曹明勇

摘 要：海上油田通信網(wǎng)在特有的高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行，受到各種外部干擾比較大，電磁頻譜背景噪聲嚴(yán)重，影響無(wú)線通信的解調(diào)性能。將小波降噪技術(shù)引入到電力無(wú)線通信系統(tǒng)，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，在強(qiáng)噪聲背景下提取微弱信號(hào)特征，顯著提升解調(diào)信噪比和信號(hào)相關(guān)度，降低相位失真度和誤碼率，改善電力微波通信性能。計(jì)算機(jī)仿真和分析驗(yàn)證了該算法的有效性。

關(guān)鍵詞：電力通信 小波降噪 微弱信號(hào)提取 解調(diào)信噪比

中圖分類號(hào)：TN76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0052-02

Abstract：Offshore communication net system works in its special high voltage and strong electromagnetic field，seriously affected by various kinds of external interference，the background noise of EM spectrum behaves critical，which obviously weakens wireless communication demodulation performance.In this paper，the wavelet de-noising algorithm is introduced into Offshore wireless communication system，extract weak signal characteristics on the background of strong EM noise，substantially enhance the demodulation SNR and signal relevance，reduce phase distortion and bit error rate，improve power wireless communication performance.The effectiveness of the algorithm is verified by computer simulation and analysis.

Key Words：Offshore Communication；Wavelet De-Noising；Weak Signal Extraction；Demodulation SNR

海上油田通信網(wǎng)絡(luò)在特有的高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)、強(qiáng)噪聲環(huán)境下運(yùn)行，受到各種外部干擾比較大，而且不可避免會(huì)產(chǎn)生高次諧波，電磁頻譜背景干擾噪聲嚴(yán)重，降低了接收機(jī)接收信噪比，影響通信系統(tǒng)解調(diào)門(mén)限性能，誤碼率較高，使所傳話音、圖像及視頻等業(yè)務(wù)質(zhì)量變差。

小波降噪技術(shù)在很多強(qiáng)背景噪聲的場(chǎng)合都得到了廣泛的研究和應(yīng)用，在城市軌道交通系統(tǒng)，采用多種小波閾值對(duì)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)諧波信號(hào)進(jìn)行降噪，選取最優(yōu)的降噪閾值，可以明顯地降低信號(hào)中的諧波成分，處理后的波形更接近基波信號(hào)[1]。在引信時(shí)頻信號(hào)處理系統(tǒng)，引信回波受到雜波、噪聲等強(qiáng)干擾源的影響，常無(wú)法直接從回波信號(hào)中得到目標(biāo)信號(hào)的有效特征，將小波降噪算法引入引信時(shí)頻信號(hào)處理系統(tǒng)，能夠有效去除回波信號(hào)中的雜波干擾，顯著提高了引信時(shí)頻信號(hào)處理系統(tǒng)在強(qiáng)雜波、強(qiáng)噪聲背景下的性能表現(xiàn)[2]。可控整流電源主要用于向?qū)Ｓ么蠊β首詣?dòng)控制系統(tǒng)的供電，整波電路會(huì)產(chǎn)生高頻諧波，對(duì)電流調(diào)節(jié)的有效性造成危害，小波降噪通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解、閾值處理并重構(gòu)達(dá)到對(duì)信號(hào)降噪的目的，它可以抑制信號(hào)中的無(wú)用部分，恢復(fù)信號(hào)中的有用部分，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[3]。

該文針對(duì)海上油田通信系統(tǒng)中無(wú)線傳輸背景噪聲高的特點(diǎn)，研究小波包降噪技術(shù)在海上油田通信環(huán)境中的應(yīng)用，以提高信噪比，為信噪分離和強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)特征的提取提供有效支撐。

