摘要:在生产生活实践中,系统噪声的存在极大地影响和降低了通信系统的通信质量。在如今这个人们不断追求通途信质量的要求下,如何有效地消除和抑制通信系统噪声已成为当前研究的一个重要课题。
关键词:通信系统 噪声 分类 消除措施 自适应滤波技术
滤波器是一种信号处理系统,它能够过滤或抑制输入信号中的干扰信号,提取有用信号。滤波器之所以能够滤波,是因为它对不同频率的信号有不同增益,能将某些频率的信号放大,而另外的一些频率信号得到抑制。
1 通信系统中的噪声及其分类
通信系统中的噪声是一种不携带有用信息的电信号,是对有用信号以外的一切信号的统称。也可理解为通信系统中对信号有影响的所有干扰的集合。根据噪声的来源不同,可以分为:无线电噪声、工业噪声、天电噪声、内部噪声。
1.1 无线电噪声。它来源于各种用途的无线电发射机。这类噪声的频率范围很宽广,从甚低频到特高频都可能有无线电干扰存在,并且干扰的强度有时很大。但它有个特点,即干扰频率是固定的,因此可以预先设法防止。
1.2 工业噪声。它来源于各种电气设备,如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等。这类噪声的特点是干扰频谱集中于较低的频率范围,例如几十兆赫兹以内。因此,选择高于这个频段工作的信道就可以防止受到它的干扰。
1.3 天电噪声。它来源于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生这类噪声的根源,由于这类自然现象与发生的时间、季节、地区等有关系,因此受天电干扰的影响也是大小不同的。
1.4 内部噪声。它来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。例如,电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产生热噪声,电子管或晶体管等电子器件会由于电子发射不均匀等产生器件噪声。这类干扰的特点是由无数个自由电子作不规则运动所形成的,因此它的波形也是不规则变化的,在示波器上观察就像一堆杂乱无章的茅草一样,通常称之为起伏噪声。
2 通信系统应用主动噪声消除技术措施是其发展方向
噪声消除的目的可以在接收端实现。在语音通信系统中,语音信号的带宽一般限制在一定范围内,通常在4KHz以下。语音信号在从信号发送端向接收端的传输过程中,信号处理设备产生的电噪声及传输信道中电噪声频谱可能很宽。可以采用数字滤波技术,使滤波器的通频带与有用信号的频带宽度一致,从而将语音信号频带外的噪声滤除,提高接收信号信噪比。
即在传统的信号接收端音频输出后增加一个数字滤波器,通常滤波器的上、下截止频率的数值都可以调整以保证良好的效果。然而在许多情况下,噪声可能与有用信号出现在同一频带内。这时采用滤波方法不能明显提高信号质量。采用噪声消除技术,设法从接收到的同时包含有噪声和有用信号中计算噪声的特征,再从接收得到的总信号中消除噪声部分。
当前主流的控制噪声方法是:假定噪声为短时平稳随机过程,采用静音检测方法得到时域噪声信号,再采用傅立叶变换技术得到噪声以及包含噪声的信号的频域信息,在频域将两个信号相减,最后再采用傅立叶反变换恢复时域信号。这个信号即为消除了带内噪声的语音信号。噪声消除的功能也可以在发送端实现。在语音通信过程中,信号发送端空间的音频噪声会随有用信号一起向信号接收端传输。某些通信环境音频噪声可能很大。比如在高速行驶的汽车驾驶室内或者在飞机、坦克等驾驶舱内,环境噪声会严重影响通信质量。为了避免发送端的音频噪声向接收端传递,传统解决方法是被动噪声控制,即噪声隔离或者噪声吸收(或者同时采用吸收和隔离)。例如为驾驶员配置很重(隔音层厚、内置吸音材料)的头盔,同时采用方向性很强的麦克风,并使麦克风离讲话者的口部尽可能地近,以提高通信质量。被动噪声控制方法无法解决的问题在于噪声的吸收和隔离只对高频噪声效果较好,对低频噪声则几乎没有效果。而汽车、飞机、坦克等驾驶舱内,噪声的主要来源是低频的机械振动,只靠被动噪声控制无法有效提高通信质量。所以采用主动噪声消除技术,通信质量就可以大大改善。
3 采用自适应滤波器控制通信系统噪声
自适应滤波技术是在二十世纪五、六十年代发展起来的一门学科,一般认为,自适应信号处理有四方面的应用:预测、识别、干扰抵消和反向建模(inversemodelling)。如今,自适应滤波技术已广泛的应用于自适应噪声对消、语音编码、自适应网络均衡器、雷达动态目标显示、自适应天线旁瓣对消等众多领域。
3.1 自适应滤波器原理 所谓的自适应滤波,就是利用前一时刻以获得的滤波器参数的结果,自动的调节现时刻的滤波器参数,以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性,从而实现最优滤波。自适应滤波器实质上就是一种能调节其自身传输特性以达到最优的维纳滤波器。自适应滤波器不需要关于输入信号的先验知识,计算量小,特别适用于实时处理。
自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数来实现的。一般而言,自适应滤波器由两部分组成,一是滤波器结构,二是调整滤波器系数的自适应算法。
3.2 自适应滤波器在控制通信系统噪声中的应用 自适应滤波器最重要的特性是能有效地在未知环境中跟踪时变的输入信号,使输出信号达到最优。因而在电信、雷达、声纳、实时控制以及图像处理等领域都有成功的应用。自适应滤波器的形式可以是多样的,它取决于系统的输入输出结构。
3.2.1 自适应回波消除器 在电话系统中,用户设备都是双向走线,从用户到中心局间的电话网采用双线分别携带进来的话音信号和出去的话音信号。这样做,可以使导线对与中心局终端混频线圈形成桥式平衡。在实际应用中,桥式平衡很难完全满足,就使远距离谈话者的话音信号中的一部分以回波的形式返回到原端,影响话音信号的质量。
尤其是在通信这样的大型线路中,回波返回的延迟时间长达几百毫秒,对话音信号的损害就非常严重。为此,可在网络的两端安装自适应回波消除器,如图1所示。其中,x(n)为远端信号,d(n)为远端回波信号加上近端信号,y(n)为远端回波信号的估计,e(n)为近端信号和回波估计剩余。
自适应回波消除器在长距离话音通讯、高性能电话会议系统以及卫星通讯系统中已经成了必不可少的组成部分,并不断有新的应用出现。
3.2.2 自适应噪声消除器 自适应滤波器还可以用来构成自适应的噪声消除器,其结构如图2所示。
原始信号d(n)包括信号和噪声,x(n)为参考噪声输入。这种自适应滤波器,实际上是完成d(n)中的噪声估计,并把估计值y(n)与原始值信道信号相减以达到噪声消除的结果。
噪声消除器应用十分广泛,例如心电图记录仪的干扰消除,语音信号的镇噪,飞机、汽车、船舱内大量噪声的抑制,天线旁瓣干扰的消除以及消除50Hz纹波等等。
自适应滤波器的应用远远不止上面所阐述的几种。这些只是在通信中几个最常见的应用。实际上,自适应技术的应用要广泛得多。像瞬间跟踪、外来干扰检测、声音多普勒提取、在线系统识别、图像信号处理、生物医学信号处理、波束整形以及自适应控制等等。
参考文献:
[1]齐海东,张刚,王春武.《通信系统噪声的研究》[J].吉林师范大学学报(自然科学版)2008(2).