一種電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于電力線載波通信技術(shù)開發(fā)的實驗和測試的通信環(huán)境模擬系 統(tǒng)，屬電力技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力線信道環(huán)境是影響電力線載波通信質(zhì)量的重要因素，在實際的電力線載波技 術(shù)應用環(huán)境中，電力線信道的噪聲水平直接決定著電力線載波通信的成敗。近年來，隨著電 力線載波理論研究的不斷深入和電力市場對電力線載波技術(shù)的迫切需要，電力線載波技術(shù) 的實施顯得極為迫切。然而電力線載波通信環(huán)境的復雜性和電力線載波實驗的高難度，嚴 重影響著電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展。因此設(shè)計一套結(jié)構(gòu)簡單、變化靈活且易于實施的電 力線載波通信環(huán)境模擬仿真系統(tǒng)就顯得尤為必要。
[0003] 現(xiàn)有的電力線通信環(huán)境模擬系統(tǒng)都是以電力線通信信道結(jié)構(gòu)的物理模型為依據(jù)， 采用自下而上的搭建方法建立的，這種模擬系統(tǒng)普遍存在實施困難、設(shè)備費用高昂的弊端， 而且不能適應電力線載波通信線路信道特性的變化，無法滿足電力線載波通信實驗對線路 多樣性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種實施簡單、靈活多變且設(shè)備費 用相對低廉的電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，為加快電力線載波通信的研發(fā)和應用提 供便利條件。
[0005] 本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，構(gòu)成中包括數(shù)據(jù)處理終端、信號調(diào)理設(shè) 備、模擬信號接口和承載線路，所述信號調(diào)理設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入端接數(shù)據(jù)處理終端的信道特 性數(shù)據(jù)輸出端，其模擬信號輸出端通過模擬信號接口與承載線路連接，所述電力線載波信 道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)按如下方式運作：
[0007] a.數(shù)據(jù)處理終端接收并存儲由電力線信道特性采集設(shè)備從電力線實際通信信道 多次采集的信道波形數(shù)據(jù)；
[0008] b.數(shù)據(jù)處理終端對存儲的信道波形數(shù)據(jù)進行分析處理，提取實驗所需的仿真信 號，然后根據(jù)仿真信號，結(jié)合實驗要求產(chǎn)生實驗所需的信道特性數(shù)據(jù)，并將信道特性數(shù)據(jù)發(fā) 送給信號調(diào)理設(shè)備；
[0009] c.信號調(diào)理設(shè)備接收到數(shù)據(jù)處理終端發(fā)出的信道特性數(shù)據(jù)后，首先將其轉(zhuǎn)換成模 擬信號，然后通過模擬信號接口將信號耦合到承載線路上，從而在承載線路上實現(xiàn)電力線 載波信道通信環(huán)境的模擬。
[0010] 上述電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理終端對從電力線實際通信 信道采集的信道波形數(shù)據(jù)進行分析處理，提取仿真信號的具體方法如下：
[0011] ①假設(shè)從電力線實際通信信道采集的信道波形數(shù)據(jù)可以分解成k個子模態(tài)叫(〇， 使得每個模態(tài)的估計帶寬之和等于輸入信號的帶寬f，利用Hilbert變換得到每個子模態(tài) uk(t)的解析信號，構(gòu)造如下的變分問題：
[0013] 式中，{uk} : = Iu1,…，uK}代表各個子模態(tài)，{c〇k} : = (Co1,…，cok}為對應的頻 率中心，δ (t)為狄拉克分布，4表示對t求偏導數(shù)，求解上述變分問題，得到分解后的各個 子模態(tài)的時域信號Iuk (t)};
[0014] ②將子模態(tài)的中心頻率cok、帶寬B、信號的稀疏度、功率譜密度和譜對稱性五個參 量作為分類屬性，采用樸素貝葉斯分類方法將子模態(tài)分為k類，計算每類子模態(tài)各個屬性 的均值，取屬性與均值最貼近的子模態(tài)作為子模態(tài)模板丐；
[0015] ③計算實驗所需的仿真信號Sni:
[0017] 其中a i為各子模態(tài)的權(quán)重系數(shù)。
[0018] 上述電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，所述承載線路上設(shè)有信號采集接口，所 述信號采集接口的信號輸出端經(jīng)保護設(shè)備接數(shù)據(jù)處理終端的反饋信號輸入端口。
[0019] 上述電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，所述承載線路上還設(shè)有兩個載波信號接 口，它們分別位于承載線路的兩端。
[0020] 上述電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，所述承載線路的每個載波信號接口上均 設(shè)有信息發(fā)送/接收裝置。
[0021] 本發(fā)明采用自上而下的方式搭建電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡 單、搭建方便、靈活多變、對電力線載波通信線路信道特性的變化適應性強、設(shè)備費用相對 低廉等優(yōu)點，為加快電力線載波通信的研發(fā)和應用提供了便利條件。
【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023] 圖1和圖2為本發(fā)明的兩個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為電力線信道環(huán)境測試示意圖；
