自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置及雙頻濾波設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置及雙頻濾波設(shè)備，自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置包括：自適應(yīng)單頻陷波濾波器，單頻干擾信號(hào)頻率估計(jì)和更新單元，輸入信號(hào)和干擾信號(hào)能量估計(jì)單元以及自適應(yīng)單頻陷波濾波器輸出選擇裝置；設(shè)備包括兩個(gè)相互級(jí)聯(lián)的自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置以及一個(gè)輔助陷波濾波器。本發(fā)明擴(kuò)展到自適應(yīng)雙頻陷波器，并具有靈活的硬件結(jié)構(gòu)以達(dá)到不同的功能組合：自適應(yīng)地去掉一到兩個(gè)單頻窄帶干擾信號(hào)，窄帶干擾頻率估值偏差小，陷波效果好。
【專利說(shuō)明】自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置及雙頻濾波設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信方法，系統(tǒng)和設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于格型IIR濾波器 結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)陷波濾波器實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，及由上述自適應(yīng)單頻 窄帶干擾陷波濾波裝置構(gòu)成的雙頻濾波設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 電力載波通訊（Power line communications-PLC)是一種用電力線為傳輸媒體的 通信系統(tǒng)，主要?jiǎng)澐譃閮纱箢悾阂活悮w為窄帶、低速、長(zhǎng)距離應(yīng)用（簡(jiǎn)稱窄帶PLC技術(shù))，另一 類歸為寬帶、高速、短距離應(yīng)用（簡(jiǎn)稱寬帶PLC技術(shù))。窄帶載波工作于3kHz-500kHz頻段， 在這種載波頻率分配下，通信速度一般在1Mbps以下。目前國(guó)際上常見(jiàn)的窄帶PLC標(biāo)準(zhǔn)是 IEC61334、PRME、G3-PLC、ITU G. 9955/9956 及 IEEEP190L 2 等。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，除了國(guó)際 電工委員會(huì)制定于上個(gè)世紀(jì)90年代的IEC61334標(biāo)準(zhǔn)采用S-FSK調(diào)制技術(shù)外，其他標(biāo)準(zhǔn)的 物理層全部采用了正交頻分復(fù)用（0FDM)調(diào)制技術(shù)。0FDM技術(shù)是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制 技術(shù)，它由多載波調(diào)制（MCM)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，0FDM要求各個(gè)子載波之間相互正交，并可采用 快速傅立葉變換（FFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0003] 窄帶干擾信號(hào)（Narrow Band Interference, NBI)在低壓窄帶電力通信系統(tǒng)中 是無(wú)處不在，比如由同波段的窄帶PLC通信系統(tǒng)的信號(hào)（如S-FSK，BPSK等）所引起的，或 者更普遍的，由電視接收機(jī)的屏幕刷新率(如：15. 734KHZ)的整數(shù)倍，或個(gè)人電腦（PC)開(kāi) 關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率的基頻和諧波所產(chǎn)生的強(qiáng)單頻窄帶噪聲干擾。這些基于開(kāi)關(guān)特性的電 氣設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲干擾信號(hào)通常含有豐富的諧波，而其基頻可在20KHz到1MHz的范 圍內(nèi)的任何頻率。這些窄帶噪聲干擾信號(hào)可以是脈沖型（Impulsive)的，也可以是連續(xù) (Continuous-time)型。不管是哪一種類型，它們都會(huì)對(duì)窄帶電力載波通信系統(tǒng)性能和質(zhì)量 產(chǎn)生重大影響。
[0004] 通常來(lái)說(shuō)，0FDM通信技術(shù)對(duì)NBI有自然的魯棒性，這是因?yàn)镹BI信號(hào)可以被容易 地檢測(cè)和擦除掉，加上0FDM子載波間具有一定的正交性，所以NBI的影響只局限在個(gè)別的 子載波上，可用前向糾錯(cuò)碼（FEC)來(lái)糾正。但是，在強(qiáng)NBI的環(huán)境中，快速和可靠的前導(dǎo)序 列（PREAMBLE)檢測(cè)和同步是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；NBI如不加以控制，則會(huì)嚴(yán)重影響0FDM系統(tǒng) 的通信可靠性，從而不能充分發(fā)揮0FDM對(duì)NBI自然的魯棒性。
[0005] 通常有用信號(hào)在傳輸和接收過(guò)程中會(huì)受到外界噪聲或干擾的污染，通過(guò)濾波器抑 制噪聲或干擾并保留信號(hào)能量，是一種抑制噪聲(干擾）的過(guò)程。這樣的濾波器可以是固定 的，也可以是自適應(yīng)的。對(duì)窄帶干擾（NBI)來(lái)說(shuō)，它的頻率通常對(duì)接收機(jī)而言是預(yù)先不知道 的，必須在接收機(jī)端通過(guò)頻率估計(jì)或檢測(cè)等方法來(lái)獲得。
