CN114285463B - 基于外部门控抗isi干扰的spad高速接收方法 - Google Patents

基于外部门控抗isi干扰的spad高速接收方法 Download PDF

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CN114285463B CN202111400255.3A CN202111400255A CN114285463B CN 114285463 B CN114285463 B CN 114285463B CN 202111400255 A CN202111400255 A CN 202111400255A CN 114285463 B CN114285463 B CN 114285463B
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Abstract

本发明属于SPAD高速通信技术领域，特别涉及一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，包括由于SPAD高速通信易受ISI串扰影响，对SPAD接收机施加外部时钟进行驱动；构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型并进行接收机通信性能分析，提取影响外部门控SPAD接收机性能的主要因素即门开时间、信号光子数和环境光光子数；分别以门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数为自变量，分析不同门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响；由于受到ISI干扰、信号光和环境光的影响，权衡选择一个最佳的门开时间。本发明设计门控模式，克服SPAD高速通信时的ISI干扰，选择合适的门开时间，可以有效提升外部门控SPAD接收机的通信性能。

Description

基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法
技术领域
本发明属于SPAD高速通信技术领域，特别涉及一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法。
背景技术
近年来，为提升光无线通信系统接收端的灵敏度，常采用单光子灵敏度，高检测效率和高时序分辨率的SPAD作为接收机。为实现光子计数接收机，需要在APD两端施加足够的电压，使其工作在盖革(GM)模式。这样，单个光子的达到便会触发持续的雪崩，受较大的内部增益影响，输出的电流尖峰可被直接测量。每次雪崩击穿后，淬火电路通过将偏置电压降低到击穿阈值以下，停止雪崩并重置SPAD。在淬灭过程中，SPAD存在一段无法响应入射光子的死区时间。死区时间取决于淬火方式，在AQ淬火中，死区时间是恒定的。
将SPAD作为光无线通信的接收机(OWC)虽然可以检测单个光子，但死区时间同样抑制了接收机的数据速率和动态范围。现有的SPAD应用，通常采用较长的符号时间，通过记录多次脉冲计数以实现高SNR的接收，这使得基于SPAD的接收机数据速率较低。在高速通信应用中，符号时间可能与SPAD的死区时间相当，死区时间会引起严重的时隙串扰(ISI)，导致较高的错误概率。这种ISI干扰需要通过增加符号时间或增加SPAD阵列规模进行优化，然而，这将减缓SPAD接收机的通信速率或增加接收机的成本。
发明内容
针对现有技术中死区时间引起严重的时隙串扰导致错误概率高的问题，本发明提出了一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，设计门控模式，克服SPAD高速通信时的ISI干扰，并且选择合适的门开时间，可以有效提升外部门控SPAD接收机的通信性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供了一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，包括以下步骤：
由于SPAD高速通信易受ISI串扰影响，对SPAD接收机施加外部时钟进行驱动，使其周期性的使能SPAD接收机，该接收机在门控开启阶段输出光子，在门控关闭阶段停止输出光子；
构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型并进行接收机通信性能分析，提取影响外部门控SPAD接收机性能的主要因素，即门开时间、信号光子数和环境光光子数；
分别以门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数为自变量，分析不同门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响；
由于受到ISI干扰、信号光和环境光的影响，权衡选择出一个最佳的门开时间，在该门开时间，外部门控SPAD接收机达到最优通信性能。
