27激光通信中的分集检测技术

分集检测技术在激光通信中的应用摘要：激光通信是用以在大气物理层进行信息快速传递的形式，主要将激光看成是载波，将大气看成是信息的传输介质。激光通信具备信息传送速度快、安全性好、可以灵活进行组网等优点，具有广泛的运用。本文主要分析逐符号最大似然检测方法，在此基础上，将似然比计算出来，然后对有限数量点的似然比近似做出估计，利用MonteCarb方法，进行反复随机抽样，得到基于训练序列的分集检测方法。关键词：激光通信；分集检测；MonteCarb引言激光通信是在空间进行的高速信息传递的最重要方法。激光通信易受气候影响，大气层中空气密度的无规则起伏，造成激光幅度极大下降和光强起伏，对于大气激光通信，这是限制其系统性能的主要因素。解决这个问题的最主要技术就是分集接收。分集接收，是一种降低信号电平起伏的办法，主要方式是接收端对它收到的多个衰落特性信号进行特定的合并处理。分集接收技术能够极大地克服激光在通过大气层后出现的的光强闪烁。分集接收机在将接收到的光转换为电信号之后，会将其进行合并，并与阈值进行比较。要使用该方法，需要保证各个分集接收机互不相关，因此要假设各个接收机之间的距离是大于大气湍流信道的相关长度。运用逐符号最大似然检测方法能够很好地解决不同接收机之间的互相干扰问题。本文首先介绍了SSML的工作原理，然后使用MonteCarlo方法，利用产生的大量的符合指定概率分布要求的离散点近似计算了SSML中的似然比。研究了使用相对较少个数的离散点代入似然比公式逼近似然比时分集接收系统性能的准确性，在此基础上提出了一个新的分集检测方法。该方法不需要已知大气层中空气密度的无规则起伏的衰落分布，通过引用一定长度的训练序列便可实现强相关情况下对信息序列的有效检测。一、逐符号最大似然检测及分析大气激光通信中，光强和对数幅度之间存在着一定的关系，如下式所示：Li=L0exp(2Xi-E(Xi))(1)在上式中，Li指的是激光通信中第i个分集接收机的光强度，Xi指的是其相应的对数幅度，L0指的是光强度的数学期望值，E(Xi)指的是接收机对数光强的平均数值[1]，其表达式如下所示：E(Xi)=-Ox2(2)上式中，Ox指的是接收机对数幅度的标准差值。通过激光信号的不同变换获取的光电流的表达式如下所示：Ri=N(Li+Lb)+ni(3)上式中，指的是光电转换率，ni指的是在激光电流光强信号中的噪声值，Lb指的是激光背景光强度，其似然比的表达式如下所示：A(r)=P(r/ON)/P(r/OFF)=fx（X）exp[-(ri-NL0exp(2Xi))-ri2](4)上式中，A指的是最大似然比，ri指的是接收机的噪声方差，fx指的是概率密度函数[2]。可以看出，如果不同激光通信中分集接收机的位置不一样，就会使其有关的似然函数存在很大区别，从而对其接收能力起到一定的影响。二、有效计算似然比（一）形成有效的随机数。MonteCarlo的本质在于随机模拟，在多维数值积分方面，误差与积分维数及积分区域无关，为计算复杂区域上的高维数值积分提供了一个有力的工具。运用MonteCarb方法进行积分计算的重点就是形成一些适合fx的随机点。假设需要产生2组长度各为M的伪随机信号序列，M远大于100。信号序列自相关矩阵为CX，且CX为对称正定矩阵。其具体的形成过程如下：需要先形成一个维数是2*M的矩阵M0，这个矩阵不同列的方差矩阵是E。同时，矩阵X符合下式[3]：X*X=Cx（5）也就是Cx是X的平方矩阵。再把标准正太分布矩阵M0和X进行相乘，就可以得到以下计算式：M0*X=Mi（6）其中，Mi可以准确验证不同列数之间的协方差[4]。采用这种方法有效计算似然比，形成随机数时，需要确保Cx是对称矩阵，进而就要保证不同分集接收机保持一定的距离。（二）计算和分析仿真结果。采用逐符号最大似然检测方法，激光通信不同分集接收机数量是2，有关系数是Pd=0.9时，激光通信误码数率通过电信噪声比例不同而形成的曲线图如下图所示：图一误码数率通过电信噪声比例不同而形成的曲线图运用MonteCarb方法将其似然比计算出来，在这个过程中，形成了多组满足标准正态分布函数的随机向量，其中，激光通信分集接收机的数量和每一个向量中的元素数量相同[5]。同时，向量信号中有关的矩阵和标准正态分布函数中Cx有关元素的最大差值没有低于0.5%。激光通信的输出信号长度是107，对其运用开关进行控制。三、有限数量点的似然比近似估计在上述计算仿真结果时，形成了多组满足标准正态分布函数的随机向量，全面结合当M个数较少的情况下，激光通信中分集接收机系统的接收性能，如下式所示：Ai=exp[-(ri-NL0exp(2Xij-ri2）/Ni]/m（7）从算法的角度进行分析，这种计算等同于随机点的数量相对很少时的MonteCarb方法[6]，当其减少时，就会使似然比的计算准确性极大下降，同时也会使其复杂性下降，进而减少计算的时间。