基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法

1.本发明涉及的是一种信号处理领域的技术，具体是一种基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法。


背景技术：

2.现有的随机共振系统主要应用在处理通信信号分类、增强信号、算法参数寻优技术等方面。这些方法都是利用随机共振算法可以将噪声中的能量传递给有用信号从而提高混合信号的信噪比，来实现不同领域的目标要求。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术在接收端没有进行有效的结果评估、无法消除随机共振导致的副作用等不足，提出一种基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，利用双稳态随机共振系统对qpsk信号加高斯白噪声混合信号进行处理，评估发射信号到达信号接收端解调后的接收误码率提升质量，并对随机共振可能产生的副作用做一矫正。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，在信号接收端通过随机共振系统对含有随机噪声的接收信号进行降噪处理，并与未经降噪处理的接收信号进行对比，计算得到处理前后接收端信号的误码率，评估随机共振处理在不同初始信噪比下效果并进一步设置优化环节综合选取随机共振处理前后两路接收信号中最优结果作为最终接收信号。
6.本发明涉及一种实现上述双稳态随机共振通信信号处理性能优化方法的系统，包括：信号发射单元、信号接收单元、随机共振处理单元以及最优结果选取单元，其中：信号发射单元将数字信号调制成模拟信号进行发射，信号接收单元将接收到的调制信号解调为数字信号，随机共振单元根据设计随机共振系统，调节其参数，对含噪声信号进行降噪处理，得到信噪比提高的信号并进行解调，最优结果选取单元根据有无随机共振处理的两路接收信息，进行误码率对比处理，得到误码率最低的结果作为接收信号。技术效果
7.本发明采取误码率作为随机共振处理效果评估的标准，实现对随机共振的可靠性提升，对随机共振处理信号产生的副作用进行有效抑制。与现有技术相比，该评估方法显示通过随机共振处理后的信号误码率相较于未处理信号有大幅的降低，并且对于随机共振可能会带来副作用的现象，该优化方法根据误码率进行选取最终结果，可有效弥补该类情况下的副作用。
附图说明
8.图1为本发明流程图；
9.图2为实施例效果示意图。
具体实施方式
10.如图1所示，为本实施例涉及一种基于误码率的双稳态随机共振通信信号处理性能评估方法，包括：
11.步骤1、对提出的发射端信号接收准确性的要求，通过对实际工况传输信号的分析，确定实际工况下的信道噪声类型，具体包括：
12.1.1)设置发射信号为已知正弦信号；
13.1.2)接收端获得含有传输通道噪声的混合信号，从中减去步骤1.1中已知正弦信号，得到预处理信号x(t)；
14.1.3)计算步骤1.2得到的预处理信号的分布函数和功率谱密度，以此来确定模拟的噪声类型，具体为：使用matlab，从x(t)中采样得到n＝10000个采样值x(i)并对其取模平方得|x(i)|2作为各采样点x(i)能量，绘制能量分布函数，确定其符合高斯分布。
15.1.4)计算步骤1.2)的预处理信号x(t)的傅立叶变换x(jw)后取模并平方后除以样本长度，得到x(t)的功率谱密度函数gxx(w)＝|x(jw)|^2/t≈c(c为常数)，计算得功率谱密度函数接近常数，符合白噪声均匀分布的定义。
16.步骤2、在步骤1计算的噪声基础上，设置信号传输路径，在接收端加入随机共振环节，利用发射信号的强度以及噪声强度，计算参数优化的随机共振函数；再在接收端分别对随机共振环节处理前后qpsk接收信号所携带的数字信号进行错误数统计，得到随机共振处理前后信号传输误码率，具体包括：
17.2.1)将连续信号抽样成离散数组的形式作为随机共振函数的输入；随机共振函数是采用四阶龙格库塔算法对双稳态随机共振的朗之万方程进行求解，其中：x(t)为双稳态系统的输出信号；s(t)＝acos(2πft)为输入双稳态系统的微弱周期性信号，a为信号幅值，f为信号频率；为噪声项，且满足《n(t)n(t+τ)》＝2dδ(t)，d为噪声强度，ξ(t)为均值为0的高斯白噪声，δ(t)为狄拉克函数，τ为时间间隔。u(x)是随机共振势函数，可以为为：其中：a∈r
+
,b∈r
+
为双稳态势阱参数，通过对系统参数a,b的调节，得到不同形状的双稳态势函数，再将随机共振函数处理过后的结果输出作为处理结果。
