甚低頻通信中大氣噪聲的干擾及抑制

王伯松　溫東　劉翠海

摘要：甚低頻通信具有傳播距離遠(yuǎn)、信號(hào)穩(wěn)定、穿透海水能力強(qiáng)等優(yōu)良特性，在水下通信特別是對(duì)潛通信中得到了廣泛運(yùn)用，然而其信號(hào)易受大氣噪聲干擾的缺點(diǎn)也較為突出。本文簡(jiǎn)要介紹了大氣噪聲對(duì)甚低頻通信的影響，并分析比較現(xiàn)有的可應(yīng)用于抑制大氣噪聲的不同方法。

關(guān)鍵詞：甚低頻通信;大氣噪聲;抑制方法

中圖分類號(hào)：TN973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）02-0028-02

0 引言

甚低頻（VLF）通信也稱為甚長(zhǎng)波通信，是指利用波長(zhǎng)為100km至10km（頻率為3-30kHz）的電磁波進(jìn)行的無線電通信[1]。具有傳播距離遠(yuǎn)，相位較穩(wěn)定，受電離層擾動(dòng)的影響小，穿透海水能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在10-20kHz的頻段，穿透海水的深度通常可達(dá)15-30m，因而在水下通信、地質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際運(yùn)用中，這種通信方式也暴露出數(shù)據(jù)傳輸率低、信號(hào)輻射效率低、發(fā)射功率大、天線設(shè)備龐大，建設(shè)成本高等缺點(diǎn)。

現(xiàn)實(shí)中還存在諸多因素影響甚低頻通信的可靠性，包括大氣噪聲、工業(yè)干擾、接收機(jī)天線噪聲等。其中又以為大氣噪聲的干擾尤為突出。

大氣噪聲是指自然界雷暴活動(dòng)所產(chǎn)生的電磁輻射，又稱天電干擾[2]。它具有很寬的頻譜，其中的低頻段電磁分量，是甚低頻無線電系統(tǒng)的主要噪聲來源[3]。因此，如何在有效抑制大氣噪聲，提高通信可靠性，成為當(dāng)前甚低頻通信亟待解決的問題。

1 甚低頻無線電信號(hào)傳播特性

1.1 波導(dǎo)方式傳播

地面和電離層D層兩同心球殼之間的平均有效高度約為80km，與甚低頻波段內(nèi)電波波長(zhǎng)可比擬，同時(shí)地面與電離層對(duì)VLF電波都具有良好的反射特性，因而能夠構(gòu)成有利于甚長(zhǎng)波傳播的波導(dǎo)。甚長(zhǎng)波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，在空中傳播的衰減率為2-2.5分貝/千公里。并且電離層等效反射高度晝夜不同，因此接收點(diǎn)信號(hào)幅度和相位存在晝夜變化[4]。另外，不同的地質(zhì)條件也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生不同的影響。

1.2 在海水中傳播

甚長(zhǎng)波在海水中的傳播符合一定規(guī)律，信號(hào)的波長(zhǎng)越短，在水中傳播的衰減越快。對(duì)同一信號(hào)而言，其場(chǎng)強(qiáng)隨海水深度增加按指數(shù)衰減，信號(hào)滲透海水的衰減率大約為3～6dB，入水深度可達(dá)15-20m左右。因此，對(duì)水下通信而言，接收機(jī)所處深度受限。

2 大氣噪聲的影響及傳統(tǒng)抑制方法

研究發(fā)現(xiàn)，甚低頻頻段的大氣噪聲主要是高斯白噪聲背景下的脈沖噪聲[5]。其中，分布在世界范圍內(nèi)的大量雷暴、接收天線與地球電磁場(chǎng)、接收機(jī)內(nèi)部電路靜電積累等共同作用產(chǎn)生低幅高斯背景噪聲，接收機(jī)的閃電電磁脈沖疊加形成高幅度的突發(fā)脈沖噪聲。地球上任何一處的大氣噪聲都可視為二者的總和。這些噪聲與甚長(zhǎng)波信號(hào)疊加并最終被接收機(jī)接收，導(dǎo)致難以恢復(fù)有用信號(hào)。

