窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法

趙化君

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

窄帶電力線通信主要是利用電力線，完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的通信技術(shù)。電力線通信信道經(jīng)常受到多種噪聲的干擾，通信信號中包含背景噪聲，影響通信質(zhì)量。針對電力線通信質(zhì)量問題，研究人員設(shè)計了基于L1-L1 優(yōu)化算法的窄帶通信背景噪聲抑制方法與基于壓擴(kuò)變換的窄帶通信信道背景噪聲抑制方法。其中，基于L1-L1 優(yōu)化算法的窄帶通信背景噪聲抑制方法利用正交頻分復(fù)用技術(shù)，將背景噪聲與脈沖噪聲進(jìn)行壓縮感知，并將背景噪聲抑制問題轉(zhuǎn)化為L1-L1 最小化問題，減少背景噪聲對通信信道的影響[1]?；趬簲U(kuò)變換的窄帶通信信道背景噪聲抑制方法主要是利用壓擴(kuò)變換的形式，壓縮發(fā)射端的通信信號，得出其擴(kuò)展信號幅值[2]。接收端使用壓擴(kuò)峰值抑制技術(shù)來減小背景噪聲，并對信號進(jìn)行降噪處理。這2 種方法均能夠抑制背景噪聲，但受窄帶電力線通信信道的影響，背景噪聲信號的識別失誤率較高，影響了通信質(zhì)量[3]。因此，文章設(shè)計一種新型窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法。

1 窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法設(shè)計

1.1 提取電力線通信信道背景噪聲衰減特征

在電力線通信信道中，背景噪聲主要來源于電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備和干擾源。這些噪聲源產(chǎn)生的噪聲信號會與傳輸?shù)男盘栂嗷クB加，導(dǎo)致信號質(zhì)量的下降和誤碼率的增加。由于電力線通信信道的特殊性質(zhì)，背景噪聲的特性與傳統(tǒng)的無線通信信道存在一定的差異[4]。在電力線通信中，背景噪聲的頻率范圍通常在幾百kHz 到數(shù)十MHz 之間，且具有較大的噪聲強(qiáng)度和復(fù)雜的噪聲分布。此外，電力線通信信道的阻抗和負(fù)載變化會對背景噪聲的特性產(chǎn)生影響[5]。為了提取電力線通信信道背景噪聲的衰減特征，需要分析信號傳輸衰減函數(shù)。假設(shè)在阻抗匹配的情況下，信號傳輸為A →B →D →C，則A →C 的頻率響應(yīng)為

式中：H(f)為A →C 的頻率響應(yīng)；gi為第i條通信信道的路徑權(quán)重；f為衰減幅度；di為電力線長度；A(f,di)為信道衰減函數(shù)。電力線衰減因子表示為

式中：α(f)為電力線衰減因子；α0、α1為衰減指數(shù)；fk為衰減因子的指數(shù)。本文根據(jù)背景噪聲信號頻率響應(yīng)、衰減函數(shù)的變化情況，確定了電力線上的負(fù)載分布，從而確保信號傳輸效果。

1.2 構(gòu)建窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制模型

針對窄帶背景噪聲情況，采用白化濾波進(jìn)行處理，并根據(jù)背景噪聲的類型、強(qiáng)度、分布等情況，生成不同的抑制條件，確保背景噪聲抑制效果[6]。假設(shè)r為接收信號，s為背景噪聲信號，則構(gòu)建出背景噪聲抑制模型為

式中：H0、H1為窄帶噪聲與強(qiáng)電噪聲2 種背景噪聲假設(shè)；v為高斯色噪聲。在H0、H1的噪聲假設(shè)下，計算背景噪聲的似然對數(shù)，公式為

式中：l(r)為背景噪聲的似然對數(shù)；p為判決門限。根據(jù)l(r)，檢測通信信道中的噪聲，通過時域分析、頻域分析、能量檢測，確定背景噪聲的類型、強(qiáng)度、分布情況[7]。當(dāng)l(r)＞0 時，背景噪聲的時域特征向量趨近于1，采用時域濾波器抑制噪聲；當(dāng)l(r)=0 時，背景噪聲的頻域特征向量趨近于1，采用頻域濾波器抑制噪聲；當(dāng)l(r)＜1 時，背景噪聲的空間特征向量趨近于1，采用空間濾波器抑制噪聲。

