CN106788739B - 基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法，该接收装置包括光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器触发电路、单光子探测器、低通滤波器和判决电路，所述单光子探测器为工作于门控模式下的盖革雪崩光电二极管，其输出的是离散的计数脉冲序列，所述低通滤波器用于将单光子探测器输出的离散计数脉冲序列转换为连续的模拟电信号。本发明能够从单光子探测器输出的离散计数脉冲序列中提取出信号比特信息，解决了光子计数通信系统中信号解调问题；降低了通信系统成本和复杂度，提高了无线光通信系统通信距离，可应用于复杂恶劣条件下的应急通信。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信领域，具体涉及一种基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法。
背景技术
无线光通信是以激光为信号载体的无线通信方式，具有传输速率高、抗电磁干扰、方向性好、保密性强、无需频谱许可、无需架设光纤、组网周期短、设备轻便、搭设便捷等优点。由于信道中大气分子和气溶胶粒子对光子的吸收、散射，以及大气湍流导致空气折射率的变化会引起光束随机漂移、光强起伏、光信号衰减严重等现象发生，在远距离通信时存在通信易中断、误码率高、受天气因素制约等缺点。检测弱光信号时信号常常湮没在噪声中，传统的光电探测器无法检测，但同时弱光信号的量子性会在一定程度上表现出来。通常认为在检测弱光信号时，其光子到达服从泊松分布。弱光光子到达探测器时输出不连续的微弱光电流，一般的检测手段很难能够实现信号的识别提取。单光子探测器将光电探测模块的增益增大，将输出的离散电信号加以放大以甄别出光信号。
随着近年来单光子检测技术的迅速发展，单光子探测器广泛应用于深空通信、水下通信、散射通信、量子密钥分发等领域。但单光子探测器不是一种线性探测器，主要依靠弱光光子的量子性，其输出的是离散的计数脉冲，通过统计单位时间内计数脉冲个数来表征光信号强弱。即探测器探测一次只能表征信号的有无，无法表示其大小，只能通过一段时间内输出的总计数值来确定信号大小。因此，如何从单光子探测器输出的计数值中提取信号比特信息成为了利用光子计数技术来探测光信号的关键问题。
美国国家航空与航天局研制了一种火星激光通信演示系统，该系统通过集成多个GM-APD组成单光子探测器阵列，将收集到的信号光平均传送给每个GM-APD。这样就能在单个检测时间内产生多个计数值表征信号强弱。但此种方式需要单光子探测器阵列成本昂贵，且系统复杂。
2012年，Philip A.Hiskett等人通过多次重发的方案，实现了水下基于光子计数的无线光通信。此方案中，利用单个GM-APD检测接收端接收到的光信号。通过在信号前端加上一个同步序列，用于同步收发两端时钟。并且每次重发都要进行时钟同步，所以此方案的通信速率受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法，用于提高接收端探测器的灵敏度，拓展无线光通信的通信距离。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于光子计数的无线光通信接收装置，包括光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器触发电路、单光子探测器、低通滤波器和判决电路；光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器、低通滤波器和判决电路依次连接，单光子探测器触发电路与单光子探测器连接；
所述光学天线用于接收大气中的光信号并将光信号耦合进光纤；所述光滤波器对接收到的光信号进行滤波，滤除通信波长之外的背景光；所述可变衰减器控制进入单光子探测器的光功率大小，以保护单光子探测器；所述单光子探测器对接收到的光信号进行检测并输出计数脉冲；所述单光子探测器触发电路产生门信号触发单光子探测器工作于门控模式；所述低通滤波器用于将单光子探测器输出的离散计数脉冲序列转换为连续的模拟电信号，所述判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号大小，设定判决门限对信号进行判决，得到信号比特信息。
