CN104579498A - 光子数可分辨的光子计数型通信接收装置 - Google Patents

Abstract

一种光子数可分辨的光子计数型通信接收装置，由依次的接收透镜、干涉滤光片、光电倍增管、放大器、比较器、光子计数器、解调解码器和上位机构成，其特点在于所述的比较器为多级比较器，由2个以上的微功耗比较芯片并联构成，每个微功耗比较芯片各设置一个比较阈值，所述的光子计数器为多光子计数器，本发明不仅兼具了传统单光子计数型通信装置对于弱光响应灵敏度高的优点，还可以显著减少误码率，保证通信的可靠性。

Description

光子数可分辨的光子计数型通信接收装置

技术领域

本发明涉及弱光通信技术领域，特别是一种光子数可分辨的光子计数型通信接收装置及接收方法。

背景技术

自由空间光通信系统由于具有低能量损耗，宽带宽，高保密度等优点已经成为了研究热点。在弱光情况下进行通信时，通信系统的接收端往往采用单光子计数型接收装置，它在弱光环境下，探测灵敏度高。

在自由空间光通信中，信号光和背景光均是服从泊松概率分布，根据统计到的单个码片时间内背景噪声光子数n_b的概率密度单个码片时间内背景噪声光子数和信号光子数之和n_s+n_b的概率密度以及设定的阈值光子数n_t，可以确定有P₁的概率将背景噪声光子信号“0”误判为“1”，将这种情况称为虚警，P₁称为虚警概率。同时还可以确定有P₂的概率将信号“1”误判为“0”，将这种情况称为漏警，P₂称为漏警概率。比特误码率(BER)由虚警概率P₁和漏警概率P₂共同决定，比特误码率为 $\mathrm{BER}=\log [\frac{1}{2}+\frac{1}{2}(\underset{k=0}{\overset{n_t}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e^{(n_s+n_b)}{(n_s+n_b)}^k}{k!}-\underset{k=0}{\overset{n_t}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e^{n_b}{n_b}^k}{k!})].$ 有最佳的n_t取值，当n_t＝n_{t_best}时，比特误码率(BER)会取得最小值，将n_{t_best}称为阈值光子数最佳值。随着背景噪声的增强和信号光的增强，n_{t_best}都会增大，此时为了进一步降低误码率，就必须提高单个码片时间阈值光子数，然而传统单光子计数型接收装置只能分辨单个光子，随着阈值光子数的增高，阈值光子数将逼近传统单光子计数型接收系统单个码片时间能够响应的最大光子数，在这种情况下误码率已不能进一步降低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种光子数可分辨的光子计数型通信接收装置，该装置能提高光子计数型接收装置单个码片时间内能统计的光子数，从而降低接收系统的比特误码率。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种光子数可分辨的光子计数型通信接收装置，由依次的接收透镜、干涉滤光片、光电倍增管、放大器、比较器、光子计数器、解调解码器和上位机构成，其特点在于所述的比较器为多级比较器，由2个以上的微功耗比较芯片并联构成，每个微功耗比较芯片各设置一个比较阈值，所述的光子计数器为多光子计数器，由现场可编程逻辑门阵列构成，该现场可编程逻辑门阵列的t个I/O口作输入端，与所述的多级比较器的t个I/O口对应相连，所述的解调解码器的1个I/O口作输入端与所述的多光子计数器的输出端相连，所述的解调解码器的2个I/O口作输出端口通过串口与上位机相连。

所述的解调解码器由数字信号处理器构成。

上述光子数可分辨的光子计数型通信接收装置进行信号接收的过程是：

1)在发射端没有发射信号时，仅有背景噪声光子到达接收透镜；

2)光信号经过接收透镜、干涉滤光片后到达光电倍增管，光信号经光电倍增管后输出模拟信号，该模拟信号经过放大器放大后输入多级比较器；

3)所述的多级比较器对模拟信号进行多级阈值判断：多级比较器具有多个阈值T₁、T₂、T₃、...、T_t，对输入的模拟信号的峰值电压V_a同时与多个阈值T₁、T₂、T₃、...、T_t比较，其中T₁＜T₂＜T₃...＜T_t，若V_a＜T₁，则多级比较器所有I/O口输出低电平，表示探测到0个光子；若T₁＜V_a＜T₂，则多级比较器第1个I/O口Out₁输出高电平，其他I/O口输出低电平，表示探测到1个光子；若T₂＜V_a＜T₃，则多级比较器第1个和第2个I/O口Out₁,Out₂输出高电平，其他I/O口输出低电平，表示探测到2个光子；若T₃＜V_a＜T₄，则多级比较器第1个，第2个和第3个I/O口Out₁,Out₂,Out₃输出高电平，其他I/O口输出低电平，表示探测到3个光子，......，依此类推，所述的多级比较器的t个I/O口Out₁,Out₂,Out₃...Out_t作输出，分别与所述的多光子计数器输入端的t个I/O口D₁,D₂,D₃...D_t相连；

