CN108494493A - 一种单光子通信信号提取装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种单光子通信信号提取装置及方法，包括单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块，单光子探测器探测到通信光子后输出单光子脉冲信号，单光子脉冲信号经信号展宽模块展宽后输入信号解调模块，信号解调模块根据判断相邻单光子脉冲信号间隔来提取通信信号，信号去尾模块去除在信号解调模块中产生的延迟时间长度，恢复原始比特信息。本发明无需通信发送端和接收端建立时序同步连接，设计结构简单，功耗低，实现信号解调提取只需比较相邻单光子脉冲之间的间距与装置的设定阈值的大小，通信传输距离远，适用于远距离弱链路的深空通信和深海通信。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，特别涉及无线光通信中单光子通信信号的提取装置及方法
背景技术
深空通信、水下通信等对超远距离的无线光通信提出了重大需求。光信号的高灵敏调制和解调是实现远距离可见光通信的一个重要途径。目前无线光通信的调制解调主要有两种方式，一种是直接强度调制/直接探测，主要有开关键控(OOK)，脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲调制(DPPM)、数字脉冲间隔调制(DIPM)等几种，直接强度调制/直接检测具有结构简单，容易实现等优点，但也存在灵敏度低的缺点。另一种相干调制/相干检测，如波长偏移键控(WSK)和二进制相移键控(BPSK)，虽然相干调制/解调具有接收灵敏度高的优点，但由于增加了本振光，且本振光和光信号在空间相干性上要求比较严格，系统结构复杂，功耗大。光子计数探测是一项具有单光子限灵敏度的光强探测技术，当通信光子入射到单光子探测器后，探测器输出单光子脉冲信号，每个单光子脉冲信号代表一个光子，近年来单光子探测器被研究用于检测无线光通信接收端的光信号，以实现超远距离的无线光通信。
专利(申请号：201210079988.6)提出一种空间光通信中光信号的调制和解调装置和方法，该专利中单光子通信信号的提取方法为先进行位同步信号提取，然后在提取出位同步信号的基础上对位同步信号内的光子进行计数，如果计数值大于设定阈值则为高电平，计数值小于设定阈值则为低电平。不难看出上述专利存在以下几点问题：1)该发明所述的解调过程中必须精确提取位同步信号，需要较长的时间；2)为实现单光子通信信号下的位同步，需要设计复杂电路，采用大量的计数器和位选通控制器；3)阈值的随噪声和暗计数变化而变化，难以实现自动设置。
发明内容
本发明的目的在于针对当前无线光通信中单光子通信信号解调存在位同步信号建立时间长、信号提取电路结构复杂的技术问题，提出一种单光子通信信号提取装置及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种单光子通信信号提取装置，包括单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块，所述单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块依次相连；所述信号展宽模块包括D触发器U1、计数器U2、二输入与门F1、非门F2和阈值判断模块A，所述D触发器U1的输出端Q与计数器U2的使能端en和复位端rst相连，计数器U2的输出端Q10、Q9...Q1与阈值判断模块A的输入端相连，阈值判断模块A的输出端、系统复位信号Rst分别与二输入与门F1的输入端相连，二输入与门F1的输出端与非门F2的输入端相连，非门F2的输出端与D触发器U1的复位端rst相连，系统时钟信号Clk与计数器U2的时钟端clk相连，D触发器U1的输出端Q为信号展宽模块输出端，输出展宽信号