用于电力线通信的干扰检测和消除的制作方法

本发明涉及电力线通信(PLC)系统，特别涉及PLC系统的噪声滤除。

背景技术：

电力线通信(PLC)系统常被用于一些专用智能电网应用，如发送仪表读数到中央室、或发送命令来控制配电和负载。通过将适配器插入到普通交流电源插座，家庭自动化和网络化也可以使用PLC。PLC网络诸如HomePlug AV标准，不会干扰交流电配送。

尽管PLC已经使用了一段时间，但仍然是低数据率(窄带)。由于不能同时进行发射和接收，需要使用半双工操作。希望能有高数据率的PLC，并能够提高可靠性。

图1显示一个PLC系统。电力线10载有交流电如110伏、120伏、220伏、或240伏，以每秒60次交替(60Hz)或以每秒50次交替(50Hz)。电器、灯具和其它需要电力的设备可以插入到插座12、14、16、18。通过将特别的适配器插入插座14、16，电力线10上可以载有设备22和个人计算机(PC)24之间的通信信号。但是，当大负荷的电器26接通时，会突然从其插座18拖曳出一个大电流。这个大负荷会在电力线10上产生噪声，这会干扰设备22和PC 24之间的通信。

图2显示在电力线通信(PLC)期间干扰一些子载波频率的噪声。子载波20是PLC传输的频率。相同的数据可以同时在几个子载波20上传输，以提供冗余并减轻有噪声的交流电电力线环境。电力线上的静态噪声34干扰子载波21上载有的信号，但不会干扰其它子载波20。数据仍然能够在其它子载波20上传输。

图3显示PLC里的各种噪声类型。静态噪声34长期出现在特定频率上。周期性噪声30是和交流电周期同步的脉冲，并可能出现很长一段时间，然后消失很长一段时间，例如当一个噪声电器接通和关断时。非周期性脉冲噪声32与交流电周期不是同步的，但重复出现。非同步噪声脉冲38出现一次，然后消失。背景噪声也可能出现在所有频率上。

由于各种噪声产生器和电源，电力线环境是固定噪声的。噪声可能周期性地出现或看上去像随机地出现，并且发生在任何频率上。不同的时间快照将显示一个不同排列的噪声和频率，如图3所示。

期望能将窄带PLC扩展到具有更高数据率的宽带PLC。期望能检测并滤掉电力线上的噪声，使数据能够在低噪声频率上传输。期望能动态检测噪声并持续调整滤波以避免噪声频率。期望能重新使用有噪声但现在噪声已经大幅减小的频率，以提供尽可能多的频率用于数据传输。

附图说明

图1是一个PLC系统。

图2是在电力线通信(PLC)期间干扰一些子载波频率的噪声。

图3显示PLC里各种噪声类型。

图4是一个持续检测并滤除电力线噪声的电力线通信(PLC)接收器的模块示意图。

图5详细显示控制层。

图6突出显示噪声检测和消除。

图7突出显示释放之前的噪声子载波。

图8是一个窄带频率检测器进行噪声子载波检测的流程图。

图9是一个窄带频率检测器进行噪声子载波释放检测的流程图。

图10是一个控制层根据窄带频率检测器检测出窄带干扰而调整滤波系数的流程图。

图11是一个控制层根据窄带频率检测器检测出窄带释放标签而调整滤波系数的流程图。

具体实施方式

本发明涉及对电力线通信(PLC)噪声滤除的改进。以下描述使本领域技术人员能够制作和使用根据特定应用及其要求所提供的本发明。对优选实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用到其它实施例。因此，本发明并不受限于所示和所述的特定实施例，而应该给予与在此所披露的原理及其新颖特征一致的最广范围。

图4是一个持续检测并滤除电力线噪声的电力线通信(PLC)接收器的模块示意图。模拟前端(AFE)42有模拟滤波器、放大器、和模数转换器(ADC)。AFE 42通过一个隔离变压器、或一个路由器、或一个智能家庭/办公电器从电力线接收信号。模拟信号通过ADC被转换成数字信号，并施加到滤波器50。滤波器50是一个无限脉冲响应(IIR)滤波器，其衰减由控制层40识别出的各种频率。例如，滤波器50可以同时实施为几种滤波器，如高通滤波器，用于滤掉接近并低于60Hz的低频率噪声，以及陷波滤波器，用于衰减高于60Hz的各种频率，如果检测到噪声。

