一種基于鄰值比較的信噪分離方法

劉 奇， 馮冬冬， 蔡明輝， 王 玥， 劉 曄， 蘇曉明

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)， 烏魯木齊 830011； 2.新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊830011；3.新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 烏魯木齊 830046)

射電天文觀測(cè)是被動(dòng)地接收來(lái)自距離地球十幾億甚至百億光年以外宇宙空間微弱的天體信號(hào)。射電天文望遠(yuǎn)鏡作為射電天文的主要研究工具，具有極高的系統(tǒng)靈敏度[1]。隨著無(wú)線電技術(shù)的快速發(fā)展以及國(guó)內(nèi)射電天文臺(tái)站在升級(jí)改造過(guò)程中缺乏電磁兼容設(shè)計(jì)及屏蔽方面的考慮，導(dǎo)致臺(tái)站的電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，嚴(yán)重影響射電天文觀測(cè)[2]。在電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到的無(wú)線電信號(hào)包括自然輻射、電子設(shè)備輻射、各類(lèi)無(wú)線通信業(yè)務(wù)等。根據(jù)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，首先要將頻譜噪聲和信號(hào)進(jìn)行分離，進(jìn)而對(duì)分離出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和統(tǒng)計(jì)，為射電天文臺(tái)站干擾查找及消除干擾策略提供數(shù)據(jù)支持，保護(hù)射電望遠(yuǎn)鏡的有效運(yùn)行，降低望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

信噪分離及信號(hào)檢測(cè)提取是信號(hào)處理領(lǐng)域的基本問(wèn)題，傳統(tǒng)的信號(hào)噪聲分離方法通過(guò)確定信噪分離閾值，將頻譜中各點(diǎn)幅度值與對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)，即大于閾值的頻點(diǎn)認(rèn)為是信號(hào)，小于閾值的頻點(diǎn)被認(rèn)為是背景噪聲[5]。閾值的確定分為兩種：全局閾值和局部閾值。全局閾值的分離方法在處理具有平坦背景噪聲的頻譜時(shí)有較好的信噪分離結(jié)果，但是對(duì)于背景噪聲起伏不定的頻譜，分離效果不佳。局域閾值依據(jù)不同頻段的實(shí)際情況選擇不同的閾值，閾值確定較為困難，若閾值選取不合適，將導(dǎo)致信噪分離的精確度較低。文獻(xiàn)[2]提出的基于數(shù)據(jù)擬合的方法提取干擾僅僅適應(yīng)于窄帶頻譜的信號(hào)分離，且該方法在數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，不適應(yīng)寬帶頻譜的信噪分離，更難以應(yīng)用于實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[6]提出基于紋理特征的背景噪聲提取方法，此方法沒(méi)有給出閾值選取的方法及范圍，平滑窗口的尺寸僅僅給出了一個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)值20，在實(shí)際處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，當(dāng)信號(hào)帶寬大于平滑窗口尺寸，且信號(hào)幅度較為平坦時(shí)，會(huì)將信號(hào)誤判成噪聲，降低了信噪分離的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[7]提出一種基于圖像形態(tài)學(xué)原理的信噪分離方法，采用形態(tài)學(xué)梯度實(shí)現(xiàn)信號(hào)噪聲的分離，此方法在強(qiáng)噪聲背景下，容易將噪聲誤判成信號(hào)，信噪分離準(zhǔn)確度較低。國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)建議書(shū)提出一種“20%”的統(tǒng)計(jì)方法提取頻譜背景噪聲，但是此算法只適用于窄帶頻譜，對(duì)應(yīng)寬帶頻譜的適應(yīng)性較差[8]。文獻(xiàn)[9]提出一種基于K-均值聚類(lèi)背景噪聲提取算法，該方法提取的背景噪聲為一固定值，對(duì)于起伏較大的背景噪聲適應(yīng)性較差。綜上所述，現(xiàn)有信號(hào)提取方法受頻譜噪聲起伏、帶寬等因素影響，多在某種場(chǎng)合具有較好的適應(yīng)性。

為提高電磁環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理效率，現(xiàn)針對(duì)寬帶頻譜數(shù)據(jù)樣本，研究通用型更好的高精度、快速信噪分離算法，為進(jìn)一步的實(shí)時(shí)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)信號(hào)識(shí)別與統(tǒng)計(jì)提供算法支撐。

1 頻譜特征分析

電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)產(chǎn)生大量的寬帶頻譜序列，如文獻(xiàn)[10]采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)電磁環(huán)境測(cè)量方法，單個(gè)測(cè)試方向?yàn)闇y(cè)量天線的3 dB帶寬，若天線3 dB波束寬度為60°，需要測(cè)試6次，覆蓋360°范圍。圖1給出了6個(gè)方向的實(shí)測(cè)頻譜，頻率范圍為1 000～2 800 MHz，頻點(diǎn)間隔為30 kHz，60 001個(gè)頻點(diǎn)數(shù)，頻譜特征如下：①頻譜噪聲動(dòng)態(tài)范圍較窄，這是由于臺(tái)站電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用線性平均的模式進(jìn)行掃描；②不同方向頻譜噪聲起伏趨勢(shì)一致，噪聲起伏主要由系統(tǒng)微波鏈路中器件性能決定；③頻譜噪聲隨著頻率變化存在起伏，噪聲幅度值大小不一，但相鄰噪聲幅度值變化較為平滑；④電波環(huán)境測(cè)量頻譜中干擾信號(hào)以窄帶信號(hào)為主，寬帶干擾主要為臺(tái)站外無(wú)線通信業(yè)務(wù)[11]。

