本發明屬于智能電表，具體而言，涉及一種電表載波通信模塊自適應頻率調節方法、介質及系統。
背景技術：
1、電力線載波通信利用電力線作為傳輸媒體,通過在功率頻率(50/60hz)上疊加高頻載波信號來實現數據傳輸，常用于智能電表數據傳輸。然而,電力線載波通信系統面臨著嚴峻的噪聲干擾問題。電力線上存在各種電噪聲源,如開關電源、電機等,會產生寬帶白噪聲、窄帶諧波噪聲、短時沖擊噪聲等干擾信號,嚴重影響通信質量，導致時變的信道環境和非平穩的噪聲特性,給通信系統性能帶來極大挑戰。如何適應復雜的電力線信道環境,提高通信的可靠性和穩定性,是電力線載波通信領域亟需解決的關鍵技術問題。
技術實現思路
1、有鑒于此，本發明提供一種電表載波通信模塊自適應頻率調節方法、介質及系統，能夠解決現有技術中電表的載波通信存在難以適應復雜的電力線信道環境的技術問題。
2、本發明是這樣實現的：
3、本發明的第一方面提供一種電表載波通信模塊自適應頻率調節方法，獲取電力線載波通信信號并采樣得到采樣數據序列；對采樣數據序列進行時域分析，獲取時間分布特征；對采樣數據序列進行頻域分析，獲取電力線噪聲頻譜特征；建立時頻特征關聯矩陣；根據時頻特征關聯矩陣，將每日24小時劃分為多個傳輸時間窗口；對每個傳輸時間窗口內最優頻率范圍進行子頻帶劃分并進行信道質量評估；將信道質量評估數據代入噪聲特征方程組求解，獲得信道傳輸特性曲線；根據信道傳輸特性曲線選取最優傳輸子頻帶進行載波通信，并在通信質量參數低于預設閾值時重新進行分析與選擇。
4、其中，所述時間分布特征包含通信密集時段、通信稀疏時段；所述電力線噪聲頻譜特征包含不同時段頻率干擾分布；所述時頻特征關聯矩陣包含時間分布特征與電力線噪聲頻譜特征對應關系。
5、其中，每個所述傳輸時間窗口具有對應最優頻率范圍；所述信道質量評估數據包含信噪比、誤碼率、信道衰減。
6、其中，所述噪聲特征方程組包含頻率響應方程、信道衰減方程和信號完整性方程。
7、其中，所述頻率響應方程表征不同頻段信號幅值變化特性。
8、其中，所述信道衰減方程描述信號在傳輸過程中能量損耗。
9、其中，所述信號完整性方程表示信號傳輸中波形失真程度。
10、其中，當所述通信質量參數低于預設閾值時，返回執行時域分析、頻域分析、建立時頻特征關聯矩陣、劃分傳輸時間窗口、進行子頻帶劃分與信道質量評估、求解特征方程組及選取最優傳輸子頻帶步驟，重新進行時頻特征分析與最優子頻帶選擇。具體而言，包括以下步驟：
11、s10、獲取電力線載波通信信號，對所述電力線載波通信信號進行采樣，得到采樣數據序列；具體是：利用采樣設備(如高速adc)對電力線載波通信信號進行采樣；采樣率需要大于通信帶寬的2倍以上,以滿足奈奎斯特采樣定理；在采樣過程中,可以采用漢寧窗或海明窗等加窗技術來抑制頻譜泄露；獲得采樣數據序列x(n)后,即可進行后續的時域分析；該步驟的主要目的是獲取待分析的原始電力線載波通信信號。
12、s20、對所述采樣數據序列進行時域分析，獲取每日24小時內電力線載波通信的時間分布特征，所述時間分布特征包含通信密集時段、通信稀疏時段；具體是：計算每個時間窗口(如300秒)內的通信請求次數n(t)；記錄每類業務的實際通信時長li(t)；根據通信密集度計算公式計算每個時間窗口的通信密集度,其中t為統計時間窗口,α和β為權重系數,n為業務類型總數,mi(t)為第i類業務的最大允許通信時長；根據通信密集度d(t)的變化趨勢,將每日24小時劃分為通信密集時段和通信稀疏時段；該步驟的目的是獲取電力線載波通信的時間分布特征,為后續的頻域分析和時頻關聯提供基礎。