為了盡可能避免大氣噪聲對(duì)有用信號(hào)的干擾，傳統(tǒng)的方法包括帶通濾波、削波（限幅）、置零等，然而帶通濾波法難以濾除有用信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲;削波（限幅）、置零屬于非線性處理方法，通過消除噪聲中高幅度的突發(fā)脈沖，達(dá)到噪聲高斯化的目的，但同時(shí)也會(huì)造成一定程度的信號(hào)失真。脈沖強(qiáng)度較大的情形下適合采用，而白噪聲情況下這種方法并不適用[6]。并且，這類傳統(tǒng)非線性處理方法存在著顯著的局限性，即缺乏對(duì)大氣噪聲分布特性的理論分析，更多地依賴人工經(jīng)驗(yàn)來選取非線性處理器合適的工作參數(shù)。綜上所述，傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)現(xiàn)代甚低頻通信系統(tǒng)對(duì)通信可靠性的要求。

3 現(xiàn)有大氣噪聲抑制技術(shù)比較

對(duì)甚低頻收信而言，大氣噪聲的干擾造成了信號(hào)嚴(yán)重失真，而傳統(tǒng)方法存在著不同方面的弊端。因此，選擇有效可行的方法提高信噪比十分重要。現(xiàn)有抑制大氣噪聲技術(shù)方面的研究主要有：

3.1 中值濾波—小波降噪

中值濾波由Turkey在1970年提出，屬于非線性排序統(tǒng)計(jì)濾波方法，其基本原理是將數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的某鄰域內(nèi)各點(diǎn)值的中值來代替。它能夠較好地抑制脈沖噪聲，然而對(duì)高斯噪聲的抑制能力較弱;小波分析是近年來較為熱門的一個(gè)研究方向。當(dāng)前有不少關(guān)于小波段消除噪聲的研究，比較有代表性的是Mallat所做的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)分析了高斯白噪聲在小波段的特性，結(jié)論證明可以實(shí)現(xiàn)局部降低噪聲的目的。然而，實(shí)際情況下甚低頻通信中的大氣噪聲為高斯白噪聲背景下的脈沖信號(hào)，而這些脈沖往往攜帶了足夠的能量，無法忽略，因而采用單一的小波降噪方法去除噪聲效果并不理想。

如將兩種方法結(jié)合使用，對(duì)含有大氣噪聲的有用信號(hào)進(jìn)行中值濾波，可以有效濾除脈沖噪聲，而剩余信號(hào)的幅度較小，噪聲近似于高斯特性，通過小波處理可以進(jìn)一步降噪。結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制信道噪聲的干擾[7]。

3.2 擴(kuò)時(shí)技術(shù)

擴(kuò)時(shí)技術(shù)是A.M.Weine和J.Selehi等在激光通信中首次提出的概念，主要用于脈沖干擾。擴(kuò)時(shí)可以通過對(duì)信號(hào)在頻域上乘以偽隨機(jī)擴(kuò)時(shí)序列產(chǎn)生，與擴(kuò)頻在時(shí)間和頻率上呈對(duì)偶關(guān)系。該技術(shù)的原理是通過對(duì)信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行展寬，減小脈沖在一個(gè)碼元周期上所占的比例，從而降低噪聲干擾。在實(shí)現(xiàn)過程中可以采用FFT和IFFT，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)。然而，這種方法在削弱噪聲的同時(shí)犧牲了信號(hào)傳輸速率，對(duì)通信速率較低的甚低頻通信而言應(yīng)用價(jià)值并不大。

3.3 新的非線性處理方法

3.3.1 NONAP

NONAP，全稱為“非線性自適應(yīng)處理器（The non-linear adaptive processor）”，由約翰斯霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室（JHU/APL）開發(fā)。其原理是通過一種非線性變換，使DSSS接收系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)達(dá)到最優(yōu)化，達(dá)到抑制人為干擾和其它干擾的目的。該技術(shù)被認(rèn)為是在大范圍寬帶波形情況下都可用于得到增益的最好的信號(hào)信道干擾抑制技術(shù)。美軍將這項(xiàng)技術(shù)在甚低頻通信領(lǐng)域加以運(yùn)用，自1991年開始將NONAP配置于美國(guó)海軍LF/VLF戰(zhàn)略通信接收機(jī)中，改進(jìn)了接收機(jī)在大氣噪聲影響下的性能，提高了接收機(jī)在嚴(yán)重噪聲環(huán)境下的信息接收能力。目前該技術(shù)已成為美海軍戰(zhàn)略潛艇通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)手段之一。