Extend；所述信号解调模块包括D触发器U3、计数器U4、二输入与门F3、非门F4以及阈值判断模块B，系统时钟信号Clk与计数器U4的时钟端clk相连，计数器U4的输出端Q10、Q9..Q1与阈值判断模块B的输入端相连，阈值判断模块B的输出端、系统复位信号Rst分别与二输入与门F3的输入端相连，二输入与门F3的输出端与非门F4的输入端相连，非门F4的输出端与D触发器U3的复位端rst相连，D触发器U3的输出端Q为信号解调模块输出端，输出拖尾解调信号tuowei_jietiao；所述信号去尾模块包括移位寄存器U5和二输入与门F5；移位寄存器U5的输入端In与二输入与门F5其中一个输入端相连，移位寄存器U5的输出端out与二输入与门F5另一个输入端相连，二输入与门F5的输出端为信号去尾模块输出端，输出去尾解调信号quwei_jietiao。
优选地，所述单光子探测器的信号输出端与信号展宽模块的D触发器U1的时钟端clk相连，所述信号展宽模块的D触发器U1的输入端data接高电平“1”。
优选地，所述信号展宽模块输出端与信号解调模块的D触发器U3的时钟端clk相连，所述的信号展宽模块输出端与信号解调模块的计数器U4的复位端rst相连；所述信号解调模块的D触发器U3的输入端data接高电平“1”，信号解调模块的计数器U4的使能端en接高电平“1”。
优选地，所述信号解调模块输出端与信号去尾模块的移位寄存器U5的输入端In相连。
一种单光子通信信号提取方法，包括以下步骤：
S1：单光子探测器在接收到通信光子后，输出单光子脉冲信号Rxd；
S2：信号展宽模块将单光子脉冲信号Rxd的脉冲宽度进行展宽；
S21：将单光子脉冲信号Rxd输入至D触发器U1的时钟端clk，D触发器U1的输入端data接高电平“1”，阈值判断模块A设定的阈值为n；
S22：当单光子脉冲信号Rxd上升沿到来时，D触发器U1输出高电平“1”，使计数器U2清零，计数器U2开始对系统时钟信号Clk进行计数，并把计数值输出到阈值判断模块A；
S23：当下一个单光子脉冲信号Rxd上升沿到来时，计数器U2输出的计数值若小于阈值判断模块A的预设阈值n，计数值U2清零并重新开始计数，D触发器U1的输出端Q一直维持高电平状态，若计数器U2输出的计数值等于阈值判断模块A的预设阈值n时，阈值判断模块A输出高电平“1”，使得二输入与门F1输出高电平“1”，经非门F2后，输出低电平“0”，使得D触发器U1清零，D触发器U1的输出端Q输出低电平“0”，计数器U1停止计数，待下一个单光子脉冲信号Rxd上升沿到来，计数器U1清零并重新开始计数；
S24：D触发器U1的输出端Q输出的信号为展宽信号Extend，展宽信号Extend的宽度等于n倍的系统时钟信号Clk的周期；
S3：信号解调模块对展宽信号Extend进行解调；
S31：将展宽信号Extend接到D触发器U3的时钟端clk，展宽信号Extend接到计数器U4的复位端rst，D触发器U3的输入端data接高电平“1”，计数器U4的使能端en接高电平“1”，阈值判断模块B设定的阈值为m；
S32：当展宽信号Extend的上升沿到达时，D触发器U3输出高电平“1”，展宽信号Extend的高电平使得计数器U4清零，计数器U4开始对系统时钟信号Clk进行计数，并把计数值输出到阈值判断模块B；
S33：当下一个展宽信号Extend的上升沿到来时，计数器U4输出的计数值若小于阈值判断模块B的预设阈值m，计数器U4清零并重新开始计数，D触发器U3的输出端Q一直维持高电平状态，若计数器U4的输出计数值大于或等于阈值判断模块B设定的阈值时，阈值判断模块B输出高电平“1”，使得二输入与门F3输出高电平“1”，经非门F4后，输出低电平“0”，使得D触发器U3清零，D触发器U3的输出端Q输出低电平“0”；
