本發(fā)明屬于無線光通信領(lǐng)域，涉及無線光通信的接收機(jī)處理算法，尤其涉及一種無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)的方法，本方法可降低大氣信道和噪聲對(duì)光信號(hào)的影響。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于通信的速率、方式、覆蓋范圍、可靠性和安全性等方面的要求在不斷增加。在此需求之下，無線光通信作為一種新興的通信方式走入了人們的視野，成為廣泛重視的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，無線光通信系統(tǒng)一般采用大氣信道作為傳輸媒介，大氣信道的隨機(jī)性，背景光干擾以及光電探測(cè)器等噪聲會(huì)對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生較大的影響，噪聲導(dǎo)致通信系統(tǒng)誤碼率的上升，嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而降低通信系統(tǒng)的誤碼率是必要的，也是有效的。強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)是最為簡(jiǎn)單常用且比較容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，是比較理想的無線光通信系統(tǒng)。

目前，主要的接收機(jī)處理算法有：最大似然算法，在已知信道模型以及參數(shù)的情況下，可以通過最大似然求出閾值從而將誤碼率降低；基于訓(xùn)練序列的處理算法，通過對(duì)訓(xùn)練序列的處理，估計(jì)出信道模型參數(shù)從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；盲檢測(cè)算法，在未知信道信息的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。雖然這些算法在一定程度上降低了通信系統(tǒng)的誤碼率，但是這些算法沒有能夠?qū)νㄐ畔到y(tǒng)中引入的噪聲進(jìn)行有效的處理，從而限制了誤碼率的進(jìn)一步降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)的方法，針對(duì)無線光通信系統(tǒng)，結(jié)合小波閾值去噪算法的優(yōu)勢(shì)，可有效的將經(jīng)大氣信道影響的光波中提取出信號(hào)并且進(jìn)行判決；同時(shí)，利用大氣信道的時(shí)間相關(guān)性，能夠在未知信道信息的情況下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)判決。因此，相比于傳統(tǒng)的無線光通信檢測(cè)算法，本發(fā)明具有更好的噪聲性能和更低的算法復(fù)雜度，可降低大氣信道和噪聲對(duì)光信號(hào)的影響。

本發(fā)明的原理是：現(xiàn)有算法難以對(duì)通信系統(tǒng)中引入的噪聲進(jìn)行有效的處理，從而限制了誤碼率的進(jìn)一步降低?；诖?，本發(fā)明結(jié)合盲檢測(cè)算法和去噪算法二者的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于去噪算法的盲檢測(cè)接收機(jī)算法。與現(xiàn)有的接收算法相比，本發(fā)明提出的接收機(jī)算法能夠大幅度降低通信系統(tǒng)的誤碼率，提高通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量。具體地，本發(fā)明基于小波閾值去噪算法的盲檢測(cè)接收算法，利用小波閾值去噪對(duì)接收序列進(jìn)行噪聲去除。考慮到大氣湍流信道的特性，針對(duì)接收信號(hào)將傳統(tǒng)的小波閾值去噪進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的小波閾值去噪算法更適應(yīng)于大氣信道，相比于傳統(tǒng)的小波閾值去噪算法，能夠更有效的抑制通信過程中引入的加性噪聲。經(jīng)過小波閾值處理后的接收序列，采用閾值進(jìn)行判決，得到判決結(jié)果。判決時(shí)利用大氣信道引起的大氣湍流具有低頻的特點(diǎn)，考慮一定長(zhǎng)度的序列進(jìn)行判決。針對(duì)選取的序列，首先采用最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行判決，即均值作為判決閾值。但是，為了能夠進(jìn)一步提高接收算法的性能，利用第一次判決得到的結(jié)果，考慮最大后驗(yàn)概率判決準(zhǔn)則，得到最終判決結(jié)果。由于首先對(duì)接收序列進(jìn)行了去噪處理，因此在判決時(shí)，噪聲得到了很好的抑制，相比于傳統(tǒng)的接收算法，本算法具有更好的性能。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)的方法，針對(duì)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM/DD)系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)，通過信號(hào)去噪和兩次閾值判決，將信號(hào)輸出給系統(tǒng)的接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)接收機(jī)；包括如下步驟：

1)對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣后的信號(hào)進(jìn)行離散小波變換。

采用快速小波分解算法，小波基為Haar小波基，分解層數(shù)為三層，經(jīng)驗(yàn)證三層分解即可以達(dá)到比較好的去噪效果；分解層數(shù)越多所需的信號(hào)處理時(shí)間越長(zhǎng)；

