基于非線性隨機共振的弱信號檢測理論研究.pdf

1、隨著無線通信設備數(shù)量日益龐大、信號調(diào)制方式更加復雜多樣、無線頻譜日益擁擠和重疊，無線通信系統(tǒng)的背景噪聲與干擾顯著提高，導致接收信號常常被淹沒在強背景噪聲中從而呈現(xiàn)出低信噪比的特點。這些因素將對無線通信系統(tǒng)在軍事以及民用領域的應用產(chǎn)生極其惡劣的影響，嚴重的情況下會導致通信線路的中斷，無線通信系統(tǒng)接收端的微弱信號檢測正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，如何提升低信噪比條件下的微弱信號檢測性能成為當前無線通信系統(tǒng)中亟需解決的關(guān)鍵問題。
　　目前，

2、傳統(tǒng)的微弱信號檢測方法通常是在線性系統(tǒng)框架下采用線性信號處理的方法，核心思想都是通過抑制噪聲來提高微弱信號檢測的性能，這些方法面臨以下問題:
　　1、抑制噪聲的同時，被測信號也受到抑制或損失，而且在強背景噪聲條件下，經(jīng)過線性處理后的信號仍然不能滿足檢測靈敏度的要求，很難對被測信號進行有效地提取;
　　2、線性系統(tǒng)本身也是產(chǎn)生噪聲的源，在整個信號處理過程中，涉及的系統(tǒng)越多，產(chǎn)生額外噪聲的概率也越大;
　　3、線性系統(tǒng)本身

3、不具備提升信噪比的功能，隨著背景噪聲的增加，系統(tǒng)的輸出信噪比會相應地下降。
　　為了保障無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量與傳輸性能，本文將非線性隨機共振技術(shù)引入到通信信號的檢測理論中，針對低信噪比條件下的信號波形檢測、能量檢測及圖像增強等方面的問題展開研究。隨機共振描述了一種奇特的非線性物理現(xiàn)象:在特定的條件下，非線性系統(tǒng)、微弱信號和背景噪聲三者之間達到匹配狀態(tài)從而產(chǎn)生協(xié)同作用，此時無序的噪聲能量向有序的微弱信號能量進行轉(zhuǎn)移，從而使得微弱信

4、號得到增強。隨機共振技術(shù)的提出顛覆了人們通常認為噪聲是有害因素的認識，將噪聲從有害的因素變?yōu)橛欣谛盘杺鬏數(shù)囊蛩?，在低信噪比下的微弱信號檢測中顯示出獨特的優(yōu)勢。
　　本文針對低信噪比條件下微弱信號檢測中出現(xiàn)的新需求和面臨的新挑戰(zhàn)展開研究工作，全文研究內(nèi)容主要分為以下四個方面:
　　1、在高斯背景噪聲條件下，給出了基于雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)的微弱周期信號、非周期二進制調(diào)制信號處理機制及性能的定量研究。針對雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸入信號為周期信

5、號的情況，綜合分析了周期信號頻率和噪聲強度對隨機共振效應的影響，推導了雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的解析表達式，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)確保了周期隨機共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。在此基礎上，進一步定量分析了雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的信噪比增益。針對雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸入信號為非周期二進制調(diào)制信號的情況，分析了雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸出響應機制，研究了雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)響應速度和碼元周期及調(diào)制頻率之間的定量關(guān)系，推導了雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的解析表達式，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)確保了非周期隨機共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。在此基礎上，從系統(tǒng)輸

6、出信噪比和信號傳輸誤碼率等方面分析了基于雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)的非周期二進制調(diào)制信號處理的性能。
　　2、在廣義高斯背景噪聲條件下，提出了基于非線性閾值系統(tǒng)的非線性信號波形檢測算法。該算法首先對接收到的信號經(jīng)過非線性閾值系統(tǒng)進行處理，然后對非線性閾值系統(tǒng)的輸出信號特征進行分析，最后根據(jù)最小平均錯誤概率準則計算得到基于非線性閾值系統(tǒng)的非線性信號波形檢測算法的誤碼率表達式。仿真結(jié)果表明:在高斯背景噪聲條件下，線性最佳檢測算法的誤碼率性能優(yōu)

7、于本文所提算法;在拉普拉斯噪聲（非高斯噪聲，屬于廣義高斯噪聲）條件下，本文所提算法的誤碼率性能優(yōu)于高斯背景噪聲假設下提出的線性最佳檢測算法。
　　3、為了提升低信噪比條件下非零均值信號采用能量檢測(Energy Detection，ED)算法的檢測性能，提出了基于廣義隨機共振系統(tǒng)的改進的能量檢測(ImprovedEnergy Detection，IED)算法。該算法首先對接收信號添加一個直流分量，并借助偏移系數(shù)確定添加直流分量的最

8、優(yōu)幅值，使其與信號中的直流產(chǎn)生廣義隨機共振;其次，對共振后的信號進行采樣和能量累加得到檢測統(tǒng)計量，然后根據(jù)最小平均錯誤概率準則確定最佳檢測門限并與檢測統(tǒng)計量進行比較從而做出判決;最后從錯誤概率和檢測樣本點數(shù)兩個方面給出算法的性能分析。理論推導和仿真結(jié)果表明:在低信噪比條件下，采用IED算法的錯誤概率性能優(yōu)于ED算法;在相同的錯誤概率條件下，IED算法所需的檢測樣本點數(shù)較ED算法顯著減少。
　　4、針對低峰值信噪比條件下二值圖像增強

9、的視覺效果及性能需求，提出了基于雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)的二值圖像增強算法。該算法通過對二值圖像的像素點按行或者列的方向進行掃描，將二維圖像的像素點轉(zhuǎn)換為一維非周期二進制脈沖振幅調(diào)制（Binary Pulse Amplitude Modulated，BPAM）信號，然后采用雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)對BPAM信號進行增強，最后再將增強后的信號轉(zhuǎn)換為二維圖像的像素點從而得到增強后的二值圖像。仿真結(jié)果表明，本文所提算法的二值圖像視覺增強效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的