进一步地，使门关时间长于一个死区时间，能避免ISI串扰。
进一步地，在门关时间内，外部门控SPAD接收机无法探测光子，会导致损失掉一部分光子，但同时避免了环境光子的入射所产生的错误计数。
进一步地，所述构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型表达式如下：
在门开时间内，外部门控SPAD接收机的最大光子计数K'max计算公式为：
Figure BDA0003370911820000021
式中，Tg表示门开时间，Td表示死区时间；
在门开时间内，外部门控SPAD接收机的入射光子数λk'计算公式为：
λk'＝λ(Tg-kTd)
式中，λ表示光子速率，k表示已被探测到的光子数；
那么，对于外部门控SPAD接收机的光子计数的分布函数表示为：
Figure BDA0003370911820000031
式中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)表示为
Figure BDA0003370911820000032
对于外部门控SPAD接收机，其探测光子的均值和方差的计算公式如下：
Figure BDA0003370911820000033
Figure BDA0003370911820000034
进一步地，外部门控SPAD接收机的阻塞时间TBg和死区时间Td的关系表达式如下：
Figure BDA0003370911820000035
式中，Tg表示门开时间，Td表示死区时间，Tc表示符号持续时间；Tc-Tg表示门关时间，当门关时间长于死区时间，阻塞时间为0，避免了阻塞时间对下一个符号产生时隙串扰；当阻塞时间不为0时，将会对下一个符号产生时隙串扰。
进一步地，所述进行接收机通信性能分析，具体包括：
在门控开启时间内，外部门控SPAD接收机接收‘1’信号的概率计算公式如下：
P11＝1-exp[-λ1(Tg-TBg)PDE]
P10＝exp[-λ1(Tg-TBg)PDE]
其中，P11表示传输‘1’并正确接收为‘1’的概率，P10表示传输‘1’被错误接收为‘0’的概率，PDE表示光子探测效率，λ1表示‘1’bit对应的光子数，由信号光子数Ks和环境光光子数Kb组成，表示为：
λ1＝Ks+Kb
外部门控SPAD接收机接收‘0’信号的概率计算公式如下：
P01＝1-exp[-λ0(Tg-TBg)PDE]
P00＝exp[-λ0(Tg-TBg)PDE]
其中，P00表示传输‘0’并正确接收为‘0’的概率，P01表示传输‘0’被错误接收为‘1’的概率，λ0表示‘0’bit对应的光子数，由环境光光子数Kb组成，表示为：
λ0＝Kb
对于外部门控SPAD接收机，通信误码率BERgate计算公式如下：
Figure BDA0003370911820000041
综上，信号光子数和环境光光子数影响外部门控SPAD接收机的通信性能。
进一步地，以门开时间为自变量，分析不同门开时间对外部门控SPAD接收机性能的影响，包括：
在光子通量较低时，增加门开时间将提高外部门控SPAD接收机的探测概率；在光子通量较高时，增加门开时间对外部门控SPAD接收机的探测概率改善不显著；
在光子通量较低时，误码率随着门开时间增加而降低；在光子通量较高时，误码率在某一个门开时间达到最优值，继续增加门开时间，误码率会小幅度上升。
进一步地，以每符号信号光子数为自变量，分析不同每符号信号光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响，包括：
在光子通量较低时，增加每符号信号光子数，无门控自由模式SPAD接收机误码率性能优于外部门控SPAD接收机；在光子通量较高时，增加每符号信号光子数，外部门控SPAD接收机的误码率性能优于无门控自由模式SPAD接收机。
进一步地，以每符号环境光光子数为自变量，分析不同每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响，包括：
在光子通量较低时，外部门控SPAD接收机仅在环境光光子数较大时误码率性能优于无门控自由模式SPAD接收机；在光子通量较高时，外部门控SPAD接收机误码率性能显著优于无门控自由模式SPAD接收机。
进一步地，所述权衡选择出一个最佳的门开时间包括：
在光子通量较低的情况下，通过增加门开时间以满足光子探测的需求；对于中等光子通量，存在一个最佳的门开时间，该门开时间受ISI、信号光和环境光因素影响并通过实验获得，选择长于或短于该门开时间都会导致外部门控SPAD接收机的性能下降；对于高光子通量，根据外部门控SPAD接收机的误码率需求和环境光光子数选择合适的门开时间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、现有的SPAD接收机理论研究均是基于大规模阵列或长符号时间多脉冲计数的基础上实现的，对于单个SPAD高速通信仍处于研究空白，尚未有合适的技术理论支持。我们根据SPAD的死区时间特性，考虑时隙间串扰ISI构建了可用于高速通信的SPAD计数和通信模型，并尝试使用门控模式进一步优化SPAD的高速通信性能。
