电力线宽带载波通信的干扰过滤技术

齐火箭，徐海宾，杨红欣

（国网河北省电力公司河北省张家口供电公司，河北张家口 075000）

电力线宽带载波通信的干扰过滤技术

齐火箭，徐海宾，杨红欣

（国网河北省电力公司河北省张家口供电公司，河北张家口 075000）

电力线宽带载波间存在大量干扰信号，采用传统方法构建的干扰模型，只能在高信噪比的情况下完成通信过程中的干扰过滤，有效信号被淹没于干扰信号中，导致干扰效果差。提出一种基于改进时频峰值滤波算法的电力线宽带载波通信干扰过滤方法，利用频率调制将电力线宽带载波通信中的干扰信号编码成解析信号的瞬时频率，通过瞬时频率估计对干扰信号进行识别；采用时频峰值干扰过滤技术，对电力线宽带载波通信干扰信号中的原始信号进行恢复；在信号处理前，对时频峰值滤波算法进行改进，获取基本模式分量，依据干扰信号与有效信号的主导模态，利用不同窗长进行处理，将得到的电力线宽带载波通信信号应用于时频峰值滤波技术中，实现干扰过滤。实验结果表明，该方法干扰过滤效果好、过滤性能高、运行时间短，具有良好的实用性。

时频峰值；宽带载波；通信；干扰过滤

电力通信网是保证电力系统安全稳定运行的关键设施，电力线宽带载波是解决电力通信网中自动化瓶颈问题的最佳途径之一，随着我国智能电网的发展，电力线宽带载波通信的应用范围正在扩大[1-2]。但在电力线宽带载波通信中，发射端与和接收端之间众多的电力设备干扰通信，降低通信质量、威胁通信安全[3-4]。因此，对电力线宽带载波通信进行干扰过滤，成为亟需解决的问题[5]。

目前，研究电力线宽带载波通信的干扰过滤方法有很多，文献[6]构建基于小波变换的开关柜电磁干扰模型，通过统计规律的特性参数，对电力线宽带载波通信中的脉冲噪声进行建模，通过Clipping方法对脉冲噪声产生的干扰进行过滤，通过特征空间分解方法，对背景噪声产生的干扰进行过滤，但

是，该方法实现过程复杂；文献[7]采用EEMD-HHT（ensemble empirical mode decomposition Hilbert-Huang Transform，EEMD-HHT）方法，求出时域和频域中接收信号的幅值，对通信中的干扰信号进行检测，利用小波去噪法对检测到的干扰信号进行干扰过滤，该方法运行时间较长，效率较低；文献[8]基于EMD（empirical mode decomposition，EMD）去噪的Prony算法，通过用户调度，结合跨区域自适应干扰过滤法，对通信干扰进行过滤，操作过程简单，但该方法的吞吐量较低，也没有考虑对功率的控制；文献[9]基于EMD-TFPF（empirical mode decomposition-time Frequency peak filtering，EMD-TFPF）算法的电力线通信噪声消除技术，对通信干扰进行过滤，操作过程简单，但没有采用智能过滤方法，干扰效果较差；文献[10]提出一种基于DOM（document object mode，DOM）和视觉属性的网页信息过滤方法，建立高效的干扰过滤模型，通过非合作博弈论对模型进行优化控制，但该方法资源占用较多，能耗高。

基于此，提出一种基于改进时频峰值滤波算法的电力线宽带载波通信干扰过滤方法，通过瞬时频率估计对干扰信号进行识别，采用时频峰值干扰过滤技术，对电力线宽带载波通信干扰信号中的原始信号进行恢复，对时频峰值滤波算法进行改进，并应用于电力线宽带载波通信干扰过滤中[11-12]。

1 电力线宽带载波通信干扰过滤方法

电力线宽带载波通信存在大量干扰信号，传统方法依据干扰信号的特征构建干扰模型，导致有效信号被淹没于干扰信号中，只能在高信噪比的情况下可有效完成通信过程中的干扰过滤。因此，本文提出一种基于改进时频峰值滤波算法的电力线宽带载波通信干扰过滤方法。

1.1 一般时频峰值滤波算法

1.1.1 瞬时频率估计

在时频峰值滤波算法中，瞬时频率估计利用频率调制将电力线宽带载波通信中的干扰信号编码成解析信号的瞬时频率，通过瞬时频率估计对信号进行估计，可以过滤干扰信号，恢复有效信号。信号的瞬时频率不仅能够体现信号频谱的谱峰位置随时间的改变状态，还能够体现信号的能量在时间频率平面上的分布。所以，瞬时频率估计是分析非平稳信号的一个重要参数。

假设复信号或解析信号用z（t）=a（t）ej2πφt进行描述，其中a（t）用于描述瞬时幅度，φ（t）用于描述瞬时相位，则z（t）的瞬时频率可描述成：

式中：t为任意时间节点。因此，信号z（t）也可描述成：

式中：fz（λ）为λ时刻的瞬时频率。本节通过时频分布对瞬时频率进行估计。针对线性调频信号，时频分布WVD（wigner-ville distribution，WVD）的信号能量沿瞬时频率最为集中，所以，完成对WVD分布峰值的估计即可获取信号的瞬时频率。然而，解析信号的瞬时频率不是线性的，通过WVD峰值进行瞬时频率估计将出现误差，这时需采用加窗WVD，也就是伪WVD（PWVD）进行频率估计。复信号或解析信号的PWVD可描述成：

