李蕊， 丁寧， 史鵬博， 程詩堯， 李雪城

(國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院， 北京 100162)

0 引言

低壓電力載波通信(Low-voltge Power Line Communication，LPLC)是一種通過電力線進(jìn)行信號傳遞的通信方式，也是使用較早的PLC技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)等自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)中。但低壓配電網(wǎng)中負(fù)載狀況比較復(fù)雜，噪聲種類多，其中脈沖噪聲強(qiáng)度非常大，會導(dǎo)致傳輸信號的諧振與反射現(xiàn)象，進(jìn)而造成信號衰減。

為改善通信質(zhì)量，譚周文等[1]提出基于壓縮感知與虛警概率相結(jié)合的脈沖噪聲抑制方法。利用零子載波觀測脈沖噪聲投影，使用追蹤降噪法估計(jì)脈沖噪聲,結(jié)合門限獲得噪聲支撐集合，在該集合上通過最小二乘方法對信號進(jìn)行重構(gòu)，得到去噪后的通信信號。申敏等[2]提出基于迭代消除非線性失真的改進(jìn)置零法來消除脈沖噪聲。對接收到的時域信號進(jìn)行脈沖檢測與置零處理,從頻域接收信號中去除重構(gòu)的非線性失真，完成脈沖噪聲抑制。

上述兩種方法雖然能夠獲得較好的去噪效果，但是重構(gòu)后的信號在幅度方面會有損失。為此，本文設(shè)計(jì)一種電力載波通信脈沖噪聲過濾系統(tǒng)。

1 低壓配電網(wǎng)電力載波通信脈沖噪聲模型

低壓配電網(wǎng)通信情況如圖1所示。

圖1 LPLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

低壓配電網(wǎng)信道中存在多種噪聲，其中最具代表性的是脈沖噪聲，其又可以分為周期噪聲[3]與隨機(jī)噪聲[4]。

(1) 周期脈沖噪聲模型

周期噪聲中包括單獨(dú)脈沖與脈沖串，可看作是衰減的正弦波[5]。單獨(dú)脈沖可通過指數(shù)規(guī)律衰減的正弦信號描述，如式(1)。

Nimp=Ae-t/τsin(2πft+φ)

(1)

式中，A為脈沖幅度，通過測量統(tǒng)計(jì)獲得相應(yīng)的概率分布情況；τ為時間常數(shù)。正弦波原始相位在0-2π之間隨機(jī)生成[6]。脈沖頻率也可稱作偽頻率f0，其累計(jì)分布與威布爾分布較為接近，分布函數(shù)表示為式(2)。

f(x)=abxb-1e-axb

(2)

根據(jù)真實(shí)頻率分布規(guī)律能夠?qū)⒑瘮?shù)進(jìn)行分段表示：當(dāng)脈沖頻率在600 kHz—5 MHz范圍內(nèi)時，參數(shù)取值為a=0.59、b=2.27；若頻率高于5 MHz時，a=5×10-7、b=6.07。

脈沖串即為時間軸上的連續(xù)脈沖，是多個單獨(dú)脈沖的累計(jì)，為式(3)。

(3)

式中，tarr表示脈沖生成時間。

(2) 隨機(jī)脈沖噪聲模型

表述噪聲狀態(tài)的n個狀態(tài)Zi=(i,1,2,…,n)可被分解為A′(i-1,2,…,v)與B′(i=v+1,v+2,…,n)兩部分，輸出函數(shù)如式(4)。

(4)

式中，A′與B′分別表示無脈沖狀態(tài)與有脈沖狀態(tài)。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)匯總，構(gòu)建A′與B′的獨(dú)立轉(zhuǎn)移狀態(tài)矩陣。利用矩陣狀態(tài)的改變來表示隨機(jī)噪聲模型。如果脈沖寬度高于設(shè)定值tw，其概率cpfw的表達(dá)式如式(5)。

(5)

若脈沖間隔高于固定值td時，概率cpfd能夠表示為式(6)。

(6)

cpfw與cpfd由許多加權(quán)指數(shù)和組成，利用脈沖寬度與間隔獲得矩陣元素值，再通過曲線進(jìn)行擬合。

2 脈沖噪聲過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件開發(fā)