2、针对SPAD高速通信易受ISI串扰的问题，将门控模式应用于SPAD高速通信，由于光子的探测仅发生在门控开启的阶段，当门控关闭后，外部门控SPAD接收机停止输出光子，并且，只要满足门关时间长于一个死区时间，就可以有效的避免ISI串扰，以实现高速抗ISI的通信，有效的提升SPAD高速通信的性能。
3、针对SPAD高速通信，SPAD的通信性能主要取决于门开时间、信号光子数和环境光光子数这三个主要因素，通过选择合适的门开时间，进行光子探测性能和抗环境光性能的折中，进而优化SPAD的通信性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是存在ISI干扰的无门控模式的SPAD接收机输出特性图；
图2是本发明实施例的外部门控SPAD接收机输出特性图；
图3是本发明实施例的存在ISI干扰的外部门控SPAD接收机输出特性图；
图4是本发明实施例的不同光子通量下门开时间对SPAD的光子探测概率和方差的影响；
图5是本发明实施例的不同光子通量对门控SPAD和无门控自由模式SPAD的BER影响；
图6是本发明实施例的门开时间和光子通量对门控SPAD的BER影响；
图7是本发明实施例的门开时间和环境光对门控SPAD的BER影响；
图8是本发明实施例的环境光对门控SPAD和无门控自由模式SPAD的BER影响。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，下面首先介绍下无门控模式的SPAD接收机存在ISI干扰的输出特性，图1中TL是上一个符号的光子到时间，TE是雪崩结束时间，Tst是符号开始时间，Tc是符号持续时间。由于ISI串扰的存在，SPAD可能会在计数间隔开始后被阻塞一段时间，这段无法探测的时间被称为阻塞时间TB，这个阻塞时间可表示为：
TB＝max{Td-(Tst-TL),0}
其中，Td是死区时间，Tst和TL是符号开始时间和上一次雪崩开始时间。由于ISI串扰的存在，SPAD的有效探测时间是Tc-TB。
由于ISI的存在，SPAD的最大光子计数KMAX计算公式为：
Figure BDA0003370911820000071
实际的入射光子数λK可由光子速率λ乘以SPAD的曝光时间进行计算，SPAD的实际曝光时间需要用总的符号时间减掉已被探测到的光子数k所产生的死区时间，则入射光子数λK计算公式为：
λK＝λ(TC-TB-kTd)
那么，当ISI存在时，SPAD的光子计数的分布函数可表示为：
Figure BDA0003370911820000081
其中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)可表示为：
Figure BDA0003370911820000082
那么当ISI存在时，SPAD的计数均值和计数方差的计算公式如下：
Figure BDA0003370911820000083
Figure BDA0003370911820000084
显然，从结果可知，阻塞时间TB的存在使得光子探测性能下降，包括计数均值的下降和方差的增加。
为了克服SPAD高速通信时的串扰，本实施例提出一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，包括以下步骤：
步骤S101，由于SPAD高速通信易受ISI串扰影响，对SPAD接收机施加外部时钟进行驱动，使其周期性的使能SPAD接收机，该接收机在门控开启阶段输出光子，在门控关闭阶段停止输出光子。
只要门关时间长于一个死区时间，就能有效的避免ISI串扰，如图2所示，很明显门控模式的SPAD上一个符号的光子不会串扰到下一个符号。由于SPAD的灵敏度是光子级的，LED有限的消光比和不可避免的环境光会影响SPAD接收机的性能，在无信号输入时，这些环境光会导致SPAD产生光子计数，所以，在门关时间内，SPAD无法探测光子，这虽然会损失掉一部分光子，但是同时也避免了环境光光子的入射所产生的错误计数。
步骤S102，构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型并进行接收机通信性能分析，提取影响外部门控SPAD接收机性能的主要因素，即门开时间、信号光子数和环境光光子数；
步骤S103，分别以门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数为自变量，分析不同门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响；
步骤S104，由于受到ISI干扰、信号光和环境光的影响，权衡选择出一个最佳的门开时间，在该门开时间，外部门控SPAD接收机达到最优通信性能。
所述步骤S102中构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型表达式如下：