S34：D触发器U3的输出端Q输出的信号作为拖尾解调信号tuowei_jietiao，若两个展宽信号Extend之间的时间间隔T1大于或等于m*TClk，TClk为系统时钟信号Clk的周期，则判断拖尾解调信号tuowei_jietiao为低电平“0”，若两个展宽信号Extend之间的时间间隔T1小于m*TClk，则判断拖尾解调信号tuowei_jietiao为高电平“1”；
S4：信号去尾模块对拖尾解调信号tuowei_jietiao进行去尾；
S41：设置移位寄存器的移位长度为m，等于阈值判断模块B的预设阈值m；
S42：拖尾解调信号tuowei_jietiao输入移位寄存器U5的输入端In，经移位寄存器U5延迟T2后输出，T2＝m*TClk，TClk为系统时钟信号Clk的周期；
S43：延迟后的拖尾解调信号tuowei_jietiao与原拖尾解调信号tuowei_jietiao输入二输入与门F5进行相与，二输入与门F5输出信号作为去尾解调信号quwei_jietiao。
与现有技术相比，本发明获得的有益效果是：
本发明公开的一种单光子通信信号提取装置及方法，无需要求发送端和接收端须建立位同步，才能从光子信号中提取比特信息，无需位同步信号，可实现比特信息的快速提取。本发明公开的一种单光子通信信号提取装置及方法，通过比较相邻单光子脉冲之间间隔，实现从少许离散的单光子脉冲信号提取比特信息，装置设计结构简单，只需装置各模块设计集成化，功耗低，可应用于远距离弱链路的深空通信和深海通信。
附图说明
图1为单光子通信信号提取装置的示意图。
图2为单光子通信信号提取的时序图。
图3为信号展宽模块原理图。
图4为信号展宽模块时序图。
图5为信号解调模块原理图。
图6为信号解调模块时序图。
图7为信号去尾模块原理图。
图8为信号去尾模块时序图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例进行详细说明。
如图1所示，一种单光子通信信号提取装置，包括单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块，所述单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块依次相连。
单光子通信信号提取的时序如图2所示，调制后的光信号经过远距离的信道衰减后极微弱光，呈单光子态。单光子探测器接收到经信道衰减的极微弱的光信号，输出离散的单光子脉冲信号Rxd，单光子探测器可采用光电倍增管，微通道板，和盖格雪崩APD探测器。由于极弱光强的闪烁和光子探测的随机性，对应于比特信息“1”内的单光子脉冲数不是固定的，而是呈泊松分布，如图2中第一个比特信息“1”内有两个单光子脉冲，第四个比特信息“1”内有4个单光子脉冲，相邻单光子脉冲间距也不是固定的。由于暗计数的存在，对应于比特信息“0”也可能存在脉冲信号。因单光子脉冲宽度过窄，为了便于后续电路处理，单光子脉冲信号Rxd经信号展宽模块进行脉冲宽度展宽后输出展宽信号Extend，信号解调模块对展宽信号Extend进行解调输出拖尾解调信号tuowei_jietiao，解调方法基于现象：同一比特内信息“1”内的相邻展宽信号Extend间距虽然不是固定的，但是比较小，小于一个比特位的宽度。在相邻两个比特内的两个相邻展宽信号Extend的时间间隔较大，大于一个比特位的宽度。因此信号解调模块通过判断相邻两个展宽信号Extend的时间间隔，如果相邻两个展宽信号Extend的时间间隔小于设定的阈值T1，可以认为这两个展宽信号Extend对应的光子在一个比特内。在对同一比特内的最后一个展宽信号Extend进行判断时，信号解调模块解调出的比特信息“1”的宽度上附加一个固定时间延迟，延迟时间长度等于设定的阈值T2。为还原原始比特信息，信号去尾模块去掉延迟时间长度，并去掉暗计数，输出的去尾解调信号quwei_jietiao与原始调制信号一致。
