王昌民

渤海大學(xué)工學(xué)院

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射頻信號(hào)噪聲抑制及在無(wú)線電定位中的應(yīng)用

王昌民

渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，電子技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也不斷得到了進(jìn)步，其中典型的代表就是射頻信號(hào)的進(jìn)步，射頻信號(hào)的涉及領(lǐng)域很廣，日常生活中的廣播，電視中都有用到射頻信號(hào)技術(shù)。射頻信號(hào)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)了信息的傳遞，而且射頻信號(hào)在無(wú)線信道的應(yīng)用也是極其廣泛的，然而噪聲的存在對(duì)于射頻信號(hào)而言是最大的障礙。所以抑制噪聲的存在是射頻信號(hào)技術(shù)中一個(gè)重大的研究課題。

射頻信號(hào) 無(wú)線信道 抑制噪聲

1　射頻概述

射頻的英文是Radio Frequency，縮寫是RF，所謂的射頻的含義指的是交流過(guò)程中的高頻會(huì)發(fā)生變化的一種電磁波。根據(jù)相關(guān)的電子電路知識(shí)可以知道，地面會(huì)吸收電磁波，這種情況的發(fā)生是當(dāng)電磁波的頻率是小于100KHz的時(shí)候，反之電磁波會(huì)傳播到空氣中，在大氣層的電離層作用下，電磁波可以傳播到很遠(yuǎn)的距離，而這個(gè)所謂的電磁波進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳播過(guò)程就是所謂的射頻。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及電子技術(shù)的發(fā)展，射頻信號(hào)所涉及到的領(lǐng)域也更加的普遍，比如，在雷達(dá)系統(tǒng)，無(wú)線通信中，射頻信號(hào)扮演著重要的角色，其中射頻信號(hào)可以分為數(shù)字調(diào)制信號(hào)以及模擬調(diào)制信號(hào)，數(shù)字調(diào)制信號(hào)中現(xiàn)今的數(shù)字化通信中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所以關(guān)于射頻信號(hào)的研究是十分有意義的。

射頻信號(hào)中存在的噪聲會(huì)帶來(lái)傳輸上的誤差，還會(huì)影響整個(gè)通信的過(guò)程，此外在信號(hào)的處理也會(huì)對(duì)研究的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，例如信號(hào)處理中的數(shù)字解調(diào)，無(wú)線電定位，以及識(shí)別調(diào)制方式這都跟噪聲有一定的聯(lián)系，所以要想實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果盡可能正確的話，進(jìn)行噪聲消去的工作是十分有用的，并且具有很大的實(shí)踐意義和價(jià)值。

2　噪聲的分類

現(xiàn)實(shí)中噪聲的存在幾乎是避無(wú)可避，噪聲在信號(hào)的傳輸中有著很大的負(fù)作用，下面就針對(duì)噪聲的來(lái)源對(duì)噪聲進(jìn)行了分類。

2.1工業(yè)噪聲

工業(yè)噪聲的來(lái)源主要是現(xiàn)實(shí)中的電氣設(shè)備，其中包括了電源的開關(guān)，電爐，電力線等等，工業(yè)噪聲不僅僅存在城市中，在農(nóng)村中也是經(jīng)常出現(xiàn)的，工業(yè)噪聲的存在不分地域差異。

2.2無(wú)線電噪聲

無(wú)線電噪聲的來(lái)源比較主要是無(wú)線發(fā)電機(jī)，無(wú)線電噪聲的頻率變化范圍很大，無(wú)論頻率是高的還是低的情況下都有可能存在著無(wú)線電帶來(lái)的噪聲干擾，而且這個(gè)噪聲的干擾影響程度還挺大的。無(wú)線電的噪聲不同于其他的噪聲，其頻率范圍是一定的，不可以變化，所以可以提前進(jìn)行保護(hù)，無(wú)線電頻率增加的過(guò)程中，最低限度地降低無(wú)線電噪聲對(duì)信道內(nèi)部信號(hào)的干擾，這可以從諧波的輻射，精確度幾個(gè)角度上做出統(tǒng)一的規(guī)定。

2.3內(nèi)部噪聲

內(nèi)部噪聲的產(chǎn)生是由于信道自身的器件所引起的，內(nèi)部噪聲的形成來(lái)自于自由電子間運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性所引起的，此類噪聲的波形的變化沒(méi)有規(guī)律性，具有隨機(jī)性，所以在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中常常用隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行內(nèi)部噪聲的分析，該內(nèi)部噪聲另外也被稱作隨機(jī)噪聲。

