CN107612865B - 一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，将载波信号降噪问题分解频域处理和时域处理两个阶段，频域处理阶段采用傅里叶分解方法对载波信号进行频域处理，时域处理阶段将码元信号特征引入电力信号时域重构过程，对信号进行二次降噪。本发明以提升电力线信号信噪比为目的，最终实现电力线载波通信信号的降噪处理，与采用小波变换原理的电力线载波信号降噪方法相比，较大的提升了载波信号降噪效果，降低了算法计算量。
Description
技术领域
本发明涉及电力线载波通信领域，更进一步涉及低压电力线载波通信领域，尤其是一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法。
背景技术
低压电力线载波通信作为用电信息采集系统中使用最广泛的本地通信方式，以其广覆盖、易安装等优点，成为解决“最后一公里”问题的有力竞争方案。然而，与传统通信介质相比，低压电力线载波通信技术以共享电力线作为通信介质，通信介质的开放性和共享性决定了其通信过程易受用电网络环境影响。如何在接收机处选择适合的噪声处理方案，对提升载波通信性能具有重要意义。
现有的通信技术中，多采用小波包变换的方法实现载波信号的降噪处理。小波包变换方法源于傅立叶分析，小波可沿时间轴前后平移，并按比例伸展和压缩以获取低频和高频小波，从而提取出已含噪声信号中的有用信号。然而采用这种方法得到的载波信号降噪效果有限，并且计算量大，滤波时间长。
综上所述，如何提升电力线载波信号降噪效果并降低算法计算难度成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，可实现了电力线载波通信信号在不同信道条件下的降噪。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：将载波信号降噪问题分解频域处理和时域处理两个阶段，频域处理阶段采用傅里叶分解方法对载波信号进行频域处理，时域处理阶段将码元信号特征引入电力信号时域重构过程，对信号进行二次降噪。
而且，所述频域处理阶段的步骤为：
⑴设电力线载波接收模块处采样到电力线上混有噪声的载波信号x(t)，采用傅里叶分解将采样信号转化为频域形式X(ω)，选取选取幅值最大的频率f0作为载波频率；
⑵选取幅值最大的频率f0作为载波频率中心点，并将带宽为W的载波频率范围作为载波频率；
⑶将X(ω)中其他频率分量置零，新生成的频域信号表示为X'(ω)；
⑷对经处理后的频域信号X'(ω)进行反傅里叶变换，还原为时域信号，为信号在时域处理做准备。
而且，所述步骤⑶中
而且，所述步骤⑷中反傅里叶变换公式为：
而且，所述时域处理阶段的步骤为：
⑴为在时域上对载波信号和噪声的低频小幅值分量进行分离，选取码元幅值Vsignal的μ倍作为判断赋值判断依据，其中0<μ<1，μ值的选取需根据载波环境设定，载波信道条件越好μ值越接近于1；
⑵为滤出混合信号中因脉冲信号在载波频段的分量，同时保证信号经频域降噪后码元位置的不变性，对码元位置进行校验；设码元持续时间为TS，码元长度计数器Couti表示第i 个码元信号的采样时间长度；
⑶载波信号幅值补偿：为消减背景噪声对载波信号幅值的影响，对经过码元长度验证的信号进行幅值补偿。
而且，其中载波信号x’(t)的表达式为：
而且，若采样信号同一幅值持续时间Ti大于码元宽度Ts，则选取以Ti为中点宽度为Ts 的信号作为载波信号；若Ti<Ts，则令采样时间内x’(t)为零，表达式为：
其中，Ti＝Couti*T’，码元时间通过码元计数器Couti表示，Couti记录了在采样时刻内幅值不等于0的正弦周期波的个数。
而且，载波信号幅值补偿的表达式为：
其中α、β分别为幅值整形系数。
本发明的优点和积极效果是：
本发明以提升电力线信号信噪比为目的，将载波通信信号降噪问题分解为频域降噪与时域降噪两个步骤，频域处理阶段采用傅里叶分解方法对载波信号进行频域处理，时域处理阶段将码元信号特征引入电力信号时域重构过程，完成对信号进行二次降噪，最终实现电力线载波通信信号的降噪处理，与采用小波变换原理的电力线载波信号降噪方法相比，较大的提升了载波信号降噪效果，降低了算法计算量。
附图说明
图1为本发明算法具体流程图；
图2为本发明的混合信号频谱图；
图3为信道条件恶劣时的降噪效果；
图4为信道条件良好时的降噪效果。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
图1为本发明一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法流程示意图。本方法将载波信号降噪问题分解为频域降噪与时域降噪两个步骤：根据信道噪声特点采用傅里叶分解方法，对载波信号进行频域处理，提取载波信号频率分量；将码元信号特征引入电力信号时域重构过程，从时域对信号进行二次降噪，最终实现电力线载波通信信号降噪处理，各阶段具体描述如下：
