CN113472392B - 一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法，具体包括如下步骤：101)信号预处理步骤、102)信号到达检测步骤、103)信号处理步骤、104)判决处理步骤；本发明提供了实现快速自动检测识别的一种应用于无线跳频网络的快速接入方法。

Description

一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法

技术领域

本发明涉及通信传输领域，更具体的说，它涉及一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法。

背景技术

电力线宽带载波(HPLC)通信是一种基于电力线实现的通信技术，由国家电网公司制定相关技术要求。HPLC通信系统定义了4个不同的工作通信频段，分别是：1.953MHz-11.96MHz、2.441MHz-5.615MHz、0.781MHz-2.930MHz、1.758MHz-2.930MHz，不同频段之间不能互通。

现有的实现方式都是通过预先参数设置的方式来实现四个工作频段的选择，导致设备混装不互通、现场安装实施工作量大等问题。因此，通过信号处理的方法实现四个工作频段的自动检测识别能大大简化HPLC产品的使用复杂度，具有较强的实用意义。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，在充分利用宽带电力线载波(HPLC)技术四个频段的频率组成方式、前导信号的重复特性和傅里叶变换的处理特性，提供了实现快速自动检测识别的一种应用于无线跳频网络的快速接入方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法，具体包括如下步骤：

101)信号预处理步骤：将前端ADC的输出信号的采样率进行调整，使其输出的信号速率以1倍符号率进行；

102)信号到达检测步骤：从宽带电力线载波通信的前导信号中获取延时自相关能量和自相关能量，以延时自相关能量和自相关能量的比值变化判断信号是否到达；

103)信号处理步骤：判断信号到达之后，给出信号到达的标记，提示接收机进入后续数字处理；对信号进行削峰算法去除宽带电力线载波通信中的窄带干扰；

104)判决处理步骤：对去除窄带干扰的信号进行二元量化谱处理，二元量化谱将特定频点的信息转换为由0、1组成的频域能量二元序列；

将去除窄带干扰的信号的频域能量二元序列与标准定义的四种频段的频域能量二元序列进行异或处理，并计算累加和；得到的四个计算结果分别对应接收信号与四个标准频段的相似度，相似度越高，累加和越小，最小累加和对应的频段就是所接收信号的工作频段。

进一步的，步骤102)中获取延时自相关能量和自相关能量的公式如下：

其中，P_Dcorr(t)为延时互相关能量，P_Acorr(t)为自相关能量；

R_corr(t)＝P_Dorr(t)/P_Acorr(t) (公式3)

R_corr(t)为延时自相关能量和自相关能量的比值；当R_corr(t)大于0.6时，表示为检测到信号到达。

进一步的，延时自相关能量和自相关能量通过滑动窗口的方式实现，窗口长度为宽带电力线载波通信的前导信号的重复周期的长度，窗口滑动步进为1倍符号率；

窗口滑动采样以先入先出的方式移动，每步进一次输出一组延时自相关和自相关能量值，并得到一个延时自相关能量值与自相关能量值的比值。

进一步的，步骤103)检测到信号到达后，假设为t时刻到达，选取t时刻开始的N个采样点{x₀,x₁,…,x_N-1}，从中获取到信号频域信息{y₀,y_1,…,y_N-1}，频域信息的获取公式如下：

频域信息的N个元素代表了前导信号在N个频点上的幅度和相位信息；对每个频域信息中的元素获取幅度信息{p₀,p₁,…,p_N-1}，即得到每个频点上信号能量强度power(y_n)，用能量强度替代获取幅度p_n＝power(y_n)；

当检测到的信号的目标频点与前后相邻频点的能量强度的差值差值超过4倍，则认为目标频点上存在窄带干扰，并以前后相邻频点的能量强度的加权平均值来替换存在窄带干扰的目标频点，具体公式如下：

进一步的，步骤104)中的二元量化谱处理具体如下：

通过选择频点15-25、498-511总共25个频点的平均能量统计作为噪声能量强度P_noise，即：

二元量化谱的判定门限条件TH_b定义为噪声能量强度P_noise的2倍，通过将频域信息中的每个频点的频域能量{p₀,p₁,…,p_N-1}逐个与判定门限条件TH_b比较，得到各个频点的二元量化谱{b₀,b₁,…,b_N-1}，且对其它不使用的频点固定填0，即：

本发明相比现有技术优点在于：

本发明充分利用宽带电力线载波(HPLC)标准定义的前导信息特性，包括频域组成特性、时域重复性，以及傅里叶变换的循环移位特性，提出了一种工作频段检测方法，代替原有的参数设置方式，大大提高HPLC系统使用的便捷性。同时该方法对于采样率、采样点定位、频偏等信息都没有严格要求，能够比较鲁棒运行；并且方法的关键运算处理资源，包括相关器、傅里叶变换，都属于宽带电力线载波HPLC数字处理的必要组成部分，不需要额外增加大量运算资源。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明基于滑动窗口的处理示意图；

