CN114268531A - 一种单音干扰检测和消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信单音干扰技术领域，具体涉及一种单音干扰检测和消除方法。该方法基于单音干扰信号涉及到多个子载波且都功率较大的现象，对输入时域信号中所包含的单音干扰进行检测，具体判断手段为比较功率最大的子载波的功率与有效子载波个数的乘积是否大于总功率与设定的判断门限的乘积，如若大于则表明该功率最大的子载波存在单音干扰，也就搜索到其中一个单音干扰，接着对其余的子载波继续按照该种方式进行比较，直至搜索到输入时域信号中所包含的所有单音干扰。该方法只需要估计出单音干扰的位置即可，不需要估计单音干扰的强度，而且只需要进行一次时频变换便可搜索出较强单音，计算复杂度较低，但却能精确找到所有的单音干扰。

Description

一种单音干扰检测和消除方法

技术领域

本发明属于通信单音干扰技术领域，具体涉及一种单音干扰检测和消除方法。

背景技术

通常在电力线通信系统中，由于线路连接复杂，多种系统及设备间发射的信号混杂在一起，使得接收机接收的信号可能掺杂有不需要的频率成分，这些不需要的频率成分称为单音干扰信号，严重影响通信系统的正常接收。例如，在OFDM系统中，由于要转换成频域进行多子载波处理，此时单音落点位置可能刚好出现在子载波上，或者落在子载波之间，由此产生的干扰形式是不一样的。大部分情况单音落在子载波之间，形成窄带干扰，影响多个子载波。由于瞬间产生的干扰往往功率很强，此时刚好有接收信号存在，则会导致接收机不能正常接收。

类似的其它非OFDM通信系统，如果存在单音干扰，也是需要做检测和消除处理才能提升通信质量，降低误码率。

如果OFDM系统还能在时域同步，则可以在频域对功率异常的子载波进行抑制，能在一定程度提升一些接收性能。OFDM系统的正常接收首先要求同步，然后进行接收。但大部分时间段存在单音干扰情况下，OFDM系统根本不能同步信号，要想提升接收性能需要有一种方法在时域预先进行单音检测和消除，避免产生窄带干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单音干扰检测和消除方法，用以解决由于存在单音干扰导致 OFDM系统无法同步信号以及接收信号的问题。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明提供了一种单音干扰检测和消除方法，包括如下步骤：

1)获取输入时域信号，并将输入时域信号转换至频域得到输入频域信号；

2)确定设定频域范围内每个子载波的功率、总功率和有效子载波个数；

3)搜索设定频域范围内功率最大的子载波；

4)计算总功率减去所述功率最大的子载波、位于功率最大的子载波前侧的M1个子载波、以及位于功率最大的子载波后侧的M2个子载波的功率和的差值，利用得到的差值更新所述总功率；计算有效子载波个数减去1、M1和M2的和的差值，利用得到的差值更新有效子载波个数；M1和M2均大于等于1；

5)判断所述功率最大的子载波的功率是否满足如下单音判断条件： P(K_st(j))*N_v＞T_M*P_T，K_st(j)表示功率最大的子载波的位置，P(K_st(j))表示功率最大的子载波的功率，N_v表示更新后的有效子载波个数，T_M表示设定的判断门限，P_T表示更新后的总功率；若功率最大的子载波的功率满足所述单音判断条件，则判定所述功率最大的子载波存在单音干扰，且置所述功率最大的子载波、位于功率最大的子载波前侧的M1个子载波、以及位于功率最大的子载波后侧的M2个子载波的功率为0；重新搜索设定频域范围内功率最大的子载波，重复步骤4)～5)，直至功率最大的子载波的功率不满足所述单音判断条件，以搜索出所有的单音干扰；

6)对步骤5)中确定的所述输入时域信号中存在的所有单音干扰进行消除。

上述技术方案的有益效果为：本发明基于单音干扰信号涉及到多个子载波且都功率较大的现象，对输入时域信号中所包含的单音干扰进行检测，具体判断手段为比较功率最大的子载波的功率与有效子载波个数的乘积是否大于总功率与设定的判断门限的乘积，如若大于则表明该功率最大的子载波存在单音干扰，也就搜索到其中一个单音干扰，接着对其余的子载波继续按照该种方式进行比较，直至搜索到输入时域信号中所包含的所有单音干扰。该方法只需要估计出单音干扰的位置即可，不需要估计单音干扰的强度，而且只需要进行一次时频变换便可搜索出较强单音，计算复杂度较低，但却能精确找到所有的单音干扰，为后续单音干扰消除打下基础，保证了所有单音干扰均能被消除，进而保证了OFDM系统可以同步信号以及接收信号。