2)將變換到小波域的信號(hào)采用硬閾值函數(shù)進(jìn)行處理。

由于本發(fā)明設(shè)計(jì)的小波閾值去噪算法隨著分解級(jí)數(shù)的增加，閾值在逐漸衰減，因此不同于傳統(tǒng)的小波閾值去噪，本發(fā)明中，在小波域要針對(duì)每層小波系數(shù)分別進(jìn)行處理；

3)將處理后的小波系數(shù)通過快速離散小波逆變換至?xí)r域，完成去噪過程；

4)將經(jīng)過噪聲去除的信號(hào)選取一定長(zhǎng)度的觀測(cè)窗口，觀測(cè)窗口內(nèi)的序列進(jìn)行統(tǒng)一判決，判決閾值為均值。大于閾值判決為1，否則判決為0；

觀測(cè)窗口的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，觀測(cè)窗口的寬度決定誤碼率的最小值。隨著觀測(cè)窗口的增加，在高信噪比處檢測(cè)性能提高，但是每次判決需要的數(shù)據(jù)量增加，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的延遲。經(jīng)驗(yàn)證，觀測(cè)窗口取20至30比特時(shí)基本能夠達(dá)到較好的性能。如果對(duì)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求不高，可以取更長(zhǎng)的觀測(cè)窗口。

5)考慮最大后驗(yàn)概率判決準(zhǔn)則，結(jié)合第一次判決的結(jié)果，進(jìn)行第二次閾值判決，得到最終判決結(jié)果。

本發(fā)明設(shè)計(jì)基于小波閾值去噪的盲檢測(cè)接收算法，主要設(shè)計(jì)了上述信號(hào)處理判決模塊，將光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以及進(jìn)行信號(hào)處理、判決，最終輸出發(fā)射端所傳送的信號(hào)。本發(fā)明在判決時(shí)，為了提高判決效果，采用了兩次閾值判決，第一次判決采用最大似然準(zhǔn)則，第二次判決采用最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于去噪算法的盲檢測(cè)接收。由于本發(fā)明算法中涉及的小波變換等方面，均有成熟的分解算法，算法復(fù)雜度較低，而且處理性能也優(yōu)于一般的盲檢測(cè)算法。同時(shí)，考慮了信道的具體特性，對(duì)傳統(tǒng)的小波閾值算法進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了小波閾值去噪的效果，提高了接收系統(tǒng)的靈敏度。

本發(fā)明針對(duì)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM/DD)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中包括光源(激光器)，信號(hào)源，強(qiáng)度調(diào)制器，發(fā)射天線，接收天線，光電探測(cè)器以及信號(hào)處理判決模塊。所述的光源(激光器)、信號(hào)源、強(qiáng)度調(diào)制器、發(fā)射天線構(gòu)成系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)，所述的接收天線、光電探測(cè)器以及信號(hào)處理判決模塊構(gòu)成系統(tǒng)的接收機(jī)。本發(fā)明主要涉及信號(hào)處理判決模塊，通過信號(hào)處理判決模塊的設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。

所述的系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的光源，強(qiáng)度調(diào)制器，發(fā)射天線之間用光纖進(jìn)行連接，所述的系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的信號(hào)源和強(qiáng)度調(diào)制器之間用微波線進(jìn)行連接。

所述的系統(tǒng)接收機(jī)的接收天線，光電探測(cè)器之間用光纖進(jìn)行連接。所述的系統(tǒng)接收機(jī)的光電探測(cè)器和信號(hào)處理判決模塊用微波線進(jìn)行連接。

所述的光源，采用激光器，其作用是輸出穩(wěn)定的光波，作為無線光通信系統(tǒng)的光載波。典型的并不限于此，波長(zhǎng)可采用1550nm波段，此波段是處于大氣通信窗口，而且，此波段作為傳統(tǒng)的光纖通信常用波段，商用光電器件發(fā)展較為成熟。

所述的信號(hào)源在本系統(tǒng)中考慮OOK非歸零碼，通過強(qiáng)度調(diào)制器將OOK非歸零碼調(diào)制于光載波上。

所述的發(fā)射天線將經(jīng)過信號(hào)調(diào)制的光波發(fā)射于大氣信道中。

所述的接收天線的作用是將發(fā)射機(jī)發(fā)射于空間中的光耦合入光纖中，經(jīng)過光電探測(cè)器探測(cè)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

