本發(fā)明涉及電信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于pisa的電力線系統(tǒng)脈沖抑制策略

背景技術(shù)：

ofdm是多載波傳輸?shù)囊环N特殊情況，單個的數(shù)據(jù)流在許多較低速率的子載波中進行傳輸。ofdm不僅是一種調(diào)制技術(shù)，同時它也是一種復(fù)用技術(shù)。使用ofdm技術(shù)最重要的一個原因就是，它能夠增加抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾的穩(wěn)定性。在單個載波系統(tǒng)中，單個的衰落或者干擾，都會造成整個鏈路的失效(但是在多載波系統(tǒng)中，只有少數(shù)的子載波會受到影響，糾錯碼可以用來糾正那些少數(shù)的錯誤的子載波，使用并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用技術(shù)的概念在1960年代中期提出，一些更早的研究可以追溯到1950年代。

正交這個詞揭示了ofdm系統(tǒng)中各個載波之間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。在一般的頻分復(fù)用系統(tǒng)(ofdm)中，許多載波都以一定的間隔隔開，這樣就可以使用傳統(tǒng)的濾波器和解調(diào)器接收信號。在接收器中，不同的載波之間使用保護帶寬，可是在頻域中，這會導(dǎo)致頻譜利用率的下降。所以，我們可以排列ofdm信號中的載波，讓各個載波的旁帶相互重疊，而且這些信號被接收時會沒有相鄰的載波的干擾，要想做到這一點，載波必須是正交的。

影響電力線傳輸?shù)淖钪饕囊蛩厥撬p、多徑衰落和噪聲。在電力線中總共發(fā)現(xiàn)有5種類型的噪聲：窄帶噪聲、彩色背景噪聲、與主頻異步的周期性脈沖噪聲、與主頻同步的周期性脈沖噪聲、異步脈沖噪聲。

電力線信道中存在的脈沖噪聲是引起信號衰減的主要因素，而消除脈沖噪聲最常用的方法是通過在ofdm接收器之前采用限幅或者消隱的非線性處理器來進行處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是對傳統(tǒng)的cisa迭代抑制算法進行改善，在迭代算法中引入了ce卷積編碼器和vd譯碼器，并且在脈沖噪聲估計模塊中，利用最優(yōu)閾值消隱技術(shù)來消除脈沖噪聲對電力線載波通信系統(tǒng)的影響。

一.電力線信道模型：

(一)ofdm系統(tǒng)

正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，它能夠很好地抑制電力線信道中的多徑衰落和頻率選擇性衰落。在正交頻分復(fù)用技術(shù)中，一行高速的數(shù)據(jù)流被分成多個并行的低速的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流通過離散傅里葉逆變換攜帶在復(fù)用的正交子載波上。正交頻分復(fù)用較長的符號周期使得信號的多徑傳播造成的符號間干擾所產(chǎn)生的影響降低到最小。離散時間的正交頻分復(fù)用信號的數(shù)學(xué)表達式如式：

式子(1)中：n是子載波的總數(shù)，sk是一個正交調(diào)幅的符號序列。為了消除信道間干擾和符號干擾，正交頻分復(fù)用采用循環(huán)前綴加在ofdm信號的最前面。

(二)電力線信道模型

為了在電力線信道中成功傳輸數(shù)據(jù)，實際和實用的電力線信道傳輸數(shù)據(jù)的模型是必不可少的。本發(fā)明提出zd(zimmermanm和dostert)模型的運用，此信道模型更加適合描述電力線信道傳輸?shù)木哂袑嶋H意義的信道模型，這種模型基于真實的電力線網(wǎng)絡(luò)的實際測量數(shù)據(jù)提出。它由信道傳輸?shù)墓δ芎瘮?shù)所給出，見式子(2)。

式子(2)中：mw是多徑的總數(shù)，ck和yk分別是權(quán)重因素和k^th路的長度，與頻率相關(guān)的衰減是由參數(shù)b0、b1、u來模擬。在該模型中，第一個指數(shù)代表在電力線信道中的衰減，而第二個指數(shù)用傳輸速度vw來描述回聲情形，4徑模型的衰減參數(shù)包含在使用的實際測量數(shù)據(jù)中。采用該模型來仿真和研究消隱，減輕在實際的電力線系統(tǒng)中的脈沖噪聲。

