CN112235046A - 无线紫外光通信的降噪处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线紫外光通信的降噪处理方法，具体按照以下步骤实施：步骤1建立紫外光直视和非直视通信分集接收模型；步骤2根据建立的分集接收模型，对发射端的信号进行分集接收降噪处理；步骤3对分集接收且融合后的数据信号先进行硬件滤波，然后再进行小波变换降噪处理；步骤4完成对紫外光直视和非直视通信的降噪处理。小波变换对光电倍增管产生的暗电流噪声和电路元器件产生的的热噪声具有很好的抑制作用，且能够进一步的抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声，最大限度的保留有用信号，提高接收端接收信号的信噪比。

Description

无线紫外光通信的降噪处理方法
技术领域
本发明属于紫外光通信技术领域，涉及一种无线紫外光通信的降噪处理方法。
背景技术
随着信息技术的发展，人们对无线通信的需求越来越高，尤其是通信的速率和通信的安全性。最常用的无线电通信容易被干扰，安全性差，不能满足对安全性要求较高的无线通信场景。
无线紫外光通信(UVC)是一种无线光通信，相比无线电通信和红外光通信，具有高保密性和非直视通信的优点。无线紫外光通信是以紫外光作为载体，以大气信道为传输媒介的一种新型通信方式。紫外光的波长为10nm～400nm，其中200nm～280nm日盲区的紫外光为不可见紫外光，是最常用的紫外光工作波段，具有背景辐射低、抗干扰能力强、保密性高、分辨率低、非直视和全天候工作等优点。
由于紫外光在大气中传输，大气中存的气体分子和气溶胶粒子会对紫外光产生吸收和散射作用，导致接收端接收到的信号很微弱且带有很大的噪声，从而导致UVC的系统性能和通信性能有所降低。仿真和实验发现虽然UVC能实现非直视传输，但是单次散射和多次散射均属于多径传输，都会在接收端产生高斯噪声，尤其是多次散射，虽然可能会提供20％的能量增益，但可能生成更多的噪声。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线紫外光通信的降噪处理方法，具有采用差异化分集接收方法和小波变换方法相结合来提高接收端信噪比的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种无线紫外光通信的降噪处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立紫外光直视和非直视通信分集接收模型；
步骤2、根据建立的分集接收模型，对发射端的信号进行分集接收降噪处理；
步骤3、对分集接收且融合后的数据信号先进行硬件滤波，然后再进行小波变换降噪处理；
步骤4、完成对紫外光直视和非直视通信的降噪处理。
步骤1中，该分集接收模型包括一个主节点和三个从节点，主节点为信号发送端，从节点为信号接收端；主节点和三个从节点相对布置，相邻面上，主节点安装紫外LED，从节点分别安装检测装置PMT。
检测装置PMT为光电倍增管，包括第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管。
发送端的发散角中轴线与接收端的接收视场角中轴线重合，则此时为直视通信模型；发送端的发散角中轴线与接收端的接收视场角中轴线共面且相交但不重合，则此时为非直视通信模型。
步骤2为紫外光直视通信分集接收时：
第一光电倍增管的中心波长与发射端紫外LED的中心波长一致，第二光电倍增管的中心波长偏离发射端紫外LED的中心波长，第一光电倍增管和第二光电倍增管都在发散角内，都可以接收到发射端紫外LED发出的紫外光直视信号，第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，抑制发射端紫外LED散弹噪声；第三光电倍增管在发散角外，只能接收到散射信号和背景噪声，第一光电倍增管输出的信号减去第三光电倍增管输出的信号，抑制散射信道多径传输形成的高斯噪声和背景噪声；
步骤2为紫外光非直视通信分集接收时：
第一光电倍增管的接收视场光锥与发射端紫外LED发射光锥有公共散射体，可接收单次和多次散射信号以及背景噪声；第二光电倍增管的接收视场光锥与发射端紫外LED发射光锥没有公共散射体，接收多次散射信号和背景噪声，第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声。
步骤3进行小波变换降噪处理具体为：
步骤3.1、紫外光接收信号的小波分解，选择一个小波基函数并确定分解层次N对紫外光含噪信号进行分解，有用信号部分主要集中在近似系数中，噪声部分主要包括在细节系数中；
步骤3.2、阈值处理，选择阈值准则和阈值函数对细节系数进行降噪处理；
步骤3.3、小波重构，利用原始的近似系数和降噪后的细节系数进行离散小波逆变换，恢复信号。