1 小波降噪原理

小波降噪就是通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，使信號(hào)中的噪聲減少甚至消除。

含有噪聲的一維信號(hào)模型表示如下[7]：

（1）

式中，為含噪信號(hào)；為有用信號(hào)；為噪聲信號(hào)。在電力通信系統(tǒng)中認(rèn)為是一個(gè)高斯白噪聲，而且頻率遠(yuǎn)大于各主要諧波頻率，在進(jìn)行降噪處理時(shí)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解，由于噪聲信號(hào)多包含在具有較高頻率的細(xì)節(jié)中，因此可以利用門(mén)限、閾值對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)即可達(dá)到降噪的目的。

對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸信號(hào)進(jìn)行小波降噪按照如下步驟進(jìn)行：

選擇合適的小波基函數(shù)。針對(duì)不同的通信信號(hào)，選取適合該類信號(hào)特征的小波基，才能取得更好的消噪效果；

信號(hào)小波分解。選擇一個(gè)小波并確定所需分解的層次，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解；

小波分解系數(shù)的閾值量化。對(duì)于每一個(gè)小波系數(shù)，選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)拈撝挡?duì)系數(shù)進(jìn)行閾值量化；

信號(hào)小波重構(gòu)。根據(jù)最低層的小波分解系數(shù)以及經(jīng)過(guò)量化處理的小波系數(shù)，進(jìn)行小波重構(gòu)。

2 小波降噪的參數(shù)選擇

2.1 小波基的選取

小波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法[8]：（1） 一個(gè)基于Remez交換算法的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該算法可以設(shè)計(jì)一個(gè)正交小波系統(tǒng)，使其具有正則性且在抑制頻帶中具有最優(yōu)切比雪夫的性質(zhì)；（2）設(shè)計(jì)小波系統(tǒng)的另一種方法是，設(shè)置一個(gè)最優(yōu)化準(zhǔn)則并且使用一個(gè)一般的約束化程序設(shè)計(jì)以存在性和正交性條件作為約束條件的h（n）。

該文主要研究的是通信MPSK復(fù)信號(hào)（8PSK/QPSk/BPSK）的去噪，所以選擇可以很好適合該類信號(hào)特征的小波基就顯得至關(guān)重要，這樣才能取得更好地消噪效果。相比其它小波基，Reverse Biorthogonal小波系中的“rbio6.8”小波基對(duì)于通信MPSK復(fù)信號(hào)有很好的去噪效果。

2.2 信號(hào)小波分解

將Mallat多分辨分析算法的正交小波分解算法推廣到小波分解算法，則得到小波分解公式：

（2）

式中系數(shù)、分別為尺度下的一個(gè)逼近函數(shù)在子空間和上的投影，小波分解不僅可以對(duì)低頻系數(shù)進(jìn)一步分解，而且可以對(duì)高頻系數(shù)同樣進(jìn)行精細(xì)分解。

2.3 小波分解系數(shù)的閾值量化

小波包降噪中，閾值的確定是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，小波全局閾值為：

（3）

（4）

為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差；為第一層高頻系數(shù)的絕對(duì)值中值；0.6745為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的調(diào)整系數(shù)；N為信號(hào)的長(zhǎng)度。

閾值函數(shù)體現(xiàn)了對(duì)小波系數(shù)的處理策略，經(jīng)典的閾值函數(shù)是Dohono提出的硬閾值和軟閾值函數(shù)，針對(duì)本項(xiàng)目采用的是軟閾值函數(shù)。

軟閾值函數(shù)表達(dá)式為：

（5）

其中，為判斷正負(fù)號(hào)的函數(shù)；為小波包分解的高頻系數(shù)；T為閾值。

2.4 信號(hào)的小波重構(gòu)

小波重構(gòu)公式：

（6）

式中系數(shù)、分別為尺度下的一個(gè)逼近函數(shù)在子空間和上的投影。

3 性能仿真與分析

3.1 降噪性能評(píng)估

該文在評(píng)價(jià)基帶通信復(fù)信號(hào)的小波降噪用了四個(gè)技術(shù)指標(biāo)：分別為降噪后的輸出信噪比（）、相位失真度（）、信號(hào)相關(guān)度（Corr）以及誤碼率（），分別如式（7）～（10）所示。