式中：h（τ）用于描述窗函数。则瞬时频率估计就是PWVD在频率上的峰值，即

1.1.2 时频峰值滤波技术

时频峰值滤波技术通过频率调制将干扰信号调制成解析信号的瞬时频率，利用干扰信号的分布峰值进行瞬时频率估计，瞬时频率估计结果包含有效信号的信息及有效信号的恢复。通过时频峰值滤波技术处理的电力线宽带载波通信干扰信号s（t）可描述成：

采用时频峰值干扰过滤技术对电力线宽带载波通信进行干扰过滤就是利用干扰信号s（t）所含信息对原始信号x（t）进行恢复。采用时频峰值干扰过滤技术对电力线宽带载波通信进行干扰过滤的详细过程如下。

1）对电力线宽带载波通信中的干扰信号进行编码，将其转换成瞬时频率。对干扰信号s（t）进行频率调制，获取单位幅度的解析信号z（t）：

式中：μ为频率调制指数。依据1.1.1小节瞬时频率估计分析可知，含噪信号s（t）为解析信号z（t）的瞬时频率。

2）取解析信号的z（t）的PWVD分布峰值，对解析信号进行瞬时频率估计，依据时频峰值滤波技术原理，可将其看作是有效信号x（t）的估计值。其表述式为：

式中：（Wz（t，f））用于描述解析信号z（t）的PWVD。

因为干扰信号和有效信号的频谱重叠，很难实现恢复所有的有效信号。所以，本节获取的是有效信号的估计值，但该估计值和实际值相差不大，可以代替实际值进行计算，实现信号恢复。

综上所述，利用干扰信号的分布峰值进行瞬时频率估计，恢复有效信号，实现了时频峰值滤波技术对干扰信号的过滤。

1.2 时频峰值滤波技术的改进

采用时频峰值干扰过滤技术对电力线宽带载波通信进行干扰过滤的过程中，在采用加窗WVD，也就是伪WVD（PWVD）进行频率估计时，窗长的选择会产生信号保真与干扰压制之间的矛盾。若选择较长的窗长，可有效抑制干扰信号，但源信号的幅值衰减将很大，信号失真程度较大；若选择较短的窗长，可有效保护源信号的幅值，但干扰过滤效果较差。而信号保真程度和干扰过滤效果将直接影响电力线宽带载波通信的质量。因此，需对时频峰值滤波技术进行改进。

本文在信号处理前，首次对其进行经验模态分解，获取一系列基本模式分量，依据干扰信号主导模态（高频）与有效信号主导模态（低频），采用不同窗长进行处理，对传统的时频峰值滤波技术进行了改进，以实现信号幅度和干扰抑制2方面的均衡，具有较好的创新性和实用性。

经验模态分解将信号分解成一系列本征模态，按照从高频模态到低频模态进行排序。高频分量通常是干扰信号的主导模态，随着分解的进行，出现有效信号主导的模态分量，最后出现信号残量。瞬时频域估计就是通过经验模态分解完成的。该方法依据信号时间尺度特征完成信号分解，适用于所有类型的信号，应用范围较广。

针对任意信号x（t），找出其全部极大值与极小值，采用3次样条曲线分别拟合x（t）的上、下包络线，得到的包络线均值用m1，i（t）进行描述，用原始数据x（t）和m1，i（t）相减，即可获取一个去掉低频的新信号h1，i（t）：

式中：i为拟合次数。将h1，i（t）看作是新的x（t），反复进行该过程，直至符合：

1）在整个信号长度上，极值点和过零点的数量相同或相差一个。

2）在任意时刻，信号的上下包络关于时间轴对称。

除此之外，也可将相邻2次结果的标准方差值看作是分解结束的约束条件。针对k－1次后的结果h1，k－1（t）和k次后的结果h1，k（t），有

若Sd在[0.2，0.3]区间内，则第一阶段分解结束，对应的第一个基本模式分量即为h1，k（t）。

将第一个基本模式分量从x（t）中删除，其余分量用r1（t）进行描述，循环式（9）分解过程，获取多个基本模式分量ci（t），最后获取一个描述信号平均趋势的残量rn（t），如果rn（t）足够小或是单调函数，则分解结束。而x（t）即可描述成基本模式分量和残量rn（t）之和：

采用改进时频峰值滤波技术对电力线宽带载波通信进行干扰过滤的详细过程如下：

1）对电力线宽带载波通信信号进行经验模态分解，分解出干扰信号主导的高频分量与有效信号主导的低频分量。

2）按照分量的不同，选择不同窗长的时频峰值对基本模式分量进行处理，窗长的选择规则：选择长窗长对高频分量进行干扰抑制；而有效信号主导的低频分量由于干扰信号含量少，有效占大部分，选择短窗长以保持有效信号成分，过滤干扰信号分量。

