基于小波變換的可見光通信系統碼間干擾抑制技術

摘要：碼間干擾直接影響可見光通信系統的通信性能，當前的應對方法存在一定的不足，為了實現系統信號穩定傳輸，文章采用基于小波變換的可見光通信系統碼間干擾抑制技術，在分析可見光通信系統信道模型和信號多徑特征基礎上，利用小波變換將系統回波數據頻譜變換到小波域，在小波域內通過恒虛警概率方法識別碼間干擾小波系數，構建碼間干擾小波系數的恒虛警檢測器，將小波系數大于檢測門限的碼間干擾去除，實現對可見光通信系統碼間干擾的抑制。實驗結果表明，該方法的信號干擾抑制比和信號失真比均較低，可提高可見光通信系統的輸出信噪比，有效抑制碼間干擾對系統信號頻譜的影響，保證系統信號傳輸穩定性。

關鍵詞：小波變換；可見光；通信系統；碼間干擾；抑制技術；信道模型

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.028

中圖分類號：TN 92" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-00-05

Intersymbol Interference Suppression in Visible Light Communication System Based on Wavelet Transform

ZHANG Shouye

（Lanzhou Bowen University of Science and Technology， Lanzhou 730101， China）

Abstract： The inter-symbol interference （ISI） directly affects the communication performance of the visible light communication system. There are some shortcomings in the current methods. In order to achieve stable transmission of the system signal， the inter-symbol interference suppression technology of the visible light communication system based on wavelet transform is designed. On the basis of analyzing the channel model and signal multipath characteristics of the visible light communication system， the wavelet transform is used to transform the system echo data spectrum into the wavelet domain. In the wavelet domain， the constant 1 alarm probability method is used to identify the inter-symbol interference wavelet coefficients， and the constant 1 alarm detector of the inter-symbol interference wavelet coefficients is constructed. The inter-symbol interference of the visible light communication system is suppressed by removing the inter-symbol interference whose wavelet coefficients are greater than the detection threshold. The experimental results show that the method has low signal interference rejection ratio and signal distortion ratio， can improve the output signal to noise ratio of visible light communication system， effectively suppress the influence of inter-symbol interference on the system signal spectrum， and ensure the stability of system signal transmission.

Key words： wavelet transform; visible light; communication system; inter symbol interference; inhibition technology; channel model

0" 引言

鑒于信息技術發展對通信系統的高需求，國家大力發展可見光通信技術[1-3]，該技術具有高頻譜率、抗干擾能力強、成本低等優點。可見光通信技術具備擴大通信容量、提高信息傳輸速率的強大功能。因此，國家非常重視可見光通信技術，并將該技術應用在可見光通信系統中，實現可見光信號的高效傳輸[4]，滿足網絡傳輸需求。但是因信道失真、光能量失衡、光色散性等因素導致可見光通信系統中信道會發生碼間干擾現象，直接影響信息傳輸精度和速率[5]，因此需要研發可見光通信系統碼間干擾抑制方法，降低系統的誤碼率。

相關領域研究人員對該課題展開了深入研究。史策等人提出時間反演的干擾抑制方法[6]，該方法采用密度和距離算法，可精準實現接收端碼間干擾定位，并處理碼間干擾數據。但是該方法求解開銷較大，在對碼間干擾抑制過程中會出現滯后情況。曹陽等人提出PAPR抑制方法[7]，采用改進Polar碼方法，得出最優修正集參數，實施信道匹配，發現碼間干擾數據，并進行聯合解碼實現對碼間干擾的抑制。雖然該方法在降低光通信系統碼間干擾的損失方面取得一定應用效果，但該方法受到信道的均衡性影響比較大，導致碼間干擾的抑制精度降低。

小波變換方法通過對高低頻信號實施分解和重構，可降低干擾信號影響，達到降噪的效果，因此，將小波變換應用在可見光通信系統碼間干擾抑制中，可降低可見光通信系統碼間干擾的負面影響，提高可見光通信系統傳輸精度和速率，保證可見光通信系統數據的安全傳輸。

1" 小波變換的碼間干擾抑制技術

1.1 可見光通信系統和信道模型

在研究基于小波變換的碼間干擾抑制技術時，需構建光通信系統。設計由信號源接收器、編碼器、調制器、信道、解調器、解碼器、輸入信號發射器等硬件構成的可見光通信系統，同時將該系統設置為線性時不變系統。可見光通信信道中信號的傳輸路線如圖1所示，在可見光通信系統的信道中，通過發射端LED將不同可見光信號傳輸至接收端的光電二極管[8]，其中一部分可見光信號在反射面上經一次反射后才能傳輸至接收端光電二極管。

可見光通信系統接收端沖激響應可用于描述系統線性時不變系統的基礎特征，在環境特征下的沖激響應表達式為

式中，接收端特征用描述；時間用描述；反射次數用描述，；發射端特征用描述。

一般當發射端時，脈沖響應功率是1 W，接收端脈沖響應，具體公式為

式中，光信號接收面積用描述；收發端距離用描述，；在環境特征下可視函數用描述；接收端位置矢量用描述；發射端位置矢量用描述；增益系數用描述；發射端輻射模式用描述。在朗伯輻射模型下，表達式為

