CN108667525A - 一种无线光通信中恒定阈值的信号检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种无线光通信中采用恒定阈值判决的信号处理和判决方法及系统，将信号光电流进行模数转换后进行数字低通滤波，来提取大气信道光强闪烁信息，并将数字接收信号除以该低通滤波输出，进而以恒定值作为判决阈值对待判决信号进行判决。系统包括：光源，信号源，强度调制器，发射天线，大气信道，接收天线，光电探测器，模数转换器，延时模块，低通滤波器，除法运算模块和判决模块。本发明由于不涉及任何的帧结构处理和复杂运算，因而具有很高的实时性；本发明也不需要复杂的硬件模块；因此，本发明特别适用于高速大容量的数据传输应用。

Description

一种无线光通信中恒定阈值的信号检测方法及系统
技术领域
本发明属于光学、光电子学、电子学及光通信技术领域，涉及光通信中的信号检测技术，具体涉及一种无线光通信中自适应阈值的信号检测方法及无线光通信系统。
背景技术
近年来，无线光通信(OWC)以其高数据速率、低系统成本、易架设、抗电磁干扰和免许可等特性引起广泛的研究和应用。由于这些特点，OWC系统成为大容量通信、应急通信、临时通信和最后一公里问题等场景的吸引人的解决方案。由于相干系统的高复杂性，现有的OWC系统大多采用强度调制直接探测(IM/DD)方案。特别地，开关键控(OOK)调制作为IM/DD中最简单易行的一种，被广泛地应用在现有的OWC系统中。然而，经过大气湍流信道的OWC链路特别容易受到大气状况的影响，这些影响将导致OOK信号的强度发生起伏。由大气湍流导致的光强闪烁会造成接收信号的起伏，判决阈值的选取是OOK调制无线光通信系统中的关键问题。
在现有的方案中，针对OOK调制信号的判决方案大体可以分为四类：一是盲判决，二是导频辅助判决，三是基于似然比的判决，四是基于相关信道的判决。这些现有的判决方案具有以下特征：
1)盲判决是一种最简单的判决方案，它假定在一定长度的观察窗口内，光强闪烁是恒定的。然后，利用观察窗口内的数据提取出这个恒定的光强闪烁，从而对整个窗口的信号进行判决。这种方案的性能在窗口长度足够大的时候能接近理想最大似然判决的水平。然而，当观察窗口内出现全‘0’或者全‘1’序列的时候会出现误码平台，限制了方案的性能。
2)在导频辅助判决方案中，传输数据被划分成帧，在每一帧的有效数据前会添加已知的导频序列。在接收端，经过信号同步后，光强闪烁信息可以从已知的导频序列中提取出来。然而，这种方案会造成信号带宽的损失，帧结构的引入也会增加算法的复杂度，同时在光强闪烁信道中帧同步也是一个难题。
3)基于似然比的判决利用似然比测试来提取光强闪烁和判决信号，其原则是使似然比最大化。这种方案的误码率性能非常好。但是它的缺点也是非常明显的：该方案需要进行复杂的积分和搜索算法来得到使得似然比最大的解调输出。这就意味着，在每个序列中都会引入较大的延时，从而无法应用在高速实时系统中。
4)基于相关信道的判决方案通过采用多个临近波长的相关信道来提取光强闪烁。该方案无需进行复杂计算，也无需任何帧结构。但是其缺点也是明显的，多路激光载波的发射需要多个激光器和探测器，导致系统的硬件复杂度增大。
可见，现有的判决阈值选取方案存在的问题或是损失带宽效率，或是实时性差，或是硬件复杂度高，均不适用于高速大容量通信。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种恒定阈值检测方案，通过低通滤波来提取光强闪烁信息；然后将数字接收信号除以该低通滤波输出得到待判决信号，待判决信号以恒定值为阈值进行判决。本发明提供的恒定阈值判决方案无需复杂运算、帧结构和多载波调制，从而具有很高的实时性和低复杂度，特别适用于高速大容量数据的实时传输应用。
本发明的原理是：本发明提供的一种恒定阈值判决方案在接收端对接收信号光电流进行低通滤波，该低通滤波输出包含真实光强闪烁特性和一些微扰项。微扰项是随机矩形脉冲序列经过低通滤波后残余的交流分量。在传输数据带宽远大于滤波器带宽的情况下，该微扰项很小。然后将数字接收信号除以该低通滤波输出，将数字接收信号转化为峰峰值为恒值的信号和零均值噪声之和的形式，从而能够以恒定阈值来对信号进行判决。其中，恒定阈值可根据信号的变化自适应调整，属于自适应阈值的一种。
本发明提供的技术方案是：
