| 标题 | 一种改进的非线性脉冲噪声处理接收机及其性能仿真 |
| 范文 | 施意+鲍凯+张爽+徐松岩 摘 要： 脉冲噪声由于其冲击能量和幅度较大，会对通信系统接收机产生严重影响，为了提高通信系统接收机的性能，必须对混有脉冲噪声的接收信号进行处理，需要改进接收机。以MSK信号为例，通过对改进后的接收机性能仿真，验证了采用非线性自适应处理器改进通信接收机的可行性。 关键词： 通信接收机； 脉冲噪声； 非线性处理； 误差处理 中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 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 通信系统主要受到脉冲噪声的影响，在脉冲噪声干扰严重的情况下，系统接收机的误码率较高，无法正常接收报文，要有效提高接收机的接收性能就必须对接收机进行改进。收信时，接收到的信号是混杂了噪声干扰的MSK信号，将MSK信号从噪声干扰中提取出来的主要方法是在接收系统的滤波器前端或后端添加信号处理器。目前已经出现了许多脉冲噪声抑制方法，其中应用最广泛的主要有以下几种：带通滤波器，限幅器，非线性自适应处理器。本文使用了一种基于自适应信号处理技术的非线性自适应处理器对接收机中混有脉冲噪声的信号进行抑制处理。 1 非线性处理器设计 非线性自适应处理器的原型是自适应波形预测器，它使用两组单频正弦信号作为线性组合器的输入信号，不断地调整权向量来合成一个模拟的MSK信号。正弦信号的频率是载波的中心频，两组信号的相位差为[π2，]每一个采样时刻的输出信号都是它们的线性组合，但是需要调整权值来使输出信号逼近MSK信号。通过非线性处理器对接收信号进行自适应处理，其目的是将脉冲噪声从接收信号中去除，并尽可能地还原MSK信号的波形，减小信号失真。图1为本文非线性处理器的结构图。 图1 非线性处理器的结构图 1.1 自适应非线性组合器 自适应非线性组合器是信号处理器中的重要原件，它可以将多个输入映射为若干个输出，本文采用4个信号输入映射为2个输出的结构，如图2所示。 图2 自适应非线性组合器结构 在输入端由[x1，][x2，][x3，][x4]组成输入向量，可调权向量为[w1，][w2，]以及求和输出为[y1，][y2。]用[X]和[W]的形式可表示为： [Xk=[x1，kx2，k]T，X′k=[x3，kx4，k]T，Wk=[w1，kw2]T] （1） 式中：[T]表示向量转置；[k]为抽样时间，向量的元素均取自第[k]个抽样时间。由图所示映射关系得到输出如下： [y1，k=XTk?Wk， y2=X′kT?Wk] （2） 随着抽样时间的变化，权向量也不断进行变化： [Wk+1=Wk+ΔWk] （3） 式中：[ΔWk]为[Wk+1]与[Wk]权向量的改变量，由自适应预估值与接收机接收值的误差通过LMS运算决定[ΔWk]取值，使预估值更准确地接近MSK信号，[ΔWk]取值如下： [ΔWk=2με（k）Xk 或 ΔWk=2με（k）X′k] （4） 由[ΔWk]设置输出量[yk]的判决条件，最后得出自适应预估值： [yk=WTk?Xk，ΔWk，⊥Xk≤ΔWk，⊥X′kWTk?X′k，ΔWk，⊥Xk>ΔWk，⊥X′k] （5） 1.2 误差处理 由于接收机接收到的为混有脉冲噪声的MSK信号，与自适应非线性组合器输出的预估值之间存在误差ε，在高斯白噪声的影响下运用LMS计算可以使信号误差ε趋近于0。但当大幅度的脉冲噪声影响时，误差ε会变得非常大，达到MSK信号峰值的几倍甚至几十倍，会造成误差收敛速度缓慢，使预估的MSK信号产生失真。因此当遇到脉冲干扰时需对信号进行限幅滤波，判断信号是否受到脉冲噪声干扰还要设置判决门限。 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）。]