CN103036616A - 基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法，属于大气信道无线激光通信技术领域。本发明通过在脉冲光谱幅度编码的某一光频码片上始终发射信号1来实现接收机的最优判决阈值计算。利用本发明能够在接收机中实现自适应阈值判决，可显著地降低大气无线激光通信系统误码率。

Description

基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法

技术领域

本发明属于大气信道无线激光通信技术领域，涉及一种基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法。

背景技术

无线激光通信兼具通信容量大、机动灵活、保密性好等优点，是一种很有发展前途的无线通信技术。当无线激光通信系统工作在地球大气环境中时，大气湍流导致激光信号出现强度起伏，即所谓的光强闪烁。对于使用强度调制/直接检测方式(例如开关键控OOK)的无线激光通信系统来说，接收机使用阈值判决方法实现对通信数据的检测。激光信号强度起伏将造成接收机的最优判决阈值也随之发生变化。强度调制/直接检测方式的无线激光通信链路误码率与判决过程所使用的实际判决阈值有很大的关系。实际判决阈值偏离最优判决阈值越大，误码率越高。如果没有大气湍流导致的光强闪烁影响，根据接收机的似然比方程可知，最优判决阈值只依赖于探测器的噪声特性和发送信号1时的光电探测信号大小。如果存在大气湍流导致的光强闪烁影响，则在似然比方程中还需要考虑光强闪烁导致的光电探测信号起伏概率密度，以便将光电探测信号的随机性影响纳入到最优判决阈值的计算中。对于特定的无线激光通信系统，探测器的噪声特性通常能够事先进行测量；假设发送信号1时的光电探测信号大小已知，则可以根据接收机的似然比方程计算出最优判决阈值。

在现有技术中，一件申请号为201210214012.5的中国发明专利申请公开了一种光谱幅度编/解码系统的光频码片带宽优化设计方法，该方法可用在使用光谱幅度编/解码方式的无线激光通信系统中。实际上，对于使用光谱幅度编/解码方式的无线激光通信系统来说，每个光频码片仍然可以使用OOK调制方式，结合阈值判决方式实现数据检测。在光谱幅度编/解码系统中，若各光频码片间的频率差相对于光源中心频率很小，则在大气湍流中传输时，各光频码片的光强闪烁统计特性具有很强的相关性，各光频码片对应的光电探测信号随时间的变化特性基本一致。由于光谱幅度编/解码系统可以使用数量较多的光频码片，如果在某一光频码片上始终发送信号1，则接收机可以根据该光频码片对应的光电探测信号大小和实际测量出的探测器噪声特性，基于似然比方程计算出最优判决阈值，据此在其他光频码片上实现最优阈值判决以降低误码率。当存在大气湍流导致的光强闪烁影响时，对于各光频码片上发送的每一信号码元，接收机都可计算出与之相对应的最优判决阈值，即可实现自适应阈值判决。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法，在使用光谱幅度编/解码方式的无线激光通信系统中实现自适应阈值判决，以便减小大气湍流对无线激光通信系统的影响。

本发明的方法和系统以申请号为201210214012.5的中国发明专利中所述的光谱幅度编/解码系统和光频码片带宽优化设计方法为基础。为了使各光频码片在发送信号1时，在光谱幅度解码系统中各光频码片对应的光电探测信号大小相等，需要在发送信号1的条件下事先测量各光频码片对应的光电探测信号，以最小光电探测信号对应的光频码片为基准，通过编码控制与驱动模块来控制其他光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素，以减小这些像素的透光率；通过适当减小非最小光电探测信号对应的光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素的透光率，使各光频码片对应的光电探测信号大小相等。可以在实验室内，将光谱幅度编/解码系统安装在光学平台上，使其正常工作，通过编程调整编码控制与驱动模块中的与各光频码片对应的控制电信号的大小，实现线阵液晶空间光调制器的像素的透光率的减小。

光谱幅度编码系统将宽谱光源的输出光频带分成一组子光频带C₁，C₂，C₃，...，C_N，如图1所示，每个子光频带对应一个光频码片，宽谱光源输出光信号的中心频率为ω₀。首先计算中心频率ω₀所在的子光频带的编号i。光谱幅度编码系统在进行光谱编码时，子光频带C_i对应的光频码片始终发送信号1，其他的子光频带对应的光频码片则根据实际需要传送的二进制数据，发送信号1或者0。在光谱幅度解码系统中，在每个码元周期A000末尾做如下计算：

