張 磊，吳 穎

（1.北京合眾偉奇科技有限公司，河南 鄭州 450000；2.中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院，河南 鄭州450000）

0 引 言

當(dāng)HPLC通信信號(hào)經(jīng)過(guò)多分辨率的分析和分解后，各個(gè)離散形式的信號(hào)均可以有效代表原始信號(hào)中不同頻率的組成[1]。由于產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)通常是具有峰狀信號(hào)分布的，因此通過(guò)對(duì)HPLC通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制識(shí)別可以準(zhǔn)確找出峰尖與峰谷之間的頻率差，并利用相關(guān)技術(shù)得到分辨強(qiáng)度更高的信號(hào)成分。傳統(tǒng)HPLC通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別方法通常采用復(fù)雜算法進(jìn)行，因此得到的結(jié)果與實(shí)際相差較大，且操作過(guò)程繁瑣，增加了調(diào)制識(shí)別的時(shí)間[2]。對(duì)此，本文基于深度學(xué)習(xí)算法的高精度、推理速度快、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，提出了一種全新的HPLC通信信號(hào)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別方法。

1 HPLC通信信號(hào)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別方法設(shè)計(jì)

HPLC通信最大的困擾是電力線上的雜波干擾。因此，在通信信號(hào)自動(dòng)調(diào)制與識(shí)別研究中，將抗干擾性能作為首要解決問(wèn)題，在維持通信帶寬不變的前提下，努力降低通信誤碼率。基于深度學(xué)習(xí)算法的強(qiáng)大分析能力與糾錯(cuò)功能，在HPLC通信中可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的智能分解與動(dòng)態(tài)調(diào)制，并在接收端能夠自動(dòng)糾正誤碼，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別?；谶@一設(shè)計(jì)思想，提出了對(duì)通信信號(hào)隱含特征的分析與提取，利用深度學(xué)習(xí)算法計(jì)算通信信號(hào)的深層次信息熵值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)制與識(shí)別?；灸Ｐ涂擅枋鰹椤霸O(shè)定信號(hào)處理參數(shù)—深度學(xué)習(xí)算法解算低層信號(hào)隱含特征—迭代計(jì)算高層隱含特征—建立目標(biāo)特征映射集—信息預(yù)測(cè)與識(shí)別—信號(hào)輸出”。

1.1 HPLC通信信號(hào)參數(shù)設(shè)定及處理

針對(duì)HPLC通信信號(hào)的自動(dòng)調(diào)制識(shí)別方法，首先應(yīng)當(dāng)設(shè)定信號(hào)參數(shù)，保證通信信號(hào)的采集量能夠充分滿足調(diào)制識(shí)別要求，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，使其具備正確的信號(hào)標(biāo)注方式。本文方法中的信號(hào)是針對(duì)高效液相色譜HPLC產(chǎn)生的通信信號(hào)，因此需要設(shè)定信號(hào)頻率范圍。選擇的設(shè)定方式是將信號(hào)統(tǒng)一化處理為中頻信號(hào)，即信號(hào)的載波頻率與采集頻率的比值控制在1/4的定值，即將采集速率設(shè)置為84.4 kHz，則載波的頻率值為84.4 kHz。

采集信號(hào)時(shí)可能產(chǎn)生的測(cè)量誤差通常在±4.3%的符號(hào)速率范圍以內(nèi)，因此對(duì)產(chǎn)生的HPLC通信信號(hào)中的載波頻率上隨機(jī)增加±9%的符號(hào)速率隨機(jī)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率采集的校正[3]。通常情況下，采集信號(hào)速率與符號(hào)速率之間的比值在3～18倍，因此設(shè)置信號(hào)的符號(hào)速率范圍在3.7～23.5 kHz范圍內(nèi)，完成對(duì)信號(hào)采集頻率的范圍設(shè)定。此外，根據(jù)載噪比范圍等其他信號(hào)采集要求，完成信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定。