设置一个脉冲判决门限[B，]输出为[n，]有： [n=0，s（k）>B1，s（k）≤B] （7） 用[n]与误差信号相乘得到[ε：] [ε=0，s（k）>Bε，s（k）≤B] （8） 经过误差处理后信号消除了脉冲，波形较为平滑，相位依然连续，如图3所示。 2 系统仿真及结果分析 仿真模拟在脉冲噪声干扰条件下通信系统误码率随信噪比改变的变化情况，改进后的接收机在解调前对接收信号进行非线性处理，消除脉冲噪声的影响。其结构如图4所示。 通信系统中脉冲噪声模块可设置参数SNR和[Vd]改变脉冲噪声的强度，SNR为信噪比，[Vd]为电压偏差，定义电压偏差[Vd]为： [Vd=20lg ErmsEav=20lg eσ2n2=10σ2nlge] （9） 对[Vd]的认识给出了[s2n]的值，而[Vd]的值在国际无线电咨询委员会（CCIR）报告中被估计出。 图3 消除误差后的信号波形 图4 通信系统仿真结构图 在仿真中分别设置[Vd]=2，5，10，对比在经过信号处理器和未经过信号处理器通信系统的误码率。 图5（a）中脉冲噪声的干扰强度较弱，不采用非线性处理器对接收机的误码率没有影响。当干扰增大，如图5（b）所示，采用非线性处理器的接收机误码率降低的速度明显快于不使用非线性处理器的接收机。而当脉冲噪声非常严重时，如图5（c）所示，没有非线性处理器的接收机无法有效降低误码率，有非线性处理器的接收机可以有效降低误码率。 3 结 语 改进后的通信接收机通过对接收信号进行非线性处理，在接收机解调信号前用削波法削除脉冲噪声大幅度干扰，采用自适应算法尽可能恢复通信信号。通过对系统的仿真及结果分析表明，对于通信有严重干扰的脉冲噪声，采用非线性处理器处理脉冲噪声的干扰能够有效提高系统的接收性能。 参考文献 [1] 付贞，温东，孙晓磊.削波后的甚低频大气噪声中的通信接收性能[J].电讯技术，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.无线电工程[M].北京：国防工业出版社，1973. [4] 刘玉昌，韩恩权，陈妍.基于Matlab的VFL/LF通信系统仿真[J].电讯技术，2004（5）：140?143. [5] 肖明波，杨松光，许芳.通信系统仿真原理与无线电应用[M].北京：机械工业出版社，2005. [6] Bernard Widrow， Samuel D Stearns.自适应信号处理[M].王永德，龙宪惠，译.北京：机械工业出版社，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）。]设置一个脉冲判决门限[B，]输出为[n，]有： [n=0，s（k）>B1，s（k）≤B] （7） 用[n]与误差信号相乘得到[ε：] [ε=0，s（k）>Bε，s（k）≤B] （8） 经过误差处理后信号消除了脉冲，波形较为平滑，相位依然连续，如图3所示。 2 系统仿真及结果分析 仿真模拟在脉冲噪声干扰条件下通信系统误码率随信噪比改变的变化情况，改进后的接收机在解调前对接收信号进行非线性处理，消除脉冲噪声的影响。其结构如图4所示。 通信系统中脉冲噪声模块可设置参数SNR和[Vd]改变脉冲噪声的强度，SNR为信噪比，[Vd]为电压偏差，定义电压偏差[Vd]为： [Vd=20lg ErmsEav=20lg eσ2n2=10σ2nlge] （9） 对[Vd]的认识给出了[s2n]的值，而[Vd]的值在国际无线电咨询委员会（CCIR）报告中被估计出。 图3 消除误差后的信号波形 图4 通信系统仿真结构图 在仿真中分别设置[Vd]=2，5，10，对比在经过信号处理器和未经过信号处理器通信系统的误码率。 图5（a）中脉冲噪声的干扰强度较弱，不采用非线性处理器对接收机的误码率没有影响。当干扰增大，如图5（b）所示，采用非线性处理器的接收机误码率降低的速度明显快于不使用非线性处理器的接收机。