CN107359935B - 一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***及其方法，包含发送端和接收端，其中，发送端包括：信息序列生成模块、调制模块、紫外激光器；接收端包括：光电倍增管、放大电路、AD采样模块、脉冲计数模块、同步模块、信道估计模块、阈值查找模块、符号判决模块。本发明能有效解决长距离、极弱信号条件下，非视距紫外散射通信***中的位同步、帧同步、信道估计、符号判决等问题，可显著提高***的通信性能，在弱信号检测中，具有很大的应用价值。

Description

一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***及其方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及基于脉冲计数方法的非视距紫外散射通信技术。

背景技术

传统无线电波及毫米波通信存在如下弊端：

1.无线电波绕射能力强，有利于监听，信息安全无法得到保障。

2.在电磁干扰的环境下无法实现无线电波及毫米波通信

3.无线电频谱认证过程繁琐。

无线光通信技术可以有效解决上述所有问题。然而，现有可见光通信也存在如下弊端：

1.可见光信号传输受到视距的限制，收发端需要精确对准。

2.基于波形检测的可见光通信需要较高的信噪比。

发明内容

本发明为克服了现有无线电波、毫米波及无线光通信技术的不足之处，提出一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***及其方法，以期能有效解决长距离、极弱信号条件下，非视距紫外散射通信***中的位同步、帧同步、信道估计、符号检测等问题，从而显著提高***的通信性能，完成信号的有效处理与信息的传输，具有很大的应用价值。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

本发明一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***的特点包括：发送端和接收端；

所述发送端包括：数据帧生成模块、调制模块、紫外激光器；

所述接收端包括：光电倍增管、放大电路、AD采样模块、脉冲计数模块、同步模块、信道估计模块、阈值查找模块、符号判决模块；

所述数据帧生成模块将外部产生的0-1信息比特组成长度为M的0-1信息序列，并在所述0-1信息序列的头部添加同步序列组成一帧传输信号并发送给所述调制模块，其中M为帧长；

所述调制模块由所述0-1信息序列驱动产生OOK信号，并根据OOK信号中的每个符号按照周期T依次控制紫外传输光路的通断，从而调制所述紫外激光器产生紫外光并发送给所述接收端；

所述接收端的光电倍增管连续接收所述光信号并转换为电信号后，提供给所述放大电路进行放大处理，得到的放大信号传递给所述AD采样模块进行模数转换，得到数字信号；

所述脉冲计数模块对所述数字信号进行幅值筛选和上升沿检测处理，得到脉冲信号,并以码片为周期进行脉冲计数，将计数结果提供给所述同步模块；

所述同步模块对所述脉冲计数结果与所述同步序列进行滑动相关运算，得到相关值；根据所述相关值达到最大的时刻，得到所述一帧传输信号的起始时刻；

所述信道估计模块根据所述一帧传输信号的起始时刻，得到所述同步序列为“0”时对应的计数结果以及所述同步序列为“1”时对应的计数结果；再根据所得到的计数结果分别进行信道估计，得到由噪声产生的脉冲数均值的估计值和由信号产生的脉冲数均值的估计值

所述阈值查找模块根据所述估计值和得到相应的最优判决阈值N_T；

所述符号判决模块得到所述0-1信息序列中每个符号的计数结果，并和最优判决阈值N_T进行比较，若计数结果≥最优判决阈值N_T，则将所述同步模块的计数结果判定为“1”；否则判定为“0”；从而得到所述0-1信息序列。

本发明一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、发送端根据外部产生的0-1信息序列，在所述0-1信息序列的头部添加同步序列后，按照固定的帧长M组成一帧传输信号，并将所述一帧传输信号调制成OOK信号；

步骤2、所述发送端将所述OOK信号中的每个符号分别转换为光信号后依次发送给接收端；

步骤3、所述接收端连续接收所述光信号并转换为电信号后进行放大处理，得到的放大信号再进行模数转换，得到数字信号；

步骤4、所述接收端中对所述数字信号进行幅值筛选和上升沿检测处理，得到脉冲信号，再对所述脉冲信号进行计数处理，得到的计数结果Nchip；

步骤5、利用式(1)将所述计数结果Nchip与所述同步序列进行滑动相关运算，得到相关值在第i个时刻上的值Corr(i)，从而得到相关值的时间序列Corr，1≤i≤L；L为设定的时间段长度，从所述相关值的时间序列Corr中找到最大值所对应的时刻i_max作为所述一帧传输信号的起始时刻，从而实现帧同步，进而实现位同步：

