基于數據多重模糊過濾的電網信號弱區域通信系統設計

張萬杰，李宏梅，李艷，張磊，楊立超

（云南電網有限責任公司德宏供電局，云南德宏 678400）

電網信號弱區域與正常區域相比，場強更低，通常隧道、坑道、礦區和地下停車場，這些區域的電磁波會受到外界干擾，或吸收、或阻擋、或反射，難以以正常的狀態運行。為了保證弱區域的接收機能夠接收到足夠強的信號，需要改變該區域的門限，確保弱區域內部的場強以合理的方式分布，防止同頻造成的干擾，從而使用戶能夠正常通信。

以往針對電網信號弱區域通信的研究多采用集成控制平臺，呂朋朋等人[1]設計了基于BIM 技術的弱電系統集成控制平臺，建立弱電系統電路阻抗參數模型，通過參數融合分析，搭建逆變器實驗平臺，實現弱電系統集成，完成穩定輸出，該系統具有很好的增益效果，能夠快速實現集成，但是通信能力較弱。鄭振峰[2]設計了基于窗函數的弱電信號智能感知系統，通過KE-INT 實時控制機箱和NH5486 模擬輸入模板完成信息控制和操作，該系統雖然具有較強的信息感知能力，但是并沒有針對通信系統進行深入的研究。

數據多重模糊過濾能夠很好地減少不相關數據的產生，利用仿真節點對不相關數據進行處理，從而降低成本開銷。因此該文數據多重模糊過濾設計了一種新的電網信號弱區域通信系統，從硬件、軟件出發進行優化處理，并利用實驗驗證了系統的可行性。

1 系統硬件設計

該文研究的通信系統能夠將音頻信號和視頻信號通過壓縮和編碼處理轉換成數據信息復用打包的傳輸碼流，壓縮過程符合MPEG 標準，系統內部以激勵器為核心，利用信道編碼和調制完成信號模擬，通過變頻進入所需頻道，利用射頻器放大信號[3]。系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

觀察上圖可知，系統硬件主要包括COFDM 編碼單元、時鐘同步模塊、I/Q 調制器和UHF 變頻器。輸入信號在經過激勵器時，以MPEG-TS 碼流的形式輸出，通過數字播控中心完成多次壓縮編碼，通過打包處理形成傳輸碼流，輸出信號通過編碼、調制和變頻處理形成模擬信號，再由激勵器實現信號的處理和調制，在確保增加信號的抗干擾能力后，對信息進行正常接收，從而使信號能夠順利傳輸[4]。

1.1 COFDM編碼單元設計

在傳輸信號的過程中，多徑效應會影響信息正常通信，因此需要利用COFDM 進行正交頻分復用調節，通過調制不同的信號，將信號分解，并統一傳遞，統一發送，通過提高信號的傳播周期，增強信號的抗干擾能力[5-6]。COFDM 編碼器遵照ETSI 標準，能夠很好地處理信號的幀結構，完成信息編碼和調制。COFDM 編碼器工作原理如圖2 所示。

圖2 COFDM編碼器工作原理

根據圖2 可知，在數據隨機處理過程中，信息過長可能會出現0 或1，因此需要隨機處理，電路進行隨機轉化，在每組電路上安設移位寄存器，外碼采用截短碼的方式，這種模式采用R-S 編碼，提高信息的糾錯能力[7]。同時使用內交織和外交織完成數據交織，信號在各個不同信道中傳輸，會出現各種不同的差錯，由于數據之間的關聯性，一旦錯誤發生就會導致連篇數據出錯，一旦錯誤集中，將很難處理，因此通過交織減少數據的集中程度[8]。編碼器的內碼采用卷積碼進行糾錯，糾錯性能很強，能夠減少內部的誤碼[9-10]。

1.2 I/Q調制器設計

調制器內部的信號為固定信號，因此需要通過變頻器轉移到RF 激勵器中，以此完成信息的調制。I/Q 調制器結構如圖3 所示。

圖3 I/Q調制器結構

根據圖3 可知，I/Q 信號通過校正完成數據模擬轉換，通過模擬映射完成數據信息轉換，利用信號模擬使通信信息能夠達到需要的頻率，再以RF 射頻模式輸出。I/Q 調制器具有很好的操作性能，能夠在短時間內實現控制操作，確保濾波器在工作過程中不會對外界造成破壞[11-12]。I/Q 調制器工作原理如圖4所示。

圖4 I/Q調制器工作原理

根據圖4 可知，I、Q 兩種信號通過校正實現數模轉化，在信息轉換成模擬量后，通過調制得到射頻信號，信號在校正操作后經過低通濾波器，從而完成信息輸出。

1.3 時鐘同步模塊

COFDM 調制器內部的帶寬為8 MHz，在處理高精度信號時，頻率需要轉化為18.285 MHz，因此該文在硬件結構中引入了時鐘同步模塊，利用時鐘頻率信號保證信號同步，即使在頻率精度非常高的情況下，也能很好地完成信息鎖定，確保傳輸過程信號的穩定性。將電路產生的信號與電流配合，完成信號相鎖，從而抑制頻率漂移，確保激勵器內部的時鐘參考信號以穩定的狀態運行[13]。

