在通信系統中采用濾波器對噪聲進行控制的措施

摘要:在生產生活實踐中，系統噪聲的存在極大地影響和降低了通信系統的通信質量。在如今這個人們不斷追求通途信質量的要求下，如何有效地消除和抑制通信系統噪聲已成為當前研究的一個重要課題。

關鍵詞:通信系統 噪聲 分類 消除措施 自適應濾波技術

濾波器是一種信號處理系統，它能夠過濾或抑制輸入信號中的干擾信號，提取有用信號。濾波器之所以能夠濾波，是因為它對不同頻率的信號有不同增益，能將某些頻率的信號放大，而另外的一些頻率信號得到抑制。

1 通信系統中的噪聲及其分類

通信系統中的噪聲是一種不攜帶有用信息的電信號，是對有用信號以外的一切信號的統稱。也可理解為通信系統中對信號有影響的所有干擾的集合。根據噪聲的來源不同，可以分為:無線電噪聲、工業噪聲、天電噪聲、內部噪聲。

1.1 無線電噪聲。它來源于各種用途的無線電發射機。這類噪聲的頻率范圍很寬廣，從甚低頻到特高頻都可能有無線電干擾存在，并且干擾的強度有時很大。但它有個特點，即干擾頻率是固定的，因此可以預先設法防止。

1.2 工業噪聲。它來源于各種電氣設備，如電力線、點火系統、電車、電源開關、電力鐵道、高頻電爐等。這類噪聲的特點是干擾頻譜集中于較低的頻率范圍，例如幾十兆赫茲以內。因此，選擇高于這個頻段工作的信道就可以防止受到它的干擾。

1.3 天電噪聲。它來源于雷電、磁暴、太陽黑子以及宇宙射線等?？梢哉f整個宇宙空間都是產生這類噪聲的根源，由于這類自然現象與發生的時間、季節、地區等有關系，因此受天電干擾的影響也是大小不同的。

1.4 內部噪聲。它來源于信道本身所包含的各種電子器件、轉換器以及天線或傳輸線等。例如，電阻及各種導體都會在分子熱運動的影響下產生熱噪聲，電子管或晶體管等電子器件會由于電子發射不均勻等產生器件噪聲。這類干擾的特點是由無數個自由電子作不規則運動所形成的，因此它的波形也是不規則變化的，在示波器上觀察就像一堆雜亂無章的茅草一樣，通常稱之為起伏噪聲。

2 通信系統應用主動噪聲消除技術措施是其發展方向

噪聲消除的目的可以在接收端實現。在語音通信系統中，語音信號的帶寬一般限制在一定范圍內，通常在4KHz以下。語音信號在從信號發送端向接收端的傳輸過程中，信號處理設備產生的電噪聲及傳輸信道中電噪聲頻譜可能很寬?？梢圆捎脭底譃V波技術，使濾波器的通頻帶與有用信號的頻帶寬度一致，從而將語音信號頻帶外的噪聲濾除，提高接收信號信噪比。

即在傳統的信號接收端音頻輸出后增加一個數字濾波器，通常濾波器的上、下截止頻率的數值都可以調整以保證良好的效果。然而在許多情況下，噪聲可能與有用信號出現在同一頻帶內。這時采用濾波方法不能明顯提高信號質量。采用噪聲消除技術，設法從接收到的同時包含有噪聲和有用信號中計算噪聲的特征，再從接收得到的總信號中消除噪聲部分。

當前主流的控制噪聲方法是:假定噪聲為短時平穩隨機過程，采用靜音檢測方法得到時域噪聲信號，再采用傅立葉變換技術得到噪聲以及包含噪聲的信號的頻域信息，在頻域將兩個信號相減，最后再采用傅立葉反變換恢復時域信號。這個信號即為消除了帶內噪聲的語音信號。噪聲消除的功能也可以在發送端實現。在語音通信過程中，信號發送端空間的音頻噪聲會隨有用信號一起向信號接收端傳輸。某些通信環境音頻噪聲可能很大。比如在高速行駛的汽車駕駛室內或者在飛機、坦克等駕駛艙內，環境噪聲會嚴重影響通信質量。為了避免發送端的音頻噪聲向接收端傳遞，傳統解決方法是被動噪聲控制，即噪聲隔離或者噪聲吸收(或者同時采用吸收和隔離)。例如為駕駛員配置很重(隔音層厚、內置吸音材料)的頭盔，同時采用方向性很強的麥克風，并使麥克風離講話者的口部盡可能地近，以提高通信質量。被動噪聲控制方法無法解決的問題在于噪聲的吸收和隔離只對高頻噪聲效果較好，對低頻噪聲則幾乎沒有效果。而汽車、飛機、坦克等駕駛艙內，噪聲的主要來源是低頻的機械振動，只靠被動噪聲控制無法有效提高通信質量。所以采用主動噪聲消除技術，通信質量就可以大大改善。

