一種從被分析信號中去除已知噪聲的方法

2023-09-19 06:53:55 1

專利名稱：一種從被分析信號中去除已知噪聲的方法
技術領域：
本發明涉及一種去除噪聲的方法，特別是涉及一種從被分析信號中去除已知 噪聲的方法。
背景技術：
有許多場合需要從被分析信號中去除已知噪聲。例如，電子示波器在運行過 程中，由於其電子元件的熱電效應，不可避免地產生噪聲，這種噪聲被稱為示波器的固有噪 聲，是一種己知噪聲。當被測量的信號很弱的時候，示波器固有噪聲就變得相對突出，必須 給予清除。
現有的各種噪聲去除方法，例如小波去噪，傅立葉去噪等方法可以去除被分析信號中的 噪聲。但是由於被分析信號中也帶有噪聲，屬於被測試信號的一部分，應該給予保留。應用 現有的噪聲去除方法，無法有區別地僅僅去除已知噪聲而保留噪聲信號
發明內容
對於被分析信號s(o
其中S為被分析對象的基本信號，7V、為被分析對象的噪聲信號，A^。^為已知噪聲，並且 W,和具有相似的噪聲特性，現有技術難以僅僅去除iVto。w 而保留被分析對象的噪聲信 號A^。本發明的目的在於克服在先技術的不足而提出的一種從被分析信號中去除已知噪聲 的方法。這種方法通過將噪聲從信號中分離並且分析對比分離的噪聲和已知噪聲，從被分析 信號中去除與已知噪聲相同分量的噪聲來達到僅僅去除已知噪聲的目的。該方法包括下列步 驟首先，用小波變換將被分析信號中的噪聲分離出來，並且與已知噪聲進行對比。不斷調 整噪聲分離的力度直到被分離的噪聲與已知噪聲相似或相同，此時被分析信號減去分離的噪 聲即為被分析對象的有效信號，其中保留了被分析對象的基本信號和噪聲信號。
本發明方法可以採用以下技術方案來實現
1.應用小波變換將被分析信號中的噪聲分離出來。本領域的技術人員都知道，對時域信號 作小波變換，可以獲得信號在時間一頻率域的小波變換係數矩陣，該小波變換係數矩陣
可以通過小波逆變換再次變換為時域信號。小波去噪的原理為，小波變換係數矩陣『co中 的較小數值係數代表了信號的噪聲。將『co中所有小於等於某一閾值f。的係數為零，得 到新的小波變換係數矩陣『co':
formula see original document page 3然後對『co'實施小波逆變換，可以得到去除了噪聲的新的信號波形S乂0 。
在本發明中，我們將小波變換係數矩陣『co中所有大於某一閾值^。的係數為零，得到新的小
波變換係數矩陣『co":
「0 (|Wco|>/0)
]Wco (|Wco|^t0) 、,
然後對『co"實施小波逆變換，從而得到被分析信號的噪聲成分信號波形，即噪聲信號S"(O。 由於
『co =(4) 對(4)作小波逆變換得到
柳^'W + S"(f) (5) 也即
S"(,)-柳-, (6)
因此，我們可以通過計算(3)然後實施小波逆變換，或者通過先計算(2)然後實施小波逆變換 獲得S'(f)，再計算(6)來獲得分離後的噪聲信號S"(0。而且，通過調整上述閾值f。的大小， 我們可以控制信號分離後信號S'W與噪聲S"(f)的大小。
2.通過調整上述閾值r。的大小，獲得不同大小的51，)，並且將S，)與A^^比較，直到兩 者相等或者非常相似，即y'(/)sA^,。這時根據(2)進行去噪。由於去除的噪聲S"(/)相 當於A^自大小，使得(5)中的S"(0為零以及式(1)中的A^^為零。將(1)代入(5)，我們有 闢)sS +氣 (7) 從而達到了去除被分析信號中已知噪聲的目的。
與在先技術相比，本發明的方法具有顯著的優點通過將被分析信號中的噪聲與有效信 號分離，同時將分離的噪聲信號與已知噪聲進行比較，控制信號去噪(分離)的深度直至兩 者非常相似或相同，然後去除分離的噪聲信號，可以僅僅去除被分析信號中的已知噪聲，達 到預定目的。而在先技術無法去除特定的噪聲而保留其它噪聲。本發明的方法的實施效果主 要取決於被分離噪聲和已知噪聲的相似度，而與被分析信號和已知噪聲信號的特性以及所採 用的去噪方法和比較方法無關，具有通用性。


