射频信号噪声抑制及在无线电定位中的应用

王昌民

渤海大学工学院



射频信号噪声抑制及在无线电定位中的应用

王昌民

渤海大学工学院

随着社会的不断进步，电子技术的不断发展，科学技术也不断得到了进步，其中典型的代表就是射频信号的进步，射频信号的涉及领域很广，日常生活中的广播，电视中都有用到射频信号技术。射频信号的主要功能就是实现了信息的传递，而且射频信号在无线信道的应用也是极其广泛的，然而噪声的存在对于射频信号而言是最大的障碍。所以抑制噪声的存在是射频信号技术中一个重大的研究课题。

射频信号 无线信道 抑制噪声

1　射频概述

射频的英文是Radio Frequency，缩写是RF，所谓的射频的含义指的是交流过程中的高频会发生变化的一种电磁波。根据相关的电子电路知识可以知道，地面会吸收电磁波，这种情况的发生是当电磁波的频率是小于100KHz的时候，反之电磁波会传播到空气中，在大气层的电离层作用下，电磁波可以传播到很远的距离，而这个所谓的电磁波进行远距离的传播过程就是所谓的射频。

随着计算机技术的发展，以及电子技术的发展，射频信号所涉及到的领域也更加的普遍，比如，在雷达系统，无线通信中，射频信号扮演着重要的角色，其中射频信号可以分为数字调制信号以及模拟调制信号，数字调制信号中现今的数字化通信中应用越来越广泛，所以关于射频信号的研究是十分有意义的。

射频信号中存在的噪声会带来传输上的误差，还会影响整个通信的过程，此外在信号的处理也会对研究的结果产生一定的影响，例如信号处理中的数字解调，无线电定位，以及识别调制方式这都跟噪声有一定的联系，所以要想实验的研究结果尽可能正确的话，进行噪声消去的工作是十分有用的，并且具有很大的实践意义和价值。

2　噪声的分类

现实中噪声的存在几乎是避无可避，噪声在信号的传输中有着很大的负作用，下面就针对噪声的来源对噪声进行了分类。

2.1工业噪声

工业噪声的来源主要是现实中的电气设备，其中包括了电源的开关，电炉，电力线等等，工业噪声不仅仅存在城市中，在农村中也是经常出现的，工业噪声的存在不分地域差异。

2.2无线电噪声

无线电噪声的来源比较主要是无线发电机，无线电噪声的频率变化范围很大，无论频率是高的还是低的情况下都有可能存在着无线电带来的噪声干扰，而且这个噪声的干扰影响程度还挺大的。无线电的噪声不同于其他的噪声，其频率范围是一定的，不可以变化，所以可以提前进行保护，无线电频率增加的过程中，最低限度地降低无线电噪声对信道内部信号的干扰，这可以从谐波的辐射，精确度几个角度上做出统一的规定。

2.3内部噪声

内部噪声的产生是由于信道自身的器件所引起的，内部噪声的形成来自于自由电子间运动的不规则性所引起的，此类噪声的波形的变化没有规律性，具有随机性，所以在数学领域中常常用随机过程进行内部噪声的分析，该内部噪声另外也被称作随机噪声。

上面的噪声的分类是根据噪声的来源进行划分的，研究噪声消除与抑制十分有必要，有现实意义。

3　射频信号噪声消除的意义

无线信道的过程中信号的传输采用的是电磁波，但是电磁波在整个传输的过程中会受到噪声的影响，而且噪声的种类很多。噪声对于信号的传递会有着重要的影响。随着射频信号的应用越来越广泛，而现实中噪声都会存在射频信号中，所以在射频信号中消除噪声的意义十分重大。其中消除噪声的方法有很多，但是每种方法都或多或少会存在着各自的优点和缺点。从现在的关于射频信号中去掉噪声的研究不是很多。

消除噪声和抑制噪声用到的技术是信号处理方面的知识，把信号中的存在的噪声去掉，把有用的信号取出来。考虑到信号的不同，产生的噪声不同，那么显示的特性也就不一样了，所以要彻底去掉噪声，以目前的技术而言还是存在着一定的难度的。

4　噪声消除与抑制的性能指标

通信中影响噪声的主要指标包括了信噪比，均方误差以及相关系数等三个方面，这几个方面可以用来评判噪声消除的性能如何，下面分别对这三个方面进行分析介绍。其中原始信号设置为x（n）=s（n）+v（n），公式中的s（n）代表的是纯净的信号，而v（n）代表的是噪声信号，而s（n）’代表的是噪声消去后的信号。