一种无线光通信中恒定阈值的信号检测方法，针对开关键控(OOK)调制无线光通信系统，将信号光电流进行模数转换后进行数字低通滤波，并将数字接收信号除以该低通滤波的输出，进而以恒定值作为判决阈值对待判决信号进行判决；包括如下步骤：
1)模数转换：将模拟的接收信号光电流转换为数字信号，获得接收信号光电流的数字信号，以方便在数字信号处理模块中进行处理。
具体实施时，通过式1进行模数转换，输出数字信号r[k]：
r[k]＝d[k]I[k]+n[k] (式1)
其中，k表示信号序列号；r[k]表示数字的接收信号；d[k]表示发送信息序列，取值为‘0’或‘1’；I[k]表示光强闪烁序列，取正数值；n[k]表示零均值加性高斯白噪声序列。
2a)低通滤波：对接收信号光电流的数字信号进行低通滤波，来提取大气信道光强闪烁信息。
具体实施时，采用式2表示低通滤波后的信号rf[k]：
rf[k]＝I[k]/2+df[k]+nf[k] (式2)
其中，df[k]表示信息序列d[k]的低通滤波输出的交流分量，nf[k]表示噪声n[k]的低通滤波输出。当低通滤波的截止频率远小于数据速率时，|df[k]|＜＜1且|nf[k]|＜＜n[k]。
2b)延时补偿：在操作步骤2a)的同时，对接收信号光电流的数字信号进行延时，以使得该信号与2a)低通滤波后的信号同步。
3)除法运算：将步骤2b)输出的延时补偿后的数字信号除以步骤2a)输出低通滤波后的信号，得到的信号作为待判决信号。
4)判决：以恒定值为判决阈值，对步骤3)输出的待判决信号进行判决：当待判决信号大于判决阈值时，判决输出数字信号‘1’，否则判决输出数字信号‘0’。
针对上述的恒定阈值判决方法，进一步地，步骤2a)进行低通滤波采用的截止频率应远小于传输数据速率(传输数据速率一般为百MHz到GHz量级)，同时应大于大气湍流光强闪烁的截止频率。本发明具体实施时，低通滤波器的截止频率为150kHz。大气信道引起的光强闪烁的截止频率为kHz量级(几十kHz到百kHz)。
针对上述的恒定阈值判决方法，进一步地，步骤2b)的延时应根据步骤2a)中低通滤波引入的时延进行设计。具体地，延时与低通滤波器所采用的芯片性能有关，一般是纳秒量级。
本发明还提供一种恒定阈值判决方案的无线光通信系统，可实现OOK信号的高速实时判决；无线光通信系统包括：光源，信号源，强度调制器，发射天线，大气信道，接收天线，光电探测器，模数转换器，延时模块，低通滤波器，除法运算模块和判决模块。其中，光源、信号源、强度调制器和发射天线构成系统的发射机；接收天线、光电探测器、模数转换器、延时模块、低通滤波器、除法运算模块和判决模块构成系统的接收机。所述发射机中的光源、强度调制器和发射天线之间用光纤进行连接，所述发射机中的信号源和强度调制器之间用微波传输线进行连接。所述接收机中的接收天线和光电探测器之间用光纤进行连接，所述接收机中的光电探测器、模数转换器、延时模块、低通滤波器、除法运算模块和判决模块之间用微波传输线进行连接。
无线光通信系统的接收机中，接收天线接收大气信道信号经光电探测器，模数转换器将光电探测器的输出光电流转换成数字信号；数字信号通过低通滤波器提取光强闪烁信息；同时，数字信号经延时模块进行延时补偿；通过除法运算模块将延时补偿输出的数字信号除以低通滤波输出，得到待判决信号；将待判决信号输入判决模块，以恒定值进行判决，由此实现OOK信号的高速实时判决。
具体实施时，光源具体为红外激光器，输出光波长为1550nm；信号源具体为二进制随机序列发生器，二进制序列码率为2.5Gbps。强度调制器的调制带宽为10Gbps。大气信道引起的光强闪烁的截止频率为kHz量级。光电探测器为雪崩光电二极管，其响应带宽为8GHz。模数转换器将光电探测器的输出光电流转换成数字信号，其过采样倍率为2倍以上(具体实施时过采样倍率为4倍)；模数转换器的采样速率为10GSample/s。低通滤波器的截止频率为150kHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种无线光通信中采用恒定阈值判决的信号处理和判决方法及系统：将信号光电流进行模数转换后进行数字低通滤波，来提取大气信道光强闪烁信息，并将数字接收信号除以该低通滤波输出，进而以恒定值作为判决阈值对待判决信号进行判决。本发明由于不涉及任何的帧结构处理和复杂运算，因而具有很高的实时性。因此，本发明特别适用于高速大容量的数据传输应用。本发明主要具有以下优势：
