基于組合自適應(yīng)橫向濾波器的噪聲消除

路翠華，李國林，陸巍巍

（海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺264001）

0 引言

噪聲干擾無處不在，如通信中的回波、各類機(jī)器工作時的噪聲、汽車鳴笛聲等。實際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到噪聲背景下提取有用信號的問題。隨著自適應(yīng)濾波技術(shù)的發(fā)展，采用自適應(yīng)濾波對噪聲進(jìn)行消除成為主要研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［1～4］將自適應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用到噪聲消除中，文獻(xiàn)［5］對噪聲消除中各自適應(yīng)濾波算法性能進(jìn)行了仿真比較。但上述方法中自適應(yīng)濾波器參考輸入的噪聲源需要與原始輸入中的噪聲相關(guān)，而有些情況下相關(guān)的噪聲源是無法獲取的。針對這個問題，本文研究了在沒有相關(guān)噪聲源情況下，窄帶信號的噪聲消除問題。根據(jù)窄帶信號的可預(yù)測特性，采用自適應(yīng)橫向濾波器對噪聲進(jìn)行消除。為進(jìn)一步提高噪聲消除性能，設(shè)計了組合橫向自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)，并對噪聲消除效果進(jìn)行了仿真分析。

1 基于自適應(yīng)橫向濾波器的噪聲消除原理

基于自適應(yīng)橫向濾波器的噪聲消除原理如圖1所示。

圖1 基于自適應(yīng)橫向濾波器的噪聲消除原理

圖1中 x（n） 為濾波器輸入信號，y（n）為有用窄帶信號， v（n）為噪聲，濾波器抽頭輸入信號矢量為x（n）＝［x（n）x（n-1）…x（n-M＋1）］T，濾波系數(shù)矢量為ω（n）＝［ω1（n）ω2（n）…ωM（n）］T。則輸出信號（n）為：

因窄帶信號可預(yù)測性比較好，而噪聲的可預(yù)測性比較差，所以可通過自適應(yīng)調(diào)整濾波器權(quán)值使（n） →y（n） ，從而達(dá)到噪聲消除的目的。

2 基于自適應(yīng)組合橫向濾波器的噪聲消除原理

圖1中的濾波器期望響應(yīng)采用含有噪聲的輸入信號 x（n） ，因 x（n） 含有噪聲 v（n） ，所以當(dāng)信噪比比較低時達(dá)不到很好的噪聲消除效果。自適應(yīng)濾波器的輸出信號（n）相對于 x（n） 更接近有用窄帶信號y（n） ，基于這個事實，設(shè)計了組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)，采用第一級濾波器的輸出信號（n）作為第二級濾波器的期望響應(yīng)，如圖2所示。

圖2 基于組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)的噪聲消除原理

3 噪聲消除應(yīng)用仿真

下面通過仿真對比分析采用組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)和采用1次橫向自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)進(jìn)行噪聲消除的效果。仿真信號選取連續(xù)波多普勒無線電引信的回波信號。彈目交匯條件如下：脫靶量ρ＝8m，彈目相對運(yùn)動速度為1000m／s。引信開始工作時彈目距離在彈目相對運(yùn)動速度方向的投影距離為300m，時間0點(diǎn)為引信開始工作的時間。仿真信號選取0.28～0.29s的信號。自適應(yīng)濾波算法采用遞歸最小二乘算法。SNB＝-5dB時，1次橫向濾波結(jié)構(gòu)采用128階、組合濾波結(jié)構(gòu)的兩級分別采用64階時的噪聲消除效果如圖3～6所示。

圖3 SNR＝-5dB時噪聲消除效果

由圖3從時域可以看出，采用組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)的噪聲消除效果明顯優(yōu)于采用自適應(yīng)橫向濾波器1次濾波的效果。由圖4～6從頻域可以看出，采用組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)的噪聲消除效果明顯優(yōu)于采用自適應(yīng)橫向濾波器1次濾波的效果。1次橫向濾波結(jié)構(gòu)采用128階、組合濾波結(jié)構(gòu)的兩級分別采用64階時，兩種濾波結(jié)構(gòu)的階數(shù)都是128階，但采用組合濾波結(jié)構(gòu)其噪聲消除效果明顯優(yōu)于采用1次濾波結(jié)構(gòu)。

若1次橫向濾波結(jié)構(gòu)采用L 階、兩級組合濾波結(jié)構(gòu)分別采用L／2階，其1次RLS遞歸運(yùn)算的計算量如表1所示。

圖4 含噪聲回波信號頻譜

圖5 SNR＝-5dB時1次濾波 后回波信號頻譜

圖6 SNR＝-5dB時組合濾波 后回波信號頻譜

表1 兩種濾波結(jié)構(gòu)1次遞歸計算量分析

由表1可以看出，采用組合濾波結(jié)構(gòu)自適應(yīng)濾波算法的計算量明顯小于采用1次橫向濾波結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)濾波技術(shù)被廣泛應(yīng)用到噪聲消除中，但目前見到的文獻(xiàn)一般都需要相關(guān)噪聲源存在，而在有些情況下是無法獲取相關(guān)噪聲源的。為解決沒有相關(guān)噪聲源情況下有用窄帶信號的噪聲消除問題，本文根據(jù)窄帶信號可預(yù)測性比較好的特點(diǎn)，設(shè)計了組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，采用組合自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)對窄帶信號中的噪聲進(jìn)行消除，計算量明顯小于采用普通自適應(yīng)橫向濾波結(jié)構(gòu)，并且能獲得更好的噪聲消除效果。■

［1］梅蓉，姚善化.自適應(yīng)濾波器在噪聲抵消系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2008（8）：13-15.

［2］劉曉慶，熊曉燕.自適應(yīng)濾波在噪聲抵消中的應(yīng)用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17（11）：208-209.

［3］余榮貴，葉水生.一種改進(jìn)的變步長LMS自適應(yīng)濾波算法及其在噪聲抵消中的應(yīng)用［J］.計算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（4）：66-68.

［4］蔣靜群，簡金蕾，任宏濱.基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波的引信去噪聲研究［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2008，36（6）：76-80.

［5］劉世金，張榆鋒，陳文略，等.在噪聲抵消應(yīng)用中自適應(yīng)濾波算法性能的仿真比較［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（5）：1178-1180.