几种大气噪声非线性处理的应用分析*

李耀敏 张杨勇 赵军芬

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

几种大气噪声非线性处理的应用分析*

李耀敏 张杨勇 赵军芬

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

文章对比分析了几种应用于低频通信的非线性大气噪声处理方法的性能及优缺点,结合大气噪声特点与几种非线性处理的优点,提出一种基于削波概率的自适应混合削波方法,通过实采噪声数据仿真表明该方法效果良好。

低频通信; 大气噪声; 非线性处理

Class Number TN911.4

1 引言

低频段大气噪声为典型的非高斯随机信号,时域特征表现为高斯背景下的脉冲尖峰[1～3]。作者对实采的大气噪声数据进行基于Lilliefors、Jarque-Bera等方法[4]的高斯检验表明,由于大气噪声脉冲分量的影响,所采数据不符合高斯检验。为直观反映噪声数据的幅度统计特性,以分位比较图(Q-Q图Quantile-Quantile plot)对比大气噪声与高斯噪声的区别[4～5],如图1、图2所示,统计分析表明大气噪声数据中至少约有20%的采样点是非高斯的。大气噪声导致低频段通信系统信噪比偏低,若能根据噪声特征有效地进行噪声处理并提高信噪比则可以大幅度提高接收性能。

2 非线性处理原理及适用性分析

非线性处理利用大气噪声中存在脉冲分量这一特征对噪声进行时域处理,其原理类似于OFDM系统中为降低峰平比而采用的限幅方法[6],工程实现简单、有效。文献[7]中Raymond分析了一种基于Middleton B类噪声模型[8～9]的LO门限接收机(Locally Optimum Threshold Receiver),最后得出结论,与线性接收机相比,LO非线性处理降低噪声影响10dB～20dB,但同时也指出,参数设置较好的某些次佳非线性处理与LO检测的性能相当。

如图3所示为文献[7]中两种次佳非线性处理的输入输出特性曲线,图3(a)的削波处理可看成接收信号与一个矩形函数相乘的过程,当接收信号幅度小于削波电位C时,该矩形函数值为1,而当接收信号幅度大于C时,该矩形函数值小于1。对于图3(b)的关断处理可以这样通俗的理解,当含噪信号幅度大于C时,该点有用信号由于噪声影响已完全失真,处理时将该失真采样点舍弃,减小该点噪声对其他有效采样点的影响。多次仿真表明,非线性处理适于噪声带宽比信号带宽大、噪声幅度比信号大,且噪声呈脉冲突发的接收系统,高斯噪声情况下非线性处理不起作用,甚至使信噪比进一步恶化。

图1 一段标准高斯噪声的Q-Q图

图2 一段大气噪声的Q-Q图

图3 两种非线性处理的输入输出特性曲线

以一段大气噪声为例对比上述两种非线性处理的特点,图4所示为削波处理的效果图,上下分别为削波前后的时域、频域图,对同一段数据,削波处理和关断处理的性能如表1、表2所示。以一定带宽的频域数据计算能量信噪比,削波前SNR为3.9dB,正弦信号频谱幅度为100.4。

关断处理比削波处理引起更大的非线性失真,且关断处理对电位选择非常敏感,当关断电位较高时,要比削波处理得到更好的性能,当关断电位过低时性能恶化。但同时也要注意其优点,当少量的大幅度脉冲噪声点被“关断”后,噪声能量大大降低,信号损失相对较小,SNR提高较多。

图4 大气噪声削波处理效果图

削波电位噪声降低SNRSNR提高信号频谱幅度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 大气噪声下关断处理的仿真结果

3 基于噪声模型的LO非线性处理

根据噪声的幅度统计特性建立适当的噪声模型并估计模型参数,然后由模型建立称为LOTNL的非线性处理器(Locally Optimum Threshold Nonlinearity),Raymond在文献[7]中基于Middletown B类噪声模型的一阶幅度概率分布函数建立了输入输出特性满足-d/dx[Inpn(z)]的非线性处理。

