幾種大氣噪聲非線性處理的應用分析*

李耀敏 張楊勇 趙軍芬

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

幾種大氣噪聲非線性處理的應用分析*

李耀敏 張楊勇 趙軍芬

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

文章對比分析了幾種應用于低頻通信的非線性大氣噪聲處理方法的性能及優缺點,結合大氣噪聲特點與幾種非線性處理的優點,提出一種基于削波概率的自適應混合削波方法,通過實采噪聲數據仿真表明該方法效果良好。

低頻通信; 大氣噪聲; 非線性處理

Class Number TN911.4

1 引言

低頻段大氣噪聲為典型的非高斯隨機信號,時域特征表現為高斯背景下的脈沖尖峰[1～3]。作者對實采的大氣噪聲數據進行基于Lilliefors、Jarque-Bera等方法[4]的高斯檢驗表明,由于大氣噪聲脈沖分量的影響,所采數據不符合高斯檢驗。為直觀反映噪聲數據的幅度統計特性,以分位比較圖(Q-Q圖Quantile-Quantile plot)對比大氣噪聲與高斯噪聲的區別[4～5],如圖1、圖2所示,統計分析表明大氣噪聲數據中至少約有20%的采樣點是非高斯的。大氣噪聲導致低頻段通信系統信噪比偏低,若能根據噪聲特征有效地進行噪聲處理并提高信噪比則可以大幅度提高接收性能。

2 非線性處理原理及適用性分析

非線性處理利用大氣噪聲中存在脈沖分量這一特征對噪聲進行時域處理,其原理類似于OFDM系統中為降低峰平比而采用的限幅方法[6],工程實現簡單、有效。文獻[7]中Raymond分析了一種基于Middleton B類噪聲模型[8～9]的LO門限接收機(Locally Optimum Threshold Receiver),最后得出結論,與線性接收機相比,LO非線性處理降低噪聲影響10dB～20dB,但同時也指出,參數設置較好的某些次佳非線性處理與LO檢測的性能相當。

如圖3所示為文獻[7]中兩種次佳非線性處理的輸入輸出特性曲線,圖3(a)的削波處理可看成接收信號與一個矩形函數相乘的過程,當接收信號幅度小于削波電位C時,該矩形函數值為1,而當接收信號幅度大于C時,該矩形函數值小于1。對于圖3(b)的關斷處理可以這樣通俗的理解,當含噪信號幅度大于C時,該點有用信號由于噪聲影響已完全失真,處理時將該失真采樣點舍棄,減小該點噪聲對其他有效采樣點的影響。多次仿真表明,非線性處理適于噪聲帶寬比信號帶寬大、噪聲幅度比信號大,且噪聲呈脈沖突發的接收系統,高斯噪聲情況下非線性處理不起作用,甚至使信噪比進一步惡化。

圖1 一段標準高斯噪聲的Q-Q圖

圖2 一段大氣噪聲的Q-Q圖

圖3 兩種非線性處理的輸入輸出特性曲線

以一段大氣噪聲為例對比上述兩種非線性處理的特點,圖4所示為削波處理的效果圖,上下分別為削波前后的時域、頻域圖,對同一段數據,削波處理和關斷處理的性能如表1、表2所示。以一定帶寬的頻域數據計算能量信噪比,削波前SNR為3.9dB,正弦信號頻譜幅度為100.4。

關斷處理比削波處理引起更大的非線性失真,且關斷處理對電位選擇非常敏感,當關斷電位較高時,要比削波處理得到更好的性能,當關斷電位過低時性能惡化。但同時也要注意其優點,當少量的大幅度脈沖噪聲點被“關斷”后,噪聲能量大大降低,信號損失相對較小,SNR提高較多。

圖4 大氣噪聲削波處理效果圖

削波電位噪聲降低SNRSNR提高信號頻譜幅度11.85dB5.1dB1.2dB97.20.82.95dB5.8dB1.9dB94.60.64.87dB6.5dB2.6dB90.20.48.57dB6.9dB3.0dB78.80.1522.6dB6.4dB2.5dB39.5

表2 大氣噪聲下關斷處理的仿真結果

3 基于噪聲模型的LO非線性處理

根據噪聲的幅度統計特性建立適當的噪聲模型并估計模型參數,然后由模型建立稱為LOTNL的非線性處理器(Locally Optimum Threshold Nonlinearity),Raymond在文獻[7]中基于Middletown B類噪聲模型的一階幅度概率分布函數建立了輸入輸出特性滿足-d/dx[Inpn(z)]的非線性處理。

(1)

