一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的方法及系统与流程

1.本发明属于水下无线通信领域，尤其涉及一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的方法及系统。


背景技术：

2.水下无线通信技术一般包括射频通信技术、声波通信技术以及可见光通信技术。三者传输性能及优缺点各不相同，海水具有良好的导电性，依靠电磁通信的射频信号在海水中传播会产生非常严重的趋附效应，导致信号衰减非常快，传输距离非常短；而声通信传输距离相较而言传输距离更远，但是传输速率低，传输延迟大；而可见光通信可以弥补射频通信和声通信的缺点，有传输速率高和损耗少、延迟低的优点，发展潜力巨大。
3.由于复杂的水下环境，以及水体对光的散射和反射等产生的干扰，导致激光信号叠加较多的噪声，产生较严重的误码，水下激光通信系统常用强度调制的方式进行通信，如常用的ook调制方式，ook调制方式简单，带宽利用率高，具有较高的调制速率，但抗干扰能力差，需要对水下信道传输模型分析，找到最佳判决门限。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上问题，本发明提出一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的方法及系统，克服了水下激光通信系统ook抗干扰能力差导致的高误码率、通信效率低等问题，面对复杂的信道环境对噪声有很好的抑制作用，有效避免了水下光散射和反射以及浮游生物遮挡等带来的脉冲信息损失。
5.技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
6.第一方面，本发明提供了一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的方法，包括以下步骤：
7.步骤一：接收端使用pmt连续探测激光脉冲信息帧，每帧数据量相同；
8.步骤二：接收端ad采集芯片连续采集所述激光脉冲信息，并恢复成数字信号，作为ad原始数据；
9.步骤三：将接收到的激光信息采集数据进行fir滤波数据预处理，获取的数据作为待判决数据进行峰值检测，找到当前帧的首个脉冲的最大值并存储作为判决起点；
10.步骤四：将ad原始数据经过滑窗计算生成实时自适应阈值，并与上位机下发阈值取平均值作为判决阈值；
11.步骤五：结合步骤三所得峰值检测结果与步骤四所得阈值进行比较判决，若峰值大于阈值，则判决为1，若小于阈值，则判决为0，且经过定量计数之后选取脉冲的采样点继续进行判决，将所有判决结果实时输出，得到二进制码元序列。
12.作为优选，所述步骤三中fir滤波数据预处理根据如下表达式计算滤波参数：
13.14.其中y(n)为滤波器输出，n为抽头系数，x(n)为输入的原始ad数据，n为采样时间点。
15.作为优选，所述步骤三中峰值检测具体包括：
16.首先，上位机下发阈值与自适应阈值的平均值作为初始峰值存储；然后，获取滤波后的采集数据，将存储峰值与当前采集数据值进行比较，若当前采集数据值大于存储峰值，则更新存储峰值，否则，保持存储峰值不变。
17.第二方面，本发明提供了一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的系统，包括发射端和接收端；所述发射终端和接收终端包括前端驱动板、fpga通信板、蓝光ld激光前端、pmt探测器前端；利用百兆网口实现上位机与fpga通信板通信，通信方式为双工通信；所述fpga通信板包含有调制激光信号的ook调制算法模块以及解调脉冲信号的解调算法模块，调制端将信源调制成特定格式由驱动电路驱动激光ld发光，接收端将脉冲采样数据进行预处理及判决同步进行恢复。
18.作为优选，所述fpga通信板与上位机，执行以下操作：
19.s1：上位机将ld电流指令信息和数据流信息通过百兆网口发送到前端驱动板和fpga通信板；
20.s2：发射端fpga通信板将信息调制成激光信息，通过串口发送指令并利用驱动电路驱动激光ld发光；
21.s3：激光通过水下无线信道传输，到接收端由探测器探测光信号恢复；
22.s4：接收端上位机下发阈值信息指令和pmt高压指令，同时接收端pmt连续探测激光脉冲信息帧，每帧数据量相同；
23.s5：接收端ad采集芯片连续采集所述pmt探测的激光脉冲信息，并恢复成数字信号，作为ad原始数据；
24.s6：将接收到的每一点采集数据进行fir滤波数据预处理，获取滤波后的数据作为待判决数据进行峰值检测，同时将ad原始数据并行处理，经过滑窗计算生成实时自适应阈值，并与上位机下发阈值取平均值作为判决阈值，经过峰值检测之后利用此阈值进行判决输出码元信息；