一种基于光子计数的无线光通信接收装置的光信号检测方法，包括如下步骤：
步骤1，光学天线接收大气中的光信号，并将光信号耦合进光纤，传送给光滤波器；
步骤2，光滤波器对接收到的信号进行滤波，滤除大气中的背景光；
步骤3，可变衰减器对光信号进行衰减；
步骤4，单光子探测器触发电路产生固定频率的门信号驱动单光子探测器工作于门控模式下；
步骤5，单光子探测器对接收到的光信号进行检测并输出离散的计数脉冲序列表征光信号大小变化；
步骤6，低通滤波器将单光子探测器输出的离散数字脉冲进行滤波，转换为连续的模拟电信号；
步骤7，判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号大小，设定判决门限进行判决，得到信号比特信息。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)相比于传统的无线光通信系统，本发明利用单光子探测器检测光信号，提高了系统的接收灵敏度，为拓展无线光通信的通信距离，实现复杂恶劣条件下的通信提供了新的解决方案；(2)本发明提出一种利用低通滤波提取接收端信号比特信息的光子计数无线光通信接收装置及检测方法，大大降低了系统成本，同时提高了系统通信速率。
附图说明
图1为本发明基于光子计数的无线光通信接收装置结构示意图。
图2为单光子探测器输出离散计数脉冲序列波形图。
图3为低通滤波器输出模拟电信号波形图。
图4为判决电路判决得到的比特信息波形图。
具体实施方式
一种基于光子计数的无线光通信接收装置，包括光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器触发电路、单光子探测器、低通滤波器和判决电路；光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器、低通滤波器和判决电路依次连接，单光子探测器触发电路与单光子探测器连接；
所述光学天线用于接收大气中的光信号并将光信号耦合进光纤；所述光滤波器对接收到的光信号进行滤波，滤除通信波长之外的背景光；所述可变衰减器控制进入单光子探测器的光功率大小，以保护单光子探测器；所述单光子探测器对接收到的光信号进行检测并输出计数脉冲；所述单光子探测器触发电路产生门信号触发单光子探测器工作于门控模式；所述低通滤波器用于将单光子探测器输出的离散计数脉冲序列转换为连续的模拟电信号，所述判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号大小，设定判决门限对信号进行判决，得到信号比特信息。
进一步的，所述单光子探测器为QCD-300型单光子探测器，包括盖革雪崩光电二极管和比较器；
所述盖革雪崩光电二极管用于对光信号进行检测输出雪崩脉冲，如果接收到光子则输出一个雪崩脉冲给比较器；反之，则不输出雪崩脉冲；
所述比较器用于对雪崩脉冲进行检测，如果接收到雪崩脉冲，则输出一个计数脉冲；反之，则不输出计数脉冲。
进一步的，所述光滤波器为1550nm的光纤滤波器。
进一步的，所述单光子探测器触发电路产生频率为20MHz的门信号触发单光子探测器工作于门控模式下。
本发明还提供一种基于光子计数的无线光通信接收装置的光信号检测方法，包括如下步骤：
步骤1，光学天线接收大气中的光信号，并将光信号耦合进光纤，传送给光滤波器；
步骤2，光滤波器对接收到的信号进行滤波，滤除大气中的背景光；
步骤3，可变衰减器对光信号进行衰减，使进入单光子探测器的光功率在安全范围之内；
步骤4，单光子探测器触发电路产生固定频率的门信号驱动单光子探测器工作于门控模式下；
步骤5，单光子探测器对接收到的光信号进行检测并输出离散的计数脉冲序列表征光信号大小变化；
步骤6，低通滤波器将单光子探测器输出的离散数字脉冲进行滤波，转换为连续的模拟电信号；
步骤7，判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号大小，设定判决门限进行判决，得到信号比特信息。
进一步的，步骤5具体为：
步骤5-1：盖革雪崩光电二极管对接收到的光信号进行检测并输出雪崩脉冲表征接收到光子；
步骤5-2：比较器对雪崩脉冲进行检测，如果检测到雪崩脉冲则输出一个计数脉冲；反之，则不输出计数脉冲。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
