CN107864031A - 一种适用于m阶ppm调制的单光子通信的同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法。本发明提出的同步方法包括时隙同步方法、时钟同步方法和帧同步方法。包括步骤：1).读取原始数据；2).添加帧同步码；3).M阶PPM调制；4).添加时隙同步头；5).激光器调制；6).单光子探测；7).时隙同步；8).时钟同步；9).帧同步；10).激光器解调；11).M阶PPM解调。本发明能够有效降低自然光噪声对通信质量的影响，同时还能解决由于接收端和发送端时钟相位不同步而导致的接收数据错误。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法，具体涉及信噪比较低、通信信号能量低情况下单光子同步方法。
背景技术：
自由空间长距离光通信中，由于长距离光能量衰减和激光器发射功率限制。在接收端，到达探测器的光强度只有光子级别。同时，由于暗计数的影响，探测器接收到的信号往往会埋没在噪声中。此时，需要单光子同步技术来实现通信同步。在同步成功后，再利用SCPPM解码算法还原信号，能大大提高通信成功率。SCPPM单光子通信同步方法包含时隙同步、帧同步和时钟同步三个步骤。
目前，常用的时隙同步和帧同步采用最大似然比算法，该方法存在计算量大，不易实现的特点。常用的时钟同步方法采用PPL锁相环方法实现，存在实现复杂的特点。
发明内容：
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明采用了一种同步方法，该方法包含时隙同步、时钟同步和帧同步三个步骤。具有实现简单，运行时间短的特点。
本发明的技术方案如下:
根据本发明的一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法，其实验装置由发射控制器、激光器驱动器、激光器、发射光路、通道、接收光路、单光子探测器和接收处理器构成。其步骤包括:
1).发射控制器读取原始硬盘数据data00；原始数据可以为科学实验数据、文本、图像、语音、视频等。
2).在data00前添加帧同步码，帧同步码长度为Xbit，合并后的数据为data01；其中，X表示帧同步码长度。
自相关性强的同步码具备如下特性。
式中，t为整数，表示i,j偏移量，i,j为帧同步码位置序号,x(i),x(j)为在位置i,j时帧同步码取值。X表示帧同步码长度。f(i,j)为x(i)和x(j)乘加和。当t＝0时，f(i,j)取值最大；当t≠0时，f(i,j)取值快速减小；当i＝j时，f(i,j)取值最大；当i≠j时，f(i,j)取值快速变小。
3).根据M阶PPM调制方式调制数据data01，得到数据data02。M阶PPM调制中，M取值范围为其中N0为正整数。调制过程描述如下:
调制将长度为N0的符号转化成一个长度为M的PPM符号序列，长度为M的PPM符号中只有一个时隙存在高电平有效信号。符号值所表示的十进制数即为信号在M序列的位置。
4).在data02数据前添加时隙同步头，为了区别出调制数据，时隙同步头为连续M2个时隙有光脉冲信号，添加时隙头后的数据记为data03。其中，M2表示时隙同步头长度且M2>M；
5).对data03进行激光器信号调制，激光器调制时，设置激光器工作频率为f0Hz，时隙频率f0/N Hz。此时，一个时隙占用N个有效信号，编号0～N-1。在调制时隙同步信号时，将时隙头信号调制到编号0。在调制PPM信号时，将PPM信号调制到编号(N/2)取整数部分。
6).单光子探测器实时监测光路信号，单光子探测器工作频率与步骤5)中激光器工作频率一致，工作频率为f0Hz。单光子探测器记录时隙中连续高脉冲的个数。其中f0为激光器工作频率。
7).当步骤6)中高脉冲个数超过阈值M3时，记为接收到时隙同步头，同时表明通信开始。否则，重复步骤6),继续监听光路信号。当通信开始时，接收端开始存储通信数据，记为recv00。其中M3表示高脉冲个数。阈值取值可根据实验环境进行调整。一般阈值M3<M2且M3>4。时隙同步头信号如图2所示。
8).在步骤5)中，激光器调制时，PPM信号在编号为(INT)(N/2)的位置进行调制，其中(INT)(N/2)表示(N/2)取整数部分。利用信号在序列中的位置可以实现时钟同步，对数据recv00进行时钟同步处理后得到数据recv01；此过程称为时钟同步。为了有效降低噪声的干扰，在时钟同步时，当检测到信号脉冲连续多次出现位置为(INT)(N/2)-1时，则表明接收时钟和发送时钟出现漂移。此时，将后续数据右移，后续信号脉冲将继续出现在位置(INT)(N/2)处；同理，当检测到信号脉冲连续多次出现位置为(INT)(N/2)+1时，则表明接收时钟和发送时钟出现漂移。此时，将后续数据左移，后续信号脉冲将继续出现在位置(INT)(N/2)处。
9).根据自相关算法校验数据recv01，查找到帧同步码，提取取出同步码后的数据recv02。同步时,将同步码与接收数据按照以下公式进行计算。计算结果与阈值比较，超过阈值则匹配成功；否则,继续进行下一组匹配。
