲噪声影响情况下其幅度超过消隐门限的概率，可以表示如下：

P_bc＝P(A_r>T|I)P(I) (12)

I表示脉冲噪声事件的发生，A_r>T表示接收的信号幅度超过消隐门限。用F_Ar(T|I)表示条件累计分布函数，上式可以写成，

P_bc＝[1-F_Ar(T|I)]P(I) (13)

此外，P_fa表示接受信号在没有脉冲噪声干扰情况下低于消隐门限的概率，也可表示为

表示脉冲噪声没有发生，类似的，上式可以表示成以下表达式

在宽带电力线通信中，OFDM调制的子载波足够大，可以认为OFDM接收信号的实部和虚部近似服从高斯分布函数，因此，OFDM信号r_k的幅度服从瑞利分布，在脉冲噪声发生下其条件概率密度函数为

因此可以求得条件分布函数为

综合以上各式，可以得到消隐正确概率P_bc，

同理可以得到错误消隐避免概率P_fa，

为了获得最佳的输出性能，选择的消隐门限满足以下条件，

对上式求导数取极值，可以得到最佳的消隐门限。

其中根据估计的噪声参数，可以很容易计算最佳的脉冲噪声抑制门限。

不管接收信号是否遭受重度脉冲噪声干扰，接收信号都将输入迭代脉冲噪声抑制单元进行处理。在实际处理过程中，迭代次数将会影响系统的性能。在已有的研究中，迭代次数是一个固定值，这种设置方法不适合时变的脉冲噪声，本发明根据噪声的变化情况建立一个查找表，根据噪声情况从查找表中找到一个对应的迭代次数，自适应的控制迭代脉冲抑制单元的迭代次数。迭代次数的控制具体如下，具体符号见图1。

(1)，接收信号输入到迭代脉冲噪声抑制单元的前置多路选择器，信号表示成

在本发明中，假设信道估计是恒定的，同时，前置多路选择器和后置多路选择器共同拥有一个迭代次数计数器(INC)，初始值设置为0。同时，查找表中存储有自适应迭代次数(AIN)，根据脉冲噪声的估计参数，可以从查找表中找到对应的迭代次数。当INC<AIN,前置多路选择器选择接收的信号输入均衡器，后置多路选择器将开关接向反馈回路，INC＝INC+1。如果INC>AIN,前置多路选择器拒绝输入信号。

(2)，在频域均衡之后，接收的信号进行解映射操作，得到不含噪声的信号将接收信号减去可以得到包含背景噪声和脉冲噪声的噪声信号

(3)，通过离散傅里叶变换将转换到时域，在时域重构脉冲噪声，再将得到的脉冲噪声转换到频域，将原接收信号与此信号相减可以得到去噪的接收信号如下，

如果INC<AIN，反馈到前置多路选择器并且重复迭代操作，否则，将输出到解调模块，迭代过程停止。

Claims (9)

1.一种电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)接收到含噪信号之后，估计电力信道的各个噪声参数，根据所述噪声参数确定自适应消隐门限，同时确定迭代脉冲噪声抑制模块的迭代次数；如果接收的含噪信号只是被轻量的脉冲噪声干扰，直接跳转到步骤2)进行处理；否则，根据所述自适应消隐门限对含噪信号进行自适应消隐操作；

2)根据所述迭代次数对含噪信号进行处理；

3)查询迭代次数是否到达查表确定的次数，如果迭代次数等于查表迭代次数，则输出步骤2)处理后得到的信号，进行后续解调处理，否则，返回步骤2)，对迭代处理过的信号再一次进行脉冲噪声抑制处理。

2.根据权利要求1所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，所述含噪信号包括脉冲噪声和背景噪声。

3.根据权利要求2所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，步骤1)中，噪声参数包括脉冲的干扰率脉冲噪声与背景噪声的功率比估计电力信道的各个噪声参数的公式为：

<mrow> <mover> <mi>p</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>a</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

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其中，

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表示背景噪声功率。

4.根据权利要求3所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，利用含噪信号的前M个观测值确定a,b,c的值： 其中，|r_k|表示含噪信号的绝对值。

5.根据权利要求2所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，自适应消隐门限T_opt满足以下条件：其中，T是消隐门限的阈值，p是脉冲噪声发生的概率。

6.根据权利要求5所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，消隐门限T的取值范围为0～10。

7.根据权利要求6所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，消隐门限T的取值范围为3～5。

8.根据权利要求5所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，自适应消隐门限T_opt的计算公式为：其中 表示背景噪声功率，表示信号功率，表示脉冲噪声功率，μ表示脉冲噪声与背景噪声的功率比。

9.根据权利要求1所述的电力线通信自适应脉冲噪声抑制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现过程包括：

1)将含噪信号输入到前置多路选择器，前置多路选择器和后置多路选择器共同拥有一个迭代次数计数器INC，INC初始值设置为0；

2)在频域均衡之后，对含噪信号进行解映射操作，得到不含噪声的信号将含噪信号减去得到包含背景噪声和脉冲噪声的噪声信号

3)通过离散傅里叶变换将转换到时域，在时域重构脉冲噪声，再将得到的脉冲噪声转换到频域，将原含噪信号与此信号相减，得到去噪的接收信号

4)如果INC<AIN，则将反馈到前置多路选择器并且重复迭代操作，否则，将输出到解调模块，迭代过程停止；AIN为查找表中存储的自适应迭代次数。