射頻信號噪聲抑制及在無線電定位中的應用

王昌民

渤海大學工學院

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射頻信號噪聲抑制及在無線電定位中的應用

王昌民

渤海大學工學院

隨著社會的不斷進步，電子技術的不斷發展，科學技術也不斷得到了進步，其中典型的代表就是射頻信號的進步，射頻信號的涉及領域很廣，日常生活中的廣播，電視中都有用到射頻信號技術。射頻信號的主要功能就是實現了信息的傳遞，而且射頻信號在無線信道的應用也是極其廣泛的，然而噪聲的存在對于射頻信號而言是最大的障礙。所以抑制噪聲的存在是射頻信號技術中一個重大的研究課題。

射頻信號 無線信道 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程中的高頻會發生變化的一種電磁波。根據相關的電子電路知識可以知道，地面會吸收電磁波，這種情況的發生是當電磁波的頻率是小于100KHz的時候，反之電磁波會傳播到空氣中，在大氣層的電離層作用下，電磁波可以傳播到很遠的距離，而這個所謂的電磁波進行遠距離的傳播過程就是所謂的射頻。

隨著計算機技術的發展，以及電子技術的發展，射頻信號所涉及到的領域也更加的普遍，比如，在雷達系統，無線通信中，射頻信號扮演著重要的角色，其中射頻信號可以分為數字調制信號以及模擬調制信號，數字調制信號中現今的數字化通信中應用越來越廣泛，所以關于射頻信號的研究是十分有意義的。

射頻信號中存在的噪聲會帶來傳輸上的誤差，還會影響整個通信的過程，此外在信號的處理也會對研究的結果產生一定的影響，例如信號處理中的數字解調，無線電定位，以及識別調制方式這都跟噪聲有一定的聯系，所以要想實驗的研究結果盡可能正確的話，進行噪聲消去的工作是十分有用的，并且具有很大的實踐意義和價值。

2　噪聲的分類

現實中噪聲的存在幾乎是避無可避，噪聲在信號的傳輸中有著很大的負作用，下面就針對噪聲的來源對噪聲進行了分類。

2.1工業噪聲

工業噪聲的來源主要是現實中的電氣設備，其中包括了電源的開關，電爐，電力線等等，工業噪聲不僅僅存在城市中，在農村中也是經常出現的，工業噪聲的存在不分地域差異。

2.2無線電噪聲

無線電噪聲的來源比較主要是無線發電機，無線電噪聲的頻率變化范圍很大，無論頻率是高的還是低的情況下都有可能存在著無線電帶來的噪聲干擾，而且這個噪聲的干擾影響程度還挺大的。無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，所以可以提前進行保護，無線電頻率增加的過程中，最低限度地降低無線電噪聲對信道內部信號的干擾，這可以從諧波的輻射，精確度幾個角度上做出統一的規定。

2.3內部噪聲

內部噪聲的產生是由于信道自身的器件所引起的，內部噪聲的形成來自于自由電子間運動的不規則性所引起的，此類噪聲的波形的變化沒有規律性，具有隨機性，所以在數學領域中常常用隨機過程進行內部噪聲的分析，該內部噪聲另外也被稱作隨機噪聲。

上面的噪聲的分類是根據噪聲的來源進行劃分的，研究噪聲消除與抑制十分有必要，有現實意義。

3　射頻信號噪聲消除的意義

無線信道的過程中信號的傳輸采用的是電磁波，但是電磁波在整個傳輸的過程中會受到噪聲的影響，而且噪聲的種類很多。噪聲對于信號的傳遞會有著重要的影響。隨著射頻信號的應用越來越廣泛，而現實中噪聲都會存在射頻信號中，所以在射頻信號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存在著各自的優點和缺點。從現在的關于射頻信號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是信號處理方面的知識，把信號中的存在的噪聲去掉，把有用的信號取出來。考慮到信號的不同，產生的噪聲不同，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

通信中影響噪聲的主要指標包括了信噪比，均方誤差以及相關系數等三個方面，這幾個方面可以用來評判噪聲消除的性能如何，下面分別對這三個方面進行分析介紹。其中原始信號設置為x（n）=s（n）+v（n），公式中的s（n）代表的是純凈的信號，而v（n）代表的是噪聲信號，而s（n）’代表的是噪聲消去后的信號。

4.1信噪比

信號中的噪聲量的測量方法通常采用的是信噪比，信噪比是評價噪聲消除的性能好壞的一個評判的標準。國際上的定義是這樣的：

根據公式的含義可以知道，如果信噪比越大，那么說明在含有噪聲的信號中在消除了噪聲后，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結果影響圖。

