无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置及方法与流程

本发明涉及一种无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置及方法，属于无线光通信技术领域。

背景技术：

无线光通信是以光为信号的载体，在自由空间实现语音、图像及其他数据信息的无线传输方式。具有通信速率高、通信容量大、抗干扰能力强、抗截获能力强、体积小、重量轻、功耗低的优点，是一种很有发展前景的无线通信技术。不过，与光纤通信不同，无线光通信其大气信道十分复杂，存在诸多影响光信号传输的不利因素，其中尤以大气湍流为甚。大气湍流会引起光信号功率衰减，频次很高，致使到达无线光通信系统接收端的光信号强度频繁起伏。对于采取强度调制/直接检测方式的无线光通信系统来说，例如开关键控ook，由于其接收端使用阈值判决方法实现对通信数据的检测，光信号强度起伏会严重影响接收端对信号的判决，导致最优判决阈值随之发生变化，而实际判决阈值偏离最优判决阈值越大，误码率就越高，致使无线光通信系统的性能降低，甚至无法实现正常无线光通信。

为摆脱大气信道中的不利因素的影响，公告号为cn103036616b的一件中国发明专利提出了一项名称为“基于脉冲光谱幅度编/解码的大气无线激光通信自适应阈值判决方法”的方案，该方案主要从两方面抑制以大气湍流为主的不利因素对大气无线光通信系统的影响：

1、预先测量在发送信号的条件下与各光频码片对应的光电探测信号，并以与其中最弱光电探测信号对应的光频码片为基准，通过编码和驱动模块来控制与其他光频码片对应的线阵液晶空间光调制器的像素，以减小这些像素的亮度，进而使各光频码片所对应的光电探测器信号的强弱相等，这里所采用的光电探测器为线阵ccd相机；

2、通过似然比方程计算最优判决阈值，采用最优判决阈值作为阈值，对线阵ccd相机接收到的信号进行判决，从而降低大气无线光通信系统的误码率。

但是，所述现有技术存在以下技术问题：

由于线阵ccd相机的探测动态范围十分有限，并不适合所测量的量的变化幅度很大的情况，而无线光通信的距离时常有大幅度变化，这样会引起入射光强度的大幅度变化，远远超出线阵ccd相机所能探测的动态范围；并且，此时的线阵ccd相机输出的信号已经不能准确反映光信号强度的变化，所以，当其采用似然比方程以该信号为基础计算所得的最优判决阈值并非此时的最优阈值，再以该阈值作为判决阈值将不能抑制通信距离的变化对无线光通信系统的影响；同样，其采用的线阵液晶空间光调制器调光的动态范围也十分有限，仅能在很小的范围内对光强进行控制，同样难以抑制通信距离可能发生的大幅度变化对无线光通信系统的影响；再有，所述线阵ccd相机、线阵液晶空间光调制器的采用，使得无线光通信系统的结构复杂、成本高、功耗高、体积大。

技术实现要素：

为了全面消除因线阵ccd相机、线阵液晶空间光调制器的采用给无线光通信带来的负面影响，我们发明了一种无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置及方法，本发明能够在通信距离发生大幅度变化时，依然能够使无线光通信正常进行，同时，本发明之装置的结构、成本、功耗、体积也得到改善。

本发明之无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置其特征在于，如图1所示，接收光学系统1的像方焦面落在光电探测器2的感光面上，光电探测器2的输出端与功分器3的输入端连接，功分器3的两个输出端分别与阈值提取模块4、电压比较器5的输入端连接，阈值提取模块4的输出端连接到电压比较器5的另一个输入端；或者如图2所示，接收光学系统1的出射光经分光棱镜6分光后，两个像方焦面分别落在阈值光电探测器7、通信光电探测器8的感光面上，阈值光电探测器7、通信光电探测器8的输出端分别与阈值提取模块4、电压比较器5的输入端连接，阈值提取模块4的输出端连接到电压比较器5的另一个输入端；所述光电探测器2、阈值光电探测器7以及通信光电探测器8由pin光电二极管或者雪崩光电二极管担当，所述阈值提取模块4由低通滤波器、dsp、fpga或者asic担当。

本发明之无线光通信大动态范围自适应阈值判决方法其特征在于，如图1、图2所示，入射光信号按某一比例分为两路，再以电信号的方式分别送入阈值提取模块4、电压比较器5，由pin光电二极管或者雪崩光电二极管完成所述入射光信号向电信号的转换；由阈值提取模块4提取因通信距离点变化和大气湍流所引起的信号强度起伏特征电压信号，当阈值提取模块4由低通滤波器担当时，由低通滤波器提取所述电信号的平均电压作为信号强度起伏特征电压信号，当阈值提取模块4由dsp、fpga或者asic担当时，由dsp、fpga或者asic依极大似然估计法或者最小二乘法计算得到信号强度起伏特征电压信号；所述信号强度起伏特征电压信号被送入电压比较器5后，电压比较器5以该信号强度起伏特征电压信号为判决阈值对此前送入到电压比较器5这一路的电信号进行判决后输出。

