CN109257068B - 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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CN109257068B CN201811055179.5A CN201811055179A CN109257068B CN 109257068 B CN109257068 B CN 109257068B CN 201811055179 A CN201811055179 A CN 201811055179A CN 109257068 B CN109257068 B CN 109257068B
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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，
Figure BDA0001795596150000021
其中，符号
Figure BDA0001795596150000022
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
Figure BDA0001795596150000023
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
Figure BDA0001795596150000024
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：
Figure BDA0001795596150000025
nr＝1,2,…,NR
nc＝1,2,…,NC
其中，
Figure BDA0001795596150000026
表示二维信号，
Figure BDA0001795596150000027
表示信号矩阵
Figure BDA0001795596150000028
的第nr行、第nc列元素。
进一步地，信号变换算子表示为：
Figure BDA0001795596150000031
其中，
Figure BDA0001795596150000032
表示信号变换算子，
Figure BDA00017955961500000315
表示参量；
Figure BDA0001795596150000033
为
Figure BDA0001795596150000034
域中的权重函数，自变量为
Figure BDA0001795596150000035
为
Figure BDA0001795596150000036
域中的权重函数，自变量为
Figure BDA0001795596150000037
上标i表示虚数单位。
进一步地，变换算子矩阵表示为：
Figure BDA0001795596150000038
其中，D表示变换算子矩阵；公式
Figure BDA0001795596150000039
表示变换算子矩阵D中，第nr行、第nc列的元素是
Figure BDA00017955961500000310
D为NR×NC维矩阵。
进一步地，构建的测量矩阵的形式为：
Figure BDA00017955961500000311
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
Figure BDA00017955961500000312
其中，信号矩阵迭代公式表示为：
Figure BDA00017955961500000313
Figure BDA00017955961500000314
σk＝σmax+(k-1)Δσ
Figure BDA0001795596150000041
Figure BDA0001795596150000042
Figure BDA0001795596150000043
其中，α表示滤波权重；
Figure BDA0001795596150000044
表示第k+1次迭代得到的信号矩阵；
Figure BDA0001795596150000045
表示第k次迭代得到的信号矩阵；
Figure BDA0001795596150000046
表示阈值算子；
Figure BDA0001795596150000047
表示对矩阵D和矩阵
Figure BDA0001795596150000048
的乘积
Figure BDA0001795596150000049
中的所有元素进行阈值运算；xij表示矩阵
Figure BDA00017955961500000410
的第i行、第j列元素；σmax表示
Figure BDA00017955961500000411
中所有元素绝对值的最大值；σmin表示
Figure BDA00017955961500000412
中所有元素绝对值的最小值。
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，
Figure BDA0001795596150000051
其中，符号
Figure BDA0001795596150000052
表示上取整，例如，
Figure BDA0001795596150000053
Figure BDA0001795596150000061
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
Figure BDA0001795596150000062
A3，将信号矩阵
Figure BDA0001795596150000063
转换为二维信号
Figure BDA0001795596150000064
Figure BDA0001795596150000065
nr＝1,2,…,NR
nc＝1,2,…,NC
其中，
Figure BDA0001795596150000066
表示二维信号，
Figure BDA0001795596150000067
表示信号矩阵
Figure BDA0001795596150000068
的第nr行、第nc列元素。
A4，确定二维信号
Figure BDA0001795596150000069
的信号变换算子
Figure BDA00017955961500000610
信号变换算子
Figure BDA00017955961500000611
表示为：
Figure BDA00017955961500000612
其中，
Figure BDA00017955961500000623
表示参量；
Figure BDA00017955961500000613
为
Figure BDA00017955961500000614
域中的权重函数，自变量为
Figure BDA00017955961500000615
一般情况下可以选择高斯函数；
Figure BDA00017955961500000616
为
Figure BDA00017955961500000617
域中的权重函数，自变量为
Figure BDA00017955961500000618
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
Figure BDA00017955961500000619
转换为矩阵形式：
Figure BDA00017955961500000620
其中，
Figure BDA00017955961500000621
表示变换算子矩阵D中，第nr行、第nc列的元素是
Figure BDA00017955961500000622
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：