信号展宽模块如图3所示，包括D触发器U1、计数器U2、二输入与门F1、非门F2和阈值判断模块A，所述D触发器U1的输出端Q与计数器U2的使能端en和复位端rst相连，计数器U2的输出端Q10、Q9...Q1与阈值判断模块A的输入端相连，阈值判断模块A的输出端、系统复位信号Rst分别与二输入与门F1的输入端相连，二输入与门F1的输出端与非门F2的输入端相连，非门F2的输出端与D触发器U1的复位端rst相连，系统时钟信号Clk与计数器U2的时钟端clk相连，D触发器U1的输出端Q为信号展宽模块输出端，输出展宽信号Extend；所述单光子探测器的信号输出端与信号展宽模块的D触发器U1的时钟端clk相连；单光子探测器的信号输出端与信号展宽模块的D触发器U1的时钟端clk相连，信号展宽模块的D触发器U1的输入端data接高电平“1”。
信号展宽模块时序如图4所示，将单光子脉冲信号Rxd输入至D触发器U1的时钟端clk，D触发器U1的输入端data接高电平“1”，阈值判断模块A设定的阈值为n；当单光子脉冲信号Rxd上升沿到来时，D触发器U1输出高电平“1”，使计数器U2清零，计数器U2开始对系统时钟信号Clk进行计数，并把计数值输出到阈值判断模块A；当下一个单光子脉冲信号Rxd上升沿到来时，计数器U2输出的计数值若小于阈值判断模块A的预设阈值n，计数值U2清零并重新开始计数，D触发器U1的输出端Q一直维持高电平状态，若计数器U2输出的计数值等于阈值判断模块A的预设阈值n时，阈值判断模块A输出高电平“1”，使得二输入与门F1输出高电平“1”，经非门F2后，输出低电平“0”，使得D触发器U1清零，D触发器U1的输出端Q输出低电平“0”，计数器U1停止计数，待下一个单光子脉冲信号Rxd上升沿到来，计数器U1清零并重新开始计数；D触发器U1的输出端Q输出的信号为展宽信号Extend，展宽信号Extend的宽度等于n倍的系统时钟信号Clk的周期。
信号解调模块如图5所示，包括D触发器U1、计数器U2、二输入与门F1、非门F2和阈值判断模块A，所述D触发器U1的输出端Q与计数器U2的使能端en和复位端rst相连，计数器U2的输出端Q10、Q9...Q1与阈值判断模块A的输入端相连，阈值判断模块A的输出端、系统复位信号Rst分别与二输入与门F1的输入端相连，二输入与门F1的输出端与非门F2的输入端相连，非门F2的输出端与D触发器U1的复位端rst相连，系统时钟信号Clk与计数器U2的时钟端clk相连，D触发器U1的输出端Q为信号展宽模块输出端，输出展宽信号Extend；所述单光子探测器的信号输出端与信号展宽模块的D触发器U1的时钟端clk相连；信号解调模块的D触发器U3的输入端data接高电平“1”，信号解调模块的计数器U4的使能端en接高电平“1”。
信号解调模块时序如图6所示，将展宽信号Extend接到D触发器U3的时钟端clk，展宽信号Extend接到计数器U4的复位端rst，D触发器U3的输入端data接高电平“1”，计数器U4的使能端en接高电平“1”，阈值判断模块B设定的阈值为m；当展宽信号Extend的上升沿到达时，D触发器U3输出高电平“1”，展宽信号Extend的高电平使得计数器U4清零，计数器U4开始对系统时钟信号Clk进行计数，并把计数值输出到阈值判断模块B；当下一个展宽信号Extend的上升沿到来时，计数器U4输出的计数值若小于阈值判断模块B的预设阈值m，计数器U4清零并重新开始计数，D触发器U3的输出端Q一直维持高电平状态，若计数器U4的输出计数值大于或等于阈值判断模块B设定的阈值时，阈值判断模块B输出高电平“1”，使得二输入与门F3输出高电平“1”，经非门F4后，输出低电平“0”，使得D触发器U3清零，D触发器U3的输出端Q输出低电平“0”；D触发器U3的输出端Q输出的信号作为拖尾解调信号tuowei_jietiao，若两个展宽信号Extend之间的时间间隔T1大于或等于m*TClk，TClk为系统时钟信号Clk的周期，则判断拖尾解调信号tuowei_jietiao为低电平“0”，若两个展宽信号Extend之间的时间间隔T1小于m*TClk，则判断拖尾解调信号tuowei_jietiao为高电平“1”。
