基于TWACS的弱信号检测及仿真技术研究

　　在TWCAS中，为提取通信信号，对混杂在强噪声中的弱信号进行分析检测，提高系统检测信号的信噪比，常用方法主要有以下几种:
　　(1) 传统的基于时间变化量测量的信号检测方法
　　基于时间变化量测量的信号检测方法是最基本的检测方法。这种方法在高耗能地区通信时误码率较高，在强噪声情况下通信调制信号检测的可靠性较低。
　　(2) 基于互相关技术的通信信号检测方法
　　在双向工频通信系统中，调制信号的波形是确定的。将调制信号的波形与接收信号波形作互相关运算，可以提高系统信号信噪比。这种信号检测方法的可靠性优于传统的基于时间测量的信号检测方法，现场应用效果较好。
　　(3) 基于匹配滤波器的通信信号检测方法
　　匹配滤波器是用最大信噪比准则来衡量的最佳线性滤波器，能够检测淹没在噪声中的持续时间有限、波形已知的信号。在双向工频通信系统中，信号检测需要判别的是在确定位置的信号有无问题，属于幅度信息的匹配检测。用匹配滤波器检测TWACS中的通信信号可以提高接收端输出信噪比。
　　(4) 基于全通滤波器的IIR陷波滤波器的通信信号检测方法
通信信号的频带一般分布在200Hz～600Hz之间，为了保证采样时获得通信信号的足够信息，采样频率应在4 000Hz以上。背景噪声中最大的几个成分，如基波、3次谐波、5次谐波都处于相对采集频率的低频段中。能否准确地滤除这些低频成分的干扰，将直接影响通信的质量。本文将讨论采用基于2M阶全通滤波器的IIR陷波滤波器来抑制工频通信中的M个周期性干扰。
2 仿真系统设计及实验
　　参考目前普通使用的低压配电网，电源一般引自10kV低压变电所，经过用户变压之后经由ABC各相送入用户使用，变压器选用Δ-Y结构，容量100kVA，变比10kV/0.4kV，其他参数按10kV用户变压器通用参数选取，如图2所示。

在用户端，为较好地反映通常情况下的用户端用电情况，设计三相负荷基本平衡^[1][2]。将上行信号发送端安装在A相负荷之上，同时在变压器高压侧的子站A相端检测这个信号。为了验证TWACS的多路传输与信号检测，A相负荷上设计了两路信号的发送。整个用户端的结构及其参数如图3所示。

仿真开始后，在用户端A相采集得到的电流Ia1和电压Ea2分别如图4和5所示。可以看到，由于两路调制信号的加入，使得原负荷电流在多处均发生了畸变。由于用户负荷呈现的感性，所以电流信号脉冲并不是完全落在电流过零点上，而是稍稍落后靠近波峰一端。因此将每个采样窗口定为电压过零点之间的180°范围。

在调制上行信号时，电压的波形发生的畸变很小。在实际应用中，电流的调制值其实更为微弱，因此电压波形的畸变是非常微弱的。从这一点也可以看出，双向工频通信系统对用户设备的影响是可以忽略不计的。
仿真系统中，携带信号的电流如图6所示。由于变压器的电压比为，用户端电流经过变压器到达子站端时电流仅为原来数值的0.04，调制信号幅值也同时会相应减少，图6中的电流畸变已经非常微弱。

3 仿真信号的弱信号检测
3.1 差分检测方法
对仿真产生的Ia2的数据进行采样，将采样后的数据在MATLAB中做差分计算，再用码图A6、A14、A1对应的探测矩阵：

　　与得到的矩阵S分别相乘，每组得到36个数据，将其绘制出来成为T波形。得到的3组T波形如图7所示。

　　可以看到，对于有调制信号输出的两路信号，识别波形T清晰地显示出传输信号“1”和“0”；而第三路的识别波形T显示该通道未有调制信号，与实际情况相吻合。这也说明，在用户发送端同时发送正交信号时接收端可以利用各自的特定探测矩阵分别解调各个信道而不会产生错误。TWACS信号差分识别检测方法是可行和有效的。
　　同理将这样的多路传输推广，可选择一组编码同时发送6路正交信号从而利用通道的正交特性进行多路并行传输。
3.2 非差分检测方法
　　差分识别算法虽然能有效提取TWACS中的通信信号，但它的局限性也较为明显，当随机干扰较大时，检测效果不够理想。
　　对上面仿真产生的Ia2信号加入一些随机干扰，实际上，这与TWACS的实际通信情况更为接近。图8是在这种有噪声的情况下进行差分运算得到的T波形，此时的T波形已经很不理想，有信号与无信号之间的差别非常模糊，极大地影响了判断和识别。

　　因此需要采取其他的方法提取信号。下面验证本文提出的非差分检测方法：先消除TWACS中的谐波干扰，再对其进行小波分析，得到需要的信号特征。
　　在消除谐波干扰之前，首先对数据进行预处理，滤除高频非整次谐波和高频脉冲的干扰。对于图8所示的含有干扰的信号首先输入一个带通滤波器，该滤波器应在信号的带宽范围内有很好的带通性，而在高频范围内有很好的带阻性，此滤波器采用Matlab可以很方便地设计，计算出传递函数如下：
　　

　　根据采用陷波器消除双向工频通信系统中谐波干扰的思想，首先选用合适的陷波器。由于电力系统中谐波干扰的频率基本是为基波、3次和5次谐波，是已知和确定的，兼顾陷波器设计的性能和成本的考虑，选取基于全通滤波器的IIR陷波器，将经带通滤波器预处理的数据输入陷波器中，输入和输出的波形如图9所示，谐波的干扰基本已经被消除。

　　对陷波器的输出的波形进行小波分析，进一步提取通信信号的特征。根据第3章提出的方法，首先对陷波器输出的波形消除高频噪声，消噪后再应用二次样条小波在2¹、2²、2³、2⁴尺度下对其进行4层分析，如图10所示。在a4中，原本被淹没的信号将会凸现出来了。

　　接下来需要对a4包含的调制信号判别是“1”还是“0”，采用简便的门槛比较方法即可。对a4的数据按顺序排列，然后设置一个门槛值±V，当样点值大于＋V时就认为有正的调制信息，当样点值小于－V时就认为有负的调制信息，当值在上下门槛之间时就认为是无效信息，可以忽略。
　　在应有调制信息的各个位置依次识别，然后根据各路信息传输的码图来判定信息位是“1”或“0”。这样可以很好地将接近0值的样点值干扰排除掉，达到很好的识别效果，而且采用这种算法运算量很小，只需要将待识别波形样点值依次与门槛电压值比较便可。
　　判断用的门槛±V以及连续多少个样点值大于门槛时就认定正调制信息或者负调制信息的计数值M，均需要由实际调试过程中的经验值来确定。
　　综上所述，本文对双向工频通信系统的信号产生及传输过程中的波形特性用PSCAD软件进行了模拟仿真。实际仿真出了用户端的多路上行信号(采用A组6、14码图)，并对其特性进行了分析。当随机干扰较小时，采用差分识别算法提取了仿真得到的多路通信信号，效果良好。
　　当存在较大的随机干扰时，用非差分识别方法提取信号，实际采用了基于全通滤波器的IIR陷波器消除谐波影响，然后进行小波分析。仿真证明，用这种方法提取TWACS通信弱信号是可行和有效的。

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