一種電力線中的抗噪信道估計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種適用于電力線載波(Power?Line?Carrier,PLC)通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾噪聲消除方法，主要用于解決PLC網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)出現(xiàn)且能量很高的脈沖干擾噪聲對整個通信系統(tǒng)帶來的性能衰減。該方法主要由接收機(jī)端信號幅度預(yù)處理和穩(wěn)健信道估計(jì)兩部分組成，通過接收機(jī)端信號幅度預(yù)處理來根據(jù)接收信號統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行對脈沖干擾噪聲的初次篩選濾除，繼而通過穩(wěn)健的信道估計(jì)對殘留噪聲的影響進(jìn)一步地削弱。與傳統(tǒng)常見的其他電力線噪聲消除算法相比，本發(fā)明專利技術(shù)提供的方法特征為：復(fù)雜度相對較低；對噪聲變化不敏感。此發(fā)明專利技術(shù)方案，從實(shí)踐可行性和有效性的角度出發(fā)來處理電力線噪聲消除的問題，使得信號在電力線載波傳輸過程中誤比特率降低，從而，系統(tǒng)可靠性得以提高。

An anti noise channel estimation method in power line

The invention discloses a method for power line carrier (Power Line Carrier, PLC) method to eliminate noise interference in the communication network, which is mainly used to solve the performance of pulse noise and high energy of the whole communication system random attenuation in PLC network. This method is mainly composed of an end signal amplitude pretreatment receiver and robust channel estimation is composed of two parts, by the end of the signal amplitude of the first receiver pretreatment pulse noise filtering screening according to statistical characteristics of the received signal, and then through the estimated impact on the residual noise sound channel further weakened. Compared with other conventional power line noise elimination algorithms, the method provided by the invention is characterized by a relatively low complexity and insensitivity to noise changes. This invention, starting to deal with power line noise elimination problem from the practical feasibility and effectiveness of the angle of the signal in power line carrier transmission process reduces the bit error rate, which can improve the system reliability.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種電力線中的抗噪信道估計(jì)方法
本專利技術(shù)涉及電力線載波通信領(lǐng)域，具體涉及一種低壓電力線通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的噪聲消除方法。
技術(shù)介紹
在電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸媒介的設(shè)計(jì)初衷為傳輸電信號，因此在數(shù)據(jù)信號傳輸過程中存在著信道環(huán)境不理想的問題，具體主要表現(xiàn)為通信信道共享、傳輸速率低、干擾噪聲突發(fā)且強(qiáng)、受環(huán)境因素影響大，隨之帶來通信失敗或鏈路壞損。所以，在電力自動抄表(AutomaticMeterReading,AMR)系統(tǒng)中，找到一種能夠自適應(yīng)的噪聲抑制算法，是解決制約電力線載波通信可靠性問題的有效手段。目前該方面的算法主要可以分為參數(shù)類和非參數(shù)類兩種方法。參數(shù)類消噪算法主要是設(shè)定信號服從某一特定模型，并對模型中的參數(shù)通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)的過程進(jìn)行估計(jì)。傳統(tǒng)的參數(shù)類消噪算法主要有削峰、消隱等非線性幅度處理以及迭代信道估計(jì)等。這類算法可以獲得較好性能，然而需要額外的訓(xùn)練開銷，并且在電力線通信中由于噪聲統(tǒng)計(jì)特性可能實(shí)時變化的場景下，易發(fā)生模型誤匹配而帶來急劇的性能惡化。非參數(shù)類消噪算法則擺脫了信號模型匹配與否、參數(shù)估計(jì)正確與否帶來的問題，它有效地利用了隨機(jī)脈沖噪聲的時域稀疏性。