阈值m的设置不能太大，如果太大，则分别在两个相邻比特位的单光子脉冲被判断为在同一个比特位，导致提取的两个相邻的比特位连在一起，如果太小，在同一比特位内的两个相邻光子被判断为在两个不同比特位，提取的比特信号存在毛刺，因此T1一般设置为比特位宽的1/8。
信号去尾模块如图7所示，包括移位寄存器U5和二输入与门F5；移位寄存器U5的输入端In与二输入与门F5其中一个输入端相连，移位寄存器U5的输出端out与二输入与门F5另一个输入端相连，二输入与门F5的输出端out为信号去尾模块输出端，输出去尾解调信号quwei_jietiao；信号解调模块输出端与信号去尾模块的移位寄存器U5的输入端In相连。
信号去尾模块时序如图8所示，设置移位寄存器的移位长度为m，等于阈值判断模块B的预设阈值m；拖尾解调信号tuowei_jietiao输入移位寄存器U5的输入端In，经移位寄存器U5延迟T2后输出，T2＝m*TClk，TClk为系统时钟信号Clk的周期；延迟后的拖尾解调信号tuowei_jietiao与原拖尾解调信号tuowei_jietiao输入二输入与门F5进行相与，二输入与门F5输出信号作为去尾解调信号quwei_jietiao。通过时序可以看出延迟后的拖尾解调信号tuowei_jietiao与原拖尾解调信号tuowei_jietiao相与不仅可以去除托尾，还可以消除暗计数脉冲。
以上列举的仅是本发明的具体实施例之一。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。
Claims (5)
1.一种单光子通信信号提取装置，其特征在于：包括单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块，所述单光子探测器、信号展宽模块、信号解调模块和信号去尾模块依次相连；所述信号展宽模块包括D触发器U1、计数器U2、二输入与门F1、非门F2和阈值判断模块A，所述D触发器U1的输出端Q与计数器U2的使能端en和复位端rst相连，计数器U2的输出端Q10、Q9...Q1与阈值判断模块A的输入端相连，阈值判断模块A的输出端、系统复位信号Rst分别与二输入与门F1的输入端相连，二输入与门F1的输出端与非门F2的输入端相连，非门F2的输出端与D触发器U1的复位端rst相连，系统时钟信号Clk与计数器U2的时钟端clk相连，D触发器U1的输出端Q为信号展宽模块输出端，输出展宽信号Extend；所述信号解调模块包括D触发器U3、计数器U4、二输入与门F3、非门F4以及阈值判断模块B，系统时钟信号Clk与计数器U4的时钟端clk相连，计数器U4的输出端Q10、Q9..Q1与阈值判断模块B的输入端相连，阈值判断模块B的输出端、系统复位信号Rst分别与二输入与门F3的输入端相连，二输入与门F3的输出端与非门F4的输入端相连，非门F4的输出端与D触发器U3的复位端rst相连，D触发器U3的输出端Q为信号解调模块输出端，输出拖尾解调信号tuowei_jietiao；所述信号去尾模块包括移位寄存器U5和二输入与门F5；移位寄存器U5的输入端In与二输入与门F5其中一个输入端相连，移位寄存器U5的输出端out与二输入与门F5另一个输入端相连，二输入与门F5的输出端为信号去尾模块输出端，输出去尾解调信号quwei_jietiao。
2.根据权利要求1所述的一种单光子通信信号提取装置，其特征在于：所述单光子探测器的信号输出端与信号展宽模块的D触发器U1的时钟端clk相连，所述信号展宽模块的D触发器U1的输入端data接高电平“1”。
3.根据权利要求1或2所述的一种单光子通信信号提取装置，其特征在于：所述信号展宽模块输出端与信号解调模块的D触发器U3的时钟端clk相连，所述的信号展宽模块输出端与信号解调模块的计数器U4的复位端rst相连；所述信号解调模块的D触发器U3的输入端data接高电平“1”，信号解调模块的计数器U4的使能端en接高电平“1”。
