CN114421981B - 一种脉冲噪声滤波装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲噪声滤波装置，包括，脉冲噪声识别模块和脉冲噪声抑制模块，其中，所述噪声识别模块，其对输入数据信号缓冲后与预设的信号幅度阈值进行比较，判定脉冲噪声电平，并将识别控制信号发送给所述脉冲噪声抑制模块；所述脉冲噪声抑制模块，根据所述识别控制信号和预设的累积饱和阈值，对脉冲噪声信号进行抑制。本发明还提供一种脉冲噪声滤波方法，通过对通信模块模拟前端输出信号进行脉冲抑制，利用软硬件结合的参数配置机制，可以在线调整脉冲滤波器的行为，有效提升通信性能；具有实现简单，工作稳定，且支持灵活调整运算系数等优点。

Description

一种脉冲噪声滤波装置及方法

技术领域

本发明涉及电力线载波通信技术领域，尤其涉及电力线载波通信中脉冲噪声滤波装置及方法。

背景技术

电力线载波通信（Power Line Carrier Communication，简称PLC）是一种利用现有电力网络作为传输媒介的电力通信系统，广泛应用于远程抄表（用电信息采集）、自动计费、家庭宽带接入等领域。

在电力载波通信中，电力线信道传输环境存在多种复杂噪声干扰，如脉冲噪声、背景噪声及窄带干扰。这些干扰主要来源于电线的连接质量问题、接入电器的质量问题、大功率电器本身产生的噪声等问题，使得通电线路中存在大量不可预测的低频噪声干扰，尤其是脉冲噪声干扰。

为保证通信性能，接收机需要对模拟前端采样转成的数字信号进行FIR滤波，过滤掉频段以外的噪声。但是脉冲噪声往往是一个宽频谱的噪声，其覆盖范围可以影响至整个通信频段，通过例如数字限幅的方法，降低脉冲噪声对带内信号的影响。

现有技术中，数字限幅的方法主要包括：直接限幅法、直接归零法、差值限幅法等。但是实测表明，这些方法在应对电力线通信中的脉冲噪声时，其性能并不优越，究其原因是电力线通信环境中的脉冲噪声来源于大功率电器的周期性噪声，具有能量高、单位持续时间长、周期出现等显著特点。因此本发明根据电力线通信环境中的脉冲噪声的特点有针对性的设计了一款性能更优的脉冲噪声数字滤波装置。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种脉冲噪声滤波装置及方法，通过对通信模块模拟前端输出信号进行脉冲抑制，以应对电力载波通信中的脉冲噪声干扰，提升通信性能。

为了实现上述目的，本发明提供的脉冲噪声滤波装置，包括，脉冲噪声识别模块和脉冲噪声抑制模块，其中，

所述噪声识别模块，其对输入数据信号缓冲后与预设的信号幅度阈值进行比较，判定脉冲噪声电平，并将识别控制信号发送给所述脉冲噪声抑制模块；

所述脉冲噪声抑制模块，根据所述识别控制信号和预设的累积饱和阈值，对脉冲噪声信号进行抑制。

进一步地，所述噪声识别模块，包括，缓冲存储模块、绝对值比较器、累加器，以及向量存储器，其中，

所述缓冲存储模块，其对输入数据信号进行缓冲，将缓冲后的延迟数据信号分别发送给所述绝对值比较器和所述脉冲噪声抑制模块；

所述绝对值比较器，其将所述缓冲存储模块输出的延迟数据信号的幅度与预设的信号幅度阈值进行比较，判定脉冲噪声电平，并将比较结果发送给所述累加器和所述向量存储模块；

所述累加器，其根据所述绝对值比较器的判定结果，对向量存储模块输出的脉冲向量进行累加，输出识别控制信号到所述脉冲噪声抑制模块；

所述向量存储模块，其对所述绝对值比较器输出的比较结果进行存储。

进一步地，所述绝对值比较器，其将输入的延迟数据信号的每个时域点的绝对值与信号幅度阈值进行比较，并将比较结果发送给所述累加器和所述向量存储模块。

进一步地，所述向量存储模块，其将所述绝对值比较器输出的比较结果存储为脉冲向量序列的第一个值，超过阈值存储为1，表示该点为噪声，否则存储为0，表示该点为正常输入数据；每输入一个数据，脉冲向量序列右移一位。