13、s30、對所述采樣數據序列進行頻域分析，獲取電力線噪聲頻譜特征，所述電力線噪聲頻譜特征包含不同時段的頻率干擾分布；具體是：對采樣數據序列x(n)進行fft變換,計算功率譜密度其中ξ為fft點數(默認1024)；在通信空閑期采集100組噪聲數據,對每組數據進行fft分析并取平均值,得到背景噪聲功率譜pbg(f)；量測已知信號源的功率譜并與理論值進行對比,計算修正系數γ＝pmeasured/ptheoretical；根據修正的功率譜密度公式計算最終的噪聲功率譜特征；該步驟的目的是獲取電力線噪聲的頻譜特征,為后續的時頻關聯分析提供依據。
14、s40、建立時頻特征關聯矩陣，所述時頻特征關聯矩陣包含所述時間分布特征與所述電力線噪聲頻譜特征的對應關系；具體是：構建二維時頻特征關聯矩陣m,行表示時間特征(時間窗口),列表示頻率特征(噪聲功率譜)；將步驟s20得到的時間分布特征d(t)映射到矩陣行,表示每個時間窗口的通信密集度；將步驟s30得到的噪聲功率譜p(f)映射到矩陣列,表示不同頻段的噪聲特征；矩陣元素mi,j表示時間窗口i和頻率段j之間的關聯度,可以采用相關系數、互信息等指標進行量化；該步驟的目的是建立時間和頻率兩個維度之間的關聯映射關系,為后續的自適應調頻提供依據。
15、s50、根據所述時頻特征關聯矩陣，將每日24小時劃分為多個傳輸時間窗口，每個所述傳輸時間窗口具有對應的最優頻率范圍；具體是：對時頻特征關聯矩陣m進行聚類分析,將24小時劃分為k個傳輸時間窗口；對于每個時間窗口k,找出關聯度最高的頻率范圍[fk,min,fk,max]作為該窗口的最優傳輸頻率；將每個時間窗口的最優頻率范圍進行合并優化,盡量減少相鄰窗口的頻率重疊；該步驟的目的是根據時頻特征關聯關系,合理劃分傳輸時間窗口并為每個窗口確定最優的頻率范圍,為后續的自適應調頻提供依據。
16、s60、對每個所述傳輸時間窗口內的最優頻率范圍進行子頻帶劃分，并進行信道質量評估數據，所述信道質量評估數據包含信噪比、誤碼率、信道衰減；具體是：將每個傳輸時間窗口的最優頻率范圍[fk,min,fk,max]等間隔劃分為m個子頻帶；針對每個子頻帶,采集信道質量評估指標,包括信噪比snr、誤碼率ber和信道衰減per；將各子頻帶的信道質量評估數據記錄在一個矩陣中,行表示時間窗口,列表示子頻帶；該步驟的目的是在每個傳輸時間窗口內,評估不同子頻帶的信道質量狀況,為后續的自適應調制選頻提供依據。
17、s70、將所述信道質量評估數據結果代入預先擬合好的噪聲特征方程組進行求解，獲得每個所述傳輸時間窗口的信道傳輸特性曲線；該步驟的目的是建立電力線載波通信信道的數學模型,描述頻率響應、衰減特性和信號完整性等各方面的特征,為后續的自適應調制選頻提供理論依據。
18、s80、根據所述信道傳輸特性曲線選取最優傳輸子頻帶，在所述傳輸時間窗口內進行載波通信，并實時監測通信質量參數，當所述通信質量參數低于預設閾值時，返回執行步驟s20至步驟s80，重新進行時頻特征分析與最優子頻帶選擇。具體是：選取信道傳輸特性最優的子頻帶進行載波通信；實時監測通信質量參數,包括信噪比snr、誤碼率ber和丟包率per,計算通信質量綜合評分q(t)＝w1snr(t)+w2ber(t)+w3per(t)；將歷史通信質量評分qhist(i)進行統計分析,確定預設閾值θth＝μ-kσ；當實時監測的通信質量評分q(t)<θth時,表明當前信道已不滿足要求,需要重新分析時頻特征并選擇最優子頻帶,此時返回步驟s20繼續執行；該步驟的目的是實現電力線載波通信的自適應頻率調節,根據實時的信道狀況動態選擇最優的傳輸子頻帶,以確保通信質量滿足預期要求。
