CN114285486A - 基于外部门控的spad阵列协同的高速接收方法 - Google Patents

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的SPAD阵列协同的高速接收方法，包括通过使用高速开关将符号时间Tc划分成N个阶段，每个阶段的外部门均用于控制单个SPAD接收机的选通，每段时间Tc/N作为单门控SPAD接收机的门开时间，在得到N段SPAD输出后，将它们按顺序组合成一个数据流，故整个门控SPAD阵列接收机的等效门开时间为整个符号时间；构建门控SPAD阵列接收机的计数模型和门控SPAD阵列接收机的误码率模型。本发明设计门控模式有效的减小ISI干扰和避免环境光光子；与单门控SPAD接收机相比，门控SPAD阵列接收机增加了等效门开时间，降低了对信号光子通量的需求，提升了探测效率；与同规模SPAD阵列接收机相比，本发明在高光通量下通信性能更优。

Description

基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法

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的SPAD阵列协同的高速接收方法。

背景技术

在光无线系统中，SPAD探测器作为接收机，可应用在功率受限或远距离场景下通信。然而，SPAD的死时间会制约接收机通信性能。在符号持续时间中，光子到达所产生的死时间会拓展到后续的符号周期中，产生光子计数阻塞。尤其是符号时间可能与死时间相当时，死时间引起的时隙串扰(ISI)将更为严重的制约着接收机的性能。为减缓ISI在SPAD应用中的影响，通常采用较长的符号周期，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。或选择较大规模的SPAD阵列，以阵列的结构减轻死时间导致的ISI失真。这些方法牺牲了通信速率或增加了接收机规模和成本，在高速小规模SPAD阵列的应用有限。

为实现小规模SPAD阵列的高速通信。LongZhang团队使用均衡技术以减轻ISI干扰，并估计了均衡所需的额外功率。Shenjie Huang团队提出了一种新的方案，把光子到达时间和光子计数信息用于符号检测，以减轻ISI的影响，但这种方案一定程度上的增加了接收机的复杂性和成本。

我们期望将小规模SPAD阵列用于高速通信，在兼顾高灵敏度的同时还可以一定程度的抑制ISI失真且具有较低的复杂度。将外部门控的方案应用于SPAD接收机是一种潜在的选择。

通过给予外部选通信号以实现SPAD特定时间内的开启和关闭，光子探测仅发生在门开时间，在门关时间内SPAD无法探测光子。如果将门控模式应用于OWC通信，通过设置合适的门开时间可有效的减小ISI干扰和避免不需要的光子，但有限的门开时间使得门控模式需要足够的信号光子通量以确保SPAD的响应。单一门控模式在一定程度上牺牲了SPAD的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，设计门控模式有效的减小ISI干扰和避免环境光光子；与单门控SPAD接收机相比，门控SPAD阵列接收机增加了等效门开时间，降低了对信号光子通量的需求，提升了探测效率。

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的SPAD阵列协同的高速接收方法，包括以下步骤：

通过使用高速开关将符号时间T_c划分成N个阶段，每个阶段的外部门均用于控制单个SPAD接收机的选通，每段时间T_c/N作为单门控SPAD接收机的门开时间，在得到N段SPAD输出后，将它们按顺序组合成一个数据流，将探测到的数据流组合重构成整个符号信息，故整个门控SPAD阵列接收机的等效门开时间为整个符号时间；

构建门控SPAD阵列接收机的计数模型和门控SPAD阵列接收机的误码率模型，从而提取影响门控SPAD阵列接收机性能的主要因素，即判决门限、信号光子数和环境光光子数；

分别以信号光子数和环境光光子数为自变量，分析不同信号光子数和环境光光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，判决门限根据信号光和环境光自适应改变。

进一步地，对于每个阶段的单门控SPAD接收机，使门关时间长于一个死区时间，能避免ISI串扰；在门关时间内，单门控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，将N段SPAD的输出按顺序组合成一个数据流包括：

