一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法及系统，属于自由空间光通信领域。

背景技术

自由空间光通信是以光波为载体、在自由空间传输的一种通信技术。相比于其它无线通信方式，具有频谱资源丰富、超大带宽、抗电磁干扰能力强、保密性好、绿色环保等优点。紫外光通信是利用紫外光作为信息载体的通信方法，是自由空间光通信的一种新型方式。

紫外光波长较短，在传输过程中受到大气中气体分子和气溶胶颗粒的单次散射或是多次散射，其散射传播路径可绕过障碍物，实现非视距传输、可省去繁杂的光学跟踪瞄准系统。与传统的自由空间光通信手段相比，紫外光通信具有非视距通信、抗干扰能力强、保密性好等明显优势，是满足现代战场隐蔽通信、灾后现场等复杂电磁环境下临时通信场景的理想手段。

紫外光通信及组网技术自被提出以来，便引起了学者们的广泛关注和深入研究。对紫外光网络的研究最早起源于军事传感器网络的应用需求。

随着适用于紫外光波段的半导体光源的开发进程，紫外光通信技术领域步入21世纪后又迎来了长足发展。

2004年，英国BAE公司将紫外光通信技术与地面传感器网络相结合，实现了数百米范围的覆盖。

2006年，Kedar等人提出影响紫外光网络连通性能的主要参数有节点密度、误码率、传输功率、数据速率等，并从理论上探讨了紫外光通信系统在无线传感器网络和自组织网络中的组网方案，同时对紫外光连通性模型进行了研究，分析了不同接收信噪比条件下的满足网络连通性条件的节点数量。

2011年，Vavoulas等人系统推导出了在垂直发射-垂直接收工作模式下，圆形区域无线紫外光网络中产生孤立节点的概率表达式。其采用多跳节点以扩大通信范围，并首次提出以k-连通性网络模型描述紫外光网络连通状态。随后，他们提出了基于高斯和泊松噪声下的实验路径损耗模型，同时在使用开关键控和脉冲位置调制两种调制方式条件下，分析了传输功率、数据速率和误码率等网络参数对紫外光网路k-连通性的影响。

自2011年开始，加利福尼亚大学徐正元团队在无线定向网络中的邻居发现协议基础上，率先开始了可用于紫外光自组织网络的邻居发现协议研究。随后，该团队基于紫外光通信物理层的传输特性，提出了一种终端节点收发仰角可自主选择的竞争类MAC协议，探索了紫外光通信空间复用的可行性，并设计了与协议相配套的紫外光通信终端。

2013年，美国佛吉尼亚大学的Noshad团队在接收端采用光电倍增管作为光电探测器，在非视距传输条件下对紫外光通信的数据速率和通信距离进行了实验研究。

2016年，Song等人根据无线紫外光非视距多散射的信道特性，提出了一种紫外光收发链路模型，并针对该模型的展开了具体分析。该模型基于多重散射的蒙特卡罗分析方法，重点研究了具有多用户干扰的非视距紫外通信系统的性能。

2018年，Zhao等人考虑到将无线紫外光终端搭载至无人机的应用场景：将用于描述无人机实际运动的随机航路点机动模型和基于圆周运动模型纳入连通性分析。他们给出了在使用开关键控和脉冲位置调制传输的情况下，网络k连通概率的近似表达式。进一步，评估了节点密度、传输功率和数据速率对网络k-连通性的影响。Zhang等人着眼于飞机编队内部和飞机编队之间的紫外光通信网络，在不同飞机编队模式中采用相对应的紫外光工作模式以提升网络性能：飞机编队内部采用垂直发送-垂直接收模式，以保证编队内所有飞机的信息共享与交互；飞机编队之间则采用非垂直发送-非垂直接收模式进行通信，以保证较长的通信距离和可靠的信道质量。

紫外光作为一种新型保密通信方式和组网手段，凭借其非视距、高保密性、组网灵活的优良特性，在军事与民用领域均具有重大的应用潜力。但是紫外光由于工作频段的特殊，与传统的射频通信相比，在传播机理、链路特性、接收检测机制等方面大为不同。目前，紫外光通信的相关研究工作主要集中于理论研究与静态通信系统，相对而言不够深入、完善。尤其在紫外光的实际应用中，紫外光终端的移动性将加剧通信过程中背景光强度变化、大气湍流变化、电平漂移等因素对接收端信号判决的干扰，导致系统误码率提高。如果系统接收端仍然采用传统的门限判决方法，信道将出现难以接受的误码率，影响紫外光系统的正常通信。因此，亟须在接收端的信号判决机制进行创新研究，以实现紫外光物理判决技术的突破。