结合图1，本发明的装置包括光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器触发电路、单光子探测器、低通滤波器和判决电路。
光学天线接收大气中的光信号并将其耦合进光纤传送给光滤波器；
光滤波器对接收到的光信号进行滤波，滤除大气中的背景光，并将滤波之后的光信号传送给可变衰减器；
可变衰减器对光信号进行衰减，使其处于单光子探测器的安全光功率之内；
单光子探测器触发电路产生频率为20MHz的门信号，驱动单光子探测器工作于门控模式下；
单光子探测器对光信号进行检测并输出离散的计数脉冲序列表征光信号大小，输出波形如图2所示。其具体过程为：盖革雪崩光电二极管对接收到的光信号进行探测，并将雪崩脉冲传送给比较器；比较器判决是否接收到雪崩脉冲，如果接收到雪崩脉冲，则输出一个计数脉冲；反之，则不输出计数脉冲；
低通滤波器将单光子探测器输出的离散计数脉冲序列进行滤波，输出连续的模拟电信号给判决电路，其输出波形如图3所示；
判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号与判决门限相比较，判决得到信号比特信息，其输出波形如图4所示。
具体的判决算法如下：
由于弱光光子到达服从泊松分布，则在t1-t2时间间隔内产生k个光电子的概率为：
其中，K(t1,t2)为在t1-t2时间间隔内产生的平均光电子数。
定义单位时间内的信号光子到达速率为λs、背景光子到达速率为λb、暗计数率为λd、开门时间为tw、探测器量子效率为η，可得单个门内产生的平均光电子数为：
K(0,tw)＝(ηλs+ηλb+λd)tw (2)
只要单光子探测器在单个门内接收到光子，并在其内部产生至少一个光电子，就能产生计数脉冲输出。则单个门内无计数脉冲输出的概率和有计数脉冲输出的概率分别为：
P0＝exp[-K(0,tw)]
P1＝1-P0＝1-exp[-K(0,tw)] (3)
探测器在探测‘0’比特时，接收端只有背景光子和暗计数，则此时单个门内无计数脉冲输出的概率和有计数脉冲输出的概率分别为：
P00＝exp[-(ηλs+λd)tw] (4)
P01＝1-exp[-(ηλs+λd)tw] (5)
同理，探测器在探测‘1’比特时，接收端有信号光子，背景光子和暗计数，探测‘1’比特时单个门内无计数脉冲输出的概率和有计数脉冲输出的概率分别为：
P10＝exp[-(ηλs+ηλb+λd)tw] (6)
P11＝1-exp[-(ηλs+ηλb+λd)tw] (7)
定义比特时间内探测器开门次数为n，比特时间内所有门的输出可以看成是n次独立重复试验，所有门的总计数值服从二项分布B～(n,p)。由以上分析，可得探测‘0’比特时，比特时间内输出总计数值m的概率质量函数为：
同理探测‘1’比特时，比特时间内输出总计数值m的概率质量函数为：
根据计算，可得当判决门限kth为Pa(m)与Pb(m)两条曲线的交点坐标时，可使系统误码率达到最低，即Pa(m)与Pb(m)大小相等时。
将计数脉冲序列经过低通滤波器之后的波形为连续的模拟电信号，其为各个时刻上相邻n个门输出的计数脉冲电压大小V与产生计数脉冲概率之积，即某时刻上输出计数脉冲电压大小的期望值。通过计算可得最佳判决门限表达式为：
根据推导出的最佳判决门限表达式(10)可在判决电路中设定最佳的判决门限进行判决，使系统误码率达到最低。
相比于传统的技术本发明拥有更高的探测灵敏度，在远距离强衰减条件下拥有广阔的应用前景。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (7)
1.一种基于光子计数的无线光通信接收装置，其特征在于，包括光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器触发电路、单光子探测器、低通滤波器和判决电路；光学天线、光滤波器、可变衰减器、单光子探测器、低通滤波器和判决电路依次连接，单光子探测器触发电路与单光子探测器连接；
所述光学天线用于接收大气中的光信号并将光信号耦合进光纤；所述光滤波器对接收到的光信号进行滤波，滤除通信波长之外的背景光；所述可变衰减器控制进入单光子探测器的光功率大小，以保护单光子探测器；所述单光子探测器对接收到的光信号进行检测并输出计数脉冲；所述单光子探测器触发电路产生门信号触发单光子探测器工作于门控模式；所述低通滤波器用于将单光子探测器输出的离散计数脉冲序列转换为连续的模拟电信号，所述判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号大小，设定判决门限对信号进行判决，得到信号比特信息。