一个通道的锁存器用于锁存一个阶段的单门控SPAD接收机的探测结果，在门控开启后，如果锁存器检测到光子信号的上升沿则将结果锁存，并将结果储存到每个符号周期结束，在最后一个阶段的单门控SPAD接收机探测结束后进行计数求和，并与判决门限比较，高于判决门限则被判决为逻辑1的状态。

进一步地，所述构建门控SPAD阵列接收机的计数模型包括：

每个阶段的单门控SPAD接收机的门开时间是T_c/N，门关时间T_off为

N个SPAD构成的阵列输出Y由阵列所有输出求和表示为：

式中，k_i′表示阵列中第i个SPAD输出的光子数；

对于由N个SPAD构成的门控SPAD阵列接收机，其计数均值μ_Y和方差

的计算公式如下：

式中，

表示阵列中第i个SPAD的输出光子数的计数均值，

表示阵列中第i个SPAD的输出光子数的计数方差。

进一步地，所述构建门控SPAD阵列接收机的误码率模型包括：

每个符号时间是由N个单元组成，每个符号的数据将由每个单元的光子计数求和给出，在门控开启时间内，门控SPAD阵列接收机的概率质量函数的计算公式为：

式中，N_k是集合{1,2,…,N}中选择K个整数的所有子集的集合，θ^c是θ的补集，PED是SPAD的光子探测效率，T_Bg是阻塞时间，λ表示入射光子数；

门控SPAD阵列接收机的误码率表达式如下：

式中，λ₀表示‘0’bit的平均信号光子数，主要取决于环境光光子数K_b，表示为λ₀＝K_b；λ₁表示‘1’bit的平均信号光子数，由信号光子数K_s和环境光光子数K_b组成，表示为λ₁＝K_s+K_b；Nth表示判决门限，误码率除了取决于信号光子数和环境光光子数，还取决于判决门限，选择合适的判断门限以抵抗环境光的干扰，如果门关时间大于死区时间，则忽略ISI串扰影响，这时最优的判决门限根据最大似然准则给出，如果门关时间小于死区时间，最优的判决门限需要考虑阻塞时间T_Bg的影响。

进一步地，以信号光子数为自变量，分析不同信号光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，包括：

随着信号光子数的增加，门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机、单个无门控SPAD接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率均下降；

在信号光子通量较低时，增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机，单个无门控SPAD接收机的误码率性能优于单门控SPAD接收机；

在信号光子通量较高时，增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单门控SPAD接收机，单门控SPAD接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机；

在信号光子通量较低时，增加信号光子数，同规模SPAD阵列接收机的误码率性能优于门控SPAD阵列接收机；在信号光子通量较高时，增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于同规模SPAD阵列接收机。

进一步地，以环境光光子数为自变量，分析不同环境光光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，包括：

随着环境光光子数的增加，门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机、单个无门控SPAD接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率均增加；

在信号光子通量较低时，单门控SPAD接收机仅在环境光光子数较大时误码率性能优于单个无门控SPAD接收机，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机和单门控SPAD接收机；在信号光子通量较高时，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单门控SPAD接收机，单门控SPAD接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机；

在信号光子通量较低时，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能与同规模SPAD阵列接收机相当；在信号光子通量较高时，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能明显优于同规模SPAD阵列接收机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、与无门控SPAD接收机相比，本发明的门控SPAD阵列接收机将门控模式应用于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，每个阶段的单门控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，就能克服SPAD高速通信时的ISI串扰，有效的提升SPAD高速通信的性能。在门关时间内，SPAD无法探测光子，虽然会损失掉一部分光子，但是也避免了环境光子的入射产生错误计数，增加抗环境光能力。

2、单一门控模式的SPAD接收机具有有限的门开时间，有限的门开时间使得门控模式需要足够的信号光子通量(当信号光子通量较低时可能会导致在有限门开时间内漏接信号光子)以确保SPAD的响应，有限的门开时间会在一定程度上牺牲SPAD的灵敏度，针对单一门控模式的这种性能不足，本发明提出多门控协同SPAD阵列，多个SPAD相互协同，通过增加等效门开时间，降低了单一门控模式的SPAD接收机的光子通量需求，克服了有限门开时间导致的灵敏度降低性能下降的问题，以实现探测性能效率的提升。

