CN110661552B - 一种基于ofdm的高速电力载波采集方法 - Google Patents

一种基于ofdm的高速电力载波采集方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于OFDM的高速电力载波采集方法，其特征在于，包括：发送端把载有信息的高频信号加载于电流；通过电力线传输该电流；接收端的调制解调器从该电流中采集所述高频信号，其包括：通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计。

Description

一种基于OFDM的高速电力载波采集方法
技术领域
本申请涉及下一代信息网络产业技术领域，尤其涉及一种基于OFDM的高速电力载波采集方法。
背景技术
电力载波通信(Power line Communication，缩写为PLC)是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，无疑成为了解决智能家居数据传输的最佳方案之一。
然而，电力线网络通常在强噪声环境下工作，强噪声环境会给电力线载波通信带来严重干扰，使得通信质量显著降低。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种基于OFDM的高速电力载波采集方法。
根据本申请实施例，提供一种基于OFDM的高速电力载波采集方法，其特征在于，包括：
发送端把载有信息的高频信号加载于电流；
通过电力线传输该电流；
接收端的调制解调器从该电流中采集所述高频信号，其包括：通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计。
优选的，通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号包括：
将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)。
优选的，将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)包括：
Figure BDA0002230090290000021
其中，j是信号所处状态，μ是频率调制指数，t是信号的周期，λ是信号的时长。
优选的，将含噪信号s(t)建模为s(t)＝x(t)+n(t)，其中x(t)为载有信息的高频信号，n(t)为噪声信号。
优选的，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计包括：
设置
Figure BDA0002230090290000022
其中，
Figure BDA0002230090290000023
是有效信号x(t)的估计值，PWVD(w(t))是对w(t)求伪加窗的Wigner-Ville分布，argmax(PWVD(w(t)))是求PWVD(w(t))取最大值时w(t)的集合。
优选的，
Figure BDA0002230090290000024
f为衰减正弦波频率，τ为窗口的长度，l(τ)为窗函数。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本基于OFDM的高速电力载波采集方法给出了时频尖刺消噪抑制噪声的方案，通过大量仿真实验证明，对背景噪声具有较好的抑制效果。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于OFDM的高速电力载波采集方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于OFDM的高速电力载波采集方法去噪后的BER比较图。
图3是根据另一示例性实施例示出的一种基于OFDM的高速电力载波采集方法去噪后的BER比较图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不只是所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于OFDM的高速电力载波采集方法的流程图。参照图1，该方法包括以下步骤：
步骤S10，发送端把载有信息的高频信号加载于电流；
步骤S20，通过电力线传输该电流；
步骤S30，接收端的调制解调器从该电流中采集所述高频信号，其包括：通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计。
电力线网络通常在强噪声环境下工作，强噪声环境会给电力线载波通信带来严重干扰，使得通信质量显著降低。本基于OFDM的高速电力载波采集方法给出了时频尖刺消噪抑制噪声的方案，通过大量仿真实验证明，该方案对背景噪声具有较好的抑制效果。
优选的，通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号包括：
将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)。
优选的，将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)包括：