信号频域处理阶段：
步骤1：载波频率估计：设电力线载波通信采样信号为x(t)，采用傅里叶分解将采样信号转化为X(ω)，选取幅值最大的频率f0作为载波频率；
步骤2：频率分量分离提取：保留X(ω)中以f0为中心频点、带宽为W的载波频率范围内的频率分量，其他频率分量置零；
图2所示为以421kHZ为载波频率的电力线混合信号的频谱图；
步骤3：信号频域-时域恢复：对X'(ω)此信号进行反傅里叶变换，还原为时域信号，为信号在时域的处理做准备。
需要说明的是，在本实施例中，W的取值范围与载波接受机构的性能有关的参数。
载波时域降噪阶段：
步骤4：幅值判定：为在时域上对载波信号和噪声的低频小幅值分量进行分离，选取码元幅值Vsignal的μ倍作为判断赋值判断依据，其中0<μ<1，μ值的选取需根据载波环境设定，载波信道条件越好μ值越接近于1；x’(t)的表达式为：
步骤5：码元位置校核：为滤出混合信号中因脉冲信号在载波频段的分量，同时保证信号经频域降噪后码元位置的不变性，对码元位置进行校验。设码元持续时间为TS，码元长度计数器Couti表示第i个码元信号的采样时间长度。
若采样信号同一幅值持续时间Ti大于码元宽度Ts，则选取以Ti为中点宽度为Ts的信号作为载波信号。反之，若Ti<Ts，则令采样时间内x’(t)为零；
其中，Ti＝Couti*T’
需要说明的是，在本实施例中，码元时间通过码元计数器Couti表示，Couti记录了在采样时刻内幅值不等于0的正弦周期波的个数；
步骤6：载波信号幅值补偿：为消减背景噪声对载波信号幅值的影响，对经过码元长度验证的信号进行幅值补偿，表示为：
其中α、β分别为幅值整形系数，与信道环境有关。
参见图3及图4，分别为采用本方法在恶劣信道条件下与良好信道条件下的降噪效果，并且，图中分别示出了与小波降噪效果进行了对比。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (7)
1.一种应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：将载波信号降噪问题分解频域处理和时域处理两个阶段，频域处理阶段采用傅里叶分解方法对载波信号进行频域处理，时域处理阶段将码元信号特征引入电力信号时域重构过程，对信号进行二次降噪；
时域处理阶段的步骤为：
⑴为在时域上对载波信号和噪声的低频小幅值分量进行分离，选取码元幅值Vsignal的μ倍作为判断赋值判断依据，其中0<μ<1，μ值的选取需根据载波环境设定，载波信道条件越好μ值越接近于1；
⑵为滤出混合信号中脉冲信号在载波频段的分量，同时保证信号经频域降噪后码元位置的不变性，对码元位置进行校验；设码元持续时间为TS，码元长度计数器Couti表示第i个码元信号的采样时间长度；
⑶载波信号幅值补偿：为消减背景噪声对载波信号幅值的影响，对经过码元长度验证的信号进行幅值补偿。
2.根据权利要求1所述的应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：所述频域处理阶段的步骤为：
⑴设电力线载波接收模块处采样到电力线上混有噪声的载波信号x(t)，采用傅里叶分解将采样信号转化为频域形式X(ω)，选取选取幅值最大的频率f0作为载波频率；
⑵选取幅值最大的频率f0作为载波频率中心点，并将带宽为W的载波频率范围作为载波频率；
⑶将X(ω)中其他频率分量置零，新生成的频域信号表示为X'(ω)；
⑷对经处理后的频域信号X'(ω)进行反傅里叶变换，还原为时域信号，为信号在时域处理做准备。
3.根据权利要求2所述的应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：所述频域处理阶段的步骤⑶中
4.根据权利要求2所述的应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：所述频域处理阶段的步骤⑷中反傅里叶变换公式为：
5.根据权利要求1所述的应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：其中载波信号x’(t)的表达式为：
6.根据权利要求1所述的应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：若采样信号同一幅值持续时间Ti大于码元宽度Ts，则选取以Ti为中点宽度为Ts的信号作为载波信号；若Ti<Ts，则令采样时间内x’(t)为零，表达式为：
其中，Ti＝Couti*T’，码元时间通过码元计数器Couti表示，Counti记录了在采样时刻内幅值不等于0的正弦周期波的个数。
7.根据权利要求1所述的应用于低压电力线载波通信的信号降噪方法，其特征在于：载波信号幅值补偿的表达式为：
其中α、β分别为幅值整形系数。
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