一種改進的非線性脈沖噪聲處理接收機及其性能仿真

施意+鮑凱+張爽+徐松巖

摘 要： 脈沖噪聲由于其沖擊能量和幅度較大，會對通信系統(tǒng)接收機產(chǎn)生嚴重影響，為了提高通信系統(tǒng)接收機的性能，必須對混有脈沖噪聲的接收信號進行處理，需要改進接收機。以MSK信號為例，通過對改進后的接收機性能仿真，驗證了采用非線性自適應(yīng)處理器改進通信接收機的可行性。

關(guān)鍵詞： 通信接收機； 脈沖噪聲； 非線性處理； 誤差處理

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0068?02

An improved nonlinear impulsive noise processing receiver

and its performance simulation

SHI Yi1， BAO Kai1， ZHANG Shuang2， XU Song?yan1

（1. Department of Voyage Observation and Communication， Navy Submarine Academy， Qingdao 266042， China；

2. Communication Office， Unit 68306 of PLA， Xian 710608， China）

Abstract： Impulse noise， due to its high impact energy and large amplitude， has a serious impact on the communication system receiver. The received signal mixed with impulse noise must be processed so as to improve the performance of the communication system receiver. Taking MSK signal as an example， performance simulation of the modified receiver verified the feasibility of adopting the nonlinear adaptive processor to modify communication receivers.

Keywords： communication receiver； impulse noise； nonlinear processing； error processing

通信系統(tǒng)主要受到脈沖噪聲的影響，在脈沖噪聲干擾嚴重的情況下，系統(tǒng)接收機的誤碼率較高，無法正常接收報文，要有效提高接收機的接收性能就必須對接收機進行改進。收信時，接收到的信號是混雜了噪聲干擾的MSK信號，將MSK信號從噪聲干擾中提取出來的主要方法是在接收系統(tǒng)的濾波器前端或后端添加信號處理器。目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多脈沖噪聲抑制方法，其中應(yīng)用最廣泛的主要有以下幾種：帶通濾波器，限幅器，非線性自適應(yīng)處理器。本文使用了一種基于自適應(yīng)信號處理技術(shù)的非線性自適應(yīng)處理器對接收機中混有脈沖噪聲的信號進行抑制處理。

1 非線性處理器設(shè)計

非線性自適應(yīng)處理器的原型是自適應(yīng)波形預(yù)測器，它使用兩組單頻正弦信號作為線性組合器的輸入信號，不斷地調(diào)整權(quán)向量來合成一個模擬的MSK信號。正弦信號的頻率是載波的中心頻，兩組信號的相位差為[π2，]每一個采樣時刻的輸出信號都是它們的線性組合，但是需要調(diào)整權(quán)值來使輸出信號逼近MSK信號。通過非線性處理器對接收信號進行自適應(yīng)處理，其目的是將脈沖噪聲從接收信號中去除，并盡可能地還原MSK信號的波形，減小信號失真。圖1為本文非線性處理器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 非線性處理器的結(jié)構(gòu)圖

1.1 自適應(yīng)非線性組合器

自適應(yīng)非線性組合器是信號處理器中的重要原件，它可以將多個輸入映射為若干個輸出，本文采用4個信號輸入映射為2個輸出的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)非線性組合器結(jié)構(gòu)

在輸入端由[x1，][x2，][x3，][x4]組成輸入向量，可調(diào)權(quán)向量為[w1，][w2，]以及求和輸出為[y1，][y2。]用[X]和[W]的形式可表示為：

[Xk=[x1，kx2，k]T，X′k=[x3，kx4，k]T，Wk=[w1，kw2]T] （1）

式中：[T]表示向量轉(zhuǎn)置；[k]為抽樣時間，向量的元素均取自第[k]個抽樣時間。由圖所示映射關(guān)系得到輸出如下：

[y1，k=XTk?Wk， y2=X′kT?Wk] （2）

隨著抽樣時間的變化，權(quán)向量也不斷進行變化：

[Wk+1=Wk+ΔWk] （3）

式中：[ΔWk]為[Wk+1]與[Wk]權(quán)向量的改變量，由自適應(yīng)預(yù)估值與接收機接收值的誤差通過LMS運算決定[ΔWk]取值，使預(yù)估值更準確地接近MSK信號，[ΔWk]取值如下：

[ΔWk=2με（k）Xk 或 ΔWk=2με（k）X′k] （4）

由[ΔWk]設(shè)置輸出量[yk]的判決條件，最后得出自適應(yīng)預(yù)估值：

[yk=WTk?Xk，ΔWk，⊥Xk≤ΔWk，⊥X′kWTk?X′k，ΔWk，⊥Xk>ΔWk，⊥X′k] （5）

1.2 誤差處理

由于接收機接收到的為混有脈沖噪聲的MSK信號，與自適應(yīng)非線性組合器輸出的預(yù)估值之間存在誤差ε，在高斯白噪聲的影響下運用LMS計算可以使信號誤差ε趨近于0。但當(dāng)大幅度的脈沖噪聲影響時，誤差ε會變得非常大，達到MSK信號峰值的幾倍甚至幾十倍，會造成誤差收斂速度緩慢，使預(yù)估的MSK信號產(chǎn)生失真。因此當(dāng)遇到脈沖干擾時需對信號進行限幅濾波，判斷信號是否受到脈沖噪聲干擾還要設(shè)置判決門限。

