CN102158283B - 一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法 - Google Patents
一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法，首先建立大气信道数学模型；然后根据大气信道数学模型，对信源码字采用4FSK数字副载波进行调制，得到已调信号，然后对已调信号采用同态滤波技术进行去噪，得到去噪后的信号；最后对去噪后的信号采用过零检测法进行解调，得到消噪后的码字。本发明大气噪声抑制方法，路线简单、经济而且切实可行，易于实现，是专门针对无线激光通信易受大气影响导致通信误码率上升而提出的。该方法降低了高通信速率副载波调制无线激光通信系统误码率，能够很好的抑制大气湍流对通信系统的影响，为FSO无线宽带接入、实现高速数字通信提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种大气噪声抑制方法，具体涉及一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法。
背景技术
无线激光通信采用大气信道作为传输媒介，大气湍流导致的光学折射率随机起伏会使激光信号在传输过程中产生光强起伏、光束漂移及光束扩展等现象，使得接收光信号受到严重干扰，通信误码率上升，严重影响了大气光通信的稳定性和可靠性。传统上使用大孔径接收方法来减小大气湍流导致的光强闪烁，但大孔径接收器设计、加工及装调难度较大，在需要对通信端机进行小型化的应用中，大孔径接收技术不利于工程化实现。自适应光学技术校正大气湍流导致的激光波前畸变，方法复杂，波前测量和重建较为困难，实际用于自由空间光通信系统的难度很大，尤其在实用化和小型化方面有待进一步深入研究。无线激光通信系统大气湍流产生的光强闪烁可看成大气通信系统的低频乘性噪声，而同态滤波是一种消除乘性噪声的技术，因此将同态滤波引入无线激光通信系统可有效地抑制大气湍流效应，提高传输通道抗干扰能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法，解决了高通信速率系统受大气湍流影响引起的通信系统性能降低，以及现有大气湍流影响抑制技术受工程条件制约的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：建立大气信道数学模型；
步骤2：根据步骤1得到的大气信道数学模型，对信源码字采用4FSK数字副载波进行调制，得到已调信号，然后对已调信号采用同态滤波技术进行去噪，得到去噪后的信号；
步骤3：对步骤2得到的去噪后的信号采用过零检测法进行解调，得到消噪后的码字。
本发明的特点还在于，
其中的步骤1建立大气信道数学模型，具体按照以下步骤实施：把通信系统内电子噪声和背景光引起的噪声假设为加性的高斯分布，把光强闪烁噪声假设为大气湍流引起的低频乘性噪声，设x(t)为发射信号，y(t)为接收机接收信号，I(t)为大气信道的乘性噪声，n(t)为大气信道的加性噪声，则y(t)＝I(t)gx(t)+n(t)，乘性噪声I(t)为信道状态信息，表征为大气湍流强度，弱湍流情况下服从对数正态分布，中、强湍流情况下服从gamma-gamma分布。
其中的步骤2对已调信号采用同态滤波技术进行去噪，得到去噪后的信号，具体按照以下步骤实施：
步骤a：确立解相乘同态系统，即遵从输入运算□为相乘，运算◇为取指数的广义叠加原理的系统，设要讨论的输入信号一般形式为：x(n)＝[x1(n)]αg[x2(n)]β，其中x1(n)与x2(n)为两个相乘的信号，α与β表示指数，适配于相乘信号的特征系统DW具有如下特性：
DW[[x1(n)]αg[x2(n)]β]＝αDW[x1(n)]+βDW[x2(n)]，
对数函数为形式上具有以上性质的函数，大气信道湍流引起的乘性噪声通过对数函数转换为噪声与信号的线性相加：其中x(n)为发射信号，I(n)为大气闪烁乘性噪声；