而当脉冲噪声非常严重时，如图5（c）所示，没有非线性处理器的接收机无法有效降低误码率，有非线性处理器的接收机可以有效降低误码率。 3 结 语 改进后的通信接收机通过对接收信号进行非线性处理，在接收机解调信号前用削波法削除脉冲噪声大幅度干扰，采用自适应算法尽可能恢复通信信号。通过对系统的仿真及结果分析表明，对于通信有严重干扰的脉冲噪声，采用非线性处理器处理脉冲噪声的干扰能够有效提高系统的接收性能。 参考文献 [1] 付贞，温东，孙晓磊.削波后的甚低频大气噪声中的通信接收性能[J].电讯技术，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.无线电工程[M].北京：国防工业出版社，1973. [4] 刘玉昌，韩恩权，陈妍.基于Matlab的VFL/LF通信系统仿真[J].电讯技术，2004（5）：140?143. [5] 肖明波，杨松光，许芳.通信系统仿真原理与无线电应用[M].北京：机械工业出版社，2005. [6] Bernard Widrow， Samuel D Stearns.自适应信号处理[M].王永德，龙宪惠，译.北京：机械工业出版社，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）。]设置一个脉冲判决门限[B，]输出为[n，]有： [n=0，s（k）>B1，s（k）≤B] （7） 用[n]与误差信号相乘得到[ε：] [ε=0，s（k）>Bε，s（k）≤B] （8） 经过误差处理后信号消除了脉冲，波形较为平滑，相位依然连续，如图3所示。 2 系统仿真及结果分析 仿真模拟在脉冲噪声干扰条件下通信系统误码率随信噪比改变的变化情况，改进后的接收机在解调前对接收信号进行非线性处理，消除脉冲噪声的影响。其结构如图4所示。 通信系统中脉冲噪声模块可设置参数SNR和[Vd]改变脉冲噪声的强度，SNR为信噪比，[Vd]为电压偏差，定义电压偏差[Vd]为： [Vd=20lg ErmsEav=20lg eσ2n2=10σ2nlge] （9） 对[Vd]的认识给出了[s2n]的值，而[Vd]的值在国际无线电咨询委员会（CCIR）报告中被估计出。 图3 消除误差后的信号波形 图4 通信系统仿真结构图 在仿真中分别设置[Vd]=2，5，10，对比在经过信号处理器和未经过信号处理器通信系统的误码率。 图5（a）中脉冲噪声的干扰强度较弱，不采用非线性处理器对接收机的误码率没有影响。当干扰增大，如图5（b）所示，采用非线性处理器的接收机误码率降低的速度明显快于不使用非线性处理器的接收机。而当脉冲噪声非常严重时，如图5（c）所示，没有非线性处理器的接收机无法有效降低误码率，有非线性处理器的接收机可以有效降低误码率。 3 结 语 改进后的通信接收机通过对接收信号进行非线性处理，在接收机解调信号前用削波法削除脉冲噪声大幅度干扰，采用自适应算法尽可能恢复通信信号。通过对系统的仿真及结果分析表明，对于通信有严重干扰的脉冲噪声，采用非线性处理器处理脉冲噪声的干扰能够有效提高系统的接收性能。 参考文献 [1] 付贞，温东，孙晓磊.削波后的甚低频大气噪声中的通信接收性能[J].电讯技术，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.无线电工程[M].北京：国防工业出版社，1973. [4] 刘玉昌，韩恩权，陈妍.基于Matlab的VFL/LF通信系统仿真[J].电讯技术，2004（5）：140?143. [5] 肖明波，杨松光，许芳.通信系统仿真原理与无线电应用[M].北京：机械工业出版社，2005. [6] Bernard Widrow， Samuel D Stearns.自适应信号处理[M].王永德，龙宪惠，译.北京：机械工业出版社，2008. |
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