一種經(jīng)典的應(yīng)用為利用壓縮感知來進(jìn)行電力線噪聲消除。壓縮感知是一種對干擾信號的高度不完備線性測量的高精度重建，通過稀疏變換、正交觀察和信號重建來估計(jì)空閑碼域(既不攜帶信號也不攜帶導(dǎo)頻信息)上的信號，即隨機(jī)脈沖干擾信號。然而它的重建精度和FFT長度及空閑碼占比息息相關(guān)，難以達(dá)到重建精度和資源利用效率的均衡，且運(yùn)算復(fù)雜度極高，不易應(yīng)用于工程實(shí)踐。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)是為了解決現(xiàn)有AMR系統(tǒng)中缺乏有效并易實(shí)現(xiàn)的噪聲影響消除手段，提供了一種電力線通信網(wǎng)中的抗噪信道估計(jì)方法。其具體實(shí)施步驟如下：步驟一、接收機(jī)前端放置一個非線性處理器，按照一定規(guī)則設(shè)置其干擾噪聲判定閾值。在接收到信號之后根據(jù)其信號幅度進(jìn)行初步判斷是否為有效信號并作出相應(yīng)處理；步驟二、對預(yù)處理之后的時域信號進(jìn)行分析，根據(jù)對已知導(dǎo)頻信號的分析估計(jì)信道沖激響應(yīng)h；步驟三、進(jìn)行OFDM解調(diào)，主要由去除循環(huán)前綴、串并變換和傅里葉變換等組成；步驟四、根據(jù)信道估計(jì)結(jié)果，對該頻域信號進(jìn)行信道均衡和相位修正處理，恢復(fù)出原始發(fā)送信號。有益效果：本專利技術(shù)通過結(jié)合使用信號幅度非線性處理和穩(wěn)健信道估計(jì)算法，對抗電力線載波通信信道中難以預(yù)測及消除的強(qiáng)脈沖干擾噪聲的影響，從而降低信號傳輸過程中的誤碼率，提高系統(tǒng)性能。兩者的有效結(jié)合使得系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)非線性處理對閾值設(shè)置的敏感性，也為信道估計(jì)提供了一個良好的初始環(huán)境，免去多次迭代的高運(yùn)算復(fù)雜度，從而易用于工程實(shí)現(xiàn)，保障了方法的可行性和有效性。附圖說明下面將通過參照附圖詳細(xì)描述本專利技術(shù)的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本專利技術(shù)的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中：圖1是本專利技術(shù)所針對的電力線載波通信系統(tǒng)中的噪聲組成成分分析。圖2是本專利技術(shù)一個實(shí)施例的非線性處理器示意圖。圖3是本專利技術(shù)所針對的OFDM通信系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖4是本專利技術(shù)一個實(shí)施例的抗噪信道估計(jì)方法實(shí)施過程示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本專利技術(shù)，以此專利技術(shù)的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本專利技術(shù)，但并不作為對本專利技術(shù)的限定。圖1為電力線通信系統(tǒng)中的噪聲組成成分分析，其中的加性噪聲主要分為五類，有色背景噪聲、窄帶噪聲和工頻異步周期脈沖噪聲功率較小，隨時間變化緩慢，對通信系統(tǒng)造成損害較小。而工頻同步周期脈沖噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲是PLC通信系統(tǒng)中的主要噪聲成分，隨機(jī)脈沖噪聲是本專利技術(shù)主要考慮的消除對象。圖2為本專利技術(shù)一個實(shí)施例的非線性處理器示意圖。簡單地非線性處理主要有削峰、消隱等，對信號幅度做非線性處理，保持相位不變。消隱處理的表達(dá)式如下所示：其中，閾值T的設(shè)置可以通過基于接收信號的統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行預(yù)估。如在假設(shè)接收信號服從折疊正態(tài)分布的前提下，根據(jù)其累積概率分布曲線，按照一定可接受的虛警概率程度設(shè)置閾值。圖3為本專利技術(shù)所針對的OFDM通信系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，發(fā)送端主要進(jìn)行數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換、多路調(diào)制、插入導(dǎo)頻、IFFT處理、插入循環(huán)前綴以防止符號間串?dāng)_組成，最后疊加得到OFDM符號。接收端則對各路信號做FFT處理、解調(diào)，并將其在T時間周期內(nèi)積分，實(shí)現(xiàn)各個正交子信道的有效分離，最后通過并串變換得到串行數(shù)據(jù)流，即發(fā)送端想要發(fā)送的信息。圖4為本專利技術(shù)一個實(shí)施例的抗噪信道估計(jì)方法實(shí)施的通信系統(tǒng)過程示意圖，主要包括以下步驟：在步驟401中，發(fā)送機(jī)對發(fā)送比特流信號進(jìn)行OFDM調(diào)制，如圖3所示發(fā)送機(jī)部分流程所示進(jìn)行處理。在步驟402中，發(fā)送機(jī)將OFDM符號送入電力線介質(zhì)以載波形式進(jìn)行傳播，不可避免地發(fā)生一定衰變。在步驟403中，其中的加性噪聲如圖1所示。在步驟404中，非線性處理器如圖2所示。在步驟405中，OFDM解調(diào)包括符號同步，去除循環(huán)前綴，IFFT，信道估計(jì)等。