时域处理器52从IIR滤波器50接收滤波信号，并在时域信号上执行各种数字信号处理器(DSP)操作。处理后的时域信号被转换成频域信号，如通过快速傅里叶变换(FFT)运算。时域到频域信号转换可以看作是时域处理器52和频域处理器54之间的一个连接器，而ADC可以看作是AFE 42和滤波器50之间的连接器。频域信号是通过频域处理器54使用数字信号处理器(DSP)处理的。时域操作是基于时域信号的，可以包括采样频率补偿、帧同步、数字自动增益控制(AGC)几个例子。频域处理器54基于频域信号执行操作，诸如信道估计、均衡、解映射等。

来自频域处理器54的频域输出施加到前向纠错(FEC)解码器48，其解码信号，并产生符号和从电力线上接收的最终数据。FEC解码器48进行的是发射器进行的FEC编码操作的逆操作，可以包括分集组合器、信道解交织器、涡轮解码器、或解扰器。最终将电力线上传输的数据恢复出来。

在频带上扩散的并在一些不同频率上传输的数据被恢复出来，产生单个数据流。数据可以是在多个不同频率上或不同时隙上冗余传输的。可以比较冗余数据，以检测并纠错，以及去除任何冗余和附加的纠错码字。然后，解码后的数据被传送到其它装置、系统或子系统以便进一步处理。

在频率处理器54上处理的频域信号被窄带频率检测器44检查。一个或多个具有最高平均功率的频率被窄带频率检测器44识别出，然后这些被识别出的频率的标识符或列表就被发送到控制层40。

控制层40将检测出的频率列表保持一段时间。控制层40也可以有一个传输频率列表或一个期望数据在其上传输的频率列表，例如由PLC标准如HomePlug AV或由PLC适配器或发射器的制造商支持的频率。

控制层40使用被检测到的(噪声)频率，产生一组新的系数给IIR滤波器50。这些新的系数实施一个陷波滤波器，其衰减被检测出频率附近的信号。因此，噪声频率被IIR滤波器50衰减，以消除窄带频率检测器44检测出的噪声。当多个噪声频率被窄带频率检测器44识别出时，IIR滤波器50就被实施为多个陷波滤波器如梳状滤波器。

当频率的功率显著高过大多数传输频率的平均功率时，这个高功率很可能就是由噪声源引起的，因为电力线噪声经常远远大过PLC传输信号。发明人假设显著高过平均值的功率是由噪声源引起的。在或接近该高功率噪声上的频率被滤掉以便消除噪声。在这些噪声频率上传输的任何数据，都被滤掉和衰减，使得在其它非噪声频率上传输的数据能够被用来恢复传输的数据流。

图5显示控制层40的详细结构。控制层40有一个中央处理单元(CPU)66，其执行存储在存储器(如存储器64、或ROM、闪存、或固件、或其各种组合)里的指令和程序。执行的高级别运行包括子载波消除程序70、子载波释放程序72、以及IIR滤波系数计算器74。

存储器64存储当前列表60以及删除列表62。删除列表62是由窄带频率检测器44识别出的一个或多个明显高于平均功率的子载波频率的列表。删除列表62可以仅包括PLC发射器能够在其上发送的子载波频率，或任何频率，如在相邻子载波频率之间的频率。删除列表62里仅包含子载波频率，这可以简化过程，但一些实施例可以允许中间频率同样被消除和跟踪。

当前列表60是一个PLC发射器可以在其上发送的所有子载波频率的列表，没有在删除列表62里的删除频率。因此，当前列表60里的子载波频率仅包括当前未经历严重噪声的子载波。当前列表60是一个在目前时间能安全载有数据的良好子载波频率的列表。

图6突出显示噪声检测和消除。使用PLC，多个子载波20可以载有数据。这些子载波20可以有不同频率，它们被PLC标准定义的常规间距隔开。可以选择相邻子载波20之间的间距以使干扰最小化。间距可以是线性的或对数的。

大多数子载波20的信号强度或功率都接近或低于平均功率80。一些未被发射器使用的子载波20可能有一个非常低或接近0的信号，但未在图6里显示。

图6显示有两个频率显著高于平均功率。噪声源33在噪声子载波21的频率周围产生高功率噪声。

噪声子载波21的功率显著高于平均功率80。阈值功率82是平均功率80乘以阈值TH1，其显著高于平均功率80。噪声子载波21的功率高于阈值功率82。

可以选择阈值乘数TH1的值，使得平均功率80附近的子载波20不会被窄带频率检测器44检测到。在任何特定时间内，大约一半的子载波20的功率电平都高于平均功率80，而另一半低于平均功率80。因此，阈值功率82显著高于子载波20的正常功率电平的分散。