Figure BDA0002230090290000041
其中，j是信号所处状态，μ是频率调制指数，t是信号的周期，λ是信号的时长。
本优选实施例给出了通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号的数学建模的方案，与常规技术的OFDM方案存在显著区别。本方案中设置了频率调制指数，利用该指数来消除强噪声环境对电力线载波的有效信号的加性噪声的影响。本优选实施例采用的上述计算实现基于时频分布估计瞬时频率的方法，从而在时频平面上不仅可以采用预处理方式减小噪声对瞬时频率估计的影响，降低对信噪比要求，而且对多分量信号，可以在时频平面上明显分开，从而估计各组成分分量的瞬时频率。
优选的，将含噪信号s(t)建模为s(t)＝x(t)+n(t)，其中x(t)为载有信息的高频信号，n(t)为噪声信号。
优选的，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计包括：
设置
Figure BDA0002230090290000042
其中，
Figure BDA0002230090290000043
是有效信号x(t)的估计值，PWVD(w(t))是对w(t)求伪加窗的Wigner-Ville分布，argmax(PWVD(w(t)))是求PWVD(w(t))取最大值时w(t)的集合。
优选的，
Figure BDA0002230090290000051
f为衰减正弦波频率，τ为窗口的长度，l(τ)为窗函数。
对于仅有频率调制或小幅度调制的信号，特别是线性调频信号，Wigner-Ville分布(WVD)的信号能量沿瞬时频率最为集中，因此，通过对Wigner-Ville分布尖刺的估计就可以得到信号的瞬时频率。但是，对于解析信号的瞬时频率是非线性的，利用WVD的尖刺的瞬时频率估计会引起偏差，在这种情况下，本优选实施例采用加窗的WVD，即伪Wigner-Ville进行频率估计，从而消除了上述偏差。
图2是根据上述示例性实施例示出的一种基于OFDM的高速电力载波采集方法去噪后的BER比较图。图中可以看出，在OFDM系统中，可以提高大概6dB的信噪比。由此可见，本基于OFDM的高速电力载波采集方法给出了时频尖刺消噪抑制噪声的方案，通过大量仿真实验证明，对背景噪声具有较好的抑制效果。
本发明的另一实施例提供了一种基于OFDM的高速电力载波采集方法，其特征在于，包括：
发送端把载有信息的高频信号加载于电流；
通过电力线传输该电流；
接收端的调制解调器从该电流中采集所述高频信号，其包括：将含噪信号进行归一化处理，通过频率调制将处理后的信号编码为频率调制的解析信号，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计。
在图2优选实施例提供的时频尖刺消噪算法中，考虑的主要是服从正态分布的高斯噪声情况。虽然在背景噪声情况下，图2的时频尖刺消噪可以得到满意的结果，然而电力线载波通信的工作环境经常要面临严重的冲击噪声环境，图2的时频尖刺消噪算法并不能够给出满意的结果，在受到来自信道内部冲击噪声的影响时，严重影响通信系统质量。
而本优选实施例在时频尖刺消噪之前对信号进行归一化处理，起到抑制冲击噪声的效果，从而在低冲击噪声强度下，具有很好的去噪效果。
优选的，将含噪信号进行归一化处理包括：
Figure BDA0002230090290000061
其中，s(t)是含噪信号，δ是预设的归一化参数，u(t)是归一化处理后的信号。
本归一化算法计算简单，可以用很简单的电路来实现，并且归一化消除冲击噪声的效果比较理想。
优选的，通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号包括：
将u(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)。
优选的，将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)包括：
Figure BDA0002230090290000062
其中，j是信号所处状态，μ是频率调制指数，t是信号的周期，λ是信号的时长。
本优选实施例给出了通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号的数学建模的方案，与常规技术的OFDM方案存在显著区别。本方案中设置了频率调制指数，利用该指数来消除强噪声环境对电力线载波的有效信号的加性噪声的影响。本优选实施例采用的上述计算实现基于时频分布估计瞬时频率的方法，从而在时频平面上不仅可以采用预处理方式减小噪声对瞬时频率估计的影响，降低对信噪比要求，而且对多分量信号，可以在时频平面上明显分开，从而估计各组成分分量的瞬时频率。
优选的，将含噪信号s(t)建模为s(t)＝x(t)+n(t)，其中x(t)为载有信息的高频信号，n(t)为噪声信号。
优选的，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计包括：
设置
