基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统及方法，所述方法包括发送端流程和接收端流程两部分：发送端包括：对数据进行编码、调制、组帧后通过激光器将数据流发出；接收端包括：首先，对单光子探测器输出离散的电脉冲序列进行采集和计数，完成对数据的同步；然后，根据同步时钟得到PPM码元时隙内的脉冲计数值，并使用脉冲计数值代替对应时隙的概率似然比；最后，对PPM码元时隙内的最大脉冲计数值进行搜索，确定码元中脉冲时隙的位置，进而完成数据解调。本发明专利技术使得通信系统能够在不同接收光功率下，准确地完成信号解调，提高了水下单光子通信系统在不同接收光功率下的整体鲁棒性。下的整体鲁棒性。下的整体鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统及方法


[0001]本专利技术属于光通信领域，涉及光通信PPM解调，尤其是一种基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统及方法。

技术介绍

[0002]水下无线光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC）是一种将信息加载到450nm
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570nm蓝绿光上进行水下通信的方式。相较于传统的射频通信和水声通信，无线光通信具有承载信息能力强、传输速率高、成本低，端机体积小，安全性高等优点。由于受吸收、散射和湍流效应的影响，水下信道特性十分复杂，导致无线光通信在远距离、弱链路的情况下存在链路易中断、误码率高、突发错误多等诸多通信问题。随着半导体器件的发展，高灵敏度的检测器件不断出现。单光子探测器可以探测到10
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w光子量级水平的光信号，可认为是现阶段光电检测领域的极限。在水下无线光通信中使用具有极高灵敏度的单光子探测器代替传统检光二极管，可以有效解决水下通信距离受限的问题。
[0003]在单光子通信系统中，单光子探测器输出的是离散的电脉冲信号。单光子通信系统中的数据恢复原理是将时隙内产生的脉冲信号数量与判决阈值进行比较得到原始信息，所以需要对脉冲序列进行计数。复杂的水下信道特性及通信距离等因素会影响到接收端的接收光功率，导致难以选择合适的判决阈值。如果判决阈值选择不合适，则会导致系统通信性能较差。
[0004]脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）的基本原理是：脉冲在序列中出现的相对位置受调制信号控制，通过利用调制信号来改变脉冲在序列中出现的位置进而完成信息传递。一般将m比特的二进制信息映射到2
m
个PPM码元时隙中，且在这2
m
个时隙中仅有一个时隙含有脉冲，其余时隙中均没有脉冲，而含有脉冲的时隙在这2
m
个时隙中的位置就反应了原m比特的信息。与其他调制方式相比，PPM的主要优点在于功率利用率高、误码率较低。
[0005]目前单光子通信系统的PPM解调方案中，硬判决解调方法是将码元时隙内脉冲数量与判决阈值作比较，当大于所设阈值时，判为比特信息“1”，反之，则判为信息比特“0”。判决阈值选择不合适则会导致较高的误码率。传统软判决解调方法是利用所有时隙的软输出计算出每个时隙的似然比，进一步计算后验概率，确定脉冲位置，进行解调。
[0006]单光子通信系统中，实际信道特性经常是未知和难以准确建模的。通常使用韦伯近似或高斯近似来模拟探测器输出的电子计数进行解调，然后利用输出的概率密度函数来计算每时隙的似然比。这种算法复杂度高、参数多、计算繁琐，且平均每时隙到达的信号光子数和噪声光子数在实际状态中难以准确估计。由于计算时隙似然比算法复杂度高，故传统软判决方法往往难以实现，系统性能难以提高。

