CN109117807A - 一种plc通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统。所述滤波方法包括：获取PLC通信信号序列；根据PLC通信信号序列确定PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度；对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列；确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner‑Ville分布；根据所述伪Wigner‑Ville分布确定PLC通信信号恢复序列；根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号；根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度；根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。采用本发明所提供的滤波方法及系统能够增强对PLC通信信号序列中的非平稳非高斯噪声的滤波效果。

Description

一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统。
背景技术
电力线通信，相比各种有线通信技术，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；电力线通信技术包括欧洲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，因此，针对随机脉冲噪声的抑制技术，一直是国内外学者研究的重点；而且噪声模型并不符合高斯分布。因此，传统的针对高斯噪声设计的通信系统不再适用于电力线载波通信系统，必须研究相应的噪声抑制技术，以提高电力线通信系统信噪比，降低误码率，保证电力线通信系统质量。在实际应用中，一些简单的非线性技术经常被应用于消除电力线信道噪声，如Clipping、Blanking和Clipping/Blanking技术，但是这些研究方法都必须在一定的信噪比情况下才能良好工作，仅仅考虑了冲击噪声的消除，在电力线通信系统中，某些商用电力线发送器的特征是低发射功率，在一些特殊情况，发射功率甚至可能会低于18w，因此，在某些特殊情况，信号将会淹没在大量噪声中，导致电力线通信系统低信噪比情况。
随着非线性电器的应用和普及，中低压输配电网络中背景噪声呈现出较为明显的非平稳性和非高斯特性，常用的低通滤波器在非平稳和非高斯噪声环境中难以达到理想的滤波效果，很难滤除非平稳非高斯噪声，严重影响了可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)通信系统的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统，以解决中低压输配电网络中背景噪声难以滤除的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法，包括：
获取PLC通信信号序列；
根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度；
对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列；
确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；
根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列；
根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号；
根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度；
根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。
可选的，所述根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度，具体包括：
根据所述PLC通信信号序列确定主频；
获取采样频率；
根据所述主频以及所述采样频率计算时间窗口基础长度；
根据所述时间窗口基础长度确定所述PLC通信信号序列的伪Wigner-Ville分布计算时所使用的不同时间窗口长度。
可选的，所述对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列，具体包括：
根据公式构建解析序列；其中，z(n)为构建第n点的解析值；μ为调制系数，1＜μ≤2；i为虚数单位，y(j)为PLC通信信号序列y中的第j个信号。
可选的，所述确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布，具体包括：
根据公式确定所述解析序列在所述当前层时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；其中，PWz l(n,f)为第l个时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；hl(m)为第l个时间窗口长度下的时间窗函数；z*(n-m)为z(n-m)的共轭，由于z(n-m)为实数，z*(n-m)＝z(n-m)，z(n+m)为所述解析序列的第n+m个元素的值，e-i4πfm＝cos(4πfm)-isin(4πfm)，i为虚数单位，n为序号，为正整数；m为求和项中的参数，为整数；f为频率。
可选的，所述根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列，具体包括：