19、在上述技術方案的基礎上，本發明的一種電表載波通信模塊自適應頻率調節方法還可以做如下改進:
20、其中，所述噪聲特征方程組包含頻率響應方程、信道衰減方程和信號完整性方程，其中：
21、所述頻率響應方程表征不同頻段信號幅值變化特性，
22、所述信道衰減方程描述信號在傳輸過程中的能量損耗，
23、所述信號完整性方程表示信號傳輸中的波形失真程度。
24、進一步的，通信密集時段和通信稀疏時段根據通信密集度進行區分，通信密集度計算公式如下：
25、通信密集度計算公式如下：
26、
27、式中，d(t)為t時刻的通信密集度(范圍0-1)；n(t)為單位時間內通信次數；t為統計時間窗口(默認值300s)；li(t)為第i類業務的實際通信時長；mi(t)為第i類業務的最大允許通信時長；α,β為權重系數(默認值分別為0.6,0.4)；n為業務類型總數。業務指的是數據通信中傳輸和交換的各種數據流.
28、上述公式一般用法為：每300s統計一次通信請求總數n(t)；記錄每類業務的通信時長li(t)；根據公式計算得到d(t)值。
29、噪聲特征方程組中每個方程詳細描述如下：
30、1.頻率響應方程：
31、
32、式中，h(f)為頻率響應函數；a0為基準增益(默認值1)；α為頻率衰減系數(范圍0.001-0.1)；fk為第k個諧振頻率點；qk為品質因數；δi(f)為第i個干擾分量；k為諧振點個數；m為干擾源數量。
33、2.信道衰減方程：
34、
35、式中，l(d,f)為距離d、頻率f處的路徑損耗(db)；l0為參考距離d0處的路徑損耗；η為路徑損耗指數(范圍2-4)；κ為頻率相關衰減系數；wi為第i種材料的衰減權重；μi為第i種材料的衰減系數；n為傳輸路徑上的材料類型數。
36、3.信號完整性方程：
37、
38、式中，s(t,f)為信號完整性指標；v(t)為時域電壓幅值；v0為標稱電壓值；p(f)為頻域功率；p0為標稱功率值；xn為實際采樣值；為理想采樣值；λ為頻域權重系數(范圍0.1-1)；ξ為失真權重系數(范圍0.1-1)；ψ為采樣點數。
39、參數獲取方法：
40、1.fk和qk的獲取：
41、步驟1：利用網絡分析儀掃頻(范圍1-500khz)測量系統頻率響應；
42、步驟2：通過峰值檢測算法定位諧振點：
43、步驟3：計算3db帶寬確定品質因數：
44、2.wi和μi的獲取：
45、步驟1：在已知材料類型的線路上進行衰減測試；
46、步驟2：利用最小二乘法擬合測試數據得到衰減系數；
47、步驟3：通過矩陣求解：
48、
49、所述預設閾值獲取的步驟具體包括：
50、1.歷史通信質量參數收集：
51、qhist(i)＝w1snr(i)+w2ber(i)+w3per(i)；
52、式中，qhist(i)為第i個歷史樣本點的通信質量綜合評分；snr(i)為信噪比(db)；ber(i)為誤碼率；per(i)為丟包率；w1,w2,w3為權重系數(默認值分別為0.4,0.3,0.3)。
53、2.樣本統計分析：
54、
55、式中，θth為最終確定的預設閾值；μ為歷史樣本均值；σ為標準差；為置信度系數(默認值3)；γ為歷史樣本數量。