而信道估計(jì)方案不同于傳統(tǒng)的信道估計(jì)，它在信道估計(jì)過程中將接收信號分為有效數(shù)據(jù)信號——可準(zhǔn)確還原發(fā)送信號的成分、可利用數(shù)據(jù)信號——夾雜部分可接受范圍內(nèi)噪聲影響的信號，和無效信號——脈沖干擾信號，并分別針對三類信號進(jìn)行不同處理，降低干擾信號對信道估計(jì)準(zhǔn)確率的影響。本方法主要在時域上對接收信號進(jìn)行分析處理，經(jīng)過OFDM調(diào)制之后的接收信號在時域上可表示為：其中，Kp，Ks分別代表導(dǎo)頻信號域和傳輸信號域，Np代表導(dǎo)頻長度。Xp，Xs為導(dǎo)頻符號和信息傳輸符號，zn指接收信號中除卻導(dǎo)頻信號之外的部分，主要由兩部分組成：其他信號和噪聲干擾。其中攜帶信息的未知符號也被認(rèn)為是噪聲信號，因?yàn)閷?shí)際上在做信道估計(jì)時只有導(dǎo)頻信號為有用信號。z＝y(tǒng)-Bh,0≤k≤Np-1,0≤m≤L-1,0≤n≤N-1其中，N,L分別為OFDM系統(tǒng)N-IFFT/FFT變換數(shù)目和系統(tǒng)中信道多徑數(shù)目。最后從信道估計(jì)誤差最小化的目的出發(fā)，根據(jù)如下最小化代價函數(shù)進(jìn)行求解信道時域沖激響應(yīng)h。當(dāng)接收信號為有效數(shù)據(jù)信號時則仍舊按照最小二乘方法進(jìn)行處理，當(dāng)接收信號為可利用數(shù)據(jù)信號時，其可信度有所折扣，因此削弱其對信道估計(jì)的影響，而當(dāng)接收信號為粗差時，則令其對應(yīng)代價函數(shù)值為恒定值，即在隨后的優(yōu)化過程中對信道相應(yīng)估計(jì)不起作用。根據(jù)穩(wěn)健誤差最小化的優(yōu)化目標(biāo)，即使代價函數(shù)最小化，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到：在步驟406中，由該估計(jì)時域沖激響應(yīng)推得估計(jì)頻域沖激響應(yīng)，進(jìn)行信道均衡和信號相位修正。在步驟407中，最后接收機(jī)端經(jīng)過判決和重生，恢復(fù)原始發(fā)送信號。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種適用于電力線載波通信系統(tǒng)中的抗噪信道估計(jì)方法，其特征在于：首先本專利技術(shù)考慮的是低壓電力線載波通信系統(tǒng)中的噪聲消除。目前的低壓電力線載波通信系統(tǒng)都是采用基于OFDM技術(shù)的通信協(xié)議，其次分析電力線上的噪聲組成成分，并據(jù)此設(shè)計(jì)合理的信道估計(jì)方案來進(jìn)行噪聲抑制。鑒于此，其主要由以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、接收機(jī)前端放置一個非線性處理器，在接收到信號之后根據(jù)其信號幅度進(jìn)行初步判斷是否為脈沖噪聲干擾并作出相應(yīng)處理；步驟二、對預(yù)處理之后的時域信號進(jìn)行分析，估計(jì)信道沖激響應(yīng)h；步驟三、進(jìn)行OFDM解調(diào)，主要由去除循環(huán)前綴、串并變換和傅里葉變換等組成；步驟四、根據(jù)信道估計(jì)結(jié)果，對該頻域信號進(jìn)行信道均衡和相位修正處理，恢復(fù)出原始發(fā)送信號。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種適用于電力線載波通信系統(tǒng)中的抗噪信道估計(jì)方法，其特征在于：首先本發(fā)明考慮的是低壓電力線載波通信系統(tǒng)中的噪聲消除。目前的低壓電力線載波通信系統(tǒng)都是采用基于OFDM技術(shù)的通信協(xié)議，其次分析電力線上的噪聲組成成分，并據(jù)此設(shè)計(jì)合理的信道估計(jì)方案來進(jìn)行噪聲抑制。鑒于此，其主要由以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、接收機(jī)前端放置一個非線性處理器，在接收到信號之后根據(jù)其信號幅度進(jìn)行初步判斷是否為脈沖噪聲干擾并作出相應(yīng)處理；步驟二、對預(yù)處理之后的時域信號進(jìn)行分析，估計(jì)信道沖激響應(yīng)h；步驟三、進(jìn)行OFDM解調(diào)，主要由去除循環(huán)前綴、串并變換和傅里葉變換等組成；步驟四、根據(jù)信道估計(jì)結(jié)果，對該頻域信號進(jìn)行信道均衡和相位修正處理，恢復(fù)出原始發(fā)送信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線抗噪信道估計(jì)方法，其特征在于，該方法主要是針對電力線載波通信系統(tǒng)中的隨機(jī)脈沖噪聲。這類噪聲一般表現(xiàn)為隨機(jī)到達(dá)、短暫出現(xiàn)的高能量尖峰脈沖，其功率可高達(dá)系統(tǒng)中背景噪聲的50dB以上，是寬帶電力線通信系統(tǒng)中的主要噪聲成分，一般可以通過建模為高斯混合模型：3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線抗噪信道估計(jì)方法，其特征在于，步驟一中的非線性信號處理器閾值設(shè)置對系統(tǒng)性能影響相對較為不敏感。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力線抗噪信道估計(jì)方法，其特征在于，步驟二中的信道估計(jì)方案不同于傳統(tǒng)的信道估計(jì)，它將針對夾雜脈沖噪聲...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：謝剛，毛敏，劉元安，高錦春，趙超，吳廣宇，劉凱明，
申請(專利權(quán))人：北京郵電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11