18.2.2)在接收端计算误码率：如图2所示，选取radioml2016.10a数据集的qpsk调制信号，将调制后的信号按照信噪比从-10db～2db的变化范围，分别通过有随机共振系统和无随机共振系统的传输路径，并将接收端接收到的信号解调译码，统计传输错误的码元数，在处理完毕后进行最优结果的比较，选取效果最好的结果作为接收信号，并在snr-ber图中绘制awgn仿真曲线、awgn理论曲线、sr-awgn仿真曲线和最优信号曲线。
19.步骤3、根据步骤2得到信号传输误码率，对于效果较差或者产生副作用的情况时，返回步骤2并重新设置随机共振环节，得到新的结果后与之前的结果、未进行随机共振处理的结果进行比较，选取误码率最低的结果作为最终结果，评估随机共振系统对含噪声信号传输的性能提升效果以及稳定性和可靠性。
20.本实施例进一步基于步骤2得到信号传输误码率进行双稳态随机共振通信信号处理性能优化，具体为：对于效果较差或者产生副作用的情况时，返回上述步骤2并重新设置
随机共振环节，得到新的结果后与之前的结果、未进行随机共振处理的结果进行比较，选取误码率最低的结果作为最终结果，使最终接收信号消除随机共振处理带来的副作用。
21.所述的效果较差或者产生副作用的情况是指：随机共振处理后的含噪声接收信号其误码率反而高于未经过随机共振处理的含噪声接收信号。如图2所示，图中sr-awgn仿真曲线出现的高于awgn仿真曲线的跳点即为产生副作用的情况。
22.所述的评估，具体为：计算误码率、绘制误码率与信噪比的变化曲线，比较随机共振处理使误码率降低的幅度，降低幅度越大说明随机共振处理效果越好，曲线越平滑说明随机共振处理稳定性越好。
23.结果显示随机共振处理之后信号传输的误码率有较为明显的降低，并且随机共振产生的副作用会得到有效的遏制。
24.当接收信号信噪比不变时，系统发生的随机共振所吸收的噪声能量随着信号幅度的减小而增加，当系统发生随机共振现象越明显，系统所输出的误码率就越低。当信噪比在-10db左右时，随机共振相较于传统模型提升较小，而当信噪比在-10db以上时，误码率提升效果很明显，相比于传统模型有大幅的降低，尤其是在信噪比大于0db时，有效解决当前研究存在的随机共振处理后的误码率高于未处理的传统模型误码率的问题。
25.经过具体实际实验，在采取实际数字调制信号与实际通道噪声的具体环境设置下，随机共振系统以参数a＝50，b＝1，h＝1/150运行上述装置，能够得到的实验数据是：不通过随机共振处理的信号在信噪比从-10db～2db变化时，误码率从49％降低至5％，采取随机共振处理后误码率从35％降低至0.7％，有很明显的提升，并且在随机共振产生副作用时，通过最优结果选取会使误码率保持低于未处理信号的误码率有效抑制随机共振产生的副作用。
26.与现有技术相比，本方法采用误码率的计算对随机共振系统降低噪声影响的效果进行评估，并采用最优结果选取对随机共振系统个可能带来的副作用进行有效抑制，实现一种随机共振在降低信号无线传输过程中由于噪声导致的误码问题效果的评估与优化方法。
27.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，其特征在于，在信号接收端通过随机共振系统对含有随机噪声的接收信号进行降噪处理，并与未经降噪处理的接收信号进行对比，计算得到处理前后接收端信号的误码率，评估随机共振处理在不同初始信噪比下效果并进一步设置优化环节综合选取随机共振处理前后两路接收信号中最优结果作为最终接收信号。2.根据权利要求1所述的基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，其特征是，具体包括：步骤1、对提出的发射端信号接收准确性的要求，通过对实际工况传输信号的分析，确定实际工况下的信道噪声类型，具体包括：1.1)设置发射信号为已知正弦信号；1.2)接收端获得含有传输通道噪声的混合信号，从中减去步骤1.1中已知正弦信号，得到预处理信号x(t)；1.3)计算步骤1.2得到的预处理信号的分布函数和功率谱密度，以此来确定模拟的噪声类型，具体为：使用matlab，从x(t)中采样得到n＝10000个采样值x(i)并对其取模平方得|x(i)|2作为各采样点x(i)能量，绘制能量分布函数，确定其符合高斯分布；1.4)计算步骤1.2)的预处理信号x(t)的傅立叶变换x(jw)后取模并平方后除以样本长度，得到x(t)的功率谱密度函数gxx(w)＝|x(jw)|^2/t≈c(c为常数)，计算得功率谱密度函数接近常数，符合白噪声均匀分布的定义；步骤2、在步骤1计算的噪声基础上，设置信号传输路径，在接收端加入随机共振环节，利用发射信号的强度以及噪声强度，计算参数优化的随机共振函数；再在接收端分别对随机共振环节处理前后qpsk接收信号所携带的数字信号进行错误数统计，得到随机共振处理前后信号传输误码率；步骤3、根据步骤2得到信号传输误码率，对于效果较差或者产生副作用的情况时，返回步骤2并重新设置随机共振环节，得到新的结果后与之前的结果、未进行随机共振处理的结果进行比较，选取误码率最低的结果作为最终结果，评估随机共振系统对含噪声信号传输的性能提升效果以及稳定性和可靠性。