对上述方法进一步改进，步骤6)中，采用陷波滤波器对所有单音干扰进行消除。

对上述方法进一步改进，采用二阶IIR陷波滤波器对所有单音干扰进行消除，过程包括：

6.1)采用如下方法对所述输入时域信号进行一个单音干扰消除操作：

①确定某单音干扰所对应的单音频点；

②根据单音频点确定二阶IIR陷波滤波器的系数因子和增益；

③依据二阶IIR陷波滤波器的系数因子和增益确定二阶IIR陷波滤波器的滤波系数；

④利用确定好滤波系数的二阶IIR陷波滤波器对所述输入时域信号进行单音干扰消除操作；

6.2)采用同步骤6.1)相同的方法，继续对所述时域输入信号进行其余单音干扰消除操作，直至所有单音干扰均被消除。

对上述方法进一步改进，步骤①中，确定所述单音频点的方法包括：

根据某存在单音干扰的功率最大的子载波、位于该功率最大的子载波前侧的1个子载波、位于该功率最大的子载波后侧的1个子载波的在步骤2)中确定的功率，进行如下计算：

式中，F_ST(j)表示计算结果；K_st(j)+1表示位于功率最大的子载波前侧的1个子载波的位置； P(K_st(j)+1)表示位于功率最大的子载波前侧的1个子载波的功率；K_st(j)-1表示位于功率最大的子载波后侧的1个子载波的位置；P(K_st(j)-1)表示位于功率最大的子载波后侧的1 个子载波的功率；

根据计算结果F_ST(j)、功率最大的子载波的位置K_st(j)和子载波之前的频域间隔，计算得到所述某单音干扰对应的单音频点：

f_ST(j)＝(F_ST(j)+K_ST(j))*ΔF

式中，f_ST(j)表示单音频点；ΔF表示子载波之间的频域间隔，ΔF＝F_s/N，F_s表示采样频率，N表示输入时域信号的点数。

对上述方法进一步改进，步骤②中，所述二阶IIR陷波滤波器的系数因子和增益分别为：

α＝-2cos(ω₀)

gain＝1/(1+β)

式中，α、β均表示系数因子；gain表示增益；ω₀表示归一化单音频点，ω₀＝2π*f₀/F_s，f₀表示单音频点，F_s表示采样频率；BW表示陷波带宽；G_b表示陷波区域的绝对线性衰减幅度， G_b＝10^-APass/20，APass表示陷波衰减幅度。

对上述方法进一步改进，步骤③中，所述陷波滤波器的滤波系数为：

式中，A₀、A₁、A₂、B₀、B₁和B₂均表示滤波系数；

相应的，采用下式对输入时域信号进行单音干扰消除操作：

y(n)＝B₀*x(n)+B₁*x(n-1)+B₂*x(n-2)-A₁*y(n-1)-A₂*y(n-2)

式中，y(n)表示单音干扰消除后的信号；x(n)表示输入时域信号。

对上述方法进一步改进，M1＝M2＝1。

对上述方法进一步改进，T_M＝80。

附图说明

图1是本发明的单音干扰检测和消除方法的流程图。

具体实施方式

本发明的单音干扰检测和消除方法的整个过程为：首先对输入时域信号进行单音检测，搜索出一个或者多个较强的单音以及对应的子载波位置，然后根据子载波位置生成二阶IIR 陷波器的滤波系数，并在时域对输入时域信号进行陷波处理，逐个消除单音干扰。消除单音干扰后，便可再输入到接收系统进行同步和后续处理。下面结合附图1，对本发明的一种单音干扰检测和消除方法进行详细说明。

步骤一，对输入时域信号进行单音检测，搜索出较强单音以及对应的子载波位置。

1、截取N点的输入时域信号x(n)，该输入时域信号包含底噪和单音干扰信号，对输入时域信号x(n)进行傅里叶变换(FFT)，得到相应的输入频域信号X(k)，k＝0～N-1，k为子载波索引。后续的子载波选取和功率计算均限定在