3、根据门控SPAD阵列接收机的计数特征，通过选择合适的判决门限可有效的提升门控SPAD阵列接收机的性能，包括抗环境光性能和误码率性能。

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是将4个SPAD的输出锁存后创建单个数据流的高速通信的示意图；

图3是本发明实施例的门控SPAD阵列接收机协同选通示意图；

图4是存在ISI干扰的外部门控SPAD接收机输出特性图；

图5是信号光子数对门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机和单个无门控SPAD接收机的误码率(BER)性能的影响曲线图；

图6是环境光光子数对门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机和单个无门控SPAD接收机的误码率(BER)性能的影响曲线图，图6(A)的设定条件是T_c＝1.5T_d，图6(B)的设定条件是T_c＝T_d；

图7是信号光子数对门控SPAD阵列接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率性能的影响曲线图，图7(A)的设定条件是T_c＝T_d，图7(B)的设定条件是T_c＝1.5T_d；

图8是环境光光子数对门控SPAD阵列接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率性能的影响曲线图，图8(A)的设定条件是T_c＝T_d，图8(B)的设定条件是T_c＝1.5T_d。

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。

(1)如图1所示，下面介绍下单个无门控SPAD接收机存在ISI干扰的输出特性，由于SPAD对光子到达极为敏感，在每次光子触发的雪崩事件时，SPAD的输出脉冲可以被检测，然而，SPAD在检测光子的死时间内无法响应其他入射光子，会导致一些计数损失。图1中T_L是上一个符号的光子到时间，T_E是雪崩结束时间，T_st是符号开始时间，T_c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T_B，这个阻塞时间可表示为：

T_B＝max{T_d-(T_st-T_L),0}

其中，T_d是死区时间，T_st和T_L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T_c-T_B。

由于ISI的存在，SPAD的最大光子计数K_MAX计算公式为：

实际的入射光子数λ_K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λ_K计算公式为：

λ_K＝λ(T_C-T_B-kT_d)

那么，当ISI存在时，SPAD的光子计数的分布函数可表示为：

其中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)可表示为：

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：

显然，从结果可知，阻塞时间T_B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。阻塞时间T_B会引起ISI串扰，影响SPAD在下一个符号时间探测光子，这段阻塞时间SPAD将无法探测到光子，造成计数损失。

(2)下面再介绍下小规模SPAD接收机，主要是通过对多个SPAD的泊松输出信号进行锁存后创建成单个数据流，如图2所示，对4个SPAD的输出进行合并可采用锁存组合的方案，具体是：在一个符号周期内，每个通道的锁存器锁存的方式是输入信号的上升沿锁存，并将锁存结果储存到每个符号结束，最后将所有锁存结果计数求和，如果求和结果高于门限电平，则被计数为1的状态，最后的输出相较于原数据信号右移了一个符号周期。这种SPAD阵列接收机相较于单个SPAD接收机误码率性能得到很大提升。

本方案将时间门控应用于SPAD接收机以减轻ISI干扰，对于单门控SPAD接收机，使门关时间长于一个死区时间，能避免ISI串扰；在门关时间内，单门控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，增加抗环境光能力。对于单门控SPAD接收机，门控SPAD接收机的光子计数仅发生在门开时间，所以相比无门控模式SPAD，单门控SPAD接收机损失了一定的光子数，包括环境光光子数和信号光子数；在死区时间结束之前，无论外部信号如何变化，SPAD均处于关闭模式，无法探测其他光子。因此，对于单门控SPAD接收机，如图4所示，如果符号时间T_c大于死区时间T_d，门控模式发生时隙串扰，其阻塞时间T_Bg满足T_Bg∈[0,T_g]。如果死区时间T_d满足T_d>T_c+T_g，则在下一次门控开启时SPAD必然不会响应光子，T_g为门开时间，门控模式的阻塞时间T_Bg和死区时间T_d的关系可表示为：

由以上可知，通过设计合理的门开时间和门关时间，可有效地减小ISI串扰和避免环境光光子，但是单门控SPAD接收机有限的门开时间使得门控模式需要足够的光子通量以确保SPAD的响应，在较低信号光子通量时，在有限门开时间内可能会漏接光子，单门控SPAD接收机不响应，使得门控SPAD接收机的灵敏度下降。为弥补单门控SPAD接收机这种性能的不足，本实施例提出一种基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，具体包括以下步骤：