上面的噪聲的分類是根據(jù)噪聲的來(lái)源進(jìn)行劃分的，研究噪聲消除與抑制十分有必要，有現(xiàn)實(shí)意義。

3　射頻信號(hào)噪聲消除的意義

無(wú)線信道的過(guò)程中信號(hào)的傳輸采用的是電磁波，但是電磁波在整個(gè)傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到噪聲的影響，而且噪聲的種類很多。噪聲對(duì)于信號(hào)的傳遞會(huì)有著重要的影響。隨著射頻信號(hào)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而現(xiàn)實(shí)中噪聲都會(huì)存在射頻信號(hào)中，所以在射頻信號(hào)中消除噪聲的意義十分重大。其中消除噪聲的方法有很多，但是每種方法都或多或少會(huì)存在著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從現(xiàn)在的關(guān)于射頻信號(hào)中去掉噪聲的研究不是很多。

消除噪聲和抑制噪聲用到的技術(shù)是信號(hào)處理方面的知識(shí)，把信號(hào)中的存在的噪聲去掉，把有用的信號(hào)取出來(lái)?？紤]到信號(hào)的不同，產(chǎn)生的噪聲不同，那么顯示的特性也就不一樣了，所以要徹底去掉噪聲，以目前的技術(shù)而言還是存在著一定的難度的。

4　噪聲消除與抑制的性能指標(biāo)

通信中影響噪聲的主要指標(biāo)包括了信噪比，均方誤差以及相關(guān)系數(shù)等三個(gè)方面，這幾個(gè)方面可以用來(lái)評(píng)判噪聲消除的性能如何，下面分別對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行分析介紹。其中原始信號(hào)設(shè)置為x（n）=s（n）+v（n），公式中的s（n）代表的是純凈的信號(hào)，而v（n）代表的是噪聲信號(hào)，而s（n）’代表的是噪聲消去后的信號(hào)。

4.1信噪比

信號(hào)中的噪聲量的測(cè)量方法通常采用的是信噪比，信噪比是評(píng)價(jià)噪聲消除的性能好壞的一個(gè)評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上的定義是這樣的：

根據(jù)公式的含義可以知道，如果信噪比越大，那么說(shuō)明在含有噪聲的信號(hào)中在消除了噪聲后，去噪效果越好。下面圖1-1為不同信噪比下采樣率與載頻的比值對(duì)結(jié)果影響圖。

圖1-1　不同信噪比下采樣率與載頻的比值對(duì)結(jié)果的影響

4.2均方誤差

均方誤差的定義如下所示：

公式中的N代表的是信號(hào)中采樣的點(diǎn)數(shù)，當(dāng)均方誤差越小的時(shí)候，噪聲去的就越多，均方差增量的公式是噪聲去掉后的方差與噪聲去掉之前的方差之間的比值。如果噪聲去掉之后的方差比去掉之前的方差多，那么就可以說(shuō)明這個(gè)去噪的過(guò)程沒(méi)有成功。

4.3相關(guān)系數(shù)

把變量之間的相關(guān)程度定義成相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)是沒(méi)有單位的。相關(guān)系數(shù)表示的是信號(hào)和信號(hào)彼此之間形成的波形方面的相似性。信號(hào)的波形相似性這在大多數(shù)的信號(hào)處理的過(guò)程中有著很大的作用，本文中討論的相關(guān)系數(shù)也是射頻信號(hào)噪聲去除的一個(gè)重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

5　幾種常規(guī)的噪聲消除與抑制算法

5.1傳統(tǒng)的濾波法

濾波器主要可以分為兩種，一種是數(shù)字濾波器，另一種是模擬濾波器。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字濾波器幾乎已經(jīng)遍布信號(hào)處理領(lǐng)域，本文針對(duì)噪聲消除的算法所用到的濾波器是數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器主要是用來(lái)處理離散的數(shù)字信號(hào)，而且數(shù)字濾波器作為一個(gè)在時(shí)間上是離散的系統(tǒng)，輸入的信號(hào)是由時(shí)間組成的序列，輸出的信號(hào)也是由時(shí)間組成的序列，

射頻信號(hào)中的噪聲信號(hào)如果選擇了適合的濾波器的話，那么就會(huì)很容易把信號(hào)中的噪聲信號(hào)消除，因?yàn)檫@個(gè)噪聲信號(hào)跟純凈的信號(hào)相互間沒(méi)有重疊，所以消除起來(lái)比較容易。頻帶的選擇只能是帶通的，因?yàn)樯漕l信號(hào)的頻帶特性是帶通的，所以濾波器選擇的時(shí)候也只能選擇帶通的了。以往的帶通濾波器去掉的僅僅是帶外的噪聲，而不能去除帶內(nèi)的噪聲。下面圖1-2為自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖。

圖1-2　自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)