(三)脈沖噪聲

要用一種確定的數(shù)學(xué)模型來描述電力線噪聲是很困難的，為了更好的測試pisa算法的一直效果，首先利用加性高斯白噪聲的模型模擬背景噪聲，利用一個以一定概率出現(xiàn)噪聲的柏松過程乘以一個高斯過程，來得到脈沖信號。因為脈沖噪聲是隨機出現(xiàn)的，在整個傳輸信號上，脈沖噪聲就會以一定的概率出現(xiàn)，分為輕度、中度、重度3種情況(由于脈沖噪聲的幅值符合高斯噪聲的特點，再將脈沖噪聲與加性高斯白噪聲相加，得到信道的噪聲模型。在噪聲中，主要分兩大類，背景噪聲與脈沖噪聲。為了分析它們在基于ofdm的低壓電力線系統(tǒng)的影響，背景噪聲(wk)用均值為0，方差為的加性高斯白噪聲來表示，脈沖噪聲(bk)由式(3)給出：

bk＝ckdk(3)

式(3)中：ck是根據(jù)柏松過程生存的脈沖噪聲，dk是均值為0，方差為的白噪聲過程。該白噪聲的過程代表脈沖噪聲的幅度，這就意味著脈沖噪聲的到來服從一個速率為每秒u個單元的柏松分布。這樣1秒內(nèi)脈沖噪聲i次到達的概率是：

另一方面，脈沖噪聲的幅度還服從均值為0，方差為的高斯分布，脈沖幅度也被認為是高斯的。

在本發(fā)明中采用了泊松-高斯分布模型來對脈沖噪聲建模，這個泊松-高斯模型，在物理上可以被看作每一個傳輸?shù)姆柖急灰粋€有著概率為ck、隨機高斯幅度為dk的脈沖所干擾。

二.電力線脈沖噪聲抑制

對于脈沖噪聲的消除方法，本發(fā)明在泊松-高斯分布噪聲模型的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的csia迭代抑制算法進一步改進：

在傳統(tǒng)的電力線脈沖抑制迭代算法中，引入了(convolutionalencoder)ce以及(viterbidecoder)來提高噪聲估計性能，從而減少接受信號端獲取到錯誤信號，進而降低系統(tǒng)的誤碼率。

本發(fā)明的基于pisa的電力線系統(tǒng)脈沖抑制方法，包括如下步驟：

1)對信號r^(l)進行ofdm解調(diào)器處理獲取處理過后的r^(l)，其中l(wèi)表示當前的迭代次數(shù)，初次運行時l＝0，第一運行時的信號r^(l)(利用ofdm調(diào)制器調(diào)制成時域信號后經(jīng)過電力線信道得到)即為原始接收信號r⁽⁰⁾，然后進行ofdm解調(diào)器處理得到r^(l)，緊接著經(jīng)過viterbi譯碼器處理得到s^(l)，利用卷積編碼器獲取得到數(shù)據(jù)再進行ofdm調(diào)制獲得利用公式得到利用估計脈沖的振幅，當大于閾值ot的時候，可將估計為脈沖噪聲，反之，則將賦值為0，避免下次迭代過程中將有效信號進行消隱處理，其公式如下：

其中l(wèi)表示當前的迭代次數(shù)，經(jīng)過脈沖噪聲估計處理得到此時根據(jù)得到新信號的r^(l+1)，

2)以新得到的信號r^(l+1)替代r^(l)，重復(fù)步驟1)的迭代步驟,直至某一次迭代過程中viterbi譯碼器的輸出信號等于前一次迭代viterbi譯碼器的輸出信號此時迭代終止，lout表示迭代滿足條件時的迭代次數(shù)，最后得到的輸出信號即為且

所述的步驟1)最優(yōu)閾值的獲取方法具體為：

根據(jù)接受得到的信號r^(l)，獲取它的峰值、中位值以及均值，從而通過峰值以及均值差獲取得到ine,

ine＝max(r^(l)(db))-mean(r^(l)(db))；

從中位值以及均值來計算得到α值，

α＝median(r^(l)(db))-mean(r^(l)(db)

根據(jù)α值計算β值，β＝γ-α；其中的γ為設(shè)定的參數(shù)值，其范圍是5.1±0.1，通過計算ine和β的比值來獲取最佳閾值ot，ot＝ine/β。

優(yōu)選的，所述的迭代過程設(shè)有最大迭代次數(shù)，當?shù)_到最大迭代次數(shù)時，迭代即終止，輸出信號即viterbi譯碼器所輸出的lmax表示最大迭代次數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點是：