Step001：获取子光频带C_i对应的光频码片的光电探测信号S_i；

Step002：根据如下似然比方程计算最优判决阈值r：

$\mathrm{\&Lambda;}\left(r\right)=\frac{\exp [-\frac{{(r-S_i)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}]}{\exp [-\frac{r^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}]}\stackrel{H_1}{\underset{H_0}{\stackrel{>}{<}}}\frac{p\left(H_0\right)}{p\left(H_1\right)}$

式中

为探测器噪声方差，H₁表示假设发送信号1的条件，H₀表示假设发送信号0的条件，p(H₁)表示发送信号1的概率，p(H₀)表示发送信号0的概率。

Step003：对子光频带C₁，C₂，...，C_i-1，C_i+1，C_i+2，...，C_N对应的各个光频码片A001，比较光频码片A001对应的光电探测信号A002和最优判决阈值r的大小，如果光电探测信号A002大于或等于最优判决阈值r，则判决光频码片A001在码元周期A000内传送的是信号1，否则判决光频码片A001在码元周期A000内传送的是信号0。

由于在每个码元周期内，都根据始终发送信号1的光频码片对应的光电探测信号大小计算最优判决阈值。因此，即使大气湍流导致的光强闪烁造成光频码片对应的光电探测信号起伏，在每个码元周期内，仍然是根据最优判决阈值来判决每个光频码片所发送的数据，所以实现了自适应阈值判决。

有益效果

本发明提供了一种基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法。在本发明中，始终发送信号1的光频码片对应的子光频带位于宽谱光源的输出光频带的中间，这能保证其他光频码片与始终发送信号1的光频码片之间的频率差的平方的均值最小。本发明无需使用Kalman滤波器预测最优判决阈值，就能够在接收机中实现自适应阈值判决，解决了大气湍流导致的光强闪烁造成接收机实际判决阈值偏离最优判决阈值的问题，能显著地降低大气无线激光通信系统误码率，改善大气无线激光通信系统的性能。

附图说明

图1为光谱幅度编码系统中的子光频带划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。在本发明中，宽谱光源选择宽带Ti：sapphire脉冲激光器，线阵液晶空间光调制器选用透射式线阵振幅型电光液晶空间光调制器，以实现对激光信号的振幅进行调制，编码控制与驱动模块基于DSP数字信号处理器构建，探测器选用线阵CCD。在本实施例中，宽带Ti：sapphire脉冲激光器的波长为1550nm，单个脉冲的持续时间为500fs，能够保证各光频码片间的频率差相对于光源中心频率很小的条件。根据液晶空间光调制器工作原理常识可知，在液晶空间光调制器的激光信号入射端需要放置一个起偏器，在液晶空间光调制器的激光信号出射端需要放置一个检偏器。

为了使各光频码片在发送信号1时，在光谱幅度解码系统中各光频码片对应的光电探测信号大小相等，需要在发送信号1的条件下事先测量各光频码片对应的光电探测信号，以最小光电探测信号对应的光频码片为基准，通过编码控制与驱动模块来控制其他光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素，以减小这些像素的透光率；通过适当减小非最小光电探测信号对应的光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素的透光率，使各光频码片对应的光电探测信号大小相等。可以在实验室内，将光谱幅度编/解码系统安装在光学平台上，使其正常工作，通过编程调整编码控制与驱动模块中的与各光频码片对应的控制电信号的大小，实现线阵液晶空间光调制器的像素的透光率的减小。

光谱幅度编码系统将宽谱光源的输出光频带分成一组子光频带C₁，C₂，C₃，...，C_N，如图1所示，每个子光频带对应一个光频码片，宽谱光源输出光信号的中心频率为ω₀。首先计算中心频率ω₀所在的子光频带的编号i。光谱幅度编码系统在进行光谱编码时，子光频带C_i对应的光频码片始终发送信号1，其他的子光频带对应的光频码片则根据实际需要传送的二进制数据，发送信号1或者0。在光谱幅度解码系统中，在每个码元周期A000末尾做如下计算：