发明内容

本发明提供了一种，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法，包括如下步骤：

步骤1，将紫外光通信系统接收端接收到的紫外光光信号、通过光电检测器与运放电路放大得到光电压（模拟信号）；

步骤2，将步骤1得到的的光电压以高速率采样、并对光电压的幅值进行离散化处理以便于后续的频次统计。此时，光电压由模拟信号转变为数字信号；

步骤3，统计N个采样点内出现频次最高的两个离散电平值V1、V2；根据光电压的上冲与下冲现象。此时，频次出现最高的两个电平值即分别对应于当前噪声条件下的H、L电平；

步骤4，根据出现频次最高的两个离散电平值的均值（V1+V2）/2作为当前采样时间t的门限判决阈值。

进一步地，所述步骤4中，门限判决阈值随采样时间动态更新。

相应地，一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决系统，包括：

接收模块，所述接收模块设有光电检测器和运放电路；光电检测器用于接收紫外光信号并转换为光电流，运放电路用于将光电流放大后得到光电压；

采样模块，所述采样模块设有高速率采样器，高速率采样器用于对光电压以高速率采样、并对光电压的幅值进行离散化处理；

统计模块，所述统计模块设有统计电路，统计电路用于统计N个采样点内出现频次最高的两个离散电平值V1、V2；频次出现最高的两个电平值分别对应于当前噪声条件下的H、L电平；

门限判决模块，所述门限判决模块设有判决电路，判决电路用于根据出现频次最高的两个离散电平值的均值（V1+V2）/2作为当前采样时间t的门限判决阈值。

进一步地，所述门限判决模块中，门限判决阈值随采样时间动态更新。

相应地，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述的方法中的任一方法。

相应地，一种计算设备，包括：

一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。

本发明所达到的有益效果：

（1）该门限动态调整方式可以消除通信系统中由于背景光强度变化、大气湍流变化、电平漂移等因素所带来的干扰噪声波动，提高信息判决的准确性；

（2）当系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，该动态门限判决方式可以抑制码间串扰对码元的判决造成的干扰。

附图说明

图1为动态门限示意图。

图2为系统流程图。

实施方式

在传统的紫外光移动通信系统接收端中，接收端检测到的光信号往往由于背景光强度变化、大气湍流变化、电平漂移等因素带来的信号干扰，出现了较大的幅度漂移。若按照传统固定门限的判决方法，将导致信号出现错误判决、系统误码率提高，影响紫外光系统的正常通信。针对接收端这一门限判决问题，本发明提供了一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法，使得现有紫外光通信系统中信号判决的准确性有效提高、降低了系统误码率。

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。所述达到判决门限动态化目的的方式，包括如下步骤：

步骤1，如图1所示，图中实线条为紫外光通信系统接收端中经过光电检测器与运放电路后得到的光电压（模拟信号），其幅值为0.5-6.0V。

步骤2，将图1中紫外光通信系统接收端的模拟信号（实线条）以高速率采样、并对光电压的幅值进行离散化处理，此时，光电压由模拟信号转变为数字信号。

步骤3，统计N个采样点内出现频次最高的两个离散电平值V1、V2；由于模拟信号的上冲与下冲现象，频次出现最高的两个电平值分别对应于当前噪声条件下的H、L电平。

步骤4，根据出现频次最高的两个离散电平值的均值（V1+V2）/2作为当前采样时间t的门限判决阈值。需要注意的是，门限判决阈值随采样时间动态更新。

如此，通过上述的基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法，实现了判决门限动态化，有效消除了因噪声干扰带来的信号幅度漂移、提高了现有紫外光通信系统中信号判决的准确性，降低了系统误码率。

如图2所示，本发明的基于频次统计的紫外光通信动态门限判决系统，包括：接收模块，所述接收模块设有光电检测器和运放电路；光电检测器用于接收紫外光信号并转换为光电流，运放电路用于将光电流放大后得到光电压；

采样模块，所述采样模块设有高速率采样器，高速率采样器用于对光电压以高速率采样、并对光电压的幅值进行离散化处理；

统计模块，所述统计模块设有统计电路，统计电路用于统计N个采样点内出现频次最高的两个离散电平值V1、V2；频次出现最高的两个电平值分别对应于当前噪声条件下的H、L电平；

门限判决模块，所述门限判决模块设有判决电路，判决电路用于根据出现频次最高的两个离散电平值的均值（V1+V2）/2作为当前采样时间t的门限判决阈值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行一种基于频次统计的紫外光通信动态门限判决方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。