[0006] 美國(guó)專利US6, 976, OMBKMahdl T. Kalani, Narrowband Interference Canceller for Wideband Communication Systems)是基于直接型IIR結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)成本高，收斂速度慢， 容易收斂到局部最少值等缺點(diǎn)。另外，此專利并未提及自適應(yīng)雙頻陷波器的算法。
[0007] Shotaro 等（Shotaro Nishimura et al，A Lattice-based Adaptive IIR Notch Filter and Its Application to FSK Demodulation, pp. 586-589, ISCAS2000, May28-31, 2 000, Geneva, Switzerland)提出格型（lattice) IIR ANF結(jié)構(gòu)，但該方案是用不同的梯度信 號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的，此梯度信號(hào)的幅度受窄帶干擾信號(hào)頻率不同而變化，從而影響收斂速 度和精度。另外，此文獻(xiàn)并未提及自適應(yīng)雙頻陷波器的算法。
[0008] Cho 等（Ν· I. Cho,et al，On the Adaptive Lattice Notch Filter for the Detection of Sinusoids, IEEE Trans on Circuits and Systems-II Analog and Digital Signal Processing, Vol. 40, No. 7, July, 1993, pp. 405-416)提出幾種不同的多頻信號(hào)陷波 器結(jié)構(gòu)，盡管該方案也用了格型（lattice) IIR ANF結(jié)構(gòu)，但具有偏差，且收斂速度一般。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)上述存在的0FDM系統(tǒng)在電力載波通信中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種 自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置及雙頻濾波設(shè)備，通過(guò)使用自適應(yīng)陷波器來(lái)去除NBI，然 后用相關(guān)接收機(jī)去檢測(cè)前導(dǎo)序列以便達(dá)到0FDM可靠有效的同步。本發(fā)明的自適應(yīng)多頻窄 帶干擾陷波濾波器可以自動(dòng)檢測(cè)NBI的頻率和強(qiáng)度并對(duì)以抑制，具有NBI頻率估計(jì)偏差小， 濾波器收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 一種自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其中，包括：
[0012] 一自適應(yīng)單頻陷波濾波器，用于從一輸入信號(hào)中濾除一單頻干擾信號(hào)或一單頻窄 帶干擾信號(hào)以恢復(fù)原有的信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生一干擾信號(hào)的估計(jì)以用于自適應(yīng)梯度信號(hào)和干擾 信號(hào)能量計(jì)算；
[0013] 一單頻干擾信號(hào)頻率估計(jì)和更新單元，用于估計(jì)所述干擾信號(hào)的未知頻率參數(shù)和 跟蹤微小頻率變化；
[0014] 一輸入信號(hào)和干擾信號(hào)能量估計(jì)單元，用于計(jì)算和監(jiān)測(cè)所述干擾信號(hào)和所述輸入 信號(hào)相對(duì)能量比；以及，
[0015] 一自適應(yīng)單頻陷波濾波器輸出選擇裝置，用于判斷所述干擾信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度并選 擇所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器是用經(jīng)過(guò)陷波后的信號(hào)還是用所述輸入信號(hào)作為輸出，同時(shí) 也作為判斷所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器收斂與否的條件之一。
[0016] 根據(jù)上述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置之構(gòu)想，所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器 采用格型IIR濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0017] 根據(jù)上述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置之構(gòu)想，所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器 包括相互形成一對(duì)互補(bǔ)濾波器的單頻陷波濾波器和單頻帶通濾波器；
[0018] 定義所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器的輸入信號(hào)為X (η)，輸出信號(hào)為y (η)，預(yù)估一窄 帶干擾信號(hào)ζ (η)，則：
