基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法技术

本发明专利技术属于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。本发明专利技术设计门控模式，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。以有效提升外部门控SPAD接收机的通信性能。以有效提升外部门控SPAD接收机的通信性能。

【技术实现步骤摘要】
基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法


[0001]本专利技术属于SPAD高速通信
，特别涉及一种基于外部门控抗ISI干扰的SPAD高速接收方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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，本专利技术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。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0006]本专利技术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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]进一步地，使门关时间长于一个死区时间，能避免ISI串扰。
[0012]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。
[0013]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：
[0014]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：
[0015][0016]式中，T
g
表示门开时间，T
d
表示死区时间；
[0017]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：
[0018]λ
k
'＝λ(T
g
‑
kT
d
)
[0019]式中，λ表示光子速率，k表示已被探测到的光子数；
[0020]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：
[0021][0022]式中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)表示为
[0023]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：
[0024][0025][0026]进一步地，外部门控SPAD接收机的阻塞时间T
Bg
和死区时间T
d
的关系表达式如下：
[0027][0028]式中，T
g
表示门开时间，T
d
表示死区时间，T
c
表示符号持续时间；T
c
‑
T
g
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。
[0029]进一步地，所述进行接收机通信性能分析，具体包括：
[0030]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：
[0031]P
11
＝1
‑
exp[
‑
λ1(T
g
‑
T
Bg
)PDE][0032]P
10
＝exp[
‑
λ1(T
g
‑
T
Bg
)PDE][0033]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K
s
和环境光光子数K
b
组成，表示为：
[0034]λ1＝K
s
+K
b
[0035]外部门控SPAD接收机接收
‘0’
信号的概率计算公式如下：
[0036]P
01
＝1
‑
exp[
‑
λ0(T
g
‑
T
Bg
)PDE][0037]P
00
＝exp[
‑
λ0(T
g
‑
T
Bg
)PDE][0038]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K
b
组成，表示为：
[0039]λ0＝K
b
[0040]对于外部门控SPAD接收机，通信误码率BER
gate
计算公式如下：
[0041][0042]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。
[0043]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：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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：式中，T
g
表示门开时间，T
d
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(T
g
‑
kT
d
)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：式中，i表示第i个光子计数，函数u(i,λ)表示为对于外部门控SPAD接收机，其探测光子的均值和方差的计算公式如下：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：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T
Bg
和死区时间T
d
的关系表达式如下：式中，T
g
表示门开时间，T
d
表示死区时间，T
c
表示符号持续时间；T
c
‑
T
g
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5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：P
11
＝1
‑
exp[
‑
λ1(T
g
‑
T
Bg
)PDE]P
10
＝exp[
‑
λ1(T
g
‑
T
Bg
)PDE]其中，P11表示传输
...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆昱，朱义君，王超，薛婧姝，韩胜涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：