图3为HPLC四种工作频段前导信号能量谱示意图；

图4为HPLC四种工作频段前导信号二元量化谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图4所示，一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法，具体包括如下步骤：

101)信号预处理步骤：将前端ADC的输出信号的采样率进行调整，使其输出的信号速率以1倍符号率进行。

即接收机收到的信号为前端ADC的采样输出，ADC的采样速率一般会高于信号带宽，即符号率，且通常会有整数倍关系。对于本方案需要将采样输出的采样率调整到1倍符号率上，即与信号带宽相当。

其中调整到1倍符号率上可以通过信号内插、滤波、抽样等手段来实现，滤波是为了滤除由内插引入的数字频谱重复，如果原始采样率与目标采样率是整数倍关系则不需要内插，同样就不需要滤波过程；具体的数字信号内插、滤波、抽样方法实现，在本方法中不做详细描述，通过本领域技术人员采用常规的方式即可实现。

102)信号到达检测步骤：从宽带电力线载波通信的前导信号中获取延时自相关能量和自相关能量，以延时自相关能量和自相关能量的比值变化判断信号是否到达。具体的实现方式如下：

如图2所示，延时自相关能量和自相关能量通过滑动窗口的方式实现，窗口长度为宽带电力线载波通信的前导信号的重复周期的长度，窗口滑动步进为1倍符号率。

窗口滑动采样以先入先出的方式移动，每步进一次输出一组延时自相关和自相关能量值，并得到一个延时自相关能量值与自相关能量值的比值。

具体在连续采样点中，以滑动窗口的方式选择2N个采样点组成的两个长度为N的采样点序列，分别计算延时互相关能量P_Dcorr(t)和自相关能量P_Acorr(t),两者的计算公式分别为：

在计算以上相关能量的同时，同步计算相关能量的比值R_corr(t)：

R_corr(t)＝P_Dcorr(t)/P_Acorr(t) (公式3)

因为宽带电力线载波通信HPLC的前导信号以长度N为周期进行重复信号发送，当信号完全到达且处于前导区域的时候，理论上R_corr(t)的值为1；而没有信号的时候，因为滑动窗口的序列1和序列2没有重复相关性，R_corr(t)的值接近0。因此，可以认为当R_corr(t)大于0.6时，检测到信号到达，0.6为信号到达门限，门限设置的越高检测到达的可靠性越高，但漏检的概率也同步增加；在宽带电力线载波通信HPLC接收机中，前导重复周期N一般为1024，此较长的长度带来较强的增益，门限设置在0.6即可进行准确判断信号的到达。

103)信号处理步骤：判断信号到达之后，给出信号到达的标记，提示接收机进入后续数字处理。即信道到达检测的核心目的是在采用突发通信机制的系统中，给出信号到达的标记，提示接收机进入后续数字处理。后续对信号进行削峰算法去除宽带电力线载波通信中的窄带干扰。

即检测到信号到达后，假设为t时刻到达，选取t时刻开始的N个采样点{x₀,x₁,…,x_N-1}，从中获取到信号的频域信息{y₀,y_1,…,y_N-1}，频域信息的获取公式如下：

频域信息的N个元素代表了前导信号在N个频点上的幅度和相位信息。对每个频域信息中的元素获取幅度信息{p₀,p₁,…,p_N-1}，即得到每个频点上信号能量强度power(y_n)，用能量强度替代获取幅度p_n＝power(y_n)。

得到频域信息中的能量强度信息后，结合HPLC前导信号频域的所有频点能量强度相同、HPLC传输信道引入频域选择性衰落不会突变的特性，通过削峰算法对抗现实HPLC系统中的窄带干扰。即当检测到的信号的目标频点与前后相邻频点的能量强度的差值超过4倍，对应为6dB。则认为目标频点上存在窄带干扰，并以前后相邻频点的能量强度的加权平均值来替换存在窄带干扰的目标频点，具体公式如下：

104)判决处理步骤：对去除窄带干扰的信号进行二元量化谱处理，二元量化谱将特定频点的信息转换为由0、1组成的频域能量二元序列。即表示为二元量化谱表征频域上每个频点是否有调制信号的频谱，一般0表示无调制信号只有噪声，1表示有调制信号。每个频点上是否有调制信号可以通过频点能量与噪声能量的关系来判定。而噪声能量强度可以通过对HPLC标准定义的空闲频点的能量强度进行统计平均后得到。

如图3所示，HPLC四种工作频段前导信号的理想能量谱示意图，其中频点0-31、491-1023在四种频段下都不会调制数据，考虑到外部滤波器会抑制掉一部分高频噪声，低频段可能存在一定的干扰，以及信号滚降的影响，选择频点15-25、498-511总共25个频点的平均能量统计作为噪声能量强度P_noise，即：

二元量化谱的判定门限条件TH_b定义为噪声能量强度P_noise的2倍，即要求信号大于噪声3dB。通过将频域信息中的每个频点的频域能量{p₀,p₁,…,p_N-1}逐个与判定门限条件TH_b比较，得到各个频点的二元量化谱{b₀,b₁,…,b_N-1}，且对其它不使用的频点固定填0，即：