(1)

其中00；Γ(·)表示gamma函数；1F1(a;b;x)为超几何函数；Ω为归一化因子,使得var(z)=1。α与Aα都有具体的统计意义,当脉冲幅度越大时α越小,当噪声的统计特性越接近高斯时Aα越小。Raymond估计出某段噪声当Aα=1,α分别取0.2和1时的LOTNL输入输出响应曲线如图5所示,函数-d/dx[Inpn(z)]在处理小幅度高斯噪声时为线性,而对大幅度脉冲噪声输出与输入成反比,该方法可以根据噪声特征公式化地推导出最佳的非线性处理参数,但很明显,这种方法涉及较多的参数估计及近似,实现过程非常复杂。

图5 由Middletown B类噪声模型估计出的LOTNL输入输出响应曲线

在实际的通信系统中,由于噪声信号强度大于有用信号强度,接收机的增益变化受噪声强度影响[10],自动增益控制(AGC)将放大后的信号控制在一定范围之内,噪声强时增益较小,噪声弱时增益较大,这样就会出现大幅度噪声被削弱,小幅度噪声被增强的情况,导致噪声强度的相对变化表现不明显,而基于噪声模型的非线性处理对噪声的幅度特性非常敏感,因此在处理增益变化的接收信号时就有了局限性,且通过噪声数据估计最佳模型参数需要一定的噪声累积时间,不太适合突发且强度多变的大气噪声。

4 基于削波概率的自适应混合削波

为降低关断电位对幅度的敏感性,同时也借鉴Middletown B类噪声模型所估计出的LOTNL输入输出响应曲线的特点,提出采用基于削波概率的方法将关断处理与削波处理结合起来,称之为混合削波,其响应特性示意图如图6所示。

图6 混合削波的响应特性示意图

采用基于削波概率的方法实现自适应削波,削波电位根据接收信号幅值自动调节。周期性的统计一段时间内的总采样数N和大于削波电位的接收信号点数Nc,若Nc小于固定削波概率P下的削波点数N*P,则削波电位增大,否则减小,实现削波电位的自适应调节,基于削波概率的自适应方法原理图如图7所示。

图7 基于削波概率的自适应方法

接收信号中少量的大幅度脉冲占据了相当大一部分噪声能量,为避免关断处理引起较多的非线性失真,只将噪声数据中少量较大幅度的脉冲分量除去,由噪声的Q-Q可知,此类幅度的概率较小,关断处理时所取的概率也应该较小,通过数据仿真确定关断的概率小于2%较为合适。采用与表1、表2同样的仿真数据,混合削波时取2%的关断概率和不同的削波概率,得出处理结果如表3所示。

表3 混合削波处理的结果

图8 混合削波前大气噪声的Q-Q图

根据表3,加上2%的关断后,SNR较单独使用削波或关断的方法要提高更多,且增大削波概率后引起的信号损失也未显著增加,表明混合削波的方法能达到更好的效果。通过大量的数据仿真表明,混合削波总的概率应小于噪声中非高斯数据的累积概率,否则不利于提高通信性能。对比图8、图9混合削波前后噪声的Q-Q图也可以看出,对于同样容量的样本总体,经处理后的数据更趋向于高斯分布,因此混合削波可较好地实现大气噪声的高斯化。

图9 混合削波后大气噪声的Q-Q图

5 结语

本文分析了削波处理、关断处理与基于噪声模型的LO非线性处理等几种低频通信中大气噪声处理方法的性能与优缺点,文章根据大气噪声特征,综合几种非线性处理的优点提出一种工程上易于实现的非线性混合削波方法,基于一定的削波概率可实现削波门限的自适应调整,并通过仿真表明该方法能有效提高通信信噪比,且经过处理后的数据更趋向于高斯分布,因此基于削波概率的自适应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:计算机应用。张杨勇,男,硕士,工程师,研究方向:低频通信技术、信号与信息处理。赵军芬,女,工程师,研究方向:低频通信技术、软件设计。

TN911.4

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.019