式中，i为帧同步码位置序号；j为接收数据位置序号；x(i)为位置在i时帧同步码取值；y(j)为位置为j时接收数据取值；f(x,y)为帧同步码乘加和。t为求取f(x,y)时第一个接收数据所在的位置；Nx为同步码长度；Ny为一次通信包含的帧个数。
10).激光器信号解调，根据步骤5)调制方式，对数据recv02解调得到数据recv03；
11).M阶PPM信号解调，经过了时隙同步、时钟同步和帧同步后，M个时隙能够准确的排列在一个PPM符号内。此步骤对数据recv03直接提取PPM符号，得到数据recv04。对比数据data00和数据recv04。得到误码率。
本发明有如下有益效果：
1.时隙同步方法能同时起到标志通信开始和同步时隙的作用。
2.帧同步方法和时钟同步方法采用数字实现，计算量小，实现简单。
附图说明：
图1是单光子通信同步流程。
图2是时隙同步头信号时序图。
图3是时隙同步流程图。
图4是时钟同步流程图。
图5是帧同步流程图。
图6是M阶PPM单光子通信系统实验装置示意图。
具体实施方式：
下面根据图1至图6给出本发明的实施例，并予以详细描述，以便更好的说明本发明的方法特点和功能，更易于理解本发明，而不是用来限定本发明的范围。
本发明是一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法。本发明按照图6，搭建实验环境。本实例参考图1所示的工作流程。
本实例在使用SCPPM编解码算法实现单光子通信，相关参数实例化如表格1所示。
表格1实例参数
1)发射控制器读取实验原始数据。本实例读取图像数据，将数据转换成二进制模式，数据记录为data00.
2)发射控制器对数据data00添加帧同步码，数据记录为data01。帧同步码采用
431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141431141,
3)发射控制器对数据data01完成4阶PPM调制，数据记为data02。按照每2bit为一个单位进行4阶PPM调制。调制时，2bit数据表示的十进制数即为4阶PPM脉冲所在时隙编号,
4)发射控制器对data02添加时隙同步头，数据记为data03。添加数据头0xFFFF，与步骤3)中4阶PPM调制data01时不同，数据头在每个时隙都存在高脉冲,
5)对数据data03进行激光器调制，数据记为data04。激光器调制时，激光器工作频率为20MHz，时隙频率为2MHz。这样，一个时隙存在10个时钟，对时钟编号#0～#9。将16个时隙同步头调制到编号#0，将4阶PPM信号调制到编号#5,调制完成后即可驱动激光器发光，
6)单光子探测器实时监控接收光路，激光器工作频率为20MHz，与激光器工作频率一致。精光信号转换成点脉冲信号，高电平表示有光脉冲，低电平表示没有光脉冲，
7)当步骤6)中高脉冲个数超过阈值10时，记为接收到时隙同步头，同时表明通信开始。否则，重复步骤6),继续监听光路信号。当通信开始时，接收端开始存储通信数据，记为recv00。当链路建立后，才能开始后续流程。时隙同步解码流程如图3所示。
8)对数据recv00进行时钟同步，时隙同步完成后的数据记为recv01。时隙同步完成后，在步骤5)中，激光器调制时，PPM高电平有效信号将出现在编号#5时钟位置。考虑到噪声影响，时钟同步时，当发现连续三个信号出现在编号#4时钟位置时，数据右移；当发现连续三个信号出现在编号#6时钟位置时，数据左移。时钟同步流程图如图4所示。
9)对数据recv01进行帧同步操作，帧同步完成后数据记为recv02。在步骤2)中，帧同步码采用431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141431141。同步时,将同步码与接收数据按照以下公式进行计算,数据帧长度为15120bit。计算结果与阈值比较，超过阈值则匹配成功，此处，阈值取值50；否则,继续进行下一组匹配。
式中,i为帧同步码位置序号；j为接收数据位置序号；x(i)为位置在i时帧同步码取值；y(j)为位置为j时接收数据取值；f(x,y)为帧同步码乘加和。t表示接收数据位置序号，t从0开始累加，直到f(x,y)计算结果超过50时，记录t值。表示帧同步完成。帧同步流程如图5所示。
10)接收处理器对数据recv02进行激光器解调，得出解调后的数据recv03。在步骤5)中，激光器调制时，一个时隙存在10个时钟。由于采样时钟与发送时钟同频率，那么接收时，一个时隙依然存在10个脉冲。经过时隙同步、时钟同步和帧同步后。每10个数据表示一个时隙，即可以实现激光器解调,
11)接收处理器对数据recv03进行M阶PPM解调，得出数据recv04。此实例中采用4阶PPM调制解调方式。信号经过激光器解调得到时隙数据后，每4个时隙表示2bit数据。依次解码即可恢复原始数据。在解调完成后，将恢复的数据域原始图片进行对比，得到误码率。
