CN108649999B - Ofdm电力线通信系统窄带干扰的检测装置和检测方法 - Google Patents

Ofdm电力线通信系统窄带干扰的检测装置和检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置和检测方法，该检测装置包括：耦合变压器；模拟带通滤波器；模拟前端；数字滤波器；窄带带阻滤波器，与所述数字滤波器相连；数据缓存控制器，与所述数字滤波器和窄带带阻滤波器均相连接，将所述数字滤波器输出的信号进行格式转换并存储；存储器；处理器，与所述存储器相连，用于FFT运算和窄带干扰分析；和人机接口，与所述处理器耦合，用于命令交互和窄带干扰结果显示。本发明的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置和检测方法，可解决OFDM电力线载波通信系统定时同步上与同步不上两种情况下的窄带干扰检测，并提高检测精度。

Description

OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置和检测方法
技术领域
本发明是关于载波通信领域，特别是关于一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置和检测方法。
背景技术
电力线通信是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。电力线最初是为输送电能设计的，并不是一种理想的通信信道。在电力线信道中存在严重的多径衰落、脉冲噪声、背景噪声及窄带干扰。为了在电力线上实现可靠高速的数据传输，目前主流的电力线载波通信协议都采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分复用)技术，结合较长的循环前缀、较强的信道交织、分集拷贝及信道编码技术可有效地对抗多径衰落、脉冲噪声与背景噪声。但对于电力线中普遍存在的窄带干扰，协议本身并没有提供很好的机制。
窄带干扰通常是指在某个相对带宽较小的频率范围内，在一定时间内持续或基本持续存在的强烈干扰。在OFDM通信系统中，如果窄带干扰频点恰好出现在子载波的位置，对应子载波的数据会被严重损伤，导致系统比特错误率上升；如果窄带干扰频点位于两个子载波之间，将增加FFT频谱泄露，导致两个子载波数据皆受到窄带干扰的影响。如果窄带干扰频点多、强度大，如不及时检测与抑制，直接影响定时的精确度与信道估计的准确度，严重时将导致接收机同步不上，无法进行后续的解调与解码操作。
现有的电力线窄带干扰检测技术通常是基于OFDM各子载波的信道频域响应或信噪比来动态检测的，考虑到电力线中可能存在多个窄带干扰且其频点和子载波频点一般不相同，这种技术精度不够，会损伤有用信号，适用于超宽带OFDM电力线载波通信系统，在窄带OFDM系统与普通的宽带OFDM系统(如带宽小于15MHz、子载波数较少的系统)中效果欠佳。实际上，电力线中较强的窄带干扰通常是由本地接收机附近的其他窄带电力线通信、调幅广播、业余无线电等较低频率信号引起的，具有随时间变化不大，非敌意的特征，是一种静态或准静态的窄带干扰，故在窄带干扰检测时可以采用定时扫频或在线分析方式，正确检测到窄带干扰后，配置相应IIR(Infinite Impulse Response，无限脉冲响应)陷波器实时滤除，这种实现方式成本低、抑制效果好。
现有的窄带干扰检测的装置或方法主要有几种，一种是利用频谱仪扫频，在电力线载波通信系统部署时，利用高性能的频谱仪通过耦合器对电力线进行反复扫频，确定窄带干扰的中心频点、强度及带宽等信息后，通过更新电力线载波通信系统中相应参数来设置IIR陷波器后进行窄带干扰的去除，这种方法精度高，但通常频谱仪体积与重量都较大，移动作业成本高，且窄带干扰发生变化时需重新扫频，费时费力，不便于在线分析。另一种常用方法或装置是利用OFDM电力线载波通信系统中或芯片接收机中的FFT模块，对同步后的接收信号进行时频变换后对子载波功率进行比较，若最高功率明显高于平均功率，则认为是窄带干扰，这种方法存在两个限制，一个是接收机的定时同步须能正确获取，另一个是受硬件FFT(Fast Fourier Transformation,快速傅里叶变换)点数及位宽的限制，窄带干扰的精度通常不能高于子载波的间隔。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其能够有效地进行窄带干扰检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，包括：耦合变压器，用于从低压电力线上耦合出载波信号；模拟带通滤波器，与所述耦合变压器相连，用于滤除掉所述载波信号中的带外信号；模拟前端，与所述模拟带通滤波器相连接，用于信号的增益放大或减小，该模拟前端设有模数转换器以将载波信号进行模数转换；数字滤波器，与所述模拟前端相连接，用于对转换后的数字信号进行进一步过滤；窄带带阻滤波器，与所述数字滤波器耦合；数据缓存控制器，与所述数字滤波器和窄带带阻滤波器均耦合，将所述数字滤波器输出的信号进行格式转换；存储器，与所述数据缓存控制器相连，用于将所述数据缓存控制器进行格式转换后的数据进行存储；处理器，与所述存储器相连接，用于FFT运算和窄带干扰分析；和人机接口，与所述处理器耦合，用于命令交互和窄带干扰结果显示。