Figure BDA0002230090290000063
其中，
Figure BDA0002230090290000064
是有效信号x(t)的估计值，PWVD(w(t))是对w(t)求伪加窗的Wigner-Ville分布，argmax(PWVD(w(t)))是求PWVD(w(t))取最大值时w(t)的集合。
优选的，对于δ，依据信号时频分布设置集中性最好的参数。
如果参数δ如果过大，则由分母可以看出，归一化的分母将会由参数δ主导，则信号和噪声都将进行相应比例的缩小。因此，可以得知，在参数过小的时候，信号和噪声都将归一化为接近于1，会破坏原有信号波形。而当参数过大的时候，信号和噪声幅度都进行了等比例的缩小，并不能很好地起到冲击噪声压制的作用。因此，依据信号时频分布设置集中性最好的参数进行的归一化信号处理中，参数的选择应该适中，避免过大或者过小的情况。
优选的，依据信号时频分布设置集中性最好的参数包括：根据
Figure BDA0002230090290000071
的时频分布来设置使得集中性取得最优值的δ。
在本优选实施例中，利用已经得到的信号预估值，即
Figure BDA0002230090290000072
来设置合理的参数δ，从而可以避免参数δ设置得过大，从而破坏了原有信号波形，而设置得太小，则不能压制冲击噪声。
优选的，
Figure BDA0002230090290000073
f为衰减正弦波频率，τ为窗口的长度，l(τ)为窗函数。
对于仅有频率调制或小幅度调制的信号，特别是线性调频信号，Wigner-Ville分布(WVD)的信号能量沿瞬时频率最为集中，因此，通过对Wigner-Ville分布尖刺的估计就可以得到信号的瞬时频率。但是，对于解析信号的瞬时频率是非线性的，利用WVD的尖刺的瞬时频率估计会引起偏差，在这种情况下，本优选实施例采用加窗的WVD，即伪Wigner-Ville进行频率估计，从而消除了上述偏差。
图3是根据上述示例性实施例示出的一种基于OFDM的高速电力载波采集方法去噪后的BER比较图。图中可以看出，标注三角形的为在冲击噪声环境下，未经去噪处理的误码率曲线，标注正方形的为在冲击噪声环境下，采用图2实施例的未经归一化处理的时频尖刺消噪算法去噪后的误码率曲线，标注为圆圈的，采用了设置归一化参数为0.3的时频尖刺消噪算法后的去噪的误码率曲线。本优选实施例的归一化时频尖刺消噪算法对于冲击噪声具有更好的适应性，可以更有效地提高电力线通信系统的通信质量，降低系统误码率。
下面进一步给出窗口长度τ的设置方案。
发明人对基于OFDM的电力线载波信号进行分析，认为瞬时频率估计的偏差由调制信号的时频分布和噪声的时频分布决定。编码噪声的功率谱表现出了低通性质，且最大值出现在频率为0Hz的位置，因此，高斯白噪声是不会对瞬时频率估计产生任何偏差的影响。
考虑离散正弦信号，设置ft为采样频率，设置fs为信号频率。
设置
Figure BDA0002230090290000081
利用该式计算τ的取值范围。其中，ε为人工设置的经验值，当要求较高精度时，则将ε设置得较小，当要求精度不高时，则将ε设置得较大。
优选的，根据
Figure BDA0002230090290000082
在信号估计时，设置
Figure BDA0002230090290000083
在频谱估计时，设置
Figure BDA0002230090290000084
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (1)

1.一种基于OFDM的高速电力载波采集方法，其特征在于，包括：
发送端把载有信息的高频信号加载于电流；
通过电力线传输该电流；
接收端的调制解调器从该电流中采集所述高频信号，其包括：通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计；
其中，通过频率调制将含噪信号编码为频率调制的解析信号包括：
将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)，t是信号的周期；
其中，将含噪信号s(t)进行频率调制得到单位幅度的解析信号w(t)包括：
Figure FDA0002523241410000011
其中，j是信号所处状态，μ是频率调制指数，λ是信号的时长；
其中，将含噪信号s(t)建模为s(t)＝x(t)+n(t)，其中x(t)为载有信息的高频信号，n(t)为噪声信号；
其中，将频率调制的解析信号的时频分布的尖刺作为瞬时频率估计包括：
设置
Figure FDA0002523241410000012
其中，
Figure FDA0002523241410000013
是高频信号x(t)的估计值，PWVD(w(t))是对w(t)求伪加窗的维格纳(Wigner-Ville)分布，argmax(PWVD(w(t)))是求PWVD(w(t))取最大值时w(t)的集合；
其中，
Figure FDA0002523241410000014
f为衰减正弦波频率，τ为窗口的长度，l(τ)为窗函数。
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