現(xiàn)有的無線光通信強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)算法，一般需要已知信道的狀態(tài)，或者信道模型參數(shù)等信道信息，因此需要先對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。而且，現(xiàn)有的算法沒有針對(duì)信號(hào)傳輸過程中引入的噪聲進(jìn)行處理，從而很大程度上限制了系統(tǒng)的性能?；诖?，本發(fā)明提供一種無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)的方法，針對(duì)無線光通信系統(tǒng)，結(jié)合盲檢測(cè)算法和去噪算法的優(yōu)勢(shì)，有效地將經(jīng)大氣信道影響的光波中提取出信號(hào)并且進(jìn)行判決；同時(shí)，利用大氣信道的時(shí)間相關(guān)性，能夠在未知信道信息的情況下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)判決。因此，相比于傳統(tǒng)的無線光通信檢測(cè)算法，本發(fā)明能夠在很大程度上抑制信號(hào)傳輸過程中引入的噪聲，具有更好的誤碼率性能，而且，可以在未知信道狀態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)。本發(fā)明具有更好的噪聲性能和更低的算法復(fù)雜度，可降低大氣信道和噪聲對(duì)光信號(hào)的影響。

附圖說明

圖1是大氣無線光通信IM/DD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中基于去噪算法的OOK無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)算法的流程框圖；

其中，i_OOK[k]表示經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化的電信號(hào)序列，表示去噪后的信號(hào)，k表示信號(hào)序列號(hào)，T₁表示計(jì)算得到的第一次判決閾值，L₁表示根據(jù)第一次判決結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的‘1’的序列個(gè)數(shù)，L₀表示根據(jù)第一次判決結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的‘0’的序列個(gè)數(shù)，T₂計(jì)算得到的第二次判決閾值，表示經(jīng)過算法處理得到的最終檢測(cè)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供一種無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)的方法，針對(duì)無線光通信系統(tǒng)，結(jié)合盲檢測(cè)算法和去噪算法的優(yōu)勢(shì)，有效地將經(jīng)大氣信道影響的光波中提取出信號(hào)并且進(jìn)行判決；同時(shí)，利用大氣信道的時(shí)間相關(guān)性，能夠在未知信道信息的情況下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)判決。因此，相比于傳統(tǒng)的無線光通信檢測(cè)算法，本發(fā)明能夠在很大程度上抑制信號(hào)傳輸過程中引入的噪聲，具有更好的誤碼率性能，而且，可以在未知信道狀態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)。

本發(fā)明具體實(shí)施針對(duì)大氣無線光通信IM/DD系統(tǒng)OOK調(diào)制方式進(jìn)行盲檢測(cè)接收機(jī)。OOK調(diào)制是光通信中常用調(diào)制方式之一。大氣無線光通信IM/DD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在大氣無線光通信IM/DD系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制器，將信號(hào)加載與激光器發(fā)射的激光上，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射，傳送入大氣信道。在大氣信道中，光波受到了大氣湍流的影響。在接收端，通過接收天線，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣。將大氣湍流對(duì)光強(qiáng)的影響表示為乘性因子，背景光噪聲和探測(cè)器等帶來的電噪聲綜合考慮為獨(dú)立加性高斯白噪聲，其中大氣湍流引起的光強(qiáng)閃爍具有低頻特性。

本發(fā)明提出的基于去噪算法的無線光通信盲檢測(cè)接收機(jī)算法包括如下步驟：

(一)建立無線光通信接收信號(hào)模型；

信號(hào)模型為i_OOK[k]＝Is[k]+i_n[k]，其中，k表示信號(hào)序列號(hào)，i_OOK[k]表示接收到的離散電信號(hào)序列，I為大氣湍流引起的光強(qiáng)閃爍因子，s[k]表示發(fā)射端發(fā)射信息序列，i_n[k]表示加性高斯白噪聲。信號(hào)模型為IM/DD系統(tǒng)模型。

(二)采用改進(jìn)的小波變換去噪算法對(duì)接收序列進(jìn)行去噪處理；

(三)通過一定長(zhǎng)度的觀測(cè)窗口簡(jiǎn)化接收信號(hào)模型；

(四)將觀察窗口中的已去噪信號(hào)序列進(jìn)行初次閾值判決，閾值為信號(hào)均值；

(五)結(jié)合第一次判決的結(jié)果，計(jì)算二次判決閾值，進(jìn)行第二次判決，解決窗口內(nèi)信號(hào)‘0’‘1’不等概的情況，得到最終結(jié)果。

本發(fā)明對(duì)接收的電信號(hào)進(jìn)行小波閾值去噪?？紤]到了傳統(tǒng)小波變換的缺點(diǎn)，針對(duì)大氣信道的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的小波閾值去噪算法，小波分解和合成均采用快速小波分解算法；實(shí)施方式如下：

1)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行小波分解；

采用快速小波變換，將信號(hào)變換至小波域，分解過程采用Haar小波基；分解層數(shù)越多所需的信號(hào)處理時(shí)間越長(zhǎng)，將第j層小波系數(shù)表示為w_j[k]，其中，k為信號(hào)序列號(hào)。

