權(quán)進國，白 勃，張 顥，張 巖

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 深圳518055；2.清華大學(xué) 深圳研究生院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部，廣東深圳518055；3.西安電子工程研究所，西安710100；4.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

基于Hilbert-Huang變換的太陽光噪聲抑制技術(shù)

權(quán)進國1，2，白 勃3，張 顥4，張 巖1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 深圳518055；2.清華大學(xué) 深圳研究生院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部，廣東深圳518055；3.西安電子工程研究所，西安710100；4.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

為降低太陽光背景噪聲對室外光通信系統(tǒng)通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、誤碼率等系統(tǒng)性能的影響，首次設(shè)計搭建背景光噪聲測量系統(tǒng)，結(jié)合實際測量分析結(jié)果，設(shè)計提出一種基于希爾伯特-黃變換的太陽光噪聲抑制技術(shù)。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)可有效降低太陽光背景噪聲對室外可見光通信系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性與可靠性。

室外可見光通信；太陽光噪聲；H i l bert-H uang變換；噪聲抑制

0 引言

結(jié)合新興LED開關(guān)響應(yīng)時間短等優(yōu)勢[1,2]，可見光通信（Visible Light Communications，VLC）技術(shù)利用可見光為載波信號，通過調(diào)制可見光信號的強度、相位、頻率、色相等參數(shù)實現(xiàn)高速的無線數(shù)據(jù)傳輸[3～5]。VLC技術(shù)具有通信速率高、抗干擾能力強、安全保密性好、無電磁干擾及無需頻譜許可證等諸多優(yōu)點。太陽光作為可見光信道主要的背景光噪聲來源會干擾接收端的有效檢測與判決，嚴重降低系統(tǒng)性能，是室外可見光通信系統(tǒng)目前需要解決的迫切問題之一。因此，本文提出一種新型的基于Hilbert-Huang變換的太陽光背景噪聲抑制技術(shù)，以解決上述室外可見光通信系統(tǒng)中所存在的問題

1 背景光噪聲測量系統(tǒng)

背景光噪聲測量系統(tǒng)如圖1所示，干擾光信號經(jīng)過光學(xué)濾鏡的濾色后使用含跨阻放大的 Thorlabs PDA10A探測器與HP3589A頻譜儀測量入射背景光信號的頻率分布特性，或使用Newport918D-UV-OD3探測器和Newport1918-C光功率計測量入射背景光信號的光功率。

圖1 背景光噪聲測量系統(tǒng)

2 太陽光噪聲特性測量分析

我們使用不同的光學(xué)濾鏡Thorlabs FB500-40、Thorlabs FB590-10和Asahi Spectra ZBPB105測量了不同天氣情況下不同波段太陽光信號的功率變化特性，這三款光學(xué)濾鏡的中心波長和半峰全寬（Full Width at Half Maximum,FWHM）分別為500nm、590nm和620nm，40nm、10nm和20nm。圖2給出了光學(xué)濾鏡的歸一化頻率響應(yīng)特性曲線。

圖2 光學(xué)濾鏡歸一化頻率響應(yīng)特性曲線

由于時間、位置、天氣情況、接收機的感光面積以及接收機的FoV等因素會影響實驗測量結(jié)果，我們選用的光電探測器的感光面積為1cm2，接收機的FoV為15°。

圖3給出了晴朗天氣情況下的豎直方向接收到的太陽光功率譜分布特性曲線。可以看出，太陽光背景光噪聲的功率主要分布在頻率較低的區(qū)域，不同頻率的太陽光背景噪聲功率會隨著頻率的增加迅速減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，在高頻段穩(wěn)定在-110dBm附近。

圖3 豎直方向接收到的太陽光功率譜分布特性

3 基于Hilbert-Huang變換的太陽光噪聲抑制技術(shù)

由于大氣性質(zhì)的不穩(wěn)定、云層遮檔及外界環(huán)境的干擾等原因，會造成太陽光噪聲中夾雜著許多不平穩(wěn)因素，甚至出現(xiàn)很大的失真，因此，為消除太陽光噪聲對VLC系統(tǒng)的影響，可以使用高通濾波器濾除主要分布在低頻段的太陽光噪聲。而一般的IIR濾波、FIR濾波和小波濾波方法則是以傅里葉變換為基礎(chǔ)，在濾除太陽光噪聲的同時，也會去除部分低頻信號，造成原始信號不可恢復(fù)的損失。本文提出了一種基于希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform,HHT)和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?Empirical Mode Decomposition,EMD)的太陽光噪聲抑制技術(shù)，此技術(shù)通過EMD分解將接收到的可見光信號分解為數(shù)個固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Functions,IMF)，并使用Hilbert變換得到每個模態(tài)函數(shù)(Mode Functions,MF)分量的時頻分布的Hilbert譜，可以有效消除和抑制太陽光噪聲對室外可見光通信系統(tǒng)的影響。