进一步地，所述脉冲噪声抑制模块，包括，控制器和选择器，其中，

所述控制器，其根据所述识别控制信号和设定的累积饱和阈值，生成选择信号发送给所述选择器；

更进一步地，所述选择器，其根据所述选择信号，选择延迟数据信号或设定的预设值。

所述控制器内部设置有计数器，计数器初值设置为预设的脉冲抑制延迟参数；

所述控制器根据所述计数器的值，生成选择信号发送给所述选择器。

为了实现上述目的，本发明还提供一种脉冲噪声滤波方法，包括以下步骤，

1）将接收的输入数据信号与预设的信号幅度阈值进行比较，并将比较结果存储为脉冲向量；

2）对所述脉冲向量中一个窗口内的数据进行求和，识别脉冲噪声，并生成识别控制信号；

3）根据所述识别控制信号和预设的脉冲抑制延迟参数，生成选择信号，对脉冲噪声进行抑制。

进一步地，所述步骤1）还包括，

将接收的输入数据信号的每个时域点的绝对值与预设的信号幅度阈值进行比较，比较结果存储为脉冲向量序列的第一个值；超过所述信号幅度阈值存储为1，表示该时域点为噪声，否则存储为0，表示该时域点为正常输入数据；每输入一个数据脉冲向量序列右移一位。

更进一步地，所述步骤3）还包括，

如果所述识别控制信号的噪声数据点数大于预设的累积饱和阈值，对脉冲噪声进行抑制，否则输出为输入数据信号。

为实现上述目的，本发明还提供一种电力载波通信芯片，包括上文所述的脉冲噪声滤波装置。

本发明提供的脉冲噪声滤波装置及方法，与现有技术相比具有如下的技术效果：

通过对通信模块模拟前端输出信号进行脉冲抑制，利用软硬件结合的参数配置机制，可以在线调整脉冲滤波器的行为，有效提升通信性能；具有实现简单，工作稳定，且支持灵活调整运算系数等优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的脉冲噪声滤波装置结构示意图；

图2为根据本发明的双通道异构动态图像采集方法流程图；

图3为本发明的脉冲噪声滤波装置的数字电路实现结构示意图；

图4为本发明的脉冲抑制滤波装置输入输出信号测试结果示意图。

实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

图1为根据本发明的脉冲噪声滤波装置结构示意图，如图1所示，本发明的脉冲噪声滤波装置，包括，脉冲噪声识别模块10和脉冲噪声抑制模块20，其中，

脉冲噪声识别模块10，将输入信号经过缓冲后得到的延迟输出信号发送给脉冲噪声抑制模块20；对电力线通信系统的输入信号中的脉冲噪声进行识别，将识别控制信号发送给脉冲噪声抑制模块20。本发明实施例中，脉冲噪声识别模块10对脉冲噪声进行精准识别，避免将高斯白噪声或偶发性随机采样误差当作脉冲噪声错误识别。

脉冲噪声抑制模块20，其接收脉冲噪声识别模块10发送的延迟输出信号，并根据脉冲噪声识别模块10发送的识别控制信号，将识别出的脉冲噪声数据进行抑制处理。

本发明实施例中，脉冲噪声识别模块10，包括，缓冲存储模块11、绝对值比较器12、累加器13，以及向量存储模块14，其中，

缓冲存储模块11，用于对输入数据信号进行缓冲，将缓冲后的延迟数据信号分别发送给绝对值比较器12和脉冲噪声抑制模块20。

本发明实施例中，缓冲存储模块11的缓冲区长度取决于向量存储模块14的存储大小，影响脉冲噪声识别的准确性。

绝对值比较器12，其根据设定的信号幅度阈值（Impulse_Thr0），将缓冲存储模块11输出的延迟数据信号的幅度与信号幅度阈值进行比较，判定脉冲噪声电平，并将比较结果发送给累加器13和向量存储模块14。

本发明实施例中，绝对值比较器12将接收数据信号的每个时域点的绝对值与信号幅度阈值进行比较，并将比较结果发送给累加器13和向量存储模块14。

累加器13，根据绝对值比较器12的判定结果和向量存储模块14输出的脉冲向量进行累加，输出识别控制信号到脉冲噪声抑制模块20。

向量存储模块14，其对绝对值比较器12输出的比较结果进行存储。

本发明实施例中，向量存储模块14将绝对值比较器12输出的比较结果存储为impulse_signal_vector（脉冲向量）序列的第一个值，超过阈值存储为‘1’，表示该点判为噪声，否则存储为‘0’，表示该点为正常输入数据。每输入一个数据，impulse_signal_vector序列会右移一位。

本发明实施例中，脉冲噪声抑制模块20，包括，控制器21和选择器22，其中，

控制器21，根据脉冲噪声识别模块10输出的识别控制信号和设定的累积饱和阈值（Impulse_Thr1），在一定时间内输出一个选择信号给选择器22。

选择器22，其根据控制器21输出的选择信号，对来自脉冲噪声识别模块10的延迟数据信号和设定的预设值进行选择。

本发明实施例中，在抑制状态下，选择器22将输出数字信号保持为一个优选预设值，这个数值可以为0。在传输状态下，选择器22输出来自脉冲噪声识别模块10的延迟数据信号。