1.3 抑制通信信道背景噪聲雜波分量

本文根據(jù)時域、頻率、空間的變化情況，使用不同的濾波器抑制噪聲的過程中，能夠減少通信信道的部分雜波噪聲。受通信信號的影響，信道中仍存在雜波分量，影響通信質(zhì)量[8]。因此，本文調(diào)制了背景噪聲雜波相位與頻率，增加了背景噪聲信號帶寬，從而滿足背景噪聲抑制需求。利用抑制參數(shù)，將原始背景信號轉(zhuǎn)換為具有更高頻帶的信號，從而增加信號的抗干擾能力。設(shè)背景噪聲信號K=[k1,k2,…,kn]，則雜波分量的概率密度值為

式中：h(x)為雜波分量抑制峰值；RI為四分間距，表示雜波分量的衡量方式。雜波分量抑制完成之后，將同一段通信信號在信道中重復(fù)傳輸，輸出的信號信噪比越接近，證明噪聲抑制效果越佳。

2 仿真實驗

為了驗證本文設(shè)計的方法是否滿足窄帶電力線通信信道背景噪聲的抑制需求，搭建了一個仿真實驗平臺，進(jìn)行了仿真分析。最終的實驗結(jié)果以文獻(xiàn)[1]基于L1-L1 優(yōu)化算法的窄帶通信背景噪聲抑制方法、文獻(xiàn)[2]基于壓擴(kuò)變換的窄帶通信信道背景噪聲抑制方法以及本文設(shè)計的窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法進(jìn)行對比的形式呈現(xiàn)。具體的實驗準(zhǔn)備過程和最終的實驗結(jié)果如下。

2.1 實驗過程

本次實驗使用MATLAB 仿真出窄帶電力線通信信道的背景噪聲，子載波數(shù)量為512，調(diào)制方式為16QAM，循環(huán)前綴的長度為64。本文根據(jù)一段真實的通信信道傳輸信號，模擬背景噪聲。使用壓擴(kuò)函數(shù)對噪聲進(jìn)行壓擴(kuò)，通過具有背景噪聲的電力線衰落信道，獲得最終的接收信號。對接收信號的峰值進(jìn)行Blanking-Clipping 處理，分析背景噪聲的存在區(qū)間。背景噪聲信號的頻譜密度如圖1 所示。

圖1 背景噪聲信號的頻譜密度

如圖1 所示，本文使用EC 壓擴(kuò)轉(zhuǎn)換器，對原始背景信號幅度進(jìn)行壓擴(kuò)。原始信號中，頻譜密度在0 ～0.5 dB/Hz 變化，整體曲線較為平緩，無法判斷背景噪聲的分布情況。通過壓擴(kuò)之后，擴(kuò)增信號幅度0.8 ～1.8 dB 區(qū)段，該區(qū)段的頻譜密度在0 ～4.5 dB/Hz變化，波動較為明顯。通過噪聲信號壓擴(kuò)之后，背景噪聲更加明顯，能夠滿足后續(xù)噪聲抑制需求。

2.2 實驗結(jié)果

在上述實驗條件下，本文隨機(jī)選取10 組噪聲，每組重復(fù)10 次，取平均值統(tǒng)計噪聲抑制情況，實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 實驗結(jié)果

如表1 所示，MKL_1 為電力線上電壓、電流波動引起的噪聲；MKL_2 為通信設(shè)備運行產(chǎn)生的強(qiáng)電噪聲；MKL_3 為雷電電磁脈沖噪聲；MKL_4 為自然災(zāi)害引起的噪聲；MKL_5 為傳輸介質(zhì)不均勻引起的噪聲；MKL_6 為相鄰線路的耦合噪聲；MKL_7 為分子熱運動產(chǎn)生的噪聲；MKL_8 為瞬態(tài)脈沖噪聲；MKL_9 為宇宙射線引起的噪聲；MKL_10 為動物或昆蟲對通信信道產(chǎn)生的干擾噪聲。

使用本文設(shè)計的窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法之后，衰減因子呈現(xiàn)上升態(tài)勢，雜波分量處于高水平。經(jīng)過噪聲抑制之后，信噪比在10 ～17 dB變化，誤碼率在0.03×10-6～0.12×10-6bit 變化。由此可見，使用本文設(shè)計的方法能夠有效地抑制通信信道背景噪聲，為窄帶電力線通信質(zhì)量提供保障。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法。從信號衰減特征、噪聲抑制模型、雜波分量抑制等方面，找出通信信道背景噪聲的來源，并對不同類型的噪聲采取不同的抑制方法。通過噪聲來源檢測、噪聲分類、噪聲估計、噪聲抑制等形式，驗證了背景噪聲抑制方法的可行性與優(yōu)越性，有效提高了電力的通信質(zhì)量。