自適應(yīng)噪聲譜估計抵消技術(shù)及其應(yīng)用

張?zhí)m勇，周俊成，李 冰，孫 蓉

（哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，150001哈爾濱）

自適應(yīng)噪聲譜估計抵消技術(shù)及其應(yīng)用

張?zhí)m勇，周俊成，李 冰，孫 蓉

（哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，150001哈爾濱）

為擴(kuò)大虛擬暗室EMI（electromagnetic interference，電磁干擾）測試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，提高系統(tǒng)測量精度，改善其在復(fù)雜環(huán)境下的測試效果，借助自適應(yīng)濾波及維納濾波理論對基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型建立的測試系統(tǒng)進(jìn)行分析，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的參考通道存在的設(shè)備輻射分量制約了系統(tǒng)應(yīng)用范圍，從而不能實現(xiàn)任意信噪比環(huán)境下的高精度測量.同時，提出基于譜估計的自適應(yīng)噪聲抵消模型，該模型建立的虛擬暗室系統(tǒng)通過對測試系統(tǒng)主通道信號進(jìn)行譜估計，得到設(shè)備輻射信號及噪聲信號的功率譜密度，并根據(jù)該功率譜密度對參考通道信號進(jìn)行針對性抑制，以濾除參考通道輻射信號分量，從而提高測試系統(tǒng)的適用性及精度.仿真實驗表明：該方法在高、低信噪比環(huán)境下均能準(zhǔn)確地提取設(shè)備輻射信號并準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)受試設(shè)備的輻射信號，提高了虛擬暗室系統(tǒng)對環(huán)境噪聲的抑制能力，增強(qiáng)了虛擬暗室系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性.

電磁干擾；虛擬暗室；自適應(yīng)濾波；譜估計；噪聲抵消

電磁兼容測試通常需要在開闊地或者屏蔽室中進(jìn)行，以減低或消除環(huán)境噪聲對測試測量結(jié)果的影響.考慮到自然界電磁環(huán)境復(fù)雜惡劣、屏蔽室造價昂貴、大型整機(jī)設(shè)備尺寸過大以致測試受限等因素，業(yè)界著眼于普通環(huán)境下電磁兼容測試技術(shù)的研究.美國 SARA 公司率先提出虛擬暗室 （virtual chamber）測試?yán)砟睿?］，并基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型開發(fā)出用于實際EMI測試的CASSPER系統(tǒng).但系統(tǒng)在測試測量中存在諸多缺陷，如噪聲強(qiáng)度與設(shè)備輻射信號強(qiáng)度相當(dāng)時，設(shè)備輻射信號提取效果不明顯；強(qiáng)信號環(huán)境中的噪聲提取為負(fù)值，并對設(shè)備輻射信號產(chǎn)生抑制作用，因此CASSPER系統(tǒng)不能滿足實際EMI測試要求.近幾年，虛擬暗室EMI測試的研究主要集中在復(fù)雜環(huán)境下的環(huán)境噪聲與設(shè)備輻射信號的成分組成及空間分布，實時性處理及系統(tǒng)模型搭建等方面，用以實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下任意信噪比環(huán)境下的EMI測試.

虛擬暗室測試系統(tǒng)是基于自適應(yīng)噪聲抵消模型建立起來的.其基本思想是在獲取環(huán)境噪聲和設(shè)備輻射信號的混合信號的同時，得到同一時間內(nèi)的環(huán)境噪聲，進(jìn)而借助自適應(yīng)噪聲抵消相關(guān)方法濾除環(huán)境噪聲，從而達(dá)到設(shè)備EMI提取與測試的目的.虛擬暗室EMI測試原理如圖1所示.

圖1 虛擬暗室EMI系統(tǒng)測試原理圖

系統(tǒng)接收機(jī)存在主通道、參考通道兩類信號傳感器，主通道信號傳感器距離被測設(shè)備（equipment under test，EUT）的距離為 D1，接收環(huán)境噪聲與EUT輻射信號的混合信號，參考通道信號傳感器距離EUT的距離D2，測量同一時刻的環(huán)境噪聲.兩組信號傳感器同時測量兩個地方的電磁輻射信號，并同時到達(dá)接收機(jī)進(jìn)行同步預(yù)處理，進(jìn)而利用計算機(jī)完成最終信號處理實現(xiàn)環(huán)境噪聲濾除，以實現(xiàn)EUT輻射信號提取的目的.為達(dá)到良好的測試效果，其在測量方法上要有一定約束，從測試距離的角度上講，建議 D2≥10D1（10倍距離電磁場衰減至微弱）；從測試位置的角度上看，兩類傳感器需盡量在一條直線上，天線方向也需保持一致.