(一)不需要任何帧结构处理或导频序列；
(二)不需要进行复杂运算；
(三)不需要复杂的硬件模块；
(四)具有很高的实时性。
附图说明
图1为本发明提供的采用恒定阈值判决的信号处理方法的流程框图；
其中，r(t)表示模拟的接收信号光电流，r[k]表示数字的接收信号，rf[k]表示数字信号经过低通滤波的输出，表示除法运算得到的待判决信号，表示判决输出。
图2为本发明实施例提供的采用本发明恒定阈值判决方法的一种IM/DD无线光通信系统的结构框图。
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。
本发明针对OOK调制高速无线光通信系统，利用大气湍流光强闪烁功率谱的低通特性，对接收信号进行低通滤波操作来提取大气湍流光强闪烁信息，将数字接收信号除以该滤波输出，从而能够以恒定值作为判决阈值，并取得较好的性能。
如图1所示，本发明提出的恒定阈值判决方案包括如下步骤：
(一)模数转换：对接收信号光电流进行模数转换，输出数字信号r[k]＝d[k]I[k]+n[k]，其中k表示信号序列号；r[k]表示数字的接收信号；d[k]表示发送信息序列，取值为‘0’或‘1’；I[k]表示光强闪烁序列，取正数值；n[k]表示零均值加性高斯白噪声序列。
(二A)低通滤波：对数字接收信号的进行低通滤波，其输出为rf[k]＝I[k]/2+df[k]+nf[k]，其中df[k]表示信息序列d[k]的低通滤波输出的交流分量，nf[k]表示噪声n[k]的低通滤波输出。当低通滤波的截止频率远小于数据速率时，|df[k]|＜＜1且|nf[k]|＜＜n[k]。
(二B)延时补偿：对接收的数字信号进行延时补偿，延时后的数字信号记为rd[k]；
(三)除法运算：将接收信号rd[k]除以低通滤波输出rf[k]，得到待判决信号
(四)判决：以恒定值(设为“1”)作为判决阈值对待判决信号进行判决；当时判决输出否则判决输出
图2展示了采用本发明提供的一种恒定阈值判决方案的无线光通信系统框图，包括：光源，信号源，强度调制器，发射天线，大气信道，接收天线，光电探测器，模数转换器，延时模块，低通滤波器，除法运算模块和判决模块。所述的光源、信号源、强度调制器和发射天线构成系统的发射机，所述的接收天线、光电探测器、模数转换器、延时模块、低通滤波器、除法运算模块和判决模块构成系统的接收机。所述发射机中的光源、强度调制器和发射天线之间用光纤进行连接，所述发射机中的信号源和强度调制器之间用微波传输线进行连接。所述接收机中的接收天线和光电探测器之间用光纤进行连接，所述接收机中的光电探测器、模数转换器、延时模块、低通滤波器、除法运算模块和判决模块之间用微波传输线进行连接。
所述的光源具体为红外激光器，输出光波长为1550nm；所述的信号源具体为二进制随机序列发生器，二进制序列码率为2.5Gbps。
所述的强度调制器的调制带宽为10Gbps。
所述的大气信道引起的光强闪烁的截止频率为1kHz。
所述的光电探测器为雪崩光电二极管，其响应带宽为8GHz。
所述的模数转换器的采样速率为10GSample/s。
所述的低通滤波器的截止频率为150kHz。
上述的无线光通信系统在工作时，通过如下过程实现OOK信号的高速实时判决：
(1)所述模数转换器将所述光电探测器的输出光电流转换成数字信号，其过采样倍率为4倍；
(2)所述模数转换器输出的数字信号的经过所述低通滤波器。由于所述低通滤波器的截止频率远小于数据码率，同时又大于所述大气信道光强闪烁的截止频率(kHz量级)；因此所述低通滤波器的输出中的微扰项非常小。
(3)所述模数转换器输出的数字信号的经过所述延时模块。
(4)将步骤(3)输出的数字信号除以步骤(2)的低通滤波输出，得到待判决信号。
(5)将待判决信号输入判决模块，以恒定值进行判决。
本发明提出的一种恒定阈值判决方案，利用大气信道的低通特性，在接收端通过低通滤波提取光强闪烁信息，并将数字接收信号除以该低通滤波输出得到待判决信号。在无线光通信中，通信数据速率通常远远大于光强闪烁功率谱的截止频率。根据这一特性可以设计出低通滤波器满足条件：低通滤波器的截止频率远小于数据速率同时大于光强闪烁截止频率。相关理论分析、计算机模拟和实验均表明，恒定值可以作为待判决信号的判决阈值，并且取得很高的性能。本发明结构简单，并且具有高度的实时性，适用于高速大容量无线光通信系统中。
