CN106130660A

CN106130660A - 一种无线光通信盲检测接收机的方法

Info

Publication number: CN106130660A
Application number: CN201610509545.4A
Authority: CN
Inventors: 党安红; 李锐杰
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN106130660B

Abstract

本发明公布了一种无线光通信盲检测接收机的方法，无线光通信系统为强度调制直接检测系统，系统的发射机发射信号，通过信号去噪和两次阈值判决，将信号输出给系统的接收机，实现盲检测接收机；所述信号去噪和两次阈值判决包括：通过改进的小波变换阈值去噪算法对接收信号进行去噪处理，经过两次阈值判决对数字信号进行恢复，完成整个信号检测过程。本发明能够在很大程度上抑制信号传输过程中引入的噪声，具有更好的误码率性能，且可在未知信道状态条件下实现盲检测。本发明具有更好的噪声性能和更低的算法复杂度，可降低大气信道和噪声对光信号的影响，提高检测系统的灵敏度。

Description

一种无线光通信盲检测接收机的方法

技术领域

本发明属于无线光通信领域，涉及无线光通信的接收机处理算法，尤其涉及一种无线光通信盲检测接收机的方法，本方法可降低大气信道和噪声对光信号的影响。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，人们对于通信的速率、方式、覆盖范围、可靠性和安全性等方面的要求在不断增加。在此需求之下，无线光通信作为一种新兴的通信方式走入了人们的视野，成为广泛重视的关键技术之一。但是，无线光通信系统一般采用大气信道作为传输媒介，大气信道的随机性，背景光干扰以及光电探测器等噪声会对光信号产生较大的影响，噪声导致通信系统误码率的上升，严重影响了通信系统的质量。因此，在接收端对信号进行处理，进而降低通信系统的误码率是必要的，也是有效的。强度调制直接检测系统是最为简单常用且比较容易实现的系统，是比较理想的无线光通信系统。

目前，主要的接收机处理算法有：最大似然算法，在已知信道模型以及参数的情况下，可以通过最大似然求出阈值从而将误码率降低；基于训练序列的处理算法，通过对训练序列的处理，估计出信道模型参数从而对信号进行处理；盲检测算法，在未知信道信息的情况下对信号进行处理。虽然这些算法在一定程度上降低了通信系统的误码率，但是这些算法没有能够对通信系统中引入的噪声进行有效的处理，从而限制了误码率的进一步降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无线光通信盲检测接收机的方法，针对无线光通信系统，结合小波阈值去噪算法的优势，可有效的将经大气信道影响的光波中提取出信号并且进行判决；同时，利用大气信道的时间相关性，能够在未知信道信息的情况下实现检测判决。因此，相比于传统的无线光通信检测算法，本发明具有更好的噪声性能和更低的算法复杂度，可降低大气信道和噪声对光信号的影响。

本发明的原理是：现有算法难以对通信系统中引入的噪声进行有效的处理，从而限制了误码率的进一步降低。基于此，本发明结合盲检测算法和去噪算法二者的优势，提出了一种基于去噪算法的盲检测接收机算法。与现有的接收算法相比，本发明提出的接收机算法能够大幅度降低通信系统的误码率，提高通信系统传输质量。具体地，本发明基于小波阈值去噪算法的盲检测接收算法，利用小波阈值去噪对接收序列进行噪声去除。考虑到大气湍流信道的特性，针对接收信号将传统的小波阈值去噪进行了改进。改进后的小波阈值去噪算法更适应于大气信道，相比于传统的小波阈值去噪算法，能够更有效的抑制通信过程中引入的加性噪声。经过小波阈值处理后的接收序列，采用阈值进行判决，得到判决结果。判决时利用大气信道引起的大气湍流具有低频的特点，考虑一定长度的序列进行判决。针对选取的序列，首先采用最大似然准则进行判决，即均值作为判决阈值。但是，为了能够进一步提高接收算法的性能，利用第一次判决得到的结果，考虑最大后验概率判决准则，得到最终判决结果。由于首先对接收序列进行了去噪处理，因此在判决时，噪声得到了很好的抑制，相比于传统的接收算法，本算法具有更好的性能。

本发明提供的技术方案是：

一种无线光通信盲检测接收机的方法，针对强度调制直接检测(IM/DD)系统，系统的发射机发射信号，通过信号去噪和两次阈值判决，将信号输出给系统的接收机，实现盲检测接收机；包括如下步骤：

