专利名称：用于实时小波去噪应用的自适应后阈值算法的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及接收系统。更具体地说，本发明涉及一种在接收机系统中用于实时小波去噪应用(wavelet de-noising application)的信号处理器。
背景技术：
通信系统、雷达系统、声纳系统等具有用于检测特定信号的存在的接收机以及用于提取在该信号中发送的信息的信号处理器。许多这种类型的系统存在的问题是，检测到接收信号时存在噪声和杂波并且要以由噪声和杂波产生的损失最小的条件从检测的接收信号中提取信息。
目前的系统在接收机内的信号处理器中采用去噪方法。特别是，目前的系统将小波技术用于对接收信号去噪。去噪过程利用小波的重要特性，包括多重分辨能力和良好的重构性。小波原理包括根据不同尺度(scale)的简单固定标准模块和时间上的位置来表示一般函数。
小波变换的主要目标是，将包含在信号内的信息分解为不同尺度的特性。这可以被看作是一种在时间以及频率或尺度方面的不同分辨力在单位时间内描述输入波形的方法。这种信号分解技术利用离散小波变换实现。通过多尺度小波表示来分解输入信号的主要优点是，希望的信号具有用于与变换小波函数相关的自由度，从而具有也不与变换函数相关的非信号类特征(non-signal like feature)的特性。因此，当在小波域内看该信号时，其表示通过大系数而显而易见的，而不希望的信号则用较小的系数表示，并且通常还将同等分配到所有小波分解尺度。因此，当根据每种规则，例如软阈值规则、硬阈值规则或梯度阈值规则，使小波变换输出通过阈值函数时，可以在所有尺度重从小波系数集中去除类噪声系数。当通过反小波反变换将改变的小波系数重新变换回时域时，对应于希望的信号的系数将保留下列，而噪声系数被去除或者被消弱，并且重构波形可以被认为是去噪的，因此是高质量波形。
目前的小波去噪算法根据接收信号的统计量选择特定于小波分解尺度的去噪阈值。用于计算t的一些统计量是输入采样的数量[N]、噪声标准偏差[σ]以及相关因数[σj，δL，φ，KN]，如下面的等式1和2所示。
t=σ2logN]]>等式1可以扩展等式1，以便进行非正交的小波分解，因此通过在阈值等式中包括互相关因数，等式1产生相关DWT系数。这示于下面，其中δL，φ是非正交小波系数的第j尺度的互相关，而KN是与尺度相关的数据集的大小。
tN,φ,L(j)=σj2(1+δL,φ)log(KN)]]>等式2统计量越无偏，阈值解决方案提供的去噪性能就越好、越可靠。因此，利用其求得统计量的数据集的质量和大小限制了统计量的可靠性。可靠、无偏统计要求自然产生越来越大的数据集，因此需要越来越大的存储器。因此，必须解决复杂数据处理问题，以存储并管理所述数据集。
目前的系统的进一步复杂性是，判定使用全局统计量还是使用局部统计量。因此，根据其获得统计量的这些数据集边界意味着或者处于小分组尺度，例如单个用户发出的单个通信突发串，或者处于系统级多分组尺度，例如用户服务组或时变单用户通信的集聚统计量(如在多载波电缆或无线通信系统中看到的)。这些统计要求不能可靠地或适度地应用于等待时间敏感的应用，因为等待时间本身可以被忽略。等待时间被忽略的一个原因是，该算法要求在设置去噪阈值之前先验知道整个数据集的统计量，因此必须在确定小波阈值阶段之前进行数据分析和缓存的附加步骤。这是因为要求优化去噪阈值。此外，选择局部统计量或全局统计量的困难是，去噪性能可靠性可变。这样进一步使存储器处于紧张状态，并且进一步加剧数据处理问题和实时要求。因此，为获得无偏统计量而要有足够信号数据的需求恶化了等待时间与性能的问题并且在实时通信中要求非常长的处理时间。