Step001：获取子光频带C_i对应的光频码片的光电探测信号S_i；

Step002：根据如下似然比方程计算最优判决阈值r：

$\mathrm{\&Lambda;}\left(r\right)=\frac{\exp [-\frac{{(r-S_i)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}]}{\exp [-\frac{r^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}]}\stackrel{H_1}{\underset{H_0}{\stackrel{>}{<}}}\frac{p\left(H_0\right)}{p\left(H_1\right)}$

式中

为探测器噪声方差，H₁表示假设发送信号1的条件，H₀表示假设发送信号0的条件，p(H₁)表示发送信号1的概率，p(H₀)表示发送信号0的概率。

Step003：对子光频带C₁，C₂，...，C_i-1，C_i+1，C_i+2，...，C_N对应的各个光频码片A001，比较光频码片A001对应的光电探测信号A002和最优判决阈值r的大小，如果光电探测信号A002大于或等于最优判决阈值r，则判决光频码片A001在码元周期A000内传送的是信号1，否则判决光频码片A001在码元周期A000内传送的是信号0。

由于在每个码元周期内，都根据始终发送信号1的光频码片对应的光电探测信号大小计算最优判决阈值。因此，即使大气湍流导致的光强闪烁造成光频码片对应的光电探测信号起伏，在每个码元周期内，仍然是根据最优判决阈值来判决每个光频码片所发送的数据，所以实现了自适应阈值判决。

Claims (1)

1.基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法，其特征在于，所需的系统结构和实施方法如下：

方法的目的是在大气无线激光通信中实现自适应阈值判决；为了使各光频码片在发送信号1时，在光谱幅度解码系统中各光频码片对应的光电探测信号大小相等，需要在发送信号1的条件下事先测量各光频码片对应的光电探测信号，以最小光电探测信号对应的光频码片为基准，通过编码控制与驱动模块来控制其他光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素，以减小这些像素的透光率；通过适当减小非最小光电探测信号对应的光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素的透光率，使各光频码片对应的光电探测信号大小相等；可以在实验室内，将光谱幅度编/解码系统安装在光学平台上，使其正常工作，通过编程调整编码控制与驱动模块中的与各光频码片对应的控制电信号的大小，实现线阵液晶空间光调制器的像素的透光率的减小；

光谱幅度编码系统将宽谱光源的输出光频带分成一组子光频带C₁，C₂，C₃，...，C_N，每个子光频带对应一个光频码片，宽谱光源输出光信号的中心频率为ω₀；首先计算中心频率ω₀所在的子光频带的编号i；光谱幅度编码系统在进行光谱编码时，子光频带C_i对应的光频码片始终发送信号1，其他的子光频带对应的光频码片则根据实际需要传送的二进制数据，发送信号1或者0；在光谱幅度解码系统中，在每个码元周期A000末尾做如下计算：

Step001：获取子光频带C_i对应的光频码片的光电探测信号S_i；

Step002：根据如下似然比方程计算最优判决阈值r：

$\mathrm{\&Lambda;}\left(r\right)=\frac{\exp [-\frac{{(r-S_i)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}]}{\exp [-\frac{r^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}]}\stackrel{H_1}{\underset{H_0}{\stackrel{>}{<}}}\frac{p\left(H_0\right)}{p\left(H_1\right)}$

式中

为探测器噪声方差，H₁表示假设发送信号1的条件，H₀表示假设发送信号0的条件，p(H₁)表示发送信号1的概率，p(H₀)表示发送信号0的概率；

Step003：对子光频带C₁，C₂，...，C_i-1，C_i+1，C_i+2，…，C_N对应的各个光频码片A001，比较光频码片A001对应的光电探测信号A002和最优判决阈值r的大小，如果光电探测信号A002大于或等于最优判决阈值r，则判决光频码片A001在码元周期A000内传送的是信号1，否则判决光频码片A001在码元周期A000内传送的是信号0；

由于在每个码元周期内，都根据始终发送信号1的光频码片对应的光电探测信号大小计算最优判决阈值；因此，即使大气湍流导致的光强闪烁造成光频码片对应的光电探测信号起伏，在每个码元周期内，仍然是根据最优判决阈值来判决每个光频码片所发送的数据，所以实现了自适应阈值判决。

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