2)將分解的信號(hào)進(jìn)行閾值處理；

考慮到大氣信道的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)小波閾值去噪中采用的全局閾值改進(jìn)為隨著分解級(jí)數(shù)的增加，閾值逐漸減小的形式，其中閾值具體根據(jù)序列長(zhǎng)度，噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，以及分解級(jí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。噪聲標(biāo)準(zhǔn)差利用σ_w＝median(w_1g)/0.6754進(jìn)行估計(jì)，w_1g表示第一層小波系數(shù)中的高頻分量，σ_w表示加性高斯白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，median(·)表示取中值運(yùn)算。其中，閾值具體計(jì)算可以由以下公式進(jìn)行計(jì)算

式1中，λ_j為第j層小波閾值；j表示分解級(jí)數(shù)；σ_w為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差；L表示序列長(zhǎng)度，t決定閾值隨分解級(jí)數(shù)衰減的速度，取值在1.4至1.7之間，根據(jù)湍流強(qiáng)度不同，可做微小調(diào)整，使得去噪效果更佳。

3)結(jié)合步驟2)中計(jì)算的閾值，采用硬閾值函數(shù)對(duì)小波系數(shù)w_j[k]進(jìn)行處理，得到處理后的小波系數(shù)。

4)將通過閾值處理后的小波系數(shù)，采用快速小波合成算法，將處理后的小波系數(shù)變換至?xí)r域，完成小波去噪。

對(duì)經(jīng)過小波閾值去噪處理的接收序列，選取觀測(cè)序列，即采用觀測(cè)窗口，在觀測(cè)窗口內(nèi)進(jìn)行判決。考慮到湍流引起的強(qiáng)度閃爍具有低頻的特點(diǎn)，設(shè)定在觀測(cè)窗口之內(nèi)，湍流引起的強(qiáng)度閃爍因子為常數(shù)。

將觀測(cè)序列進(jìn)行判決，判決步驟如下：

1)進(jìn)行初次判決，判決閾值為觀測(cè)序列均值，若信號(hào)大于閾值則判決為‘1’，否則，判決為‘0’。得到第一次判決結(jié)果；由于系統(tǒng)是OOK調(diào)制方式，因此，判決得到相應(yīng)的0、1序列

具體地，將經(jīng)過噪聲去除的信號(hào)選取一定長(zhǎng)度的觀測(cè)窗口，觀測(cè)窗口內(nèi)的序列進(jìn)行統(tǒng)一判決，判決閾值為均值。大于閾值判決為1，否則判決為0；觀測(cè)窗口的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，觀測(cè)窗口的寬度決定誤碼率的最小值。隨著觀測(cè)窗口的增加，在高信噪比處檢測(cè)性能提高，但是每次判決需要的數(shù)據(jù)量增加，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的延遲。經(jīng)驗(yàn)證，觀測(cè)窗口取20至30比特時(shí)基本能夠達(dá)到較好的性能。如果對(duì)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求不高，可以取更長(zhǎng)的觀測(cè)窗口。

2)由于觀測(cè)窗口中對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)的‘0’和‘1’出現(xiàn)的概率不相等，僅利用第一次判決，將會(huì)導(dǎo)致差的誤碼率性能。因此，結(jié)合第一次判決結(jié)果，可以計(jì)算出相應(yīng)發(fā)送‘0’的概率P(0)和‘1’的概率P(1)，以及估計(jì)相應(yīng)的光強(qiáng)I和噪聲強(qiáng)度具體表達(dá)式如下

P(0)＝1-P(1) (式3)

其中，N表示觀測(cè)窗口長(zhǎng)度，表示噪聲處理后的信號(hào)。使用最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則可以計(jì)算得到第二次判決閾值，公式為式6：

最終進(jìn)行判決，大于閾值則判決為‘1’，小于閾值則判決為‘0’，完成最終檢測(cè)判決，得到相應(yīng)的0,1序列。

本發(fā)明提供的整個(gè)信號(hào)檢測(cè)過程可以概括為兩個(gè)部分：去噪過程和判決過程。在檢測(cè)過程中，算法不需要任何信道信息，屬于盲檢測(cè)。同時(shí)，考慮到采用改進(jìn)的小波閾值去噪算法，能夠很大程度上抑制接受信號(hào)中的加性噪聲，對(duì)判決過程有很大的好處。而且，在判決過程，考慮到觀測(cè)序列中‘0’和‘1’的不等概情況，采用了最大后驗(yàn)概率判決標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過第二次判決的修正，很大程度上提高了判決的準(zhǔn)確性。因此，該檢測(cè)算法具有很好的性能，具有較高的靈敏度。

需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。