Способ обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях шума спонтанного излучения и воздействия жесткой радиации и оптический приемник, реализующий способ

Способ обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях шума спонтанного излучения и воздействия жесткой радиации и оптический приемник, реализующий способ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к атмосферной и волоконно-оптической связи и может быть использовано при создании прикладных систем.

Известен близкий к заявляемому способ различения двоичных когерентных оптических сигналов на фоне аддитивного шума, статистическое распределение фотоэлектронов которого описывается законом Бозе-Эйнштейна (Патент RU 2227961 от 2004.04.27, Н 04 В 10/06, авторы Гайнутдинов О.И., Игнатенко М.В., Сафонов А.В.). В данном способе, взятом за прототип, осуществляют различение двоичных когерентных оптических сигналов, представляющих собой посылку оптического излучения постоянной амплитуды и длительности Т при передаче «1» и отсутствие излучения (паузу) той же длительности при передаче «0», следующим образом. Принимаемый двоичный когерентный оптический сигнал фотодетектируют, подсчитывают в течение интервала наблюдения [0, Т] число фотоэлектронов, которое используют для вычисления отношения правдоподобия L, которое сравнивают с нулевым порогом L₀ и принимают решение в пользу «1», если L≥L₀, или в пользу «0» в ином случае, причем при вычислении L используют значения параметров, характеризующих интенсивность полезного сигнала и шумов - среднее число фотоэлектронов полезного сигнала, шума спонтанного излучения, теплового шума и гамма-шума, которые изменяются в зависимости от флуктуации полезного сигнала и шумов, а значение L вычисляют по формуле:

где n - число фотоэлектронов на интервале наблюдения [0, Т];

n_с - среднее число фотоэлектронов полезного сигнала на интервале наблюдения [0, Т];

n_T - среднее число фотоэлектронов теплового шума на интервале наблюдения [0, Т];

n_гш - среднее число фотоэлектронов гамма-шума на интервале наблюдения [0, Т];

n_ш - среднее число фотоэлектронов шума спонтанного излучения на

интервале наблюдения [0, Т].

Известен оптический приемник для реализации данного способа (Патент RU 2227961 от 2004.04.27, Н 04 В 10/06, авторы Гайнутдинов О.И., Игнатенко М.В., Сафонов А.В.), содержащий последовательно соединенные фотодетектор, принимающий входной сигнал, электронный ключ, счетчик фотоэлектронов, вычислительное устройство, блок оценки параметров статистического распределения входного сигала, устройство синхронизации, пороговое устройство, формирующее выходной сигнал в виде решения о приеме символа логической единицы или логического нуля.

Недостатками данного способа и реализующего его оптического приемника являются ограниченное число статистических распределений фотоэлектронов, при которых возможно удовлетворительное функционирование различителя, что ведет к снижению помехоустойчивости приема двоичных символов в условиях шума спонтанного излучения (ШСИ) полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) при воздействии на устройство жесткой радиации. Это обусловлено тем, что взятое за основу статистическое распределение числа фотоэлектронов не обладает широкими обобщающими свойствами. Кроме того, известный способ не позволяет учесть влияние мультипликативных помех, которые вызывают существенные флуктуации интенсивности передаваемого сигнала в атмосферных оптических линиях связи (АОЛС). Также следует отметить, что устройство, описанное в прототипе, содержит блок оценки, работающий на высокой частоте оптического сигнала, что существенно затрудняет определение с высокой точностью параметров распределения входной смеси сигнала и шума и требует применения двух фотодетекторов (ФД) как в блоке ФД, так и в блоке оценки параметров распределения, обладающих строго идентичными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости приема двоичных символов в условиях ШСИ ПОУ, гамма-шума, обусловленного воздействием квантов ионизирующего излучения на материал фотодетектора (ФД), теплового шума ФД и шумов в атмосферных оптических линиях связи, обусловленных турбулентностью атмосферы.

Известен обобщенный закон распределения дискретной случайной величины (Карпов И.Г. Обобщенный дискретный закон распределения флуктуации оптических сигналов, - ж-л Радиотехника, №4, 2002, с.70-75):

где

b₂=1-K₂,

параметры распределения (2),

m₁ - первый начальный момент, μ₂ и μ₃ - соответственно второй и третий центральные моменты, С - коэффициент нормировки, определяемый выражением

где d=N или d→∞.