4)所述的多光子计数器按下列方式进行计数：若D₁,D₂,D₃...D_t均输入低电平，表示探测到0个光子，光子数计0；若D₁输入高电平，D₂,D₃...D_t输入低电平，表示探测到1个光子，光子数计1；若D₁,D₂输入高电平，D₃...D_t输入低电平，表示探测到2个光子，光子数计2；若D₁,D₂,D₃输入高电平，D₄,D₅...D_t输入低电平，表示探测到3个光子，光子数计3；若D₁,D₂,D₃...D_t均输入高电平，表示探测到t个光子，光子数计t；多光子计数器将单个码片时间统计到的光子数输出给所述的解调解码器；

5)所述的解调解码器通过统计单个码片时间内的光子数，得到单个码片时间内的背景噪声光子数n_b；

6)当发射端发射信号时，此时信号光和背景噪声同时到达接收透镜，重复步骤2)-4)，解调解码器通过统计单个码片时间内的光子数，得到单个码片时间内的信号光和背景噪声光子数之和n_s+n_b；

7)所述的解调解码器由n_b和n_s+n_b的信息计算出最佳阈值光子数n_t，使比特误码率最小；解调解码器将阈值光子数设定为n_t，将单个码片时间统计到的光子数n与阈值光子数n_t进行比较，若满足n＞n_t，则将该码片信息判断为“1”，若满足n＜n_t，则将该码片信息判断为“0”；

解调解码器对信号进行解调解码，并将解调解码后的信息送入上位机。

本发明的技术效果：

本发明光子数可分辨的光子计数型通信接收装置，由于可以分辨出多个光子，因此可以成倍地增加单个码片时间内探测到的光子数，从而显著降低激光通信通信的比特误码率。

本发明不仅兼具了传统单光子计数型通信系统对于弱光响应灵敏度高的优点，还可显著减少比特误码率。

附图说明

图1是本发明光子数可分辨的光子计数型通信接收装置结构示意图；

图2是本发明光子数可分辨的光子计数型通信接收装置工作原理示意图；

图3是多级比较器及多光子计数器详示意图；

图4是信号光为90pW时单光子接收装置与可分辨3光子计数型通信接收装置的比特误码率随信噪比变化示意图。

具体实施方式

以下结合具体实例和附图对本发明光子数可分辨的光子计数型通信接收装置及接收方法作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明的装置包括接收透镜1(型号：N-BK7 LA1238厂商：Thorlabs)；干涉滤光片2(型号：FL532-1厂商：Thorlabs)；光电倍增管3(型号：9102B厂商：ET-enterprise)其暗电流为0.05nA，增益为5.6×10⁶；放大器4(型号：AMC1200厂商：Texas Instrument)，其输入电压范围为0～250mV，输出为3～5V可调；请参阅图3，多级比较器5由三颗微功耗比较芯片构成(型号：TLV1702厂商：Texas Instrument)，多光子计数器6由现场可编程逻辑门阵列构成(型号：XC6SLX16-2CSG324I厂商：Xilinx)构成；解调解码器7由数字信号处理器(型号：TMS320C6415厂商：Texas Instrument)构成；上位机由PC机构成(型号：HP100-010cl厂商：HP)。该装置的构成包括：沿入射光方向依次是接收透镜1、干涉滤光片2和光电倍增管3，该光电倍增管3的输出端与放大器4的输入端相连；放大器4输出端的与多级比较器5的输入端相连；多级比较器5的输出端的3个I/O口与多光子计数器6输入端的3个I/O口对应相连；多光子计数器6的输出端与解调解码器7的输入端相连；解调解码器7的输出端与上位机8相连。

请参阅图2，本发明光子数可分辨的光子计数型通信接收装置的工作过程如下：

1)当发射端1没有发射信号时，仅有背景噪声光子到达接收透镜1；

2)光信号经过接收透镜1，干涉滤光片2后到达光电倍增管3前端，光信号经光电倍增管3后输出模拟信号，该模拟信号经过放大器4放大后接入多级比较器5；

3)在多级比较器对模拟信号进行多级阈值判断：多级比较器5具有3个阈值T₁,T₂,T₃，对输入的模拟信号的峰值电压V_a同时与3个阈值T₁,T₂,T₃比较，其中T₁＜T₂＜T₃，若V_a＜T₁，则多级比较器3个I/O口输出低电平，表示探测到0个光子；若T₁＜V_a＜T₂，则多级比较器第1个I/O口Out₁输出高电平，第2个和第3个I/O口Out₂,Out₃输出低电平，表示探测到1个光子；若T₂＜V_a＜T₃，则多级比较器第1个和第2个I/O口Out₁,Out₂输出高电平，第3个I/O口Out₃输出低电平，表示探测到2个光子；若T₃＜V_a，则多级比较器第1个，第2个和第3个I/O口Out₁,Out₂,Out₃全部输出高电平表示探测到3个光子。多级比较器的3个I/O口作输出，分别接入多光子计数器输入端的3个I/O口；

