用于實時小波去噪應用的自適應后閾值算法的制作方法

專利名稱：用于實時小波去噪應用的自適應后閾值算法的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及接收系統。更具體地說，本發明涉及一種在接收機系統中用于實時小波去噪應用(wavelet de-noising application)的信號處理器。
背景技術：
通信系統、雷達系統、聲納系統等具有用于檢測特定信號的存在的接收機以及用于提取在該信號中發送的信息的信號處理器。許多這種類型的系統存在的問題是，檢測到接收信號時存在噪聲和雜波并且要以由噪聲和雜波產生的損失最小的條件從檢測的接收信號中提取信息。
目前的系統在接收機內的信號處理器中采用去噪方法。特別是，目前的系統將小波技術用于對接收信號去噪。去噪過程利用小波的重要特性，包括多重分辨能力和良好的重構性。小波原理包括根據不同尺度(scale)的簡單固定標準模塊和時間上的位置來表示一般函數。
小波變換的主要目標是，將包含在信號內的信息分解為不同尺度的特性。這可以被看作是一種在時間以及頻率或尺度方面的不同分辨力在單位時間內描述輸入波形的方法。這種信號分解技術利用離散小波變換實現。通過多尺度小波表示來分解輸入信號的主要優點是，希望的信號具有用于與變換小波函數相關的自由度，從而具有也不與變換函數相關的非信號類特征(non-signal like feature)的特性。因此，當在小波域內看該信號時，其表示通過大系數而顯而易見的，而不希望的信號則用較小的系數表示，并且通常還將同等分配到所有小波分解尺度。因此，當根據每種規則，例如軟閾值規則、硬閾值規則或梯度閾值規則，使小波變換輸出通過閾值函數時，可以在所有尺度重從小波系數集中去除類噪聲系數。當通過反小波反變換將改變的小波系數重新變換回時域時，對應于希望的信號的系數將保留下列，而噪聲系數被去除或者被消弱，并且重構波形可以被認為是去噪的，因此是高質量波形。
目前的小波去噪算法根據接收信號的統計量選擇特定于小波分解尺度的去噪閾值。用于計算t的一些統計量是輸入采樣的數量[N]、噪聲標準偏差[σ]以及相關因數[σj，δL，φ，KN]，如下面的等式1和2所示。
t=σ2logN]]>等式1可以擴展等式1，以便進行非正交的小波分解，因此通過在閾值等式中包括互相關因數，等式1產生相關DWT系數。這示于下面，其中δL，φ是非正交小波系數的第j尺度的互相關，而KN是與尺度相關的數據集的大小。
tN,φ,L(j)=σj2(1+δL,φ)log(KN)]]>等式2統計量越無偏，閾值解決方案提供的去噪性能就越好、越可靠。因此，利用其求得統計量的數據集的質量和大小限制了統計量的可靠性。可靠、無偏統計要求自然產生越來越大的數據集，因此需要越來越大的存儲器。因此，必須解決復雜數據處理問題，以存儲并管理所述數據集。
目前的系統的進一步復雜性是，判定使用全局統計量還是使用局部統計量。因此，根據其獲得統計量的這些數據集邊界意味著或者處于小分組尺度，例如單個用戶發出的單個通信突發串，或者處于系統級多分組尺度，例如用戶服務組或時變單用戶通信的集聚統計量(如在多載波電纜或無線通信系統中看到的)。這些統計要求不能可靠地或適度地應用于等待時間敏感的應用，因為等待時間本身可以被忽略。等待時間被忽略的一個原因是，該算法要求在設置去噪閾值之前先驗知道整個數據集的統計量，因此必須在確定小波閾值階段之前進行數據分析和緩存的附加步驟。這是因為要求優化去噪閾值。此外，選擇局部統計量或全局統計量的困難是，去噪性能可靠性可變。這樣進一步使存儲器處于緊張狀態，并且進一步加劇數據處理問題和實時要求。因此，為獲得無偏統計量而要有足夠信號數據的需求惡化了等待時間與性能的問題并且在實時通信中要求非常長的處理時間。