噪声子载波21的频率被添加到控制层40里的删除列表62，产生新的滤波系数，并施加到IIR滤波器50，使得IIR滤波器50实施为一个以这些频率为中心的新的陷波滤波器。接着，IIR滤波器50消除或衰减噪声子载波21，使得在噪声子载波21上的噪声都不会被增加到或干扰最终被恢复的数据

图7突出显示释放之前的噪声子载波。在一段时间之后，噪声源33可能消失或关闭了。使用功率电平接近平均功率80的子载波20，来接收PLC数据。

一旦噪声源33被去除，噪声子载波21的功率电平就会显著下降。因为噪声子载波21的功率被IIR滤波器50的陷波滤波器衰减，所以窄带频率检测器44看到的噪声子载波21的功率应该低于其它没有陷波滤波器的子载波20的功率。当噪声源33被去除时，噪声子载波21的功率应该会低于平均功率。

当噪声子载波21的功率低于较低阈值功率84时，这些噪声子载波21可以被释放。噪声子载波21的频率从删除列表62中删除，并添加回到控制层40的当前列表60内。控制层40产生新的滤波系数，就不再有以噪声子载波21为中心的陷波滤波器，并且这些新的滤波系数会发送到IIR滤波器50以去除陷波滤波器。接着，噪声子载波21的功率电平可以返回到平均功率80附近，在这些之前噪声子载波21上载有的数据能够再次恢复。

较低阈值功率84是平均功率80乘以阈值TH2，其显著低于平均功率80。可以选择阈值乘数TH2的值，使得在平均功率80附近的子载波20不会被窄带频率检测器44检测到。可以选择较低阈值功率84，使其显著低于子载波20正常功率电平的分散。

注意到，PLC反射器继续在噪声子载波21上发送数据，即使当噪声子载波21被IIR滤波器50去除时。图4的PLC接收器独立于PLC发射器而运行。

图8是窄带频率检测器44进行噪声子载波检测的流程图。在步骤102，具有最高功率PMAX的子载波被窄带频率检测器44检测。在步骤104，如果那个子载波目前处于当前列表60内，则在步骤106这个具有最高功率PMAX的子载波从当前列表60里去除。

在步骤108，计算在当前列表60里剩余子载波的平均功率。去除了具有最高功率PMAX的噪声子载波后，会提供一个更好的平均功率PAVG给其它子载波。

在步骤110，当PMAX大于TH1乘以平均功率PAVG时，那么子载波功率显著高过平均功率。在步骤112，检测到窄带干扰。

在步骤110，当PMAX不大于TH1乘以平均功率PAVG时，那么子载波功率高于但没有显著高过平均功率。检测不到窄带干扰。

图9是窄带频率检测器44进行噪声子载波释放检测的流程图。在步骤114，删除列表62里的每个子载波都被窄带频率检测器44检查，确定其功率PIDX。

在步骤128，计算在当前列表60里剩余子载波的平均功率。该平均功率随时间变化。

在步骤120，当PIDX小于TH2乘以平均功率PAVG时，那么子载波的功率明显地低于平均值。噪声源已消失。在步骤122，检测到窄带释放标签。

在步骤120，当PIDX不小于TH2乘以平均功率PAVG时，那么子载波的功率没有明显地低于平均值。噪声源尚未消失。窄带释放标签尚未被检测到。

图10是控制层根据窄带频率检测器检测的窄带干扰而调节滤波系数的流程图。在步骤130，当窄带频率检测器44发出一个窄带干扰已被检测的信号时，如图8的步骤112，继续该控制层的过程。

在步骤132，如果同一窄带干扰在最后时间段T内被检测到至少N次，那么在步骤134该窄带干扰频率或子载波就可以添加到删除列表62里。在步骤136，控制层40重新计算IIR滤波器50的系数，以添加一个新的在窄带干扰的频率上的陷波滤波器。