局部统计量和全局统计量的解释也令人迷惑。对于局部统计量，例如在用户与其基础设施之间的突发串通信，其统计特性的可靠性非常可能因为数据大小不够大而使其真实特性被扭曲。这将导致所选择的小波去噪阈值糟糕，要么不能改善计算工作的性能，要么因为高估阈值而错误地使信号严重失真，并且降低/破坏了可接受/边际性能。
相反，对于全局统计量，例如单个或者多个用户与其基础设施之间的许多突发串通信的聚集也会令人迷惑。在许多情况下，不能假定通信媒体对于服务组中的每个用户均具有同样的物理通路特性，和/或对于单个/多个用户表现时不变信令性能。从这些观点出发，可以认为局部统计量和全局统计量并非最优的，并且可能对于实时信号处理应用非常不可靠。
因此，需要一种信号处理方法/技术/算法，它利用利用小波去噪技术，而不受当前信号处理方法/技术/算法的统计、梯度搜索或存储器以及数据处理问题的限制。
发明内容
本发明公开了一种用于以使因噪声产生的损失最小的条件从接收信号中提取信息的方法和系统，该系统包括变换器(transformer)，用于使接收信号与小波函数相关并产生小波分解系数；阈值电路，其响应接收信号，用于根据信号类型应用预定阈值。该系统还包括滤波器，该滤波器连接到变换器和阈值电路，用于利用阈值电路应用的阈值改变变换器产生的小波分解系数，以产生改变的小波系数，从该改变的小波系数以降低的噪声重构该接收信号。
下面将结合附图，说明本发明，其中同样的参考编号本身同样的单元，并且图1是根据本发明优选实施例，用于接收机内的信号处理器的去噪电路的方框图；图2是CATV通信系统的典型方框图；图3是根据本发明优选实施例的去噪电路的流程图；图4是本发明的去噪电路的变换实施例的方框图；以及图5和6是根据本发明的变换实施例的去噪电路的流程图。
具体实施例方式
下面的详细说明仅对优选实施例进行了说明，并且无意限制本发明的范围、适用范围或配置。当然，下面对典型优选实施例所作的详细说明为本技术领域内的熟练技术人员提供了实现本发明的优选实施例的描述。我们明白，在所附权利要求所述的本发明的实质范围内，可以在单元的功能和排列方面进行各种变更。
图1是根据本发明优选实施例，用于接收机的信号处理器中的去噪电路10的方框图。去噪电路10包括解调器15、离散小波变换(DWT)12、滤波器13、离散小波反变换(IDWT)14以及阈值电路20。去噪电路10可以用于任何类型的系统(即，通信、卫星、雷达等)。将利用CATV通信系统内的接收机的信号处理器说明本发明的典型实施例。图2示出CATV系统，其中包括去噪电路10的信号处理器位于用户站210或前端205上。
回去参考图1，DWT12接收输入信号Yi。本技术领域内的熟练技术人员知道，DWT使输入信号Yi与诸如Daubechy 2-20的小波函数相关，并产生输入数据的DWT域数据。因为变换的性质，被破坏的输入信号的小波表示将产生独有的相关，而未被破坏的信号被埋藏在噪声中，这将产生大系数，而噪声由于其不相关特性将以小得多的值在所有二元尺度(dyadic scale)上分配小波基础相关能量(waveletbasis correlation energy)。然后，将小波分解数据S(J-J，O)，U(J-J，O)转发到滤波器13。
如上所述，滤波器13改变或者去除噪声表示的系数。这是通过对DWT 12输出的每个二元尺度应用阈值实现的。根据本发明的优选实施例，阈值电路20产生阈值。
阈值电路20存储应用特定的去噪阈值，供滤波器13使用。阈值电路20通过对特定信号的专用要求的知识来适应修改小波去噪阈值级别(level)。预定用于修改小波去噪阈值的特性，并且该特性是特定于应用和实现的。这些特性包括信号的必要动态范围信噪比(SNR)、峰值对平均值比以及诸如FEC性能、定时恢复退化、时钟抖动和接收信号期间的实时程度的解调特性。这些特性是特定解调器的实现过程专用的，并且可以在实验室中测量。
利用这些特性产生表格(未示出)，并将该表格存储到阈值电路20中，该表格直接使应用特定的信号与小波去噪阈值边界相关。存储在阈值电路20内的阈值边界确定可被应用又不会降低对应用特定的信号所要求的性能的最大小波去噪阈值。