局部統計量和全局統計量的解釋也令人迷惑。對于局部統計量，例如在用戶與其基礎設施之間的突發串通信，其統計特性的可靠性非常可能因為數據大小不夠大而使其真實特性被扭曲。這將導致所選擇的小波去噪閾值糟糕，要么不能改善計算工作的性能，要么因為高估閾值而錯誤地使信號嚴重失真，并且降低/破壞了可接受/邊際性能。
相反，對于全局統計量，例如單個或者多個用戶與其基礎設施之間的許多突發串通信的聚集也會令人迷惑。在許多情況下，不能假定通信媒體對于服務組中的每個用戶均具有同樣的物理通路特性，和/或對于單個/多個用戶表現時不變信令性能。從這些觀點出發，可以認為局部統計量和全局統計量并非最優的，并且可能對于實時信號處理應用非常不可靠。
因此，需要一種信號處理方法/技術/算法，它利用利用小波去噪技術，而不受當前信號處理方法/技術/算法的統計、梯度搜索或存儲器以及數據處理問題的限制。

發明內容
本發明公開了一種用于以使因噪聲產生的損失最小的條件從接收信號中提取信息的方法和系統，該系統包括變換器(transformer)，用于使接收信號與小波函數相關并產生小波分解系數；閾值電路，其響應接收信號，用于根據信號類型應用預定閾值。該系統還包括濾波器，該濾波器連接到變換器和閾值電路，用于利用閾值電路應用的閾值改變變換器產生的小波分解系數，以產生改變的小波系數，從該改變的小波系數以降低的噪聲重構該接收信號。


下面將結合附圖，說明本發明，其中同樣的參考編號本身同樣的單元，并且圖1是根據本發明優選實施例，用于接收機內的信號處理器的去噪電路的方框圖；圖2是CATV通信系統的典型方框圖；圖3是根據本發明優選實施例的去噪電路的流程圖；圖4是本發明的去噪電路的變換實施例的方框圖；以及圖5和6是根據本發明的變換實施例的去噪電路的流程圖。
具體實施例方式
下面的詳細說明僅對優選實施例進行了說明，并且無意限制本發明的范圍、適用范圍或配置。當然，下面對典型優選實施例所作的詳細說明為本技術領域內的熟練技術人員提供了實現本發明的優選實施例的描述。我們明白，在所附權利要求所述的本發明的實質范圍內，可以在單元的功能和排列方面進行各種變更。
圖1是根據本發明優選實施例，用于接收機的信號處理器中的去噪電路10的方框圖。去噪電路10包括解調器15、離散小波變換(DWT)12、濾波器13、離散小波反變換(IDWT)14以及閾值電路20。去噪電路10可以用于任何類型的系統(即，通信、衛星、雷達等)。將利用CATV通信系統內的接收機的信號處理器說明本發明的典型實施例。圖2示出CATV系統，其中包括去噪電路10的信號處理器位于用戶站210或前端205上。
回去參考圖1，DWT12接收輸入信號Yi。本技術領域內的熟練技術人員知道，DWT使輸入信號Yi與諸如Daubechy 2-20的小波函數相關，并產生輸入數據的DWT域數據。因為變換的性質，被破壞的輸入信號的小波表示將產生獨有的相關，而未被破壞的信號被埋藏在噪聲中，這將產生大系數，而噪聲由于其不相關特性將以小得多的值在所有二元尺度(dyadic scale)上分配小波基礎相關能量(waveletbasis correlation energy)。然后，將小波分解數據S(J-J，O)，U(J-J，O)轉發到濾波器13。
如上所述，濾波器13改變或者去除噪聲表示的系數。這是通過對DWT 12輸出的每個二元尺度應用閾值實現的。根據本發明的優選實施例，閾值電路20產生閾值。
閾值電路20存儲應用特定的去噪閾值，供濾波器13使用。閾值電路20通過對特定信號的專用要求的知識來適應修改小波去噪閾值級別(level)。預定用于修改小波去噪閾值的特性，并且該特性是特定于應用和實現的。這些特性包括信號的必要動態范圍信噪比(SNR)、峰值對平均值比以及諸如FEC性能、定時恢復退化、時鐘抖動和接收信號期間的實時程度的解調特性。這些特性是特定解調器的實現過程專用的，并且可以在實驗室中測量。