2 系統軟件設計

在完成通信系統硬件設計后，利用數據多重模糊過濾技術對通信系統軟件進行設計。確定信息的屬性值，同時進行量化處理和歸一化處理，得到屬性集合。將信息存儲在屬性集U里，定義屬性集U的長度為N，信號的屬性集合A存儲在實體中，組成非空有限集合如式（1）所示：

設U能夠組成一個實值函數，記錄為：

通信信號的屬性位置(x,y)∈U。

根據通信信號的屬性位置可知，屬性過濾過程中會產生外延，由于貢獻程度難以確定，因此出現的外延是不明顯的，因此在確定電網通信信息時，需要進行模糊分布，通信屬性的關聯度分布方式如圖5所示。

圖5 通信屬性關聯度分布方式

根據圖5 可知，在通信過程中，信號的關聯度對于過濾信息呈現連續性的變化，如果通信信息的位置距離接收機的距離超過10 000 m，則會被定義為干擾信息，系統自動過濾；如果距離小于10 000 m，則為正常通信信息，不會被過濾[14]。通信信息屬性的關聯度直接影響通信信息關聯度，如果屬性之間有很大的關聯度，則通信信息的關聯度較大，反之信息的關聯度過小，在通信過程中會被過濾掉。由于信息是否被過濾之間缺少模糊的定義，因此需要通過模糊測度判斷屬性關聯[15]。

利用F(U)定義模糊測度，信息在k維空間內產生的模糊聯系，記為ζk。在確定模糊關聯空間之后，得到屬性集合：

通過數據過濾確定信息之間的關系，分析屬性之間的關聯程度，對式（1）中的信號A、通信信號與閾值λ進行比較，如果信號A與通信信號超過λ，則代表信號為干擾信息，需要被過濾；如果信號A與通信信號小于λ，則代表信號能夠順利通信。通信過程建立仿真循環，在確定屬性關聯度后，可以得到通信信號關聯度，根據電網信號弱電區域性質確定閾值λ，在得到關聯實體集后，與閾值進行對比，分析是否需要模糊過濾，完成信息通信，通信過程可以同時從發射端和接收端兩個區域進行[16]。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于數據多重模糊過濾的電網信號弱區域通信系統的有效性，與傳統的基于BIM 技術的弱電系統集成控制平臺和基于窗函數的弱電信號智能感知系統進行對比，分析通信過程對干擾信號和冗余信號的過濾效率，判定通信過程的穩定性。

選用的實驗區域為隧道區域，該區域基本結構如圖6 所示。

圖6 實驗區域基本結構

根據圖6 可知，隧道內部設置了三個功率分配器，每一個分配器通過電力線連接一個中繼器。在信號未傳入時，所有中繼器都處于接收狀態，當傳入信號后，所有的中繼器從接收狀態轉變為發送狀態。

數據的過濾效率計算公式為：

其中，η表示過濾效率；ν表示過濾掉的冗余數據和干擾數據；z表示實際的干擾數據和冗余數據。得到的實驗結果如圖7 所示。

圖7 過濾效率的實驗結果

觀察圖7 可知，在引入三種通信系統后，通信信號在隧道內部的傳遞能力都得以加強，干擾信號和冗余信號都能夠得到過濾，但是三種系統的過濾效果不同，該文設計的基于數據多重模糊過濾的電網信號弱區域通信系統過濾能力最強，基于BIM 技術的弱電系統集成控制平臺雖然也能夠對信息進行過濾，但是在過濾過程中不能夠保證內部所有通信信號都能夠被具象化處理，內部冗余數據仍然摻雜在通信信號中，使過濾效率被大大降低。基于窗函數的弱電信號智能感知系統在過濾信號過程中，依賴窗函數對信號進行感知，難以確定更新區域，對信號的屬性要求較高，如果屬性超過上限或者下限都很難被檢測出來。該文提出的系統利用路由空間概念，內部設置了閾值λ，能夠確保每個數據信號都與閾值進行對比，在計算過程中，實體通過屬性集的關聯度來判斷實體之間的聯系，這樣可以充分利用環境中的信息，提高過濾效率。

信息在傳遞過程中的波動情況如圖8 所示。

圖8 信息傳遞狀況的實驗結果

根據圖8 可知，傳統的兩種系統在對冗余數據和干擾信息進行過濾時，沒有考慮信息的模糊性，因此在傳輸過程中，過濾位置會出現波動，發送狀態和接收信息容易受到外界干擾，出現多次波動。該文設計的系統由于將屬性之間的關聯度模糊，因此數據之間的屬性出現了細微的變化，信息在傳遞過程中敏感性降低，傳輸更加平穩，波動性更好，通信過程更穩定。

4 結束語

隨著通信技術的發展，人們越來越依靠網絡通信，如何在弱信號區域實現有效通信是目前亟待解決的問題。該文利用數據多重模糊過濾設計了電網信號弱區域通信系統，硬件通過調制器為信號高性能通道提供了基礎，利用多重模糊過濾對信號進行處理，提高信號的可靠性和信息流量。該文設計的系統能夠很好地解決單一通信所遇到的問題，在經濟性和整體性能上都得到了提高，具有較強的應用價值。未來需要進一步深入研究信息流量問題，確保在多通道內部信息也能夠順利傳輸。