3.根据权利要求2所述的基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，其特征是，基于步骤2得到信号传输误码率进行双稳态随机共振通信信号处理性能优化，具体为：对于效果较差或者产生副作用的情况时，返回上述步骤2并重新设置随机共振环节，得到新的结果后与之前的结果、未进行随机共振处理的结果进行比较，选取误码率最低的结果作为最终结果，使最终接收信号消除随机共振处理带来的副作用。4.根据权利要求2或3所述的基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，其特征是，所述的步骤2，具体包括：2.1)将连续信号抽样成离散数组的形式作为随机共振函数的输入；随机共振函数是采用四阶龙格库塔算法对双稳态随机共振的朗之万方程进行求解，其中：x(t)为双稳态系统的输出信号；s(t)＝acos(2πft)为输入双稳态系统的微弱周期性信号，a为信号幅值，f为信号频率；为噪声项，且满足<n(t)n(t+τ)>＝2dδ
(t)，d为噪声强度，ξ(t)为均值为0的高斯白噪声，δ(t)为狄拉克函数，τ为时间间隔，随机共振势函数其中：a∈r
+
,b∈r
+
为双稳态势阱参数，通过对系统参数a,b的调节，得到不同形状的双稳态势函数，再将随机共振函数处理过后的结果输出作为处理结果；2.2)在接收端计算误码率：选取radioml2016.10a数据集的qpsk调制信号，将调制后的信号按照信噪比从-10db～2db的变化范围，分别通过有随机共振系统和无随机共振系统的传输路径，并将接收端接收到的信号解调译码，统计传输错误的码元数，在处理完毕后进行最优结果的比较，选取效果最好的结果作为接收信号，并在snr-ber图中绘制awgn仿真曲线、awgn理论曲线、sr-awgn仿真曲线和最优信号曲线。5.根据权利要求2或3所述的基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，其特征是，所述的效果较差或者产生副作用的情况是指：随机共振处理后的含噪声接收信号其误码率反而高于未经过随机共振处理的含噪声接收信号。6.根据权利要求1或2所述的基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，其特征是，所述的评估，具体为：计算误码率、绘制误码率与信噪比的变化曲线，比较随机共振处理使误码率降低的幅度，降低幅度越大说明随机共振处理效果越好，曲线越平滑说明随机共振处理稳定性越好。7.一种实现权利要求1-6中任一所述双稳态随机共振通信信号处理性能优化方法的系统，其特征在于，包括：信号发射单元、信号接收单元、随机共振处理单元以及最优结果选取单元，其中：信号发射单元将数字信号调制成模拟信号进行发射，信号接收单元将接收到的调制信号解调为数字信号，随机共振单元根据设计随机共振系统，调节其参数，对含噪声信号进行降噪处理，得到信噪比提高的信号并进行解调，最优结果选取单元根据有无随机共振处理的两路接收信息，进行误码率对比处理，得到误码率最低的结果作为接收信号。

技术总结
一种基于误码率的随机共振通信信号处理性能优化方法，在信号接收端通过随机共振系统对含有随机噪声的接收信号进行降噪处理，并与未经降噪处理的接收信号进行对比，计算得到处理前后接收端信号的误码率，评估随机共振处理在不同初始信噪比下效果并进一步设置优化环节综合选取随机共振处理前后两路接收信号中最优结果作为最终接收信号。本发明利用双稳态随机共振系统对QPSK信号加高斯白噪声混合信号进行处理，评估发射信号到达信号接收端解调后的接收误码率提升质量，并对随机共振可能产生的副作用做一矫正。生的副作用做一矫正。生的副作用做一矫正。


技术研发人员：何迪 李少旋 尤明懿 郁文贤
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.08.16
技术公布日：2023/10/19