在门开时间内，外部门控SPAD接收机的最大光子计数K'max计算公式为：
Figure BDA0003370911820000091
式中，Tg表示门开时间，Td表示死区时间；
在门开时间内，外部门控SPAD接收机的入射光子数λk'计算公式为：
λk'＝λ(Tg-kTd)
式中，λ表示光子速率，k表示已被探测到的光子数；
那么，对于外部门控SPAD接收机的光子计数的分布函数表示为：
Figure BDA0003370911820000101
式中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)表示为
Figure BDA0003370911820000102
对于外部门控SPAD接收机，其探测光子的均值和方差的计算公式如下：
Figure BDA0003370911820000103
Figure BDA0003370911820000104
对于门控模式的特殊情况，当SPAD的门关时间Toff小于死区时间Td时，外部门控SPAD接收机可能会面临ISI。如图3所示，如果符号时间Tc大于死区时间Td，门控模式发生时隙串扰，其阻塞时间TBg满足TBg∈[0,Tg]。如果死区时间Td满足Td>Tc+Tg，则在下一次门控开启时SPAD必然不会响应光子，门控模式的阻塞时间TBg和死区时间Td的关系可表示为：
Figure BDA0003370911820000105
由此可知，合理设计门开时间和门关时间，可以有效避免ISI串扰，提升SPAD高速通信的性能，因此门开时间是影响外部门控SPAD接收机性能的主要因素。
下面再对外部门控SPAD接收机的通信性能进行分析：
在门控开启时间内，外部门控SPAD接收机接收‘1’信号的概率计算公式如下：
P11＝1-exp[-λ1(Tg-TBg)PDE]
P10＝exp[-λ1(Tg-TBg)PDE]
其中，P11表示传输‘1’并正确接收为‘1’的概率，P10表示传输‘1’被错误接收为‘0’的概率，PDE表示光子探测效率，λ1表示‘1’bit对应的光子数，由信号光子数Ks和环境光光子数Kb组成，表示为：
λ1＝Ks+Kb
外部门控SPAD接收机接收‘0’信号的概率计算公式如下：
P01＝1-exp[-λ0(Tg-TBg)PDE]
P00＝exp[-λ0(Tg-TBg)PDE]
其中，P00表示传输‘0’并正确接收为‘0’的概率，P01表示传输‘0’被错误接收为‘1’的概率，λ0表示‘0’bit对应的光子数，由环境光光子数Kb组成，表示为：
λ0＝Kb
对于外部门控SPAD接收机，通信误码率BERgate计算公式如下：
Figure BDA0003370911820000111
综上所述，门开时间、信号光子数和环境光光子数作为主要因素影响外部门控SPAD接收机的通信性能。
就门控模式而言，SPAD的门开时间直接影响并决定SPAD的性能。门开时间除了可以抑制ISI，还可以有效地减少环境光光子数，从而提高通信性能。此外，因为在门关期间信号光子也不可检测，所以引入门功能可能导致检测到的信号光子计数较少，进而降低性能。在此，我们从抑制ISI的影响，信号光对BER性能的影响，环境光对性能的影响等几个方面对门控模式的SPAD性能进行分析。出于对最优门开时间的权衡，对于任何给定的系统，都应该存在一个最佳的门开时间，它可以产生最佳的性能。所以，这个最佳的门开时间将被研究。
具体的，所述步骤S103中以门开时间为自变量，分析不同门开时间对外部门控SPAD接收机性能的影响具体分析如下：
如图4所示，对于光子通量(每符号信号光子数)较低时，随着入射光子通量的增加，SPAD的光子探测概率增加，增加门开时间将有效的增加光子通量，SPAD的探测概率随着门开时间增加。当光子通量较高时，增加门开时间对外部门控SPAD接收机的探测概率改善不显著，SPAD仅需较短的门开时间即可满足探测概率性能需求。显然，如果给予足够的光子通量，较短的门开时间也能满足SPAD探测概率性能需求。
如图6所示，这里对比了三种信号光子通量的BER性能，图中Kb表示环境光光子数，Ks表示光子通量(即每符号信号光子数)，BER表示误码率。通过增加门开时间，外部门控SPAD接收机的BER总体呈降低趋势，对于Ks＝5的较低光通量，BER随着门开时间增加而降低，增加门开时间一定程度上提升了SPAD的性能；对于Ks＝10的中等光子通量，门开时间超过20ns后，SPAD的性能不再随着门开时间的增加而改变；对于Ks＝20的较高的光通量，SPAD的性能在门开时间12.5ns时达到最优，在12.5ns之后随着门开时间的增加SPAD的误码率有小幅度上升，这是因为门开时间增加，接收到的环境光光子的概率增加，传输‘0’bit的错误率增加，使得整体的误码率增加。