初始，当窄带频率检测器44首次发出一个窄带干扰的信号时，控制层40并不会立即调节滤波系数。在步骤132，必须在最后时间段T内该相同的窄带干扰被检测至少N次后，才会更新滤波器。因此，窄带干扰必须在最后时间段T里保持N次感应活动状态，控制层40才会采取行动。

图11是控制层根据窄带频率检测器检测窄带释放标签而调节滤波系数的流程图。在步骤140，当窄带频率检测器44发出一个窄带释放标签已被检测到的信号时，如图9的步骤122，继续该控制层的过程。

在步骤142，如果同一窄带释放标签在最后时间段T内被检测到至少N次时，则在步骤144该窄带释放标签频率或子载波可以从删除列表62里去除，并被添加到当前列表60内。在步骤146，控制层40重新计算IIR滤波器50的系数，去除在窄带释放标签频率上的陷波滤波器。

当窄带频率检测器44首次发出一个窄带释放标签的信号时，控制层40并不采取行动。在步骤142，同一窄带释放标签必须在最后时间段T内被检测至少N次，才会更新滤波器。因此，窄带释放标签必须在最后时间段T里保持N次活动状态，控制层40才会采取行动。

要求干扰或释放标签被反复检查N次，这能够减少误触发。非常简短的瞬间噪声不会触发一次IIR滤波器50调节，但更持久的噪声则会。陷波滤波器同样保持开启更长时间，甚至是在噪声消失之后，直到满足时间段T内有N次。这种延迟更新滤波系数，增强了接收器的稳定性，形成一个更稳健的系统。

其它实施方式

发明人补充了一些其它实施例。例如，删除列表62和当前列表60可以存储子载波频率，或以子载波之间的间隔为中心的噪声频率，并可以存储数字频率值、或频率值的指针或标签、或指向特定频率值的数字。可以有多种存储格式。

例如，当前列表60可以存储当前被滤波器50去除的子载波频率。当前列表60可以用来产生滤波系数。也可以使用两个列表来实施删除列表62。第一列表L1存储一个子载波已经被窄带频率检测器44检测为干扰的次数。该L1列表也可以存储子载波在时间段T1内被窄带频率检测器44检测的次数的计数器。一旦计数器读数达到N1，则从当前列表60去除那个子载波，并更新滤波系数。第二列表L2存储一个子载波已经被窄带频率检测器44检测为释放标签的次数。该L2列表也可以存储子载波在时间段T1内被窄带频率检测器44检测为释放标签的次数的计数器。一旦计数器读数达到N1，那么子载波被添加回当前列表60内，并更新滤波系数。

也许有多个子载波，如100个或1000个或更多。可以使用自适应调制，以及各种卷积码。也可以使用加密。可以支持各种标准如HomePlug标准族。在电力线上接收到的信号可以通过HomePlug发射机或使用正交频分复用(OFDM)的适配器进行传输，以调制大量紧密的子载波频率，如高达1155个子载波。一些频率或许不能使用，因为它们与已分配的无线电频谱产生干扰。窄带频率检测器44的结果可能仅是整个接收到的频带中间的一个子载波频率，其可能处于传输频带之内或之外。

各种功能和操作的不同划分是可能的。例如，一旦在时间段T内作出N次检测，窄带频率检测器44也能够统计干扰被检测出的次数，然后发送信号给控制层40。接着，控制层40会立刻更新滤波系数。窄带频率检测器44仅能够检查子载波20的频率，而不是任何中间频率，或能够检查每对相邻子载波20之间的一些频率。删除列表62可以被限制在子载波频率，或可以有中间频率。一些相邻子载波可以被合并为删除列表62里的单一频率，控制层40可以建立单一陷波滤波器，其包括所有相邻子载波。在该例子里，单一频率可以是在两个相邻噪声子载波之间的一个中间频率。不处理几个具有最高功率水平的子载波，仅是具有最高功率水平的单一子载波可以被检测、追踪和处理以调节滤波系数。

不使用两个独立处理器，时域处理器52和频域处理器54能够共享同一DSP硬件或储存器，但具有单独程序以实施时域和频域DSP操作。时域处理器52和频域处理器54还可以共享一些子程序。窄带频率检测器44可以与频域处理器54集成，或可以由频率处理器54执行额外功能。

当显著噪声被窄带频率检测器44识别出或被一些其它装置检测到低于60Hz时，控制层40调节IIR滤波器50的系数，以调整高通滤波器的强度在或低于60Hz。高通滤波器截止频率并不限制为60Hz，其也可以是在发射器里使用的最低载波频率。低通滤波器可以被用来消除超出最高载波频率的干扰。滤波器50如FIR滤波器也可以实施其它类型的滤波，尽管成本可能更高。

