CN107147443B - 一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，属于深空激光通信领域。首先由N个光子探测器对经过信道传输后的PPM信号进行探测，其次测量各支路信号每个光子到达时间并完成各支路信号的合并，然后进行定时误差估计，根据估计的初始相偏和频偏对合成信号进行PPM时隙数据恢复，最后解调输出。本发明通过测量光子到达时间实现PPM时隙同步从而进一步实现解调，采用开环同步方式来代替锁相环、早迟门的闭环时钟同步方式实现时隙同步，阵列信号合成方法简单，易于实现，误码率低，精度较高。

Description

一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法

技术领域

本发明属于深空激光通信领域，涉及一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法。

背景技术

激光通信具有容量大、功耗低、天线尺寸小等诸多优势，在远距离空间通信中极具发展前景。在深空激光通信中，为降低对发射激光功率的要求，脉冲位置调制(PulsePosition Modulation,PPM)和光子探测器阵列是普遍认可的两项关键技术。

相比传统开关键控(On-OffKeying,OOK)调制方式，PPM调制具有能量效率高和抗干扰能力强等优点，它通过展宽信号带宽来降低对信号能量的要求。

光子探测器可探测单个入射光子，入射光子激发的一个电子经过极大倍数的放大后输出一个强电脉冲，其探测灵敏度远高于传统的雪崩光电二极管(APD)，也高于前置光放大器或相干光探测方式。其主要缺点是一次探测只能分辨一个光子，一般较长的恢复时间后才能探测下一个光子，因此器件重复频率较低。解决光子探测器重复频率低这个缺点的主要方法是采用阵列技术，接收机由多个光子探测器组成阵列，各子探测单元独立工作，当其中一部分探测单元处于恢复状态时，另一些探测单元可能正好处于工作状态，这种方式可显著提高探测频率，并可利用阵列分集接收特性抑制各种衰落的影响。

时隙同步是PPM调制解调系统的一项关键技术，同步系统建立不起来，解调就无从谈起。一般PPM时隙同步主要以闭环跟踪的锁相环、早迟门方式为主，这种闭环时钟同步方式由于需要进行闭环跟踪，系统不可避免的比较复杂，当采用阵列接收时更加复杂。对于采用阵列接收时的闭环时钟传统方案来说都有其各自的缺点，若采用单路信号跟踪时，各支路信号比较弱，难以实现时隙同步；若采用各支路信号协同跟踪时，系统又太过复杂。为此，设计出无需闭环跟踪的结构简单的时隙同步方法具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数字信号处理的开环同步方式来代替锁相环、早迟门的闭环时钟同步方式实现时隙同步，阵列信号合成方法简单且易实现。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，包括以下步骤：

S1：利用N个光子探测器对经过信道传输后的信号进行探测，将测量得到的各路信号中每个光子到达时间转换成对应的时隙信息数据；

S2：相关及合并各支路信号；

S3：根据相关得到的时隙位置偏移值将各路信号的计数值对齐并进行定时误差估计；

S4：根据估计的初始相偏和频偏对合成信号进行PPM时隙数据恢复；

S5：解调输出。

进一步，所述各路信号中每个光子到达时间测量方法为：每个光子经过光子探测器后产生一个脉冲信号，每路信号分别用一个计数器进行计数，通过检测各个脉冲上升沿的方式测量得到各支路光子到达时间，并将测量所得数据进行存储。

进一步，所述步骤S2具体为：对N路阵列信号按信号强弱顺序从高到低进行排序，将前两路最强的信号进行相关，最大相关值的出现位置即为时隙对齐位置，将两路信号时隙对齐后，通过“和”合并方式合并成一路信号；将合并的信号再与剩下的最强的信号进行相关并合并；以此类推，将N路阵列信号合并成一路信号。

进一步，所述定时误差估计适用于其中M≥2，f_c为计数器计数频率，f_s为时隙频率；具体步骤如下：

S301：初始设定一组各支路信号的初始相偏和频偏，分别记为ε₀、γ_de；

S302：将ε₀、γ_de带入各支路计数值修正公式t_h2,N＝[t_h1,N×(1+γ)+ε]，式中，t_h1,N表示各支路对齐计数值，t_h2,N表示各支路修正后计数值，[]表示按四舍五入取整；

S303：计算各支路修正后计数值在对应时隙的偏移量Δt，Δt＝(t_h2,N-M×[t_h2,N/M])/M；

S304：将时隙位置按照f_c和f_s的关系均匀分成M个点，统计步骤S303所得的各支路偏移量Δt中分别对应M个点的光子数个数，将每个点对应的各支路统计光子数分别进行求和，根据统计数据画出统计直方图；