点的频域范围内搜索频域信号X(k)。这里限定在

点的频域范围内是因为N点实数信号x(n)的傅里叶变换得到的频域信号是共轭对称的，即

的子载波是

子载波信息的重复，故此处限定在在

点的频域范围内即可。k＝0是直流信号，经常有能量，不参与搜索比较。

2、计算每个子载波的功率P(k)、总功率P_T和有效子载波个数Nv。

3、在上述

个P(k)点中进行搜索，找到功率最大的子载波，其对应的位置记为K_st(j)，第一个功率最大的子载波j＝0。

4、计算总功率P_T减去K_st(j)以及K_st(j)前后子载波的功率，得到的差值更新总功率

等号左侧P_T为更新后的总功率，等号右侧P_T为更新前的总功率，并更新对应的有效子载波个数N_v＝N_v-2M-1，等号左侧N_V为更新后的有效子载波个数，等号右侧N_V为更新前的有效子载波个数，M表示K_st(j)附近需要临时排除的子载波个数，可设置M＝1。这么处理是因为，单音干扰涉及到多个子载波，且功率都比较大，为了防止误判，需要排除最大功率子载波附近的若干个子载波功率，让其不参与下一个单音干扰搜索中的功率大小判决。

5、对搜索到的功率最大的子载波进行功率和门限判断，判断是否满足单音判断条件，以确定是否功率异常大，该单音判断条件为：P(K_st(j))*N_v＞T_M*P_T，其中T_M表示判断门限，默认值为80。如果满足该单音判断条件，则判定该功率最大的子载波存在单音干扰，且置该功率最大子载波K_st(j)、位于该功率最大子载波前侧M个子载波K_st(j-1)、……、K_st(j-M)、以及位于该功率最大子载波后侧M个子载波K_st(j+1)、……、K_st(j+M)的功率均为0，即 P(K_st(j)+M)＝0，m＝-M,…,M。

6、令j＝j+1，重新在P(k)中搜索最新的功率最大的子载波以及对应的位置K_st(j)，重复步骤4～5，直到不再满足单音判断条件，此时j＝N_MaxST-1，找到功率最大的N_MaxST个子载波功率及对应的子载波位置。

7、重新获取最初的傅里叶变换之后的P(k)，

根据步骤6搜索到的单音干扰的功率P以及该单音干扰左侧子载波功率P_-和右侧子载波的功率P₊，根据下面运算规则计算出小数单音频点F_ST(j)，即单音干扰实际频点与该单音干扰对应K_st(j)所在子载波的绝对频率差值相对子载波间隔的比例：

8、由此得到绝对的单音频点为：

f_ST(j)＝(F_ST(j)+K_ST(j))*ΔF (2)

式中，j＝0,…,N_MaxST-1；ΔF表示子载波之间的频域间隔，ΔF＝F_s/N，F_s表示采样频率。

需说明的是，这里每一个单音干扰均会计算出一个单音频点。

步骤二，根据步骤一中计算得到的单音频点，生成二阶IIR陷波滤波器的滤波系数。

1、令步骤一中计算得到的单音频点为f₀，假定陷波衰减幅度为APass(dB)，则：

G_b＝10^-APass/20 (3)

式中，G_b表示陷波区域的绝对线性衰减幅度。

2、默认陷波器陷波带宽为1/2子载波间隔，即归一化为：

BW＝π/(2*N) (4)

式中，BW表示带宽。

3、陷波器归一化单音频点为：

ω₀＝2π*f₀/F_s (5)

4、根据公式(3)～(5)，求出两个滤波因子α、β和增益gain：

α＝-2cos(ω₀) (6)

gain＝1/(1+β) (8)

5、由公式(6)～(8)计算得到的两个滤波因子和增益求出二阶IIR陷波滤波器的滤波系数A₀、A₁、A₂、B₀、B₁和B₂，如下所示：

步骤三，根据步骤二得到的与每个单音频点所对应的二阶IIR陷波滤波器的滤波系数，对输入时域信号x(n)进行N_MaxST次单音干扰消除操作。二阶IIR陷波滤波器的滤波公式如下：

y(n)＝B₀*x(n)+B₁*x(n-1)+B₂*x(n-2)-A₁*y(n-1)-A₂*y(n-2) (11)

式中，y(n)表示二阶IIR陷波滤波器的输出。

该实施例在步骤一的步骤4中，K_st(j)左侧和右侧附近需要临时排除的子载波个数均为 M，且最佳实施方式为M＝1。实际上左右两侧排除的个数可以是不一样的，即左侧个数为 M1个，右侧个数为M2个，且M1≠M2，但左右两侧相差个数一般不超过1个。

