CN102801472A - 基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及紫外光通信系统技术领域，公开了一种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信方法。本发明提出这种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信系统，不仅利用扩频通信使系统具有抗多种干扰的能力，特有是具有抗窄带干扰、多径干扰的能力，而且通过接收端加入滑动均值滤波器，有效滤除包括光电倍增管PMT进行光电转换和放大所产生的噪声信号、跨阻放大器TIA的暗电流输出噪声、LED驱动噪声以及太阳光背景噪声在内的多种噪声信号，极大地提高了紫外光通信系统的性能，满足了紫外光通信系统军用的保密需求和精确要求。

Description

基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信方法

技术领域

本发明涉及紫外光通信系统技术领域，特别涉及一种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信方法。

背景技术

作为一种新兴的通信手段，紫外光通信系统与常规的通信系统相比，具有灵活、低窃听、全方位、非视距通讯的独特优势，可满足军舰、飞机编队之间的保密通信需要。自由大气紫外光通信（简称紫外光通信）是利用大气中的粒子、气凝胶、灰尘等微粒对日盲、紫外光的散射作用进行信息传输的一种新型的通信模式，可工作在非视距方式下，具有低窃听、低位辨、全方位、隐藏性和抗干扰能力强等优点，是满足战术通信要求的理想手段，尤其适用于在无线电静默时段内调度部队和指挥战役。近年来，紫外光通信技术的研究倍受世界军事强国的重视。阳光中的紫外辐射在通过地球大气层时会受到对流层上部臭氧层对200~300nm的紫外光的强烈的吸收作用，使得这一波段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零，该波段被称为“日盲区”，所以紫外光通信通常选用230~280nm这一波段。利用该波段的紫外光进行通信不会受到太阳光紫外线的干扰。

紫外光信号在到达接收装置前要经过多次散射，最后接收到的能量非常微弱，同时受到大气扰动的影响，可靠地探测“日盲区”目标紫外光信号存在较大的难度，因此通常需要使用日盲紫外滤光片和探测器来实现光信号的准确采集。紫外探测器是接收机最为重要的部件，主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非直视的紫外光信号，理想的探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的透过率、较低的暗电流密度和“日盲”功能。

光电倍增管(Photomultiplier Tubes，PMT)是一个非常灵敏的微弱光信号探测器，因此光电倍增管的噪声特性很重要。对电磁屏蔽良好的光电倍增管来说，其噪声主要来源是暗电流、光信号电流、背景光电流以及负载电阻的热噪声。紫外光在大气传输中的强烈衰减，增加了对光信号探测和接收的困难，通过对光电阴极材料，倍增管特性，光电特性及伏安特性等的分析，可以知道，采用光电倍增管作为通信系统的接收器件是紫外探测的有效途径。光电倍增管具有的高灵敏度使得即使微弱的信号也能被探测到，光电倍增管的多级放大电极可以使微弱的光电流放大为较强的电流信号，便于后续电路的处理。这些特性是光电二极管等其他器件所不具备的，为信号的可靠接收提供了保障。可是，光电倍增管易于受到外界干扰，并且其自身容易产生暗电流，为了提高光电倍增管输出的电流信号的信噪比，对其的屏蔽和保护也就格外重要。通过光电倍增管进行光电转换和放大所产生的信号存在一些噪声信号，这需要解调电路对其进行信号滤波等处理。

目前大多数文献中“日盲区”、光电探测器的紫外光通信系统往往忽略了太阳系背景辐射噪声和跨阻放大器的输出暗电流噪声等的影响，可是所有上述提及的噪声都不能忽略，因为任何类型的噪声都会影响系统性能。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提高紫光外通信系统的性能。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信方法，包括以下步骤：

