甚低頻通信大氣噪聲抑制技術(shù)綜述

陳巍1劉翠海2

（1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì)青島266199）（2.海軍潛艇學(xué)院航海觀通系青島266199）

從大氣噪聲產(chǎn)生的原因入手，在分析大氣噪聲特性的基礎(chǔ)上，綜述了脈沖噪聲抑制的一般方法、中值濾波與小波分析聯(lián)合降噪處理方法和非線性自適應(yīng)處理方法，指出了不同方法應(yīng)用于潛艇甚低頻通信大氣噪聲抑制時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析認(rèn)為采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)能夠有效提高潛艇甚低頻通信系統(tǒng)性能。

甚低頻通信；大氣噪聲；信號(hào)處理；噪聲抑制

Class NumberTN972

1 引言

由于甚低頻無(wú)線電通信信號(hào)具有大氣中傳播衰減較小、傳播距離遠(yuǎn)、對(duì)海水有一定穿透能力等特性，因此，被世界各國(guó)海軍廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離對(duì)潛水下指揮通信［1］。但是，甚低頻通信信號(hào)在大氣中傳播會(huì)受到大氣噪聲的干擾。文獻(xiàn)［2～4］指出，在夏季雷雨高發(fā)季節(jié)，當(dāng)雷電產(chǎn)生時(shí)，其噪聲電平的中值可達(dá)90dB～120dB。對(duì)于潛艇通信而言，如此強(qiáng)烈的噪聲干擾會(huì)嚴(yán)重影響潛艇甚低頻接收機(jī)接收信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性，這就要求潛艇的接收系統(tǒng)不僅要具有極高的靈敏度，而且還要有很強(qiáng)的抗雷電脈沖干擾能力。

本文從大氣噪聲產(chǎn)生的原因入手，在分析大氣噪聲特性的基礎(chǔ)上，指出影響潛艇甚低頻通信系統(tǒng)性能的主要因素是大氣噪聲中的脈沖干擾，為了有效克服大氣噪聲影響，本文綜述了脈沖噪聲抑制的一般方法、中值濾波與小波分析聯(lián)合降噪處理方法和非線性自適應(yīng)處理方法，指出了不同方法應(yīng)用于潛艇甚低頻通信大氣噪聲抑制時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析認(rèn)為采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)能夠有效提高潛艇甚低頻通信系統(tǒng)性能。

2 大氣噪聲的產(chǎn)生及特性分析

甚低頻無(wú)線電波是沿地面和電離層D層（白天）或E層（夜間）的下界之間構(gòu)成的“大氣波導(dǎo)”中傳播［1］。甚低頻通信的主要噪聲源是以雷電為主要起因的大氣噪聲，它的主要成分是遍布全球活動(dòng)的雷電疊加產(chǎn)生的脈沖型噪聲，它具有很寬闊的頻譜。其中高頻電磁分量隨著遠(yuǎn)離閃電中心而迅速衰減，但低頻電磁分量由于它們?cè)诘?電離層波導(dǎo)中傳播損耗很小，能對(duì)遠(yuǎn)離場(chǎng)源的接收點(diǎn)產(chǎn)生顯著影響。

圖1為于我國(guó)南海實(shí)時(shí)采集到的雷電信號(hào)的時(shí)域波形圖。從圖中可以看出，一次雷電主放電持續(xù)時(shí)間約為50μs～100μs，其間包括多次放電過(guò)程，從而會(huì)產(chǎn)生多個(gè)尖峰信號(hào)。每次閃電，其放電電流的峰值大約在幾千安培或幾百千安培的范圍，脈沖尖峰信號(hào)趨于平穩(wěn)的時(shí)間不同，表現(xiàn)為脈沖噪聲的寬度不一樣。

基于理論推導(dǎo)解析分析，大氣噪聲可描述為低幅度的高斯分布背景噪聲疊加上大幅度突發(fā)的脈沖噪聲。其中脈沖干擾主要是由于雷電產(chǎn)生的大電流脈沖產(chǎn)生引起的，噪聲能量主要集中在脈沖成分中。

3 甚低頻通信大氣噪聲抑制技術(shù)

對(duì)潛艇甚低頻通信而言，強(qiáng)烈的脈沖干擾導(dǎo)致了甚低頻通信收信端數(shù)據(jù)信息的錯(cuò)誤接收，因此，大氣噪聲抑制就成了甚低頻可靠收信首選的降噪措施。

目前，對(duì)抗大氣噪聲干擾的信號(hào)處理方法主要有三大類：一是脈沖噪聲抑制的一般方法，如帶通濾波器、非線性削波器、采用擴(kuò)時(shí)技術(shù)等；二是中值濾波與小波分析聯(lián)合降噪處理方法；三是采用非線性自適應(yīng)處理器方法。

