基于Hilbert-Huang变换的太阳光噪声抑制技术

权进国，白 勃，张 颢，张 岩

（1.哈尔滨工业大学深圳研究生院 电子与信息工程学院，广东 深圳518055；2.清华大学 深圳研究生院 信息科学与技术学部，广东深圳518055；3.西安电子工程研究所，西安710100；4.清华大学 电子工程系，北京100084）

基于Hilbert-Huang变换的太阳光噪声抑制技术

权进国1，2，白 勃3，张 颢4，张 岩1

（1.哈尔滨工业大学深圳研究生院 电子与信息工程学院，广东 深圳518055；2.清华大学 深圳研究生院 信息科学与技术学部，广东深圳518055；3.西安电子工程研究所，西安710100；4.清华大学 电子工程系，北京100084）

为降低太阳光背景噪声对室外光通信系统通信距离、数据传输速率、误码率等系统性能的影响，首次设计搭建背景光噪声测量系统，结合实际测量分析结果，设计提出一种基于希尔伯特-黄变换的太阳光噪声抑制技术。实验结果表明，该技术可有效降低太阳光背景噪声对室外可见光通信系统的影响，提高系统抗干扰能力和稳定性与可靠性。

室外可见光通信；太阳光噪声；H i l bert-H uang变换；噪声抑制

0 引言

结合新兴LED开关响应时间短等优势[1,2]，可见光通信（Visible Light Communications，VLC）技术利用可见光为载波信号，通过调制可见光信号的强度、相位、频率、色相等参数实现高速的无线数据传输[3～5]。VLC技术具有通信速率高、抗干扰能力强、安全保密性好、无电磁干扰及无需频谱许可证等诸多优点。太阳光作为可见光信道主要的背景光噪声来源会干扰接收端的有效检测与判决，严重降低系统性能，是室外可见光通信系统目前需要解决的迫切问题之一。因此，本文提出一种新型的基于Hilbert-Huang变换的太阳光背景噪声抑制技术，以解决上述室外可见光通信系统中所存在的问题

1 背景光噪声测量系统

背景光噪声测量系统如图1所示，干扰光信号经过光学滤镜的滤色后使用含跨阻放大的 Thorlabs PDA10A探测器与HP3589A频谱仪测量入射背景光信号的频率分布特性，或使用Newport918D-UV-OD3探测器和Newport1918-C光功率计测量入射背景光信号的光功率。

图1 背景光噪声测量系统

2 太阳光噪声特性测量分析

我们使用不同的光学滤镜Thorlabs FB500-40、Thorlabs FB590-10和Asahi Spectra ZBPB105测量了不同天气情况下不同波段太阳光信号的功率变化特性，这三款光学滤镜的中心波长和半峰全宽（Full Width at Half Maximum,FWHM）分别为500nm、590nm和620nm，40nm、10nm和20nm。图2给出了光学滤镜的归一化频率响应特性曲线。

图2 光学滤镜归一化频率响应特性曲线

由于时间、位置、天气情况、接收机的感光面积以及接收机的FoV等因素会影响实验测量结果，我们选用的光电探测器的感光面积为1cm2，接收机的FoV为15°。

图3给出了晴朗天气情况下的竖直方向接收到的太阳光功率谱分布特性曲线。可以看出，太阳光背景光噪声的功率主要分布在频率较低的区域，不同频率的太阳光背景噪声功率会随着频率的增加迅速减小，并逐渐趋于稳定，在高频段稳定在-110dBm附近。

图3 竖直方向接收到的太阳光功率谱分布特性

3 基于Hilbert-Huang变换的太阳光噪声抑制技术

由于大气性质的不稳定、云层遮档及外界环境的干扰等原因，会造成太阳光噪声中夹杂着许多不平稳因素，甚至出现很大的失真，因此，为消除太阳光噪声对VLC系统的影响，可以使用高通滤波器滤除主要分布在低频段的太阳光噪声。而一般的IIR滤波、FIR滤波和小波滤波方法则是以傅里叶变换为基础，在滤除太阳光噪声的同时，也会去除部分低频信号，造成原始信号不可恢复的损失。本文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)和经验模式分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)的太阳光噪声抑制技术，此技术通过EMD分解将接收到的可见光信号分解为数个固有模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)，并使用Hilbert变换得到每个模态函数(Mode Functions,MF)分量的时频分布的Hilbert谱，可以有效消除和抑制太阳光噪声对室外可见光通信系统的影响。