利用這些特性產生表格(未示出)，并將該表格存儲到閾值電路20中，該表格直接使應用特定的信號與小波去噪閾值邊界相關。存儲在閾值電路20內的閾值邊界確定可被應用又不會降低對應用特定的信號所要求的性能的最大小波去噪閾值。
如上所述，本發明的典型實施例是DOCSIS CATV通信信號。本技術領域內的熟練技術人員知道，DOCSIS CATV信號可以包括多種通信信號(即，QPSK，16QAM，等)。這些信號分別具有為了期望給定的性能等級而必須實現的獨特應用特定的要求。這些要求用該信號的要求的SNR、BER等表示。在圖2所示的CATV通信的典型方框圖中，位于前端205內的管理信息庫(MIB)(未示出)容納每種信號的特性，并在接收的通信信號內將這些信息發送到接收機。用戶210利用媒體訪問控制(MAC)芯片解釋該信息。
一旦MAC芯片解釋了MIB發送的信息，MAC就將與接收機接收的信號類型相關的特性轉發到閾值電路20。閾值電路20接收來自MAC芯片的信息并選擇將被濾波器13使用的閾值。以消除或者消弱代表噪聲的小波分解系數的方式選擇閾值。因此，可以在具有少量破壞，因此也就是增加的信噪比的情況下，重構具有最小噪聲小波系數的未被破壞的輸入信號。一旦獲得了閾值，就將該閾值轉發到濾波器13，以便與輸入信號一同處理。
如上所述，濾波器13利用閾值電路20轉發的所產生閾值來改變或者消除小波分解系數。然后，使改變的小波系數S(J-J，O)，U(J-J，O)通過IDWT14。本技術領域內的熟練技術人員知道，IDWT14在二元分解尺度上重新對準改變的數據，并且在其輸出端產生信號處理器對接收信號所作的最佳估計值。然后，將IDWT14的輸出信號轉發到解調器15，在解調器15，恢復通過通信信號發送的數據。
圖3示出去噪電路10的流程圖。接收機的去噪電路10接收CATV通信信號(步驟101)。DWT111處理該接收信號(步驟102)，并將變換的信號轉發到濾波器電路112(步驟103)。MAC芯片接收在接收信號內發送的信號類型信息(步驟104)，并將該信息轉發到閾值電路20(步驟105)。閾值電路20利用該接收信息獲得與該接收信號相關的預定閾值(步驟106)。然后，將獲得的閾值轉發到濾波器電路13(步驟107)。一旦濾波器電路13收到該閾值，濾波器電路13就利用所述閾值消除變換的接收信號中的噪聲(步驟108)。將濾波的接收信號轉發到IDWT14(步驟109)。然后，IDWT14重構該接收信號(步驟110)，并將它轉發到解調器15(步驟111)，以提取通過該接收信號通信的數據(步驟112)。
如上所述的去噪電路10允許任何實時信號處理系統在存在多速率多模式通信系統的情況下對通信信道內的突發串和熱噪聲退化保持魯棒。本發明還消除了根據信號局部統計量或全局統計量確定閾值的過程，而該過程需要足夠多的統計量以實現魯棒的可靠性，從而為實時應用的要求作好了準備。
圖4示出用于接收機內的信號處理器的去噪電路10的變換實施例。替換去噪電路100包括DWT111、濾波器電路112、IDWT113、解調器114、采集器115以及閾值電路110。與上述去噪電路10相同，DWT111變換接收信號，并將它轉發到濾波器電路112，濾波器電路112利用閾值電路110轉發的閾值消除出現在接收信號內的噪聲。
根據該變換實施例，閾值電路110包括多個存儲器裝置102、103，例如兩個(2)；以及存儲器裝置選擇器104。盡管示出兩個(2)存儲器裝置，但是應該明白，可以使用任何數量的存儲器裝置。與優選實施例中描述的閾值電路20相同，第一存儲器裝置102包括與應用特定的信號類型相關的預定閾值。收到該通信信號后，第一存儲器裝置102獲得與特定醫用相關的閾值，并將它們轉發到選擇器104。