式(1)中，Nchip表示一个码片内的脉冲数量，s(j)表示本地同步序列中第j个符号，N表示本地同步序列中的符号总数，K表示任意一个符号内划分的码片总数，1≤j≤N；

步骤6、根据帧的起始时刻i_max，利用式(2)计算所述本地同步序列的第j个符号s(j)所包含的脉冲数Nsym(j)：

步骤7、利用式(3)定义所述本地同步序列中符号为“0”的下标集合j₀和符号为“1”的下标集合j₁，从而利用式(4)对信道进行估计，得到由噪声产生的脉冲数均值的估计值和由信号产生的脉冲数均值的估计值

式(4)中，和分别表示所述同步序列中符号为“0”和“1”时对应的计数结果，N₀表示所述本地同步序列中符号为“0”的数量；N₁表示所述本地同步序列中符号为“1”的数量；

步骤8、基于最小错误概率准则，利用式(5)离线计算最优判决阈值N_T并存储在***中用于在线符号判决：

式(5)中，表示向下取整操作；

步骤9、利用(6)计算得到第m个符号的计数结果Nsym(m)：

式(6)中，M为所述0-1信息序列中符号的数量；

当Nsym(m)≤N_T时，则判定第m个符号为“0”；反之判定为“1”，从而恢复发送的0-1信息序列。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：

1、本发明基于光子检测而非传统意义上的波形检测，信道模型为离散泊松信道而非传统意义上的高斯信道以及瑞利信道等，因此在接收信号及其微弱的情况之下(弱到仅接收到离散光子，传统信号检测算法完全无能为力)仍然能利用泊松信道的相关性质实现位同步、帧同步、信道估计及符号检测，从而保持了平稳的信息传输速率及较低的误码率，并具有无需频谱认证、抗电磁干扰、链路无需精确对准、背景噪声小等优点。

2、本发明对及N_T的计算全部用索引查找的方式来实现，时间复杂度很低适用于实时***(也适用于离线***)。在硬件实现上利用寄存器阵列来存储Corr，减小了同步所引入的时延，最大程度上利用了有限的内存资源。

3、本发明利用紫外线实现通信，根据香农定律可知，可达传输速率远远高于传统无线电波及毫米波通信；由电磁波的波长与其绕射能力的关系(波长越短，绕射能力越差)可知，本发明所能达到的通信保密性比传统无线电波及毫米波更为良好。

4、本发明利用紫外线的散射效应，有效地克服了传统可见光通信中收发双方对准困难的问题；利用紫外线的日盲特性(即大气会吸收绝大部分来自太空的紫外线，地表附近的紫外成分很低)，有效地解决了空间光通信中无法消除强日光干扰的问题；本发明不依赖于空间电磁场来实现通信，比传统无线电及毫米波通信抗电磁干扰能力更强，也不会对周边环境造成电磁干扰。

5、本发明打破原有无线电波及毫米波通信的束缚，开创了无线散射光通信的先例，在频谱资源匮乏、数据量激增、通信业务多元化的今天，具有革命性意义。

附图说明

图1为本发明非视距紫外散射通信的示意图；

图2为本发明非视距紫外散射通信***原理框图；

图3为本发明脉冲计数模块实现框图；

图4为本发明同步原理示意图；

图5为本发明信道估计模块实现框图；

图6为本发明符号检测模块实现框图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***，包括：发送端和接收端；如图1所示非视距紫外散射通信的示意图，其中TX为发送端，RX为接收端，通信过程不依赖于光的直线传播，而是光的散射，因此发送端与接收端之间存在一定夹角。

***原理框图如图2所示；其中发送端包括：数据帧生成模块、调制模块、紫外激光器；接收端包括：光电倍增管、放大电路、AD采样模块、脉冲计数模块、同步模块、信道估计模块、阈值查找模块、符号判决模块；

其中数据帧生成模块将外部产生的0-1信息比特组成长度为M的0-1信息序列，并在0-1信息序列的头部添加同步序列组成一帧传输信号并发送给调制模块，其中M为帧长；

调制模块由0-1信息序列驱动产生OOK信号，并根据OOK信号中的每个符号按照周期T依次控制紫外传输光路的通断，符号1对应光路畅通，符号0对应光路阻塞，从而调制紫外激光器产生的紫外光；经过调制模块调制后的紫外光强以周期T依次对应信息序列的每个符号，符号1对应光强度高，符号0对应光强低，进而实现将0-1信息序列加载到紫外光中并发送给所述接收端；