如图7所示，最优门开时间的选择还需要考虑环境光的影响，在此固定信号光子通量Ks＝30，改变环境光光子数Kb观察门开时间Tg对SPAD性能的影响。在高信号光子通量的前提下，增加门开时间，SPAD的BER均存在先降低后增加的变化趋势，且均存在一个最优的门开时间，这是因为增加门开时间可以增加SPAD对信号光光子的检测概率，当门开时间可满足SPAD的检测需求后，继续的增加门开时间，可能使SPAD检测环境光光子的概率增加，抗环境光的能力减弱，SPAD的BER上升。因此，在高光子通量下，需要根据通信的BER需求和环境光光子数，权衡出一个最优的门开时间，以优化门控SPAD的性能。
具体的，所述步骤S103中以每符号信号光子数为自变量，分析不同每符号信号光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响具体分析如下：
如图5所示，对比无门控的自由运行模式和外部门控模式的SPAD接收机性能，增加每符号信号光子数，无门控的自由运行模式的SPAD和门控模式的SPAD性能均有增加，由于自由模式对光子更为敏感，但是随着光子通量的增加而趋于饱和，误码率曲线更为平缓，其最优误码率由环境光光子数决定。而对于门控模式，增加光子通量，SPAD的性能变化随着光子通量增加，响应速率增加。对于门控模式，光子仅能在门开时间被探测，这使得门控模式的接收机对光子的敏感性不如自由运行模式，此外，这种门控机制使得SPAD避免了过多的环境光光子入射，进而降低了传输‘0’bit的错误率。而光子通量的增加使得SPAD传输‘1’bit的准确率增加，进而使得门控模式SPAD的最佳误码性能优于自由运行模式。
具体的，所述步骤S103中以每符号环境光光子数为自变量，分析不同每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响具体分析如下：
如图8所示，对比无门控的自由运行模式和外部门控模式的SPAD接收机性能；当Ks＝5入射光子通量较低时，门控模式SPAD仅在环境光较大时性能优于自由模式；而当Ks＝30入射光子通量较高时，门控模式的性能显著优于自由模式性能。门控模式具有一定的抗环境光能力，如果给予足够的光子通量，门控模式SPAD的性能在存在环境光场景下显著优于自由模式SPAD。
所述步骤S104权衡选择出一个最佳的门开时间具体如下：
对于外部门控SPAD接收机，由于检测光子到达的概率和ISI引起的性能下降之间的折中，可以优化门开时间以获得最佳的通信性能。总而言之，在光子通量较低的情况下，通过增加门开时间以满足光子探测的需求；对于中等光子通量(可参见图4和图6)，存在一个最佳的门开时间，该门开时间受ISI、信号光和环境光因素影响并通过实验获得，选择长于或短于该门开时间都会导致外部门控SPAD接收机的性能下降；对于高光子通量(可参见图7和图8)，根据外部门控SPAD接收机的误码率需求和环境光光子数选择合适的门开时间。
现有的方案多通过增加SPAD的规模以抵抗SPAD高速通信潜在的ISI干扰和易受环境光干扰的缺点，而针对单个SPAD，尚未有合适的方法与方案以解决高速通信的性能难题。本发明通过优化门控电平，以实现对SPAD高速通信性能的优化，即抗ISI和抗背景光，拓展了SPAD的应用场景，增强了SPAD高速通信的性能。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，包括以下步骤：
由于SPAD高速通信易受ISI串扰影响，对SPAD接收机施加外部时钟进行驱动，使其周期性的使能SPAD接收机，该接收机在门控开启阶段输出光子，在门控关闭阶段停止输出光子；
构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型并进行接收机通信性能分析，提取影响外部门控SPAD接收机性能的因素，即门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数；
分别以门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数为自变量，分析不同门开时间、每符号信号光子数和每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响；
由于受到ISI干扰、信号光和环境光的影响，权衡选择出一个最佳的门开时间，在该门开时间，外部门控SPAD接收机达到最优通信性能；
所述进行接收机通信性能分析，具体包括：
在门控开启时间内，外部门控SPAD接收机接收‘1’信号的概率计算公式如下：
P11＝1-exp[-λ1(Tg-TBg)PDE]
P10＝exp[-λ1(Tg-TBg)PDE]
其中，P11表示传输‘1’并正确接收为‘1’的概率，P10表示传输‘1’被错误接收为‘0’的概率，Tg表示门开时间，TBg表示阻塞时间，PDE表示光子探测效率，λ1表示‘1’bit对应的光子数，由每符号信号光子数Ks和每符号环境光光子数Kb组成，表示为：
λ1＝Ks+Kb
外部门控SPAD接收机接收‘0’信号的概率计算公式如下：
P01＝1-exp[-λ0(Tg-TBg)PDE]
P00＝exp[-λ0(Tg-TBg)PDE]