另外，從信號分析及統(tǒng)計學(xué)理論上看，虛擬暗室測試技術(shù)的可靠性程度依賴于以下兩個條件的先驗程度：1）獲得環(huán)境噪聲及EUT輻射信號的空間／時間分布，確定信號傳感器測量位置的環(huán)境噪聲及EUT輻射信號自相關(guān)程度；2）分析環(huán)境噪聲與EUT輻射信號的成分組成及二者的耦合程度，確定環(huán)境噪聲與EUT輻射信號互相關(guān)程度.

為適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的EMI測試，上述兩個方面的信息獲取是十分重要的，這兩類問題可以利用盲源分離相關(guān)理論去探究［2-3］，在此不作詳述.在本論文的建模與分析中，將假定已知環(huán)境噪聲和EUT輻射信號的統(tǒng)計特性，對二者的自相關(guān)性及互相關(guān)性作定性設(shè)置，并依此建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，予以分析.

1 傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型研究

自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)的基本原理是將被噪聲污染的信號與參考信號進(jìn)行抵消運(yùn)算，從而消除帶噪信號中的噪聲［4］.其實質(zhì)上是一種能夠自動調(diào)整本身參數(shù)的特殊維納濾波器.在設(shè)計時不需要事先知道關(guān)于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計特性的知識，它能在自己工作過程中逐漸了解或估計出所需的統(tǒng)計特性，并以此為依據(jù)自動調(diào)整自己的參數(shù)以達(dá)到最佳濾波效果.基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型建立的虛擬暗室測試系統(tǒng)不對主通道及參考通道捕獲的信號進(jìn)行特殊處理，僅在測量方法上建議D2≥10D1，借助輻射信號的空間散射衰減以降低參考通道對EUT輻射信號的捕獲［5］.該模型框圖如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型原理圖

其中m（n）為EUT輻射信號，n（n）為環(huán)境噪聲，Z（z）、X（z）、E（z）分別為主通道信號 z（n）、參考通道信號 x（n）及系統(tǒng)輸出 e（n）的 z變換；A（z）、B（z）分別為輻射信號、噪聲信號串?dāng)_信道（即衰減信道）的傳遞函數(shù)，G1（z）、G2（z）分別為主通道、參考通道傳遞函數(shù)，W（z）為自適應(yīng)濾波器傳遞函數(shù).根據(jù)系統(tǒng)模型，可以得到

自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的目的是使e（n）盡量保留m（n）的同時不包含n（n）的分量.從上式可知，W＾（z）的選取對m（n）、n（n）在e（n）的保留程度都有影響.為評估這種影響，從均方最小準(zhǔn)則出發(fā)，構(gòu)造其代價函數(shù)

其中：Szx（z）為z（n）與x（n）互功率譜密度；Sxx（z）為x（n）自功率譜密度.

在m（n）與n（n）不相關(guān)的條件下，得

其中：Smm（z）為信號源的自功率譜密度；Snn（z）為噪聲源的自功率譜密度.

進(jìn)而，可求得系統(tǒng)輸出端信號源分量為

系統(tǒng)輸出端噪聲源分量為

則可得到系統(tǒng)輸出端的信噪比

而系統(tǒng)輸入端的信噪比

由式（7）、（8）可得

即基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型建立的系統(tǒng)在測試當(dāng)中，其輸出端的信噪比與EUT輻射串?dāng)_信道（即衰減信道）傳遞函數(shù)成反比，與系統(tǒng)輸入端的信噪比成反比.也就是說，在EUT輻射信號被環(huán)境噪聲淹沒的低信噪比環(huán)境當(dāng)中，測試系統(tǒng)能夠較好地提取輻射信號，而在強(qiáng)輻射信號的高信噪比環(huán)境當(dāng)中，信號提取能力將被大大削弱，可能使環(huán)境噪聲濾除失效.參考通道EUT輻射信號相對于主通道信號量的衰減量可以作為系統(tǒng)測試輸出補(bǔ)償，由于空間信道短距離衰減程度有限，以致其對整體測試效果的改善十分有限.因此，基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型建立的系統(tǒng)存在固有缺陷，在實際測試環(huán)境中的運(yùn)用是有限的.

