CN108880621A - 一种电力线通信信号自适应滤波方法 - Google Patents

一种电力线通信信号自适应滤波方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电力线通信信号自适应滤波方法，能够有效滤除电力线通信信号中的脉冲噪声。所述方法包括：采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵；根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵；构建测量矩阵；确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度；将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列。本发明涉及通信领域。

Description

一种电力线通信信号自适应滤波方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是指一种电力线通信信号自适应滤波方法。
背景技术
电力线通信(Power Line Communications，PLC)，相比各种有线通信技术，有着无需重新布线、易于组网等优点，具有广阔的应用前景。电力线通信技术分为窄带电力线通信(Narrowband over power line，NPL)和宽带电力线通信(Broadband over power line，BPL)。窄带电力线通信是指带宽限定在3k～500kHz的电力线载波通信技术。包括欧洲CENELEC的规定带宽(3～148.5kHz)，美国联邦通讯委员会(FCC)的规定带宽(9～490kHz)，日本无线工业及商贸联合会(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)的规定带宽(9～450kHz)，和中国的规定带宽(3～500kHz)。窄带电力线通信技术多采用单载波调制技术，如PSK技术，DSSS技术和线性调频Chirp等技术，通信速率小于1Mbits/s。宽带电力线通信技术指带宽限定在1.6～30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信技术，采用以正交频分复用(OFDM)为核心的多种扩频通信技术。
虽然电力线通信系统有着广泛的应用，且技术相对成熟，但是电力线通信系统中大量的分支和电气设备，会在电力线信道中产生大量的噪声。而其中随机脉冲噪声具有很大的随机性，噪声强度高，对电力线通信系统造成严重破坏。
随着非线性电器的应用和普及(例如，使用马达的果汁机、咖啡机和豆浆机等)，PLC信号中出现了越来越多的脉冲噪声，此类噪声的瞬时功率很大，呈现出较为明显的非平稳性和非高斯特性，现有技术中使用的低通滤波器在滤除脉冲噪声方面表现不佳，严重影响了PLC系统的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电力线通信信号自适应滤波方法，以解决现有技术所存在的低通滤波器无法有效滤除电力线通信信号中的脉冲噪声的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电力线通信信号自适应滤波方法，包括：
采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵；
根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵；
构建测量矩阵；
确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度；
将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列。
进一步地，所述采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵包括：
采集电力线通信信号序列pori＝[P1,P2,…,PN]，其中，N为电力线通信信号序列的长度；
按照电力线通信信号序列的先后次序，将电力线通信信号序列分为NR段，每段含有NC个数据，其中，符号表示上取整；
如果N<NR×NC，则将最后一段不足的部分补零；
将分段后的数据重新排列为矩阵的形式，一段数据为一行，得到信号矩阵
进一步地，所述根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵包括：
将信号矩阵转换为二维信号；
确定二维信号的信号变换算子；
将信号变换算子转换为矩阵形式，得到变换算子矩阵。
进一步地，转换后得到的二维信号为：
nr＝1,2,…,NR
nc＝1,2,…,NC
其中，表示二维信号，表示信号矩阵的第nr行、第nc列元素。
进一步地，信号变换算子表示为：
其中，表示信号变换算子，表示参量；为域中的权重函数，自变量为为域中的权重函数，自变量为上标i表示虚数单位。
进一步地，变换算子矩阵表示为：
其中，D表示变换算子矩阵；公式表示变换算子矩阵D中，第nr行、第nc列的元素是D为NR×NC维矩阵。
进一步地，构建的测量矩阵的形式为：
其中，R表示测量矩阵；I为单位矩阵；0为零矩阵。
进一步地，所述确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度包括：
通过信号矩阵迭代公式迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度N时终止迭代，得到滤除了噪声的信号矩阵其中，信号矩阵迭代公式表示为：