其中，P00表示传输‘0’并正确接收为‘0’的概率，P01表示传输‘0’被错误接收为‘1’的概率，λ0表示‘0’bit对应的光子数，由每符号环境光光子数Kb组成，表示为：
λ0＝Kb
对于外部门控SPAD接收机，通信误码率BERgate计算公式如下：
Figure FDA0004081410290000021
综上，每符号信号光子数和每符号环境光光子数影响外部门控SPAD接收机的通信性能。
2.根据权利要求1所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，使门关时间长于一个死区时间，能避免ISI串扰。
3.根据权利要求1所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，在门关时间内，外部门控SPAD接收机无法探测光子，会导致损失掉一部分光子，但同时避免了环境光子的入射所产生的错误计数。
4.根据权利要求1所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，所述构建外部门控SPAD接收机的光子计数模型表达式如下：
在门开时间内，外部门控SPAD接收机的最大光子计数K'max计算公式为：
Figure FDA0004081410290000022
式中，Tg表示门开时间，Td表示死区时间；
在门开时间内，外部门控SPAD接收机的入射光子数λ'k计算公式为：
λ'k＝λ(Tg-kTd)
式中，λ表示光子速率，k表示已被探测到的光子数；
那么，对于外部门控SPAD接收机的光子计数的分布函数表示为：
Figure FDA0004081410290000031
式中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)表示为
Figure FDA0004081410290000032
对于外部门控SPAD接收机，其探测光子的均值和方差的计算公式如下：
Figure FDA0004081410290000033
Figure FDA0004081410290000034
5.根据权利要求4所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，外部门控SPAD接收机的阻塞时间TBg和死区时间Td的关系表达式如下：
Figure FDA0004081410290000035
式中，Tg表示门开时间，Td表示死区时间，Tc表示符号持续时间；Tc-Tg表示门关时间，当门关时间长于死区时间，阻塞时间为0，避免了阻塞时间对下一个符号产生时隙串扰；当阻塞时间不为0时，将会对下一个符号产生时隙串扰。
6.根据权利要求1所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，以门开时间为自变量，分析不同门开时间对外部门控SPAD接收机性能的影响，包括：
在光子通量较低时，增加门开时间将提高外部门控SPAD接收机的探测概率；在光子通量较高时，增加门开时间对外部门控SPAD接收机的探测概率改善不显著；
在光子通量较低时，误码率随着门开时间增加而降低；在光子通量较高时，误码率在某一个门开时间达到最优值，继续增加门开时间，误码率会小幅度上升。
7.根据权利要求6所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，以每符号信号光子数为自变量，分析不同每符号信号光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响，包括：
在光子通量较低时，增加每符号信号光子数，无门控自由模式SPAD接收机误码率性能优于外部门控SPAD接收机；在光子通量较高时，增加每符号信号光子数，外部门控SPAD接收机的误码率性能优于无门控自由模式SPAD接收机。
8.根据权利要求7所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，以每符号环境光光子数为自变量，分析不同每符号环境光光子数对外部门控SPAD接收机性能的影响，包括：
在光子通量较低时，外部门控SPAD接收机仅在每符号环境光光子数较大时误码率性能优于无门控自由模式SPAD接收机；在光子通量较高时，外部门控SPAD接收机误码率性能显著优于无门控自由模式SPAD接收机。
9.根据权利要求8所述的基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法，其特征在于，所述权衡选择出一个最佳的门开时间包括：
在光子通量较低的情况下，通过增加门开时间以满足光子探测的需求；对于中等光子通量，存在一个最佳的门开时间，该门开时间受ISI、信号光和环境光因素影响并通过实验获得，选择长于或短于该门开时间都会导致外部门控SPAD接收机的性能下降；对于高光子通量，根据外部门控SPAD接收机的误码率需求和每符号环境光光子数选择合适的门开时间。
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