根据公式确定PLC通信信号恢复序列；其中，为PLC通信信号恢复序列。
可选的，所述根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围，具体包括：
根据公式Dl(n)＝[Ll(n),Ul(n)]确定纯PLC通信信号的分布范围；其中，Ll(n)为Dl(n)的下界；Ul(n)为Dl(n)的上界； 为的均方差；y(n)为PLC通信信号序列；σv为PLC通信信号序列中噪声的均方差；median(|y(n)-y(n-1)|,n＝2,…,N)为PLC通信信号序列|y(n)-y(n-1)|的中值，|A|为的最大幅度。
一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波系统，包括：
PLC通信信号序列获取模块，用于获取PLC通信信号序列；
时间窗口长度确定模块，用于根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度；
解析序列构建模块，用于对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列；
伪Wigner-Ville分布确定模块，用于确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；
PLC通信信号恢复序列确定模块，用于根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列；
分布范围确定模块，用于根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号；
最佳时间窗口长度确定模块，用于根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度；
滤波模块，用于根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。
可选的，所述时间窗口长度确定模块具体包括：
主频确定单元，用于根据所述PLC通信信号序列确定主频；
采样频率获取单元，用于获取采样频率；
时间窗口基础长度计算单元，用于根据所述主频以及所述采样频率计算时间窗口基础长度；
时间窗口长度确定单元，用于根据所述时间窗口基础长度确定所述PLC通信信号序列的伪Wigner-Ville分布计算时所需的不同时间窗口长度。
可选的，所述解析序列构建模块具体包括：
解析序列构建单元，用于根据公式构建解析序列；其中，z(n)为构建第n点的解析值；μ为调制系数，1＜μ≤2；i为虚数单位，y(j)为PLC通信信号序列y中的第j个信号。
可选的，所述伪Wigner-Ville分布确定模块具体包括：
伪Wigner-Ville分布确定单元，用于根据公式确定所述解析序列在所述当前层时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；其中，其中，PWz l(n,f)为第l个时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；hl(m)为第l个时间窗口长度下的时间窗函数；z*(n-m)为z(n-m)的共轭，由于z(n-m)为实数，z*(n-m)＝z(n-m)，z(n+m)为所述解析序列的第n+m个元素的值，e-i4πfm＝cos(4πfm)-isin(4πfm)，i为虚数单位，n为序号，为正整数；m为求和项中的参数，为整数；f为频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统，实际应用在PLC通信系统的信号滤波器，利用伪Wigner-Ville时频分布克服信号的非平稳性，因此，对于PLC通信信号序列中的非平稳非高斯噪声具有较强的滤波效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法流程图；
图2为本发明所提供的自适应时频域滤波算法流程图；
图3为本发明所提供的关于窗口的示意图；
图4为本发明所提供的PLC通信信号自适应时频峰值滤波系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统，能够增强对PLC通信信号序列中的非平稳非高斯噪声的滤波效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法流程图，如图1所示，一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法，包括：
步骤101：获取PLC通信信号序列。
图2为本发明所提供的自适应时频域滤波算法流程图，如图2所示，输入PLC通信信号序列y(1),y(2),…,y(N)，N为信号序列的长度。
步骤102：根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度。
计算输入序列的功率谱，并根据功率谱求出主频fd；计算时间窗口的基础长度WL：其中fs为采样频率；求取时间窗口的不同长度lenl:lenl＝(l-1)WL,l＝1,2,…,200，200个长度用于伪Wigner-Ville时频分布时用到的参数。
步骤103：对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列。
对功率数据逐点进行处理，假设当前处理的数据点序号为n，构建第n点的解析值z(n)：其中，μ为调制系数，1＜μ≤2，可根据实际情况任意取值，没有本质的影响。
步骤104：确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布。
计算解析序列z(n)在不同时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布其中，hl(m)为第l个时间窗函数，其窗口长度为lenl；时间窗口类型一般为矩形窗或者汉明窗，无本质影响，可根据实际情况选择。