在一优选的实施方式当中，OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置还包括：增益控制器，耦接在所述模拟前端和所述数字滤波器之间，该增益控制器基于接收的信号功率，对所述模拟前端的信号增益进行控制。
在一优选的实施方式当中，OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置还包括：定时同步器，其与所述数据缓存控制器耦合，用于确定信号帧中同步序列的起始位置。
在一优选的实施方式当中，所述数字滤波器能够根据实际信号带宽，设置成数字带通滤波器或数字低通滤波器。
在一优选的实施方式当中，述增益控制器能够设为自动增益模式或手动增益模式。
在一优选的实施方式当中，所述人机接口包括GPIO、串口、键盘和触摸屏。
在一优选的实施方式当中，所述窄带带阻滤波器为一个二阶格型级联的IIR陷波器组，该IIR陷波器组的有效个数、中心频点、带宽能够通过所述处理器进行配置
在一优选的实施方式当中，该检测装置能独立于所述OFDM电力线通信系统或整合在所述OFDM电力线通信系统的芯片内。
本发明的另一方面提供了一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其包括以下步骤：从低压电力线上耦合出载波信号；滤除掉所述载波信号中的带外信号；将所述载波信号进行增益控制和模数转换；通过数字滤波器或定时同步器来提供载波信号的有效数据；以及通过处理器对有效数据进行FFT运算和窄带干扰分析。
在一优选的实施方式当中，在OFDM电力线通信系统定时能够同步上的情况下，将增益控制设为自动模式，利用定时同步来确定信号帧中同步序列的起始位置，将定时同步后的数据作为所述有效数据。
在一优选的实施方式当中，在OFDM电力线通信系统定时同步不上，无法确定信号帧中同步序列的起始位置的情况下，利用所述数字滤波器来提供有效数据。
在一优选的实施方式当中，在OFDM电力线通信系统定时同步不上，无法确定帧的起始位置的情况下，利用所述数字滤波器来提供有效数据包括：计算采样点数据平均功率，同时对峰值采样点进行计数；若采样点幅度大于第一阈值，则认为此采样点为峰值点；若峰值个数大于第二阈值，则认为数据无效，然后对信号增益减小2dB，重新进行数据捕获；若增益值已经到达了最小值，则上报给处理器；否则，判断平均功率和信号增益值，若平均功率大于目标功率或信号增益值已经达到最大值，则认为数据有效；和若平均功率小于目标功率，则计算目标功率与平均功率的差值，取功率差值和2dB中的较大值，模拟增益增加所述较大值，重新进行数据捕获来计算数据平均功率并对峰值采样点进行计数。
在一优选的实施方式当中，对有效数据进行FFT运算和窄带干扰分析包括；选择FFT的点数，并将频域分辨率设置为Δf/2,其中Δf为子载波的间隔；对多个FFT输出相加求均值，并对窄带带阻滤波器的带内有效子载波功率计算均值Pavg和标准差Pstd；根据所述均值与标准差，确定窄带干扰的判决阈值:NBIthrd＝Pavg+α*Pstd，α为Pstd的分段线性函数；和根据判决阈值搜索窄带干扰的峰值起始点，从而确定窄带干扰的中心频点、带宽及个数。
在一优选的实施方式当中，在窄带干扰的个数大于0的情况下，设置FFT频域分辨率为Δf/4，再进行FFT运算和窄带干扰分析。
在一优选的实施方式当中，所述第一阈值为波幅满幅度的95％，所述第二阈值为总采样点数的20％。
与现有技术相比，根据本发明的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，可作为一个独立的电力线便携式窄带干扰检测仪，也可整合到电力线载波通信芯片或系统中作为窄带干扰在线分析仪。该检测装置在载波通信接收机同步能正确获取时，使用同步后的帧控制和有效载荷数据来进行窄带干扰检测；在窄带干扰多、强度足够大，同步不能正确获取时，手动调整接收增益，多次不同精度的扫频方式来获得窄带干扰的信息。本方案采用软件方式实现FFT变换，FFT点数及蝶形运算过程中间变量与FFT输出位宽都不受硬件电路限制，都可以做到很高，从而使得窄带干扰检测与抑制达到很高精度。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置包括：耦合变压器11，用于从低压电力线上耦合出载波信号；模拟带通滤波器12，与耦合变压器11相连接，用于滤除掉载波信号中的带外信号；模拟前端13，与模拟带通滤波器12相连，用于信号的增益放大或减小，该模拟前端13设有模数转换器以将载波信号进行模数转换；数字滤波器15，与模拟前端14相连接，用于对转换后的数字信号进行进一步过滤；定时同步器17，用于确定信号帧的同步序列相关波峰的起始位置；数据缓存控制器18，与数字滤波器15和定时同步器17均耦合，将数字滤波器输出的信号进行格式转换；存储器19，与数据缓存控制器18相连接，用于将数据缓存控制器18进行格式转换后的数据进行存储；处理器20，与存储器19相连，用于FFT运算和窄带干扰分析；和人机接口21，与处理器耦合，用于命令交互和窄带干扰结果显示。