接收端光电倍增管、放大电路、AD采样模块为已有集成模块。光电倍增管连续接收光信号并转换为电信号后，提供给放大电路进行放大处理，得到的放大信号传递给AD采样模块进行模数转换，得到数字信号；

脉冲计数模块对数字信号进行幅值筛选和上升沿检测处理，得到脉冲信号,并以码片为周期进行脉冲计数，将计数结果提供给同步模块(每个二进制符号被分为了K个码片)；同步模块将脉冲计数的结果与本地同步序列进行滑动相关运算，得到相关值；根据相关值达到最大的时刻，得到每一帧传输信号的起始时刻；

信道估计模块根据上述每一帧传输信号的起始时刻，得到同步序列为“0”时对应的计数结果以及同步序列为“1”时对应的计数结果；再根据所得到的计数结果分别进行信道估计，得到由噪声产生的脉冲数均值的估计值和由信号产生的脉冲数均值的估计值

阈值查找模块根据估计值和得到相应的最优判决阈值N_T；

符号判决模块得到传输的0-1信息序列中每个符号的计数结果，并和最优判决阈值N_T进行比较，若计数结果≥最优判决阈值N_T，则将脉冲计数的结果判定为“1”；否则判定为“0”；从而恢复传输的0-1信息序列。

每一模块的每一过程按如下步骤进行：

步骤1、发送端根据外部产生的0-1信息序列，在0-1信息序列的头部添加同步序列后，按照固定的帧长组成一帧传输信号，并将每一帧传输信号调制成OOK信号；其中外部发送的0-1信息序列由二进制随机数发生器提供，同步序列由m序列发生器产生。

步骤2、OOK信号转换为光信号经过信道到达接收端；

步骤3、光电倍增管将检测到的光信号转换为电域的模拟脉冲信号，放大电路对脉冲信号进行放大处理，得到的放大信号再进行模数转换，得到数字信号；

步骤4、脉冲计数模块如图3所示，数字信号通过比较器进行幅值筛选，通过差分电路以及求和电路进行上升沿检测，得到脉冲信号，再通过计数器得到计数结果Nchip；

步骤5、如图4所示同步原理示意图，图4中每个Chip为一个码片，由同步模块利用式(1)将脉冲计数结果Nchip与本地同步序列进行滑动相关运算，得到相关值在第i个时刻上的值Corr(i)，从而得到相关值的时间序列Corr，1≤i≤L；L为设定的时间段长度，从相关值的时间序列Corr中找到最大值所对应的时刻i_max作为每一帧传输信号的起始时刻，从而实现帧同步，进而实现位同步：

式(1)中，Nchip表示一个码片内的脉冲数量，s(j)表示本地同步序列中第j个符号，N表示本地同步序列中的符号总数，K表示任意一个符号内划分的码片总数，1≤j≤N；

步骤6、根据帧的起始时刻i_max，由脉冲计数模块利用式(2)计算本地同步序列的第j个符号s(j)所包含的脉冲数Nsym(j)：

步骤7、利用式(3)定义本地同步序列中符号为“0”的下标集合j₀和符号为“1”的下标集合j₁，从而利用式(4)对信道进行估计，得到由噪声产生的脉冲数均值的估计值和由信号产生的脉冲数均值的估计值

式(4)中，和分别表示同步序列中符号为“0”和“1”时对应的计数结果，N₀表示本地同步序列中符号为“0”的数量；N₁表示本地同步序列中符号为“1”的数量；

信道估计模块的实际结构如图5所示，Nsym(j)的值由脉冲计数模块得到，和的值由同步计数得到，引入FIR低通滤波器是为了防止极端噪声引起计数值发生突变，最后根据脉冲计数的结果由估计子结构计算得到和的值；

步骤8、基于最小错误概率准则，利用式(5)离线计算最优判决阈值N_T并存储在***中用于在线符号判决：

式(5)中，表示向下取整操作；

步骤9、利用(6)计算得到第m个符号的计数结果Nsym(m)：

式(6)中，M为传输的0-1信息序列中符号的数量；

当Nsym(m)≤N_T时，则判定第m个符号为“0”；反之判定为“1”，从而恢复发送的0-1信息序列。

符号检测模块的实际结构如图6所示，判决阈值首先查找表的形式预存只读内存ROM中以消除实时计算所带来的复杂度，每帧信道估计结束后根据和的值从ROM调用相应的判决阈值N_T，应用于当前帧的符号检测，Nsym(m)的值由脉冲计数模块得到，再通过比较器与N_T实现0-1判决，输出的判决符号即为恢复的0-1信息序列。