S1、在发送端对输入信号进行扩频得到直扩信号，然后将所述直扩信号调制到紫外光上进行发送；

S2、接收端对接收信号进行采样、量化，滤波，然后进行解扩处理。

优选地，步骤S1中，利用伪随机序列产生器所产生的PN序列对输入信号进行扩频得到直扩信号。

优选地，步骤S2中，利用模数转换芯片对接收信号进行采样和量化，并利用滑动均值滤波器对接收信号进行滑动均值滤波，然后利用伪随机序列产生器所产生的PN序列进行解扩。

优选地，在步骤S2中，接收端先对接收信号进行光电转换和放大后再进行采样、量化和滤波。

优选地，步骤S2中，接收端先利用光电倍增管对接收信号进行光电转换和放大，然后再利用跨阻放大器进一步放大后再进行采样、量化和滤波。

优选地，步骤S2中，接收端对滑动均值滤波后的信号进行解扩后再利用低通滤波器进行滤波，然后输出。

优选地，所述输入信号为经过发送滤波器成形后的2PAM信号。

（三）有益效果

上述技术方案具有如下优点：本发明提出这种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信系统，不仅利用扩频通信使系统具有抗多种干扰的能力，特有是具有抗窄带干扰、多径干扰的能力，而且通过接收端加入滑动均值滤波器，有效滤除包括光电倍增管PMT进行光电转换和放大所产生的噪声信号、跨阻放大器TIA的暗电流输出噪声、LED驱动噪声以及太阳光背景噪声在内的多种噪声信号，极大地提高了紫外光通信系统的性能，满足了紫外光通信系统军用的保密需求和精确要求。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的发送端处理流程图；

图3是本发明的接收端处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

扩频通信具有抗多种干扰的能力，特别是具有抗窄带干扰、多径干扰的能力。而滑动均值滤波器可以有效滤除任何高频信号，包括光电倍增管PMT进行光电转换和放大所产生的噪声信号、跨阻放大器(transimpedance amplifier，TIA)暗电流的输出噪声、LED驱动噪声以及太阳光背景噪声等噪声对紫外光通信系统的影响，二者结合能有效提高紫光外通信系统的性能。

步骤一：输入信号

输入二进制符号的幅度序列{0,1｝等概率出现，互不相关，经过发送滤波器成形后，成为2PAM信号：

其中，a_n表示等概率出现的二进制符号的幅度序列{0,1}。

2PAM的发送滤波器冲激响应P为矩形不归零脉冲，脉冲展宽为T（同二进制符号间隔），幅度为A_b。发送滤波器的冲激响应g_T(t)的傅立叶变换为： $G_T\left(f\right)=A_{b}T\frac{\sin \mathrm{\πfT}}{\mathrm{\πfT}}{e}^{-\mathrm{j\πfT}},$ 能量谱密度是： ${\left|G_T\left(f\right)\right|}^2={\left(A_{b}T\right)}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{\πfT}}{\mathrm{\πfT}}\right)}^2={\left(A_{b}T\right)}^2{\sin c}^2\left(\mathrm{fT}\right).$ 其中，函数 $\sin c\left(x\right)=\frac{\sin \left(\mathrm{\πx}\right)}{\mathrm{\πx}},$ 为辛格函数。

则2PAM信号 $d\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{g}_T(t-n\×T)$ 的功率谱密度是：

$P_s\left(f\right)=\frac{{{\mathrm{\σ}}_a}^2}{T}{\left(A_{b}T\right)}^2{\sin c}^2\left(\mathrm{fT}\right)+\frac{{m_a}^2}{T^2}\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\sin c}^2\left(m\right)\mathrm{\δ}(f-\frac{m}{T})$

其中，m_a=E｛a_n}是a_n的均值，m是随机序列｛a_n}的任两个幅度值之间的序号间隔，m=0,±1,±2,...,本实施例中A_b=1，在两个电平等概率出现，且符号间互不相关条件下，单极性归零码的功率谱密度有连续谱、离散的直流分量。能量谱密度图的零点出现在频率为的倍频处，且能量谱的模值与频率的平方成反比。

步骤二：输入端扩频

扩频过程：s(t)=d(t)×c(t)。

c(t)∈(0,1)是PNSequenceGenerator（伪随机序列产生器）模块产生的m序列，取值为{0,1}的PN序列有很强的自相关性，很弱的互相关性，以周期为15的PN序列为例，由m序列的归一化周期性自相关函数定义式：

其中b的下标按模N运算，即：b_k+N=b_k，b_k为循环PN序列知：周期为15的PN序列的（归一化周期性）自相关函数为二值函数，即： $r_b\left(j\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{8}{15},j=\mathrm{nN}(n=0,\±1,\±2,...)\\ \frac{4}{15},j\≠\mathrm{nN}\end{array}\right.$

可以证明周期为15的单极性PN码的归一化周期自相关函数为： $r_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{k=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}r(\mathrm{\&tau;}-\mathrm{kT})+\frac{4}{15},$ 其中 $r\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{4}{15}(1-\frac{\left|\mathrm{\&tau;}\right|}{T_c})\\ 0,\mathrm{else}\end{array}\right.,\left|\mathrm{\&tau;}\right|<T_c.$

单极性PN码的功率谱密度P_m(w)等于其周期性自相关函数的傅立叶变换 $P_m\left(w\right)=2\mathrm{\&pi;}[\frac{4}{225}\underset{n\&NotEqual;0}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Sa}}^2\left(\frac{w{T}_c}{2}\right)\mathrm{\&delta;}(w-{\mathrm{nw}}_0)+\frac{16}{225}\mathrm{\&delta;}\left(w\right)],$ 其中：