本發(fā)明著重分析了電力線的信道的特性，對電力線信道中的脈沖進行了重點研究，相對于現(xiàn)有技術(shù)的迭代算法而言，本發(fā)明提出的脈沖抑制算法(pisa)使用了ce卷積編碼器和viterbi譯碼器，有效提高了ofdm系統(tǒng)在電力線信道中的性能，提高了信噪比的同時還降低誤碼率。由于實際過程中，信號的信噪比是在不斷變化著，因此在本專利的脈沖估計模塊中，充分利用接受到的信號的分布特征以及基于脈沖估計的非線性消隱技術(shù)，來克服現(xiàn)有技術(shù)中固定閾值消隱并不十分精確的問題，更加準確的對脈沖進行了抑制，進一步降低了ofdm系統(tǒng)的誤碼率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于pisa的電力線系統(tǒng)脈沖抑制策略流程圖；

圖2是本發(fā)明與最佳閾值計算流程圖；

圖3是輕度噪聲下的系統(tǒng)誤碼率性能對比；

圖4是中度噪聲下的系統(tǒng)誤碼率性能對比；

圖5是重度噪聲下的系統(tǒng)誤碼率性能對比。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步描述本發(fā)明。

本發(fā)明所述的是一種基于pisa的電力線系統(tǒng)脈沖抑制策略，提出了在傳統(tǒng)的電力線脈沖抑制迭代算法中，引入了(convolutionalencoder)ce以及(viterbidecoder)vd來提高噪聲估計性能，從而減少接受信號端獲取到錯誤信號，進而降低系統(tǒng)的誤碼率，同時在脈沖噪聲估計模塊參入了最優(yōu)閾值的獲取計算，經(jīng)過多次最佳門限消隱迭代計算得到滿足條件要求的信號。

一電力線信道模型：

(一)ofdm系統(tǒng)

正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，它能夠很好地抑制電力線信道中的多徑衰落和頻率選擇性衰落。在正交頻分復(fù)用技術(shù)中，一行高速的數(shù)據(jù)流被分成多個并行的低速的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流通過離散傅里葉逆變換攜帶在復(fù)用的正交子載波上。正交頻分復(fù)用較長的符號周期使得信號的多徑傳播造成的符號間干擾所產(chǎn)生的影響降低到最小。離散時間的正交頻分復(fù)用信號的數(shù)學(xué)表達式如式：

式子(1)中：n是子載波的總數(shù)，sk是一個正交調(diào)幅的符號序列。為了消除信道間干擾和符號干擾，正交頻分復(fù)用采用循環(huán)前綴加在ofdm信號的最前面。

(二)電力線信道模型

為了在電力線信道中成功傳輸數(shù)據(jù)，實際和實用的電力線信道傳輸數(shù)據(jù)的模型是必不可少的。本發(fā)明提出zd(zimmermanm和dostert)模型的運用，此信道模型更加適合描述電力線信道傳輸?shù)木哂袑嶋H意義的信道模型，這種模型基于真實的電力線網(wǎng)絡(luò)的實際測量數(shù)據(jù)提出。它由信道傳輸?shù)墓δ芎瘮?shù)所給出，見式子(2)。

式子(2)中：mw是多徑的總數(shù)，ck和yk分別是權(quán)重因素和k^th路的長度，與頻率相關(guān)的衰減是由參數(shù)b0、b1、u來模擬。在該模型中，第一個指數(shù)代表在電力線信道中的衰減，而第二個指數(shù)用傳輸速度vw來描述回聲情形，4徑模型的衰減參數(shù)包含在使用的實際測量數(shù)據(jù)中。采用該模型來仿真和研究消隱，減輕在實際的電力線系統(tǒng)中的脈沖噪聲。

(三)脈沖噪聲

要用一種確定的數(shù)學(xué)模型來描述電力線噪聲是很困難的，為了更好的測試pisa算法的一直效果，首先利用加性高斯白噪聲的模型模擬背景噪聲，利用一個以一定概率出現(xiàn)噪聲的柏松過程乘以一個高斯過程，來得到脈沖信號。因為脈沖噪聲是隨機出現(xiàn)的，在整個傳輸信號上，脈沖噪聲就會以一定的概率出現(xiàn)，分為輕度、中度、重度3種情況(由于脈沖噪聲的幅值符合高斯噪聲的特點，再將脈沖噪聲與加性高斯白噪聲相加，得到信道的噪聲模型。在噪聲中，主要分兩大類，背景噪聲與脈沖噪聲。為了分析它們在基于ofdm的低壓電力線系統(tǒng)的影響，背景噪聲(wk)用均值為0，方差為的加性高斯白噪聲來表示，脈沖噪聲(bk)由式(3)給出：

bk＝ckdk(3)

式(3)中：ck是根據(jù)柏松過程生存的脈沖噪聲，dk是均值為0，方差為的白噪聲過程。該白噪聲的過程代表脈沖噪聲的幅度，這就意味著脈沖噪聲的到來服從一個速率為每秒u個單元的柏松分布。這樣1秒內(nèi)脈沖噪聲i次到達的概率是：

