CN204886965U - 基于光子计数的无线光通信系统 - Google Patents

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邱灏
张诗画
汪井源
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Abstract

本实用新型涉及一种基于光子计数的无线光通信系统，属于无线光通信领域，包括第一GPS授时模块、信号产生模块、信号发送模块、信号接收模块、信号探测模块和第二GPS授时模块，所述第一GPS授时模块和第二GPS授时模块分别与信号产生模块和信号探测模块相连，用于同步收发两端的时钟，所述信号产生模块产生调制好的激光信号，所述信号发送模块将激光信号发射出去，所述信号接收模块接收大气中的激光信号，所述信号探测模块将接收到的激光信号还原成码元信息。本实用新型大大提高了无线光通信系统接收端的灵敏度，可实现远距离强衰减条件下的无线光通信。

Description

基于光子计数的无线光通信系统
技术领域
本实用新型属于无线光通信领域，具体涉及一种基于光子计数的无线光通信系统。
背景技术
无线光通信是以激光为信号载体的无线通信方式，具有传输速率高、抗电磁干扰、方向性好、保密性强、无需频谱许可、无需架设光纤、组网周期短、设备轻便、搭设便捷等优点。与光纤通信相比，无线光通信的信道是条件更复杂的大气。信道中大气分子和气溶胶粒子对光子的吸收、散射，以及大气湍流导致空气折射率的变化会引起光束随机漂移、光强起伏、光信号衰减严重等现象发生。在远距离通信时存在通信易中断、误码率高、受天气因素制约等缺点。
单光子检测技术为实现远距离的无线光通信带来了新的解决方案。检测弱光信号时信号常常湮没在噪声中，传统的光电探测器无法检测，但同时弱光信号的量子性会在一定程度上表现出来。通常认为在检测弱光信号时，其光子到达服从泊松分布。弱光光子到达探测器时输出不连续的微弱光电流，一般的检测手段很难能够实现信号的识别提取。单光子探测器将光电探测模块的增益增大，将输出的离散电信号加以放大以甄别出光信号。
美国国家航空与航天局的火星激光通信演示系统，该系统通过集成多个GM-APD组成单光子探测器阵列，将收集到的信号光平均传送给每个GM-APD，使阵列中的GM-APD工作在不同的时钟，保证阵列中始终有探测器处于工作状态，即与经典的光电探测器一样处于连续工作状态，解决的时钟同步问题；但该系统成本高昂、集成复杂，不适用于大量普及。
2012年，PhilipA.Hiskett等人通过多次重发的方法，实现了水下基于光子计数的无线光通信，此方法利用单个GM-APD多次重发信号，在信号前端加上一串很长的同步序列，用于同步收发段时钟；但此方案由于同步序列很长，极大限制了系统的通信速率，很难实现高速通信。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于光子计数的无线光通信系统，提高接收端探测器的灵敏度，拓展无线光通信的通信距离。
实现本实用新型目的的技术方案为：一种基于光子计数的无线光通信系统，包括第一GPS授时模块、信号产生模块、信号发送模块、信号接收模块、信号探测模块和第二GPS授时模块，所述第一GPS授时模块和第二GPS授时模块分别与信号产生模块和信号探测模块相连，用于同步收发两端的时钟，所述信号产生模块产生调制好的激光信号，所述信号发送模块将激光信号发射出去，所述信号接收模块接收大气中的激光信号，所述信号探测模块将接收到的激光信号还原成码元信息。
本实用新型与现有技术相比，其显著效果为：
(1)本实用新型利用单光子探测器检测接收端光信号，大大提高了系统的灵敏度，拓展了无线光通信的通信距离，能实现复杂恶劣条件下的可靠通信。
(2)本实用新型利用两个GPS授时模块同步收发两端时钟，相比于单光子探测器阵列方案，简化了系统的结构、降低了系统成本；同时相比于外加同步序列方案，提高了系统的通信速率。
附图说明
图1为本实用新型的基于光子计数的无线光通信系统框图。
图2为本实用新型实施方式的基于光子计数的无线光通信系统示意图。
具体实施方式
结合图1，本实用新型的一种基于光子计数无线光通信系统，包括第一GPS授时模块、信号产生模块、信号发送模块、第二GPS授时模块、信号接收模块和信号探测模块；第一GPS授时模块和第二GPS授时模块分别与信号产生模块和信号探测模块相连，用于同步收发两端的时钟，信号产生模块产生调制好的激光信号，信号发送模块将激光信号发射出去，信号接收模块接收大气中的激光信号，信号探测模块将接收到的激光信号还原成码元信息。