4.1信噪比

信号中的噪声量的测量方法通常采用的是信噪比，信噪比是评价噪声消除的性能好坏的一个评判的标准。国际上的定义是这样的：

根据公式的含义可以知道，如果信噪比越大，那么说明在含有噪声的信号中在消除了噪声后，去噪效果越好。下面图1-1为不同信噪比下采样率与载频的比值对结果影响图。

图1-1　不同信噪比下采样率与载频的比值对结果的影响

4.2均方误差

均方误差的定义如下所示：

公式中的N代表的是信号中采样的点数，当均方误差越小的时候，噪声去的就越多，均方差增量的公式是噪声去掉后的方差与噪声去掉之前的方差之间的比值。如果噪声去掉之后的方差比去掉之前的方差多，那么就可以说明这个去噪的过程没有成功。

4.3相关系数

把变量之间的相关程度定义成相关系数，相关系数是没有单位的。相关系数表示的是信号和信号彼此之间形成的波形方面的相似性。信号的波形相似性这在大多数的信号处理的过程中有着很大的作用，本文中讨论的相关系数也是射频信号噪声去除的一个重要的评判标准。

5　几种常规的噪声消除与抑制算法

5.1传统的滤波法

滤波器主要可以分为两种，一种是数字滤波器，另一种是模拟滤波器。随着电子技术的不断发展，数字滤波器几乎已经遍布信号处理领域，本文针对噪声消除的算法所用到的滤波器是数字滤波器。数字滤波器主要是用来处理离散的数字信号，而且数字滤波器作为一个在时间上是离散的系统，输入的信号是由时间组成的序列，输出的信号也是由时间组成的序列，

射频信号中的噪声信号如果选择了适合的滤波器的话，那么就会很容易把信号中的噪声信号消除，因为这个噪声信号跟纯净的信号相互间没有重叠，所以消除起来比较容易。频带的选择只能是带通的，因为射频信号的频带特性是带通的，所以滤波器选择的时候也只能选择带通的了。以往的带通滤波器去掉的仅仅是带外的噪声，而不能去除带内的噪声。下面图1-2为自适应滤波器结构图。

图1-2　自适应滤波器的结构

5.2小波阀值法

现实工程中发现，一般噪声信号的频率是高频的，而噪声之外的信号频率是低频的或者是稍微平稳一些的，而这些平稳的信号及低频的信号是工程中所需要的有用的信号，所以通过小波阀值的方法去除噪声的时候，一旦发现有用的信号频率也变成高频的时候，小波法就不能起到消除噪声的功效了。小波去噪的步骤如下：

5.2.1分解信号的小波

这个过程中需要选择恰当的小波基函数，通过这个小波基函数，对小波进行层数的分解，把信号进行了小波分解之后就可以获得小波的系数。

5.2.2处理高频系数的阀值

在这个过程中首先是选择阀值，这个阀值的选择需要根据量化的标准，然后把获得到的高频系数的阀值处理，阀值处理的方法可以分为四种，包括了混合型的阀值，固定的阀值，最小最大准则的阀值以及自适应的阀值等等。选择合适的阀值的过程中也有三种方法，分别改进阀值，软阀值以及硬阀值。

5.2.3重构小波信号

小波系数经过处理后，将生成的信号逆转化。

6　射频信号噪声印制及其在无线定位中的应用

射频信号在系统自动化中的应用十分广泛，射频信号的一个最大的优势就是非接触类，这个优点促使了它很难被损坏。从现今的发展水平来看，要进行识别主要涉及到了四个方面，分别是计算机系统，读写器，微型的天线以及标签等。首先是射频的干涉场的形成是通过两个锚节点实现的，锚节点中的移动可以产生除了多普勒效应外就是射频技术了，射频技术的实现原理就是运用了混频的概念，应用扩大信号把我们需要的的信息发送出去，接着雷达就会接收在信号发射过程中来自障碍所反弹的信号，另外在节点控制数据的全面性的时候需要对于不一样的地方放置不一样的测站，如果放置测站的话，在设备方面的要求就提高了，需要加入一些辅助的测试用的设备，譬如经纬仪设备，然而这个设备的添加在现实中是无法实现的，因此这个时候射频信号的引入大大改善了这种困境，由于射频信号的最大优点是非接触类，同时射频信号可以传播的距离就达到了很远，甚至跟现在的一些现有的定位系统相比较，距离也要远的多，另外除此之外射频信号还不是很容易损坏，这个定位相对于传统的定位技术在精确度方面很强。

7　结语

随着信息时代的不断发展，射频信号的应用在狠多的领域中都有涉及，在射频信号的应用当中，噪声问题一直是个大问题，噪声对于后期的研究带来了很多的困扰噪声的存在可以说是一个很难避免的问题，本文中主要讲述的是噪声的种类，在射频信号中产生的噪声如何抑制甚至消除，本文中针对噪声的消除讨论了几种算法，最后讲到了在无线定位中射频信号的应用。本文还介绍到了判决去噪声的性能影响指标，以及总结了几种抑制射频信号中的噪声的算法。

［1］ 樊信昌，张甫诩，徐炳祥等通信原理第五版北京国防工业出版社，2001

［2］ 张静.仇洪宾.吕丽萍.Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用.北京：科学出版社，2005