如上所述，本发明的典型实施例是DOCSIS CATV通信信号。本技术领域内的熟练技术人员知道，DOCSIS CATV信号可以包括多种通信信号(即，QPSK，16QAM，等)。这些信号分别具有为了期望给定的性能等级而必须实现的独特应用特定的要求。这些要求用该信号的要求的SNR、BER等表示。在图2所示的CATV通信的典型方框图中，位于前端205内的管理信息库(MIB)(未示出)容纳每种信号的特性，并在接收的通信信号内将这些信息发送到接收机。用户210利用媒体访问控制(MAC)芯片解释该信息。
一旦MAC芯片解释了MIB发送的信息，MAC就将与接收机接收的信号类型相关的特性转发到阈值电路20。阈值电路20接收来自MAC芯片的信息并选择将被滤波器13使用的阈值。以消除或者消弱代表噪声的小波分解系数的方式选择阈值。因此，可以在具有少量破坏，因此也就是增加的信噪比的情况下，重构具有最小噪声小波系数的未被破坏的输入信号。一旦获得了阈值，就将该阈值转发到滤波器13，以便与输入信号一同处理。
如上所述，滤波器13利用阈值电路20转发的所产生阈值来改变或者消除小波分解系数。然后，使改变的小波系数S(J-J，O)，U(J-J，O)通过IDWT14。本技术领域内的熟练技术人员知道，IDWT14在二元分解尺度上重新对准改变的数据，并且在其输出端产生信号处理器对接收信号所作的最佳估计值。然后，将IDWT14的输出信号转发到解调器15，在解调器15，恢复通过通信信号发送的数据。
图3示出去噪电路10的流程图。接收机的去噪电路10接收CATV通信信号(步骤101)。DWT111处理该接收信号(步骤102)，并将变换的信号转发到滤波器电路112(步骤103)。MAC芯片接收在接收信号内发送的信号类型信息(步骤104)，并将该信息转发到阈值电路20(步骤105)。阈值电路20利用该接收信息获得与该接收信号相关的预定阈值(步骤106)。然后，将获得的阈值转发到滤波器电路13(步骤107)。一旦滤波器电路13收到该阈值，滤波器电路13就利用所述阈值消除变换的接收信号中的噪声(步骤108)。将滤波的接收信号转发到IDWT14(步骤109)。然后，IDWT14重构该接收信号(步骤110)，并将它转发到解调器15(步骤111)，以提取通过该接收信号通信的数据(步骤112)。
如上所述的去噪电路10允许任何实时信号处理系统在存在多速率多模式通信系统的情况下对通信信道内的突发串和热噪声退化保持鲁棒。本发明还消除了根据信号局部统计量或全局统计量确定阈值的过程，而该过程需要足够多的统计量以实现鲁棒的可靠性，从而为实时应用的要求作好了准备。
图4示出用于接收机内的信号处理器的去噪电路10的变换实施例。替换去噪电路100包括DWT111、滤波器电路112、IDWT113、解调器114、采集器115以及阈值电路110。与上述去噪电路10相同，DWT111变换接收信号，并将它转发到滤波器电路112，滤波器电路112利用阈值电路110转发的阈值消除出现在接收信号内的噪声。
根据该变换实施例，阈值电路110包括多个存储器装置102、103，例如两个(2)；以及存储器装置选择器104。尽管示出两个(2)存储器装置，但是应该明白，可以使用任何数量的存储器装置。与优选实施例中描述的阈值电路20相同，第一存储器装置102包括与应用特定的信号类型相关的预定阈值。收到该通信信号后，第一存储器装置102获得与特定医用相关的阈值，并将它们转发到选择器104。
存储器选择器104首先确定从多个存储器装置102、103中的哪个存储器装置获取阈值。选择器104确定要获得的阈值是否是用于接收信号的初步去噪。有多种方法可以进行这种确定。一种典型方法是使用一个由MAC芯片101产生的信号，该信号表示该接收机是在初始接收信号，还是它已经在进行连续接收。如果是前者，则选择器104从第一存储器装置102接收阈值。如果是后者，则选择器104从第二存储器装置103接收阈值，第二存储器装置103开头与第一存储器装置102相同。
