窄带电力线通信信道背景噪声抑制方法

赵化君

（东方电子股份有限公司，山东 烟台 264000）

0 引 言

窄带电力线通信主要是利用电力线，完成数据传输任务的通信技术。电力线通信信道经常受到多种噪声的干扰，通信信号中包含背景噪声，影响通信质量。针对电力线通信质量问题，研究人员设计了基于L1-L1 优化算法的窄带通信背景噪声抑制方法与基于压扩变换的窄带通信信道背景噪声抑制方法。其中，基于L1-L1 优化算法的窄带通信背景噪声抑制方法利用正交频分复用技术，将背景噪声与脉冲噪声进行压缩感知，并将背景噪声抑制问题转化为L1-L1 最小化问题，减少背景噪声对通信信道的影响[1]。基于压扩变换的窄带通信信道背景噪声抑制方法主要是利用压扩变换的形式，压缩发射端的通信信号，得出其扩展信号幅值[2]。接收端使用压扩峰值抑制技术来减小背景噪声，并对信号进行降噪处理。这2 种方法均能够抑制背景噪声，但受窄带电力线通信信道的影响，背景噪声信号的识别失误率较高，影响了通信质量[3]。因此，文章设计一种新型窄带电力线通信信道背景噪声抑制方法。

1 窄带电力线通信信道背景噪声抑制方法设计

1.1 提取电力线通信信道背景噪声衰减特征

在电力线通信信道中，背景噪声主要来源于电力系统中的各种电气设备和干扰源。这些噪声源产生的噪声信号会与传输的信号相互叠加，导致信号质量的下降和误码率的增加。由于电力线通信信道的特殊性质，背景噪声的特性与传统的无线通信信道存在一定的差异[4]。在电力线通信中，背景噪声的频率范围通常在几百kHz 到数十MHz 之间，且具有较大的噪声强度和复杂的噪声分布。此外，电力线通信信道的阻抗和负载变化会对背景噪声的特性产生影响[5]。为了提取电力线通信信道背景噪声的衰减特征，需要分析信号传输衰减函数。假设在阻抗匹配的情况下，信号传输为A →B →D →C，则A →C 的频率响应为

式中：H(f)为A →C 的频率响应；gi为第i条通信信道的路径权重；f为衰减幅度；di为电力线长度；A(f,di)为信道衰减函数。电力线衰减因子表示为

式中：α(f)为电力线衰减因子；α0、α1为衰减指数；fk为衰减因子的指数。本文根据背景噪声信号频率响应、衰减函数的变化情况，确定了电力线上的负载分布，从而确保信号传输效果。

1.2 构建窄带电力线通信信道背景噪声抑制模型

针对窄带背景噪声情况，采用白化滤波进行处理，并根据背景噪声的类型、强度、分布等情况，生成不同的抑制条件，确保背景噪声抑制效果[6]。假设r为接收信号，s为背景噪声信号，则构建出背景噪声抑制模型为

式中：H0、H1为窄带噪声与强电噪声2 种背景噪声假设；v为高斯色噪声。在H0、H1的噪声假设下，计算背景噪声的似然对数，公式为

式中：l(r)为背景噪声的似然对数；p为判决门限。根据l(r)，检测通信信道中的噪声，通过时域分析、频域分析、能量检测，确定背景噪声的类型、强度、分布情况[7]。当l(r)＞0 时，背景噪声的时域特征向量趋近于1，采用时域滤波器抑制噪声；当l(r)=0 时，背景噪声的频域特征向量趋近于1，采用频域滤波器抑制噪声；当l(r)＜1 时，背景噪声的空间特征向量趋近于1，采用空间滤波器抑制噪声。

1.3 抑制通信信道背景噪声杂波分量

本文根据时域、频率、空间的变化情况，使用不同的滤波器抑制噪声的过程中，能够减少通信信道的部分杂波噪声。受通信信号的影响，信道中仍存在杂波分量，影响通信质量[8]。因此，本文调制了背景噪声杂波相位与频率，增加了背景噪声信号带宽，从而满足背景噪声抑制需求。利用抑制参数，将原始背景信号转换为具有更高频带的信号，从而增加信号的抗干扰能力。设背景噪声信号K=[k1,k2,…,kn]，则杂波分量的概率密度值为

式中：h(x)为杂波分量抑制峰值；RI为四分间距，表示杂波分量的衡量方式。杂波分量抑制完成之后，将同一段通信信号在信道中重复传输，输出的信号信噪比越接近，证明噪声抑制效果越佳。

2 仿真实验

为了验证本文设计的方法是否满足窄带电力线通信信道背景噪声的抑制需求，搭建了一个仿真实验平台，进行了仿真分析。最终的实验结果以文献[1]基于L1-L1 优化算法的窄带通信背景噪声抑制方法、文献[2]基于压扩变换的窄带通信信道背景噪声抑制方法以及本文设计的窄带电力线通信信道背景噪声抑制方法进行对比的形式呈现。具体的实验准备过程和最终的实验结果如下。

2.1 实验过程

本次实验使用MATLAB 仿真出窄带电力线通信信道的背景噪声，子载波数量为512，调制方式为16QAM，循环前缀的长度为64。本文根据一段真实的通信信道传输信号，模拟背景噪声。使用压扩函数对噪声进行压扩，通过具有背景噪声的电力线衰落信道，获得最终的接收信号。对接收信号的峰值进行Blanking-Clipping 处理，分析背景噪声的存在区间。背景噪声信号的频谱密度如图1 所示。

图1 背景噪声信号的频谱密度

如图1 所示，本文使用EC 压扩转换器，对原始背景信号幅度进行压扩。原始信号中，频谱密度在0 ～0.5 dB/Hz 变化，整体曲线较为平缓，无法判断背景噪声的分布情况。通过压扩之后，扩增信号幅度0.8 ～1.8 dB 区段，该区段的频谱密度在0 ～4.5 dB/Hz变化，波动较为明显。通过噪声信号压扩之后，背景噪声更加明显，能够满足后续噪声抑制需求。

2.2 实验结果

在上述实验条件下，本文随机选取10 组噪声，每组重复10 次，取平均值统计噪声抑制情况，实验结果如表1 所示。

表1 实验结果

如表1 所示，MKL_1 为电力线上电压、电流波动引起的噪声；MKL_2 为通信设备运行产生的强电噪声；MKL_3 为雷电电磁脉冲噪声；MKL_4 为自然灾害引起的噪声；MKL_5 为传输介质不均匀引起的噪声；MKL_6 为相邻线路的耦合噪声；MKL_7 为分子热运动产生的噪声；MKL_8 为瞬态脉冲噪声；MKL_9 为宇宙射线引起的噪声；MKL_10 为动物或昆虫对通信信道产生的干扰噪声。

使用本文设计的窄带电力线通信信道背景噪声抑制方法之后，衰减因子呈现上升态势，杂波分量处于高水平。经过噪声抑制之后，信噪比在10 ～17 dB变化，误码率在0.03×10-6～0.12×10-6bit 变化。由此可见，使用本文设计的方法能够有效地抑制通信信道背景噪声，为窄带电力线通信质量提供保障。

3 结 论

本文设计了窄带电力线通信信道背景噪声抑制方法。从信号衰减特征、噪声抑制模型、杂波分量抑制等方面，找出通信信道背景噪声的来源，并对不同类型的噪声采取不同的抑制方法。通过噪声来源检测、噪声分类、噪声估计、噪声抑制等形式，验证了背景噪声抑制方法的可行性与优越性，有效提高了电力的通信质量。