存儲器選擇器104首先確定從多個存儲器裝置102、103中的哪個存儲器裝置獲取閾值。選擇器104確定要獲得的閾值是否是用于接收信號的初步去噪。有多種方法可以進行這種確定。一種典型方法是使用一個由MAC芯片101產生的信號，該信號表示該接收機是在初始接收信號，還是它已經在進行連續接收。如果是前者，則選擇器104從第一存儲器裝置102接收閾值。如果是后者，則選擇器104從第二存儲器裝置103接收閾值，第二存儲器裝置103開頭與第一存儲器裝置102相同。
選擇器104將該閾值轉發到濾波器電路112。如上所述，濾波器112消除接收信號內存在的噪聲，并將濾波的輸出轉發到IDWT113。然后IDWT113重構該接收信號而沒有噪聲，并將該重構信號轉發到解調器114。
該重構信號被解調后，采集器115確定解調器114的特性(即，BER，SNR等)。然后，將這些特性轉發到第二存儲器裝置103。存儲器裝置103將采集器115轉發的特性與和濾波器112使用的閾值相關的特性進行比較。如果比較結果表明差值大于預定值，則第二存儲器裝置103根據該差值調整相關的閾值。可以以多種方式進行根據該差值調整閾值的過程。確定該調整過程的方法與該變換實施例沒有密切關系。因此，在此對該方法不做詳細說明。
一旦第二存儲器裝置103調整了該閾值，就將該閾值轉發到選擇器104，并輸出到濾波器112進行處理。由采集器115將解調器114的特性與存儲在第二存儲器裝置103內的特性進行比較，直到解調器114的特性在預定范圍內，或者滿足失敗條件為止，在這種情況下，必須重發該接收信號，或者將該接收信號使用的頻譜標記為不可用。
圖5和6示出根據該變換實施例的去噪電路100的流程圖。接收機的去噪電路100接收CATV通信信號(步驟501)。DWT111處理該接收信號(步驟502)，并將變換的信號轉發到濾波器電路112(步驟503)。MAC芯片接收在接收信號內發送的信號類型信息(步驟504)，病將該信息轉發到閾值電路110(步驟505)。第一存儲器裝置102使用該接收的信息獲得與該接收信號相關的預定閾值(步驟506)。然后，將獲得的預定閾值轉發到濾波器電路112(步驟507)。一旦濾波器電路112收到所述閾值，濾波器電路112就利用所述閾值消除變換的接收信號中的噪聲(步驟508)。將濾波的接收信號轉發到IDWT113(步驟509)。然后，IDWT113重構該接收信號(步驟510)，并將它轉發到解調器114(步驟511)。采集器115計算該重構信號的解調器特性(步驟512)，并將它們轉發到閾值電路110(步驟513)。
收到所計算的解調器114的特性后，第二存儲器裝置103將計算的與預定的解調器特性進行比較(步驟514)。如果這些值之間的差值大于預定閾值并且不滿足失敗條件，則第二存儲器裝置103調整與該接收信號相關的閾值(步驟515)，并通過104將這些被調整的值轉發到濾波器112進行處理(步驟507)。否則，從該接收信號提取數據(步驟514)。如果滿足失敗條件，則去噪電路10重新開始處理(步驟501)。
盡管上面結合專用設備對本發明原理進行了描述，但是我們清楚地明白，僅作為例子進行該描述，而該描述對本發明范圍沒有限制意義。
權利要求
1.一種用于通信系統的接收機，該接收機包括去噪電路，用于以由噪聲產生的損失最小的條件從接收信號中提取信息，該去噪電路包括變換器，用于使接收信號與小波函數相關并產生小波分解系數；閾值電路，響應于接收信號，用于根據信號類型應用預定閾值；以及濾波器，連接到變換器和閾值電路，用于利用閾值電路應用的閾值改變由變換器產生的小波分解系數，以產生改變的小波系數，將從所述改變的小波系數以降低的噪聲重構接收信號。
2.根據權利要求1所述的接收機，該接收機進一步包括解調器，用于解調從所述去噪電路輸出的重構降噪信號以產生解調信號；解調信號特性采集器，與解調器相關，用于將信號量度輸出到所述閾值電路；以及所述閾值電路具有用于響應從所述采集器輸出的位于預定范圍之外的信號量度，調整應用的閾值的電路系統。