3.1 脈沖噪聲抑制一般方法

由于甚低頻通信信道中的大氣噪聲可以認(rèn)為是高斯白噪聲背景下混疊有脈沖噪聲，所以，通常會(huì)采用消除脈沖噪聲的一般信號(hào)處理方法。

1）帶通濾波信號(hào)處理方法

因?yàn)樯醯皖l大氣噪聲脈沖信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短，頻譜極寬的特性，最初抑制脈沖噪聲的方法是采用帶通濾波器來(lái)濾除信號(hào)帶外頻率噪聲。但是帶通濾波器的局限性很大，只能濾除信號(hào)頻帶外的一部分噪聲能量。對(duì)于大量雷電疊加產(chǎn)生的瞬間強(qiáng)脈沖噪聲來(lái)說(shuō)，即使是濾波后剩余的噪聲能量也足以對(duì)有用信號(hào)造成很大的干擾，而且用這種方法濾波之后會(huì)將噪聲在時(shí)域上無(wú)限展寬，使得噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響變得更為惡劣。

2）削波信號(hào)處理方法［5］

自削波信號(hào)處理方法問(wèn)世以來(lái)，由于其具有能將信號(hào)帶內(nèi)脈沖噪聲的主要能量消除，而信號(hào)能量損失較小，使接收信號(hào)信噪比提高，對(duì)系統(tǒng)接收性能有較大改善的優(yōu)勢(shì)，它始終被應(yīng)用于甚低頻通信接收端的噪聲濾除。

然而，削波處理對(duì)信號(hào)波形有破壞作用，不利于對(duì)信號(hào)的解調(diào)以及最終對(duì)誤碼率的控制；而且削波電平隨大氣噪聲強(qiáng)度增加而增加，抑制大氣噪聲性能也越劣化，在大氣噪聲惡劣環(huán)境下難以獲得較好的收信性能。

3）擴(kuò)時(shí)技術(shù)［6～8］

擴(kuò)時(shí)技術(shù)可以看成是擴(kuò)頻技術(shù)在時(shí)間和頻率之間的對(duì)偶關(guān)系，主要用于抗脈沖干擾?；跀U(kuò)時(shí)技術(shù)的通信系統(tǒng)，對(duì)脈沖干擾的抑制能力取決于擴(kuò)時(shí)碼的選擇，擴(kuò)時(shí)序列非周期自相關(guān)函數(shù)的旁瓣越低，擴(kuò)時(shí)后信號(hào)瞬時(shí)功率的峰值也越低［6］。由于脈沖噪聲是瞬時(shí)突發(fā)性的大幅度干擾，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域展寬，減小脈沖在一個(gè)碼元周期上所占的比率，可以有效地減小噪聲對(duì)信號(hào)的影響。因此，擴(kuò)時(shí)技術(shù)的采用對(duì)甚低頻大氣噪聲有一定抑制作用，可以提高系統(tǒng)的抑噪性能。

擴(kuò)時(shí)技術(shù)是通過(guò)犧牲信號(hào)的傳輸速率來(lái)得到較好的抗干擾性，因?yàn)樵跁r(shí)域上將信號(hào)進(jìn)行了展寬，信號(hào)的傳輸速率就大大降低了。單一采用擴(kuò)時(shí)技術(shù)會(huì)對(duì)帶寬有限傳輸速率較低的甚低頻通信系統(tǒng)造成較大的影響，所以其應(yīng)用價(jià)值不高。

3.2 中值濾波與小波分析聯(lián)合降噪處理方法

小波分析是基于高斯噪聲的假設(shè)，適合對(duì)信號(hào)的局部現(xiàn)象進(jìn)行分析。小波分析方法可以用于去噪聲與信號(hào)恢復(fù)。由于在正交小波中，正交基的選取比傳統(tǒng)方法更接近實(shí)際信號(hào)本身，所以通過(guò)小波變換可以更容易地分離出噪聲或其他不需要的信息，因此在降噪應(yīng)用中，小波分析有著傳統(tǒng)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)［9］。在實(shí)際的甚低頻通信中，由于大氣噪聲主要是高斯白噪聲背景下的脈沖噪聲，而高斯白噪聲是由分布在世界范圍內(nèi)的大量雷暴形成的脈沖疊加而成，脈沖噪聲是由閃電電磁脈沖疊加而成，脈沖能量極強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，噪聲能量主要集中在脈沖成分中，因此，因此利用小波消噪的結(jié)果并不理想，消噪后的信號(hào)仍然含有許多異常值。

中值濾波屬于非線性排序統(tǒng)計(jì)濾波方法。它通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)分布的分析，較好地抑制了信號(hào)中的脈沖噪聲，但保留了原始數(shù)據(jù)的邊緣輪廓信息。其缺點(diǎn)是，對(duì)抑制線性疊加在信號(hào)中的平穩(wěn)隨機(jī)噪聲的能力弱。因此，中值濾波主要應(yīng)用于需要抑制脈沖噪聲且需要保留邊緣輪廓信息的信號(hào)處理中［10］。