去噪系統(tǒng)硬件包括傳輸模塊、串口模塊、儲存模塊和處理模塊。硬件部分連接示意圖如圖2所示。

圖2 硬件部分連接示意圖

(1) 傳輸模塊

低壓配電網(wǎng)電力線載波通信需要長距離傳輸與性能穩(wěn)定的傳輸通道，所以該模塊利用RFTRI方式實(shí)現(xiàn)傳輸。本文選取的傳輸模塊配備的天線標(biāo)準(zhǔn)是50歐姆，可使用配套的USB轉(zhuǎn)換器、RS232/RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)該模塊與終端設(shè)備的連接，方便開發(fā)者測試有關(guān)通信。RFTRI模塊的引腳定義如表1所示。

表1 RFTRI模塊引腳定義表

(2)串口模塊

串口又可以稱為串行接口，也是一種通信接口。根據(jù)電氣劃分標(biāo)準(zhǔn)分為RS-232-C、RS-422、RS485。

RS-422、RS485與RS-232-C接口相比在傳輸距離與速度上更占優(yōu)勢。以飛凌公司配套提供的串口展示卡為例，將外部串口擴(kuò)展為標(biāo)準(zhǔn)串口，方便與其它設(shè)備相連，如圖3所示。

圖3 串口模塊連接示意圖

(3) 儲存模塊

脈沖噪聲過濾過程需接收與儲存海量的數(shù)據(jù)，綜合考慮數(shù)據(jù)量、設(shè)備功耗與開發(fā)成本等問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時可利用開發(fā)板的SD卡座外接SD卡進(jìn)行儲存。

(4)處理模塊

處理模塊選擇的是S3C6410處理器，S3C6410集成一些硬件外設(shè)，例如I/O接口、電源接口、通道接口等，這些接口提高系統(tǒng)總體性能，減少投入成本。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件架構(gòu)設(shè)立

噪聲過濾系統(tǒng)中軟件包括操作系統(tǒng)內(nèi)核定制、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 噪聲過濾系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)核定制部分是過濾系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)流程、管理內(nèi)存，決定系統(tǒng)的應(yīng)用性能與穩(wěn)定性。

2.2.2 軟件算法研究

脈沖噪聲過濾系統(tǒng)必須在某種去噪算法基礎(chǔ)上進(jìn)行，本文利用小波閾值去噪法來實(shí)現(xiàn)噪聲過濾。

假設(shè)某存在噪聲的一維信號模型表示為式(7)。

f′(t′)=s′(t′)+n′(t′)

(7)

式中，f′(t′)為帶噪聲信號；s′(t′)為有用信號；n′(t′)為噪聲，可將其看作是一個噪聲模量，滿足N(0,σ2)分布的高斯白噪聲。

小波閾值去噪的整體過程分為小波基選擇、閾值函數(shù)構(gòu)建、連續(xù)小波變換。

(1) 小波基選取

在小波變換過程中，小波基的選取會對信號的處理結(jié)果造成影響，進(jìn)而改變?nèi)ピ胂到y(tǒng)性能。在選取小波基時必須綜合考慮消失矩、對稱性與正則性三個性質(zhì)。

消失矩：針對小波函數(shù)ψ(t′)∈L2(R)，如果符合式(8)。

(8)

則將ψ(t′)稱為具備R階的消失矩。根據(jù)小波函數(shù)零均值性質(zhì)可得，任意小波函數(shù)最小存在零階消失矩。

對稱性：假設(shè)ψ(t′)∈L2(R)，若ψ(a+t′)=ψ(a-t′)，則表明ψ(t′)存在對稱性；若ψ(a+t′)=-ψ(a-t′)，則ψ(t′)具備反對稱性。

具有對稱與反對稱性質(zhì)的小波函數(shù)能夠構(gòu)建緊支撐的小波基，更具有線性相位，這對于信號去噪非常有用。

(9)

