甚低频通信大气噪声抑制技术综述

甚低频通信大气噪声抑制技术综述

陈巍1刘翠海2

（1.海军潜艇学院研究生队青岛266199）（2.海军潜艇学院航海观通系青岛266199）

从大气噪声产生的原因入手，在分析大气噪声特性的基础上，综述了脉冲噪声抑制的一般方法、中值滤波与小波分析联合降噪处理方法和非线性自适应处理方法，指出了不同方法应用于潜艇甚低频通信大气噪声抑制时的优缺点，通过分析认为采用适当的信号处理技术能够有效提高潜艇甚低频通信系统性能。

甚低频通信；大气噪声；信号处理；噪声抑制

Class NumberTN972

1 引言

由于甚低频无线电通信信号具有大气中传播衰减较小、传播距离远、对海水有一定穿透能力等特性，因此，被世界各国海军广泛应用于远距离对潜水下指挥通信［1］。但是，甚低频通信信号在大气中传播会受到大气噪声的干扰。文献［2～4］指出，在夏季雷雨高发季节，当雷电产生时，其噪声电平的中值可达90dB～120dB。对于潜艇通信而言，如此强烈的噪声干扰会严重影响潜艇甚低频接收机接收信号的可靠性和稳定性，这就要求潜艇的接收系统不仅要具有极高的灵敏度，而且还要有很强的抗雷电脉冲干扰能力。

本文从大气噪声产生的原因入手，在分析大气噪声特性的基础上，指出影响潜艇甚低频通信系统性能的主要因素是大气噪声中的脉冲干扰，为了有效克服大气噪声影响，本文综述了脉冲噪声抑制的一般方法、中值滤波与小波分析联合降噪处理方法和非线性自适应处理方法，指出了不同方法应用于潜艇甚低频通信大气噪声抑制时的优缺点，通过分析认为采用适当的信号处理技术能够有效提高潜艇甚低频通信系统性能。

2 大气噪声的产生及特性分析

甚低频无线电波是沿地面和电离层D层（白天）或E层（夜间）的下界之间构成的“大气波导”中传播［1］。甚低频通信的主要噪声源是以雷电为主要起因的大气噪声，它的主要成分是遍布全球活动的雷电叠加产生的脉冲型噪声，它具有很宽阔的频谱。其中高频电磁分量随着远离闪电中心而迅速衰减，但低频电磁分量由于它们在地-电离层波导中传播损耗很小，能对远离场源的接收点产生显著影响。

图1为于我国南海实时采集到的雷电信号的时域波形图。从图中可以看出，一次雷电主放电持续时间约为50μs～100μs，其间包括多次放电过程，从而会产生多个尖峰信号。每次闪电，其放电电流的峰值大约在几千安培或几百千安培的范围，脉冲尖峰信号趋于平稳的时间不同，表现为脉冲噪声的宽度不一样。

基于理论推导解析分析，大气噪声可描述为低幅度的高斯分布背景噪声叠加上大幅度突发的脉冲噪声。其中脉冲干扰主要是由于雷电产生的大电流脉冲产生引起的，噪声能量主要集中在脉冲成分中。

3 甚低频通信大气噪声抑制技术

对潜艇甚低频通信而言，强烈的脉冲干扰导致了甚低频通信收信端数据信息的错误接收，因此，大气噪声抑制就成了甚低频可靠收信首选的降噪措施。

目前，对抗大气噪声干扰的信号处理方法主要有三大类：一是脉冲噪声抑制的一般方法，如带通滤波器、非线性削波器、采用扩时技术等；二是中值滤波与小波分析联合降噪处理方法；三是采用非线性自适应处理器方法。

3.1 脉冲噪声抑制一般方法

由于甚低频通信信道中的大气噪声可以认为是高斯白噪声背景下混叠有脉冲噪声，所以，通常会采用消除脉冲噪声的一般信号处理方法。

1）带通滤波信号处理方法

因为甚低频大气噪声脉冲信号具有持续时间短，频谱极宽的特性，最初抑制脉冲噪声的方法是采用带通滤波器来滤除信号带外频率噪声。但是带通滤波器的局限性很大，只能滤除信号频带外的一部分噪声能量。对于大量雷电叠加产生的瞬间强脉冲噪声来说，即使是滤波后剩余的噪声能量也足以对有用信号造成很大的干扰，而且用这种方法滤波之后会将噪声在时域上无限展宽，使得噪声对有用信号的影响变得更为恶劣。

2）削波信号处理方法［5］

自削波信号处理方法问世以来，由于其具有能将信号带内脉冲噪声的主要能量消除，而信号能量损失较小，使接收信号信噪比提高，对系统接收性能有较大改善的优势，它始终被应用于甚低频通信接收端的噪声滤除。

然而，削波处理对信号波形有破坏作用，不利于对信号的解调以及最终对误码率的控制；而且削波电平随大气噪声强度增加而增加，抑制大气噪声性能也越劣化，在大气噪声恶劣环境下难以获得较好的收信性能。

3）扩时技术［6～8］

扩时技术可以看成是扩频技术在时间和频率之间的对偶关系，主要用于抗脉冲干扰。基于扩时技术的通信系统，对脉冲干扰的抑制能力取决于扩时码的选择，扩时序列非周期自相关函数的旁瓣越低，扩时后信号瞬时功率的峰值也越低［6］。由于脉冲噪声是瞬时突发性的大幅度干扰，通过对信号进行时域展宽，减小脉冲在一个码元周期上所占的比率，可以有效地减小噪声对信号的影响。因此，扩时技术的采用对甚低频大气噪声有一定抑制作用，可以提高系统的抑噪性能。