由于中值濾波能對(duì)脈沖干擾進(jìn)行有效抑制，通過(guò)中值濾波后幅值較大的異常值能夠被去除，便于進(jìn)一步的小波消噪處理。文獻(xiàn)［11］提出利用小波降噪方法去除數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲的影響；利用中值濾波來(lái)抑制小波濾波時(shí)因權(quán)值較大而無(wú)法濾除的脈沖干擾，進(jìn)行組合濾波設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高了抑制噪聲的效果。兩種方法的聯(lián)合使用一是結(jié)合了中值濾波和小波消噪的特點(diǎn)，能夠消除異常值，使噪聲的幅度限制在一定的范圍內(nèi)，降低甚低頻信道噪聲對(duì)原始信號(hào)的影響，并能夠很好地恢復(fù)原始信號(hào)；二是使用該方法在不同的信噪比下有幾乎相同的消噪效果，顯示了該方法具有較好的魯棒性。

3.3 非線性自適應(yīng)信號(hào)處理方法

如前所述，甚低頻信道噪聲是非平穩(wěn)的時(shí)變過(guò)程，傳統(tǒng)的噪聲處理方法難以根據(jù)甚低頻信道特性的改變而做出實(shí)時(shí)的調(diào)整，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)甚低頻信道噪聲的有效抑制［12］。因此，提出了自適應(yīng)信號(hào)處理方法。

自適應(yīng)信號(hào)處理是能夠根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)性能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的方法。自適應(yīng)濾波器具有跟蹤信號(hào)和噪聲變化的能力，通過(guò)控制參數(shù)來(lái)使濾波器保持最佳濾波狀態(tài)，并使濾波器的特性隨信號(hào)和噪聲的變化而自動(dòng)發(fā)生變化，達(dá)到最優(yōu)濾波效果。自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過(guò)調(diào)整濾波器權(quán)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況，自適應(yīng)濾波器由兩部分組成，一是濾波器結(jié)構(gòu)，二是調(diào)制濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)通常采用FIR（有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器）結(jié)構(gòu)，對(duì)帶內(nèi)噪聲的處理采用經(jīng)典的LMS算法。為了達(dá)到最優(yōu)的降噪效果，在LMS算法基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整，利用其它噪聲抑制技術(shù)，如非線性限幅器以及噪聲的自相關(guān)特性和功率譜密度特性等，才能達(dá)到最佳的降噪效果。

若潛艇甚低頻接收機(jī)在信號(hào)解調(diào)模塊之前采用自適應(yīng)處理器進(jìn)行信號(hào)處理，一是能夠?qū)Υ髿庠肼曋械募夥迕}沖具有明顯的抑制效果。在大氣噪聲的脈沖成分所占比例較?。ㄌ鞖馇绾茫r(shí)，它的抗干擾增益可以達(dá)到6dB～7dB，在脈沖成分所占比例很大（雷電交加）時(shí)，系統(tǒng)的抗干擾增益可達(dá)到十幾dB。二是它對(duì)輸入信號(hào)有很好的平滑作用，能夠消除一些由小幅度的脈沖而造成的波形突變。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了甚低頻段大氣噪聲產(chǎn)生的原因和傳播特性，并討論分析了對(duì)抗大氣噪聲干擾的信號(hào)處理方法，通過(guò)對(duì)大氣噪聲抑制技術(shù)的對(duì)比分析，指出了不同方法應(yīng)用于潛艇甚低頻通信大氣噪聲抑制時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了非線性自適應(yīng)濾波技術(shù)提高通信接收機(jī)接收潛艇甚低頻信號(hào)的可行性。通過(guò)分析認(rèn)為采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)能夠有效提高潛艇甚低頻通信系統(tǒng)性能。

［1］劉翠海，溫東，史偉.潛艇通信［M］.北京：海潮出版社，2013：51-52.

［2］CCIR（1982），Worldwide minimum external noise levels，0.1 Hz to 100 GHz，Tech.Rep.670，International Tele?communication Union.69-80.

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Survey of Atmospheric Noise Control Technology for Very Low Frequency（VLF）Communication

CHEN Wei1LIU Cuihai2
（1.Graduate Student Brigade，Naval Submarine Academy，Qingdao266199）（2.Navigation&Observe Communication Department，Naval Submarine Academy，Qingdao266199）

Commence from the reason of atmosphere noise creation，on the foundation of analytical atmosphere noise character?istic，the general method of impulsive noise control，median filter and wavelet analysis treatment method of unite control noise and nonlinear adaptive processing method are presented，and the advantages and disadvantages about different methods for applying sub?marine VLF communication atmospheric noise control are pointed out.The analysis proves that appropriate signal processing tech?nology can effectively improve the performance of submarine VLF communication system.

VLF communication，atmospheric noise，signal processing，noise control

TN972

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.003

2017年2月10日，

2017年3月23日

陳巍，男，碩士研究生，研究方向：通信保障與效能評(píng)估。劉翠海，男，碩士，副教授，研究方向：軍事通信及仿真。