2 譜估計自適應(yīng)噪聲抵消模型

譜估計作為信號分析的主要工具，在最優(yōu)線性濾波器設(shè)計、噪聲頻譜測量及在噪聲環(huán)境中提取有用信號等方面有著重要應(yīng)用［6］.譜估計根據(jù)信號模型的不同，可分為基于確定信號的頻譜估計和基于統(tǒng)計信號的功率譜估計.在實際測試環(huán)境中，信號多為隨機(jī)信號，不存在精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只能用其各種統(tǒng)計平均量進(jìn)行表征，因此，運(yùn)用功率譜估計進(jìn)行信號分析具有更廣泛的實際意義［7］.功率譜估計的方法很多，但缺少一種被一致認(rèn)可的譜估計質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，來認(rèn)定估計譜的最佳性，這種最佳一般認(rèn)為是估計譜與真實譜之間的誤差最小.需要指出的是，功率譜估計最優(yōu)性的爭論主要集中在分辨率大小及幅值強(qiáng)度復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確度上，而對于信號頻譜主瓣頻率點(diǎn)的計算總可以得到可信的結(jié)果［8］，據(jù)此，利用譜估計器可以得到噪聲信號的主瓣頻率點(diǎn)，并以此設(shè)計窄帶陷波器，濾除環(huán)境噪聲.

基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型建立的虛擬暗室系統(tǒng)由于對主通道或參考通道不作任何前端信號抑制處理［9］，使參考通道存在的EUT輻射信號分量參與后端的自適應(yīng)濾波過程，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)用場合受限，測量精度降低.因此，可以在系統(tǒng)信號調(diào)理端削弱或者消除參考通道EUT輻射信號，以提高系統(tǒng)對目標(biāo)信號的提取能力.需要指出的是，在此過程中需要盡可能保留參考通道環(huán)境噪聲分量.在實際測試中，環(huán)境噪聲的總和普遍認(rèn)為是白噪聲或白噪聲經(jīng)過某一模型（如AR、ARMA等）的實現(xiàn)，而EUT輻射信號被看作是周期性信號和熱噪聲的疊加［4］.基于此，利用功率譜估計相關(guān)方法對混合信號進(jìn)行分析，得到EUT輻射信號突出峰值的頻點(diǎn)或頻段，再根據(jù)所得頻率及頻段設(shè)計若干陷波器，以實現(xiàn)參考通道EUT輻射信號分量的抑制［10］，其原理如圖3所示.

圖3 譜估計自適應(yīng)噪聲抵消模型原理圖

設(shè)經(jīng)過陷波器的參考通道EUT輻射信號的殘留量為φA（z）M（z）（φ為殘留因子），則

可得，系統(tǒng)輸出中EUT輻射信號分量為

系統(tǒng)輸出中噪聲信號分量為

3 虛擬暗室測試系統(tǒng)仿真試驗驗證

仿真試驗主要考量傳統(tǒng)EMI虛擬暗室測試系統(tǒng)模型與改進(jìn)系統(tǒng)模型在高信噪比及低信噪比環(huán)境中的性能表現(xiàn)，以定性說明基于該兩種模型建立的虛擬暗室測試系統(tǒng)適應(yīng)任意信噪比測試環(huán)境的能力.實際測試環(huán)境中，EUT輻射信號多以周期性信號及熱噪聲構(gòu)成，且熱噪聲強(qiáng)度一般較低，負(fù)載于周期性信號之上［4，12］；另一方面，環(huán)境噪聲雖成分復(fù)雜，但其信號疊加結(jié)果可認(rèn)為是高斯白噪聲［8］.

綜上所述，仿真試驗中EUT輻射信號S（n）可由頻率不同的兩種正弦信號與白噪聲線性疊加生成，噪聲信號N（n）為高斯白噪聲.此外，參考通道EUT輻射串?dāng)_信號強(qiáng)度設(shè)為S（n）的1／10，主通道噪聲串?dāng)_信號通過N（n）作相關(guān)性處理得到.

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型中，自適應(yīng)濾波器基于RLS算法搭建，濾波器階數(shù)設(shè)為32階，遺忘因子設(shè)為0.99，輸入信號確定性相關(guān)函數(shù)矩陣的逆初始化為單位陣，以保證自適應(yīng)噪聲抵消模型運(yùn)行的穩(wěn)定性及濾波的高效性.譜估計器則基于Welch法進(jìn)行構(gòu)建，其輸出的估計譜為陷波器濾波中心頻率、3 dB帶寬以及截至頻帶衰減量的設(shè)置提供實時性參考.為模擬低信噪比測試環(huán)境，令

其中：φ1，φ2為獨(dú)立隨機(jī)變量；N（n）為負(fù)載白噪聲，N（n）的電平幅值設(shè)為3.5，此時系統(tǒng)輸入端信噪比SNR約為-10.14 dB.在高信噪比測試環(huán)境中，令

其中：φ1，φ2為獨(dú)立隨機(jī)變量；N（n）為負(fù)載白噪聲，N（n）的電平幅值為1.0，此時系統(tǒng)輸入端信噪比約為15.56 dB.