3 采用自適應濾波器控制通信系統噪聲

自適應濾波技術是在二十世紀五、六十年代發展起來的一門學科，一般認為，自適應信號處理有四方面的應用:預測、識別、干擾抵消和反向建模(inversemodelling)。如今，自適應濾波技術已廣泛的應用于自適應噪聲對消、語音編碼、自適應網絡均衡器、雷達動態目標顯示、自適應天線旁瓣對消等眾多領域。

3.1 自適應濾波器原理 所謂的自適應濾波，就是利用前一時刻以獲得的濾波器參數的結果，自動的調節現時刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知的或隨時間變化的統計特性，從而實現最優濾波。自適應濾波器實質上就是一種能調節其自身傳輸特性以達到最優的維納濾波器。自適應濾波器不需要關于輸入信號的先驗知識，計算量小，特別適用于實時處理。

自適應濾波器的特性變化是由自適應算法通過調整濾波器系數來實現的。一般而言，自適應濾波器由兩部分組成，一是濾波器結構，二是調整濾波器系數的自適應算法。

3.2 自適應濾波器在控制通信系統噪聲中的應用 自適應濾波器最重要的特性是能有效地在未知環境中跟蹤時變的輸入信號，使輸出信號達到最優。因而在電信、雷達、聲納、實時控制以及圖像處理等領域都有成功的應用。自適應濾波器的形式可以是多樣的，它取決于系統的輸入輸出結構。

3.2.1 自適應回波消除器 在電話系統中，用戶設備都是雙向走線，從用戶到中心局間的電話網采用雙線分別攜帶進來的話音信號和出去的話音信號。這樣做，可以使導線對與中心局終端混頻線圈形成橋式平衡。在實際應用中，橋式平衡很難完全滿足，就使遠距離談話者的話音信號中的一部分以回波的形式返回到原端，影響話音信號的質量。

尤其是在通信這樣的大型線路中，回波返回的延遲時間長達幾百毫秒，對話音信號的損害就非常嚴重。為此，可在網絡的兩端安裝自適應回波消除器，如圖1所示。其中，x(n)為遠端信號，d(n)為遠端回波信號加上近端信號，y(n)為遠端回波信號的估計，e(n)為近端信號和回波估計剩余。

自適應回波消除器在長距離話音通訊、高性能電話會議系統以及衛星通訊系統中已經成了必不可少的組成部分，并不斷有新的應用出現。

3.2.2 自適應噪聲消除器 自適應濾波器還可以用來構成自適應的噪聲消除器，其結構如圖2所示。

原始信號d(n)包括信號和噪聲，x(n)為參考噪聲輸入。這種自適應濾波器，實際上是完成d(n)中的噪聲估計，并把估計值y(n)與原始值信道信號相減以達到噪聲消除的結果。

噪聲消除器應用十分廣泛，例如心電圖記錄儀的干擾消除，語音信號的鎮噪，飛機、汽車、船艙內大量噪聲的抑制，天線旁瓣干擾的消除以及消除50Hz紋波等等。

自適應濾波器的應用遠遠不止上面所闡述的幾種。這些只是在通信中幾個最常見的應用。實際上，自適應技術的應用要廣泛得多。像瞬間跟蹤、外來干擾檢測、聲音多普勒提取、在線系統識別、圖像信號處理、生物醫學信號處理、波束整形以及自適應控制等等。

參考文獻:

[1]齊海東，張剛，王春武.《通信系統噪聲的研究》[J].吉林師范大學學報(自然科學版)2008(2).