实施例

本发明还提供一种脉冲噪声滤波方法，通过实施例1中的脉冲噪声滤波装置进行脉冲噪声的抑制。

图2为根据本发明的脉冲噪声滤波方法流程图，下面将参考图2，对本发明的脉冲噪声滤波方法进行详细描述。

首先，在步骤201，将输入数据信号与预设的信号幅度阈值相比较。

在步骤202，将比较结果存储到向量存储模块14。

本发明实施例中，将接收数据信号的每个时域点的绝对值与信号幅度阈值进行比较，比较结果在向量存储模块14中被存储为impulse_signal_vector（脉冲向量）序列的第一个值。

在步骤203，将脉冲向量中一个窗口内的数据进行求和。

本发明实施例中，为了降低随机噪声带来的误判，累加器13对来自向量存储模块14的脉冲向量中一个窗口内的数据进行求和，生成识别控制信号。

在步骤204，控制器21判断识别控制信号中的和值是否大于预设累积饱和阈值。

在步骤205，和值大于预设累积饱和阈值时，控制器21将计数器初值设置为预设的脉冲抑制延迟参数。

在步骤206，控制器21判断计数器的值是否大于0。

在步骤207，在判断计数器的值不大于0，控制选择器22选择输入数据信号输出。

在步骤208，在判断计数器的值大于0，控制选择器22选择优选预设值输出。

本发明实施例中，脉冲抑制滤波装置用于对数字侧的可疑的脉冲信号进行抑制，在时域上直接对脉冲信号进行归零处理；通过分析一段时间内的信号饱和情况，在时域信号中自动识别脉冲信号，并对输出信号进行归零或直通处理。

首先，针对脉冲电平的判定，设置一个参数Impulse_Thr0表示时域信号幅度阈值。将接收数据信号的每个时域点的绝对值与Impulse_Thr0进行比较，比较结果存储为impulse_signal_vector序列的第一个值。超过阈值存储为‘1’，表示该点判为噪声，否则存储为‘0’，表示该点为正常输入数据。每输入一个数据，impulse_signal_vector序列会右移一位。

其次，针对脉冲噪声的判定，由于实际信道存在偶发性随机噪声，为了降低随机噪声带来的误判，对脉冲向量impulse_signal_vector中一个窗口内的数据进行求和，得到sum。设定一个累积饱和阈值Impulse_Thr1，如果噪声数据点数达到饱和阈值，即sum >=Impulse_Thr1，则认为该窗口内存在脉冲噪声。

最后，针对脉冲噪声的处理，当检测到窗内存在脉冲噪声时，进入脉冲抑制状态。从该窗的第一个点开始，将输出置0。根据提取到的脉冲噪声特征分析得到，脉冲噪声本身会持续一段时域宽度。因此，设置一个脉冲抑制延迟参数Impulse_delay，对应配置一个计数器。只要在某个点步骤二处于检测到脉冲噪声状态，则初始化计数器的值为Impulse_delay。从这个点开始至impulse_delay的最后一个点，对应的输出全部置为0。直到步骤二退出发现脉冲噪声状态，计数器的值不再被重置为初值，递减到0后退出脉冲抑制状态。

图3为本发明的脉冲噪声滤波装置的数字电路实现结构示意图，如图3所示，目前主流的电力线载波通信协议采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)技术，根据示波器反映的脉冲噪声时域特征与OFDM时域子载波调制波形特征的差异，配置阈值Impulse_Thr0，位宽为12bit。因为PLC是纯实数信号，所以时域点的绝对值简化为判定符号位，负数取反+1操作，对于0x800特殊处理->0x7ff）。

脉冲噪声判定窗口宽度取为13，在电路上采用13个寄存器顺序存储输入数据实现宽度为13的窗口。impulse_signal_vector长度取为窗口长度，也通过13个触发器实现。每输入一个数据，这些寄存器就会顺序移动一个数据单元。因为这个滤波装置需要连续判定13个点，因此滤波装置输出延迟13个点。累积饱和阈值Impulse_Thr1配置为7。

采用加法器实现滤波器窗口内的向量vector序列求和。具体地，由于vector序列会在每个数据输入时右移，因此在vector[0]处使用一个加法器，同时减去vector[12]中的值，即可得到整个序列值的和。