步骤S11，如图3所示，通过使用高速开关将符号时间T_c划分成N个阶段，每个阶段的外部门均用于控制单个SPAD接收机的选通，每段时间T_c/N作为单门控SPAD接收机的门开时间，在得到N段SPAD输出后，将它们按顺序组合成一个数据流，将探测到的数据流组合重构成整个符号信息，故整个门控SPAD阵列接收机的等效门开时间为整个符号时间。

将N段SPAD的输出按顺序组合成一个数据流可参照图2的锁存方案，具体为：一个通道的锁存器用于锁存一个阶段的单门控SPAD接收机的探测结果，在门控开启后，如果锁存器检测到光子信号的上升沿则将结果锁存，并将结果储存到每个符号周期结束，在最后一个阶段的单门控SPAD接收机探测结束后进行计数求和，并与判决门限比较，高于判决门限则被判决为逻辑1的状态。

所述门控SPAD阵列接收机采用门控模式可以有效减轻ISI串扰和避免环境光光子，同时多个SPAD的顺序开启延长了接收机的等效门开时间，该等效门开时间为整个符号时间，克服了单门控SPAD接收机的有限门开时间导致灵敏度下降的问题。

步骤S12，构建门控SPAD阵列接收机的计数模型和门控SPAD阵列接收机的误码率模型，从而提取影响门控SPAD阵列接收机性能的主要因素，即判决门限、信号光子数和环境光光子数。

具体的，所述构建门控SPAD阵列接收机的计数模型包括：

每个阶段的单门控SPAD接收机的门开时间是T_c/N，门关时间T_off为

N个SPAD构成的阵列输出Y由阵列所有输出求和表示为：

式中，k_i′表示阵列中第i个SPAD输出的光子数；

对于由N个SPAD构成的门控SPAD阵列接收机，其计数均值μ_Y和方差

的计算公式如下：

式中，

表示阵列中第i个SPAD的输出光子数的计数均值，

表示阵列中第i个SPAD的输出光子数的计数方差。

所述构建门控SPAD阵列接收机的误码率模型包括：

每个符号时间是由N个单元组成，每个符号的数据将由每个单元的光子计数求和给出，在门控开启时间内，门控SPAD阵列接收机的概率质量函数的计算公式为：

式中，N_k是集合{1,2,…,N}中选择K个整数的所有子集的集合，θ^c是θ的补集，PED是SPAD的光子探测效率，T_Bg是门控阻塞时间，λ表示入射光子数。

门控SPAD阵列接收机的误码率表达式如下：

式中，λ₀表示‘0’bit的平均信号光子数，主要取决于环境光光子数K_b，表示为λ₀＝K_b；λ₁表示‘1’bit的平均信号光子数，由信号光子数K_s和环境光光子数K_b组成，表示为λ₁＝K_s+K_b；Nth表示判决门限，误码率除了取决于信号光子数和环境光光子数，还取决于判决门限，如果门关时间大于死区时间，则忽略ISI串扰影响，这时最优的判决门限根据最大似然准则给出，如果门关时间小于死区时间，最优的判决门限需要考虑阻塞时间T_Bg的影响。选择合适的判决门限，以抵抗环境光的干扰，提升通信性能。

步骤S13，分别以信号光子数和环境光光子数为自变量，分析不同信号光子数和环境光光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，判决门限根据信号光和环境光自适应改变。

下面以4个SPAD接收机组成门控SPAD阵列接收机为例，实现在符号时间内的完全曝光，性能与单门控SPAD接收机、单个无门控SPAD接收机和同规模SPAD阵列接收机对比。