圖1是本發明的方法步驟的示意圖。
圖2是本發明方法各實施例中涉及的信號波形。
最佳實施例1以下結合各附圖通過實施例對本發明作進一步詳細說明。
本實施例1首先用一臺Agilent Infiniiwn示波器測量一臺AHY1802D直流電壓穩壓器的 輸出電壓信號，然後用本發明方法去除示波器固有噪聲。如圖1中所示，本發明實施l具體
方法步驟為獲取被分析的數據。用示波器記錄被測量的信號S(/)。 S(0如圖2(a)所示。
獲取已知噪聲信號。保持示波器的工作狀況不變，僅僅將示波器探頭與示波器測試
埠斷開，再次測量，獲得示波器在同樣工作狀況下的固有噪聲信號A^。目。W^^"如圖2(b)所示。
對被分析信號作小波變換獲得變換係數矩陣『0>。本領域的技術人員都知道，有多 種市售或者免費軟體可以進行小波去噪。本實施例採用MATLAB數據分析軟體包的數據讀 入函數讀取被分析的信號數據，然後根據(2)用MATLAB提供的小波變換函數對被分析的信 號數據處理獲得小波變換矩陣Wc。.本領域的技術人員都可以通過閱讀MATLAB使用手冊使 用各種函數。
0設定一個新的去噪閾值f。並且根據to分離噪聲信號S"(t)。具體操作為，確定一個大 小介於fFco中的最大值和最小值之間的閾值f。，然後根據(3)將Wco中所有大於f。的係數為 零，然後對,o'實施小波逆變換得到分離的信號噪聲S"(f)。 S"(f)波形如圖2(c)所示
將S"(r)與已知噪聲的波形進行比較，如果S"(r)大於已知噪聲，則返回步驟， 選擇較小的f。重新處理；如果S"(O小於已知噪聲，則返回步驟,選擇較大的~重新處理， 直到處理後的S"(O與已知噪聲相似。記錄此時的^值。
獲得去噪後的信號。採用步驟確定的/。值，根據式(2)，將小於或等於/。的小波變
換係數置零，獲得新的係數矩陣『M'。對『o/實施小波逆變換，得到去除了噪聲的新的信
號波形S'(O。 S'(f)波形如圖2(d)示。
最佳實施例2 實施例2的實施對象與實施1相同，其具體方法步驟為-
獲取被分析的數據。用示波器記錄被測量的信號S(O。 S(,)如圖2(a)所示。
獲取已知噪聲信號。保持示波器的工作狀況不變，僅僅將示波器探頭與示波器測試
埠斷開，再次測量，獲得示波器在同樣工作狀況下的固有噪聲信號A^,。 JN^。^如圖2(b)所示。
對被分析信號用MATLAB作小波變換獲得變換係數矩陣『co 。具體操作與實施例1 相同。
設定一個新的去噪閾值/。並且根據^去噪，獲得去噪後的信號S'(O，然後根據s'(o 推算出S"(r)。具體操作為，確定一個大小介於Wra中的最大值和最小值之間的/。，然後根 據(2)應用MATLAB的小波工具包對信號根據/。進行去噪，獲得去噪後的信號。再根據 式(6)從被分析信號S(0中減去S'W獲得噪聲信號S"W 。本領域的技術人員都可以通過閱讀 MATLAB手冊使用小波工具箱完成上述操作。
將S'^)與已知噪聲的波形迸行比較，如果S"的大於已知噪聲，則返回步驟,選擇較小的^重新處理；如果S"(O小於已知噪聲，則返回步驟,選擇較大的/。重新處理， 直到處理後的S"W與已知噪聲相似，這時最後一次獲取的去噪後的信號S'(,)就是要求的去 除了已知噪聲的信號。
最佳實施例3實施例1和實施例2都是將分離的噪聲和已知噪聲在時間域裡進行比 較。在實施例3和4中，我們將分離的噪聲和已知噪聲在頻率域裡進行比較，其具體方法步 驟為
獲取被分析的數據。用示波器記錄被測量的信號S(/)。 S(0如圖2(a)所示。 獲取已知噪聲信號。保持示波器的工作狀況不變，僅僅將示波器探頭與示波器測試 埠斷開，再次測量，獲得示波器在同樣工作狀況下的固有噪聲信號A^。w。 W^。^如圖2(b)所示。
對被分析信號作小波變換獲得變換係數矩陣『^ 。具體操作與實施例1相同。 設定一個新的去噪閾值/。並且根據to將被分析信號的噪聲從小波變換係數矩陣『co