步骤105：根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列。
根据公式确定PLC通信信号恢复序列；其中，为PLC通信信号恢复序列。
步骤106：根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号。
根据公式Dl(n)＝[Ll(n),Ul(n)]确定纯PLC通信信号的分布范围；其中，Ll(n)为Dl(n)的下界；Ul(n)为Dl(n)的上界； 为的均方差；y(n)为PLC通信信号序列；σv为PLC通信信号序列中噪声的均方差；median(|y(n)-y(n-1)|,n＝2,…,N)为PLC通信信号序列|y(n)-y(n-1)|的中值，|A|为的最大幅度。
步骤107：根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度。
选取最佳的时间窗口长度lOPT:
对于同一个时间序号n不同的窗口长度hl(n)有不同的分布范围Dl(n)，存在窗口序号l1,l2,…,lK满足：
(1)l1＜l2＜…＜lK；
(2)Dm(n)∩Dm+1(n)＝Φ：m＝{l1,l2,…,lK}，Φ表示空集。图3为本发明所提供的关于窗口的示意图，如图3所示，条件(2)表示相邻序号的时间窗口，所对应的分布范围Dm(n)和Dm+1(n)没有重复的部分。
这两个条件表示：相邻的两个窗口长度，所对应的分布范围没有重叠的部分。
最佳的时间窗口长度lOPT：在这K个窗口长度中，选择最大值lOPT＝max[lenm(n),m＝l1,l2,…,lK]。
步骤108：根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。
图4为本发明所提供的PLC通信信号自适应时频峰值滤波系统结构图，如图4所示，一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波系统，包括：
PLC通信信号序列获取模块401，用于获取PLC通信信号序列。
时间窗口长度确定模块402，用于根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度。
所述时间窗口长度确定模块402具体包括：主频确定单元，用于根据所述PLC通信信号序列确定主频；采样频率获取单元，用于获取采样频率；时间窗口基础长度计算单元，用于根据所述主频以及所述采样频率计算时间窗口基础长度；时间窗口长度确定单元，用于根据所述时间窗口基础长度确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度。
解析序列构建模块403，用于对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列。
所述解析序列构建模块403具体包括：解析序列构建单元，用于根据公式构建解析序列；其中，z(n)为构建第n点的解析值；μ为调制系数，1＜μ≤2；i为虚数单位，y(j)为PLC通信信号序列y中的第j个信号。
伪Wigner-Ville分布确定模块404，用于确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布。
所述伪Wigner-Ville分布确定模块404具体包括：伪Wigner-Ville分布确定单元，用于根据公式确定所述解析序列在所述当前层时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；其中，PWz l(n,f)为第l个时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；hl(m)为第l个时间窗口长度下的时间窗函数；z*(n-m)为z(n-m)的共轭，由于z(n-m)为实数，z*(n-m)＝z(n-m)，z(n+m)为所述解析序列的第n+m个元素的值，e-i4πfm＝cos(4πfm)-isin(4πfm)，i为虚数单位，n为序号，为正整数；m为求和项中的参数，为整数；f为频率。
PLC通信信号恢复序列确定模块405，用于根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列。
分布范围确定模块406，用于根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号。
最佳时间窗口长度确定模块407，用于根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度。
滤波模块408，用于根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。
将本发明所提出的PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法及系统用于PLC通信系统的信号滤波器，得到基于伪Wigner-Ville分布的时频域滤波器。由于在此滤波器中使用了含噪数据的叠加运算，可以有效地消除平稳噪声影响；同时滤波器中利用了伪Wigner-Ville时频分布，而此分布可以克服信号的非平稳性，因此对于功率序列中的非平稳非高斯噪声也具有较强的滤波效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波方法，其特征在于，包括：
获取PLC通信信号序列；
根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度；
对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列；
确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；