σk＝σmax+(k-1)Δσ
其中，α表示滤波权重；表示第k次迭代得到的信号矩阵；表示第k-1次迭代得到的信号矩阵；表示阈值算子；表示对矩阵中的所有元素进行阈值运算；xij表示矩阵的第i行、第j列元素；σmax表示中所有元素绝对值的最大值；σmin表示中所有元素绝对值的最小值；σmed表示中所有元素绝对值的中间值。
进一步地，所述将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列包括：
将得到的矩阵Prec的第一行数据作为第一段，第二行数据作为第二段，以此类推，最后一行数据作为最后一段，将这些段按照顺序连接起来，并截取前面的N个数据组成一数据序列，此数据序列就是滤除了噪声的电力线通信信号序列。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵；根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵；构建测量矩阵；确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度；将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列，从而有效地、快速滤除电力线通信信号中的脉冲噪声。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电力线通信信号滤波方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的电力线通信信号滤波方法的详细流程示意图；
图3为本发明实施例提供的数据分段和矩阵排列示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的低通滤波器无法有效滤除电力线通信信号中的脉冲噪声的问题，提供一种电力线通信信号自适应滤波方法。
如图1所示，本发明实施例提供的电力线通信信号自适应滤波方法
S101，采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵；
S102，根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵；
S103，构建测量矩阵；
S104，确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度；
S105，将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列。
本发明实施例所述的电力线通信信号自适应滤波方法，采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵；根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵；构建测量矩阵；确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度；将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列，从而有效地、快速滤除电力线通信信号中的脉冲噪声。
为了更好地理解本发明实施例所述的电力线通信信号自适应滤波方法，对其进行详细说明，如图2所示，所述电力线通信信号自适应滤波方法具体可以包括以下步骤：
A1，采集电力线通信信号序列
采集电力线通信信号序列pori＝[P1,P2,…,PN]，其中，N为电力线通信信号序列的长度。
A2，将电力线通信信号序列pori＝[P1,P2,…,PN]进行分段并将分段后的数据重新排列为一信号矩阵P，数据分段和矩阵排列如图3所示。
A21，按照电力线通信信号序列的先后次序，将电力线通信信号序列分为NR段，每段含有NC个数据，其中，符号表示上取整，例如， 这样做的目的是所有的数据都参与运算，不舍弃数据。
一般情况下，NR＝256或512或1024，在实际应用中，NR的取值由实际应用场景确定。
A22，如果N<NR×NC，则将最后一段不足的部分补零。
A23，将分段后的数据重新排列为矩阵的形式，一段数据为一行，故此信号矩阵P共有NR行、NC列，信号矩阵P可表示为
A3，将信号矩阵转换为二维信号
nr＝1,2,…,NR
nc＝1,2,…,NC
其中，表示二维信号，表示信号矩阵的第nr行、第nc列元素。
A4，确定二维信号的信号变换算子
信号变换算子表示为：
其中，表示参量；为域中的权重函数，自变量为一般情况下可以选择高斯函数；为域中的权重函数，自变量为上标i表示虚数单位。
A5，构建变换算子矩阵D
将信号变换算子转换为矩阵形式：
其中，表示变换算子矩阵D中，第nr行、第nc列的元素是因此，矩阵D为NR×NC维矩阵。
A6，构建测量矩阵R
测量矩阵R的一般形式可以表示为：
其中，I为单位矩阵，表示信噪比小于等于预设的信噪比阈值的段；0为零矩阵，表示信噪比大于预设的信噪比阈值的段。
本实施例中，测量矩阵的取值是由信号矩阵确定的，假设，信号矩阵中第2行第3列的数据信号的信噪比小于等于预设的信噪比阈值，则测量矩阵中第2行第3列元素为0，否则为1。
A7，迭代运算
假设当前进行第k次迭代，在k次中得到的信号矩阵为在上一次(即第k-1次)所得到的信号矩阵为k＝1,2,…,N，并令矩阵
A71，确定信号矩阵
确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，更新信号矩阵Pk为：