4)多光子计数器6的3个作输入的I/O口D₁,D₂,D₃分别与多级比较器5的3个作输出的I/O口Out₁,Out₂,Out₃对应相连，若D₁,D₂,D₃均输入低电平，表示探测到0个光子，光子数计0；若D₁输入高电平，D₂,D₃输入低电平，表示探测到1个光子，光子数计1；若D₁,D₂输入高电平，D₃输入低电平，表示探测到2个光子，光子数计2；若D₁,D₂,D₃全部输入高电平，表示探测到3个光子，光子数计3。多光子计数器6将单个码片时间统计到的光子数输出给解调解码器7；

5)解调解码器7通过统计单个码片时间内的光子数，得到单个码片时间内的背景噪声光子数n_b。

6)当发射端发射信号时，此时信号光和背景噪声同时到达接收透镜1，重复步骤2-4，解调解码器7通过统计单个码片时间内的光子数，得到单个码片时间内的信号光和背景噪声光子数之和n_s+n_b。

7)解调解码器7由n_b和n_s+n_b的信息计算出最佳阈值光子数n_t，使比特误码率最小。解调解码器7将阈值光子数设定为n_t，将单个码片时间统计到的光子数n与阈值光子数n_t进行比较，若满足n＞n_t，则将该码片信息判断为“1”，若满足n＜n_t，则将该码片信息判断为“0”。

8)解调解码器7对信号进行解调解码，并将解调解码后的信息送入上位机8。

比特误码率(BER)为 $\mathrm{BER}=\log [\frac{1}{2}+\frac{1}{2}(\underset{k=0}{\overset{n_t}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e^{(n_s+n_b)}{(n_s+n_b)}^k}{k!}-\underset{k=0}{\overset{n_t}{\mathrm{\Σ}}}\frac{e^{n_b}{n_b}^k}{k!})],$ 调节不同的阈值光子数n_t，可以改变比特误码率(BER)，当单个码片时间内的背景噪声光子数n_b和单个码片时间内的信号光子数n_s确定后，将有最佳阈值光子数n_{t_best}使比特误码率(BER)最小。随着n_b或者n_s的增大，最佳阈值光子数n_{t_best}将增大。本发明光子数可分辨的光子计数型通信接收装置由于可以分辨多个光子，因此可以成倍地提高光子计数器在单个码片时间内统计的光子数，因此相比于传统单光子接收装置将使比特误码率BER有显著降低。请参阅附图4，本图是信号光为90pW时，单光子接收装置与可分辨3光子计数型通信接收装置的比特误码率随信噪比变化示意图。从附图4可以看出，可分辨3光子计数型通信接收装置相比于传统单光子接收装置在信噪比较低，即背景噪声较大时，误码率有十分明显地降低。

通过最后需要说明的是，具体实施方式中所述的基于光子数可分辨的光子计数型通信接收装置仅用来说明本发明的技术方案而非局限于此例。尽管参照附图给出的实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，例如通过增加或减少多级比较器中的微功耗比较芯片数量来增加或减少多级比较器的阈值个数等，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种光子数可分辨的光子计数型通信接收装置，由依次的接收透镜(1)、干涉滤光片(2)、光电倍增管(3)、放大器(4)、比较器(5)、光子计数器(6)、解调解码器(7)和上位机(8)构成，其特征在于所述的比较器(5)为多级比较器，由2个以上的微功耗比较芯片并联构成，每个微功耗比较芯片各设置一个比较阈值，所述的光子计数器(6)为多光子计数器，由现场可编程逻辑门阵列构成，该现场可编程逻辑门阵列的t个I/O口作输入端，与所述的多级比较器的t个I/O口对应相连，所述的解调解码器(7)的1个I/O口作输入端与所述的多光子计数器的输出端相连，所述的解调解码器(7)的2个I/O口作输出端口通过串口与上位机(8)相连。

2.如权利要求1所述的光子数可分辨的光子计数型通信接收装置，其特征在于，所述的解调解码器(7)由数字信号处理器构成。