[0019] 信號(hào)Χ(η)到y(tǒng)(n)的傳輸函數(shù)Ν(ζ)為所述單頻陷波濾波器，Ν(ζ)滿足：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，包括： 一自適應(yīng)單頻陷波濾波器，用于從一輸入信號(hào)中濾除一單頻干擾信號(hào)或一單頻窄帶干 擾信號(hào)以恢復(fù)原有的信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生一干擾信號(hào)的估計(jì)以用于自適應(yīng)梯度信號(hào)和干擾信號(hào) 能量計(jì)算； 一單頻干擾信號(hào)頻率估計(jì)和更新單元，用于估計(jì)所述干擾信號(hào)的未知頻率參數(shù)和跟蹤 微小頻率變化； 一輸入信號(hào)和干擾信號(hào)能量估計(jì)單元，用于計(jì)算和監(jiān)測(cè)所述干擾信號(hào)和所述輸入信號(hào) 相對(duì)能量比；以及， 一自適應(yīng)單頻陷波濾波器輸出選擇裝置，用于判斷所述干擾信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度并選擇所 述自適應(yīng)單頻陷波濾波器是用經(jīng)過(guò)陷波后的信號(hào)還是用所述輸入信號(hào)作為輸出，同時(shí)也作 為判斷所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器收斂與否的條件之一。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述自適應(yīng) 單頻陷波濾波器采用格型IIR濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述自適應(yīng) 單頻陷波濾波器包括相互形成一對(duì)互補(bǔ)濾波器的單頻陷波濾波器和單頻帶通濾波器； 定義所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器的輸入信號(hào)為X (η)，輸出信號(hào)為y (η)，預(yù)估一窄帶干 擾信號(hào)ζ(η)，則： 信號(hào)x(n)到y(tǒng)(n)的傳輸函數(shù)Ν(ζ)為所述單頻陷波濾波器，Ν(ζ)滿足：
信號(hào)X (η)到ζ (η)的傳輸函數(shù)Β(ζ)為所述單頻帶通濾波器，Β(ζ)滿足：
設(shè)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波器的調(diào)諧頻率為《wSdB衰減帶寬為Ω，則： B--COS ( ^ 〇)
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述單頻干 擾信號(hào)頻率估計(jì)和更新單元根據(jù)所述單頻帶通濾波器B(z)的輸出ζ (η)來(lái)形成一自適應(yīng)梯 度函數(shù)； 設(shè)所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)為μ，陷波頻率參數(shù)α (η)為待檢的所述干 擾信號(hào)的頻率，所述干擾信號(hào)的頻率根據(jù)一隨機(jī)梯度程序來(lái)估算和跟蹤，所述隨機(jī)梯度的 計(jì)算如下式的歸一化最小均方根誤差計(jì)算方式所示：
其中，η是自然數(shù)，代表時(shí)間序列。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述陷波頻 率參數(shù)α (η)的取值在自適應(yīng)更新過(guò)程中被限制在一允許的取值范圍，以保證所述自適應(yīng) 單頻陷波濾波器的穩(wěn)定性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，在計(jì)算所述 自適應(yīng)單頻陷波濾波器的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)μ時(shí)，采用隨機(jī)梯度算法實(shí)現(xiàn)，所述隨機(jī)梯度算法包括 普通LMS算法。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述輸入信 號(hào)和干擾信號(hào)能量估計(jì)單元用常用功率計(jì)算算法。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述輸入信 號(hào)和干擾信號(hào)能量估計(jì)單元用功率均方根算法。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述輸入信 號(hào)和干擾信號(hào)能量估計(jì)單元用功率平均算法。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，所述自適應(yīng) 單頻陷波濾波器輸出選擇裝置包括： 一干擾信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度的計(jì)算單元，用于計(jì)算所述干擾信號(hào)對(duì)所述輸入信號(hào) 的能量之比并作相應(yīng)的平均處理； 一預(yù)先確定的嵌合閾值，用于判斷是用陷波后信號(hào)還是用其輸入作為輸出，或用來(lái)判 斷所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器是否已經(jīng)收斂；以及， 一預(yù)先確定的釋放閾值，在所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器收斂后，用于判斷所述自適應(yīng) 單頻陷波濾波器是否需要釋放，或判斷所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器是否已經(jīng)發(fā)散。