Обобщенное распределение (2) в качестве частных случаев включает такие законы, как закон Пуассона, биномиальный закон, отрицательный биномиальный закон, закон Бозе-Эйнштейна, закон Пойя и др.

Сущность изобретения заключается в том, что принимаемый двоичный когерентный оптический сигнал фотодетектируют, интервал наблюдения [0, Т] разбивают на S подынтервалов, на каждом из которых подсчитывают число фотоэлектронов n_i, i=1...S, которые используют для вычисления отношения правдоподобия L, которое сравнивают с нулевым порогом L₀ и принимают решение в пользу «1», если L≥L₀, или в пользу «0» в ином случае. При вычислении L используют оценочные значения параметров, характеризующих распределение смеси полезного сигнала и шумов - , , и , - параметры распределения помехи, которые изменяются в зависимости от флуктуации полезного сигнала и шумов. Значение L вычисляют по формуле:

Выражение (5) получено на основе известного выражения для отношения правдоподобия в предположении статистической независимости отсчетов при помощи условных вероятностей гипотез о наличии сигнала «1» - H₁ и наличии сигнала «0» - Н₀.

соответственно.

При вычислении L производят оценку параметров b₀₁, b₂₁, С₁ и b₀₀, b₂₀, С₀, изменяющихся вследствие флуктуации интенсивности полезного сигнала и воздействия шумов различного происхождения, и получают конкретные их значения для его вычисления. Таким образом, значение L будет изменяться в зависимости от величины этих параметров, что эквивалентно изменению величины порога в соответствии с флуктуациями полезного сигнала и шумов. В результате минимизируется вероятность ошибки, и, таким образом, повышается помехоустойчивость приема двоичных символов в условиях воздействия ШСИ ПОУ, теплового шума ФД, гамма-шума, обусловленного влиянием жесткой радиации на материал ФД и шумов в АОЛС, обусловленных турбулентностью атмосферы. На фиг.1 показана сравнительная характеристика зависимости вероятности ошибки приема двоичных символов Р_ош от отношения сигнал шум, вычисленного как отношение среднего числа фотоэлектронов полезного сигнала n_с к числу фотоэлектронов смеси полезного сигнала и помехи за интервал наблюдения, где кривая 1 получена для известного способа, кривая 2 - для предлагаемого. Можно видеть, что предлагаемый способ обеспечивает более высокую помехоустойчивость приема двоичных символов в рассматриваемых условиях.

Структурная схема оптического приемника для реализации предлагаемого способа обработки двоичных когерентных оптических сигналов представлена на фиг.2. Оптический приемник содержит последовательно соединенные фотодетектор (ФД) 1, принимающий входной сигнал, электронный ключ 2, счетчик фотоэлектронов 3, вычислительное устройство 4, пороговое устройство 5, формирующее выходной сигнал в виде решения о приеме «1» или «0», устройство синхронизации 6, выход которого соединен со вторыми входами фотодетектора, электронного ключа и счетчика фотоэлектронов, а также блок оценки 7, причем входной оптический сигнал y(t) подается на первый вход блока 1 фотодетектора, выход которого соединен с первым входом блока электронного ключа 2 и первым входом блока оценки, выход блока электронного ключа 2 соединен с первым входом блока счетчика фотоэлектронов 3, выход блока счетчика фотоэлектронов 3 соединен первым входом вычислительного устройства 4 и третьим входом блока оценки 7, на вторые входы фотодетектора, электронного ключа 2, счетчика фотоэлектронов 3 и блока оценки подается сигнал синхронизации с устройства синхронизации 6, выход блока оценки 7 соединен с вторым входом вычислительного устройства 4, выход блока вычислительного устройства 4 соединен первым входом порогового устройства 5, на второй вход порогового устройства подается пороговое значение напряжения L₀=0, выход порогового устройства является выходом вынесенного решения приемника.

Отличие предлагаемого способа заключается в существенном изменении принципа работы блока оценки 7 и вычислительного устройства 4.