圖1 電磁環(huán)境實(shí)測(cè)典型頻譜Fig.1 Measured typical spectrum of electromagnetic environment

2 信噪分離方法

2.1 方法描述

依據(jù)上述思路，信噪分離方法流程如圖2所示，采用鄰值比較的方法獲取寬帶頻譜噪聲，并對(duì)提取的頻譜噪聲進(jìn)行濾波處理，計(jì)算頻譜噪聲動(dòng)態(tài)范圍，確定信噪分離閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的提取。

圖2 方法總體流程圖Fig.1 Overall flow chart of the method

2.2 信噪分離方法

信噪分離方法步驟如下。

步驟1 獲取臺(tái)站的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的多組寬帶頻譜數(shù)據(jù)P(F[n],V[n])，其中P為二維數(shù)組，F(xiàn)為頻率，V為頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅度值，n為頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(1)

(2)

(3)

步驟4 計(jì)算頻譜噪聲初始點(diǎn)的值。

鄰值比較法中將第一個(gè)點(diǎn)默認(rèn)為噪聲點(diǎn)進(jìn)行鄰值判別，如果第一個(gè)點(diǎn)為信號(hào)點(diǎn)，將會(huì)造成提取的噪聲誤差較大，并且有信號(hào)損失。為避免這種情況的發(fā)生，采用國(guó)際電信聯(lián)盟建議書(shū)中“20%方法”[8]計(jì)算起始噪聲信號(hào)。將頻譜幅度值{V[1],V[2],V[3],…,V[n]}按從小到大升序排列，得到{S[1],S[2],S[3],…,S[n]}。取新序列中第20%點(diǎn)作為起始噪聲點(diǎn)V[0]。

步驟5 采用鄰值比較的方法提取頻譜噪聲，方法流程圖如圖3所示。詳細(xì)流程如下。

圖3 鄰值比較算法流程圖Fig.3 Flow chart of neighbor comparison algorithm

(1)起始噪聲點(diǎn)V[0]和V[1]做比較，如果|V[0]-V[1]|>deta，且V[1]>V[0]，則V[1]=V[0]。

(2)i>1，當(dāng)|V[i]-V[i+1]|>deta，如果V[i-1]-V[i+1]>deta，則V[i+1]=(V[i-1]+V[i]+V[i+1]) /3；如果V[i-1]-V[i+1]deta，則V[i+1]=(V[i-1]+V[i])/2。

(3)當(dāng)i>n時(shí)，結(jié)束鄰值比較。

步驟6 對(duì)頻譜噪聲數(shù)據(jù)P1(F[n]，V1[n])進(jìn)行平滑濾波處理，得到相應(yīng)的噪聲濾波數(shù)據(jù)P2(F[n]，V2[n])。

按照式(4)計(jì)算頻譜P2(F[n]，V2[n])中V2[l1]的數(shù)值，即

V2[l1]=(V1[1]+V1[2]+…+V1[10])/10

(4)

式(4)中：l1=1,2,…,5。

按照式(5)計(jì)算頻譜P2(F[n]，V2[n])中V2[l1]的數(shù)值，即

V2[l2]=(V1[l2-5]+V1[l2-4]+…+V1[l2]+V1[l2+1]+…+

V1[l2+5])/11

(5)

式(5)中：l2=6,7,…,n-5。

按照式(6)計(jì)算頻譜P2(F[n]，V2[n])中V2[l3]的數(shù)值，即

V2[l3]=(V1[n-9]+V1[n-8]+…+V1[n])/10

(6)

式(6)中：l3=n-4,n-3,…,n。

3 實(shí)例分析

(1)為驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行信噪分離。數(shù)據(jù)樣本為某射電天文臺(tái)站0°、60°、120°、180°、240°、360°共6個(gè)方向典型寬帶頻譜數(shù)據(jù)樣本，頻率帶寬為1 000～2 800 MHz。

(3)計(jì)算鄰值比較判別值deta為0.17。此外，按照步驟4～步驟6計(jì)算頻譜噪聲的初始點(diǎn)的值V[0]，提取寬帶頻譜噪聲，并對(duì)提取的背景噪聲進(jìn)行濾波處理。

圖4 6個(gè)方向信噪分離結(jié)果圖Fig.4 Result diagram of signal-to-noise separation in 6 directions

(5)為了進(jìn)一步驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性，采用本文方法、基于數(shù)據(jù)擬合的方法[2]、基于紋理特征的背景噪聲提取方法[6]、國(guó)際電信聯(lián)盟建議書(shū)中20%方法[8]、改進(jìn)20%方法[13]等對(duì)相同的寬帶頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪分離，并提取分離后的信號(hào)。并通過(guò)人工識(shí)別信號(hào)個(gè)數(shù)與不同方法識(shí)別信號(hào)個(gè)數(shù)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算不同方法信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率。算法準(zhǔn)確率和運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，本文方法的準(zhǔn)確率最高，且算法預(yù)算時(shí)間相對(duì)較短，能夠適用于寬帶頻譜信噪分離。

表1 不同方法準(zhǔn)確率與運(yùn)行時(shí)間Table 1 Comparison of correct recognition rates of different methods

4 結(jié)論

面向電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)寬帶頻譜序列，提出了一種高精度信噪分離方法，該方法通過(guò)應(yīng)用于實(shí)測(cè)寬帶頻譜數(shù)據(jù)樣本，并與現(xiàn)有信噪分離方法進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明，該方法信噪分離準(zhǔn)確率最高，且算法預(yù)算時(shí)間相對(duì)較短，能夠應(yīng)用于射電天文臺(tái)站實(shí)時(shí)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，提高信號(hào)識(shí)別與統(tǒng)計(jì)效率。