在信號(hào)采集過(guò)程中，通常信號(hào)的強(qiáng)弱是不統(tǒng)一的。因此，根據(jù)采集的信號(hào)設(shè)置信號(hào)振幅無(wú)法得到固定數(shù)值。為了保證調(diào)制識(shí)別方法的泛化能力，將信號(hào)賦值也進(jìn)行歸一化處理。采用0均值標(biāo)準(zhǔn)化的歸一化方法，表達(dá)式為：

式中，g表示歸一化處理后的HPLC通信信號(hào)數(shù)據(jù)；i表示采集到的HPLC通信信號(hào)；α表示HPLC通信信號(hào)的均值；?表示均值標(biāo)準(zhǔn)差。將采集的原始數(shù)據(jù)集按照式（1）統(tǒng)一成為均值為0、方差為1的數(shù)據(jù)集合，完成信號(hào)數(shù)據(jù)的歸一化處理。

1.2 基于深度學(xué)習(xí)算法的信號(hào)隱含特征提取

完成參數(shù)設(shè)定及歸一化處理后的HPLC通信信號(hào)，還需要利用深度學(xué)習(xí)算法提取信號(hào)中多層隱含特征。低隱含層通常為5～6層，高隱含層可高達(dá)10多層。設(shè)置信號(hào)的低隱含層、高隱含層節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)的二進(jìn)制變量節(jié)點(diǎn)，取值為0或1，同時(shí)設(shè)置其特征的概率分布充分滿足Boltaman分布特點(diǎn)。

低隱含層與高隱含層均不與外界環(huán)境直接接觸，主要作用是從數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)調(diào)制識(shí)別特征。低隱含層與高隱含層之間是雙向連接的，但高隱含層內(nèi)部和低隱含層內(nèi)部之間無(wú)連接。因此，本文采用無(wú)監(jiān)督深層學(xué)習(xí)算法對(duì)HPLC通信信號(hào)的高隱含層和低隱含層進(jìn)行訓(xùn)練，計(jì)算公式為：

式中，x(t)表示無(wú)監(jiān)督深層學(xué)習(xí)訓(xùn)練后得到的隱含層特征參數(shù)；N表示疊加平均次數(shù)；si(t)表示第i層隱含層的原信號(hào)；ni(t)表示第i層隱含層的干擾噪聲，以此類推完成對(duì)高隱含層和低隱含層的特征提取。

1.3 隱含特征到調(diào)制識(shí)別目標(biāo)映射

通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法提取HPLC通信信號(hào)隱含層特征后，根據(jù)輸出的不同特征的信號(hào)閾值對(duì)其進(jìn)行調(diào)制識(shí)別目標(biāo)映射。采用決策樹(shù)的分類方式，將具備不同隱含特征的HPLC通信信號(hào)劃分為根節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)3個(gè)基本構(gòu)造。比較輸出信號(hào)樣本的特征及閾值，確定其是否可進(jìn)入到下一等級(jí)。采用隱含特征X1閾值判斷多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制信號(hào)和正交振幅調(diào)制信號(hào)，再采用隱含特征X2閾值判斷二進(jìn)制振幅調(diào)制信號(hào)和載波調(diào)制信號(hào)，以此類推完成對(duì)多個(gè)隱含特征閾值在不同調(diào)制識(shí)別目標(biāo)中的映射。通過(guò)決策樹(shù)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整隱含特征閾值，實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別率。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)不同的判定特征數(shù)值對(duì)其進(jìn)行調(diào)制識(shí)別。

