混響室條件下失真信號(hào)消噪技術(shù)研究

賈 銳，王川川，張曉芬，趙琳鋒

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

混響室條件下失真信號(hào)消噪技術(shù)研究

賈 銳，王川川，張曉芬，趙琳鋒

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

為研究混響室條件下失真信號(hào)消噪恢復(fù)技術(shù)，采用Mallat算法和預(yù)失真技術(shù)的失真數(shù)據(jù)補(bǔ)償方法，首先，利用蒙特卡洛方法(Monte Carlo)模擬混響室內(nèi)電磁環(huán)境，獲得全向輻照電磁環(huán)境和接收系統(tǒng)的聯(lián)合傳遞函數(shù)；再將聯(lián)合傳遞函數(shù)的反函數(shù)置于預(yù)失真器中，用于補(bǔ)償信號(hào)通過混響室內(nèi)全向輻照電磁環(huán)境和接收系統(tǒng)后產(chǎn)生的誤差和畸變。利用驗(yàn)證信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可有效消除系統(tǒng)帶來的誤差，較好地恢復(fù)和保持了接收信號(hào)信息。

混響室；Mallat算法；預(yù)失真技術(shù)；數(shù)據(jù)補(bǔ)償；失真

0 引言

混響室技術(shù)(RC)被廣泛應(yīng)用于各種電磁兼容性測試[1]，包括輻射敏感度[2]、輻射發(fā)射[3]、屏蔽效能[4]、天線效率[5]、探針校準(zhǔn)以及材料特性等測試[6]。國內(nèi)主要利用混響室進(jìn)行輻射敏感度和屏蔽效能測試，前者主要是通過視覺觀察來判斷受試設(shè)備是否達(dá)到敏感極限再記錄下當(dāng)時(shí)的干擾強(qiáng)度。而視覺觀察受到試驗(yàn)人員主觀判斷影響較大，不同的試驗(yàn)人員對(duì)受試設(shè)備所處狀態(tài)的判斷可能會(huì)有很大的不同，因而影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性。所以需要一個(gè)客觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)來衡量受試設(shè)備的工作狀態(tài)，一種方法是將受試設(shè)備的輸出信號(hào)作為判斷依據(jù)，根據(jù)輸出信號(hào)的波形信息來判斷受試設(shè)備的狀態(tài)。但信號(hào)從受試設(shè)備至數(shù)據(jù)處理終端過程中必將受到各種因素的影響，如混響室內(nèi)全向輻照電磁環(huán)境、傳輸線纜的非線性特性、天線系數(shù)、探頭轉(zhuǎn)移阻抗以及接收系統(tǒng)等，這些因素都會(huì)對(duì)受試設(shè)備輸出信號(hào)造成很大影響，從而產(chǎn)生偏差和畸變。若是不對(duì)這些畸變和失真進(jìn)行處理，接收機(jī)終端收到的信號(hào)與原始信號(hào)將會(huì)有非常大的偏差，而基于這些信號(hào)的后續(xù)工作都會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，研究混響室條件下傳輸信號(hào)消噪技術(shù)具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

一方面，傳輸線纜在混響室環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生與理想單一方向入射的平面波輻照完全不同的響應(yīng)效果，國內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了非常深入的研究。但研究重點(diǎn)都是傳輸線上的感應(yīng)電流及其分布規(guī)律，而沒有涉及如何將有用信號(hào)與干擾信號(hào)分離，獲得與受試設(shè)備輸出信號(hào)一致的接收信號(hào)；另一方面，在實(shí)際的測試過程中，由于試驗(yàn)人員的主觀性造成試驗(yàn)結(jié)果的不確定性迫切需要解決。正是基于此，提出了混響室條件下的信號(hào)消噪方法，方法分為兩部分：① 干擾系統(tǒng)信息收集部分，也可稱為校準(zhǔn)過程，利用蒙特卡洛方法(Monte Carlo)模擬混響室內(nèi)電磁環(huán)境，從中提取已知信號(hào)，獲得全向輻照電磁環(huán)境和接收系統(tǒng)的聯(lián)合傳遞函數(shù)；② 失真信號(hào)消噪重構(gòu)部分，將聯(lián)合傳遞函數(shù)的反函數(shù)置于預(yù)失真器中，可補(bǔ)償2個(gè)干擾系統(tǒng)帶來的失真。

1 混響室內(nèi)電磁環(huán)境

典型機(jī)械攪拌混響室的結(jié)構(gòu)為高導(dǎo)電率的屏蔽腔體內(nèi)裝配1個(gè)或多個(gè)由高導(dǎo)電率金屬建造的機(jī)械攪拌器[7]。通過攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變腔室內(nèi)電磁環(huán)境的邊界條件，改變腔室內(nèi)電磁場模結(jié)構(gòu)[8]，使其工作于過模狀態(tài)[9-10]，從而在腔室內(nèi)部激發(fā)出統(tǒng)計(jì)意義上的場強(qiáng)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的電磁場[11-14]。由此原理，近年來源攪拌、頻率攪拌、不規(guī)則混響室相繼出現(xiàn)，在電磁兼容測試領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用?；祉懯仪皇覝y試區(qū)域電場分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 混響室電場分布