如图5所示，设定环境光光子数K_b＝0.01，门开时间T_g为符号时间T_c的四分之一。增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机和单个无门控SPAD接收机的误码率均下降，但三种接收机的性能提升的速率不同，对于单门控SPAD接收机，有限的门开时间使其对信号光子的获取效率受限，给予同样的信号光子通量，单门控SPAD接收机通信性能提升最小，而门控SPAD阵列接收机循环开启门控，同样的信号光子通量下，性能提升最为明显。对于单个无门控SPAD接收机，虽然可以实现栅极的完全曝光，但是光子到达引起的ISI串扰使得实际的曝光时间减少，对光子的灵敏度小于门控SPAD阵列接收机。此外，随着信号光子通量的增加，栅极曝光时间对SPAD的性能影响减小，接收机的最佳通信性能受环境光光子制约，单个无门控SPAD接收机达到误码率极限，不再随着信号光子通量增加而改变，单门控SPAD接收机有限的门开时间避免了一定的光子入射，提升了误码率性能，而对于门控SPAD阵列接收机，可通过改变判决门限以达到优于单门控SPAD接收机的性能。

如图7所示，为考虑ISI串扰的影响，我们的对比验证工作是在T_c＝T_d和T_c＝1.5T_d的条件下进行的，T_c＝T_d时，ISI串扰更为严重，且门控SPAD阵列接收机也存在一定的ISI串扰，而在Tc＝1.5Td时，门控SPAD阵列接收机ISI串扰较弱，同规模SPAD阵列接收机仍存在ISI串扰。在信号光子通量较低时，同规模SPAD阵列接收机的性能要优于门控SPAD阵列接收机；随着信号光子通量的增加，同规模SPAD阵列接收机的性能要低于门控SPAD阵列接收机，这是因为同规模SPAD阵列接收机的单个像素在符号时间内均处于曝光状态，而门控SPAD阵列接收机的单个像素仅在门开时间曝光，这使得门控SPAD阵列接收机对环境光光子接收有天然的阻碍。

如图6所示，对于单个无门控SPAD接收机，增加环境光光子数会导致误码率上升，且将光子通量K_s从5提升到30，对SPAD的性能改变不明显，单个无门控SPAD接收机的误码率性能主要由环境光所决定。对于单门控SPAD接收机，有限的门开时间使得降低了环境光光子的错误触发概率，随着环境光光子数的增加，误码率性能逐渐优于单个无门控SPAD接收机。而对于门控SPAD阵列接收机，可通过增加判决门限以抵抗环境光的干扰，性能明显优于单门控SPAD接收机。通过图6(A)和图6(B)的对比，改变了符号时间，对于单门控SPAD接收机和门控SPAD阵列接收机在T_c＝T_d时产生ISI串扰，会导致SAPD性能下降。

如图8所示，在低信号光子通量下(K_s＝5)，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率性能相当，这是因为同规模SPAD阵列接收机虽然易受环境光的干扰，但是较高的光子灵敏度使得在低信号光子通量的误码率性能优于门控SPAD阵列接收机。而在较高信号光子通量下(K_s＝30)，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能明显优于同规模SPAD阵列接收机。这是因为二者的灵敏度虽有差异，但是高信号光子通量已经满足了信号探测，接收机的误码率性能主要受环境光影响，而门控SPAD阵列接收机的单个像素的曝光时间有限，进而表现出优于同规模SPAD阵列接收机的抗环境光性能。

本发明的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，通过设计门控模式有效的减小ISI干扰和避免环境光光子；与单门控SPAD相比，门控SPAD阵列接收机增加了等效门开时间，降低了对光子通量的需求，提升了SPAD高速通信的性能，在兼顾高灵敏度的同时还可以抑制ISI干扰。

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 (7)

1.一种基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过使用高速开关将符号时间T_c划分成N个阶段，每个阶段的外部门均用于控制单个SPAD接收机的选通，每段时间T_c/N作为单门控SPAD接收机的门开时间，在得到N段SPAD输出后，将它们按顺序组合成一个数据流，将探测到的数据流组合重构成整个符号信息，故整个门控SPAD阵列接收机的等效门开时间为整个符号时间；

构建门控SPAD阵列接收机的计数模型和门控SPAD阵列接收机的误码率模型，从而提取影响门控SPAD阵列接收机性能的主要因素，即判决门限、信号光子数和环境光光子数；