Оптический приемник работает следующим образом. На апертуру ФД 1 поступает оптический сигнал y(t) в соответствии с передаваемыми символами. В результате детектирования образуется точечный процесс N(t), поступающий на блок оценки 7 и через электронный ключ 2 на вход счетчика фотоэлектронов 3. Данный счетчик в течение i-того подынтервала наблюдения [T_i-1, T_i] производит счет фотоэлектронов и формирует результат отсчета n_i. Значения n_i поступают на блок оценки 7 и вычислительное устройство 4, куда также подаются значения параметров , , , , с блока оценки 7. В вычислительном устройстве производится вычисление отношения правдоподобия L, значение которого сравнивается в пороговом устройстве 5 с порогом L₀. В случае превышения порога или равенстве ему выносится решение в пользу «1», в ином случае - в пользу «0». Работой приемника управляет устройство синхронизации 6, управляющие импульсы которого используются для стробирования ФД 1, электронного ключа 2, счетчика фотоэлектронов 3 и блока оценки 7.

Блок оценки 7 перед началом каждой информационной посылки выполняет определение значений параметров , , а при приеме сообщения определяет величину параметров , , . Полученные значения поступают на вычислительное устройство, где используются при вычислении отношения правдоподобия L.

Для получения оценок параметров , определяются значения выборочных моментов

где n_i - i-е значение измерения числа фотоэлектронов, эмитированных помехой или смесью сигнала и помехи; S - объем выборки. Затем вычисляются параметры

Параметры (11)-(15), вычисленные при помощи значений n_i, измеренных в период сигнальной паузы представляют собой , , а значения (11)-(15), вычисленные по n_i, измеренных в период передачи полезного сигнала представляют собой , , .

Применение предложенного способа позволит повысить помехоустойчивость обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях ШСИ, теплового шума, гамма-шума, обусловленного воздействием жесткой радиации на материал ФД и шумов в АОЛС, обусловленных турбулентностью атмосферы, на основе приемного устройства, способного удовлетворительно различать оптические сигналы на фоне как аддитивного, так и мультипликативного воздействия указанных шумов.

1. Способ обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях шума спонтанного излучения и воздействия жесткой радиации, заключающийся в том, что принимаемый двоичный когерентный оптический сигнал фотодетектируют, интервал наблюдения [0,Т] разбивают на S подынтервалов, на каждом из которых подсчитывают число фотоэлектронов n_i, i=1...S, которые используют для вычисления отношения правдоподобия L, которое сравнивают с нулевым порогом и принимают решение в пользу логической единицы, если значение отношения правдоподобия превышает порог или равно ему, или в пользу логического нуля в ином случае, отличающийся тем, что при вычислении L используют оценочные значения параметров, характеризующих распределение смеси полезного сигнала и шумов - , , , , и , , , , - параметры распределения помехи, которые изменяются в зависимости от флуктуаций полезного сигнала и шумов, а значение отношения правдоподобия вычисляют по формуле:

где L - отношение правдоподобия; n_i - число фотоэлектронов на подынтервале наблюдения [Т_i-1, Т_i].

2. Оптический приемник, реализующий способ по п.1, содержащий последовательно соединенные фотодетектор, принимающий входной сигнал, электронный ключ, счетчик фотоэлектронов, вычислительное устройство, пороговое устройство, формирующее выходной сигнал в виде решения о приеме символа логической единицы или логического нуля, а также устройство синхронизации, выход которого соединен со вторыми входами фотодетектора, электронного ключа и счетчика фотоэлектронов, входной оптический сигнал подается на первый вход блока фотодетектора, выход которого соединен с первым входом блока электронного ключа и первым входом блока оценки, выход блока электронного ключа соединен с первым входом блока счетчика фотоэлектронов, выход блока счетчика фотоэлектронов соединен первым входом вычислительного устройства и третьим входом блока оценки, на вторые входы фотодетектора, электронного ключа, счетчика фотоэлектронов и блока оценки подается сигнал синхронизации с устройства синхронизации, выход блока оценки соединен с вторым входом вычислительного устройства, выход блока вычислительного устройства соединен первым входом порогового устройства, на второй вход порогового устройства подается пороговое значение напряжения L₀=0, выход порогового устройства является выходом вынесенного решения приемника, отличающийся тем, что блок оценки подключен к выходу фотодетектора и функционирует по принципу вычисления параметров обобщенного распределения дискретной случайной величины

где

b₂=1-K₂, a₁=4K₂-5, a₀=b₀-m₁(3-2K₂)

параметры распределения,

m₁ - первый начальный момент, μ₂ и μ₃ - соответственно второй и третий центральные моменты, С - коэффициент нормировки, определяемый выражением

где d=N или d→∞, а также исключением работы блока оценки на частоте оптического сигнала.