本发明的有益效果是：
收发节点按照空间分集方式进行通信时，可分别在直视和非直视两种通信模式下抑制由多经传输引起的单次散射和多次散射产生的噪声。
当处于紫外光直视通信分集接收模型时，由于不同波长的光在发端LED形成的散弹噪声同相，因此可以用第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，达到抑制发端LED散弹噪声的目的。而第三光电倍增管在发散角外，只能接收到散射信号和背景噪声，用第一光电倍增管输出的信号减去第三光电倍增管输出的信号，可以抑制散射信道多径传输形成的高斯噪声和背景噪声。
当处于紫外光非直视通信分集接收模型时，第一光电倍增管接收单次和多次散射信号以及背景噪声，第二光电倍增管只接收多次散射信号和背景噪声，因此用第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，就可以抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声。
小波变换对光电倍增管产生的暗电流噪声和电路元器件产生的的热噪声具有很好的抑制作用，且能够进一步的抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声，最大限度的保留有用信号，提高接收端接收信号的信噪比。
附图说明
图1是本发明无线紫外光通信的降噪处理方法的降噪方案图；
图2是本发明无线紫外光通信的降噪处理方法的分集接收模型图；
图3是本发明无线紫外光通信的降噪处理方法的紫外光直视通信分集接收示意图；
图4是本发明无线紫外光通信的降噪处理方法的紫外光非直视通信分集接收示意图；
图5是本发明无线紫外光通信的降噪处理方法的小波变换降噪流程图。
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。
如图1所示，一种无线紫外光通信的降噪处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立紫外光直视和非直视通信分集接收模型；
步骤2、根据建立的分集接收模型，对发射端的信号进行分集接收降噪处理；
步骤3、对分集接收且融合后的数据信号先进行硬件滤波，然后再进行小波变换降噪处理；
步骤4、完成对紫外光直视和非直视通信的降噪处理。
如图2所示，步骤1中，该分集接收模型包括一个主节点和三个从节点，主节点为信号发送端，从节点为信号接收端；主节点和三个从节点相对布置，相邻面上，主节点安装紫外LED，从节点分别安装检测装置PMT。
检测装置PMT为光电倍增管，包括第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管。
发送端的发散角中轴线与接收端的接收视场角中轴线重合，则此时为直视通信模型；发送端的发散角中轴线与接收端的接收视场角中轴线共面且相交但不重合，则此时为非直视通信模型。
如图3所示，步骤2为紫外光直视通信分集接收时：
第一光电倍增管的中心波长与发射端紫外LED的中心波长一致，第二光电倍增管的中心波长偏离发射端紫外LED的中心波长，第一光电倍增管和第二光电倍增管都在发散角内，都可以接收到发射端紫外LED发出的紫外光直视信号，第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，抑制发射端紫外LED散弹噪声；第三光电倍增管在发散角外，只能接收到散射信号和背景噪声，第一光电倍增管输出的信号减去第三光电倍增管输出的信号，抑制散射信道多径传输形成的高斯噪声和背景噪声；
如图4所示，步骤2为紫外光非直视通信分集接收时：
第一光电倍增管的接收视场光锥与发射端紫外LED发射光锥有公共散射体，可接收单次和多次散射信号以及背景噪声；第二光电倍增管的接收视场光锥与发射端紫外LED发射光锥没有公共散射体，接收多次散射信号和背景噪声，第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声。
如图5所示，进行小波变换降噪处理时假设紫外光接收信号f(n)被噪声e(n)污染，则紫外光含噪信号可以表示为：
s(n)＝f(n)+σe(n)
其中，e(n)表示噪声,σ是噪声强度。对含噪信号进行小波变换后，有用信号f(n)通常表现为低频信号，而噪声信号e(n)通常表现为高频信号。
步骤3进行小波变换降噪处理具体为：
步骤3.1、紫外光接收信号的小波分解，选择一个小波基函数并确定分解层次N对紫外光含噪信号进行分解，有用信号部分主要集中在近似系数中，噪声部分主要包括在细节系数中；
步骤3.2、阈值处理，选择阈值准则和阈值函数对细节系数进行降噪处理；
步骤3.3、小波重构，利用原始的近似系数和降噪后的细节系数进行离散小波逆变换，恢复信号。
本发明还具有以下优点：
