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，完成數據傳輸任務的通信技術。電力線通信信道經常受到多種噪聲的干擾，通信信號中包含背景噪聲，影響通信質量。針對電力線通信質量問題，研究人員設計了基于L1-L1 優化算法的窄帶通信背景噪聲抑制方法與基于壓擴變換的窄帶通信信道背景噪聲抑制方法。其中，基于L1-L1 優化算法的窄帶通信背景噪聲抑制方法利用正交頻分復用技術，將背景噪聲與脈沖噪聲進行壓縮感知，并將背景噪聲抑制問題轉化為L1-L1 最小化問題，減少背景噪聲對通信信道的影響[1]。基于壓擴變換的窄帶通信信道背景噪聲抑制方法主要是利用壓擴變換的形式，壓縮發射端的通信信號，得出其擴展信號幅值[2]。接收端使用壓擴峰值抑制技術來減小背景噪聲，并對信號進行降噪處理。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，影響了通信質量[3]。因此，文章設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中的各種電氣設備和干擾源。這些噪聲源產生的噪聲信號會與傳輸的信號相互疊加，導致信號質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，背景噪聲的特性與傳統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 到數十MHz 之間，且具有較大的噪聲強度和復雜的噪聲分布。此外，電力線通信信道的阻抗和負載變化會對背景噪聲的特性產生影響[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。假設在阻抗匹配的情況下，信號傳輸為A →B →D →C，則A →C 的頻率響應為

式中：H(f)為A →C 的頻率響應；gi為第i條通信信道的路徑權重；f為衰減幅度；di為電力線長度；A(f,di)為信道衰減函數。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；fk為衰減因子的指數。本文根據背景噪聲信號頻率響應、衰減函數的變化情況，確定了電力線上的負載分布，從而確保信號傳輸效果。

1.2 構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，采用白化濾波進行處理，并根據背景噪聲的類型、強度、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r為接收信號，s為背景噪聲信號，則構建出背景噪聲抑制模型為

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

式中：l(r)為背景噪聲的似然對數；p為判決門限。根據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、強度、分布情況[7]。當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，影響通信質量[8]。因此，本文調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，將原始背景信號轉換為具有更高頻帶的信號，從而增加信號的抗干擾能力。設背景噪聲信號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，進行了仿真分析。最終的實驗結果以文獻[1]基于L1-L1 優化算法的窄帶通信背景噪聲抑制方法、文獻[2]基于壓擴變換的窄帶通信信道背景噪聲抑制方法以及本文設計的窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法進行對比的形式呈現。具體的實驗準備過程和最終的實驗結果如下。

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，子載波數量為512，調制方式為16QAM，循環前綴的長度為64。本文根據一段真實的通信信道傳輸信號，模擬背景噪聲。使用壓擴函數對噪聲進行壓擴，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行Blanking-Clipping 處理，分析背景噪聲的存在區間。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 壓擴轉換器，對原始背景信號幅度進行壓擴。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。通過壓擴之后，擴增信號幅度0.8 ～1.8 dB 區段，該區段的頻譜密度在0 ～4.5 dB/Hz變化，波動較為明顯。通過噪聲信號壓擴之后，背景噪聲更加明顯，能夠滿足后續噪聲抑制需求。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，本文隨機選取10 組噪聲，每組重復10 次，取平均值統計噪聲抑制情況，實驗結果如表1 所示。

表1 實驗結果

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 為通信設備運行產生的強電噪聲；MKL_3 為雷電電磁脈沖噪聲；MKL_4 為自然災害引起的噪聲；MKL_5 為傳輸介質不均勻引起的噪聲；MKL_6 為相鄰線路的耦合噪聲；MKL_7 為分子熱運動產生的噪聲；MKL_8 為瞬態脈沖噪聲；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生的干擾噪聲。

使用本文設計的窄帶電力線通信信道背景噪聲抑制方法之后，衰減因子呈現上升態勢，雜波分量處于高水平。經過噪聲抑制之后，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量提供保障。

3 結 論

本文設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越性，有效提高了電力的通信質量。