EMD分解将信号分解为含有不同时间尺度且满足以下条件的一组IMF[6]：对于一列数据，极值点和过零点数目必须相等或相差一点；在任意点，由局部极大点和极小点构成的两条包络线的平均值为零。因此，接收到的可见光信号可以表示为一系列IMF分量和一个残余项之和。可见EMD分解是完全自适应于被分解信号的，不需要预选基函数。EMD分解出的IMF序列是多通带滤波的结果，时域表现为从小尺度到大尺度的层层滤波，频率域是从高频到低频的层层滤波，这也表明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构性可用来减少和消除接收到可见光信号中混杂的太阳光噪声。当太阳光噪声可以分解为一个或多个IMF分量时，可直接利用时频滤波器进行消噪，除去含噪的一个或多个IMF重构，得到消噪后的信号。如要消除高频部分的噪声，一个包含n个IMF的低通时频滤波器可表示为：

若太阳光噪声仅分布在低频，高通时频滤波器为：

若太阳光噪声仅分布在高低频，则带通时频滤波器为；

当背景光噪声恰为一个或某几个IMF分量时，时频滤波器可以通过把某几个尺度的IMF分量设为零，可以有效抑制和消除噪声对可见光信号的影响；但当背景光噪声和可见光信号混杂在同一个或多个IMF分量中时，时频滤波器在消除噪声的同时也会滤除部分可见光信号，造成原始可见光信号的损失，降低VLC系统的通信性能。因此，针对这种情况按一定条件滤除某些尺度的IMF分量，这样就在可以在保证可见光信号完整性的前提下，有效抑制和消除背景光噪声，具体可以表示为：

根据小波去噪理论，这里给出的消噪阈值为：

其中，σ表示第i层IMF的噪声水平，MADi表示第i层IMF的绝对中值偏差：

则第i层IMF的估计硬阈值方法为：

软阈值方法为：

综上所述，基于EMD的太阳光光信号抑制技术可以按照如下步骤进行：

①将接收到的含太阳光噪光的可见光信号进行经验模态分解，可以得到各阶IMF分量；②根据太阳光噪声的特征，使用EMD时频滤波器或硬(软)阈值方法对IMF分量进行噪声抑制；③根据处理后的IMF分量重建信号，最终得到消噪后的可见光信号。计算流程如图4所示。

图4 基于EMD的光信号消噪计算流程

4 实验结果分析

我们使用实测太阳光信号来验证Hilbert-Huang去噪方法的有效性。图3已经给出太阳光噪声信号的功率谱分布特性。不难看出，尽管在0～200Hz频段上太阳光噪声呈现出某些宽带特性，但是在0～200kHz频段上，其能量的集中度仍非常高。与人造光源噪声形成了鲜明对比，适合于使用Hilbert-Huang方法进行处理。晴朗天气条件下，太阳光信号实测数据的时域波形，EMD分解和Hilbert谱分别如图5、图6和图7所示。采用阈值降噪方法，消除低频噪声后的信号功率谱如图8所示。

图5 实测的太阳光背景噪声时域波形（晴朗天气）

图6 IMF分量（晴朗天气）

图7 Hilbert谱（晴朗天气）

图8 使用Hilbert-Huang时频滤波器后的功率谱分布特性（晴朗天气）

5 结束语

本文结合设计搭建背景光噪声测量系统的实验测量数据，详细分析了可见光信道中太阳光背景噪声特性，提出了一种新型的基于Hilbert-Huang变换的太阳光背景噪声抑制技术。此项技术可以有效地降低太阳光背景噪声对室外可见光通信系统的影响，提高系统的抗干扰能力和稳定性与可靠性。

[1]LONG X,LIAO R,ZHOU J.Development of street lighting system-based novel high-brightness LED modules[J].IET Optoelectronics, 2009,3(1):40-46.

[2]SAMMARCO J J,FREYSSINIER J P,BULLOUGH J D,et al.Technological aspects of solid-state and incandescent sources for miner cap lamps [J].IEEE Transactions On Industry Applications,2009,45(5):1583-1588.

[3]BOROGOVAC T,RAHAIM M B,TUGANBAYEVA M,et al. "Lights-off"visible light communications[C].2011 IEEE Proc,Houston, TX:GLOBECOM Workshops,2011:797-801.

[4]RUFO J,RABADAN J,DELGADO F,et al.Experimental evaluation of video transmission through LED illumination devices[J].Consumer Electronics,IEEE Transactions on,2010,56(3):1411-1416.

[5]RUFO J,DELGADO F,QUINTANA C,et al.Visible light communication systems for optical video transmission[J].Microwave And Optical Technology Letters,2010,52(7):1572-1576.

[6]蔡剑华,汤井田.基于Hilbert-Huang变换的大地电磁信号谱估计方法[J].石油地球物理勘探,2010,45(5):762-767.

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。

深圳市战略新兴产业发展专项资金 （项目编号：JCYJ2015 0401112337177）资助。

权进国（1966-），男，博士研究生，主要从事无线光通信与光电子器件的研究，