σk＝σmax+(k-1)Δσ
其中，α表示滤波权重，α∈[0,1]；表示阈值算子，用于对括号内的数据进行阈值运算；表示对矩阵(其中，乘积是一个矩阵)中的所有元素进行阈值运算，阈值运算是对矩阵中的元素一个一个进行的；xij表示矩阵的第i行、第j列元素；σmax表示中所有元素绝对值的最大值；σmin表示中所有元素绝对值的最小值；σmed表示中所有元素绝对值的中间值。
A72，判断当前迭代次数是否等于电力线通信信号序列的长度N，如果k＝N，则迭代终止，得到滤除了噪声的PLC信号矩阵进入步骤A8；否则，k＝k+1返回步骤A71继续迭代。
A8，重新排列数据，将得到的滤除了噪声的PLC信号矩阵Prec转换为电力线通信信号序列，得到滤除了噪声的电力线通信信号序列
将得到的矩阵Prec的第一行数据作为第一段，第二行数据作为第二段，以此类推，最后一行数据作为最后一段，将这些段按照顺序连接起来，并截取前面的N个数据组成一数据序列，此数据序列就是滤除了噪声(尤其是脉冲噪声)的电力线通信信号序列，即为所求。
本发明实施例所述的电力线通信信号自适应滤波方法，能够有效滤除电力线通信信号中的脉冲噪声，滤除噪声之后，电力线通信信号的信噪比可以提高7dB左右，且由于本发明实施例所述的电力线通信信号自适应滤波方法采用迭代方式，计算简单快速。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，包括：
采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵；
根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵；
构建测量矩阵；
确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度；
将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列。
2.根据权利要求1所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，所述采集电力线通信信号序列，将其转换为信号矩阵包括：
采集电力线通信信号序列pori＝[P1,P2,…,PN]，其中，N为电力线通信信号序列的长度；
按照电力线通信信号序列的先后次序，将电力线通信信号序列分为NR段，每段含有NC个数据，其中，符号表示上取整；
如果N<NR×NC，则将最后一段不足的部分补零；
将分段后的数据重新排列为矩阵的形式，一段数据为一行，得到信号矩阵
3.根据权利要求2所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，所述根据转换得到的信号矩阵，构建变换算子矩阵包括：
将信号矩阵转换为二维信号；
确定二维信号的信号变换算子；
将信号变换算子转换为矩阵形式，得到变换算子矩阵。
4.根据权利要求3所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，转换后得到的二维信号为：
nr＝1,2,…,NR
nc＝1,2,…,NC
其中，表示二维信号，表示信号矩阵的第nr行、第nc列元素。
5.根据权利要求4所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，信号变换算子表示为：
其中，表示信号变换算子，表示参量；为域中的权重函数，自变量为 为域中的权重函数，自变量为上标i表示虚数单位。
6.根据权利要求5所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，变换算子矩阵表示为：
其中，D表示变换算子矩阵；公式表示变换算子矩阵D中，第nr行、第nc列的元素是D为NR×NC维矩阵。
7.根据权利要求6所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，构建的测量矩阵的形式为：
其中，R表示测量矩阵；I为单位矩阵；0为零矩阵。
8.根据权利要求7所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，所述确定滤波权重，根据得到的变换算子矩阵、滤波权重和构建的测量矩阵，迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度包括：
通过信号矩阵迭代公式迭代更新信号矩阵，直至当前迭代次数等于电力线通信信号序列的长度N时终止迭代，得到滤除了噪声的信号矩阵其中，信号矩阵迭代公式表示为：
σk＝σmax+(k-1)Δσ
其中，α表示滤波权重；表示第k次迭代得到的信号矩阵；表示第k-1次迭代得到的信号矩阵；表示阈值算子；表示对矩阵中的所有元素进行阈值运算；xij表示矩阵的第i行、第j列元素；σmax表示中所有元素绝对值的最大值；σmin表示中所有元素绝对值的最小值；σmed表示中所有元素绝对值的中间值。
9.根据权利要求8所述的电力线通信信号自适应滤波方法，其特征在于，所述将当前得到的信号矩阵进行转换，生成滤除了噪声的电力线通信信号序列包括：
将得到的矩阵Prec的第一行数据作为第一段，第二行数据作为第二段，以此类推，最后一行数据作为最后一段，将这些段按照顺序连接起来，并截取前面的N个数据组成一数据序列，此数据序列就是滤除了噪声的电力线通信信号序列。
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