H-PLC信道中双谱自适应功率调节算法研究

林 聪 李 波 曹 敏 刘清蝉 汪应龙 李 川 谢 涛

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，昆明 650217;3.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650504)

H-PLC信道中双谱自适应功率调节算法研究

林 聪1,2李 波1,2曹 敏1,2刘清蝉1,2汪应龙3李 川3谢 涛3

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，昆明 650217;3.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650504)

为改善H-PLC信道通信质量，提出基于双谱分析的自适应信号发射功率调节算法。对在H-PLC信道中采集得到的通信信号进行双谱分析，可计算得到双谱对角切片谱峰的主峰峰值与其他峰峰值的比值之和，通过比较该和值与设定好的临界值去自适应调节信号发射功率，达到提高信道信噪比、改善通信质量的目的。实验结果表明：所提算法对H-PLC信道信号进行处理可以更加有效地改善信道的通信质量，信噪比可达6dB的提升。

自适应功率调节算法 营配融合通信网 H-PLC 双谱分析 噪声分析

电力线载波通信是目前若干种电力线通信方案中最具有应用价值的一种，利用宽带电力线载波通信搭建的营配融合通信网络也因此具有巨大的发展潜力和良好的应用前景。不过在实际过程中发现宽带电力线载波通信(H-PLC)信道在很大程度上会受到周围环境影响，产生信道噪声，影响了通信质量，降低通信的可靠性[1]。传统上降低信道噪声主要有小波降噪、双谱分析等方法[2]。2009年朱来东等利用小波变换对信号进行信号降噪处理，实现了在降低噪声的同时提高信噪比[3]。2011年，Sheybani E和Nasser R将自适应小波包变换应用于电力线通信中，能够有效地去除通信信号中的背景噪声和脉冲噪声[4]。2006年王宏亮采用三阶统计量的双谱计算方法分析了电网噪声的不同特征[5]。2005年蒋宏和吴立疆提出了一种基于双谱重构的图像去噪方法，并在实验中取得较为明显的去噪效果[6]。2015年翟明岳和苏岭东引用时频峰值滤波算法作为消除噪声的技术，实验结果证明该方法可以有效地消除电力线通信系统噪声，降低误码率，提高通信质量[7]。

笔者提出基于双谱分析的自适应信号发射功率调节算法，对信号进行双谱分析，然后确定是否需要进行自适应功率调节。通过分析去噪后的信号双谱图和信噪比来证明所提算法对提高信噪比、改善通信质量的有效性。

1 信道介绍①

在为应用宽带电力线载波通信搭建营配融合通信网络的工程应用方案选址过程中，实地考察了白邑变电站。在考察过程中，发现在白邑变电站附近的基站上空有一条高压线横穿而过。H-PLC线路的现场环境如图1所示。

图1 H-PLC线路现场环境示意图

由于在基站上方的高压线对通信信道的传输有较大影响，会导致信道中噪声干扰增强，误码率变大，通信质量下降。可以通过适当改变信号发射功率大小达到提高信噪比、降低噪声干扰的目的。但是，如果信号发射功率太大，容易造成通信设备过度发热甚至烧坏；如果功率过小，则对噪声干扰的降低效果不明显。鉴于这种情况，笔者提出一种基于双谱分析的自适应发射功率调节算法。通过自适应调节信号发射功率的大小就可以避免发射功率过大或过小[8]。

为了更好地研究自适应功率调节对降低信道噪声干扰的作用，应用H-PLC搭建了营配融合通信网络(图2)。营配一体化智能信息通信系统由主站(服务器)、H-PLC头端、中压信号耦合器、H-PLC中继、配电自动化终端(FTU、TTU等)和低压集抄系统组成。H-PLC头端设备通过变电站内部的光纤或局域网接入到电力系统中并且与营配一体化服务器通信，H-PLC信号通过中压信号耦合器耦合到10kV的线路上，远端的H-PLC中继设备将信号进行放大转发，送至各个节点的末端设备上，末端的H-PLC设备通过RJ45以太网接口或RS232、RS485等接口与各种配电自动化设备和低压集抄设备进行通信，并将数据传回营配一体化服务器或者向设备发送来自服务器端的操作指令。其中，对功率的自适应调节在H-PLC节点处完成[8,9]。

图2 营配融合通信网络示意图

2 双谱分析

2.1AR双谱分析

在信号处理和系统理论中，很多信号都可被看作是白噪声激励一个线性时不变系统的结果。设输出y(t)为零均值的k阶平稳随机过程，则k阶累积量ck,y(τ1,…,τk-1)定义为：

ck,y(τ1,…,τk-1)=cum{y(t),y(t+τ1),…,y(t+τk-1)}

(1)

根据BBR公式，对于稳定的线性系统H(z),如果设驱动信号为独立同分布的非高斯白噪声，考虑到因果关系的非最小相位系统，则输出y(t)的累积量函数为[10]：

(2)

根据系统模型，设输入信号中含有均值为零的非高斯白噪声a(t)，输出的随机信号中含有丰富的动态信息，则：

(3)

其中，αi(i=1,2,…,p)为自回归系数，p为自回归模型的阶数，利用奇异值分解法(SVD)来确定p的值[11]。

设时间序列{x(n)}为零均值k阶平稳随机过程，则该过程的三阶累积量为：

c3y(τ1,τ2)=cum{y(t),y(t+τ1),y(t+τ2)}

(4)

对其进行傅里叶变换，得三阶谱(又称双谱)为：

(5)

若x(n)为确定性信号，则其双谱可以表示为：

Bx(ω1,ω2)=X(ω1)X(ω2)X*(ω1+ω2)