式中，朗伯指數用描述。將式（3）代入式（2），得出沖激響應公式為

在系統內，和頻率響應的直流增益表達式為

因信號在信道內受光信號接收面積、收發端距離等因素的影響，因此將頻率響應的直流增益表達式更新為

表示接收信號功率，其計算公式為

式中，發射端發射功率用描述。

收發器信號功率關系表達式為

1.2 可見光通信信道信號的多徑特征

因系統信道失真直接導致信號出現碼間干擾現象，為此需要分析當產生碼間干擾時系統信道信號多徑特征，信號多徑特征表達式為

式中，多徑特征參數用描述；特征數量用描述；常數用描述。

當系統出現碼間干擾時需要實施信號擴頻，得出估計時延，信號擴頻需要符合式（10）：

式中，碼元速率用描述；電離時延用描述；第一次、第二次時延分別用、描述；信號集合用描述；擴頻集合用描述；擴頻系數用描述[9-11]。

表示系統發射信號，接收端收到該信號后，實施復制，得出接收端相關函數為

式中，碼間干擾頻率用描述；處理增益用描述。

系統信號受自然條件影響，導致通信波動很大，按照信號峰值所處區域，得出信號通信時間損失，如式（12）所示：

受其他相關因素的影響，系統通信具有時變性，時變性表達式為

1.3 碼間干擾抑制技術

1.3.1 小波變換原理

碼間干擾是因為信號通過不同傳輸方式傳輸至接收端，導致系統信號相互干擾，降低信號能量，影響傳輸效率的一種現象。在分析可見光通信系統信道模型和信號多徑特征的基礎上，采用基于小波變換的可見光通信系統碼間干擾抑制技術，可降低碼間干擾對系統傳輸性能的影響。小波變換核心思路是，將可見光通信系統內信號投影至相同函數空間內，在測量出信號和小波基函數相似度后，實施離散小波變換，其具體公式為

式中，正整數用、描述；離散信號用描述；母小波用描述；離散小波基用描述；伸縮尺寸用描述；信號長度用描述[12]。

經母小波尺度伸縮得出小波基函數，其具體公式為

小波基表示不同尺度和定位。通過對可見光通信系統信號頻譜實施小波變換可求出小波系數。當系統出現碼間干擾時信號局部會出現奇異性，產生較高小波系數，而小波變換可以準確識別出碼間干擾并具有較好抑制作用。

1.3.2 基于小波變換的碼間干擾識別和抑制

在分析小波變換原理的基礎上，利用小波變換將碼間干擾信號與有價值信號實施分離，實現在小波域抑制碼間干擾的目的。在不同尺度下，碼間干擾識別小波系數的閾值求解是基于小波變換的碼間干擾識別和抑制過程中的最主要環節。因碼間干擾信號功率密度較高，需要依據系統中通信信號和噪聲能量的差異，在包括噪聲的光電信號中提取出碼間干擾信號。在某個尺度下，在包括噪聲的光電信號中，經小波系數篩選求解出碼間干擾信號自適應閾值，自適應閾值表達式為

式中，同尺度中系數數量用描述；第個小波系數用描述；第個尺度小波系數能量均值用描述。

當小波系數能量小于該閾值時，該系數為含噪聲碼間干擾信號的小波系數，完成碼間干擾識別。該閾值可按照信躁比實施自適應調整，假設信號的能量固定，當存在碼間干擾時，需要設置高閾值抑制碼間干擾[13-15]。采用恒虛警概率方法可識別出碼間干擾小波系數，在小波域的第個尺度下構建碼間干擾小波系數的恒虛警檢測器，該檢測器檢測門限表達式為

式中，常數用描述；第個尺度下小波系數樣本均值用描述，碼間干擾的小波系數應高于檢測門限即，將高于門限的碼間干擾去除，完成可見光通信系統碼間干擾抑制。

2" 實驗結果分析

選取某地大學園的可見光通信系統作為試驗對象，該大學園占地75.7萬平方米，可見光通信系統已覆蓋各區全部辦公區域，用于完成大學園的網絡數據傳輸。該試驗的可見光通信系統主要由可見光通信發射機、白光LED光源、光電二極管、可見光通信接收機器等硬件組成。該試驗設置的該系統的多徑信道參數，如表1所示。

表1中列出了系統中4種信道模型，可見光通信信號的碼元速率為2.5 kBaud，信道分辨率為0.4 ns，輸出信噪比均小于5 dB。選取干擾抑制比和信號失真度為評估本文所述技術的指標。干擾抑制比如式（18）所示：