中分離並且計算頻譜。具體操作為，確定一個大小介於『co中的最大值和最小值之間的閾值 ~,根據(3)將P^o中所有大於^。的係數為零。然後按照式(8)計算獲得被分離噪聲的小波變
換係數矩陣的頻譜。
『
1 7'
乂 w,
(8)
其中^^f,為小波變換係數頻譜，"為小波變換係數矩陣的行下標，對應於頻率，T為 小波變換係數矩陣的列下標，對應於時間
對已知噪聲作小波變換獲得變換係數矩陣，然後按照式(8)計算獲得己知噪聲的小波 變換係數矩陣的頻譜-
觀察比較被分離噪聲的小波變換頻譜和已知噪聲的小波變換頻譜。如果被分離噪聲 的小波變換頻譜大於已知噪聲的小波變換頻譜，則返回步驟,選擇較小的~重新處理；反 之，則返回步驟,選擇較大的~重新處理，直到處理後的分離噪聲的頻譜和已知噪聲的頻 譜大小相似。記錄此時的 。值。
獲得去噪後的信號。採用步驟確定的~值，根據式(2)，將小於或等於f。的小波變 換係數置零，獲得新的係數矩陣『co'。對l^co'實施小波逆變換，得到去除了噪聲的新的信 號波形5"0)。 S'(/)波形如圖2(d)示。
最佳實施例4實施例4是在實施例1或實施例2的從被分析信號分離噪聲後，對分離 噪聲和已知噪聲分別作傅立葉變換，然後比較兩者的傅立葉變換頻譜大小來調整去噪深度。 本領域的技術人員都可以通過MATLAB的傅立葉變換函數完成上述操作。本發明方法的原理及功能為，通過小波變換將噪聲從被分析信號中分離出來，分析對比 從被分析信號中分離的噪聲和已知噪聲，調整噪聲分離的深度直到分離的噪聲與已知噪聲相 似或相等，然後，從被分析信號中去除分離的噪聲，從而達到僅僅去除已知噪聲的目的。需 要指出，本發明方法的實施的效果取決於被分離噪聲與已知噪聲的相似度，與被分析信號的 特性以及採用何種去噪方法和比較方法無關。以上實施例僅為說明本發明方法的原理及功 能，並非限制本發明。因此熟悉本領域的技術人員對上述實施例所做的不違背本發明精神的 修改及變化，例如，採用不同的去噪方法和對被分離噪聲與已知噪聲的相似度的評定方法， 仍然為本發明所涵蓋。本發明的權利範圍應如本專利申請權利要求所列。
權利要求
1、一種從被分析信號中去除已知噪聲的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟獲取被分析的信號；獲取已知噪聲信號；將噪聲從被分析信號中分離出來；調整噪聲分離的深度，直到被分離的噪聲等於或相似於已知噪聲信號。
2、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於其中所述的噪聲分離，包括對被分析信號作 小波變換獲得小波變換係數矩陣。然後將小波變換係數矩陣中大於某一閾值t0的係數置零； 或者將小波變換係數矩陣中小於某一閾值to的係數置零。
3、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於其中所述的噪聲分離的深度控制，包括比較 被分離的噪聲和已知噪聲和改變閾值to的大小。
4、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於其中所述的被分離的噪聲和已知噪聲的比較， 包括將被分離的噪聲和己知噪聲在時間域進行比較或在頻率域進行比較。
全文摘要
一種從被分析信號中去除已知噪聲的信號處理方法。其原理及功能為，通過小波變換將噪聲從被分析信號中分離出來，分析對比從被分析信號中分離的噪聲和已知噪聲，調整噪聲分離的深度直到分離的噪聲與已知噪聲相似或相等，然後，從被分析信號中去除分離的噪聲，從而達到僅僅去除已知噪聲，而保留被分析對象的基本信號和噪聲信號的目的。
文檔編號G06F17/14GK101551413SQ20081009081
公開日2009年10月7日 申請日期2008年4月6日 優先權日2008年4月6日
發明者偉 吳 申請人:偉 吳