另一方面，脈沖噪聲的幅度還服從均值為0，方差為的高斯分布，脈沖幅度也被認為是高斯的。

在本發(fā)明中采用了泊松-高斯分布模型來對脈沖噪聲建模，這個泊松-高斯模型，在物理上可以被看作每一個傳輸?shù)姆柖急灰粋€有著概率為ck、隨機高斯幅度為dk的脈沖所干擾。

二電力線脈沖噪聲抑制

對于脈沖噪聲的消除方法，本發(fā)明在泊松-高斯分布噪聲模型的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的csia迭代抑制算法進一步改進：

在傳統(tǒng)的電力線脈沖抑制迭代算法中，引入了(convolutionalencoder)ce以及(viterbidecoder)來提高噪聲估計性能，從而減少接受信號端獲取到錯誤信號，進而降低系統(tǒng)的誤碼率。

本發(fā)明的基于pisa的電力線系統(tǒng)脈沖抑制方法，包括如下步驟：

1)對信號r^(l)進行ofdm解調(diào)器處理獲取處理過后的r^(l)，其中l(wèi)表示當前的迭代次數(shù)，初次運行時l＝0，第一運行時的信號r⁽¹⁾(ofdm調(diào)制器調(diào)制成時域信號后經(jīng)過電力線信道得到)即為原始接收信號r⁽⁰⁾，然后進行ofdm解調(diào)器處理得到r^(l)，緊接著經(jīng)過viterbi譯碼器處理得到s^(l)，利用卷積編碼器獲取得到數(shù)據(jù)再進行ofdm調(diào)制獲得利用公式得到利用估計脈沖的振幅，當大于閾值ot的時候，可將估計為脈沖噪聲，反之，則將賦值為0，避免下次迭代過程中將有效信號進行消隱處理，其公式如下：

其中l(wèi)表示當前的迭代次數(shù)，經(jīng)過脈沖噪聲估計處理得到此時根據(jù)得到新信號的r^(l+1)，

2)以新得到的信號r^(l+1)替代r^(l)，重復(fù)步驟1)的迭代步驟,直至某一次迭代過程中viterbi譯碼器的輸出信號等于前一次迭代viterbi譯碼器的輸出信號此時迭代終止，lout表示迭代滿足條件時的迭代次數(shù)，最后得到的輸出信號即為且

所述的步驟1)最優(yōu)閾值的獲取方法具體為：

根據(jù)接受得到的信號r^(l)，獲取它的峰值、中位值以及均值，從而通過峰值以及均值差獲取得到ine,

ine＝max(r^(l)(db))-mean(r^(l)(db))；

從中位值以及均值來計算得到α值，

α＝median(r^(l)(db))-mean(r^(l)(db)

根據(jù)α值計算β值，β＝γ-α；其中的γ為設(shè)定的參數(shù)值，其范圍是5.1±0.1，通過計算ine和β的比值來獲取最佳閾值ot，ot＝ine/β。

優(yōu)選的，所述的迭代過程設(shè)有最大迭代次數(shù)，當?shù)_到最大迭代次數(shù)時，迭代即終止，輸出信號即viterbi譯碼器所輸出的lmax表示最大迭代次數(shù)。

3)為了驗證本發(fā)明的有效性，將系統(tǒng)分成四個環(huán)境下運行：1.信道a中只有高斯白噪聲，2.信道b中有高斯白噪聲和脈沖噪聲，3.加入cisa抑制脈沖迭代算法于信道b中，4.加入pisa抑制脈沖迭代算法于信道b中。試驗中我們對這四種信道環(huán)境下，采用bpsk調(diào)制下，分別在輕度，中度和重度三種噪聲下觀察ofdm電力線系統(tǒng)的誤碼率性能的變化，通過實驗比較發(fā)現(xiàn)，在只有高斯白噪聲的信道中，ofdm系統(tǒng)的誤碼率較明顯的低于有脈沖噪聲的信道環(huán)境下，顯而易見，脈沖噪聲對于系統(tǒng)的性能有較嚴重的影響。在三種噪聲環(huán)境下，本專利提出的一種基于pisa的電力線系統(tǒng)脈沖抑制策略相對于傳統(tǒng)的cisa抑制脈沖迭代算法而言，對系統(tǒng)的誤碼率有明顯的提升，同時在各個噪聲環(huán)境下，其抑制脈沖噪聲的抑制效果是相對來說比較穩(wěn)定的。仿真結(jié)果如下圖3-5所示。