Figure BDA0001795596150000071
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+1次迭代，在k+1次中得到的信号矩阵为
Figure BDA0001795596150000072
在上一次(即第k次)所得到的信号矩阵为
Figure BDA0001795596150000073
k＝1,2,…,N-1。
A71，确定信号矩阵
Figure BDA0001795596150000074
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
Figure BDA0001795596150000075
为：
Figure BDA0001795596150000076
Figure BDA0001795596150000077
σk＝σmax+(k-1)Δσ
Figure BDA0001795596150000078
Figure BDA0001795596150000079
Figure BDA00017955961500000710
其中，α表示滤波权重，α∈[0,1]；
Figure BDA00017955961500000711
表示阈值算子，用于对括号内的数据进行阈值运算；
Figure BDA00017955961500000712
表示对矩阵D和矩阵
Figure BDA00017955961500000713
的乘积
Figure BDA00017955961500000714
(其中，乘积
Figure BDA00017955961500000715
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
Figure BDA00017955961500000716
中的元素一个一个进行的；xij表示矩阵
Figure BDA0001795596150000081
的第i行、第j列元素；σmax表示
Figure BDA0001795596150000082
中所有元素绝对值的最大值；σmin表示
Figure BDA0001795596150000083
中所有元素绝对值的最小值。
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
Figure BDA0001795596150000084
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 (5)

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；
其中，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，
Figure FDA0003040022640000011
其中，符号
Figure FDA0003040022640000012
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
Figure FDA0003040022640000013
其中，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
Figure FDA0003040022640000014
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；
其中，转换后得到的二维信号为：
Figure FDA0003040022640000015
nr＝1,2,…,NR
nc＝1,2,…,NC
其中，
Figure FDA0003040022640000016
表示二维信号，
Figure FDA0003040022640000017
表示信号矩阵
Figure FDA0003040022640000018
的第nr行、第nc列元素；
其中，信号变换算子表示为：
Figure FDA0003040022640000021
其中，
Figure FDA0003040022640000022
表示信号变换算子，
Figure FDA0003040022640000023
表示参量；
Figure FDA0003040022640000024
为
Figure FDA0003040022640000025
域中的权重函数，自变量为
Figure FDA0003040022640000026
Figure FDA0003040022640000027
为
Figure FDA0003040022640000028
域中的权重函数，自变量为
Figure FDA0003040022640000029
上标i表示虚数单位。
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，变换算子矩阵表示为：
Figure FDA00030400226400000210
其中，D表示变换算子矩阵；公式
Figure FDA00030400226400000211
表示变换算子矩阵D中，第nr行、第nc列的元素是
Figure FDA00030400226400000212
D为NR×NC维矩阵。
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，构建的测量矩阵的形式为：
Figure FDA00030400226400000213
其中，R表示测量矩阵；I为单位矩阵；0为零矩阵。
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，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
Figure FDA00030400226400000214
其中，信号矩阵迭代公式表示为：
Figure FDA00030400226400000215
Figure FDA00030400226400000216
σk＝σmax+(k-1)△σ
Figure FDA0003040022640000031
Figure FDA0003040022640000032
Figure FDA0003040022640000033
其中，α表示滤波权重；
Figure FDA0003040022640000034
表示第k+1次迭代得到的信号矩阵；
Figure FDA0003040022640000035
表示第k次迭代得到的信号矩阵；
Figure FDA0003040022640000036
表示阈值算子；
Figure FDA0003040022640000037
表示对矩阵D和矩阵
Figure FDA0003040022640000038
的乘积
Figure FDA0003040022640000039
中的所有元素进行阈值运算；xij表示矩阵
Figure FDA00030400226400000310
的第i行、第j列元素；σmax表示
Figure FDA00030400226400000311
中所有元素绝对值的最大值；σmin表示
Figure FDA00030400226400000312
中所有元素绝对值的最小值。
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，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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