同样的原理，如图4所示，HPLC四种工作频段前导信号的理想二元量化谱是可以直接计算出来的，分别为{b1₀,b1₁,…,b1_N-1}，{b2₀,b2₁,…,b2_N-1}，{b3₀,b3₁,…,b3_N-1}，{b4₀,b4₁,…,b4_N-1}。

分别得到接收信号和标准信号的二元量化谱序列后，可以对接收信号与标准信号之间的相关度CCoef_n进行计算，对于二元量化信号来说，直接按元素执行逻辑异或并累加操作，即：

其中n＝1、2、3、4，分别对应四种标准工作频段。四个相关系数中，数值最小的值即对应当前接收信号的工作频段，理想最小值可以为零。

即将去除窄带干扰的信号的频域能量二元序列与标准定义的四种频段的频域能量二元序列进行异或处理，并计算累加和。得到的四个计算结果分别对应接收信号与四个标准频段的相似度，相似度越高，累加和越小，最小累加和对应的频段就是所接收信号的工作频段。

综上，本方案不受相位信息的影响，同时在傅里叶变换的特性中，输入信号x_k的循环移位，对于y_n的影响仅体现在相位而不改变幅度，因此不要求所选择的起始采样点x₀与实际前导序列的第一个点对应，可以选择信号到达时候之后的任意采样点作为起始采样点x₀。

如果需要进一步提高最终结果的可靠性，可以在信号到达后多次选取不同的采样数据集合重复执行步骤103)和步骤104)，对多次处理得到的相关度信息进行统计处理即可。

以上所述仅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，在不脱离本发明构思的前提下，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保护范围内。

Claims (2)

1.一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

101)信号预处理步骤：将前端ADC的输出信号的采样率进行调整，使其输出的信号速率以1倍符号率进行；

102)信号到达检测步骤：从宽带电力线载波通信的前导信号中获取延时自相关能量和自相关能量，以延时自相关能量和自相关能量的比值变化判断信号是否到达；

其中获取延时自相关能量和自相关能量的公式如下：

其中，P_Dcorr(t)为延时互相关能量，P_Acorr(t)为自相关能量；N为相关长度，t为时间点，Power()为幂乘函数，用于计算信号能量强度；x(t)表示t时刻的采样信号，x(t)^*为x(t)的复共轭；

R_corr(t)＝P_Dcorr(t)/P_Acorr(t) 公式(3)

R_corr(t)为延时自相关能量和自相关能量的比值；当R_corr(t)大于一定值时，表示为检测到信号到达；

103)信号处理步骤：判断信号到达之后，给出信号到达的标记，提示接收机进入后续数字处理；对信号进行削峰算法去除宽带电力线载波通信中的窄带干扰；

即检测到信号到达后，假设为t时刻到达，选取t时刻开始的N个采样点{x₀,x₁,…,x_N-1}，从中获取到信号频域信息{y₀,y₁,…,y_N-1}，频域信息的获取公式如下：

频域信息的N个元素代表了前导信号在N个频点上的幅度和相位信息；对每个频域信息中的元素获取幅度信息{p₀,p₁,…,p_N-1}，即得到每个频点上信号能量强度power(y_n)，用能量强度替代获取幅度p_n＝power(y_n)；

当检测到的信号的目标频点与前后相邻频点的能量强度的差值超过4倍，则认为目标频点上存在窄带干扰，并以前后相邻频点的能量强度的加权平均值来替换存在窄带干扰的目标频点，具体公式如下：

104)判决处理步骤：对去除窄带干扰的信号进行二元量化谱处理，二元量化谱将特定频点的信息转换为由0、1组成的频域能量二元序列；

二元量化谱处理具体如下：

通过选择频点15-25、498-511总共25个频点的平均能量统计作为噪声能量强度P_noise，即：

二元量化谱的判定门限条件TH_b定义为噪声能量强度P_noise的2倍，通过将频域信息中的每个频点的频域能量{p₀,p₁,…,p_N-1}逐个与判定门限条件TH_b比较，得到各个频点的二元量化谱{b₀,b₁,…,b_N-1}，且对其它不使用的频点固定填0，即：

将去除窄带干扰的信号的频域能量二元序列与标准定义的四种频段的频域能量二元序列进行异或处理，并计算累加和；得到的四个计算结果分别对应接收信号与四个标准频段的相似度，相似度越高，累加和越小，最小累加和对应的频段就是所接收信号的工作频段。

2.根据权利要求1所述的一种针对宽带电力线载波通信的频段检测方法，其特征在于：延时自相关能量和自相关能量通过滑动窗口的方式实现，窗口长度为宽带电力线载波通信的前导信号的重复周期的长度，窗口滑动步进为1倍符号率；

窗口滑动采样以先入先出的方式移动，每步进一次输出一组延时自相关和自相关能量值，并得到一个延时自相关能量值与自相关能量值的比值。

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