选择器104将该阈值转发到滤波器电路112。如上所述，滤波器112消除接收信号内存在的噪声，并将滤波的输出转发到IDWT113。然后IDWT113重构该接收信号而没有噪声，并将该重构信号转发到解调器114。
该重构信号被解调后，采集器115确定解调器114的特性(即，BER，SNR等)。然后，将这些特性转发到第二存储器装置103。存储器装置103将采集器115转发的特性与和滤波器112使用的阈值相关的特性进行比较。如果比较结果表明差值大于预定值，则第二存储器装置103根据该差值调整相关的阈值。可以以多种方式进行根据该差值调整阈值的过程。确定该调整过程的方法与该变换实施例没有密切关系。因此，在此对该方法不做详细说明。
一旦第二存储器装置103调整了该阈值，就将该阈值转发到选择器104，并输出到滤波器112进行处理。由采集器115将解调器114的特性与存储在第二存储器装置103内的特性进行比较，直到解调器114的特性在预定范围内，或者满足失败条件为止，在这种情况下，必须重发该接收信号，或者将该接收信号使用的频谱标记为不可用。
图5和6示出根据该变换实施例的去噪电路100的流程图。接收机的去噪电路100接收CATV通信信号(步骤501)。DWT111处理该接收信号(步骤502)，并将变换的信号转发到滤波器电路112(步骤503)。MAC芯片接收在接收信号内发送的信号类型信息(步骤504)，病将该信息转发到阈值电路110(步骤505)。第一存储器装置102使用该接收的信息获得与该接收信号相关的预定阈值(步骤506)。然后，将获得的预定阈值转发到滤波器电路112(步骤507)。一旦滤波器电路112收到所述阈值，滤波器电路112就利用所述阈值消除变换的接收信号中的噪声(步骤508)。将滤波的接收信号转发到IDWT113(步骤509)。然后，IDWT113重构该接收信号(步骤510)，并将它转发到解调器114(步骤511)。采集器115计算该重构信号的解调器特性(步骤512)，并将它们转发到阈值电路110(步骤513)。
收到所计算的解调器114的特性后，第二存储器装置103将计算的与预定的解调器特性进行比较(步骤514)。如果这些值之间的差值大于预定阈值并且不满足失败条件，则第二存储器装置103调整与该接收信号相关的阈值(步骤515)，并通过104将这些被调整的值转发到滤波器112进行处理(步骤507)。否则，从该接收信号提取数据(步骤514)。如果满足失败条件，则去噪电路10重新开始处理(步骤501)。
尽管上面结合专用设备对本发明原理进行了描述，但是我们清楚地明白，仅作为例子进行该描述，而该描述对本发明范围没有限制意义。
权利要求
1.一种用于通信系统的接收机，该接收机包括去噪电路，用于以由噪声产生的损失最小的条件从接收信号中提取信息，该去噪电路包括变换器，用于使接收信号与小波函数相关并产生小波分解系数；阈值电路，响应于接收信号，用于根据信号类型应用预定阈值；以及滤波器，连接到变换器和阈值电路，用于利用阈值电路应用的阈值改变由变换器产生的小波分解系数，以产生改变的小波系数，将从所述改变的小波系数以降低的噪声重构接收信号。
2.根据权利要求1所述的接收机，该接收机进一步包括解调器，用于解调从所述去噪电路输出的重构降噪信号以产生解调信号；解调信号特性采集器，与解调器相关，用于将信号量度输出到所述阈值电路；以及所述阈值电路具有用于响应从所述采集器输出的位于预定范围之外的信号量度，调整应用的阈值的电路系统。
3.根据权利要求2所述的接收机，其中所述阈值电路包括第一存储器装置，用于存储预定的初始阈值；以及第二存储器装置，用于将信号量度与所述预定范围进行比较并确定对应用的阈值进行的调整，所述预定范围基于信号类型。