混響室工作區(qū)內(nèi)3個(gè)正交電場的電磁分量，其電磁場分布呈現(xiàn)為隨機(jī)起伏、不均勻狀態(tài)。圖1中給出的是一個(gè)邊界條件下的場分布，經(jīng)多個(gè)攪拌位置疊加后，即多個(gè)圖1中電磁場分布進(jìn)行疊加后，混響室內(nèi)電磁場就會(huì)呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)均勻的特性，如表1所示。真實(shí)空間中，由于空中云層、地面起伏、各類建筑物構(gòu)筑物的散射，戰(zhàn)場上武器裝備或空間中電子設(shè)備都不會(huì)只受到一個(gè)方向上的電磁干擾，更多情況下是多個(gè)方向(或全向)同時(shí)受到影響，尤其是在局部戰(zhàn)場或電子設(shè)備布局較密位置特別是在腔室電磁環(huán)境內(nèi)。而與傳統(tǒng)理想電磁試驗(yàn)環(huán)境不同，位于混響室測試區(qū)域內(nèi)的受試設(shè)備會(huì)同時(shí)受到360°隨機(jī)的電磁輻射。因此，混響室內(nèi)電磁環(huán)境更加接近真實(shí)空間電磁環(huán)境，這便是混響室與其他理想條件下電磁環(huán)境的最大區(qū)別。

表1 混響室內(nèi)電磁場量分布模型

混響室內(nèi)電磁場量分布規(guī)律分布模型ReEx,y,z(),ImEx,y,z()正態(tài)分布fR()=12πσ2exp-R-μ()22σ2()R=ReR'()Im(R'),R'=Ex,y,z,IinducedEx,y,z瑞利分布fR()=Rσ2exp-R22σ2()R=Ex,y,z,IinducedEx,y,z2指數(shù)分布fR()=12σ2exp-R22σ2()R=Ex,y,z,Iinduced

正是由于混響室內(nèi)電磁環(huán)境與理想電磁環(huán)境明顯不同，在處理其條件下的信號(hào)傳輸問題時(shí)，除了傳輸線纜特性之外，還要考慮到這類服從特定分布規(guī)律的全向輻照電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響。利用基于統(tǒng)計(jì)理論的蒙特卡洛方法模擬混響室內(nèi)全向輻照的電磁環(huán)境，而蒙特卡洛方法模擬混響室電磁環(huán)境的有效性已經(jīng)在多篇文獻(xiàn)中得到證明。

2 消噪原理方法

小波分析在信號(hào)處理方面有著非常廣泛的應(yīng)用，小波變換被稱為數(shù)學(xué)顯微鏡，其突出特點(diǎn)是有多分辨率，能克服短時(shí)傅里葉變換的不足，對(duì)信號(hào)具有自適應(yīng)性，窗口大小可隨頻率變化，因此可用于分析非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)域和頻域的微觀信息[15]。而Mallat算法主要基于多分辨率分析的多采樣率濾波器組分解信號(hào)，可把信號(hào)分解為離散平滑分量和離散細(xì)節(jié)分量。從空間的概念上對(duì)小波的多分辨分析特性進(jìn)行了論證，建立了多分辨分析的概念[16]。

應(yīng)用二尺度方程

根據(jù)多分辨率分析，將信號(hào)分解為離散平滑分量和離散細(xì)節(jié)分量，可以得到遞推的Mallat分解算法為[17-18]：

(1)

(2)

式中，cj,k為離散平滑分量；dj,k為離散細(xì)節(jié)分量，又分別為第j層的尺度系數(shù)和小波系數(shù)；h0和h1分別為低通和高通濾波系數(shù)，分別輸出信號(hào)的低頻信息和高頻信息。上式表明其可由第j-1層的尺度系數(shù)經(jīng)過濾波器進(jìn)行加權(quán)求和得到。

因此信號(hào)可重構(gòu)為：

(3)

信號(hào)的分解與重構(gòu)過程中，h*0和h*1分別為低通和高通濾波系數(shù)的反變換，如圖2所示，為正交濾波器組，其輸出信號(hào)帶寬均為原信號(hào)帶寬的一半，采樣速率也隨之減半。向下的箭頭和向上的箭頭分別表示二抽取和二插值，分別對(duì)應(yīng)在每隔對(duì)應(yīng)樣本數(shù)量抽樣或插值一次，數(shù)據(jù)長度也隨之減半和增加一倍，從而恢復(fù)至原始信號(hào)長度。由圖2可知，信號(hào)的分解和重構(gòu)互為逆過程。信號(hào)重構(gòu)過程中，插值后的數(shù)據(jù)需經(jīng)過低通和高通濾波器處理，目的是為了將補(bǔ)零后的波形做平滑處理。