步骤b：同态系统中线性滤波器的设计，将线性滤波器设计为零相位数字滤波器，先将输入序列按顺序滤波，然后将所得结果逆转后反向通过滤波器，再将所得结果逆转后输出，即得到精确零相位失真的输出序列，零相位数字滤波的时域描述由下式表示：
y1(n)＝x(n)＊h(n)
y2(n)＝y1(N-1-n)
y3(n)＝y2(n)＊h(n)
y(n)＝y3(N-1-n)，
上式中，x(n)表示输入序列，h(n)为所用数字滤波器冲激响应序列，*表示卷积，y1(n)为输入序列经过滤波器h(n)后的输出序列，y2(n)为y1(n)的反转序列，y3(n)为y2(n)第二次经过滤波器h(n)后的输出，y(n)为第二次滤波结果的反转序列，也即零相位数字滤波输出序列。
其中的步骤3对步骤2得到的去噪后的信号采用过零检测法进行解调，得到消噪后的码字，具体按照以下步骤实施：采用过零检测法对接收到的消噪后4FSK调制信号进行解调，通过判断过零点数的多少得到关于频率的差异：4FSK信号的过零点数随不同载频而不同，当频率大时，过零点的次数多，频率小时，过零点的次数就少。
本发明的有益效果是，该方法技术路线简单、经济而且切实可行，易于实现，是专门针对无线激光通信易受大气影响导致通信误码率上升而提出的。该方法降低了高通信速率副载波调制无线激光通信系统误码率，能够很好的抑制大气湍流对通信系统的影响，为FSO无线宽带接入，实现高速数字通信提供了一种新的方法。
附图说明
图1是本发明副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法的流程图；
图2是本发明副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法中大气信道等效数学模型图；
图3是本发明副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法中同态系统规范形式示意图；
图4是本发明副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法中同态系统中线性滤波器设计原理图；
图5是本发明副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法中不同闪烁指数下同态滤波系统误码率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法，如图1所示，首先分析了大气弱湍流所导致的光强闪烁以及无线光通信链路噪声特性，建立了大气信道等效数学模型；然后信源码字采用4FSK数字副载波调制，对通过大气信道染噪后的4FSK已调信号采用同态滤波技术去噪，其中同态系统中线性滤波器设计为零相位数字滤波器；最后对去噪后的信号采用过零检测法进行解调，得到消噪后的码字，具体按照以下步骤实施：
步骤1：建立大气信道数学模型
对于大气无线光通信系统，其噪声主要包括了背景光噪声和接收机噪声以及大气湍流引起的大气闪烁。大气湍流是由于大气温度和大气压强的微小变化引起的大气折射率在时间和空间上随机起伏，主要体现在接收端光强闪烁。其中Rytov提出的弱湍流下光强的对数正态分布模型受到了学术界的普遍认可，本发明仅考虑大气弱湍流对光通信的影响。
系统接收机采用APD光探测器，由APD接收机的暗电流和热噪声引起的接收机信号计数的波动可用一个高斯随机过程来模拟，因此，把通信系统内电子噪声和背景光引起的噪声假设为加性的高斯分布。而大气湍流产生的光强闪烁时间频率相对于信号频率低的多，所以光强闪烁噪声可以看成是一种大气湍流引起的低频乘性噪声，大气信道数学模型如图2所示。其中x(t)表示发射信号，y(t)为接收机接收信号，I(t)和n(t)分别为大气信道的乘性和加性噪声，y(t)＝I(t)gx(t)+n(t)。乘性噪声I(t)是信道状态信息，表征为大气湍流强度，弱湍流情况下服从对数正态分布，中、强湍流情况下服从gamma-gamma分布。加性噪声独立于发送光信号，而乘性噪声大气闪烁并不独立于发送光信号，它和信号的有无及大小有关，当发送“0”比特信号光时，噪声干扰也就不存在了，而且随着湍流强度的增大，通信链路中传输比特的错误概率增加，通信性能进一步劣化。