根据步骤S304中所得到的统计直方图，区分计数器计数时钟与发送端时隙时钟同步及不同步的情况，将均方误差或者标准差作为不同ε和γ情况下同步程度的衡量标准；

S305：计算十个点的均方误差MSE或标准差σ(X)，式中，n_i表示各个点对应的光子数，y_i表示100组计数时钟与发送端时钟同步情况下各个点对应的光子数的均值；式中，x_i表示不同时隙位置的点，n_i表示各个点对应的光子数；

S306：设定ε、γ的搜索范围，对ε、γ进行二维搜索，重复步骤S302至步骤S305，得到不同ε、γ对应的均方误差或标准差；

S307：查找步骤S306所有搜索值中对应均方误差或标准差的最小值，最小均方误差或最小标准差所对应的一组ε、γ即初始相偏和频偏估计值ε_g、γ_g。

本发明的有益效果在于：

(1)相比较传统的采用锁相环、早迟门闭环时钟同步方式实现时隙同步的方法，本发明采用基于光子到达时间测量的光子探测阵列信号的时隙同步方法不需要闭环跟踪，系统结构更简单。

(2)本发明将各支路信号按信号强弱性顺序进行排序可以提高合并信号的可靠性，采用对齐后的各路信号求“和”作为阵列接收机的输出的阵列接收方式可有效抑制光子探测器死时间及各种干扰衰落，降低系统误码率。

(3)本发明根据计数时钟与发送端PPM时隙时钟在同步及不同步的情况下，由光子到达时间的计数值偏移量画出的统计直方图会有明显的区别来进行定时误差估计，方法简单易实现，且估计精度高。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明总体结构示意图；

图2为光子探测阵列信号合成结构原理图；

图3为定时误差估计流程图；

图4为某支路计数值修正后在对应时隙偏移量的实例图；

图5为f_c/f_s＝10时，不同ε和γ对应计数值偏移量的统计直方图；

图6为f_c/f_s＝2时，不同ε和γ对应计数值偏移量的统计直方图；

图7为f_c/f_s＝10时，按均方误差和标准差同步方式解调与理想同步解调得到的误码率对比图；

图8为f_c/f_s＝2时，按均方误差和标准差同步方式解调与理想同步解调得到的误码率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供了一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，为了更好的说明该方法的实施方案，将整个光PPM信号调制解调系统进行说明，对众所周知的功能结构不必要的描述在此被略去。本发明结构总体示意图如图1所示，该方法的实施方案如下：

发射端首先将二进制数据进行信道编码，可采用SCPPM、LDPC、Turbo等编码方案，然后将编码后的数据送入PPM调制系统，产生PPM波形并成帧，并由激光器将数据发出，使其在空间信道中传输。

接收端通过阵列接收机对信号进行接收。阵列接收机有N个光学天线，N个光子探测器分别与每个子光学天线收集的光信号经过耦合，将光子探测器输出的N路电信号送入光子到达时间测量单元，测量各支路信号每个光子到达时间。

每个光子经过光子探测器后产生一个脉冲信号，每路信号分别用一个计数器进行计数，通过检测各个脉冲上升沿的方式测量得到各支路光子到达时间。测量原理如下：当检测到第一个脉冲上升沿时，计数器从零开始计数，当检测到第二个脉冲上升沿时，把此刻的计数值存储，计数器不停，当检测到第三个脉冲上升沿时，把新的计数值存储，依次将各个计数值按顺序进行存储，最后将存储的各个计数值通过串口发送出来。N个计数器对N路光PPM阵列信号每个脉冲上升沿的时间测量后，分别得到N路信号各个光子到达时间的测量数据，将其转换成对应的时隙信息数据并送入信号合成单元，完成各支路信号合并。

由于各支路信号来自不同的天线，各路信号之间存在时隙偏差，各支路信号要先实现起始时隙位置对齐，然后进行信号合并。因PPM信号是由同一发射机发出的，故各支路信号的PPM有用信号之间是完全相关的，且噪声之间不具有相关性。根据上述特点，利用各支路信号之间的相关性搜索同步位置进行时隙对齐。

为了提高合并信号的可靠性，首先将N路时隙信息序列根据信号强弱性顺序从高到低进行排序，可以通过统计各支路信号‘1’的个数进行信号强弱性的判断，‘1’最多的支路信号最强。如图2所示，经过排序后的N路信号分别用x₁(k),x₂(k),x₃(k),…,x_N(k)表示。先将前两路信号x₁(k),x₂(k)进行相关，根据相关性搜索同步位置，最大相关值的出现位置即为时隙对齐位置，相关公式表示为：