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，在所述自 適應(yīng)單頻陷波濾波器輸出選擇裝置中： 如果所述干擾信號(hào)對(duì)所述輸入信號(hào)的能量之比大于所述嵌合閾值，所述自適應(yīng)單頻陷 波濾波器進(jìn)入嵌合狀態(tài)，并且選擇所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器的輸出作為輸出； 如果所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器已經(jīng)處在嵌合狀態(tài)，而且所述干擾信號(hào)對(duì)所述輸入信 號(hào)的能量之比低于所述釋放閾值，所述自適應(yīng)單頻陷波濾波器輸出選擇裝置將重置相應(yīng)的 所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波器，并且選擇所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波器的輸 入信號(hào)作為輸出信號(hào)； 如果所述干擾信號(hào)對(duì)所述輸入信號(hào)的能量之比大于或等于所述釋放閾值，則所述自適 應(yīng)單頻陷波濾波器繼續(xù)處于嵌合狀態(tài)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，在所述自 適應(yīng)單頻陷波濾波器輸出選擇裝置中，所述嵌合閾值必須大于所述釋放閾值，以避免所述 自適應(yīng)單頻陷波濾波器在嵌合狀態(tài)和釋放狀態(tài)之間擺動(dòng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置，其特征在于，可用在從 3kHz到500kHz的電力載波通信頻段，以及OFDM解調(diào)系統(tǒng)的前置信號(hào)處理裝置中。
14. 一種自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波器設(shè)備，其特征在于，包括： 兩個(gè)相互級(jí)聯(lián)的如權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝 置；以及， 一個(gè)輔助陷波濾波器，用于過(guò)濾第一節(jié)自適應(yīng)單頻陷波濾波器的梯度信號(hào)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，兩個(gè)如權(quán) 利要求1至13中任意一項(xiàng)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置可單獨(dú)開(kāi)啟或關(guān)閉。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，兩個(gè)如權(quán) 利要求1至13中任意一項(xiàng)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置如果同時(shí)開(kāi)啟，并選用自 適應(yīng)雙頻組合優(yōu)化算法，則第一節(jié)自適應(yīng)陷波濾波器的梯度信號(hào)需經(jīng)過(guò)一個(gè)輔助陷波濾波 器過(guò)濾之后，加上第二節(jié)自適應(yīng)陷波濾波器的輸出，才能用來(lái)更新第一節(jié)自適應(yīng)陷波濾波 器的頻率參數(shù)，而第二節(jié)自適應(yīng)陷波濾波器的可根據(jù)權(quán)利要求1所述的正常更新其頻率參 數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，所述輔助 陷波濾波器的參數(shù)采用與所述第二節(jié)自適應(yīng)陷波濾波器完全相同的濾波器參數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，兩個(gè)如權(quán) 利要求1至13中任意一項(xiàng)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置如果同時(shí)開(kāi)啟，但選用獨(dú) 立優(yōu)化算法，則第一節(jié)自適應(yīng)陷波濾波器和與之相級(jí)聯(lián)的第二節(jié)自適應(yīng)陷波濾波器獨(dú)立 地更新其參數(shù)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，所述輔助 陷波濾波器可關(guān)閉或作為非自適應(yīng)陷波濾波器來(lái)用。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，兩個(gè)如權(quán) 利要求1至13中任意一項(xiàng)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置中的嵌合閾值和釋放閾 值可獨(dú)立配置，或采用相同數(shù)值。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14所述自適應(yīng)雙頻窄帶干擾陷波濾波設(shè)備，其特征在于，兩個(gè)如權(quán) 利要求1至13中任意一項(xiàng)所述自適應(yīng)單頻窄帶干擾陷波濾波裝置中的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)為μ可獨(dú) 立配置，或采用相同數(shù)值。
【文檔編號(hào)】H03H17/02GK104144138SQ201310173067
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月10日
【發(fā)明者】張旭明 申請(qǐng)人:鉅泉光電科技(上海)股份有限公司