3.根據權利要求2所述的接收機，其中所述閾值電路包括第一存儲器裝置，用于存儲預定的初始閾值；以及第二存儲器裝置，用于將信號量度與所述預定范圍進行比較并確定對應用的閾值進行的調整，所述預定范圍基于信號類型。
4.根據權利要求3所述的接收機，其中所述去噪電路進一步包括反變換器，該反變換器連接到所述濾波器，用于響應來自所述濾波器的改變的小波系數重構接收信號，并將重構信號輸出到所述解調器。
5.根據權利要求1所述的接收機，該接收機進一步包括解調器，該解調器用于解調從所述去噪電路輸出的重構降噪信號，以產生包括來自所述接收信號的恢復信息的解調信號。
6.根據權利要求5所述的接收機，其中所述去噪電路進一步包括反變換器，該反變換器連接到所述濾波器，用于響應來自所述濾波器的改變的小波系數重構接收信號，并將重構信號輸出到所述解調器。
7.一種以由噪聲產生的損失最小的條件處理接收的通信信號的方法，該方法包括步驟使接收信號與小波函數相關，并產生小波分解系數；確定接收信號的類型；根據接收信號的類型應用預定閾值；以及利用應用的預定閾值改變小波系數，以產生改變的小波系數，從所述改變的小波系數以降低的噪聲重構該接收信號。
8.根據權利要求7所述的方法，該方法進一步包括步驟響應所述改變的小波系數，重構該接收信號；以及解調該重構的接收信號，以產生包括來自接收信號的恢復信息的解調信號。
9.根據權利要求7所述的方法，該方法進一步包括步驟解調重構的降噪信號，以產生解調信號；采集所述解調信號的信號量度；以及響應位于預定范圍外的采集信號量度調整該應用的閾值，從而調整小波系數的所述改變。
10.根據權利要求7所述的方法，該方法進一步包括步驟響應所述改變的小波系數，重構該接收信號；以及將所述信號量度與所述預定范圍進行比較并確定對所述應用的閾值所作的所述調整，其中所述預定范圍基于信號類型。
11.一種用于以由噪聲產生的損失最小的條件從接收信號中提取信息的接收機的去噪電路，該去噪電路包括變換器，用于使接收信號與小波函數相關并產生小波分解系數；閾值電路，響應接收信號，用于根據信號類型應用預定閾值；以及濾波器，連接到變換器和閾值電路，用于利用閾值電路應用的閾值改變由變換器產生的小波分解系數，以產生改變的小波系數，從所述改變的小波系數以降低的噪聲重構該接收信號。
12.根據權利要求11所述的去噪電路，該去噪電路與解調器、調信號特性采集器相關聯，其中所述解調器用于解調從所述去噪電路輸出的重構降噪信號，以產生解調信號，所述解調信號特性采集器與所述解調器相關聯，用于將信號量度輸出到所述閾值電路，其中所述閾值電路具有用于響應從所述采集器輸出的位于預定范圍之外的信號量度，調整應用的閾值的電路系統。
13.根據權利要求12所述的去噪電路，其中所述去噪電路包括第一存儲器裝置，用于存儲預定的初始閾值；以及第二存儲器裝置，用于將信號量度與所述預定范圍進行比較，并確定對應用的閾值進行的調整，所述預定范圍基于信號類型。
14.根據權利要求14所述的去噪電路，該去噪電路進一步包括反變換器，該反變換器連接到所述濾波器，用于響應來自所述濾波器的改變的小波系數重構接收信號，并將重構信號輸出到所述解調器。
全文摘要
本發明公開了一種在以因噪聲產生的損失最小的情況從接收信號中提取信息的方法和系統，該系統包括變換器，用于使接收信號與小波函數相關，并產生小波分解系數；以及閾值電路，其響應接收信號，用于根據信號類型應用預定閾值。該系統還包括濾波器，該濾波器連接到變換器和閾值電路，用于利用閾值電路應用的閾值，改變變換器產生的小波分解系數，以產生改變的小波系數，從該改變的小波系數以降低的噪聲重構該接收信號。
文檔編號H03H17/02GK1625842SQ03803093
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月10日 優先權日2002年1月18日
發明者帕特里克·D·斯密斯, 羅伯特·吾斯卡爾, 威廉姆·C·哈特 申請人:通用儀器公司