T_c为PN码的码片宽度；T=15T_c为PN码的周期；

表示抽样函数，δ(w)是单位冲激函数。

信息码元序列d(t)（独立二元0，1序列），码元宽度为T（T=15T_c）（因为g_T(t)的脉冲展宽为T，所以每个码元的宽度为T），用c(t)对d(t)进行扩频得到直扩信号s(t)=d(t)×c(t)。此时直扩信号s(t)的功率谱密度为：

$P_s\left(w\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{P}_d\left(w\right)*P_c\left(w\right)=\frac{4}{225}\underset{n\&NotEqual;0}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Sa}}^2({\mathrm{nw}}_o{T}_c/2)P_d(w-w_0)+\frac{16}{225}{P}_d\left(w\right).$

其中，P_c(w)是单极性PN码的功率谱密度；P_d(w)是单极性信息码元序列的功率谱密度。直扩信号功率谱密度的特点是：连续谱，带宽

比信息码带宽

展宽N倍。就是说扩频将信息信号d(t)的带宽展宽N倍。由于扩频通信不改变原始信号的功率，又可以把原始信号的功率谱带宽展宽N倍，所以直扩信号的功率谱密度值比原信号的功率密度值小N倍（近似）。当N远大于1时，其值甚至可以比接收机内部噪声的功率谱密度值还小，即直扩信号可以掩埋在噪声中，因此有很强的隐蔽性。

步骤三：接收端经过滑动均值滤波器

滑动均值滤波器是一个有范围的矩形脉冲对输入信号的卷积，它能在保持尖锐的阶跃响应的同时降低随机噪声。滑动滤波器的原理是取一定数目的输入信号的平均值作为输出信号，理论式是：

x[]是输入信号，y[]是输出信号，M是滑动均值滤波器取的点数。比如，当一个点数为4的滑动均值滤波器使用在这个系统时，第80个输出点信号是：

在紫外光通信系统中，滑动均值滤波器可以有效滤除任何高频信号，包括光电倍增管PMT进行光电转换和放大所产生的噪声信号、电流电压转换器TIA输出的暗电流噪声、LED驱动噪声以及太阳光噪声等噪声信号，能有效提高紫外光通信系统性能。

步骤四：接收端解扩

解扩可以将直扩信号还原为原信息信号，并不改变原始信号的能量，解扩后的信号功率谱密度即为原信息信号的功率谱密度。当接收机的输入信号是窄带干扰信号、别的用户的直扩信号、多径干扰信号时，扩频通信的抗干扰性能就能很好的体现出来。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度大大降低，通过带宽为的LPF₂低通滤波器后（解扩后扩频信号的带宽还原为初始信号的带宽

），只有低通滤波器范围内的信号和噪声被滤下，这样就大大降低了通频带内的噪声功率，使解调器的输入信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。所以扩频通信具有抗多种干扰的能力，特别是具有抗窄带干扰和多径干扰的能力。

由以上实施例可以看出，本发明提出这种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信系统，不仅利用扩频通信使系统具有抗多种干扰的能力，特有是具有抗窄带干扰、多径干扰的能力，而且通过接收端加入滑动均值滤波器，有效滤除包括光电倍增管PMT进行光电转换和放大所产生的噪声信号、跨阻放大器TIA的暗电流输出噪声、LED驱动噪声以及太阳光背景噪声在内的多种噪声信号，极大地提高了紫外光通信系统的性能，满足了紫外光通信系统军用的保密需求和精确要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于扩频通信和滑动均值滤波的紫外光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在发送端对输入信号进行扩频得到直扩信号，然后将所述直扩信号调制到紫外光上进行发送；

S2、接收端对接收信号进行采样、量化，滤波，然后进行解扩处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，利用伪随机序列产生器所产生的PN序列对输入信号进行扩频得到直扩信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，利用模数转换芯片对接收信号进行采样和量化，并利用滑动均值滤波器对接收信号进行滑动均值滤波，然后利用伪随机序列产生器所产生的PN序列进行解扩。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，接收端先对接收信号进行光电转换和放大后再进行采样、量化和滤波。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，接收端先利用光电倍增管对接收信号进行光电转换和放大，然后再利用跨阻放大器进一步放大后再进行采样、量化和滤波。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，接收端对滑动均值滤波后的信号进行解扩后再利用低通滤波器进行滤波，然后输出。

7.如权利要求1~6中任一项所述的方法，其特征在于，所述输入信号为经过发送滤波器成形后的2PAM信号。

Images