由式（3）和式（4）得：

[y=Wk-1?Xk+2με（k）Xk] （6）

式中：[ε（k）=s（k-1）-y（k-1）。]設(shè)置一個脈沖判決門限[B，]輸出為[n，]有：

[n=0，s（k）>B1，s（k）≤B] （7）

用[n]與誤差信號相乘得到[ε：]

[ε=0，s（k）>Bε，s（k）≤B] （8）

經(jīng)過誤差處理后信號消除了脈沖，波形較為平滑，相位依然連續(xù)，如圖3所示。

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

仿真模擬在脈沖噪聲干擾條件下通信系統(tǒng)誤碼率隨信噪比改變的變化情況，改進后的接收機在解調(diào)前對接收信號進行非線性處理，消除脈沖噪聲的影響。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通信系統(tǒng)中脈沖噪聲模塊可設(shè)置參數(shù)SNR和[Vd]改變脈沖噪聲的強度，SNR為信噪比，[Vd]為電壓偏差，定義電壓偏差[Vd]為：

[Vd=20lg ErmsEav=20lg eσ2n2=10σ2nlge] （9）

對[Vd]的認識給出了[s2n]的值，而[Vd]的值在國際無線電咨詢委員會（CCIR）報告中被估計出。

圖3 消除誤差后的信號波形

圖4 通信系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

在仿真中分別設(shè)置[Vd]=2，5，10，對比在經(jīng)過信號處理器和未經(jīng)過信號處理器通信系統(tǒng)的誤碼率。

圖5（a）中脈沖噪聲的干擾強度較弱，不采用非線性處理器對接收機的誤碼率沒有影響。當(dāng)干擾增大，如圖5（b）所示，采用非線性處理器的接收機誤碼率降低的速度明顯快于不使用非線性處理器的接收機。而當(dāng)脈沖噪聲非常嚴重時，如圖5（c）所示，沒有非線性處理器的接收機無法有效降低誤碼率，有非線性處理器的接收機可以有效降低誤碼率。

3 結(jié) 語

改進后的通信接收機通過對接收信號進行非線性處理，在接收機解調(diào)信號前用削波法削除脈沖噪聲大幅度干擾，采用自適應(yīng)算法盡可能恢復(fù)通信信號。通過對系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析表明，對于通信有嚴重干擾的脈沖噪聲，采用非線性處理器處理脈沖噪聲的干擾能夠有效提高系統(tǒng)的接收性能。

參考文獻

[1] 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（1）：57?60.

[2] GOGOI A K， MALLIK RK， MAHANTA A， et al. Performance of a coherent BPSK receiver in an impulsive noise environment [J]. IEEE Transactions on Communication System， 1999， 15（1）： 471?475.

[3] 沃特.無線電工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，1973.

[4] 劉玉昌，韓恩權(quán)，陳妍.基于Matlab的VFL/LF通信系統(tǒng)仿真[J].電訊技術(shù)，2004（5）：140?143.

[5] 肖明波，楊松光，許芳.通信系統(tǒng)仿真原理與無線電應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] Bernard Widrow， Samuel D Stearns.自適應(yīng)信號處理[M].王永德，龍憲惠，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

由式（3）和式（4）得：

[y=Wk-1?Xk+2με（k）Xk] （6）

式中：[ε（k）=s（k-1）-y（k-1）。]設(shè)置一個脈沖判決門限[B，]輸出為[n，]有：

[n=0，s（k）>B1，s（k）≤B] （7）

用[n]與誤差信號相乘得到[ε：]

[ε=0，s（k）>Bε，s（k）≤B] （8）

經(jīng)過誤差處理后信號消除了脈沖，波形較為平滑，相位依然連續(xù)，如圖3所示。

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

仿真模擬在脈沖噪聲干擾條件下通信系統(tǒng)誤碼率隨信噪比改變的變化情況，改進后的接收機在解調(diào)前對接收信號進行非線性處理，消除脈沖噪聲的影響。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通信系統(tǒng)中脈沖噪聲模塊可設(shè)置參數(shù)SNR和[Vd]改變脈沖噪聲的強度，SNR為信噪比，[Vd]為電壓偏差，定義電壓偏差[Vd]為：