图二随机向量不同时，误码数率通过电信噪声比例不同而形成的曲线图形成的随机向量不同，并且分集接收机的数量是2时，误码数率通过电信噪声比例不同而形成的曲线图[7]。与上述随机向量为多个时进行对比，这种情况下，尽管具有估计误差，可是如果误码率不是特别高，能够提供比较相近的系统性能评估数值。四、解析基于训练序列的分集检测技术基于训练序列的分级检测技术其方法为：将相对长度的训练序列插入激光信号的不同帧内，在粗略分析空间的相关性后，便能够达到对信息序列的合理检测[8]。前文提到的都是建立在假设已知衰落的空间相关性分布的基础上，然而，实际情况中衰落的空间相关性是不可知的，因此也就无法获得符合fX分布的随机数。本节提出一个基于训练序列的分集检测方法。该方法不需要已知关于衰落的空间相关性，只需在信号的每帧内引入一定长度的训练序列，便能够实现对帧内信息序列的有效检测。（一）基于训练序列的分级检测技术的原理。这种检测技术要确保在信号的所有帧内引入信号，是以帧为单位实施发送的[9]，同时，湍流信号的特征保持不变。所以，再设置有关信号帧的长度时，要全方位考虑信号传送是的码速度和时间，因为大气激光通信的有关时间是在0秒和1秒之间[10]，当其小于0秒时吗，一般情况下，湍流信号是保持不变的[11]，如果从结构方面来分析，不同的信号帧都是通过训练序列好分段报文组成的，其中训练序列是信号帧结构的前面部分，分段报文是信号帧结构的后面部分，训练序列的具体长度和内容都是之前设置好的，而分段报文的长度要比训练序列的长度大出许多，其主要指的是激光通信被传输的内容[12]。当假设码之间不存在干扰时，信号帧的结构如下图所示：图三训练序列和分段报文的帧信号结构图（二）分析仿真结果。结果显示，当训练长度分别为1000，3000，5000和6000，训练序列为全“1”的时候，RBE随ReSN的变化曲线。仿真中已事先给定I0，Ni的值，不过在实际中，它们可以通过对训练序列进行一定计算来得到。在进行仿真结果计算时，信号不同帧的持续时间要比湍流信号的相关时间小，是0.02秒[13]。因为激光通信具备较高的传送效率，如果帧结构训练序列的长度是3000[14]，同时码传送速率是500Mb/s[15]时，不同帧内训练序列的持续时间是非常小的，这种长度也能够被接受。与逐符号最大似然检测方法相比较，基于训练序列的分级检测技术具备实用性较强，性能较好，结构简单的优点，被广泛地运用。结束语本文提出使用MonteCarlo方法，对多个分集接收机进行逐符号最大似然检测的似然比进行了多维数值积分。综上所述，逐符号最大似然检测方法的仿真结果和当前已经得出的结果比较相符，基于训练序列的分级检测技术和当前的检测技术做比较而言，不需用掌握信道空间衰落的有关信息，只有有效运用训练序列，就可以实现性能较好的检测。参考文献：[1]李志刚,郑玉权.基于激光的光谱辐射定标[J].光谱学与光谱分析,2014,(12):3424-3428.[2]白凯杰,田浩臣,姚顺春等.激光能量对飞灰颗粒流中未燃碳LIBS检测影响研究[J].光谱学与光谱分析,2014,(5):1407-1411.[3]邢雪峰,李洪祚.分集激光通信高速率半导体激光器驱动设计[J].现代电子技术,2012,35(15):25-28.[4]王惠琴.大气激光通信中空时编码技术的研究[D].西安理工大学,2011,34(3):12-14.[5]邢雪峰,李洪祚.空间分集光通信的信标光切换设计[J].现代电子技术,2012,35(13):50-52.[6]林日钊.基于圆偏振移位键控调制的星地激光通信链路仿真研究[D].中国科学技术大学,2012,34(3):28-28.[7]陈丹.无线光副载波调制及大气影响抑制技术研究[D].西安理工大学,2011,34(3):20-24.[8]柯欢欢.FSOMIMO垂直分层空时码译码算法研究[D].西安理工大学,2011,34(3):80-84.[9]曹阳.采用自调整模糊变结构控制的机载激光通信视轴稳定研究[J].红外与激光工程,2014,(10):3373-3377.[10]易湘.大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究[D].西安电子科技大学,2013,3(11):12-14.[11]郑铮,李宁.激光通信中的分集检测技术[J].北京航空航天大学学报,2008,34(3):280-284.[12]佟首峰,姜会林,张立中等.高速率空间激光通信系统及其应用[J].红外与激光工程,2010,39(4):649-654.[13]胥全春,俞建杰,周彦平等.星地激光通信中地球背景辐射的抑制研究[J].红外与激光工程,2014,(7):2300-2306.[14]胡贞,姜会林,佟首峰等.空间激光通信终端ATP技术与系统研究[J].兵工学报,2011,32(6):752-757.[15]于笑楠,佟首峰,董岩等.空间激光通信组网单光束跟踪子系统[J].光学精密工程,2014,22(12):3348-3353.