扩时技术是通过牺牲信号的传输速率来得到较好的抗干扰性，因为在时域上将信号进行了展宽，信号的传输速率就大大降低了。单一采用扩时技术会对带宽有限传输速率较低的甚低频通信系统造成较大的影响，所以其应用价值不高。

3.2 中值滤波与小波分析联合降噪处理方法

小波分析是基于高斯噪声的假设，适合对信号的局部现象进行分析。小波分析方法可以用于去噪声与信号恢复。由于在正交小波中，正交基的选取比传统方法更接近实际信号本身，所以通过小波变换可以更容易地分离出噪声或其他不需要的信息，因此在降噪应用中，小波分析有着传统方法无可比拟的优势［9］。在实际的甚低频通信中，由于大气噪声主要是高斯白噪声背景下的脉冲噪声，而高斯白噪声是由分布在世界范围内的大量雷暴形成的脉冲叠加而成，脉冲噪声是由闪电电磁脉冲叠加而成，脉冲能量极强，持续时间短，噪声能量主要集中在脉冲成分中，因此，因此利用小波消噪的结果并不理想，消噪后的信号仍然含有许多异常值。

中值滤波属于非线性排序统计滤波方法。它通过对样本数据分布的分析，较好地抑制了信号中的脉冲噪声，但保留了原始数据的边缘轮廓信息。其缺点是，对抑制线性叠加在信号中的平稳随机噪声的能力弱。因此，中值滤波主要应用于需要抑制脉冲噪声且需要保留边缘轮廓信息的信号处理中［10］。

由于中值滤波能对脉冲干扰进行有效抑制，通过中值滤波后幅值较大的异常值能够被去除，便于进一步的小波消噪处理。文献［11］提出利用小波降噪方法去除数据中随机噪声的影响；利用中值滤波来抑制小波滤波时因权值较大而无法滤除的脉冲干扰，进行组合滤波设计对数据进行预处理，提高了抑制噪声的效果。两种方法的联合使用一是结合了中值滤波和小波消噪的特点，能够消除异常值，使噪声的幅度限制在一定的范围内，降低甚低频信道噪声对原始信号的影响，并能够很好地恢复原始信号；二是使用该方法在不同的信噪比下有几乎相同的消噪效果，显示了该方法具有较好的鲁棒性。

3.3 非线性自适应信号处理方法

如前所述，甚低频信道噪声是非平稳的时变过程，传统的噪声处理方法难以根据甚低频信道特性的改变而做出实时的调整，不能实现对甚低频信道噪声的有效抑制［12］。因此，提出了自适应信号处理方法。

自适应信号处理是能够根据输入信号自动调整系统性能进行数字信号处理的方法。自适应滤波器具有跟踪信号和噪声变化的能力，通过控制参数来使滤波器保持最佳滤波状态，并使滤波器的特性随信号和噪声的变化而自动发生变化，达到最优滤波效果。自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器权系数来实现。一般情况，自适应滤波器由两部分组成，一是滤波器结构，二是调制滤波器系数的自适应算法。自适应滤波器的结构通常采用FIR（有限长单位冲激响应滤波器）结构，对带内噪声的处理采用经典的LMS算法。为了达到最优的降噪效果，在LMS算法基础上作适当调整，利用其它噪声抑制技术，如非线性限幅器以及噪声的自相关特性和功率谱密度特性等，才能达到最佳的降噪效果。

若潜艇甚低频接收机在信号解调模块之前采用自适应处理器进行信号处理，一是能够对大气噪声中的尖峰脉冲具有明显的抑制效果。在大气噪声的脉冲成分所占比例较小（天气晴好）时，它的抗干扰增益可以达到6dB～7dB，在脉冲成分所占比例很大（雷电交加）时，系统的抗干扰增益可达到十几dB。二是它对输入信号有很好的平滑作用，能够消除一些由小幅度的脉冲而造成的波形突变。

4 结语

本文介绍了甚低频段大气噪声产生的原因和传播特性，并讨论分析了对抗大气噪声干扰的信号处理方法，通过对大气噪声抑制技术的对比分析，指出了不同方法应用于潜艇甚低频通信大气噪声抑制时的优缺点，分析了非线性自适应滤波技术提高通信接收机接收潜艇甚低频信号的可行性。通过分析认为采用适当的信号处理技术能够有效提高潜艇甚低频通信系统性能。

［1］刘翠海，温东，史伟.潜艇通信［M］.北京：海潮出版社，2013：51-52.

［2］CCIR（1982），Worldwide minimum external noise levels，0.1 Hz to 100 GHz，Tech.Rep.670，International Tele⁃communication Union.69-80.

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［4］CCIR（1995），Noise Variation Parameters，Technical Document 2813 June 1995，Naval Command，Control and Ocean Surveillance Center RDT&E Division.17-22.

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Survey of Atmospheric Noise Control Technology for Very Low Frequency（VLF）Communication

CHEN Wei1LIU Cuihai2
（1.Graduate Student Brigade，Naval Submarine Academy，Qingdao266199）（2.Navigation&Observe Communication Department，Naval Submarine Academy，Qingdao266199）

Commence from the reason of atmosphere noise creation，on the foundation of analytical atmosphere noise character⁃istic，the general method of impulsive noise control，median filter and wavelet analysis treatment method of unite control noise and nonlinear adaptive processing method are presented，and the advantages and disadvantages about different methods for applying sub⁃marine VLF communication atmospheric noise control are pointed out.The analysis proves that appropriate signal processing tech⁃nology can effectively improve the performance of submarine VLF communication system.

VLF communication，atmospheric noise，signal processing，noise control

TN972

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.003

2017年2月10日，

2017年3月23日

陈巍，男，硕士研究生，研究方向：通信保障与效能评估。刘翠海，男，硕士，副教授，研究方向：军事通信及仿真。