下面举一个具体的实例，对本发明的一种单音干扰检测和消除方法进行进一步的详细说明，本实例中，M＝1。

a)令AD量化采样后的输入时域信号为x(n)，n＝0,1,2,…，取其中任意一段信号，长度为N＝1024。

b)对N点信号进行FFT变换，得到输入频域信号X(k)，k＝0,...,N-1，k为子载波索引。

c)分别计算每个子载波的功率P₀(k)，进行P₀(k)的备份(后续步骤有用到)，并令 P(k)＝P₀(k)。

d)根据协议计算应该加载数据信息的子载波个数Nv，以及对应的总功率P_T。令j＝0开始进行单音干扰个数的计数。

e)在子载波范围k＝1～N/2-1中搜索功率最大的子载波，并将子载波位置记为K_st(j)，计算总功率P_T减去该子载波K_st(j)以及K_st(j)-1子载波和K_st(j)+1子载波的功率，得到新的总功率

更新有效子载波数为N_v＝N_v-3。

f)对该单音进行功率和门限判断，判断是否功率异常大，单音干扰判断条件为： P(K_st(j))*N_v＞T_M*P_T，如果满足该条件则判定该功率最大的子载波存在单音干扰，并置 P(K_st(j))＝0、P(K_st(j)-1)＝0和P(K_st(j)+1)＝0。

g)令j＝j+1，重复步骤e)～f)，重新在更新后的P(k)中寻找功率最大的子载波以及对应的位置K_st(j)，如果满足强单音干扰的判决条件则记录单音干扰的子载波位置，直到功率最大的子载波不满足上述单音干扰判断条件，此时j＝N_MaxST-1，找到最多N_MaxST个强单音干扰及对应的子载波位置。

h)重新获取最初FFT之后的P₀(k)数据，根据步骤g)搜索到的单音干扰功率P(K_st(j)) 以及该单音干扰左侧子载波功率P(K_st(j)-1)和该单音干扰右侧子载波的功率P(K_st(j)+1)，根据下面运算规则计算出小数单音频点F_ST(j)，即单音干扰实际频点与该单音干扰对应 K_st(j)所在子载波的绝对频率差值相对子载波间隔的比例：

i)由此得到绝对的单音频点位置：f_ST(j)＝(F_ST(j)+K_ST(j))*ΔF，其中， j＝0,…,N_MaxST-1，ΔF为子载波间隔。

j)根据公式(3)和(4)计算G_b和BW。

k)令j＝0，x(n,j)＝x(n)，n＝0,1,2,...，x(-1,j)＝0，x(-2,j)＝0，y(-1)＝0，y(-2)＝0。

l)由f_ST(j)计算出归一化频点ω₀(j)＝2π*f_ST(j)/F_s。

m)根据公式(6)～(8)分别计算出α(j)、β(j)和gain(j)。

n)根据公式(9)～(10)分别计算出陷波器系数A₀(j)、A₁(j)、A₂(j)、B₀(j)、B₁(j) 和B₂(j)。

o)根据下式进行一次单音干扰消除操作：

y(n)＝B₀(j)*x(n,j)+B₁(j)*x(n-1,j)+B₂(j)*x(n-2,j)

-A₁(j)*y(n-1)-A₂(j)*y(n-2)

p)令j＝j+1，x(n,j)＝y(n)，n＝0,1,2,...，y(-1)＝0，y(-2)＝0，x(-1,j)＝0， x(-2,j)＝0。

q)重复步骤k)～o)，得到消除最多N_MaxST个单音之后的输出时域信号y(n)。

综上，本发明具有如下特点：

1)该方法不需要估计单音的干扰强度，只需要估计出单音的频点位置。

2)整体计算复杂度低，只需要一次傅里叶变换，转换成频域进行能量判决和计算，便可搜索出可能的较强单音，并相应计算出每个较强单音对应的陷波器系数，滤波次数由搜索到的较强单音个数来决定，尽可能少地对有用信号造成损伤。

3)该方法可以检测出多个单音干扰信号，可以极大提高接收信号质量。

4)该方法可以针对所有通信系统中涉及到单音干扰的问题进行针对性处理。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单音干扰检测和消除方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取输入时域信号，并将输入时域信号转换至频域得到输入频域信号；

2)确定设定频域范围内每个子载波的功率、总功率和有效子载波个数；

3)搜索设定频域范围内功率最大的子载波；

4)计算总功率减去所述功率最大的子载波、位于功率最大的子载波前侧的M1个子载波、以及位于功率最大的子载波后侧的M2个子载波的功率和的差值，利用得到的差值更新所述总功率；计算有效子载波个数减去1、M1和M2的和的差值，利用得到的差值更新有效子载波个数；M1和M2均大于等于1；