本发明之无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置及方法其技术效果在于，由于采用pin光电二极管或者雪崩光电二极管作为光电转换器件，其动态范围要远远大于线阵ccd相机，在本发明中，也并未使用线阵液晶空间光调制器，因此，本发明可探测的光强范围很大。在这一前提下，由阈值提取模块4得到最优阈值，再由电压比较器5进行判决，不论是由大气湍流引起的光闪烁，还是由通信距离变化所导致的信号强度起伏，尤其是通信距离变化所导致的信号强度大幅度起伏，本发明也都能够有效消除其对无线光通信过程的影响。

还是由于采用pin光电二极管或者雪崩光电二极管作为光电转换器件替换现有技术所采用的线性ccd线阵相机，并未采用线阵液晶空间光调制器，使得本发明之装置结构变得简单、成本降低、功耗降低、体积减小。

由于本发明之方法由低通滤波器提取所述电信号的平均电压作为信号强度起伏特征电压信号，或者由dsp、fpga或者asic依极大似然估计法或者最小二乘法计算得到信号强度起伏特征电压信号，由于所需计算量与现有方法相比相对较小，计算速率高于现有技术，能够实时、快速给出最优阈值，这使得本发明之方法完全能够适合于抑制因大气湍流引起的高频次光闪烁致使信号强度高频次起伏对无线光通信过程的影响。

附图说明

图1是本发明之由功分器将入射光信号分路的无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置及方法示意图，该图同时作为摘要附图。

图2是本发明之由分光棱镜将入射光信号分路的无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置及方法示意图。

具体实施方式

本发明之无线光通信大动态范围自适应阈值判决装置如图1所示，接收光学系统1的像方焦面落在光电探测器2的感光面上，光电探测器2的输出端与功分器3的输入端连接，功分器3采用一分二功分器，功分器3的两个输出端分别与阈值提取模块4、电压比较器5的输入端连接，阈值提取模块4的输出端连接到电压比较器5的另一个输入端；或者如图2所示，接收光学系统1的出射光经分光棱镜6分光后，两个像方焦面分别落在阈值光电探测器7、通信光电探测器8的感光面上，阈值光电探测器7、通信光电探测器8的输出端分别与阈值提取模块4、电压比较器5的输入端连接，阈值提取模块4的输出端连接到电压比较器5的另一个输入端；所述光电探测器2、阈值光电探测器7以及通信光电探测器8由pin光电二极管或者雪崩光电二极管担当，所述阈值提取模块4由低通滤波器、dsp、fpga或者asic担当。

本发明之无线光通信大动态范围自适应阈值判决方法如图1、图2所示，入射光信号按某一比例分为两路，如3:7能量比例，也就是三分能量用于阈值提取，七分能量用于通信，所述能量比例的确定要求是根据入射光信号的强弱，以光通信正常进行为前提；由功分器3或者分光棱镜6完成入射光信号的分路。

之后再以电信号的方式分别送入阈值提取模块4、电压比较器5，由pin光电二极管或者雪崩光电二极管完成所述入射光信号向电信号的转换。由阈值提取模块4提取因通信距离点变化和大气湍流所引起的信号强度起伏特征电压信号。当阈值提取模块4由低通滤波器担当时，由低通滤波器提取所述电信号的平均电压作为信号强度起伏特征电压信号，也就是由低通滤波器将高频次起伏的电压信号滤除，提取低频次起伏的电压信号，相当于提取所述输入电信号的平均电压。当阈值提取模块4由dsp、fpga或者asic担当时，由dsp、fpga或者asic依极大似然估计法或者最小二乘法计算得到信号强度起伏特征电压信号。例如，阈值提取模块4由asic担当，asic为专门针对极大似然运算设计的集成电路，asic从输入的电信号中得到阈值t的似然函数l(x1,x2,…,xn；t)，分别就t对l函数、lnl函数求偏导，偏导为0时t的值即为送入电压比较器5的信号强度起伏特征电压信号，式中n为计算阈值t时采样时刻的个数，x1,x2,…,xn为各个采样时刻的电压。

所述信号强度起伏特征电压信号被送入电压比较器5后，电压比较器5以该信号强度起伏特征电压信号为判决阈值对此前送入到电压比较器5这一路的电信号进行判决后输出。