（7）

其中，X為原始信號(hào)；Y為降噪信號(hào)；為降噪信號(hào)相位與原始信號(hào)相位之差；為的平均值；為降噪信號(hào)Y的共軛；為錯(cuò)誤碼元數(shù)；為傳輸總碼元數(shù)。

3.2 性能仿真與分析

通信系統(tǒng)中采用數(shù)字微波通信，應(yīng)用MPSK調(diào)制方式。仿真模型以8PSK為例，通信系統(tǒng)中的噪聲為高斯白噪聲，選擇不同的小波基coif3、db1、rbio2.2，從降噪輸出信噪比、相位失真度、信號(hào)相關(guān)度以及誤碼率等方面，仿真分析未經(jīng)小波降噪和經(jīng)過(guò)不同的小波基降噪后的性能。

3.2.1 降噪輸出信噪比

8PSK加噪信號(hào)和經(jīng)過(guò)不同的小波基降噪后輸出信噪比曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，進(jìn)行小波降噪后的輸出信噪比要優(yōu)于未經(jīng)小波降噪的信噪比，降噪效果rbio2.2最優(yōu)，coif3次之，db1降噪效果最差。經(jīng)rbio2.2小波降噪后信噪比要提高7 dB左右。

3.2.2 相位失真度

8PSK加噪信號(hào)和經(jīng)過(guò)不同的小波基降噪后相位失真度曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，在信噪比SNR≥15dB時(shí)，未經(jīng)小波降噪和經(jīng)過(guò)小波降噪后的解調(diào)恢復(fù)的相位失真基本相同；在SNR<15 dB時(shí)，由于小波降噪后提升了解調(diào)信噪比，對(duì)信號(hào)恢復(fù)的準(zhǔn)確度提升，不同小波基的相位失真度rbio2.2

3.2.3 信號(hào)相關(guān)度

8PSK加噪信號(hào)和經(jīng)過(guò)不同的小波基降噪后信號(hào)相關(guān)度曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在信噪比SNR≥15dB時(shí)，未經(jīng)小波降噪和經(jīng)過(guò)小波降噪后的信號(hào)與原始信號(hào)的相關(guān)系數(shù)較大且接近相同，corr>0.95；在SNR<15dB時(shí)，經(jīng)過(guò)降噪后的信號(hào)可以提升與原始信號(hào)的相關(guān)度，提取恢復(fù)原始信號(hào)特征，不同小波基的信號(hào)相關(guān)度rbio2.2>coif3>db1>8PSK。

3.2.4 誤碼率

8PSK加噪信號(hào)和與未經(jīng)小波降噪的8PSK加噪信號(hào)相比，經(jīng)過(guò)小波降噪后可以提升解調(diào)誤碼率性能，不同的小波基降噪對(duì)誤碼率的提升效果不同，其中rbio2.2提升效果最好，coif3效果次之，db1改善效果最差。

4 結(jié)語(yǔ)

海上油田通信系統(tǒng)特有的高電壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電磁頻譜的背景噪聲嚴(yán)重，影響通信系統(tǒng)的解調(diào)門(mén)限，使話音、視頻等業(yè)務(wù)質(zhì)量變差。在海上油田通信系統(tǒng)中應(yīng)用小波降噪技術(shù)，在強(qiáng)噪聲背景下提取微弱信號(hào)特征，顯著提升解調(diào)信噪比和信號(hào)相關(guān)度，降低相位失真度和誤碼率，明顯改善海上油田微波通信性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛中亞，郭其一.城市軌道交通系統(tǒng)諧波的小波降噪仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（2）：939-948.

[2] 王學(xué)敏，許玉國(guó)，孫永澤，等.小波降噪在引信時(shí)頻信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2013，35（6）：18-22.