1.4 通信信號(hào)信息預(yù)測(cè)與識(shí)別

在HPLC通信中，受功率載波發(fā)生機(jī)理的限制，信號(hào)中存在固定頻率或隨機(jī)離散頻率的干擾源，通信載波會(huì)受到干擾信號(hào)N次諧波的影響，造成頻率抖動(dòng)或碼位錯(cuò)亂，抬升了通信的誤碼率，甚至?xí)l(fā)信息錯(cuò)誤。深度學(xué)習(xí)算法在提取通信信號(hào)的隱含特征后，通過(guò)識(shí)別目標(biāo)映射集限定條件的判斷，發(fā)現(xiàn)并剔除其中的干擾頻率，并整合信息全文預(yù)測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的碼位值，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的復(fù)原。在深度學(xué)習(xí)算法的HPLC通信信道中，具有時(shí)間相關(guān)性的信息作為一個(gè)整體處理，在信息的每一幀數(shù)據(jù)中增加數(shù)據(jù)提取與分析，結(jié)合振幅調(diào)制信號(hào)中附加的校驗(yàn)信息完成對(duì)信息正確性的判斷，并通過(guò)先驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)幀中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤予以修正。HPLC通信在有線傳輸方式下所占用的帶寬相對(duì)較寬，而收端又采用深度學(xué)習(xí)相關(guān)性檢測(cè)的辦法解調(diào)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過(guò)窄帶濾波技術(shù)提取有用信號(hào)?；谶@樣的工作原理，對(duì)于系統(tǒng)干擾信號(hào)和線路隨機(jī)干擾信號(hào)，因其在接收端的非相關(guān)性特征，解調(diào)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，此時(shí)利用深度學(xué)習(xí)算法可以快速檢測(cè)和識(shí)別，因此抗干擾性強(qiáng)。基于深度學(xué)習(xí)算法的智能處理能力，提升了HPLC通信的抗干擾能力，在通信帶寬不變條件下降低了信道誤碼率。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇某智能小區(qū)中的骨干HPLC網(wǎng)絡(luò)作為本文實(shí)驗(yàn)的硬件配置平臺(tái)。在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)虛擬的仿真HPLC通信信號(hào)網(wǎng)，并設(shè)置通信信號(hào)的傳輸速率為1 220 b/s，信號(hào)采集速率為84.4 kHz。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)軟件，隨機(jī)產(chǎn)生1 000路HPLC通信信號(hào)，分別利用本文方法與傳統(tǒng)方法對(duì)不同通信協(xié)議下的1 000路HPLC通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制識(shí)別，對(duì)比兩種方法的性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，完成本文方法與傳統(tǒng)方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為了方便比較，設(shè)置本文方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)方法為對(duì)照組，根據(jù)兩組方法的調(diào)制識(shí)別結(jié)果，繪制如圖1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖1可以看出，實(shí)驗(yàn)組在對(duì)HPLC通信信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)制識(shí)別時(shí)，錯(cuò)誤個(gè)數(shù)明顯小于對(duì)照組，且隨著HPLC通信信號(hào)個(gè)數(shù)的增加，對(duì)照組的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)呈現(xiàn)逐漸陡峭的遞增趨勢(shì)，而實(shí)驗(yàn)組隨著深度學(xué)習(xí)算法的逐漸熟練，錯(cuò)誤個(gè)數(shù)的增加趨勢(shì)明顯得到緩解。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于深度學(xué)習(xí)算法的HPLC通信信號(hào)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別方法可有效提高調(diào)制識(shí)別的準(zhǔn)確性，減少錯(cuò)誤識(shí)別的產(chǎn)生數(shù)量，從而保證通信信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。另外，本文選取的信號(hào)來(lái)自不同通信協(xié)議下，由此也可對(duì)比兩種方法對(duì)通信協(xié)議的兼容程度?？梢钥闯?，本文方法兼容性較強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本文基于深度學(xué)習(xí)算法的HPLC通信信號(hào)的自動(dòng)調(diào)制識(shí)別方法進(jìn)行探究和研究，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法中的無(wú)監(jiān)督深層學(xué)習(xí)提高信號(hào)調(diào)制識(shí)別的準(zhǔn)確性，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)比了該方法與傳統(tǒng)信號(hào)調(diào)制識(shí)別方法的性能，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出該方法可行性更高，具有更好的調(diào)制識(shí)別效果。