智能抄表系統ofdm載波通信模塊背景噪聲抑制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種背景噪聲抑制方法，特別涉及一種用于智能抄表系統正交頻分復 用（0FDM，0rthogonal Frequency Division Multiplexing)載波通信模塊背景噪聲抑制 (NS,Noise Suppression)方法。
【背景技術】
[0002] 應用于智能抄表系統的載波通信模塊，用于實現在電力線上傳輸數據，而作為信 息傳輸媒介進行數據或語音傳輸的通信通路，低壓配電網絡具有頻率選擇性衰減、阻抗不 匹配等導致的多徑衰落和噪聲。一方面電力電纜所面臨的頻率選擇性衰減隨著頻率的升高 而增加從而嚴重影響通信距離；另一方面，考慮智能電表功耗相關標準IEC62052-11， IEC62053-2和低壓電力裝置上的信號傳輸一般要求EN50065-1，高頻段傳輸電力信號，在功 耗限制下，受衰減影響，通信距離有限，而電磁干擾增加，所以現有應用于智能電表的載波 通信技術均限制在窄帶。現有智能抄表系統0FDM載波通信模塊，實現標準有G3標準0FDM電 力線載波通信方案和PRME標準0FDM電力線載波通信方案等。PRME標準與G3標準類似，均 工作于CENELEC A頻段（9-95KHZ)，均使用差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK)和循環前綴OFDM調制技術，并以最差時的信道狀況為依據，設計調制和編碼 等參數。這樣使得數據幀冗余，頻譜利用率降低，當信道具有較大干擾和噪聲時，運用關閉 某些干擾嚴重的子載波來抗干擾，其通信速度陡降。本申請人致力于發明一種適用于智能 抄表系統0FDM載波通信模塊的背景噪聲抑制方法，在CENELEC A頻段的電力線信道環境，能 夠有效抑制背景噪聲，從而提尚傳輸效率。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對電力噪聲和0FDM信號的特點，為智能抄表系統0FDM載波通信 模塊提供一種電力背景噪聲抑制方法，以提高傳輸效率。
[0004] 本發明提供的這種智能抄表系統多載波通信模塊背景噪聲抑制方法，該方法通過 特征值分解(Eigenvalue Decomposition)，得到0FDM接收信號的特征值和特征向量，并根 據0FDM接收機符號分組檢測的起點，估計噪聲和0FDM信號的特征值，從而得到重構信號的 增益值，并重構0FDM信號，所述方法包括：
[0005] 步驟一，將到達智能抄表系統0FDM載波通信模塊背景噪聲抑制的接收信號每次截 取Μ個采樣點，并組成KXN的Hankel矩陣Y(n);給定符號分組檢測檢測到的符號分組的起 點，其第一次截取的起點為符號分組檢測檢測到的符號分組的起點；
[0006] 步驟二，計算Y(n)的協方差矩陣食.；
[0007] 步驟三，對&進行EVD分解，得到特征值和特征向量；
[0008] 步驟四，估計噪聲和0FDM信號的特征值；
[0009]步驟五，由所得噪聲和0FDM信號的特征值計算增益矩陣；
[0010]步驟六，由所得增益矩陣，重構OFDM信號，以濾除背景噪聲；
[0011]本發明的有益效果是:本發明針對電力線信道噪聲和干擾的特性，以及0FDM信號 的特點，通過特征值分解(Eigenvalue Decomposition)，得到0FDM載波通信模塊接收信號 的特征值和特征向量，并由符號分組檢測檢測到的符號起點，估計0FDM信號和噪聲的特征 值，從而得到重構信號的增益值，并重構0FDM信號，本發明噪聲抑制方法根據0FDM信號和電 力背景噪聲的特性實施，在提高系統傳輸性能的基礎上，具有低的運算復雜性并易于實現 和應用。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明智能抄表系統0FDM電力載波通信模塊的系統結構圖。
[0013]圖2是電力線信道噪聲頻譜圖。
[0014]圖3是0FDM信號時域波形和頻譜圖。
[0015]圖4是本發明電力背景噪聲抑制方法實現框圖。
[0016]圖5是有本發明噪聲抑制方法與無本發明噪聲抑制方法的0FDM電力載波模塊性能 比較。
【具體實施方式】
[0017] 智能抄表系統電力載波模塊是直接面向實際承擔數據傳輸的物理媒體電力線，是 在電力線之上為上層應用數據提供一個傳輸原始比特流的物理連接，所以電力載波模塊直 接面對電力線的各種干擾和衰減。
[0018] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0019] 如圖1所示，智能抄表系統0FDM載波通信模塊發送端包括前向錯誤控制編碼器以 及0FDM調制模塊。待傳輸數據先進行串擾，RS編碼，卷積編碼，交織處理，再進行自適應調制 并送去做IFFT變換，最后經模擬前端(Analog Front End，AFE)處理，數模轉換后耦合至電 力線上傳輸。相應的接收端的結構與發送端正好相反，接收到的數據先進行AFE處理，模數 轉換后進行脈沖噪聲抑制，然后再進行符號分組檢測，找到符號分組的起點后進行背景噪 聲抑制和FFT變換，同時對信道進行估計。FFT變換后的數據進行解調，將多進制數據位變成 2進制數據碼流，之后進行解交織，Viterbi解碼，解串擾處理，最后得到發送端數據。符號分 組檢測也是利用EVD分解0FDM接收信號的特征值和特征向量，并利用有無0FDM信號時主特 征能量的不同檢測符號分組的起點。
[0020] 低壓電力線信道中的噪聲干擾通常是由連接至網絡的電設備和附近的電設施引 起的。正常操作一些電機和設備時會產生干擾，而當開關電氣設施時導致的脈沖電流和峰 值電壓，也會沿電力線傳播，造成干擾。與其它大部分的通信信道不同，電力信道中的噪聲 不能用經典加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)描述。通常電力噪聲 分成三類:彩色背景噪聲，窄帶干擾和脈沖噪聲。
[0021] 如圖2所示，為用泰克RSA5103A頻譜分析儀采集到的電力線信道噪聲頻譜(30dB衰 減）。從右圖可以看出在10_200kHz的頻率范圍，背景噪聲隨頻率的增加而減小，在10kHz附 近噪聲幅度達到-l〇dB，在100kHz左右噪聲功率仍然有-60dB，所以背景噪聲在低頻窄帶電 力線通信中不可忽視。左圖DXP分析以不同亮度區分不同頻率點和不同功率噪聲出現的密 度。顏色越深，出現的密度越大，則越平穩。顯然，圖中亮白色的位置，密度比較高，分布于整 個頻帶，并且平滑，區分為彩色背景噪聲，并且其分布特性持續幾分鐘甚至幾小時無變化。 在DXP譜的包絡，捕獲到一些小的尖峰，出現的密度較低，具有突發性，所以識別為隨機脈沖 噪聲。
[0022]如圖3所示，為用G3標準0FDM物理層，產生的0FDM信號的時域波形和頻譜圖，具有 代表性。由頻譜圖可見，0FDM-個符號的N個子載波由L個數據子載波和N-L個空子載波組 成，數據子載波共有36個，分布于35.9-90.6kHz的頻率范圍。其中，經過基帶映射前的符號 均為實數。經過基帶映射后的符號有同相分量和正交分量，令X m(k)表示頻域第m個符號的 第k個子載波，其映射公式如下：
[0023] Xm(k) = cos9m(k)+j X sin9m(k) (1)
[0024] Θ根據三種映射方式的星座圖確定。第m個符號的OFDM時域信號，通過對（1)