基于数据多重模糊过滤的电网信号弱区域通信系统设计

张万杰，李宏梅，李艳，张磊，杨立超

（云南电网有限责任公司德宏供电局，云南德宏 678400）

电网信号弱区域与正常区域相比，场强更低，通常隧道、坑道、矿区和地下停车场，这些区域的电磁波会受到外界干扰，或吸收、或阻挡、或反射，难以以正常的状态运行。为了保证弱区域的接收机能够接收到足够强的信号，需要改变该区域的门限，确保弱区域内部的场强以合理的方式分布，防止同频造成的干扰，从而使用户能够正常通信。

以往针对电网信号弱区域通信的研究多采用集成控制平台，吕朋朋等人[1]设计了基于BIM 技术的弱电系统集成控制平台，建立弱电系统电路阻抗参数模型，通过参数融合分析，搭建逆变器实验平台，实现弱电系统集成，完成稳定输出，该系统具有很好的增益效果，能够快速实现集成，但是通信能力较弱。郑振峰[2]设计了基于窗函数的弱电信号智能感知系统，通过KE-INT 实时控制机箱和NH5486 模拟输入模板完成信息控制和操作，该系统虽然具有较强的信息感知能力，但是并没有针对通信系统进行深入的研究。

数据多重模糊过滤能够很好地减少不相关数据的产生，利用仿真节点对不相关数据进行处理，从而降低成本开销。因此该文数据多重模糊过滤设计了一种新的电网信号弱区域通信系统，从硬件、软件出发进行优化处理，并利用实验验证了系统的可行性。

1 系统硬件设计

该文研究的通信系统能够将音频信号和视频信号通过压缩和编码处理转换成数据信息复用打包的传输码流，压缩过程符合MPEG 标准，系统内部以激励器为核心，利用信道编码和调制完成信号模拟，通过变频进入所需频道，利用射频器放大信号[3]。系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

观察上图可知，系统硬件主要包括COFDM 编码单元、时钟同步模块、I/Q 调制器和UHF 变频器。输入信号在经过激励器时，以MPEG-TS 码流的形式输出，通过数字播控中心完成多次压缩编码，通过打包处理形成传输码流，输出信号通过编码、调制和变频处理形成模拟信号，再由激励器实现信号的处理和调制，在确保增加信号的抗干扰能力后，对信息进行正常接收，从而使信号能够顺利传输[4]。

1.1 COFDM编码单元设计

在传输信号的过程中，多径效应会影响信息正常通信，因此需要利用COFDM 进行正交频分复用调节，通过调制不同的信号，将信号分解，并统一传递，统一发送，通过提高信号的传播周期，增强信号的抗干扰能力[5-6]。COFDM 编码器遵照ETSI 标准，能够很好地处理信号的帧结构，完成信息编码和调制。COFDM 编码器工作原理如图2 所示。

图2 COFDM编码器工作原理

根据图2 可知，在数据随机处理过程中，信息过长可能会出现0 或1，因此需要随机处理，电路进行随机转化，在每组电路上安设移位寄存器，外码采用截短码的方式，这种模式采用R-S 编码，提高信息的纠错能力[7]。同时使用内交织和外交织完成数据交织，信号在各个不同信道中传输，会出现各种不同的差错，由于数据之间的关联性，一旦错误发生就会导致连篇数据出错，一旦错误集中，将很难处理，因此通过交织减少数据的集中程度[8]。编码器的内码采用卷积码进行纠错，纠错性能很强，能够减少内部的误码[9-10]。

1.2 I/Q调制器设计

调制器内部的信号为固定信号，因此需要通过变频器转移到RF 激励器中，以此完成信息的调制。I/Q 调制器结构如图3 所示。

图3 I/Q调制器结构

根据图3 可知，I/Q 信号通过校正完成数据模拟转换，通过模拟映射完成数据信息转换，利用信号模拟使通信信息能够达到需要的频率，再以RF 射频模式输出。I/Q 调制器具有很好的操作性能，能够在短时间内实现控制操作，确保滤波器在工作过程中不会对外界造成破坏[11-12]。I/Q 调制器工作原理如图4所示。

图4 I/Q调制器工作原理

根据图4 可知，I、Q 两种信号通过校正实现数模转化，在信息转换成模拟量后，通过调制得到射频信号，信号在校正操作后经过低通滤波器，从而完成信息输出。

1.3 时钟同步模块

COFDM 调制器内部的带宽为8 MHz，在处理高精度信号时，频率需要转化为18.285 MHz，因此该文在硬件结构中引入了时钟同步模块，利用时钟频率信号保证信号同步，即使在频率精度非常高的情况下，也能很好地完成信息锁定，确保传输过程信号的稳定性。将电路产生的信号与电流配合，完成信号相锁，从而抑制频率漂移，确保激励器内部的时钟参考信号以稳定的状态运行[13]。