4.根据权利要求1所述的一种单光子通信信号提取装置，其特征在于：所述信号解调模块输出端与信号去尾模块的移位寄存器U5的输入端In相连。
5.一种单光子通信信号提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：单光子探测器在接收到通信光子后，输出单光子脉冲信号Rxd；
S2：信号展宽模块将单光子脉冲信号Rxd的脉冲宽度进行展宽；
S21：将单光子脉冲信号Rxd输入至D触发器U1的时钟端clk，D触发器U1的输入端data接高电平“1”，阈值判断模块A设定的阈值为n；
S22：当单光子脉冲信号Rxd上升沿到来时，D触发器U1输出高电平“1”，使计数器U2清零，计数器U2开始对系统时钟信号Clk进行计数，并把计数值输出到阈值判断模块A；
S23：当下一个单光子脉冲信号Rxd上升沿到来时，计数器U2输出的计数值若小于阈值判断模块A的预设阈值n，计数值U2清零并重新开始计数，D触发器U1的输出端Q一直维持高电平状态，若计数器U2输出的计数值等于阈值判断模块A的预设阈值n时，阈值判断模块A输出高电平“1”，使得二输入与门F1输出高电平“1”，经非门F2后，输出低电平“0”，使得D触发器U1清零，D触发器U1的输出端Q输出低电平“0”，计数器U1停止计数，待下一个单光子脉冲信号Rxd上升沿到来，计数器U1清零并重新开始计数；
S24：D触发器U1的输出端Q输出的信号为展宽信号Extend，展宽信号Extend的宽度等于n倍的系统时钟信号Clk的周期；
S3：信号解调模块对展宽信号Extend进行解调；
S31：将展宽信号Extend接到D触发器U3的时钟端clk，展宽信号Extend接到计数器U4的复位端rst，D触发器U3的输入端data接高电平“1”，计数器U4的使能端en接高电平“1”，阈值判断模块B设定的阈值为m；
S32：当展宽信号Extend的上升沿到达时，D触发器U3输出高电平“1”，展宽信号Extend的高电平使得计数器U4清零，计数器U4开始对系统时钟信号Clk进行计数，并把计数值输出到阈值判断模块B；
S33：当下一个展宽信号Extend的上升沿到来时，计数器U4输出的计数值若小于阈值判断模块B的预设阈值m，计数器U4清零并重新开始计数，D触发器U3的输出端Q一直维持高电平状态，若计数器U4的输出计数值大于或等于阈值判断模块B设定的阈值时，阈值判断模块B输出高电平“1”，使得二输入与门F3输出高电平“1”，经非门F4后，输出低电平“0”，使得D触发器U3清零，D触发器U3的输出端Q输出低电平“0”；
S34：D触发器U3的输出端Q输出的信号作为拖尾解调信号tuowei_jietiao，若两个展宽信号Extend之间的时间间隔T1大于或等于m*TClk，TClk为系统时钟信号Clk的周期，则判断拖尾解调信号tuowei_jietiao为低电平“0”，若两个展宽信号Extend之间的时间间隔T1小于m*TClk，则判断拖尾解调信号tuowei_jietiao为高电平“1”；
S4：信号去尾模块对拖尾解调信号tuowei_jietiao进行去尾；
S41：设置移位寄存器的移位长度为m，等于阈值判断模块B的预设阈值m；
S42：拖尾解调信号tuowei_jietiao输入移位寄存器U5的输入端In，经移位寄存器U5延迟T2后输出，T2＝m*TClk，TClk为系统时钟信号Clk的周期；
S43：延迟后的拖尾解调信号tuowei_jietiao与原拖尾解调信号tuowei_jietiao输入二输入与门F5进行相与，二输入与门F5输出信号作为去尾解调信号quwei_jietiao。
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