脉冲抑制延迟Impulse_delay的配置，默认设置为32个点。由控制器实现该延迟，输出旁路信号，决定脉冲滤波器输出0还是原信号。

在测试中，设置阈值Impulse_Thr0为1024，输入输出波形如图4所示，输入数据波形中超过1024的部分都被置为0，有效实现了脉冲抑制。

本发明实施例提供的脉冲噪声滤波装置和方法，是针对电力线载波通信特点而设计的，应用于电力线载波通信芯片。利用软硬件结合的参数配置机制，可以在线调整脉冲滤波装置的行为，有效提升通信性能。

还提供一种电力载波通信芯片，包括上述实施例1的脉冲噪声滤波装置，有效提升通信性能。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种脉冲噪声滤波装置，其特征在于，包括，脉冲噪声识别模块和脉冲噪声抑制模块，其中，

所述噪声识别模块，其对输入数据信号缓冲后与预设的信号幅度阈值进行比较，判定脉冲噪声电平，并将识别控制信号发送给所述脉冲噪声抑制模块；

所述脉冲噪声抑制模块，根据所述识别控制信号中的和值和预设的累积饱和阈值，对脉冲噪声信号进行抑制；

所述噪声识别模块，包括，缓冲存储模块、绝对值比较器、累加器，以及向量存储模块，其中，

所述缓冲存储模块，其对输入数据信号进行缓冲，将缓冲后的延迟数据信号分别发送给所述绝对值比较器和所述脉冲噪声抑制模块；

所述绝对值比较器，其将所述缓冲存储模块输出的延迟数据信号的幅度与预设的信号幅度阈值进行比较，判定脉冲噪声电平，并将比较结果发送给所述累加器和所述向量存储模块；

所述累加器，其根据所述绝对值比较器的判定结果，对向量存储模块输出的脉冲向量进行累加，输出识别控制信号到所述脉冲噪声抑制模块；

所述向量存储模块，其对所述绝对值比较器输出的比较结果进行存储。

2.根据权利要求1所述的脉冲噪声滤波装置，其特征在于，所述绝对值比较器，其将输入的延迟数据信号的每个时域点的绝对值与信号幅度阈值进行比较，并将比较结果发送给所述累加器和所述向量存储模块。

3.根据权利要求1所述的脉冲噪声滤波装置，其特征在于，所述向量存储模块，其将所述绝对值比较器输出的比较结果存储为脉冲向量序列的第一个值，时域点的绝对值超过阈值存储为1，表示该时域点为噪声，否则存储为0，表示该时域点为正常输入数据；每输入一个数据，脉冲向量序列右移一位。

4.根据权利要求1所述的脉冲噪声滤波装置，其特征在于，所述脉冲噪声抑制模块，包括，控制器和选择器，其中，

所述控制器，其根据所述识别控制信号中的和值和设定的累积饱和阈值，生成选择信号发送给所述选择器；

所述选择器，其根据所述选择信号，选择延迟数据信号或设定的预设值。

5.根据权利要求4所述的脉冲噪声滤波装置，其特征在于，

所述控制器内部设置有计数器，所述识别控制信号中的和值大于设定的累积饱和阈值时，所述控制器将计数器初值设置为预设的脉冲抑制延迟参数；

所述计数器的值不大于0，控制所述选择器选择延迟数据信号输出；

所述计数器的值大于0，控制选择器选择设定的预设值输出。

6.一种脉冲噪声滤波方法，应用于权利要求1-5任一项所述的脉冲噪声滤波装置，包括以下步骤，

1）将接收的输入数据信号缓冲后与预设的信号幅度阈值进行比较，并将比较结果存储为脉冲向量；

2）对所述脉冲向量中一个窗口内的数据进行求和，生成识别控制信号；

3）所述识别控制信号中的和值大于设定的累积饱和阈值时，控制器将计数器初值设置为预设的脉冲抑制延迟参数；计数器的值不大于0，控制选择器选择延迟数据信号输出；计数器的值大于0，控制选择器选择设定的预设值输出，对脉冲噪声进行抑制。

7.根据权利要求6所述的脉冲噪声滤波方法，其特征在于，所述步骤1）还包括，

将接收的输入数据信号缓冲后的信号每个时域点的绝对值与预设的信号幅度阈值进行比较，比较结果存储为脉冲向量序列的第一个值；超过所述信号幅度阈值存储为1，表示该时域点为噪声，否则存储为0，表示该时域点为正常输入数据；每输入一个数据脉冲向量序列右移一位。

8.根据权利要求6所述的脉冲噪声滤波方法，其特征在于，所述步骤3）还包括，

如果所述识别控制信号的噪声数据点数大于预设的累积饱和阈值，对脉冲噪声进行抑制，否则输出为延迟数据信号。

9.一种电力线载波通信芯片，其特征在于，所述电力线载波通信芯片，包括权利要求1-5任一项所述的脉冲噪声滤波装置。