5.2小波閥值法

現(xiàn)實(shí)工程中發(fā)現(xiàn)，一般噪聲信號(hào)的頻率是高頻的，而噪聲之外的信號(hào)頻率是低頻的或者是稍微平穩(wěn)一些的，而這些平穩(wěn)的信號(hào)及低頻的信號(hào)是工程中所需要的有用的信號(hào)，所以通過(guò)小波閥值的方法去除噪聲的時(shí)候，一旦發(fā)現(xiàn)有用的信號(hào)頻率也變成高頻的時(shí)候，小波法就不能起到消除噪聲的功效了。小波去噪的步驟如下：

5.2.1分解信號(hào)的小波

這個(gè)過(guò)程中需要選擇恰當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)，通過(guò)這個(gè)小波基函數(shù)，對(duì)小波進(jìn)行層數(shù)的分解，把信號(hào)進(jìn)行了小波分解之后就可以獲得小波的系數(shù)。

5.2.2處理高頻系數(shù)的閥值

在這個(gè)過(guò)程中首先是選擇閥值，這個(gè)閥值的選擇需要根據(jù)量化的標(biāo)準(zhǔn)，然后把獲得到的高頻系數(shù)的閥值處理，閥值處理的方法可以分為四種，包括了混合型的閥值，固定的閥值，最小最大準(zhǔn)則的閥值以及自適應(yīng)的閥值等等。選擇合適的閥值的過(guò)程中也有三種方法，分別改進(jìn)閥值，軟閥值以及硬閥值。

5.2.3重構(gòu)小波信號(hào)

小波系數(shù)經(jīng)過(guò)處理后，將生成的信號(hào)逆轉(zhuǎn)化。

6　射頻信號(hào)噪聲印制及其在無(wú)線定位中的應(yīng)用

射頻信號(hào)在系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用十分廣泛，射頻信號(hào)的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)就是非接觸類，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)促使了它很難被損壞。從現(xiàn)今的發(fā)展水平來(lái)看，要進(jìn)行識(shí)別主要涉及到了四個(gè)方面，分別是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，讀寫器，微型的天線以及標(biāo)簽等。首先是射頻的干涉場(chǎng)的形成是通過(guò)兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，錨節(jié)點(diǎn)中的移動(dòng)可以產(chǎn)生除了多普勒效應(yīng)外就是射頻技術(shù)了，射頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理就是運(yùn)用了混頻的概念，應(yīng)用擴(kuò)大信號(hào)把我們需要的的信息發(fā)送出去，接著雷達(dá)就會(huì)接收在信號(hào)發(fā)射過(guò)程中來(lái)自障礙所反彈的信號(hào)，另外在節(jié)點(diǎn)控制數(shù)據(jù)的全面性的時(shí)候需要對(duì)于不一樣的地方放置不一樣的測(cè)站，如果放置測(cè)站的話，在設(shè)備方面的要求就提高了，需要加入一些輔助的測(cè)試用的設(shè)備，譬如經(jīng)緯儀設(shè)備，然而這個(gè)設(shè)備的添加在現(xiàn)實(shí)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此這個(gè)時(shí)候射頻信號(hào)的引入大大改善了這種困境，由于射頻信號(hào)的最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸類，同時(shí)射頻信號(hào)可以傳播的距離就達(dá)到了很遠(yuǎn)，甚至跟現(xiàn)在的一些現(xiàn)有的定位系統(tǒng)相比較，距離也要遠(yuǎn)的多，另外除此之外射頻信號(hào)還不是很容易損壞，這個(gè)定位相對(duì)于傳統(tǒng)的定位技術(shù)在精確度方面很強(qiáng)。

7　結(jié)語(yǔ)

隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展，射頻信號(hào)的應(yīng)用在狠多的領(lǐng)域中都有涉及，在射頻信號(hào)的應(yīng)用當(dāng)中，噪聲問(wèn)題一直是個(gè)大問(wèn)題，噪聲對(duì)于后期的研究帶來(lái)了很多的困擾噪聲的存在可以說(shuō)是一個(gè)很難避免的問(wèn)題，本文中主要講述的是噪聲的種類，在射頻信號(hào)中產(chǎn)生的噪聲如何抑制甚至消除，本文中針對(duì)噪聲的消除討論了幾種算法，最后講到了在無(wú)線定位中射頻信號(hào)的應(yīng)用。本文還介紹到了判決去噪聲的性能影響指標(biāo)，以及總結(jié)了幾種抑制射頻信號(hào)中的噪聲的算法。

［1］ 樊信昌，張甫詡，徐炳祥等通信原理第五版北京國(guó)防工業(yè)出版社，2001

［2］ 張靜.仇洪賓.呂麗萍.Kalman濾波理論及其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2005