甚低頻通信大氣噪聲抑制技術綜述

甚低頻通信大氣噪聲抑制技術綜述

陳巍1劉翠海2

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

從大氣噪聲產生的原因入手，在分析大氣噪聲特性的基礎上，綜述了脈沖噪聲抑制的一般方法、中值濾波與小波分析聯合降噪處理方法和非線性自適應處理方法，指出了不同方法應用于潛艇甚低頻通信大氣噪聲抑制時的優缺點，通過分析認為采用適當的信號處理技術能夠有效提高潛艇甚低頻通信系統性能。

甚低頻通信；大氣噪聲；信號處理；噪聲抑制

Class NumberTN972

1 引言

由于甚低頻無線電通信信號具有大氣中傳播衰減較小、傳播距離遠、對海水有一定穿透能力等特性，因此，被世界各國海軍廣泛應用于遠距離對潛水下指揮通信［1］。但是，甚低頻通信信號在大氣中傳播會受到大氣噪聲的干擾。文獻［2～4］指出，在夏季雷雨高發季節，當雷電產生時，其噪聲電平的中值可達90dB～120dB。對于潛艇通信而言，如此強烈的噪聲干擾會嚴重影響潛艇甚低頻接收機接收信號的可靠性和穩定性，這就要求潛艇的接收系統不僅要具有極高的靈敏度，而且還要有很強的抗雷電脈沖干擾能力。

本文從大氣噪聲產生的原因入手，在分析大氣噪聲特性的基礎上，指出影響潛艇甚低頻通信系統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合降噪處理方法和非線性自適應處理方法，指出了不同方法應用于潛艇甚低頻通信大氣噪聲抑制時的優缺點，通過分析認為采用適當的信號處理技術能夠有效提高潛艇甚低頻通信系統性能。

2 大氣噪聲的產生及特性分析

甚低頻無線電波是沿地面和電離層D層（白天）或E層（夜間）的下界之間構成的“大氣波導”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的雷電疊加產生的脈沖型噪聲，它具有很寬闊的頻譜。其中高頻電磁分量隨著遠離閃電中心而迅速衰減，但低頻電磁分量由于它們在地-電離層波導中傳播損耗很小，能對遠離場源的接收點產生顯著影響。

圖1為于我國南海實時采集到的雷電信號的時域波形圖。從圖中可以看出，一次雷電主放電持續時間約為50μs～100μs，其間包括多次放電過程，從而會產生多個尖峰信號。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，脈沖尖峰信號趨于平穩的時間不同，表現為脈沖噪聲的寬度不一樣。

基于理論推導解析分析，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的脈沖噪聲。其中脈沖干擾主要是由于雷電產生的大電流脈沖產生引起的，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

對潛艇甚低頻通信而言，強烈的脈沖干擾導致了甚低頻通信收信端數據信息的錯誤接收，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，對抗大氣噪聲干擾的信號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、采用擴時技術等；二是中值濾波與小波分析聯合降噪處理方法；三是采用非線性自適應處理器方法。

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為是高斯白噪聲背景下混疊有脈沖噪聲，所以，通常會采用消除脈沖噪聲的一般信號處理方法。

1）帶通濾波信號處理方法

因為甚低頻大氣噪聲脈沖信號具有持續時間短，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濾除信號帶外頻率噪聲。但是帶通濾波器的局限性很大，只能濾除信號頻帶外的一部分噪聲能量。對于大量雷電疊加產生的瞬間強脈沖噪聲來說，即使是濾波后剩余的噪聲能量也足以對有用信號造成很大的干擾，而且用這種方法濾波之后會將噪聲在時域上無限展寬，使得噪聲對有用信號的影響變得更為惡劣。

2）削波信號處理方法［5］

自削波信號處理方法問世以來，由于其具有能將信號帶內脈沖噪聲的主要能量消除，而信號能量損失較小，使接收信號信噪比提高，對系統接收性能有較大改善的優勢，它始終被應用于甚低頻通信接收端的噪聲濾除。

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

3）擴時技術［6～8］

擴時技術可以看成是擴頻技術在時間和頻率之間的對偶關系，主要用于抗脈沖干擾。基于擴時技術的通信系統，對脈沖干擾的抑制能力取決于擴時碼的選擇，擴時序列非周期自相關函數的旁瓣越低，擴時后信號瞬時功率的峰值也越低［6］。由于脈沖噪聲是瞬時突發性的大幅度干擾，通過對信號進行時域展寬，減小脈沖在一個碼元周期上所占的比率，可以有效地減小噪聲對信號的影響。因此，擴時技術的采用對甚低頻大氣噪聲有一定抑制作用，可以提高系統的抑噪性能。

擴時技術是通過犧牲信號的傳輸速率來得到較好的抗干擾性，因為在時域上將信號進行了展寬，信號的傳輸速率就大大降低了。單一采用擴時技術會對帶寬有限傳輸速率較低的甚低頻通信系統造成較大的影響，所以其應用價值不高。