根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列；
根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号；
根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度；
根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。
2.根据权利要求1所述的滤波方法，其特征在于，所述根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列内每一个信号的时间窗口长度，具体包括：
根据所述PLC通信信号序列确定主频；
获取采样频率；
根据所述主频以及所述采样频率计算时间窗口基础长度；
根据所述时间窗口基础长度确定所述PLC通信信号序列的伪Wigner-Ville分布计算时所使用的时间窗口长度。
3.根据权利要求1所述的滤波方法，其特征在于，所述对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列，具体包括：
根据公式构建解析序列；其中，z(n)为所构建的解析序列的第n点的解析值；μ为调制系数，1＜μ≤2；为虚数单位；y(j)为PLC通信信号序列y中的第j个信号。
4.根据权利要求3所述的滤波方法，其特征在于，所述确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布，具体包括：
根据公式确定所述解析序列在所述当前时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；其中，PWz l(n,f)为第l个时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；hl(m)为第l个时间窗口长度下的时间窗函数；z*(n-m)为z(n-m)的共轭，由于z(n-m)为实数，z*(n-m)＝z(n-m)，z(n+m)为所述解析序列的第n+m个元素的值，e-i4πfm＝cos(4πfm)-isin(4πfm)，i为虚数单位，n为序号，为正整数；m为求和项中的参数，为整数；f为频率。
5.根据权利要求4所述的滤波方法，其特征在于，所述根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列，具体包括：
根据公式确定PLC通信信号恢复序列；其中，为第l个时间窗口长度下的PLC通信信号恢复序列。
6.根据权利要求5所述的滤波方法，其特征在于，所述根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围，具体包括：
根据公式Dl(n)＝[Ll(n),Ul(n)]确定纯PLC通信信号的分布范围；其中，Ll(n)为Dl(n)的下界；Ul(n)为Dl(n)的上界； 为的均方差；y(n)为PLC通信信号序列；σv为PLC通信信号序列中噪声的均方差；median(|y(n)-y(n-1)|,n＝2,…,N)为PLC通信信号序列|y(n)-y(n-1)|的中值，|A|为的最大幅度。
7.一种PLC通信信号自适应时频峰值滤波系统，其特征在于，包括：
PLC通信信号序列获取模块，用于获取PLC通信信号序列；
时间窗口长度确定模块，用于根据所述PLC通信信号序列确定所述PLC通信信号序列的伪Wigner-Ville分布计算时所使用的时间窗口长度；
解析序列构建模块，用于对所述PLC通信信号序列进行逐点处理，构建解析序列；
伪Wigner-Ville分布确定模块，用于确定所述解析序列在不同的所述时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；
PLC通信信号恢复序列确定模块，用于根据所述伪Wigner-Ville分布确定PLC通信信号恢复序列；
分布范围确定模块，用于根据所述PLC通信信号恢复序列确定纯PLC通信信号的分布范围；所述纯PLC通信信号为无噪声的PLC通信信号；
最佳时间窗口长度确定模块，用于根据所述分布范围确定最佳时间窗口长度；
滤波模块，用于根据所述最佳时间窗口长度对所述PLC通信信号序列进行滤波，确定滤波后的PLC通信信号序列。
8.根据权利要求7所述的滤波系统，其特征在于，所述时间窗口长度确定模块具体包括：
主频确定单元，用于根据所述PLC通信信号序列确定主频；
采样频率获取单元，用于获取采样频率；
时间窗口基础长度计算单元，用于根据所述主频以及所述采样频率计算时间窗口基础长度；
时间窗口长度确定单元，用于根据所述时间窗口基础长度确定所述PLC通信信号序列的伪Wigner-Ville分布计算时所使用的时间窗口长度。
9.根据权利要求7所述的滤波系统，其特征在于，所述解析序列构建模块具体包括：
解析序列构建单元，用于根据公式构建解析序列；其中，z(n)为构建第n点的解析值；μ为调制系数，1＜μ≤2；i为虚数单位，y(j)为PLC通信信号序列y中的第j个信号。
10.根据权利要求9所述的滤波系统，其特征在于，所述伪Wigner-Ville分布确定模块具体包括：
伪Wigner-Ville分布确定单元，用于根据公式确定所述解析序列在所述当前时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；其中，PWz l(n,f)为第l个时间窗口长度下的伪Wigner-Ville分布；hl(m)为第l个时间窗口长度下的时间窗函数；z*(n-m)为z(n-m)的共轭，由于z(n-m)为实数，z*(n-m)＝z(n-m)，z(n+m)为所述解析序列的第n+m个元素的值，e-i4πfm＝cos(4πfm)-isin(4πfm)，i为虚数单位，n为序号，为正整数；m为求和项中的参数，为整数；f为频率。
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