1)对接收到的电信号进行采样，将采样后的信号进行离散小波变换。

采用快速小波分解算法，小波基为Haar小波基，分解层数为三层，经验证三层分解即可以达到比较好的去噪效果；分解层数越多所需的信号处理时间越长；

2)将变换到小波域的信号采用硬阈值函数进行处理。

由于本发明设计的小波阈值去噪算法随着分解级数的增加，阈值在逐渐衰减，因此不同于传统的小波阈值去噪，本发明中，在小波域要针对每层小波系数分别进行处理；

3)将处理后的小波系数通过快速离散小波逆变换至时域，完成去噪过程；

4)将经过噪声去除的信号选取一定长度的观测窗口，观测窗口内的序列进行统一判决，判决阈值为均值。大于阈值判决为1，否则判决为0；

观测窗口的长度根据实际情况进行选择，观测窗口的宽度决定误码率的最小值。随着观测窗口的增加，在高信噪比处检测性能提高，但是每次判决需要的数据量增加，将会导致数据处理的延迟。经验证，观测窗口取20至30比特时基本能够达到较好的性能。如果对数据处理实时性要求不高，可以取更长的观测窗口。

5)考虑最大后验概率判决准则，结合第一次判决的结果，进行第二次阈值判决，得到最终判决结果。

本发明设计基于小波阈值去噪的盲检测接收算法，主要设计了上述信号处理判决模块，将光电探测器输出的电信号进行采样转换为数字信号以及进行信号处理、判决，最终输出发射端所传送的信号。本发明在判决时，为了提高判决效果，采用了两次阈值判决，第一次判决采用最大似然准则，第二次判决采用最大后验概率准则。

本发明实现了基于去噪算法的盲检测接收。由于本发明算法中涉及的小波变换等方面，均有成熟的分解算法，算法复杂度较低，而且处理性能也优于一般的盲检测算法。同时，考虑了信道的具体特性，对传统的小波阈值算法进行了改进，进一步提高了小波阈值去噪的效果，提高了接收系统的灵敏度。

本发明针对强度调制直接检测(IM/DD)系统，系统框图如图1所示，其中包括光源(激光器)，信号源，强度调制器，发射天线，接收天线，光电探测器以及信号处理判决模块。所述的光源(激光器)、信号源、强度调制器、发射天线构成系统的发射机，所述的接收天线、光电探测器以及信号处理判决模块构成系统的接收机。本发明主要涉及信号处理判决模块，通过信号处理判决模块的设计来提高系统的检测性能。

所述的系统发射机的光源，强度调制器，发射天线之间用光纤进行连接，所述的系统发射机的信号源和强度调制器之间用微波线进行连接。

所述的系统接收机的接收天线，光电探测器之间用光纤进行连接。所述的系统接收机的光电探测器和信号处理判决模块用微波线进行连接。

所述的光源，采用激光器，其作用是输出稳定的光波，作为无线光通信系统的光载波。典型的并不限于此，波长可采用1550nm波段，此波段是处于大气通信窗口，而且，此波段作为传统的光纤通信常用波段，商用光电器件发展较为成熟。

所述的信号源在本系统中考虑OOK非归零码，通过强度调制器将OOK非归零码调制于光载波上。

所述的发射天线将经过信号调制的光波发射于大气信道中。

所述的接收天线的作用是将发射机发射于空间中的光耦合入光纤中，经过光电探测器探测转化为电信号输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的无线光通信强度调制直接检测系统检测算法，一般需要已知信道的状态，或者信道模型参数等信道信息，因此需要先对信道参数进行估计。而且，现有的算法没有针对信号传输过程中引入的噪声进行处理，从而很大程度上限制了系统的性能。基于此，本发明提供一种无线光通信盲检测接收机的方法，针对无线光通信系统，结合盲检测算法和去噪算法的优势，有效地将经大气信道影响的光波中提取出信号并且进行判决；同时，利用大气信道的时间相关性，能够在未知信道信息的情况下实现检测判决。因此，相比于传统的无线光通信检测算法，本发明能够在很大程度上抑制信号传输过程中引入的噪声，具有更好的误码率性能，而且，可以在未知信道状态条件下实现盲检测。本发明具有更好的噪声性能和更低的算法复杂度，可降低大气信道和噪声对光信号的影响。

附图说明

图1是大气无线光通信IM/DD系统基本结构框图。

图2是本发明实施例中基于去噪算法的OOK无线光通信盲检测接收机算法的流程框图；

其中，i_OOK[k]表示经过光电探测器转化的电信号序列，表示去噪后的信号，k表示信号序列号，T₁表示计算得到的第一次判决阈值，L₁表示根据第一次判决结果统计得到的‘1’的序列个数，L₀表示根据第一次判决结果统计得到的‘0’的序列个数，T₂计算得到的第二次判决阈值，表示经过算法处理得到的最终检测结果。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种无线光通信盲检测接收机的方法，针对无线光通信系统，结合盲检测算法和去噪算法的优势，有效地将经大气信道影响的光波中提取出信号并且进行判决；同时，利用大气信道的时间相关性，能够在未知信道信息的情况下实现检测判决。因此，相比于传统的无线光通信检测算法，本发明能够在很大程度上抑制信号传输过程中引入的噪声，具有更好的误码率性能，而且，可以在未知信道状态条件下实现盲检测。