[0025] 圖4為電力線載波通信PCB開發(fā)板解決方案示意圖。
[0026] 圖中各標號表示為：1、數(shù)據(jù)處理終端；2、信號調(diào)理設(shè)備；3、模擬信號接口；4、承載 線路；5、第一載波信號接口；6、第二載波信號接口；7、第一信息發(fā)送/接收裝置；8、第二信 息發(fā)送/接收裝置；9、信號采集接口；10、保護設(shè)備；11、電力線信道特性采集接口；12、電 力線信道特性采集設(shè)備。
[0027] 文中所用符號：f為輸入信號的帶寬，: = Iu1，…，％}代表各個子模態(tài)，{?k}: ={ω。. . .，c〇k}為各個子模態(tài)對應的頻率中心，δ⑴為狄拉克分布，色表示對t求偏導 數(shù)，ωΑ子模態(tài)的中心頻率，B為子模態(tài)的帶寬，為子模態(tài)模板，Sn為仿真信號，a i為各 子模態(tài)的權(quán)重系數(shù)，α為"懲罰因素"，λ(〇為拉格朗日乘子，H...，Xn為離線或連續(xù) 的子模態(tài)屬性變量，C是待分類的變量，D是訓練集，S為稀疏度，Φ為功率譜密度，P為譜 對稱性。
【具體實施方式】
[0028] 本發(fā)明的基本思路是利用計算機為運算工具提供結(jié)構(gòu)簡單、搭建方便、靈活性和 適應性強的電力線載波通信環(huán)境模擬系統(tǒng)，以方便進行電力線載波通信實驗和開發(fā)。
[0029] 實施例1
[0030] 參看圖1，電力線載波信道通信環(huán)境模擬系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理終端，1、信號調(diào)理設(shè) 備2、模擬信號接口 3、承載線路4、第一載波信號接口 5、第二載波信號接口 6、第一信息發(fā)送 /接收裝置7、第二信息發(fā)送/接收裝置8。其中數(shù)據(jù)處理終端1采用裝有用虛擬儀器軟件 編寫的主控程序的普通PC。信號調(diào)理設(shè)備2采用凌華PX-2501數(shù)據(jù)模擬輸出采集卡，模擬 信號接口 3、第一載波信號接口 5、第二載波信號接口 6由華電江都電力設(shè)備有限公司的一 體化相地式電容耦合器和幾-Y型結(jié)合濾波器組成，承載線路4采用4個平方的普通銅芯電 纜線，第一信息發(fā)送/接收裝置7、第二信息發(fā)送/接收裝置8是具有調(diào)制解調(diào)功能的電力 線載波通信PCB開發(fā)板。
[0031] 搭建模擬實驗環(huán)境的實施方式和步驟如下：首先利用圖3所示的電力線信道特性 采集設(shè)備對所要研究的電力線通信環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集。將采集到的數(shù)據(jù)存入到本實例采用 的數(shù)據(jù)處理終端1中，由數(shù)據(jù)處理終端1分析從電力線實際通信信道采集來的大量信道波 形數(shù)據(jù)，此處采用變模分解加樸素貝葉斯分類的方法進行信道環(huán)境數(shù)據(jù)分析和數(shù)學特征提 取。
[0032] 變模分解實質(zhì)上是變分問題的求解過程，該方法主要由變分問題的構(gòu)造和求解兩 個方面構(gòu)成。我們假設(shè)采集到的電力線載波信道環(huán)境信號能夠被分解成多個具有中心頻 率且?guī)捰邢薜?子模態(tài)"，并且使得每個模態(tài)的估計帶寬之和最小，就可以將數(shù)據(jù)的分解 問題變成模態(tài)分解的問題，具體過程如下：假設(shè)我們可以將從電力線上采集來的數(shù)據(jù)信號 分解成k個"子模態(tài)"U k (t)，使得每個模態(tài)的估計帶寬之和等于輸入信號的帶寬f。利用 Hilbert變換得到每個子模態(tài)uk(t)的解析信號，從而得到如公式（1)所示的每個子模態(tài) uk(t)的單邊頻譜，式中δ (t)為狄拉克分布。如公式（2)所示，對各個子模態(tài)乘以預估中 心頻率將其頻譜搬移到基頻帶并計算得到基頻的L2范數(shù)，從而可以估計出每個子模態(tài) 的頻譜帶寬，加上約束條件便可得到受約束的變分問題，公式（2)中: = Iu1，…，％}代 表各個子模態(tài)，{?iJ : = {ωι，. . .，ωι^為對應的頻率中心，δ (t)為狄拉克分布，4表不對 t求偏導數(shù)。

[0035] 為順利求解上式中的數(shù)學問題得到最優(yōu)解，引入如公式（3)所示的Lagrange乘法 算子，
[0037] 此算子可以保證約束條件的嚴格性，其中α為"懲罰因素"，目的是保證重構(gòu)信號 的精度，λ (t)為拉格朗日乘子，這樣我們將約束性變分問題變成了非約束性變分問題，為 求解非約束性變分問題，變模分解采用了乘法算子交替法（Alternate Direction Method of Multipliers, ADMM)，即通過交替更新<、<和<搜尋（3)式中的"鞍點"。uk的求解 過程如下所示。
[0039] 利用Parseval/Plancherel傅里葉變換將（4)式變換到頻域并將第一項中的ω 換成（〇-〇^得到：
[0041] 利用Hermitian對稱性，將公式（5)轉(zhuǎn)換到非負頻率區(qū)間：
[0043] 根據(jù)（6)式便可得到'的最優(yōu)解：
[0044]
[0045] 式中劣41等價于
的維納濾波。運用同樣的運算過程，我們可得 到中心頻率備4的更新算法，得到能量譜中心：
[0047] 對問f(?)}進行ITFT變換并取其實部，便可得到分解后的各個子模態(tài)時域信號 Iuk ⑴} 〇
[0048] 面對復雜多變的電力線通信環(huán)境，要建立能夠模擬真實環(huán)境的仿真環(huán)境還面臨諸 多困難，在研究中我們發(fā)現(xiàn)，針對特定確定的某條線路，在一段時間內(nèi)其信道環(huán)境特征具有 穩(wěn)定性，所以針對特定線路的信道環(huán)境進行研究具有模擬真實性高的特點。為有效建立針 對特定線路的信道環(huán)境水平的模擬仿真，我們利用變模分解方法在信號分解方面的優(yōu)秀性 能，成功地將電力線上的載波信號分解成具有中心頻率且?guī)?