3.2 中值濾波與小波分析聯合降噪處理方法

小波分析是基于高斯噪聲的假設，適合對信號的局部現象進行分析。小波分析方法可以用于去噪聲與信號恢復。由于在正交小波中，正交基的選取比傳統方法更接近實際信號本身，所以通過小波變換可以更容易地分離出噪聲或其他不需要的信息，因此在降噪應用中，小波分析有著傳統方法無可比擬的優勢［9］。在實際的甚低頻通信中，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，持續時間短，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果并不理想，消噪后的信號仍然含有許多異常值。

中值濾波屬于非線性排序統計濾波方法。它通過對樣本數據分布的分析，較好地抑制了信號中的脈沖噪聲，但保留了原始數據的邊緣輪廓信息。其缺點是，對抑制線性疊加在信號中的平穩隨機噪聲的能力弱。因此，中值濾波主要應用于需要抑制脈沖噪聲且需要保留邊緣輪廓信息的信號處理中［10］。

由于中值濾波能對脈沖干擾進行有效抑制，通過中值濾波后幅值較大的異常值能夠被去除，便于進一步的小波消噪處理。文獻［11］提出利用小波降噪方法去除數據中隨機噪聲的影響；利用中值濾波來抑制小波濾波時因權值較大而無法濾除的脈沖干擾，進行組合濾波設計對數據進行預處理，提高了抑制噪聲的效果。兩種方法的聯合使用一是結合了中值濾波和小波消噪的特點，能夠消除異常值，使噪聲的幅度限制在一定的范圍內，降低甚低頻信道噪聲對原始信號的影響，并能夠很好地恢復原始信號；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 非線性自適應信號處理方法

如前所述，甚低頻信道噪聲是非平穩的時變過程，傳統的噪聲處理方法難以根據甚低頻信道特性的改變而做出實時的調整，不能實現對甚低頻信道噪聲的有效抑制［12］。因此，提出了自適應信號處理方法。

自適應信號處理是能夠根據輸入信號自動調整系統性能進行數字信號處理的方法。自適應濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，通過控制參數來使濾波器保持最佳濾波狀態，并使濾波器的特性隨信號和噪聲的變化而自動發生變化，達到最優濾波效果。自適應濾波器的特性變化是由自適應算法通過調整濾波器權系數來實現。一般情況，自適應濾波器由兩部分組成，一是濾波器結構，二是調制濾波器系數的自適應算法。自適應濾波器的結構通常采用FIR（有限長單位沖激響應濾波器）結構，對帶內噪聲的處理采用經典的LMS算法。為了達到最優的降噪效果，在LMS算法基礎上作適當調整，利用其它噪聲抑制技術，如非線性限幅器以及噪聲的自相關特性和功率譜密度特性等，才能達到最佳的降噪效果。

若潛艇甚低頻接收機在信號解調模塊之前采用自適應處理器進行信號處理，一是能夠對大氣噪聲中的尖峰脈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小（天氣晴好）時，它的抗干擾增益可以達到6dB～7dB，在脈沖成分所占比例很大（雷電交加）時，系統的抗干擾增益可達到十幾dB。二是它對輸入信號有很好的平滑作用，能夠消除一些由小幅度的脈沖而造成的波形突變。

4 結語

本文介紹了甚低頻段大氣噪聲產生的原因和傳播特性，并討論分析了對抗大氣噪聲干擾的信號處理方法，通過對大氣噪聲抑制技術的對比分析，指出了不同方法應用于潛艇甚低頻通信大氣噪聲抑制時的優缺點，分析了非線性自適應濾波技術提高通信接收機接收潛艇甚低頻信號的可行性。通過分析認為采用適當的信號處理技術能夠有效提高潛艇甚低頻通信系統性能。

［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.

［3］CCIR（1993），The Probable Cause Of A Discrepancy In The CCIR Report 322-3 Radio Noise Model，Naval Com?mand，Control and Ocean Surveillance Center（NCCOSC）RDT&E Division.2-4.

［4］CCIR（1995），Noise Variation Parameters，Technical Document 2813 June 1995，Naval Command，Control and Ocean Surveillance Center RDT&E Division.17-22.

［5］付貞，溫東，孫曉磊.削波后的甚低頻大氣噪聲中的通信接收性能［J］.電訊技術，2010，50（1）：57-60.

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［8］付貞.基于非線性處理器的甚低頻大氣噪聲抑制技術研究［D］.青島：潛艇學院，2009：21.

［9］聞傳花，鄒霞，李玉權.一種基于小波變換的無線光通信降噪算法［J］.解放軍理工大學學報（自然科學版），2005，42（4）：212-213.

［10］趙榮珍，李超，張優云.中值與小波消噪集成的轉子振動信號濾波方法研究［J］.振動與沖擊，2008，9（3）：74-76.

［11］張志鵬，王偉平，郭明威.基于小波—中值降噪的經驗模式分解及應用［J］.振動、測試與診斷，2011，31（6）：780.

［12］付天暉，蘇敏，王永斌.長波通信中的噪聲處理方法研究［J］.計算機與數字工程，2013，41（2）：171-172.

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：通信保障與效能評估。劉翠海，男，碩士，副教授，研究方向：軍事通信及仿真。