在一优选的实施方式中，检测装置还包括增益控制器14，耦接在模拟前端13和数字滤波器15之间，该增益控制器基于接收的信号功率，对模拟前端的信号增益进行控制。此外，该增益控制器14能够设为自动增益模式或手动增益模式。
在一优选的实施方式中，检测装置还包括窄带带阻滤波器16，与数据缓存控制器18耦合。该窄带带阻滤波器为一个级联的IIR陷波器组，该IIR陷波器组的有效个数、中心频点、带宽能够通过处理器20进行配置。
在一优选的实施方式中，数字滤波器15够根据实际信号带宽，设置成数字带通滤波器或数字低通滤波器。
在一优选的实施方式中，数据缓存控制器18选择性地与数字滤波器15或窄带带阻滤波器16进行通信。
在一优选的实施方式中，人机接口21包括GPIO、串口、键盘和触摸屏。
在一优选的实施方式中，该检测装置能独立于OFDM电力线通信系统或整合在OFDM电力线通信系统的芯片内。
下面对根据本发明优选实施方式的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置的操作方式进行介绍。
根据本发明的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置的窄带干扰检测分三种情况，分别是扫频模式、同步模式和巡检模式。
扫频模式针对于窄带干扰较大，系统定时同步不上，无法确定帧的起始位置的情况，因此采用盲检方法。过程如下：
1)增益控制：设置增益控制器14为手动模式，设置模拟增益为半量程值，关掉数字增益，等待增益控制稳定。
2)数据捕获：设置数据缓存控制器18的输入为数字低通带通滤波器的输出，设置数据采样点数，然后让数据缓存控制器18工作，进行数据捕获，捕获完成时自动停止，向处理器20发中断。
3)数据评审:处理器计算数据平均功率并对峰值采样点进行计数。首先，若采样点幅度大于第一阈值，则认为此采样点为峰值点；若峰值个数大于第二阈值，则认为数据无效，然后对信号增益减小2dB，重新进行数据捕获。若增益值已经到达了最小值，则上报给处理器；否则，判断平均功率和信号增益值，若平均功率大于目标功率或信号增益值已经达到最大值，则认为数据有效。接着，若平均功率小于目标功率，则计算目标功率与平均功率的差值，取功率差值和2dB中的较大值，模拟增益增加所述较大值，重新进行数据捕获来计算数据平均功率并对峰值采样点进行计数。
在一实施方式中，所述第一阈值为波幅满幅度的95％，所述第二阈值为总采样点数的20％。
4)数据分析：处理器20基于有效数据采用滑动窗的方式进行FFT分析，FFT分析前先对原始数据进行加窗处理以限制频谱泄露，频域分辨率为Δf/2,并对多个FFT输出相加求均值，然后对窄带带阻滤波器16带内有效子载波功率求均值(P_avg)和标准差(P_std)，根据P_avg与P_std，确定窄带干扰的判决阈值(P_avg+α*P_std，α取值取决于P_std)，然后根据判决阈值搜索窄带干扰的峰值起始点，从而确定窄带干扰的中心频点、带宽及个数。若窄带干扰的个数大于0，则设置FFT频域分辨率为Δf/4，重复以上过程，获得更为精确的窄带干扰的个数、中心频点及带宽值，然后根据上述信息计算窄带带阻滤波器16的系数，若多个窄带干扰紧密相邻，认为是一个具有较大宽度的窄带干扰，可用一个IIR陷波器进行抑制，否则一个窄带干扰频率设置一个IIR陷波器，设置IIR陷波器后，尝试进行正常的定时同步。若窄带干扰的个数为0，重复以上1-4过程多次，若还未找到，则通知上层，没有找到窄带干扰。
对于同步模式而言，若系统能定时同步上，则增益控制器14设为自动模式，数据缓存控制器18输入为定时同步后的有效数据，直接进行数据分析，分析方法同上。
对于巡检模式，目的是确定窄带干扰是否发生了变化(增加或减少)。在能定时同步上的情况下，增益控制器14设为自动模式，数据缓存控制器18的输入为数字低通带通滤波器15或窄带带阻滤波器16的输出，直接进行数据分析，分析方法同上，若分析到窄带干扰有变化，则更新IIR陷波器的设置。
综上所述，根据本发明的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，支持扫频模式、同步模式与巡检模式，可解决OFDM电力线载波通信系统定时同步上与同步不上两种情况下的窄带干扰检测，同时支持窄带干扰慢速变化时的检测。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (13)

1.一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，包括：
耦合变压器，用于从低压电力线上耦合出载波信号；
模拟带通滤波器，与所述耦合变压器相连，用于滤除掉所述载波信号中的带外信号；
模拟前端，与所述模拟带通滤波器相连接，用于信号的增益放大或减小，该模拟前端设有模数转换器以将载波信号进行模数转换；
数字滤波器，与所述模拟前端相连接，用于对转换后的数字信号进行进一步过滤；
窄带带阻滤波器，与所述数字滤波器相连接；
数据缓存控制器，与所述数字滤波器和窄带带阻滤波器均相连，将所述数字滤波器输出的信号进行格式转换；