3.3.2 自適應(yīng)濾波

甚低頻通信信道具有時(shí)變特性，這無疑給信號(hào)去噪帶來了困難。相比其它技術(shù)而言，靈活性較強(qiáng)是自適應(yīng)濾波的顯著特征。自適應(yīng)濾波利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能夠根據(jù)輸入信號(hào)的變化自動(dòng)調(diào)整內(nèi)置濾波器的特性，通過調(diào)整參數(shù)使濾波器保持最佳狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)過程需要調(diào)用自適應(yīng)濾波算法，通過調(diào)整濾波器加權(quán)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有研究采用的算法包括最小均方（LMS）算法、遞歸最小二乘（RLS）算法、基于QR分解的RLS算法等，不過研究?jī)H限于理論分析、計(jì)算機(jī)仿真層面，仿真結(jié)果表明，與削波、限幅等傳統(tǒng)方法相比，采用自適應(yīng)濾波方法對(duì)脈沖噪聲的抑制效果更好，脈沖強(qiáng)度大、頻率高時(shí)效果更為明顯。

3.3.3 過高斯化處理

在各種非線性變換方法中，高斯化處理與局部最優(yōu)檢測(cè)處理較為常用，兩種方法的理論推導(dǎo)可基于噪聲概率密度函數(shù)（probability density function，PDF）得到。然而，實(shí)際應(yīng)用中噪聲的PDF表達(dá)式往往難以得到，導(dǎo)致局部最優(yōu)檢測(cè)難以實(shí)際采用，而高斯化處理與局部最優(yōu)檢測(cè)存在較大差距。過高斯化處理針對(duì)傳統(tǒng)高斯化處理存在的信號(hào)檢測(cè)問題進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)了非線性變換函數(shù)，能夠?qū)Υ竽Ｖ禈颖军c(diǎn)進(jìn)行有效抑制，克服了高斯化處理的缺點(diǎn)，并且保持了高斯化處理對(duì)小模值樣本點(diǎn)的近似線性處理。結(jié)論表明，這種方法具有優(yōu)良的非高斯噪聲抑制能力[8]。

4 結(jié)語

本文介紹了甚低頻通信的特點(diǎn)、甚低頻信號(hào)在不同介質(zhì)中的傳播特性，分析了大氣噪聲對(duì)甚低頻通信的影響，并對(duì)比了傳統(tǒng)及現(xiàn)有的幾類大氣噪聲抑制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過比較研究，認(rèn)為削波（限幅）等傳統(tǒng)方法已難以適應(yīng)現(xiàn)代甚低頻通信系統(tǒng)的需要，而現(xiàn)有的抑制大氣噪聲技術(shù)，特別水是自適應(yīng)濾波、過高斯化處理等多基于仿真結(jié)果，并沒有經(jīng)過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證?？傊诮窈蟮倪M(jìn)一步研究中，應(yīng)當(dāng)著重考慮對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以及實(shí)現(xiàn)有關(guān)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉翠海，溫東，史偉.潛艇通信[M].海潮出版社，2013年1月第一版.

[2] 付貞，溫東，孫曉磊.削波后的甚低頻大氣噪聲中的通信接收性能[J].電訊技術(shù)，2010（01）：57-60.

[3] 袁翊.超低頻和極低頻電磁波的傳播及噪聲[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2011.6.

[4] 靳致文.VLF/SLF波傳播及其在對(duì)潛通信與導(dǎo)航中的應(yīng)用[J].裝備環(huán)境工程，2008，05（2）.

[5] 施意，張爽，張昕.大氣噪聲對(duì)甚低頻通信系統(tǒng)干擾仿真分析[J].通信技術(shù)，2013，46（9）.

[6] 楊振勇.劉勇.低頻段大氣噪聲及處理技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2008.（11）：85-88.

[7] 付天暉，蘇敏，王永斌.長(zhǎng)波通信中的噪聲處理方法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，41（2）：171-172+181.

[8] 羅忠濤，盧鵬，張楊勇，張剛.大氣噪聲幅度分布與抑制處理分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2018，40（07）：1443-1448.

Deterrence and Suppression of Atmospheric Noise in Very Low Frequency（VLF）Communication

WANG Bo-song，WEN Dong，LIU Cui-hai

（Navy Submarine Academy， Qingdao Shandong? 266100）

Abstract：Very low frequency （VLF） communication is widely used in underwater communication，especially for submarine communication， because of its long transmission distance， stable signal and strong ability to penetrate sea water. However， the signal is vulnerable to atmospheric noise. This paper briefly introduces the influence of atmospheric noise on VLF communication， and analyses and compares the different methods that can be used to suppress atmospheric noise.

Key words：very low frequency（VLF）; atmospheric noise;submarine communication