步骤2：同态滤波系统的设计，具体按照以下步骤实施：
步骤a：确立解相乘同态系统
服从于关于输入运算口和输出运算○的广义叠加原理的系统称为同态系统。同态系统规范形式可以表示成如图3所示的三个系统级联。在信号处理中，有的信号可以表示成两个或两个以上分量信号的乘积，想要分离各信号分量或单独地改变某一信号分量，用一个线性系统去作用可能完全无效。但同态系统处理却可以取得较好的效果。考虑这样一类同态系统，它遵从输入运算□为相乘，运算◇是取指数的广义叠加原理，设要讨论的输入信号一般形式：x(n)＝[x1(n)]αg[x2(n)]β，其中x1[(n)与x2(n)为两个相乘的信号，α与β表示指数，则相乘信号的特征系统应具有如下特性：
DW[[x1(n)]αg[x2(n)]β]＝αDW[x1(n)]+βDW[x2(n)](1)
对数函数就是形式上具有这种性质的函数。例如：若x(n)＝x1(n)gx2(n)，且对于所有的n，x1(n)和x2(n)大于零，则ln[[x1(n)]αg[x2(n)]β]＝αln[x1(n)]+βln[x2(n)]。大气信道湍流引起的乘性噪声可通过对数函数转换为噪声与信号的线性相加，，其中x(n)为发射信号，I(n)为大气闪烁乘性噪声。
同态系统中特征系统DW是对加噪信号I(n)gx(n)进行对数变化，这就要求加噪信号为正，而染噪的4FSK调制信号为双极性过零信号，因此需要将待处理信号映射转化为恒大于零的单极性信号再进行对数处理。具体方法是在待处理的双极性过零信号叠加适当的低频或直流分量作为偏置使其转化为不过零的单极性信号，这样避免了对零和负数取对数的困难，再采用线性滤波滤除干扰信号，将滤净的信号进行取指数处理(图3同态系统中特征系统Dd)，从线性滤波器出来的信号经过指数变换得到同态滤波系统输出：exp(ln[x(n)])＝x(n)。
步骤b：同态系统中线性滤波器的设计
同态系统中线性系统L如何选择一方面要视输入的信号而定，能否有效地处理形如x(n)＝x1(n)gx2(n)的信号，与特征系统输出分量和的性质有关，一般要求和频谱不得有明显的重叠，这就是说，当信号的一个分量变化快而另一个信号变化慢时，对这两个分量乘法组成的信号作同态处理是很有效的。另一方面L的设计也与系统调制解调方法有关。
本发明是对经过大气信道的4FSK已调信号进行消噪处理，因为4FSK解调采用过零检测法，因此必须对同态滤波系统的线性滤波器相位失真要求严格，这里我们将线性滤波器设计为零相位数字滤波器，如图4所示。它先将输入序列按顺序滤波(forward filter)，然后将所得结果逆转后反向通过滤波器(reverse filter)，再将所得结果逆转后输出(reverse output)，即得到精确零相位失真的输出序列。零相位数字滤波的时域描述可由下式表示：
y1(n)＝x(n)＊h(n)(2)
y2(n)＝y1(N-1-n)(3)
y3(n)＝y2(n)＊h(n)(4)
y(n)＝y3(N-1-n)(5)
(2)～(5)式中，x(n)表示输入序列，h(n)为所用数字滤波器冲激响应序列，*表示卷积，y1(n)为输入序列经过滤波器h(n)后的输出序列，y2(n)为y1(n)的反转序列，y3(n)为y2(n)第二次经过滤波器h(n)后的输出，y(n)为第二次滤波结果的反转序列，也即零相位数字滤波输出序列。
步骤3：4FSK调制解调
本发明在时频编码调制基础上进行4FSK的传输。在调制系统中，4FSK编码采用四进制四时四频制来传输两个二进制符号，即用4个调制频率的组合来传送二进制数据流。把一个码元分成四个时隙，在不同的时隙内发送不同的频率，故在四个时隙中发送四个不同的频率。由于正交码的抗干扰能力比较强，所以我们优先选择正交码，其选择的原则是尽可能使码距大一些。设四个不同调制频率为F1，F2，F3，F4，采用这4个频率的不同组合方式来代表不同的码元，有：