4.根据权利要求3所述的接收机，其中所述去噪电路进一步包括反变换器，该反变换器连接到所述滤波器，用于响应来自所述滤波器的改变的小波系数重构接收信号，并将重构信号输出到所述解调器。
5.根据权利要求1所述的接收机，该接收机进一步包括解调器，该解调器用于解调从所述去噪电路输出的重构降噪信号，以产生包括来自所述接收信号的恢复信息的解调信号。
6.根据权利要求5所述的接收机，其中所述去噪电路进一步包括反变换器，该反变换器连接到所述滤波器，用于响应来自所述滤波器的改变的小波系数重构接收信号，并将重构信号输出到所述解调器。
7.一种以由噪声产生的损失最小的条件处理接收的通信信号的方法，该方法包括步骤使接收信号与小波函数相关，并产生小波分解系数；确定接收信号的类型；根据接收信号的类型应用预定阈值；以及利用应用的预定阈值改变小波系数，以产生改变的小波系数，从所述改变的小波系数以降低的噪声重构该接收信号。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法进一步包括步骤响应所述改变的小波系数，重构该接收信号；以及解调该重构的接收信号，以产生包括来自接收信号的恢复信息的解调信号。
9.根据权利要求7所述的方法，该方法进一步包括步骤解调重构的降噪信号，以产生解调信号；采集所述解调信号的信号量度；以及响应位于预定范围外的采集信号量度调整该应用的阈值，从而调整小波系数的所述改变。
10.根据权利要求7所述的方法，该方法进一步包括步骤响应所述改变的小波系数，重构该接收信号；以及将所述信号量度与所述预定范围进行比较并确定对所述应用的阈值所作的所述调整，其中所述预定范围基于信号类型。
11.一种用于以由噪声产生的损失最小的条件从接收信号中提取信息的接收机的去噪电路，该去噪电路包括变换器，用于使接收信号与小波函数相关并产生小波分解系数；阈值电路，响应接收信号，用于根据信号类型应用预定阈值；以及滤波器，连接到变换器和阈值电路，用于利用阈值电路应用的阈值改变由变换器产生的小波分解系数，以产生改变的小波系数，从所述改变的小波系数以降低的噪声重构该接收信号。
12.根据权利要求11所述的去噪电路，该去噪电路与解调器、调信号特性采集器相关联，其中所述解调器用于解调从所述去噪电路输出的重构降噪信号，以产生解调信号，所述解调信号特性采集器与所述解调器相关联，用于将信号量度输出到所述阈值电路，其中所述阈值电路具有用于响应从所述采集器输出的位于预定范围之外的信号量度，调整应用的阈值的电路系统。
13.根据权利要求12所述的去噪电路，其中所述去噪电路包括第一存储器装置，用于存储预定的初始阈值；以及第二存储器装置，用于将信号量度与所述预定范围进行比较，并确定对应用的阈值进行的调整，所述预定范围基于信号类型。
14.根据权利要求14所述的去噪电路，该去噪电路进一步包括反变换器，该反变换器连接到所述滤波器，用于响应来自所述滤波器的改变的小波系数重构接收信号，并将重构信号输出到所述解调器。
全文摘要
本发明公开了一种在以因噪声产生的损失最小的情况从接收信号中提取信息的方法和系统，该系统包括变换器，用于使接收信号与小波函数相关，并产生小波分解系数；以及阈值电路，其响应接收信号，用于根据信号类型应用预定阈值。该系统还包括滤波器，该滤波器连接到变换器和阈值电路，用于利用阈值电路应用的阈值，改变变换器产生的小波分解系数，以产生改变的小波系数，从该改变的小波系数以降低的噪声重构该接收信号。
文档编号H03H17/02GK1625842SQ03803093
公开日2005年6月8日 申请日期2003年1月10日 优先权日2002年1月18日
发明者帕特里克·D·斯密斯, 罗伯特·吾斯卡尔, 威廉姆·C·哈特 申请人:通用仪器公司