其中00；Γ(·)表示gamma函數；1F1(a;b;x)為超幾何函數；Ω為歸一化因子,使得var(z)=1。α與Aα都有具體的統計意義,當脈沖幅度越大時α越小,當噪聲的統計特性越接近高斯時Aα越小。Raymond估計出某段噪聲當Aα=1,α分別取0.2和1時的LOTNL輸入輸出響應曲線如圖5所示,函數-d/dx[Inpn(z)]在處理小幅度高斯噪聲時為線性,而對大幅度脈沖噪聲輸出與輸入成反比,該方法可以根據噪聲特征公式化地推導出最佳的非線性處理參數,但很明顯,這種方法涉及較多的參數估計及近似,實現過程非常復雜。

圖5 由Middletown B類噪聲模型估計出的LOTNL輸入輸出響應曲線

在實際的通信系統中,由于噪聲信號強度大于有用信號強度,接收機的增益變化受噪聲強度影響[10],自動增益控制(AGC)將放大后的信號控制在一定范圍之內,噪聲強時增益較小,噪聲弱時增益較大,這樣就會出現大幅度噪聲被削弱,小幅度噪聲被增強的情況,導致噪聲強度的相對變化表現不明顯,而基于噪聲模型的非線性處理對噪聲的幅度特性非常敏感,因此在處理增益變化的接收信號時就有了局限性,且通過噪聲數據估計最佳模型參數需要一定的噪聲累積時間,不太適合突發且強度多變的大氣噪聲。

4 基于削波概率的自適應混合削波

為降低關斷電位對幅度的敏感性,同時也借鑒Middletown B類噪聲模型所估計出的LOTNL輸入輸出響應曲線的特點,提出采用基于削波概率的方法將關斷處理與削波處理結合起來,稱之為混合削波,其響應特性示意圖如圖6所示。

圖6 混合削波的響應特性示意圖

采用基于削波概率的方法實現自適應削波,削波電位根據接收信號幅值自動調節。周期性的統計一段時間內的總采樣數N和大于削波電位的接收信號點數Nc,若Nc小于固定削波概率P下的削波點數N*P,則削波電位增大,否則減小,實現削波電位的自適應調節,基于削波概率的自適應方法原理圖如圖7所示。

圖7 基于削波概率的自適應方法

接收信號中少量的大幅度脈沖占據了相當大一部分噪聲能量,為避免關斷處理引起較多的非線性失真,只將噪聲數據中少量較大幅度的脈沖分量除去,由噪聲的Q-Q可知,此類幅度的概率較小,關斷處理時所取的概率也應該較小,通過數據仿真確定關斷的概率小于2%較為合適。采用與表1、表2同樣的仿真數據,混合削波時取2%的關斷概率和不同的削波概率,得出處理結果如表3所示。

表3 混合削波處理的結果

圖8 混合削波前大氣噪聲的Q-Q圖

根據表3,加上2%的關斷后,SNR較單獨使用削波或關斷的方法要提高更多,且增大削波概率后引起的信號損失也未顯著增加,表明混合削波的方法能達到更好的效果。通過大量的數據仿真表明,混合削波總的概率應小于噪聲中非高斯數據的累積概率,否則不利于提高通信性能。對比圖8、圖9混合削波前后噪聲的Q-Q圖也可以看出,對于同樣容量的樣本總體,經處理后的數據更趨向于高斯分布,因此混合削波可較好地實現大氣噪聲的高斯化。

圖9 混合削波后大氣噪聲的Q-Q圖

5 結語

本文分析了削波處理、關斷處理與基于噪聲模型的LO非線性處理等幾種低頻通信中大氣噪聲處理方法的性能與優缺點,文章根據大氣噪聲特征,綜合幾種非線性處理的優點提出一種工程上易于實現的非線性混合削波方法,基于一定的削波概率可實現削波門限的自適應調整,并通過仿真表明該方法能有效提高通信信噪比,且經過處理后的數據更趨向于高斯分布,因此基于削波概率的自適應混合削波方法有利于提高通信性能。

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Several Nonlinearity Atmospheric Noises Processing Analysis

LI Yaomin ZHANG Yangyong ZHAO Junfen

(No.722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

This paper analyzed the performance, advantages and disadvantages of several nonlinearity processors in lower frequency communication. With the characteristics of atmospheric noises and the advantages of several nonlinearity processors, this paper proposed an adaptive mixed-clipping based on probability of clipping, and the simulation with practical atmospheric noises indicated that the method was effective.

lower frequency communication, atmospheric noises, nonlinearity processing

2014年6月3日,

2014年7月21日

李耀敏,男,研究方向:計算機應用。張楊勇,男,碩士,工程師,研究方向:低頻通信技術、信號與信息處理。趙軍芬,女,工程師,研究方向:低頻通信技術、軟件設計。

TN911.4

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.019