00-F1F2F3F4 01-F2F3F4F1
10-F3F4F1F2 11-F4F1F2F3
数字频率键控(FSK)信号常用的解调方法有很多种，如相干(同步)解调法、包络解调法、过零检测法等。本发明采用过零检测法对接收到的消噪后4FSK调制信号进行解调，4FSK信号的过零点数随不同载频而不同，当频率大时，过零点的次数多，频率小时，过零点的次数就少，故通过判断过零点数的多少可得到关于频率的差异。
本发明的创新点在于：提出了一种新的抑制大气湍流乘性噪声的方法，并将其应用于基于数字副载波调制的无线光通信系统中，针对无线光通信4FSK数字副载波调制信号，在同态系统中设计了零相位数字滤波器作为线性滤波器。
本发明对通过大气信道的染噪4FSK已调信号进行了同态滤波技术去噪实验。为了从统计特性来研究不同信噪比以及不同大气光强闪烁指数下同态滤波系统的误码性能，仿真中信源是随机产生且长度为500的码元，4FSK编码的四个载波频率分别为f1＝200Hz，f2＝400Hz，f3＝600Hz，f4＝800Hz。当大气闪烁方差时且同态滤波消噪系统在信噪比SNR＝10dB时，BER为5×10-3，而时BER达到7×10-4。图5给出了不同闪烁指数及不同信噪比情况下，基于4FSK调制无线光通信系统同态滤波后系统误码率示意图。实验中，噪声抑制除采用同态滤波技术外，还采用了传统FIR巴特沃斯数字滤波进行解调前信号消噪处理，相同信噪比下(SNR＝10dB)解调后信号的误码率达到明显大于同态滤波系统所得解调后信号误码率。实验结果说明了传统的数字滤波仅对加性噪声的滤除具有优势，而同态滤波对消除无线光信道中的乘性噪声具有一定的优势，能够有效地抑制大气湍流效应，提高通信系统的可靠性。
Claims (1)
1.一种副载波调制无线光通信大气噪声抑制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：建立大气信道数学模型，具体按照以下步骤实施：把通信系统内电子噪声和背景光引起的噪声假设为加性的高斯分布，把光强闪烁噪声假设为大气湍流引起的低频乘性噪声，设x(t)为发射信号，y(t)为接收机接收信号，I(t)为大气信道的乘性噪声，n(t)为大气信道的加性噪声，则乘性噪声I(t)为信道状态信息，表征为大气湍流强度，弱湍流情况下服从对数正态分布，中、强湍流情况下服从gamma-gamma分布；
步骤2：根据步骤1得到的大气信道数学模型，对信源码字采用4FSK数字副载波进行调制，得到已调信号，然后对已调信号采用同态滤波技术进行去噪，得到去噪后的信号，具体按照以下步骤实施：
步骤a：确立解相乘同态系统，即遵从输入运算□为相乘，运算◇为取指数的广义叠加原理的系统，设要讨论的输入信号形式为：其中x1(n)与x2(n)为两个相乘的信号，α与β表示指数，适配于相乘信号的特征系统具有如下特性：
对数函数为形式上具有以上特性的函数，大气信道湍流引起的乘性噪声通过对数函数转换为噪声与信号的线性相加：其中x(n)为输入序列，I(n)为大气闪烁乘性噪声；
步骤b：同态系统中线性滤波器的设计，将线性滤波器设计为零相位数字滤波器，先将输入序列按顺序滤波，然后将所得结果逆转后反向通过滤波器，再将所得结果逆转后输出，即得到精确零相位失真的输出序列，零相位数字滤波的时域描述由下式表示：
y1(n)＝x(n)*h(n)
y2(n)＝y1(N-1-n)
y3(n)＝y2(n)*h(n)
y(n)＝y3(N-1-n)，
上式中，x(n)表示输入序列，h(n)为所用数字滤波器冲激响应序列，*表示卷积，y1(n)为输入序列经过冲激响应序列为h(n)的滤波器后的输出序列，y2(n)为y1(n)的反转序列，y3(n)为y2(n)第二次经过冲激响应序列为h(n)的滤波器后的输出序列，y(n)为第二次滤波结果的反转序列，也即零相位数字滤波输出序列；
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