2 系统软件设计

在完成通信系统硬件设计后，利用数据多重模糊过滤技术对通信系统软件进行设计。确定信息的属性值，同时进行量化处理和归一化处理，得到属性集合。将信息存储在属性集U里，定义属性集U的长度为N，信号的属性集合A存储在实体中，组成非空有限集合如式（1）所示：

设U能够组成一个实值函数，记录为：

通信信号的属性位置(x,y)∈U。

根据通信信号的属性位置可知，属性过滤过程中会产生外延，由于贡献程度难以确定，因此出现的外延是不明显的，因此在确定电网通信信息时，需要进行模糊分布，通信属性的关联度分布方式如图5所示。

图5 通信属性关联度分布方式

根据图5 可知，在通信过程中，信号的关联度对于过滤信息呈现连续性的变化，如果通信信息的位置距离接收机的距离超过10 000 m，则会被定义为干扰信息，系统自动过滤；如果距离小于10 000 m，则为正常通信信息，不会被过滤[14]。通信信息属性的关联度直接影响通信信息关联度，如果属性之间有很大的关联度，则通信信息的关联度较大，反之信息的关联度过小，在通信过程中会被过滤掉。由于信息是否被过滤之间缺少模糊的定义，因此需要通过模糊测度判断属性关联[15]。

利用F(U)定义模糊测度，信息在k维空间内产生的模糊联系，记为ζk。在确定模糊关联空间之后，得到属性集合：

通过数据过滤确定信息之间的关系，分析属性之间的关联程度，对式（1）中的信号A、通信信号与阈值λ进行比较，如果信号A与通信信号超过λ，则代表信号为干扰信息，需要被过滤；如果信号A与通信信号小于λ，则代表信号能够顺利通信。通信过程建立仿真循环，在确定属性关联度后，可以得到通信信号关联度，根据电网信号弱电区域性质确定阈值λ，在得到关联实体集后，与阈值进行对比，分析是否需要模糊过滤，完成信息通信，通信过程可以同时从发射端和接收端两个区域进行[16]。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于数据多重模糊过滤的电网信号弱区域通信系统的有效性，与传统的基于BIM 技术的弱电系统集成控制平台和基于窗函数的弱电信号智能感知系统进行对比，分析通信过程对干扰信号和冗余信号的过滤效率，判定通信过程的稳定性。

选用的实验区域为隧道区域，该区域基本结构如图6 所示。

图6 实验区域基本结构

根据图6 可知，隧道内部设置了三个功率分配器，每一个分配器通过电力线连接一个中继器。在信号未传入时，所有中继器都处于接收状态，当传入信号后，所有的中继器从接收状态转变为发送状态。

数据的过滤效率计算公式为：

其中，η表示过滤效率；ν表示过滤掉的冗余数据和干扰数据；z表示实际的干扰数据和冗余数据。得到的实验结果如图7 所示。

图7 过滤效率的实验结果

观察图7 可知，在引入三种通信系统后，通信信号在隧道内部的传递能力都得以加强，干扰信号和冗余信号都能够得到过滤，但是三种系统的过滤效果不同，该文设计的基于数据多重模糊过滤的电网信号弱区域通信系统过滤能力最强，基于BIM 技术的弱电系统集成控制平台虽然也能够对信息进行过滤，但是在过滤过程中不能够保证内部所有通信信号都能够被具象化处理，内部冗余数据仍然掺杂在通信信号中，使过滤效率被大大降低。基于窗函数的弱电信号智能感知系统在过滤信号过程中，依赖窗函数对信号进行感知，难以确定更新区域，对信号的属性要求较高，如果属性超过上限或者下限都很难被检测出来。该文提出的系统利用路由空间概念，内部设置了阈值λ，能够确保每个数据信号都与阈值进行对比，在计算过程中，实体通过属性集的关联度来判断实体之间的联系，这样可以充分利用环境中的信息，提高过滤效率。

信息在传递过程中的波动情况如图8 所示。

图8 信息传递状况的实验结果

根据图8 可知，传统的两种系统在对冗余数据和干扰信息进行过滤时，没有考虑信息的模糊性，因此在传输过程中，过滤位置会出现波动，发送状态和接收信息容易受到外界干扰，出现多次波动。该文设计的系统由于将属性之间的关联度模糊，因此数据之间的属性出现了细微的变化，信息在传递过程中敏感性降低，传输更加平稳，波动性更好，通信过程更稳定。

4 结束语

随着通信技术的发展，人们越来越依靠网络通信，如何在弱信号区域实现有效通信是目前亟待解决的问题。该文利用数据多重模糊过滤设计了电网信号弱区域通信系统，硬件通过调制器为信号高性能通道提供了基础，利用多重模糊过滤对信号进行处理，提高信号的可靠性和信息流量。该文设计的系统能够很好地解决单一通信所遇到的问题，在经济性和整体性能上都得到了提高，具有较强的应用价值。未来需要进一步深入研究信息流量问题，确保在多通道内部信息也能够顺利传输。