25.s7：将码元信息通过整形恢复成数据通过百兆网口发送到接收端上位机。
26.有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
27.本发明中的移动均值滤波模块具有保留低频分量、滤除高频分量的特性，对判决前的信号进行数据预处理可以很好地平滑掉部分随机噪声，同时结合自适应阈值和上位机下发阈值判决，提高了判决准确率和系统误码率性能。有效避免了高斯白噪声和光脉冲幅度波动导致的误判情况。
附图说明
28.图1为本发明方法流程示意图；
29.图2为实施实例中ad采样原始数据图；
30.图3为实施实例中数据预处理之后的数据图；
31.图4为自适应阈值和设定阈值以及预处理之后的数据图；
32.图5为水下激光通信系统流程框图。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，本发明所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.本发明所述的一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的方法，流程如图1，通过对水下激光脉冲信号原始采样数据进行预处理，抑制噪声的同时提高了系统误码性能，提升了判决准确度，对水下复杂环境中的信号恢复起到了较好的效果；步骤具体如下：
35.步骤一：接收端使用pmt(photomultiplier tube,光电倍增管)连续探测激光脉冲信息帧，每帧数据量相同。
36.步骤二：如图2，接收端ad采集芯片连续采集所述激光脉冲信息，并恢复成数字信号，作为ad采集原始数据。
37.步骤三：如图3，将接收到的每一点采集数据进行fir(finite impulse response，有限长单位冲激响应滤波器)滤波数据预处理，滤波器的输出y(n)可表示为输入序列x(n)(原始ad数据)与单位取样响应h(n)的线性卷积：
[0038][0039]
式中k为移动平均点数，n为抽头系数，n为采样时间点；
[0040]
滤波器的传递函数为：
[0041][0042]
式中d为微分延迟单位，一般情况下等于抽取率或插值率，也称为滑动滤波器的窗宽。
[0043]
步骤四：获取经过噪声处理(滤波处理)的数据作为待判决数据进行峰值检测，找到当前帧的首个脉冲的最大值并存储作为判决起点。峰值检测具体包括：
[0044]
首先，上位机下发阈值与自适应阈值的平均值作为初始峰值存储；然后，获取滤波后的采集数据，将存储峰值与当前采集数据值进行比较，若当前采集数据值大于存储峰值，则更新存储峰值，否则，保持存储峰值不变。
[0045]
步骤五：将ad原始数据并行处理，经过滑窗计算生成实时自适应阈值，并与上位机下发阈值取平均值作为判决阈值。
[0046]
步骤六：结合步骤三所得峰值检测结果与步骤四所得阈值进行比较判决，若峰值大于阈值，则判决为1，若小于阈值，则判决为0，且经过定量计数之后选取脉冲的采样点继续进行判决，将所有判决结果实时输出，得到二进制码元序列。如图4，经过峰值检测之后利用阈值进行判决输出码元信息。
[0047]
另一方面，如图5所示，本发明还提供了一种提高水下蓝绿激光通信可靠性的系统，包括发射端和接收端；所述发射终端和接收终端包括前端驱动板、fpga通信板、蓝光ld激光前端、pmt探测器前端；利用百兆网口实现上位机与fpga通信板通信，通信方式为双工通信；所述fpga通信板包含有调制激光信号的ook调制算法模块以及解调脉冲信号的解调算法模块，调制端将信源调制成特定格式由驱动电路驱动激光ld发光，接收端将脉冲采样数据进行预处理及判决同步进行恢复。
[0048]
双工通信步骤具体如下：
[0049]
s1：上位机将ld电流指令信息和数据流信息通过百兆网口发送到前端驱动板和fpga通信板。
[0050]
s2：发射端fpga通信板将信息调制成激光信息，通过串口发送指令并利用驱动电路驱动激光ld发光。
[0051]
s3：激光通过水下无线信道传输，到接收端由探测器探测光信号恢复。
[0052]
s4：接收端上位机下发阈值信息指令和pmt高压指令，同时接收端pmt连续探测激光脉冲信息帧，每帧数据量相同。
[0053]
s5：接收端ad采集芯片连续采集所述pmt探测的激光脉冲信息，并恢复成数字信号，作为ad原始数据。
[0054]
s6：将接收到的每一点采集数据进行fir滤波数据预处理，获取已去除掉部分随机噪声的数据作为待判决数据进行峰值检测，同时将ad原始数据并行处理，经过滑窗计算生成实时自适应阈值，并与上位机下发阈值取平均值作为判决阈值，经过峰值检测之后利用此阈值进行判决输出码元信息。
[0055]
s7：将码元信息通过整形恢复成数据通过百兆网口发送到接收端上位机。