式中，i表示x₂(k)的原位置调整到时隙对齐位置偏移值，L表示相关长度。

将时隙位置对齐后的两路信号通过“和”合并方式合并成一路信号，合成信号C_1,2(k)表示为：

C_1,2(k)＝x₁(k)+x₂(k+i)

将合并后的信号C_1,2(k)与第三路信号x₃(k)进行相关，搜索其同步位置，根据相关值最强对齐时隙位置,然后将时隙位置对齐后的两路信号通过“和”合并方式合并成一路新的信号C_1,2,3(k)。

按照上述思路，将剩余各支路信号利用相关性搜索同步位置对齐时隙起始位置，将时隙对齐后的信号通过“和”合并方式最终合并成一路信号，最终合成信号C_1,2,…,N(k)表示为：

C_1,2,…N(k)＝x₁(k)+x₂(k+i)+…+x_N(k+m)

式中，i,…,m取值分别为x₂(k),…,x_N(k)的原位置调整到时隙对齐位置偏移值。

根据各支路时隙对齐位置偏移值i,…,m调整各支路光子到达时间的计数值，得到N路对齐后的计数数据，各支路起始时隙位置调整公式表示为：

t_h1,n＝[t_q,n+τ_n]

式中，t_q,n表示各支路起始时隙位置未调整计数值，t_h1,n表示各支路时隙位置对齐计数值，n表示各支路信号，n取2,…,N，τ_n表示各支路信号对应时隙对齐位置偏移值，τ₂,…,τ_n分别取i,…,m。

将N路对齐后的计数数据t_h1,n送入定时误差估计单元，进行定时误差估计。接收端由于采用异步时钟计数方式实现时隙同步及数据恢复，假设未知的初始相偏和频偏分别表示为ε和γ，通过估计各支路信号的初始相偏ε及频偏γ得到定时误差信息。由于接收端采用同一个时钟进行计数，故各支路信号频偏γ相同。

信号在信道中传输，会受到各种信道特性的影响，如探测器的响应特性、大气湍流、多普勒效应等很多因素都会引起探测到的脉冲信号时先时后，即引起时延抖动。此方案中假定光子探测器探测到的光子到达时间的时延抖动模型服从高斯分布。

图3为定时误差估计流程图，M＝10，其具体步骤如下：

步骤一：初始设定一组各支路信号的初始相偏和频偏，分别记为ε₀、γ_de。

步骤二：将ε₀、γ_de带入各支路计数值修正公式，修正公式为：

t_h2,n＝[t_h1,n×(1+γ)+ε]

式中，t_h2,n表示各支路修正后计数值，[]表示按四舍五入取整。

步骤三：计算各支路修正后计数值在对应时隙的偏移量Δt，Δt计算公式为：

Δt＝(t_h2,n-10×[t_h2,n/10])/10

图4为某支路修正前后计数值及偏移量的实例图，可以按照图中所示方式得到各支路的修正计数值及偏移量。

步骤四：将时隙位置按照[-0.5:0.1:0.4](单位：slot)分成10个点，统计步骤三所得的各支路偏移量Δt中分别对应10个点的光子数个数，将各支路对应10个点的光子数个数分别进行求和，根据统计数据画出统计直方图。

步骤五：计算这十个点的均方误差MSE或标准差σ(X)，MSE和σ(X)计算公式分别为：

式中，n_i表示各个点对应的光子数，y_i表示100组计数时钟与发送端时钟同步情况下各个点对应的光子数的均值。

式中，x_i表示不同时隙位置的点，n_i表示各个点对应的光子数。

步骤六：假定计数时钟频偏误差在±20ppm范围内，其中1ppm表示1×10^-6，设定ε、γ的搜索范围，此处ε取[-0.5:0.1:0.4](单位：slot)，γ取[-20:1:20](单位：ppm)，在该网格范围内进行二维搜索，重复步骤二至步骤四，得到不同ε、γ对应的均方误差或标准差。

步骤七：查找步骤五中不同搜索值对应均方误差或标准差的最小值，最小均方误差或最小标准差所对应的一组ε、γ即初始相偏和频偏估计值ε_g、γ_g。

假定实际值γ＝5ppm,ε＝0.2slot，按不同的搜索值修正计数值后得到的统计直方图如图5所示。从图中可以看出，当搜索值与实际值相同时，其各支路偏移量Δt的统计数据与理想同步情况下的统计数据相一致；当频偏搜索值偏离实际值时，其统计数据与之区别明显。