本发明具体实施针对大气无线光通信IM/DD系统OOK调制方式进行盲检测接收机。OOK调制是光通信中常用调制方式之一。大气无线光通信IM/DD系统基本结构如图1所示。

在大气无线光通信IM/DD系统中，信号经强度调制器，将信号加载与激光器发射的激光上，经发射天线发射，传送入大气信道。在大气信道中，光波受到了大气湍流的影响。在接收端，通过接收天线，经光电探测器转化为电信号，对电信号进行采样。将大气湍流对光强的影响表示为乘性因子，背景光噪声和探测器等带来的电噪声综合考虑为独立加性高斯白噪声，其中大气湍流引起的光强闪烁具有低频特性。

本发明提出的基于去噪算法的无线光通信盲检测接收机算法包括如下步骤：

(一)建立无线光通信接收信号模型；

信号模型为i_OOK[k]＝Is[k]+i_n[k]，其中，k表示信号序列号，i_OOK[k]表示接收到的离散电信号序列，I为大气湍流引起的光强闪烁因子，s[k]表示发射端发射信息序列，i_n[k]表示加性高斯白噪声。信号模型为IM/DD系统模型。

(二)采用改进的小波变换去噪算法对接收序列进行去噪处理；

(三)通过一定长度的观测窗口简化接收信号模型；

(四)将观察窗口中的已去噪信号序列进行初次阈值判决，阈值为信号均值；

(五)结合第一次判决的结果，计算二次判决阈值，进行第二次判决，解决窗口内信号‘0’‘1’不等概的情况，得到最终结果。

本发明对接收的电信号进行小波阈值去噪。考虑到了传统小波变换的缺点，针对大气信道的特点，提出了改进的小波阈值去噪算法，小波分解和合成均采用快速小波分解算法；实施方式如下：

1)对接收到的信号进行小波分解；

采用快速小波变换，将信号变换至小波域，分解过程采用Haar小波基；分解层数越多所需的信号处理时间越长，将第j层小波系数表示为w_j[k]，其中，k为信号序列号。

2)将分解的信号进行阈值处理；

考虑到大气信道的特点，将传统小波阈值去噪中采用的全局阈值改进为随着分解级数的增加，阈值逐渐减小的形式，其中阈值具体根据序列长度，噪声标准差，以及分解级数进行计算。噪声标准差利用σ_w＝median(w_1g)/0.6754进行估计，w_1g表示第一层小波系数中的高频分量，σ_w表示加性高斯白噪声标准差，median(·)表示取中值运算。其中，阈值具体计算可以由以下公式进行计算

式1中，λ_j为第j层小波阈值；j表示分解级数；σ_w为噪声标准差；L表示序列长度，t决定阈值随分解级数衰减的速度，取值在1.4至1.7之间，根据湍流强度不同，可做微小调整，使得去噪效果更佳。

3)结合步骤2)中计算的阈值，采用硬阈值函数对小波系数w_j[k]进行处理，得到处理后的小波系数。

4)将通过阈值处理后的小波系数，采用快速小波合成算法，将处理后的小波系数变换至时域，完成小波去噪。

对经过小波阈值去噪处理的接收序列，选取观测序列，即采用观测窗口，在观测窗口内进行判决。考虑到湍流引起的强度闪烁具有低频的特点，设定在观测窗口之内，湍流引起的强度闪烁因子为常数。

将观测序列进行判决，判决步骤如下：

1)进行初次判决，判决阈值为观测序列均值，若信号大于阈值则判决为‘1’，否则，判决为‘0’。得到第一次判决结果；由于系统是OOK调制方式，因此，判决得到相应的0、1序列

具体地，将经过噪声去除的信号选取一定长度的观测窗口，观测窗口内的序列进行统一判决，判决阈值为均值。大于阈值判决为1，否则判决为0；观测窗口的长度根据实际情况进行选择，观测窗口的宽度决定误码率的最小值。随着观测窗口的增加，在高信噪比处检测性能提高，但是每次判决需要的数据量增加，将会导致数据处理的延迟。经验证，观测窗口取20至30比特时基本能够达到较好的性能。如果对数据处理实时性要求不高，可以取更长的观测窗口。

2)由于观测窗口中对应发射信号的‘0’和‘1’出现的概率不相等，仅利用第一次判决，将会导致差的误码率性能。因此，结合第一次判决结果，可以计算出相应发送‘0’的概率P(0)和‘1’的概率P(1)，以及估计相应的光强I和噪声强度具体表达式如下