5)判断所述功率最大的子载波的功率是否满足如下单音判断条件：P(K_st(j))*N_v＞T_M*P_T，K_st(j)表示功率最大的子载波的位置，P(K_st(j))表示功率最大的子载波的功率，N_v表示更新后的有效子载波个数，T_M表示设定的判断门限，P_T表示更新后的总功率；若功率最大的子载波的功率满足所述单音判断条件，则判定所述功率最大的子载波存在单音干扰，且置所述功率最大的子载波、位于功率最大的子载波前侧的M1个子载波、以及位于功率最大的子载波后侧的M2个子载波的功率为0；重新搜索设定频域范围内功率最大的子载波，重复步骤4)～5)，直至功率最大的子载波的功率不满足所述单音判断条件，以搜索出所有的单音干扰；

6)对步骤5)中确定的所述输入时域信号中存在的所有单音干扰进行消除。

2.根据权利要求1所述的单音干扰检测和消除方法，其特征在于，步骤6)中，采用陷波滤波器对所有单音干扰进行消除。

3.根据权利要求2所述的单音干扰检测和消除方法，其特征在于，采用二阶IIR陷波滤波器对所有单音干扰进行消除，过程包括：

6.1)采用如下方法对所述输入时域信号进行一个单音干扰消除操作：

①确定某单音干扰所对应的单音频点；

②根据单音频点确定二阶IIR陷波滤波器的系数因子和增益；

③依据二阶IIR陷波滤波器的系数因子和增益确定二阶IIR陷波滤波器的滤波系数；

④利用确定好滤波系数的二阶IIR陷波滤波器对所述输入时域信号进行单音干扰消除操作；

6.2)采用同步骤6.1)相同的方法，继续对所述时域输入信号进行其余单音干扰消除操作，直至所有单音干扰均被消除。

4.根据权利要求3所述的单音干扰检测和消除方法，其特征在于，步骤①中，确定所述单音频点的方法包括：

根据某存在单音干扰的功率最大的子载波、位于该功率最大的子载波前侧的1个子载波、位于该功率最大的子载波后侧的1个子载波的在步骤2)中确定的功率，进行如下计算：

式中，F_ST(j)表示计算结果；K_st(j)+1表示位于功率最大的子载波前侧的1个子载波的位置；P(K_st(j)+1)表示位于功率最大的子载波前侧的1个子载波的功率；K_st(j)-1表示位于功率最大的子载波后侧的1个子载波的位置；P(K_st(j)-1)表示位于功率最大的子载波后侧的1个子载波的功率；

根据计算结果F_ST(j)、功率最大的子载波的位置K_st(j)和子载波之前的频域间隔，计算得到所述某单音干扰对应的单音频点：

f_ST(j)＝(F_ST(j)+K_ST(j))*ΔF

式中，f_ST(j)表示单音频点；ΔF表示子载波之间的频域间隔，ΔF＝F_s/N，F_s表示采样频率，N表示输入时域信号的点数。

5.根据权利要求3所述的单音干扰检测和消除方法，其特征在于，步骤②中，所述二阶IIR陷波滤波器的系数因子和增益分别为：

α＝-2cos(ω₀)

gain＝1/(1+β)

式中，α、β均表示系数因子；gain表示增益；ω₀表示归一化单音频点，ω₀＝2π*f₀/F_s，f₀表示单音频点，F_s表示采样频率；BW表示陷波带宽；G_b表示陷波区域的绝对线性衰减幅度，G_b＝10^-APass/20，APass表示陷波衰减幅度。

6.根据权利要求5所述的单音干扰检测和消除方法，其特征在于，步骤③中，所述陷波滤波器的滤波系数为：

式中，A₀、A₁、A₂、B₀、B₁和B₂均表示滤波系数；

相应的，采用下式对输入时域信号进行单音干扰消除操作：

y(n)＝B₀*x(n)+B₁*x(n-1)+B₂*x(n-2)-A₁*y(n-1)-A₂*y(n-2)

式中，y(n)表示单音干扰消除后的信号；x(n)表示输入时域信号。

7.根据权利要求1所述单音干扰检测和消除方法，其特征在于，M1＝M2＝1。

8.根据权利要求1～7任一项所述单音干扰检测和消除方法，其特征在于，T_M＝80。

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