[Vd=20lg ErmsEav=20lg eσ2n2=10σ2nlge] （9）

對[Vd]的認識給出了[s2n]的值，而[Vd]的值在國際無線電咨詢委員會（CCIR）報告中被估計出。

圖3 消除誤差后的信號波形

圖4 通信系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

在仿真中分別設(shè)置[Vd]=2，5，10，對比在經(jīng)過信號處理器和未經(jīng)過信號處理器通信系統(tǒng)的誤碼率。

圖5（a）中脈沖噪聲的干擾強度較弱，不采用非線性處理器對接收機的誤碼率沒有影響。當(dāng)干擾增大，如圖5（b）所示，采用非線性處理器的接收機誤碼率降低的速度明顯快于不使用非線性處理器的接收機。而當(dāng)脈沖噪聲非常嚴重時，如圖5（c）所示，沒有非線性處理器的接收機無法有效降低誤碼率，有非線性處理器的接收機可以有效降低誤碼率。

3 結(jié) 語

改進后的通信接收機通過對接收信號進行非線性處理，在接收機解調(diào)信號前用削波法削除脈沖噪聲大幅度干擾，采用自適應(yīng)算法盡可能恢復(fù)通信信號。通過對系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析表明，對于通信有嚴重干擾的脈沖噪聲，采用非線性處理器處理脈沖噪聲的干擾能夠有效提高系統(tǒng)的接收性能。

參考文獻

[1] 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（1）：57?60.

[2] GOGOI A K， MALLIK RK， MAHANTA A， et al. Performance of a coherent BPSK receiver in an impulsive noise environment [J]. IEEE Transactions on Communication System， 1999， 15（1）： 471?475.

[3] 沃特.無線電工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，1973.

[4] 劉玉昌，韓恩權(quán)，陳妍.基于Matlab的VFL/LF通信系統(tǒng)仿真[J].電訊技術(shù)，2004（5）：140?143.

[5] 肖明波，楊松光，許芳.通信系統(tǒng)仿真原理與無線電應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] Bernard Widrow， Samuel D Stearns.自適應(yīng)信號處理[M].王永德，龍憲惠，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

由式（3）和式（4）得：

[y=Wk-1?Xk+2με（k）Xk] （6）

式中：[ε（k）=s（k-1）-y（k-1）。]設(shè)置一個脈沖判決門限[B，]輸出為[n，]有：

[n=0，s（k）>B1，s（k）≤B] （7）

用[n]與誤差信號相乘得到[ε：]

[ε=0，s（k）>Bε，s（k）≤B] （8）

經(jīng)過誤差處理后信號消除了脈沖，波形較為平滑，相位依然連續(xù)，如圖3所示。

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

仿真模擬在脈沖噪聲干擾條件下通信系統(tǒng)誤碼率隨信噪比改變的變化情況，改進后的接收機在解調(diào)前對接收信號進行非線性處理，消除脈沖噪聲的影響。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通信系統(tǒng)中脈沖噪聲模塊可設(shè)置參數(shù)SNR和[Vd]改變脈沖噪聲的強度，SNR為信噪比，[Vd]為電壓偏差，定義電壓偏差[Vd]為：

[Vd=20lg ErmsEav=20lg eσ2n2=10σ2nlge] （9）

對[Vd]的認識給出了[s2n]的值，而[Vd]的值在國際無線電咨詢委員會（CCIR）報告中被估計出。

圖3 消除誤差后的信號波形

圖4 通信系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

在仿真中分別設(shè)置[Vd]=2，5，10，對比在經(jīng)過信號處理器和未經(jīng)過信號處理器通信系統(tǒng)的誤碼率。

圖5（a）中脈沖噪聲的干擾強度較弱，不采用非線性處理器對接收機的誤碼率沒有影響。當(dāng)干擾增大，如圖5（b）所示，采用非線性處理器的接收機誤碼率降低的速度明顯快于不使用非線性處理器的接收機。而當(dāng)脈沖噪聲非常嚴重時，如圖5（c）所示，沒有非線性處理器的接收機無法有效降低誤碼率，有非線性處理器的接收機可以有效降低誤碼率。

3 結(jié) 語

改進后的通信接收機通過對接收信號進行非線性處理，在接收機解調(diào)信號前用削波法削除脈沖噪聲大幅度干擾，采用自適應(yīng)算法盡可能恢復(fù)通信信號。通過對系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析表明，對于通信有嚴重干擾的脈沖噪聲，采用非線性處理器處理脈沖噪聲的干擾能夠有效提高系統(tǒng)的接收性能。

參考文獻

[1] 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（1）：57?60.

[2] GOGOI A K， MALLIK RK， MAHANTA A， et al. Performance of a coherent BPSK receiver in an impulsive noise environment [J]. IEEE Transactions on Communication System， 1999， 15（1）： 471?475.

[3] 沃特.無線電工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，1973.

[4] 劉玉昌，韓恩權(quán)，陳妍.基于Matlab的VFL/LF通信系統(tǒng)仿真[J].電訊技術(shù)，2004（5）：140?143.

[5] 肖明波，楊松光，許芳.通信系統(tǒng)仿真原理與無線電應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] Bernard Widrow， Samuel D Stearns.自適應(yīng)信號處理[M].王永德，龍憲惠，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.