收发节点按照空间分集方式进行通信时，可分别在直视和非直视两种通信模式下抑制由多经传输引起的单次散射和多次散射产生的噪声。
当处于紫外光直视通信分集接收模型时，由于不同波长的光在发端LED形成的散弹噪声同相，因此可以用第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，达到抑制发端LED散弹噪声的目的。而第三光电倍增管在发散角外，只能接收到散射信号和背景噪声，用第一光电倍增管输出的信号减去第三光电倍增管输出的信号，可以抑制散射信道多径传输形成的高斯噪声和背景噪声。
当处于紫外光非直视通信分集接收模型时，第一光电倍增管接收单次和多次散射信号以及背景噪声，第二光电倍增管只接收多次散射信号和背景噪声，因此用第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，就可以抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声。
小波变换对光电倍增管产生的暗电流噪声和电路元器件产生的的热噪声具有很好的抑制作用，且能够进一步的抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声，最大限度的保留有用信号，提高接收端接收信号的信噪比。

Claims (7)

1.一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立紫外光直视和非直视通信分集接收模型；
步骤2、根据建立的分集接收模型，对发射端的信号进行分集接收降噪处理；
步骤3、对分集接收且融合后的数据信号先进行硬件滤波，然后再进行小波变换降噪处理；
步骤4、完成对紫外光直视和非直视通信的降噪处理。
2.根据权利要求1所述的一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，所述步骤1中，该分集接收模型包括一个主节点和三个从节点，主节点为信号发送端，从节点为信号接收端；主节点和三个从节点相对布置，相邻面上，主节点安装紫外LED，从节点分别安装检测装置PMT。
3.根据权利要求2所述的一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，所述检测装置PMT为光电倍增管，包括第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管。
4.根据权利要求2所述的一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，发送端的发散角中轴线与接收端的接收视场角中轴线重合，则此时为直视通信模型；发送端的发散角中轴线与接收端的接收视场角中轴线共面且相交但不重合，则此时为非直视通信模型。
5.根据权利要求1所述的一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，所述步骤2为紫外光直视通信分集接收时：
第一光电倍增管的中心波长与发射端紫外LED的中心波长一致，第二光电倍增管的中心波长偏离发射端紫外LED的中心波长，第一光电倍增管和第二光电倍增管都在发散角内，都可以接收到发射端紫外LED发出的紫外光直视信号，第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，抑制发射端紫外LED散弹噪声；第三光电倍增管在发散角外，只能接收到散射信号和背景噪声，第一光电倍增管输出的信号减去第三光电倍增管输出的信号，抑制散射信道多径传输形成的高斯噪声和背景噪声。
6.根据权利要求1所述的一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，所述步骤2为紫外光非直视通信分集接收时：
第一光电倍增管的接收视场光锥与发射端紫外LED发射光锥有公共散射体，可接收单次和多次散射信号以及背景噪声；第二光电倍增管的接收视场光锥与发射端紫外LED发射光锥没有公共散射体，接收多次散射信号和背景噪声，第一光电倍增管输出的信号减去第二光电倍增管输出的信号，抑制多径传输造成的高斯噪声和背景噪声。
7.根据权利要求1所述的一种无线紫外光通信的降噪处理方法，其特征在于，所述步骤3进行小波变换降噪处理具体为：
步骤3.1、紫外光接收信号的小波分解，选择一个小波基函数并确定分解层次N对紫外光含噪信号进行分解，有用信号部分主要集中在近似系数中，噪声部分主要包括在细节系数中；
步骤3.2、阈值处理，选择阈值准则和阈值函数对细节系数进行降噪处理；
步骤3.3、小波重构，利用原始的近似系数和降噪后的细节系数进行离散小波逆变换，恢复信号。
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