技术实现思路

[0007]软判决解调避免了对PPM脉冲位置的先期判决而带来的软信息的损失，从而降低
了误码率。针对现有软判决解调方法复杂度高、参数多、计算繁琐的问题，本专利技术提供一种基于单光子计数的无线光通信PPM软解调方法；为了提高水下单光子通信系统在不同接收光功率情况下的整体鲁棒性，使系统适应不同的判决阈值条件，本专利技术提供一种基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统。
[0008]实现本专利技术目的的技术方案是：基于单光子计数的无线光通信PPM软解调方法，包括发送端流程和接收端流程两部分：发送端流程包括：对数据进行编码、PPM调制，然后将码元与帧头组帧后通过激光器将数据流发出；接收端流程包括：光信号到达单光子探测器，单光子探测器输出离散的电脉冲序列，对电脉冲序列进行处理，完成对电脉冲信号的采集和计数，并完成对数据的同步；对同步时钟信号连续高低电平内的脉冲计数值进行计数，得到PPM码元每个时隙内的脉冲计数值；使用PPM码元时隙内的脉冲计数值代替该时隙的概率似然比；对PPM码元时隙内的最大脉冲计数值进行搜索，从而确定PPM码元中脉冲时隙的位置；根据发送端PPM码元与原始数据的映射关系，即可完成解调、译码，恢复出原始数据。
[0009]接收端对PPM码元中任意单个码元数据处理包括如下步骤：S1，在完成帧同步后，对单个码元每个时隙内的脉冲数量进行计数，使用码元时隙内的脉冲计数值来代替该时隙的概率似然比；S2，计算码元内每个时隙的后验概率，某一时隙的后验概率等于该时隙的概率似然比与码元内所有时隙的概率似然比之和的比值，则此时，某一时隙的后验概率等于该时隙的脉冲计数值与码元内所有时隙的脉冲计数值之和的比值；S3，码元内后验概率最大的时隙就认为是PPM码元中脉冲所在的位置；在S2的后验概率计算中，对于同一码元内的每一时隙而言，该码元内所有时隙的脉冲计数值之和是不变的，因此，码元内后验概率最大的时隙即是脉冲计数值最大的时隙，将码元内所有时隙的脉冲计数值作比较，搜索出码元内脉冲计数值最大的时隙，此时，脉冲计数值最大的时隙即是PPM码元中脉冲所在的位置；S4，根据比特信息与PPM码元的映射关系，恢复出码元对应的比特信息，完成解调。
[0010]按照S1到S4单个码元数据处理步骤依次对全部码元数据进行处理，还原发送端信息。
[0011]实现上述方法的基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统，包括发送端和接收端；所述发送端包括第一计算机、发射机、激光驱动模块和激光器；所述第一计算机与发射机、激光驱动模块和激光器顺序连接，激光器发射出的激光到达水下信道；所述发射机包括编码调制器和成帧器；所述编码调制器与所述第一计算机连接，
所述成帧器与所述激光驱动模块连接；所述接收端包括凸透镜、窄带滤光片、单光子探测器、接收机和第二计算机；所述单光子探测器、接收机和第二计算机顺序连接，所述窄带滤光片设置在所述单光子探测器的前方，所述凸透镜设置在所述窄带滤光片的前方，凸透镜与水下信道相对应；所述接收机包括脉冲采集器、计数器、同步器和解调解码器；所述脉冲采集器与所述单光子探测器连接，所述解调解码器与所述第二计算机连接。
[0012]所述发射机和接收机均选用现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，简称FPGA）作为主控芯片。
[0013]本专利技术的技术特点和显著效果：针对水下单光子通信的信号特点，使用某一时隙内的脉冲计数值代替该时隙的似然比来近似计算该时隙的后验概率，此时，某一时隙内的后验概率的值就近似等于该时隙的脉冲计数值与码元内所有时隙的脉冲计数值之和的比值。采用这种方法，无需经过复杂计算得到每个时隙内的似然比，可以较为方便地求出后验概率，完成数据解调。
[0014]本专利技术为基于单光子计数的PPM解调系统及方法，为提高系统差错性能提供重要技术参考。本专利技术无需知道信道的详细信息，对于信道特性复杂的场景仍然适应，最大限度降低了在不同接收光功率下，判决阈值选择所带来的对系统通信性能的影响。本专利技术使得通信系统能够在不同接收光功率下，准确地完成信号解调，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于单光子计数的无线光通信PPM软解调方法，其特征在于，包括发送端流程和接收端流程两部分：发送端流程包括：对数据进行编码、PPM调制，然后将码元与帧头组帧后通过激光器将数据流发出；接收端流程包括：光信号到达单光子探测器，单光子探测器输出离散的电脉冲序列，对电脉冲序列进行处理，完成对电脉冲信号的采集和计数，并完成对数据的同步；对同步时钟信号连续高低电平内的脉冲计数值进行计数，得到PPM码元每个时隙内的脉冲计数值；使用PPM码元时隙内的脉冲计数值代替该时隙的概率似然比；对PPM码元时隙内的最大脉冲计数值进行搜索，从而确定PPM码元中脉冲时隙的位置；根据发送端PPM码元与原始数据的映射关系，即可完成解调、译码，恢复出原始数据。2.根据权利要求1所述的基于单光子计数的无线光通信PPM软解调方法，其特征在于，接收端对PPM码元中任意单个码元数据处理包括如下步骤：S1，在完成帧同步后，对单个码元每个时隙内的脉冲数量进行计数，使用码元时隙内的脉冲计数值来代替该时隙的概率似然比；S2，计算码元内每个时隙的后验概率，某一时隙的后验概率等于该时隙的概率似然比与码元内所有时隙的概率似然比之和的比值，则此时，某一时隙的后验概率等于该时隙的脉冲计数值与码元内所有时隙的脉冲计数值之和的比值；S3，码元内后验概率最大的时隙就认为是PPM码元中脉冲所在的位置；在S2的后验概率计算中，对于同一码元内的每一时隙而言，该码元内所有时隙的脉冲计数值之和是不变的，因此，码元内后验概率最大的时隙即是脉冲计数值最大的时隙，将码元内所有时隙的脉冲计数值作比较，搜索出码元内脉冲计数值最大的时隙，此时，脉冲计数值最大的时隙即是PPM码元中脉冲所在的位置；S4，根据比特信息与PPM码元的映射关系，恢复出码元对应的比特信息，完成解调。3.基于单光子计数的无线光通信PPM软解调系统，其特征在于，包括发送端和接收端；所述发送端包括第一计算机、发射机、激光驱动模块和激光器；所述第一计算机与发射机、激光驱动模块和激光器顺序连接，激光器发射出的激光到达水下信道；所述发射机包括编码调制器和成帧器；所述编码调制器与所述第一计算机连接，所述成帧器与所述激光驱动模块连接；所述接收端包括凸透镜、窄带滤光片、单光子探测器、接收机和第二计算机；所述单光子探测器、接收机和第二计算机顺序连接，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖珺，李金川，马春波，石俊杰，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：