56、其中，n(t)為通信次數，獲取方法：在通信模塊中設置計數器；檢測到通信請求時計數器加1；每個統計周期結束后重置計數器。
57、其中，t為統計時間窗口，系統預設參數：用于分析業務響應時間要求；可以權衡設置合理的統計周期，默認300s。
58、其中，li(t)為實際通信時長，獲取方法：記錄每次通信開始時間戳tstart；記錄通信結束時間戳tend；計算li(t)＝tend-tstart。
59、其中，pbg(f)為背景噪聲功率譜，獲取的步驟具體是：在通信空閑期采集100次噪聲數據；對每組數據進行fft分析；取平均值作為背景噪聲譜。
60、其中，γ為修正系數，獲取方法是：量已知信號源的功率譜并與理論值進行對比；計算修正系數γ＝pmeasured/ptheoretical。
61、其中，a0為基準增益，獲取方法是：選擇參考頻點(通常為10khz)；量該頻點處的信號增益；歸一化處理得到a0。
62、其中，α為頻率衰減系數，獲取方法是：在不同頻率點測量信號衰減；使用最小二乘法擬合衰減曲線；提取指數衰減系數α。
63、其中，l0的獲取方法：在標準距離d0(通常為1m)處測量信號強度；與發射功率比較計算損耗；重復測量取平均值。
64、其中，η的獲取方法：在不同距離點測量信號強度；繪制距離-損耗對數關系圖；通過線性回歸得到斜率η。
65、其中，κ的獲取方法：固定距離，測量不同頻率的衰減；建立頻率-衰減二次關系模型；擬合得到系數κ。
66、進一步的，所述預設閾值的默認值為0.6。
67、本發明的第二方面提供一種計算機可讀存儲介質，其中，所述計算機可讀存儲介質中存儲有程序指令，所述程序指令在計算機中運行時，用于執行上述的一種電表載波通信模塊自適應頻率調節方法。
68、本發明的第三方面提供一種電表載波通信模塊自適應頻率調節系統，其中，包含上述的計算機可讀存儲介質。
69、與現有技術相比較，本發明提供的一種電表載波通信模塊自適應頻率調節方法、介質及系統的有益效果是：
70、1.全面挖掘電力線信道的時頻特征:本發明對電力線載波通信信號進行時域和頻域雙重分析,提取了通信時間分布特征和噪聲頻譜特征,構建了精準的時頻關聯模型。這種時頻特征分析方法,較現有的單一維度自適應方案更能反映電力線信道的動態變化規律。
71、2.實現自適應調頻的優化策略:基于構建的時頻關聯模型,本發明提出了自適應調頻的優化策略。在每個傳輸時間窗口內,動態選擇最優的傳輸頻帶,最大限度地規避噪聲干擾,大幅提高了通信的可靠性。這種自適應調頻機制,較現有的單一固定頻帶方案更能適應復雜多變的電力線信道環境。
72、3.針對小型嵌入式設備的低功耗設計:本發明的算法實現過程中,采用了噪聲特征方程組和矩陣計算等數學建模手段,可以在小型芯片(如單片機)上高效運行,具有低功耗、低成本的特點。這使得該方法特別適用于智能電表等小型嵌入式設備,滿足電網自動化對通信系統的苛刻要求。
73、綜上所述,本發明提出的電表載波通信模塊自適應頻率調節方法,通過時頻特征分析和自適應調頻等關鍵技術創新,實現了電力線載波通信系統性能的顯著提升。該方法充分利用了電力線信道的時頻特性,動態調整傳輸頻帶以適應復雜噪聲環境,大幅提高了通信可靠性和穩定性。同時,該方法通過數學模型和矩陣運算進行處理，沒有利用復雜的神經網絡或深度學習算法，實現上采用了低功耗、低成本的設計,非常適用于智能電表等小型嵌入式應用場景，解決了現有技術中電表的載波通信存在難以適應復雜的電力線信道環境的技術問題。