2.根据权利要求1所述的基于光子计数的无线光通信接收装置，其特征在于，所述单光子探测器包括盖革雪崩光电二极管和比较器；
所述盖革雪崩光电二极管用于对光信号进行检测输出雪崩脉冲，如果接收到光子则输出一个雪崩脉冲给比较器；反之，则不输出雪崩脉冲；
所述比较器用于对雪崩脉冲进行检测，如果接收到雪崩脉冲，则输出一个计数脉冲；反之，则不输出计数脉冲。
3.根据权利要求1所述的基于光子计数的无线光通信接收装置，其特征在于，所述光滤波器为1550nm的光纤滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于光子计数的无线光通信接收装置，其特征在于，所述单光子探测器触发电路产生频率为20MHz的门信号触发单光子探测器工作于门控模式下。
5.一种基于光子计数的无线光通信接收装置的光信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，光学天线接收大气中的光信号，并将光信号耦合进光纤，传送给光滤波器；
步骤2，光滤波器对接收到的信号进行滤波，滤除大气中的背景光；
步骤3，可变衰减器对光信号进行衰减；
步骤4，单光子探测器触发电路产生固定频率的门信号驱动单光子探测器工作于门控模式下；
步骤5，单光子探测器对接收到的光信号进行检测并输出离散的计数脉冲序列表征光信号大小变化；
步骤6，低通滤波器将单光子探测器输出的离散数字脉冲进行滤波，转换为连续的模拟电信号；
步骤7，判决电路根据低通滤波器输出的模拟电信号大小，设定判决门限进行判决，得到信号比特信息。
6.根据权利要求5所述的基于光子计数的无线光通信接收装置的光信号检测方法，其特征在于，所述单光子探测器包括盖革雪崩光电二极管和比较器，步骤5具体为：
步骤5-1：盖革雪崩光电二极管对接收到的光信号进行检测并输出雪崩脉冲表征接收到光子；
步骤5-2：比较器对雪崩脉冲进行检测，如果检测到雪崩脉冲则输出一个计数脉冲；反之，则不输出计数脉冲。
7.根据权利要求5所述的基于光子计数的无线光通信接收装置的光信号检测方法，其特征在于，步骤7中门限判决的具体过程为：
由于弱光光子到达服从泊松分布，则在t1-t2时间间隔内产生k个光电子的概率为：
其中，K(t1,t2)为在t1-t2时间间隔内产生的平均光电子数；
定义单位时间内的信号光子到达速率为λs、背景光子到达速率为λb、暗计数率为λd、开门时间为tw、探测器量子效率为η，得到单个门内产生的平均光电子数为：
K(0,tw)＝(ηλs+ηλb+λd)tw (2)
单个门内无计数脉冲输出的概率和有计数脉冲输出的概率分别为：
P0＝exp[-K(0,tw)]
P1＝1-P0＝1-exp[-K(0,tw)] (3)
探测器在探测‘0’比特时，接收端只有背景光子和暗计数，则此时单个门内无计数脉冲输出的概率和有计数脉冲输出的概率分别为：
P00＝exp[-(ηλb+λd)tw] (4)
P01＝1-exp[-(ηλb+λd)tw] (5)
同理，探测器在探测‘1’比特时，接收端有信号光子，背景光子和暗计数，探测‘1’比特时单个门内无计数脉冲输出的概率和有计数脉冲输出的概率分别为：
P10＝exp[-(ηλs+ηλb+λd)tw] (6)
P11＝1-exp[-(ηλs+ηλb+λd)tw] (7)
定义比特时间内探测器开门次数为n，比特时间内所有门的输出看成是n次独立重复试验，所有门的总计数值服从二项分布B～(n,p)；可得探测‘0’比特时，比特时间内输出总计数值m的概率质量函数为：
同理，探测‘1’比特时，比特时间内输出总计数值m的概率质量函数为：
当判决门限kth为Pa(m)与Pb(m)两条曲线的交点坐标时，系统误码率达到最低，即Pa(m)与Pb(m)大小相等时；
将计数脉冲序列经过低通滤波器之后的波形为连续的模拟电信号，其为各个时刻上相邻n个门输出的计数脉冲电压大小V与产生计数脉冲概率之积，即某时刻上输出计数脉冲电压大小的期望值； 通过计算可得最佳判决门限表达式为：
根据最佳判决门限表达式(10)在判决电路中设定最佳的判决门限进行判决。
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