EMD分解將信號分解為含有不同時間尺度且滿足以下條件的一組IMF[6]：對于一列數(shù)據(jù)，極值點和過零點數(shù)目必須相等或相差一點；在任意點，由局部極大點和極小點構(gòu)成的兩條包絡(luò)線的平均值為零。因此，接收到的可見光信號可以表示為一系列IMF分量和一個殘余項之和?？梢奅MD分解是完全自適應(yīng)于被分解信號的，不需要預(yù)選基函數(shù)。EMD分解出的IMF序列是多通帶濾波的結(jié)果，時域表現(xiàn)為從小尺度到大尺度的層層濾波，頻率域是從高頻到低頻的層層濾波，這也表明EMD分解具有多分辨分析的特征。

EMD分解的多分辨分析和可重構(gòu)性可用來減少和消除接收到可見光信號中混雜的太陽光噪聲。當(dāng)太陽光噪聲可以分解為一個或多個IMF分量時，可直接利用時頻濾波器進行消噪，除去含噪的一個或多個IMF重構(gòu)，得到消噪后的信號。如要消除高頻部分的噪聲，一個包含n個IMF的低通時頻濾波器可表示為：

若太陽光噪聲僅分布在低頻，高通時頻濾波器為：

若太陽光噪聲僅分布在高低頻，則帶通時頻濾波器為；

當(dāng)背景光噪聲恰為一個或某幾個IMF分量時，時頻濾波器可以通過把某幾個尺度的IMF分量設(shè)為零，可以有效抑制和消除噪聲對可見光信號的影響；但當(dāng)背景光噪聲和可見光信號混雜在同一個或多個IMF分量中時，時頻濾波器在消除噪聲的同時也會濾除部分可見光信號，造成原始可見光信號的損失，降低VLC系統(tǒng)的通信性能。因此，針對這種情況按一定條件濾除某些尺度的IMF分量，這樣就在可以在保證可見光信號完整性的前提下，有效抑制和消除背景光噪聲，具體可以表示為：

根據(jù)小波去噪理論，這里給出的消噪閾值為：

其中，σ表示第i層IMF的噪聲水平，MADi表示第i層IMF的絕對中值偏差：

則第i層IMF的估計硬閾值方法為：

軟閾值方法為：

綜上所述，基于EMD的太陽光光信號抑制技術(shù)可以按照如下步驟進行：

①將接收到的含太陽光噪光的可見光信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，可以得到各階IMF分量；②根據(jù)太陽光噪聲的特征，使用EMD時頻濾波器或硬(軟)閾值方法對IMF分量進行噪聲抑制；③根據(jù)處理后的IMF分量重建信號，最終得到消噪后的可見光信號。計算流程如圖4所示。

圖4 基于EMD的光信號消噪計算流程

4 實驗結(jié)果分析

我們使用實測太陽光信號來驗證Hilbert-Huang去噪方法的有效性。圖3已經(jīng)給出太陽光噪聲信號的功率譜分布特性。不難看出，盡管在0～200Hz頻段上太陽光噪聲呈現(xiàn)出某些寬帶特性，但是在0～200kHz頻段上，其能量的集中度仍非常高。與人造光源噪聲形成了鮮明對比，適合于使用Hilbert-Huang方法進行處理。晴朗天氣條件下，太陽光信號實測數(shù)據(jù)的時域波形，EMD分解和Hilbert譜分別如圖5、圖6和圖7所示。采用閾值降噪方法，消除低頻噪聲后的信號功率譜如圖8所示。

圖5 實測的太陽光背景噪聲時域波形（晴朗天氣）

圖6 IMF分量（晴朗天氣）

圖7 Hilbert譜（晴朗天氣）

圖8 使用Hilbert-Huang時頻濾波器后的功率譜分布特性（晴朗天氣）

5 結(jié)束語

本文結(jié)合設(shè)計搭建背景光噪聲測量系統(tǒng)的實驗測量數(shù)據(jù)，詳細分析了可見光信道中太陽光背景噪聲特性，提出了一種新型的基于Hilbert-Huang變換的太陽光背景噪聲抑制技術(shù)。此項技術(shù)可以有效地降低太陽光背景噪聲對室外可見光通信系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性與可靠性。

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Sunlight suppression technology based on Hilbert-Huang transformation

QUAN Jin-guo1,2,BAI Bo3,ZHANG Hao4,ZHANG Yan1
(1.School of Electronic and Information Engineering,Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School,Shenzhen Guangdong 518055,China;2.Division of Information Science& Technology,Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen Guangdong 518055, China;3.Xi'an Electronic Engineering Research Institute,Xi'an 710100,China;4.Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

In order to restrain the sunlight noise of outdoor visible light communication system,and improve the system communication distance,data rate and error rate performance,with consideration of the measurement result of the firstly built background light noise measurement system,a sunlight suppression technology based on Hilbert-Huang transformation is proposed in this paper,which could effectively restrain the sunlight influence on the outdoor visible light communication system,and improve the system's stability and reliability performance.

outdoor visible light communication,sunlight noise,Hilbert-Huang transformation,noise suppression technology

TN915.62

A

1002-5561（2016）02-0025-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.008

2015-11-20。

深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金 （項目編號：JCYJ2015 0401112337177）資助。

權(quán)進國（1966-），男，博士研究生，主要從事無線光通信與光電子器件的研究，