P(0)＝1-P(1) (式3)

其中，N表示观测窗口长度，表示噪声处理后的信号。使用最大后验概率准则可以计算得到第二次判决阈值，公式为式6：

最终进行判决，大于阈值则判决为‘1’，小于阈值则判决为‘0’，完成最终检测判决，得到相应的0,1序列。

本发明提供的整个信号检测过程可以概括为两个部分：去噪过程和判决过程。在检测过程中，算法不需要任何信道信息，属于盲检测。同时，考虑到采用改进的小波阈值去噪算法，能够很大程度上抑制接受信号中的加性噪声，对判决过程有很大的好处。而且，在判决过程，考虑到观测序列中‘0’和‘1’的不等概情况，采用了最大后验概率判决标准。经过第二次判决的修正，很大程度上提高了判决的准确性。因此，该检测算法具有很好的性能，具有较高的灵敏度。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种无线光通信盲检测接收机的方法，无线光通信系统采用强度调制直接检测系统，系统的发射机发射信号，所述方法通过信号去噪和两次阈值判决，将信号输出给系统的接收机，实现盲检测接收机；所述信号去噪和两次阈值判决包括如下步骤：

1)采用改进的小波阈值去噪算法，对接收的电信号进行小波阈值去噪；所述改进的小波阈值去噪算法均采用快速小波分解算法进行小波分解和合成；

2)选取观测窗口，将观察窗口中的已去噪信号序列进行初次阈值判决；初次判决阈值设为信号均值；初次阈值判决采用最大似然判决准则；

3)根据步骤2)得到的初次阈值判决，采用最大后验概率判决准则进行第二次阈值判决，得到最终判决结果。

2.如权利要求1所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，所述改进的小波阈值去噪算法，具体包括如下过程：

11)对接收到的信号进行小波分解，采用快速小波变换，将信号变换至小波域，分解过程采用Haar小波基；分解层数为多层，将第j层小波系数表示为w_j[k]，k为信号序列号；

12)设置阈值，根据序列长度、噪声标准差和分解级数计算得到阈值；

13)将分解的信号进行阈值处理，根据步骤12)中计算得到的阈值，采用硬阈值函数对所述小波系数w_j[k]进行处理，得到处理后的小波系数；

14)将步骤13)通过阈值处理后的小波系数，采用快速小波合成算法，将处理后的小波系数变换至时域，完成小波去噪。

3.如权利要求2所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，步骤12)所述阈值具体通过式1计算得到：

式1中，λ_j为第j层小波阈值；j表示分解级数；σ_w为噪声标准差；L表示序列长度，t决定阈值随分解级数衰减的速度，取值在1.4至1.7之间。

4.如权利要求3所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，所述噪声标准差σ_w利用σ_w＝median(w_1g)/0.6754进行估计得到，其中，w_1g表示第一层小波系数中的高频分量；σ_w表示加性高斯白噪声标准差；median(·)表示取中值运算。

5.如权利要求1所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，步骤2)所述观测窗口取20至30比特；设定在观测窗口之内，湍流引起的强度闪烁因子为常数。

6.如权利要求1所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，步骤2)所述进行初次阈值判决，当信号大于所述阈值时，判决为‘1’；否则，判决为‘0’；由此得到0、1序列作为初次阈值判决结果。

7.如权利要求6所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，步骤3)所述第二次阈值判决，具体包括如下步骤：

31)根据所述初次阈值判决得到的0、1序列结果，通过式2～式5计算出相应发送‘0’的概率P(0)、发送‘1’的概率P(1)、相应的光强I和噪声强度

P(0)＝1-P(1) (式3)

其中，N表示观测窗口长度，表示噪声处理后的信号；

32)使用最大后验概率准则，通过式6计算得到第二次判决阈值：

其中，T₂为第二次判决阈值；

33)进行第二次判决，当信号大于所述第二次判决阈值时，判决为‘1’；否则判决为‘0’，得到相应的0、1序列；由此完成最终检测判决。

8.如权利要求1所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，所述系统的发射机包括光源、信号源、强度调制器和发射天线；所述系统的接收机包括接收天线、光电探测器和信号处理判决模块；所述系统发射机的光源、强度调制器、发射天线之间用光纤进行连接，所述系统发射机的信号源和强度调制器之间用微波线进行连接；所述系统接收机的接收天线和光电探测器之间用光纤进行连接；所述系统接收机的光电探测器和信号处理判决模块用微波线进行连接。

9.如权利要求8所述无线光通信盲检测接收机的方法，其特征是，所述系统发射机的光源采用激光器，用于输出稳定的光载波；所述系统发射机的信号源为OOK非归零码，通过强度调制器将所述OOK非归零码调制于光载波上。