式中，碼間干擾抑制前信號用描述；碼間干擾抑制后信號用描述。

信號失真度，如式（19）所示：

當干擾抑制比小于30 dB和信號失真度低于-20 dB時，說明信道信號的碼間干擾抑制效果達到預期。

通過兩個評估指標公式求出本文采用的抑制技術的性能測試結果（見表2）。分析表2可知，采用本文所述方法的可見光通信系統不同信道模型的碼間干擾抑制性能評估結果顯示，平均干擾抑制比低至20.48 dB，平均信號失真比低至-18.73 dB，且運算量較小。說明本文所述方法的信號干擾抑制比和信號失真比均較低，符合預期。

從4種信道模型中選取信道模型A和信道模型D進行測試，可見光通信系統信道模型A、D的原始信號頻譜，如圖2所示。

因信道失真導致該系統信道A、D中發生碼間干擾現象，導致可見光通信系統信道模型信號頻譜發生波動，具體如圖3所示。

由圖3可知，信道模型A在頻道單元為700個、信道模型D在頻道單元為1 200個時信道失真產生碼間干擾，導致可見光通信系統信號頻譜發生較大波動，直接影響了信道傳輸速率。因此采用本文所述方法可對該可見光通信系統進行碼間干擾抑制，通過測試該方法的應用效果，得出結果見圖4。分析圖4可知，采用該方法能夠表示出信號時頻特性，可有效抑制可見光通信系統的碼間干擾，保留有價值信號頻譜，經抑制后的可見光通信系統信號頻譜與原始可見光通信系統信號頻譜基本一致，說明本文所述方法應用效果較好，可有效抑制碼間干擾對系統信號頻譜的影響，及時將波動信號頻譜調整為正常通信傳輸信號頻譜，保證可見光通信系統信號傳輸的穩定性和效率。

在4種信道模型下，采用本文方法求出碼間干擾抑制的輸出信噪比，結果見圖5。分析圖5可知，采用本文所述方法可有效抑制不同信道模型的碼間干擾，提高可見光通信系統的輸出信噪比，增強信號輸出的保真性，當該方法在迭代次數為60次時，輸出信噪比趨于穩定態勢，說明該方法收斂性較好。

3" 結束語

本文研究了基于小波變換的可見光通信系統碼間干擾抑制技術，以提高可見光通信系統通信的速率。實驗結果表明，本文所述方法可有效識別出可見光通信系統碼間干擾現象，并抑制碼間干擾對光通信系統通信的影響，輸出正確有價值的通信信號。因筆者水平有限，文中仍有許多不足之處，同時可見光通信系統碼間干擾抑制是一項專業課題，還需要通過大量試驗測試，在實際應用過程中逐漸完善。■

參考文獻

[1] 張雨桐，趙黎，張峰.基于小波變換的可見光OFDM通信系統性能優化[J].激光技術，2020，44（2）：261-265.

[2] 趙宗爽，史治宇，張杰.基于二次調頻小波變換的時變系統物理參數識別[J].機械制造與自動化，2021，50（6）：49-51.

[3] 賈科軍，楊博然，陸皓，等.可見光通信光正交頻分復用系統符號分解技術抑制LED非線性失真研究[J].中國激光，2020，47（4）：234-242.

[4] 郭仁超，舒彧.基于小波變換的電力系統數據傳遞一致性分析[J].能源與環保，2021，43（6）：201-206.

[5] 史策，陳善學，李方偉.時間反演UWB通信系統的窄帶干擾抑制[J].系統工程與電子技術，2020，42（4）：948-953.

[6] 曹陽，羅超.可見光Polar-OFDM通信系統中PAPR抑制方法研究[J].激光與光電子學進展，2022，59（7）：115-121.

[7] 黃緒發.基于DDC算法的可見光通信的非線性補償技術[J].軟件，2020，41（4）：106-110.

[8] 何小波，焦石.基于相位調制技術的可見光通信系統碼間干擾識別研究[J].激光雜志，2021，42（1）：144-148.

[9] 劉微雨.基于DSSS調制的UV通信系統抑制碼間干擾研究[J].信息技術，2020，44（3）：109-113.

[10] 莫晨曉，陳長纓，陳曦，等.高速白光LED光通信系統中的碼間干擾及其抑制[J].光通信技術，2012，36（1）：59-61.

[11] 付會凱，付金山，吳慎山.無線通信系統中碼間干擾抑制技術研究[J].新鄉學院學報（自然科學版），2009，26（5）：70-72.

[12] 伍建輝.無線通信系統的碼間干擾抑制方法研究[J].通信技術，2007（12）：123-125.

[13] 易志琴，余光華.基于時變窄帶濾波的光通信失真補償技術[J].科技通報，2017，33（9）：176-179.

[14] 賀秀玲，蘇渤力.無線擴頻通信系統的調制信號無損傳輸優化技術[J].微電子學與計算機，2016，33（12）：147-151.

[15] 龍清，朱志國.軍用無線電通信的碼間干擾抑制算法仿真研究[J].智能計算機與應用，2016，6（4）：9-11，15