選取同時滿足上述條件的小波基當(dāng)作本文算法的小波基。

(2) 閾值函數(shù)構(gòu)建

閾值函數(shù)能夠表現(xiàn)出對小波系數(shù)進(jìn)行處理所利用的方式，常用的算法是硬閾值與軟閾值函數(shù)，但是這兩種算法均存在一定局限性。為此，本文提出軟、硬閾值折中函數(shù)為式(10)。

Wnew(j,k)=

(10)

式中，w(j,k)表示帶噪信號經(jīng)過小波分解后的小波系數(shù)；λ表示選定閾值。

(3) 連續(xù)小波變換

對小波函數(shù)進(jìn)行平移與伸縮變換可以獲得小波序列，稱其為子小波，表達(dá)式如式(11)。

(11)

式中，a為尺度因子，體現(xiàn)序列尺度；b為平移因子，反映小波函數(shù)在時間軸上的位置。ψa,b(t)通常是時域上以t=b為中心的帶通函數(shù)，無論在時域還是頻率上均存在局部化特征。

假設(shè)噪聲信號f′(t′)的能量是有限的，即f′(t′)∈L2(R)，則連續(xù)小波變換式為式(12)。

a≠0

(12)

式(12)表明小波變換將一元函數(shù)f′(t′)變換為時間-頻率平面上的二元函數(shù)Wf′(a,b)，可將其當(dāng)作是一個利用不同濾波器ψa,b(t)對信號f′(t′)進(jìn)行過濾的過程。小波變換可以很好地體現(xiàn)信號每個瞬態(tài)分量存在的頻率與發(fā)生時間，根據(jù)小波變換結(jié)果即可對初始信號進(jìn)行重構(gòu)，過濾掉信號中的噪聲。

3 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與研究

本文對基于小波去噪的脈沖噪聲過濾系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，同時將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)中通信數(shù)據(jù)長度1 024 bit，子載波數(shù)量為98個，利用共軛對稱方法對其調(diào)制，所以子載波總數(shù)量為196，零載波數(shù)量是850。脈沖噪聲出現(xiàn)幾率為0.011，噪聲類型為高斯白噪聲，噪聲大小取決于信噪比，噪聲和背景噪聲的功率比為40 dB，信號和背景噪聲的功率比為35 dB。初始信號與加入噪聲后的信號波形圖如圖5所示。

圖5 初始信號與加噪信號波形圖

分別使用三種不同方法對加噪后的信號進(jìn)行去噪處理，去噪效果如圖6所示。

圖6 不同方法噪聲過濾效果對比圖

由圖6能夠看出三種方法中，本文方法的過濾效果最好，與初始信號波形最接近;文獻(xiàn)[1]方法對脈沖信號進(jìn)行過濾，雖然能去除大部分噪聲，但是前半部分信號噪聲依舊較為明顯，隨著時間的推移，去噪效果有所改善；文獻(xiàn)[2]方法去噪效果好于文獻(xiàn)[1]，但是信號幅度方面會有損失，尤其在波峰位置，因此會導(dǎo)致傳輸性能下降，信號出現(xiàn)失真。此外，對比三種系統(tǒng)的誤碼率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)誤碼率

由圖7可知，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，通信范圍不斷擴(kuò)大，其中噪聲的干擾強(qiáng)度也隨之提高。在此種環(huán)境下，本文方法噪聲過濾系統(tǒng)展示出強(qiáng)大的性能，能夠使傳輸誤碼率始終保持在較低狀態(tài)。這正是由于小波閾值去噪方法可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確過濾，才能有效提高傳輸性能，降低誤碼率。

4 總結(jié)

文章在ALTERA DE2開發(fā)板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種噪聲過濾系統(tǒng)，通過小波閾值法對小波進(jìn)行變換，獲得重構(gòu)后的初始信號，實(shí)現(xiàn)小波過濾。實(shí)驗(yàn)證明，該方法具有較強(qiáng)的噪聲過濾性能，能有效提高通信性能。

為此在下一步的研究中，可增加用戶可控參數(shù)，使系統(tǒng)可以隨機(jī)產(chǎn)生不同噪聲數(shù)據(jù)，更好地驗(yàn)證系統(tǒng)性能。