当M＝2时，按不同的搜索值修正计数值后得到的统计直方图如图6所示，由于与M＝10时思路一致，在此不进行单独说明。

在完成各支路PPM时隙信号定时误差估计后，进行PPM时隙数据的恢复，即根据ε_g、γ_g对C_1,2,…,N(k)进行频率和初始相位的调整，从而实现PPM信号的时隙同步。

对于已经实现同步的合成信号按一个时隙作为一组分别求和，并将其转换成似然比的形式，然后将似然比送给译码器进行译码，最后输出。

对M＝10和M＝2情况下按照本发明的同步方式解调得到的误码性能进行仿真。如图7所示，当M＝10时，按标准差同步方式和均方误差同步方式解调得到的误码性能与理想同步方式解调得到的误码性能相比有所损失但该损失很小，可忽略；如图8所示，当M＝2时，按标准差同步方式和均方误差同步方式解调得到的误码性能与理想同步方式解调得到的误码性能相比约有0.25dB的损失。这是由计时器精度不足引起的，采用更高的计时器精度可适当提高误码性能。但总的来说，当M≥2时，本发明提出的信号合成及同步方案是可行的，能正确解调出信息。

综上所述，相比较传统的采用锁相环、早迟门这种闭环时钟同步方式实现时隙同步的方法，基于光子到达时间测量的光PPM阵列信号时隙同步方法无需闭环跟踪且系统结构简单；所提供的阵列信号合成方法可有效抑制光子探测器死时间及各种干扰衰落，并可以降低系统误码率；所提供的定时误差估计方法简单易实现，且估计精度高，因此本发明方案具有重要意义。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：利用N个光子探测器对经过信道传输后的信号进行探测，将测量得到的各路信号中每个光子到达时间转换成对应的时隙信息数据；

S2：相关及合并各支路信号；

S3：根据相关得到的时隙位置偏移值将各路信号的计数值对齐并进行定时误差估计；

S4：根据估计的初始相偏和频偏对合成信号进行PPM时隙数据恢复；

S5：对于已经实现同步的合成信号按一个时隙作为一组分别求和，并将其转换成似然比的形式，然后将似然比送给译码器进行译码，最后输出译码后的数据。

2.根据权利要求1所述的一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，其特征在于：所述各路信号中每个光子到达时间测量方法为：每个光子经过光子探测器后产生一个脉冲信号，每路信号分别用一个计数器进行计数，通过检测各个脉冲上升沿的方式测量得到各支路光子到达时间，并将测量所得数据进行存储。

3.根据权利要求1所述的一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：对N路阵列信号按信号强弱顺序从高到低进行排序，将前两路最强的信号进行相关，最大相关值的出现位置即为时隙对齐位置，将两路信号时隙对齐后，通过“和”合并方式合并成一路信号；将合并的信号再与剩下的最强的信号进行相关并合并；以此类推，将N路阵列信号合并成一路信号。

4.根据权利要求1所述的一种光子探测阵列信号的合成及开环同步方法，其特征在于：所述定时误差估计适用于其中M≥2，f_c为计数器计数频率，f_s为时隙频率；具体步骤如下：

S301：初始设定一组各支路信号的初始相偏和频偏，分别记为ε₀、γ_de；

S302：将ε₀、γ_de带入各支路计数值修正公式t_h2,N＝[t_h1,N×(1+γ)+ε]，式中，t_h1,N表示各支路对齐计数值，t_h2,N表示各支路修正后计数值，[]表示按四舍五入取整；

S303：计算各支路修正后计数值在对应时隙的偏移量Δt，Δt＝(t_h2,N-M×[t_h2,N/M])/M；

S304：将时隙位置按照f_c和f_s的关系均匀分成M个点，统计步骤S303所得的各支路偏移量Δt中分别对应M个点的光子数个数，将每个点对应的各支路统计光子数分别进行求和，根据统计数据画出统计直方图；

根据步骤S304中所得到的统计直方图，区分计数器计数时钟与发送端时隙时钟同步及不同步的情况，将均方误差或者标准差作为不同ε和γ情况下同步程度的衡量标准；

S305：计算十个点的均方误差MSE或标准差σ(X)，式中，n_i表示各个点对应的光子数，y_i表示100组计数时钟与发送端时钟同步情况下各个点对应的光子数的均值；式中，x_i表示不同时隙位置的点，n_i表示各个点对应的光子数；

S306：设定ε、γ的搜索范围，对ε、γ进行二维搜索，重复步骤S302至步骤S305，得到不同ε、γ对应的均方误差或标准差；

S307：查找步骤S306所有搜索值中对应均方误差或标准差的最小值，最小均方误差或最小标准差所对应的一组ε、γ即初始相偏和频偏估计值ε_g、γ_g。