Claims (1)
1.一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法，它基于由发射控制器、激光器驱动器、激光器、发射光路、通道、接收光路、单光子探测器和接收处理器构成的装置实现，其特征在于包括以下步骤：
1).发射控制器读取原始硬盘数据data00；
2).在data00前添加帧同步码，帧同步码长度为Xbit，合并后的数据为data01；其中，X表示帧同步码长度；帧同步采用自相关性强的同步码；自相关性强的同步码具备如下特性：
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</mrow>
</mrow>
式中，t为整数，表示i,j偏移量，i,j为帧同步码位置序号，x(i)、x(j)为在位置i，j时帧同步码取值；X表示帧同步码长度；f(i,j)为x(i)和x(j)乘加和；当t＝0时，f(i,j)取值最大；当t≠0时，f(i,j)取值快速减小；
3).根据M阶PPM调制方式调制数据data01，得到数据data02；M阶PPM调制中，M取值范围为：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mn>2</mn>
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<mi>N</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</msup>
</mrow>
其中N0为正整数，M为PPM调制的阶数；
调制过程描述如下：
调制将长度为N0的符号转化成一个长度为M的PPM符号序列，长度为M的PPM符号中只有一个时隙存在高电平有效信号，符号值所表示的十进制数即为信号在M序列的位置；
4).在data02数据前添加时隙同步头，为了区别出调制数据，时隙同步头为连续M2个时隙有光脉冲信号，添加时隙头后的数据记为data03，其中，M2表示时隙同步头长度且M2>M；
5).对data03进行激光器信号调制，激光器调制时，设置激光器工作频率为f0Hz，时隙频率f0/N Hz；一个时隙占用N个高电平有效信号，编号0～N-1；在调制时隙同步信号时，将时隙头信号调制到编号0；在调制PPM信号时，将PPM信号调制到编号(N/2)取整数部分，其中f0为激光器工作频率，N为正整数；
6).单光子探测器实时监测光路信号，单光子探测器工作频率与步骤5)中激光器工作频率一致，工作频率为f0Hz；单光子探测器记录时隙中连续高脉冲的个数；其中f0为激光器工作频率；
7).当步骤6)中高脉冲个数超过阈值M3时，记为接收到时隙同步头，同时表明通信开始；否则，重复步骤6)，继续监听光路信号；当通信开始时，接收端开始存储通信数据，记为recv00；其中M3表示高脉冲个数；阈值取值根据实验环境进行调整，阈值M3<M2且M3>4；
8).在步骤5)中，激光器调制时，PPM信号在编号为(INT)(N/2)的位置进行调制，其中(INT)(N/2)表示(N/2)取整数部分；利用信号在序列中的位置可以实现时钟同步，对数据recv00进行时钟同步处理后得到数据recv01；此过程称为时钟同步；同步过程描述如下：
检查有效信号在时隙中的位置，当位置为(INT)(N/2)-1时，数据右移；当位置为(INT)(N/2)+1时，数据左移，数据移位从而实现时钟同步；
9).根据自相关算法校验数据recv01，查找到帧同步码，提取取出同步码后的数据recv02，帧同步码提取过程描述如下：
将同步码与接收数据按照以下公式进行计算，计算结果与阈值比较，超过阈值则匹配成功；否则，继续进行下一组匹配；
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>N</mi>
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<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
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</mrow>
式中，i为帧同步码位置序号；j为接收数据位置序号；x(i)为位置在i时帧同步码取值；y(j)为位置为j时接收数据取值；f(x,y)为帧同步码乘加和；t为求取f(x,y)时第一个接收数据所在的位置；Nx为同步码长度；Ny为一次通信包含的帧个数；
10).激光器信号解调，根据步骤5)调制方式，对数据recv02解调得到数据recv03；
11).M阶PPM信号解调，经过了时隙同步、时钟同步和帧同步后，M个时隙能够准确的排列在一个PPM符号内；此步骤对数据recv03直接提取PPM符号，得到数据recv04，对比数据data00和数据recv0；得到误码率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180330 |