存储器，与所述数据缓存控制器相连，用于将所述数据缓存控制器进行格式转换后的数据进行存储；
处理器，与所述存储器相连，用于对有效数据进行FFT运算和窄带干扰分析；和
人机接口，与所述处理器相连，用于命令交互和窄带干扰结果显示；
还包括：定时同步器，其与所述数据缓存控制器相连，用于确定信号帧中同步序列的起始位置，
在OFDM电力线通信系统定时同步不上，无法确定信号帧中同步序列的起始位置的情况下，利用所述数字滤波器来提供有效数据。
2.如权利要求1所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，还包括：
增益控制器，连接在所述模拟前端和所述数字滤波器之间，该增益控制器基于接收的信号功率，对所述模拟前端的信号增益进行控制。
3.如权利要求1所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，所述数字滤波器能够根据实际信号带宽，设置成数字带通滤波器或数字低通滤波器。
4.如权利要求2所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，所述增益控制器能够设为自动增益模式或手动增益模式。
5.如权利要求1所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，所述人机接口包括GPIO、串口、键盘和触摸屏。
6.如权利要求1所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，所述窄带带阻滤波器为一个级联的二阶格型IIR陷波器组，该IIR陷波器组的有效个数、中心频点、带宽能够通过所述处理器进行配置。
7.如权利要求1至6中任一项所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置，其特征在于，该检测装置能独立于所述OFDM电力线通信系统或整合在所述OFDM电力线通信系统的芯片内。
8.一种OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
从低压电力线上耦合出载波信号；
滤除掉所述载波信号中的带外信号；
将所述载波信号进行增益控制和模数转换；
通过数字滤波器或定时同步器来提供载波信号的有效数据，所述定时同步器用于确定信号帧中同步序列的起始位置；
通过处理器对有效数据进行FFT运算和窄带干扰分析；
在OFDM电力线通信系统定时同步不上，无法确定信号帧中同步序列的起始位置的情况下，利用所述数字滤波器来提供有效数据。
9.如权利要求8所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其特征在于，在OFDM电力线通信系统定时能够同步上的情况下，将增益控制设为自动模式，利用定时同步来确定信号帧中同步序列的起始位置，将定时同步后的数据作为所述有效数据。
10.如权利要求8所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其特征在于，在OFDM电力线通信系统定时同步不上，无法确定帧的起始位置的情况下，利用所述数字滤波器来提供有效数据包括：
计算采样点数据平均功率，同时对峰值采样点进行计数；若采样点幅度大于第一阈值，则认为此采样点为峰值点；
若峰值个数大于第二阈值，则认为数据无效，然后对信号增益减小2dB，重新进行数据捕获；若增益值已经到达了最小值，则上报给处理器；否则，判断平均功率和信号增益值，若平均功率大于目标功率或信号增益值已经达到最大值，则认为数据有效；和
若平均功率小于目标功率，则计算目标功率与平均功率的差值，取功率差值和2dB中的较大值，模拟增益增加所述较大值，重新进行数据捕获来计算数据平均功率并对峰值采样点进行计数。
11.如权利要求10所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其特征在于，所述第一阈值为波幅满幅度的95％，所述第二阈值为总采样点数的20％。
12.如权利要求8所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其特征在于，对有效数据进行FFT运算和窄带干扰分析包括；
选择FFT的点数，并将频域分辨率设置为Δf/2,其中Δf为子载波的间隔；
对多个FFT输出相加求均值，并对窄带带阻滤波器的带内有效子载波功率计算均值Pavg和标准差Pstd；
根据所述均值与标准差，确定窄带干扰的判决阈值:NBIthrd＝Pavg+*Pstd，α为Pstd的分段线性函数；和
根据判决阈值搜索窄带干扰的峰值起始点，从而确定窄带干扰的中心频点、带宽及个数。
13.如权利要求12所述的OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测方法，其特征在于，在窄带干扰的个数大于0的情况下，设置FFT频域分辨率为Δf/4，再进行FFT运算和窄带干扰分析。
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