(6)

其中，X(ω)为信号x(n)的傅里叶变换，X*(ω)为X(ω)的共轭复数[12]。建立自回归AR模型后，双谱表达式为：

BAR(ω1,ω2)=γ3aH(ω1)H(ω2)H*(ω1+ω2)

(7)

其中，γ3a=E{a3(n)}为斜度，a(n)为独立同分布的非高斯随机过程；H*(ω)为H(ω)的共轭函数，H(ω)为频率特性函数，即：

(8)

其中，p为AR模型的阶数。

2.2双谱对角切片分析

设x(t)为一实函数，双谱定义为三阶累积量的二维傅里叶变换，即：

ω2τ2)]dτ1dτ2

(9)

B(ω1，ω2)=X(ω1)X(ω2)X*(ω1+ω2)

(10)

B(ω,ω)=X(ω)X(ω)X*(2ω)

(11)

2.3算法流程

算法流程如图3所示。笔者提出的自适应功率调节算法是先利用AR双谱分析得到双谱对角切片，然后计算切片主峰与其他峰比值之和，然后通过比较比值之和与比值临界值N的大小来确定是否需要自适应调节功率大小(把比值临界值N设置为6)。

图3 自适应功率调节算法流程

3 实验与分析

在搭建的营配融合通信网络系统中的H-PLC信道中采集电力线载波通信信号，并进行双谱分析得到采集信号的双谱图如图4所示。

图4 采集信号的双谱图

再由笔者提出的基于双谱分析的自适应电力载波功率调节方法对信号进行处理，得到处理后的信号双谱图如图5所示。

图5 处理后的采集信号双谱图

对比信号处理前、后的两幅信号双谱图可以看出明显的不同：信号处理前的双谱图中除了有明显的谱峰出现之外，在其周围还有许多杂乱的小谱峰，说明在H-PLC信道采集到的通信信号中含有明显的噪声，几乎是淹没于干扰信号之中；信号处理后的双谱图中主峰周围的杂乱谱峰几乎全部消失，只剩余一点点杂峰而且峰值很小，主峰谱峰更为明显，说明通信信号中噪声干扰消除效果明显，通信质量有很大的改善[15～17]。

再对信号处理前、后的时域波形进行对比,如图6所示。

图6 信号处理前、后的时域波形对比

图6a是采集信号在处理之前的时域波形，可以看出信号杂波很多，噪声干扰明显，实用信号淹没于噪声信号中；图6b是经过处理后的信号时域波形，杂波减少，噪声干扰降低且效果十分明显。信号处理前的信噪比为9.562 3dB，信号处理后的信噪比为15.490 1dB。采集信号在经过笔者提出的基于双谱分析对电力载波功率调节的方法处理后，信噪比提升了6dB左右，说明了信道噪声干扰降低，通信质量得到明显的改善。

图7是对H-PLC信道中采集的信号进行小波去噪得到的双谱图。对比图5和图7可见，小波去噪后的双谱图主峰明显，但其周边仍然存在部分杂峰，消除效果不是特别理想；相比之下，利用基于双谱分析的电力载波自适应调节功率算法得到的双谱图效果更加显著，主峰附近只存在很少量的杂峰，而且杂峰峰值很小，在一定程度上可以忽略不计。

图7 小波去噪后的信号双谱图

小波去噪后的信号信噪比为12.864 2dB，比原始信号的信噪比有较大的增加，但增幅比笔者提出的算法处理后的信号信噪比的增幅要小，说明笔者提出的去噪算法比传统方法中的小波降噪法的去噪效果更为明显，对通信质量的改善更为显著。

4 结束语

笔者提出一种基于双谱的自适应信号功率调节算法，并在营配融合通信网络的H-PLC信道中采集信号。对采集的信号进行双谱分析，提取双谱对角切片并计算主峰与其他峰的峰值比之和，比较得到的和值与之前设定好的临界值N的大小，判断要增大还是减小调节信号功率以达到降噪目的。比较了信号处理前、后和小波去噪方法的双谱图、信噪比，结果表明：笔者所提基于双谱分析的自适应调节功率算法可以有效降低信道噪声干扰，噪声比提升可达6dB左右，而且效果比传统的小波降噪方法更加明显。

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(Continued from Page 1073)

sponse.This scheme can effectively reduce white Gaussian noise and multi-path interference.The simulation results under Gauss white noise channel and multi-path channel show that, this scheme can reduce the interference and the bit error rate along with an improve system performance.

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LIN Cong1,2,LI Bo1,2, CAO Min1,2，LIU Qing-chan1,2,WANG Ying-long3,LI Chuan3,XIE Tao3

(1.ElectricPowerResearchInstitute,YunnanPowerGridCo.,Ltd.,Kunming650217,China;2.CSGKeyLaboratoryforElectricPowerMeasurement,Kunming650217,China; 3.FaultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650504,China)

For purpose of improving H-PLC channel’s communication quality, a regulation algorithm for adaptive signal power based on bi-spectrum analysis was proposed.Through analyzing the communication signals gathered from H-PLC channel by bi-spectrum analysis, the summation of the proportion of the main peak and others of the diagonal slice of bi-spectra can be calculated; and through comparing this sum and critical value to adapt to the transmitted power of the adaptive control signal, the SNR of the H-PLC channel can be increased up to 6dB and the communication quality be improved after using this algorithm.

adaptive signal power adjustment algorithm, marketing and assignable communication network, H-PLC, bi-spectrum analysis, noise analysis

TP14

A

1000-3932(2016)10-1074-05

2016-09-27(修改稿)

国家自然科学基金项目(51567013)