Claims (2)

1.一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信***，其特征包括：发送端和接收端；

所述发送端包括：数据帧生成模块、调制模块、紫外激光器；

所述接收端包括：光电倍增管、放大电路、AD采样模块、脉冲计数模块、同步模块、信道估计模块、阈值查找模块、符号判决模块；

所述数据帧生成模块将外部产生的0-1信息比特组成长度为M的0-1信息序列，并在所述0-1信息序列的头部添加同步序列组成一帧传输信号并发送给所述调制模块，其中M为帧长；

所述调制模块由所述0-1信息序列驱动产生OOK信号，并根据OOK信号中的每个符号按照周期T依次控制紫外传输光路的通断，从而调制所述紫外激光器产生紫外光并发送给所述接收端；

所述接收端的光电倍增管连续接收所述紫外光信号并转换为电信号后，提供给所述放大电路进行放大处理，得到的放大信号传递给所述AD采样模块进行模数转换，得到数字信号；

所述脉冲计数模块对所述数字信号进行幅值筛选和上升沿检测处理，得到脉冲信号，并以码片为周期进行脉冲计数，将计数结果提供给所述同步模块；

所述同步模块对所述计数结果与所述同步序列进行滑动相关运算，得到相关值；根据所述相关值达到最大的时刻，得到所述一帧传输信号的起始时刻；

所述信道估计模块根据所述一帧传输信号的起始时刻，得到所述同步序列为“0”时对应的计数结果以及所述同步序列为“1”时对应的计数结果；再根据所得到的同步序列为“0”时对应的计数结果以及所述同步序列为“1”时对应的计数结果分别进行信道估计，得到由噪声产生的脉冲数均值的估计值和由信号产生的脉冲数均值的估计值

所述阈值查找模块根据所述估计值和得到相应的最优判决阈值N_T；

所述符号判决模块得到所述0-1信息序列中每个符号的计数结果，并和最优判决阈值N_T进行比较，若计数结果≥最优判决阈值N_T，则将所述同步模块的计数结果判定为“1”；否则判定为“0”；从而得到所述0-1信息序列。

2.一种基于脉冲计数的非视距紫外散射通信方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、发送端根据外部产生的0-1信息序列，在所述0-1信息序列的头部添加同步序列后，按照固定的帧长M组成一帧传输信号，并将所述一帧传输信号调制成OOK信号；

步骤2、所述发送端将所述OOK信号中的每个符号分别转换为紫外光信号后依次发送给接收端；

步骤3、所述接收端连续接收所述紫外光信号并转换为电信号后进行放大处理，得到的放大信号再进行模数转换，得到数字信号；

步骤4、所述接收端中对所述数字信号进行幅值筛选和上升沿检测处理，得到脉冲信号，再对所述脉冲信号进行计数处理，得到的计数结果Nchip；

步骤5、利用式(1)将所述计数结果Nchip与所述同步序列进行滑动相关运算，得到相关值在第i个时刻上的值Corr(i)，从而得到相关值的时间序列Corr，1≤i≤L；L为设定的时间段长度，从所述相关值的时间序列Corr中找到最大值所对应的时刻i_max作为所述一帧传输信号的起始时刻，从而实现帧同步，进而实现位同步：

式(1)中，Nchip表示一个码片内的脉冲数量，s(j)表示本地同步序列中第j个符号，N表示本地同步序列中的符号总数，K表示任意一个符号内划分的码片总数，1≤j≤N；

步骤6、根据帧的起始时刻i_max，利用式(2)计算所述本地同步序列的第j个符号s(j)所包含的脉冲数Nsym(j)：

步骤7、利用式(3)定义所述本地同步序列中符号为“0”的下标集合j₀和符号为“1”的下标集合j₁，从而利用式(4)对信道进行估计，得到由噪声产生的脉冲数均值的估计值和由信号产生的脉冲数均值的估计值

式(4)中，和分别表示所述同步序列中符号为“0”和“1”时对应的计数结果，N₀表示所述本地同步序列中符号为“0”的数量；N₁表示所述本地同步序列中符号为“1”的数量；

步骤8、基于最小错误概率准则，利用式(5)离线计算最优判决阈值N_T并存储在***中用于在线符号判决：

式(5)中，表示向下取整操作；

步骤9、利用(6)计算得到第m个符号的计数结果Nsym(m)：

式(6)中，M为所述0-1信息序列中符号的数量；

当Nsym(m)≤N_T时，则判定第m个符号为“0”；反之判定为“1”，从而恢复发送的0-1信息序列。