分别以信号光子数和环境光光子数为自变量，分析不同信号光子数和环境光光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，判决门限根据信号光和环境光自适应改变。

2.根据权利要求1所述的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，对于每个阶段的单门控SPAD接收机，使门关时间长于一个死区时间，能避免ISI串扰；在门关时间内，单门控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。

3.根据权利要求1所述的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，将N段SPAD的输出按顺序组合成一个数据流包括：

一个通道的锁存器用于锁存一个阶段的单门控SPAD接收机的探测结果，在门控开启后，如果锁存器检测到光子信号的上升沿则将结果锁存，并将结果储存到每个符号周期结束，在最后一个阶段的单门控SPAD接收机探测结束后进行计数求和，并与判决门限比较，高于判决门限则被判决为逻辑1的状态。

4.根据权利要求1所述的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，所述构建门控SPAD阵列接收机的计数模型包括：

每个阶段的单门控SPAD接收机的门开时间是T_c/N，门关时间T_off为

N个SPAD构成的阵列输出Y由阵列所有输出求和表示为：

式中，k′_i表示阵列中第i个SPAD输出的光子数；

对于由N个SPAD构成的门控SPAD阵列接收机，其计数均值μ_Y和方差

的计算公式如下：

式中，

表示阵列中第i个SPAD的输出光子数的计数均值，

表示阵列中第i个SPAD的输出光子数的计数方差。

5.根据权利要求4所述的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，所述构建门控SPAD阵列接收机的误码率模型包括：

每个符号时间是由N个单元组成，每个符号的数据将由每个单元的光子计数求和给出，在门控开启时间内，门控SPAD阵列接收机的概率质量函数的计算公式为：

式中，N_k是集合{1,2,…,N}中选择K个整数的所有子集的集合，θ^c是θ的补集，PED是SPAD的光子探测效率，T_Bg是阻塞时间，λ表示入射光子数；

门控SPAD阵列接收机的误码率表达式如下：

式中，λ₀表示‘0’bit的平均信号光子数，主要取决于环境光光子数K_b，表示为λ₀＝K_b；λ₁表示‘1’bit的平均信号光子数，由信号光子数K_s和环境光光子数K_b组成，表示为λ₁＝K_s+K_b；Nth表示判决门限，误码率除了取决于信号光子数和环境光光子数，还取决于判决门限，选择合适的判断门限以抵抗环境光的干扰，如果门关时间大于死区时间，则忽略ISI串扰影响，这时最优的判决门限根据最大似然准则给出，如果门关时间小于死区时间，最优的判决门限需要考虑阻塞时间T_Bg的影响。

6.根据权利要求1所述的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，以信号光子数为自变量，分析不同信号光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，包括：

随着信号光子数的增加，门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机、单个无门控SPAD接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率均下降；

在信号光子通量较低时，增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机，单个无门控SPAD接收机的误码率性能优于单门控SPAD接收机；

在信号光子通量较高时，增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单门控SPAD接收机，单门控SPAD接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机；

在信号光子通量较低时，增加信号光子数，同规模SPAD阵列接收机的误码率性能优于门控SPAD阵列接收机；在信号光子通量较高时，增加信号光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于同规模SPAD阵列接收机。

7.根据权利要求1所述的基于外部门控的SPAD阵列协同的高速接收方法，其特征在于，以环境光光子数为自变量，分析不同环境光光子数对门控SPAD阵列接收机性能的影响，包括：

随着环境光光子数的增加，门控SPAD阵列接收机、单门控SPAD接收机、单个无门控SPAD接收机和同规模SPAD阵列接收机的误码率均增加；

在信号光子通量较低时，单门控SPAD接收机仅在环境光光子数较大时误码率性能优于单个无门控SPAD接收机，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机和单门控SPAD接收机；在信号光子通量较高时，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能优于单门控SPAD接收机，单门控SPAD接收机的误码率性能优于单个无门控SPAD接收机；

在信号光子通量较低时，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能与同规模SPAD阵列接收机相当；在信号光子通量较高时，增加环境光光子数，门控SPAD阵列接收机的误码率性能明显优于同规模SPAD阵列接收机。

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