3）对经处理后的分量进行相加，同时加上残量，作为处理后的电力线宽带载波通信信号。通过时频峰值滤波技术对得到的通信信号进行干扰过滤处理，避免了传统方法进行干扰信号过滤时效果较差，导致电力线宽带载波通信的质量差的问题，

具有一定的创新性。

2 实验结果分析

为了验证本文提出的基于改进时频峰值滤波算法的电力线宽带载波通信干扰过滤方法的有效性，需要进行实验验证。实验在Matlab 7.0环境下进行。将传统小波阈值方法作为对比进行分析。

2.1 2种方法干扰过滤结果比对

分别采用本文方法和小波阈值方法对如图1所示的含有干扰信号的通信信号进行干扰过滤，结果分别用图2和图3进行描述。

图1 含干扰信号的通信信号Fig.1 Communication signals containing jamming signals

图2 小波阈值法干扰过滤结果Fig.2 Interference filtering results by the wavelet threshold method

由图1—图3可知，采用本文方法对电力线宽带载波通信中的干扰进行过滤，得到的有效信号明显优于小波阈值方法，验证了本文方法的有效性。

2.2 2种方法性能比对

为了更加直观地评价本文方法和小波阈值法的性能，将经2种方法处理后的信号信噪比和处理前的信号信噪比进行比较，得到的结果用表1进行描述。

图3 本文方法干扰过滤结果Fig.3 Interference filtering results by the method proposed in this paper

由表1可知，随着信号信噪比的降低，采用本文方法和小波阈值法处理后信号的信噪比均较处理前有所增加，但经本文方法处理后的信号信噪比一直高于小波阈值方法，进一步验证了本文方法干扰过滤的有效性。

2.3 2种方法误码率比对

在2.2节实验的基础上，对2种方法的误码率曲线进行比较分析，得到的结果用图4进行描述。

图4 2种方法误码率比较结果Fig.4 Ber comparison results of the two methods

由图4可知，经本文方法处理后信号的误码率明显低于小波阈值方法，误码率曲线在信噪比为7 dB后逐渐趋于平稳，而小波阈值方法的误码率曲线一直波动较大，说明本文方法不仅干扰过滤准确性高，而且具有一定的稳定性。

2.4 2种方法运行时间比对

通过上述实验分析可以验证本文方法的干扰过滤能力和准确性，但如果本文方法的运行时间较长，则本文方法的总体性能将大幅度降低。因此，需对本文方法和小波阈值方法的运行时间进行比较，得到的结果用图5进行描述。

图5 2种方法运行时间比较结果Fig.5 Run time comparison results of the two methods

由图5可知，本文方法所需时间远远低于小波阈值方法，说明本文方法不但有很高的干扰过滤能力，而且效率也较高，总体性能很高。

3 结语

本文提出一种基于改进时频峰值滤波算法的电力线宽带载波通信干扰过滤方法，对电力线宽带载波通信中的干扰信号的瞬时频率进行估计，采用时频峰值干扰过滤技术对电力线宽带载波通信干扰信号中的原始信号进行恢复。在信号处理前，对信时频峰值滤波算法进行改进，获取基本模式分量，依据干扰信号与有效信号的主导模态，依据不同窗长进行处理，将最终得到的电力线宽带载波通信信号应用于时频峰值滤波技术中实现干扰过滤。实验结果表明，该方法干扰过滤效果好，过滤性能高，运行时间短，具有一定的实用性。

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Interference Filtering Technology for Power Line Carrier Broadband Communication

QI Huojian，XU Haibin，YANG Hongxin
（Hebei Zhangjiakou Power Supply Company，State Grid Hebei Electric Power Comany，Zhangjiakou 075000，Hebei，China）

There is a large number of interfering signals existing in the power line broadband carrier，but the interference model by the traditional method can carry out the filtering in the communication only in the case of high signal-to-noise ratio，thus the effective signal can be easily submerged in the interference signals，leading to poor interference effect.This paper presents a new power line broadband carrier communication interference filter method based on the improved timefrequency peak filtering algorithm.The frequency modulation is used to code the jamming signal in the power line broadband carrier communication into the instantaneous frequency of analytic signal，and the jamming signal is identified through instantaneous frequency estimation；and the time-frequency peak filtering technology is used to restore the original signal in the jamming signal of the power line broadband carrier communication.Before the signal processing，the time-frequency peak filtering algorithm is improved to the basic component，and according to the interference signals and the dominant mode of effective signal，processing is done with different window lengths，and then the power line broadband carrier communication signal obtained is applied to the time-frequency peak filtering technology to realize the interference filtering.The experimental results show that the proposed method has high filtering performance with short interference filter operation time and good practicability.

time-frequency peak；broadband carrier；communication；interference filtering

2016-03-26。

齐火箭（1978—），男，高级工程师，研究方向为电气智能化与网络技术。

（编辑 董小兵）

教育部高校硕士点基金（201002240070）。

Project Supported by Master Degree Program for Colleges and Universities of Ministry of Education（201002240070）.

1674-3814（2016）09-0006-05

TM77

A