圖1-1　不同信噪比下采樣率與載頻的比值對結果的影響

4.2均方誤差

均方誤差的定義如下所示：

公式中的N代表的是信號中采樣的點數，當均方誤差越小的時候，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，那么就可以說明這個去噪的過程沒有成功。

4.3相關系數

把變量之間的相關程度定義成相關系數，相關系數是沒有單位的。相關系數表示的是信號和信號彼此之間形成的波形方面的相似性。信號的波形相似性這在大多數的信號處理的過程中有著很大的作用，本文中討論的相關系數也是射頻信號噪聲去除的一個重要的評判標準。

5　幾種常規的噪聲消除與抑制算法

5.1傳統的濾波法

濾波器主要可以分為兩種，一種是數字濾波器，另一種是模擬濾波器。隨著電子技術的不斷發展，數字濾波器幾乎已經遍布信號處理領域，本文針對噪聲消除的算法所用到的濾波器是數字濾波器。數字濾波器主要是用來處理離散的數字信號，而且數字濾波器作為一個在時間上是離散的系統，輸入的信號是由時間組成的序列，輸出的信號也是由時間組成的序列，

射頻信號中的噪聲信號如果選擇了適合的濾波器的話，那么就會很容易把信號中的噪聲信號消除，因為這個噪聲信號跟純凈的信號相互間沒有重疊，所以消除起來比較容易。頻帶的選擇只能是帶通的，因為射頻信號的頻帶特性是帶通的，所以濾波器選擇的時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，而不能去除帶內的噪聲。下面圖1-2為自適應濾波器結構圖。

圖1-2　自適應濾波器的結構

5.2小波閥值法

現實工程中發現，一般噪聲信號的頻率是高頻的，而噪聲之外的信號頻率是低頻的或者是稍微平穩一些的，而這些平穩的信號及低頻的信號是工程中所需要的有用的信號，所以通過小波閥值的方法去除噪聲的時候，一旦發現有用的信號頻率也變成高頻的時候，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分解信號的小波

這個過程中需要選擇恰當的小波基函數，通過這個小波基函數，對小波進行層數的分解，把信號進行了小波分解之后就可以獲得小波的系數。

5.2.2處理高頻系數的閥值

在這個過程中首先是選擇閥值，這個閥值的選擇需要根據量化的標準，然后把獲得到的高頻系數的閥值處理，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，最小最大準則的閥值以及自適應的閥值等等。選擇合適的閥值的過程中也有三種方法，分別改進閥值，軟閥值以及硬閥值。

5.2.3重構小波信號

小波系數經過處理后，將生成的信號逆轉化。

6　射頻信號噪聲印制及其在無線定位中的應用

射頻信號在系統自動化中的應用十分廣泛，射頻信號的一個最大的優勢就是非接觸類，這個優點促使了它很難被損壞。從現今的發展水平來看，要進行識別主要涉及到了四個方面，分別是計算機系統，讀寫器，微型的天線以及標簽等。首先是射頻的干涉場的形成是通過兩個錨節點實現的，錨節點中的移動可以產生除了多普勒效應外就是射頻技術了，射頻技術的實現原理就是運用了混頻的概念，應用擴大信號把我們需要的的信息發送出去，接著雷達就會接收在信號發射過程中來自障礙所反彈的信號，另外在節點控制數據的全面性的時候需要對于不一樣的地方放置不一樣的測站，如果放置測站的話，在設備方面的要求就提高了，需要加入一些輔助的測試用的設備，譬如經緯儀設備，然而這個設備的添加在現實中是無法實現的，因此這個時候射頻信號的引入大大改善了這種困境，由于射頻信號的最大優點是非接觸類，同時射頻信號可以傳播的距離就達到了很遠，甚至跟現在的一些現有的定位系統相比較，距離也要遠的多，另外除此之外射頻信號還不是很容易損壞，這個定位相對于傳統的定位技術在精確度方面很強。

7　結語

隨著信息時代的不斷發展，射頻信號的應用在狠多的領域中都有涉及，在射頻信號的應用當中，噪聲問題一直是個大問題，噪聲對于后期的研究帶來了很多的困擾噪聲的存在可以說是一個很難避免的問題，本文中主要講述的是噪聲的種類，在射頻信號中產生的噪聲如何抑制甚至消除，本文中針對噪聲的消除討論了幾種算法，最后講到了在無線定位中射頻信號的應用。本文還介紹到了判決去噪聲的性能影響指標，以及總結了幾種抑制射頻信號中的噪聲的算法。

［1］ 樊信昌，張甫詡，徐炳祥等通信原理第五版北京國防工業出版社，2001

［2］ 張靜.仇洪賓.呂麗萍.Kalman濾波理論及其在導航系統中的應用.北京：科學出版社，2005