圖2 信號(hào)的分解與重構(gòu)

預(yù)失真技術(shù)一般應(yīng)用于功率放大器的信號(hào)失真處理[19-20]，在功率放大器前對(duì)輸入信號(hào)先做預(yù)處理，它的傳輸特性為放大器特性的反函數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)經(jīng)過預(yù)失真和放大器模塊之后，輸出信號(hào)就只剩下線性增益[21-23]，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)功放模塊引入噪聲的消除。

圖3 方法原理

3 實(shí)例驗(yàn)證

為使算法過程更加形象化，將受試設(shè)備的輸出信號(hào)定義為y=10cos(2π·90t)e-30t，考察其依次通過混響室全向輻照電磁環(huán)境和接收系統(tǒng)后的信號(hào)畸變情況。由于其非線性特性，原信號(hào)在經(jīng)過2個(gè)干擾系統(tǒng)后，會(huì)在特定區(qū)間內(nèi)疊加上噪聲，這里設(shè)定疊加時(shí)間區(qū)間為60～70 s，這個(gè)區(qū)間內(nèi)的信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生一定程度的失真。本文的目的就是盡量消除該區(qū)間內(nèi)的失真，使受到混響室全向輻照電磁環(huán)境和接收系統(tǒng)干擾的輸出信號(hào)最大程度的接近原始信號(hào)。由圖4 所示，驗(yàn)證信號(hào)受到干擾后，在疊加區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生了較大失真，疊加區(qū)間內(nèi)2個(gè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)下降至0.56，說明信號(hào)畸變已經(jīng)達(dá)到一定程度，會(huì)對(duì)后續(xù)的信號(hào)分析造成非常大的影響，甚至造成誤判斷。通過2個(gè)過程的處理后，恢復(fù)信號(hào)與驗(yàn)證信號(hào)在疊加區(qū)間內(nèi)的相關(guān)系數(shù)為0.99，說明該方法能夠滿足失真信號(hào)補(bǔ)償恢復(fù)的要求。

圖4 原信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)對(duì)比

4 結(jié)束語

本文提出了一種混響室條件下基于小波算法和預(yù)失真技術(shù)的失真信號(hào)恢復(fù)方法。在介紹了混響室內(nèi)電磁環(huán)境分布規(guī)律和工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)所提出方法的流程進(jìn)行了介紹。選定某種信號(hào)進(jìn)行算法驗(yàn)證，該方法首先利用Mallat算法對(duì)受到全向輻照和接收系統(tǒng)2個(gè)干擾系統(tǒng)影響的接收信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)，得到系統(tǒng)聯(lián)合傳遞函數(shù)，然后將其反函數(shù)置于預(yù)失真器中，經(jīng)過處理得到的波形與原波形有較好的一致性。本文方法只需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理即可得到系統(tǒng)引入的畸變，不需要額外系統(tǒng)信息，最大化地簡化了實(shí)現(xiàn)過程，提高了后續(xù)分析的穩(wěn)健性和可靠性，為擴(kuò)展混響室應(yīng)用和信號(hào)消噪技術(shù)提供了基礎(chǔ)。

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ResearchonNoiseEliminationTechnologyinReverberationChamber

JIA Rui,WANG Chuan-chuan,ZHANG Xiao-fen,ZHAO Lin-feng

(StateKeyLaboratoryofComplexElectromagneticEnvironmentEffectsonElectronicsandInformationSystem,LuoyangHe’nan471003,China)

In order to eliminate the distortions from the electromagnetic field inreverberation chamber and receiving system,one method based on Mallat algorithm and predistortion technology is proposed in this paper.Firstly,the reverberation chamber can be simulated by Monte Carlo method,and the united transfer function of omnidirectional radiation electromagnetic environment and receiving system can be obtained.Furthermore,the inverse function of united transfer function is embedded in the predistortion component to compensate the signal error and signal distortion caused by omnidirectional radiation electromagnetic environment and receiving system.One waveform is chosen to verify this technology,and the results show that the proposed method can effectively eliminate the errors from system,and can significantly recover and maintain the

signal information.

reverberation chamber;Mallat algorithm;predistortion technology;data compensation;distortion

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.13

賈銳，王川川，張曉芬，等.混響室條件下失真信號(hào)消噪技術(shù)研究[J].無線電工程,2017,47(10)：59-62.[JIA Rui，WANG Chuanchuan，ZHANG Xiaofen，et al.Research on Noise Elimination Technology in Reverberation Chamber[J].Radio Engineering,2017,47(10):59-62.]

TN97；O441

A

1003-3106(2017)10-0059-04

2017-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277180)。

賈銳男，(1986—)，博士，助理研究員。主要研究方向：電磁環(huán)境模擬及信號(hào)處理。王川川男，(1985—)，博士，助理研究員。主要研究方向：電磁環(huán)境效應(yīng)評(píng)估及盲源信號(hào)處理。