进一步的，如图2所示，信号产生模块包括半导体激光器和驱动电路，驱动电路根据码元信息驱动半导体激光器，产生调制好的激光信号；
信号探测模块包括单光子探测器和判决电路，单光子探测器对接收到的光信号进行探测并输出计数值表征信号大小；判决电路将单光子探测器输出的计数值与判决门限进行比较，得到码元信息。
其中，单光子探测器包括盖革雪崩光电二极管和计数器，盖革雪崩光电二极管对接收到的光信号进行探测并输出电脉冲给计数器，计数器对电脉冲进行计数得到计数值。
进一步的，所述第一GPS授时模块和第二GPS授时模块分别对驱动电路和计数器的时钟进行同步。
其中，本实施方式中两个GPS授时模块采用摩托罗拉M12M，半导体激光器和驱动电路分别采用OSTECH公司的DSx1激光器和与激光器对应的TEC驱动电路。
本实用新型的通信过程为：
信号产生模块根据第一GPS授时模块的同步钟，由驱动电路驱动半导体激光器产生调制好的激光信号；
调制信号经过发送光学天线发送至大气，再由接收光学天线收集送至单光子探测器；
在通信前先发送信标光用于光学天线对准，在对准后开始进行通信，盖革雪崩光电二极管对接收到的信号进行探测，并将电脉冲传送给计数器；
计数器根据第二GPS授时模块的同步时钟确定计数区间，输出计数值；
判决电路通过FPGA实现，根据计数值大小与判决门限进行比较，若计数值大于等于判决门限取1，小于判决门限取0，得到码元信息；
其中判决门限为：
kth＝0.5(N0+N1)
N0为没有信号光时单光子探测器的平均计数值，N1为有信号光时单光子探测器的平均计数值；该实用新型采用的判决门限为本领域内现有的常规判决门限，在“郭志瑞.光量子计数器在深空光通信中的应用[D]，长春：长春理工大学，2012”一文中有详细记载。
本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，包括第一GPS授时模块、信号产生模块、信号发送模块、信号接收模块、信号探测模块和第二GPS授时模块，所述第一GPS授时模块和第二GPS授时模块分别与信号产生模块和信号探测模块相连，用于同步收发两端的时钟，所述信号产生模块产生调制好的激光信号，所述信号发送模块将激光信号发射出去，所述信号接收模块接收大气中的激光信号，所述信号探测模块将接收到的激光信号还原成码元信息。
2.根据权利要求1所述的基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，所述信号产生模块包括半导体激光器和驱动电路，驱动电路根据码元信息驱动半导体激光器发光，产生调制好的激光信号。
3.根据权利要求2所述的基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，所述信号探测模块包括单光子探测器和判决电路，单光子探测器对接收到的光信号进行探测并输出计数值表征信号大小，判决电路将单光子探测器输出的计数值与判决门限进行比较，计数值大于等于判决门限取1，小于判决门限取0，得到码元信息。
4.根据权利要求3所述的基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，所述单光子探测器包括盖革雪崩光电二极管和计数器，所述盖革雪崩光电二极管对接收到的光信号进行探测并输出电脉冲给计数器，计数器对电脉冲进行计数得到计数值。
5.根据权利要求4所述的基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，所述第一GPS授时模块和第二GPS授时模块分别对驱动电路和计数器的时钟进行同步。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，所述第一GPS授时模块和第二GPS授时模块的型号为摩托罗拉M12M。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的基于光子计数的无线光通信系统，其特征在于，所述半导体激光器和驱动电路的型号为OSTECH公司的DSx1激光器和TEC驱动电路。
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