尽管使用本发明时，不需要额外的电力线传感和检测器，但本发明可以与其它传感器和检测器结合使用。例如，可以使用这种传感器或检测器，调节高通滤波器消除60Hz和低噪声，而使用IIR滤波器50实施的陷波滤波器，滤掉传输频率附近的高频噪声。可以添加无源滤波器以预调节接收到的信号，各种其它信号条件和滤波可以通过时域处理器52或频域处理器54执行。

阈值TH1和TH2可以根据经验确定或估计，也可以是可编程的。可以使用各种程式或硬件传感器如电力线传感器，适应性地调整阈值。根据电力线的可变信道条件，阈值可以被灵活地设置。TH1可以远远大于1，而TH2可以远远小于1。TH1和TH2的默认值可以通过模拟确定。也可以以类似的方法，确定或调节N值和时间段T。

通过清除删除列表62里所有子载波频率、重置当前列表40为一个默认列表、并重新计算系数以删除从IIR滤波器50增加的所有陷波滤波器，控制层40可以周期性地重置。接着，窄带频率检测器44可以再次检测具有最高功率的K个子载波，并在时间段T内N次检测之后，或在一些其它数目的检测之后，发信号给控制层40，以将它们添加到删除列表62中。另一种选择是，不让窄带频率检测器44检测释放标签，而是周期性重置所有滤波器并重新检测。然后，可以去掉图9和11的过程。

不仅仅检测最高功率子载波，窄带频率探测器44还可以检测一些最高功率子载波。窄带频率检测器44可以首先寻找最高功率子载波频率，然后寻找下一个最高功率子载波频率…，直到已经检测出J个最高功率子载波。

使用一个默认高通滤波器，可以计算IIR滤波系数以消除直流偏置：

其中a_n是反馈滤波系数，b_n是前馈滤波系数，z是频率，而H是滤波器转移函数。

假设删除列表62被设置为vlist＝[sc_idx_1,sc_idx_2,sc_idx_k]，那么，vlist里每个子载波索引(sc_idx)的滤波系数a_n,b_n可以被计算如下：

最后，执行所有滤波器传递函数的卷积Hn(z)(其中n是从0到k)，更新窄带干扰消除列表(vlist)。每当窄带干扰删除列表(vlist)被更新，IIR滤波系数也会相应地被更新。

同样，可以对vlist里的每几个sc_idx进行卷积。例如，sc_idx1和高通滤波器的卷积用于设置IIR滤波器1，sc_idx2和sc_idx3卷积结果用于设置IIR滤波器2…等。

在一个实施例里，IIR滤波器可以被扩展成一个滤波器组，其包括一个或多个级联IIR滤波器，且各自可以独立地启用或禁用。

发明背景部分可能包含有关本发明问题或环境的背景信息，而不是描述其他人的现有技术。因此，包含这些材料在发明背景部分里并不是表示申请人认可现有技术。

在此描述的任何方法或过程是可以机器实施的或计算机实施的，且意在通过机器、计算机或其它装置执行，而不是意在仅由个人而不靠机器协助来执行。产生的可见结果可能包括，在显示器装置如计算机监控器、投影仪装置、音频产生装置、和相关媒体装置上显示的报告或其它机器产生的显示，可能包括也是机器产生的硬拷贝打印输出。其它机器的计算机控制是另一个可见结果。

在此所述的任何优势可能并不适用于本发明的所有实施例。当在权利要求元素里引用词语“装置”时，经常会在词语“装置”之前有一个或多个词语的标记。在词语“装置”之前的词语是一个意在方便引用权利要求的标记，而不是意在传达一个结构性限制。这种装置-加-功能的权利要求意在不仅覆盖在此所述的用来执行功能及其结构等同物的结构，而且包括等同的结构。例如，尽管螺丝和螺母具有不同的结构，但它们是等同的结构，因为它们都能执行固定的功能。信号通常是电信号，但可以是在光纤上载有的光信号。

前面已经描述了本发明的实施例。这不是穷尽性的，或将本发明限制在所披露的精确形式里。根据以上教义，许多修改和变形是可能的。本发明的范围并不受限于详细描述，而是受限于所附的权利要求。