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 (10)

1.一种无线光通信中恒定阈值的信号检测方法，针对开关键控调制无线光通信系统，将信号光电流进行模数转换后进行数字低通滤波，并将数字接收信号除以低通滤波的输出信号，作为待判决信号，进而以恒定值作为判决阈值对待判决信号进行判决；包括如下步骤：
1)模数转换：将模拟的接收信号光电流转换为数字信号，获得数字接收信号；具体通过式1进行模数转换，输出数字接收信号r[k]：
r[k]＝d[k]I[k]+n[k] (式1)
其中，k表示信号序列号；r[k]表示数字的接收信号；d[k]表示发送信息序列，取值为‘0’或‘1’；I[k]表示光强闪烁序列，取正数值；n[k]表示零均值加性高斯白噪声序列；
2a)低通滤波：对数字接收信号进行低通滤波，提取大气信道光强闪烁信息；式2表示低通滤波后的信号rf[k]：
rf[k]＝I[k]/2+df[k]+nf[k] (式2)
其中，df[k]表示信息序列d[k]的低通滤波输出的交流分量，nf[k]表示噪声n[k]的低通滤波输出；进行低通滤波采用的截止频率远小于传输数据速率，同时大于大气湍流光强闪烁的截止频率；当低通滤波的截止频率远小于数据速率时，|df[k]|＜＜1且|nf[k]|＜＜n[k]；
2b)延时补偿：在操作步骤2a)的同时，对接收信号光电流的数字信号进行延时，以使得该信号与2a)低通滤波后的信号同步；
3)除法运算：将步骤2b)输出的延时补偿后的数字信号除以步骤2a)输出低通滤波后的信号，得到的信号作为待判决信号；
4)判决：以恒定值为判决阈值，对步骤3)输出的待判决信号进行判决：当待判决信号大于判决阈值时，判决输出数字信号‘1’，否则判决输出数字信号‘0’；
由此实现无线光通信中恒定阈值的信号检测。
2.如权利要求1所述的信号检测方法，其特征是，步骤4)所述判决阈值设为“1”。
3.如权利要求1所述的信号检测方法，其特征是，步骤1)模数转换的采样倍率为2倍以上。
4.如权利要求1所述的信号检测方法，其特征是，所述传输数据速率量级为百MHz到GHz；低通滤波器的截止频率为150kHz；大气信道引起的光强闪烁的截止频率量级为kHz。
5.如权利要求1所述的信号检测方法，其特征是，步骤2b)的延时根据步骤2a)中低通滤波引入的时延进行设计。
6.如权利要求1所述的信号检测方法，其特征是，步骤4)所述恒定值为“1”。
7.一种无线光通信中利用恒定阈值判决信号的系统，包括：光源，信号源，强度调制器，发射天线，大气信道，接收天线，光电探测器，模数转换器，延时模块，低通滤波器，除法运算模块和判决模块；
其中，光源、信号源、强度调制器和发射天线构成系统的发射机；接收天线、光电探测器、模数转换器、延时模块、低通滤波器、除法运算模块和判决模块构成系统的接收机；所述发射机中的光源、强度调制器和发射天线之间用光纤进行连接，所述发射机中的信号源和强度调制器之间用微波传输线进行连接；所述接收机中的接收天线和光电探测器之间用光纤进行连接，所述接收机中的光电探测器、模数转换器、延时模块、低通滤波器、除法运算模块和判决模块之间用微波传输线进行连接；
所述接收机中，接收天线接收大气信道信号经光电探测器，模数转换器将光电探测器的输出光电流转换成数字信号；数字信号通过低通滤波器提取光强闪烁信息；同时，数字信号经延时模块进行延时补偿；通过除法运算模块将延时补偿输出的数字信号除以低通滤波输出，得到待判决信号；将待判决信号输入判决模块，以恒定值进行判决，由此实现开关键控OOK信号的高速实时判决。
8.如权利要求7所述的系统，其特征是，所述光源具体为红外激光器，输出光波长为1550nm；所述信号源具体为二进制随机序列发生器，二进制序列码率为2.5Gbps。
9.如权利要求7所述的系统，其特征是，所述强度调制器的调制带宽为10Gbps；光电探测器为雪崩光电二极管，响应带宽为8GHz；模数转换器的过采样倍率为4倍；采样速率为10GSample/s。
10.如权利要7所述的系统，其特征是，大气信道引起的光强闪烁的截止频率为kHz量级；低通滤波器的截止频率为150kHz。
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