圖4為低信噪比條件下理想系統(tǒng)、傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型系統(tǒng)及譜估計自適應(yīng)噪聲抵消模型系統(tǒng)的輸出信號頻譜圖，圖5為高信噪比環(huán)境下系統(tǒng)的輸出信號頻譜圖.

圖4 低信噪比條件下系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果

圖5 高信噪比條件下系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果

從圖4、5可以看出，在低信噪比測試條件下，兩者的濾波輸出頻譜曲線非常相似，譜估計虛擬暗室測試系統(tǒng)模型的性能表現(xiàn)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型相當(dāng)，對環(huán)境噪聲的抑制及EUT輻射信號的提取效果均較為明顯，傳統(tǒng)虛擬暗室測試系統(tǒng)模型的輸出信噪比為 17.13 dB，譜估計系統(tǒng)模型的輸出信噪比為17.16 dB，二者沒有明顯區(qū)別；在高信噪比測試條件下，傳統(tǒng)虛擬暗室測試系統(tǒng)模型不能準(zhǔn)確有效地提取出EUT輻射信號，其衰減抑制明顯，且環(huán)境噪聲濾除效果欠佳，其系統(tǒng)輸出信噪比為9.21 dB.相比之下，改進(jìn)的測試系統(tǒng)模型能夠很好地復(fù)現(xiàn)EUT輻射信號，且對環(huán)境噪聲的抑制能力也較之突出，其系統(tǒng)輸出信噪比為21.93 dB.

鑒于實際電磁兼容性測試環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性［13-14］，高信噪比與低信噪比測試條件都是存在的，且不能事先預(yù)知.改進(jìn)的系統(tǒng)模型在兩類測試環(huán)境中都表現(xiàn)出了良好的測試性能，其具有更廣泛的適用場合和更實際的應(yīng)用價值.

4 結(jié) 論

1）在測試測量領(lǐng)域，測試結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度主要依賴于系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性、算法的完備性及測試方法的合理性.通過數(shù)學(xué)分析闡述了基于傳統(tǒng)自適應(yīng)噪聲抵消模型建立的虛擬暗室測試系統(tǒng)的固有缺陷與性能不足，并結(jié)合譜估計相關(guān)方法，提出了譜估計自適應(yīng)噪聲抵消模型，基于該模型建立的系統(tǒng)更符合復(fù)雜環(huán)境中EMI測試要求.

2）考慮到虛擬暗室測試技術(shù)的實用性要求高，下一階段將設(shè)計實測實驗以驗證譜估計自適應(yīng)噪聲抵消模型的實用性.

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（編輯 魏希柱）

Research on automatic noise spectral estimation suppression technique and its application

ZHANG Lanyong，ZHOU Juncheng，LI Bing，SUN Rong
（College of Automation，Harbin Engineering University，150001 Harbin，China）

In order to expand the application range of the virtual chamber measurement system，improve the measurement precision in actual measurement，a mathematical method of adaptive filtering and wiener filtering is used to analyze the inherent defects of the measurement system based on traditional ANS（automatic noise suppression），and point out the main factor restricted the application range and measurement precision is the existence of source signal component which is detected in the reference channel.According to the analysis result，the measurement system is rebuilt，coming up an ANS based on spectral estimation.Analyzing the mixed signal detected in the main channel，the remodeled system can get the PSD（power spectrum density）of radiation signal and noise signal.According to the frequency of the peak point in the PSD，notch filter has been designed to filter the radiation signal component captured by reference channel，then the system meets its expectation.The simulation and experiment results show that this method shows good performance in the high SNR （signal noise ratio）measurement circumstance as well as low SNR，which means that extracting the radiation signal of equipment under test exactly，high noise suppression ability and environmental adaptability of virtual chamber.

EMI；virtual chamber；adaptive filter；spectral estimation；noise suppression

TP274

A

0367-6234（2015）09-0031-05

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.09.006

2014-01-16.

國家自然科學(xué)基金（51279036）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金（20132304120015）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（HEUCFX41305）.

張?zhí)m勇（1983—），男，博士，講師.

張?zhí)m勇，zlyalf＠sina.com.