[發明專利]基于光子計數的無線光通信接收裝置及光信號檢測方法

有效

• 申請號: 201710059144.8
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106788739B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 汪琛;汪井源;徐智勇;朱勇;趙繼勇;李建華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: H04B10/25
• 分類號: H04B10/25;H04B10/2575;H04B10/60;G01J1/44;G01J11/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

1.一種基于光子計數的無線光通信接收裝置，其特征在于，包括光學天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測器觸發電路、單光子探測器、低通濾波器和判決電路；光學天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測器、低通濾波器和判決電路依次連接，單光子探測器觸發電路與單光子探測器連接；

所述光學天線用于接收大氣中的光信號并將光信號耦合進光纖；所述光濾波器對接收到的光信號進行濾波，濾除通信波長之外的背景光；所述可變衰減器控制進入單光子探測器的光功率大小，以保護單光子探測器；所述單光子探測器對接收到的光信號進行檢測并輸出計數脈沖；所述單光子探測器觸發電路產生門信號觸發單光子探測器工作于門控模式；所述低通濾波器用于將單光子探測器輸出的離散計數脈沖序列轉換為連續的模擬電信號，所述判決電路根據低通濾波器輸出的模擬電信號大小，設定判決門限對信號進行判決，得到信號比特信息。

2.根據權利要求1所述的基于光子計數的無線光通信接收裝置，其特征在于，所述單光子探測器包括蓋革雪崩光電二極管和比較器；

所述蓋革雪崩光電二極管用于對光信號進行檢測輸出雪崩脈沖，如果接收到光子則輸出一個雪崩脈沖給比較器；反之，則不輸出雪崩脈沖；

所述比較器用于對雪崩脈沖進行檢測，如果接收到雪崩脈沖，則輸出一個計數脈沖；反之，則不輸出計數脈沖。

3.根據權利要求1所述的基于光子計數的無線光通信接收裝置，其特征在于，所述光濾波器為1550nm的光纖濾波器。

4.根據權利要求1所述的基于光子計數的無線光通信接收裝置，其特征在于，所述單光子探測器觸發電路產生頻率為20MHz的門信號觸發單光子探測器工作于門控模式下。

5.一種基于光子計數的無線光通信接收裝置的光信號檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，光學天線接收大氣中的光信號，并將光信號耦合進光纖，傳送給光濾波器；

步驟2，光濾波器對接收到的信號進行濾波，濾除大氣中的背景光；

步驟3，可變衰減器對光信號進行衰減；

步驟4，單光子探測器觸發電路產生固定頻率的門信號驅動單光子探測器工作于門控模式下；

步驟5，單光子探測器對接收到的光信號進行檢測并輸出離散的計數脈沖序列表征光信號大小變化；

步驟6，低通濾波器將單光子探測器輸出的離散數字脈沖進行濾波，轉換為連續的模擬電信號；

步驟7，判決電路根據低通濾波器輸出的模擬電信號大小，設定判決門限進行判決，得到信號比特信息。

6.根據權利要求5所述的基于光子計數的無線光通信接收裝置的光信號檢測方法，其特征在于，所述單光子探測器包括蓋革雪崩光電二極管和比較器，步驟5具體為：

步驟5-1：蓋革雪崩光電二極管對接收到的光信號進行檢測并輸出雪崩脈沖表征接收到光子；

步驟5-2：比較器對雪崩脈沖進行檢測，如果檢測到雪崩脈沖則輸出一個計數脈沖；反之，則不輸出計數脈沖。

7.根據權利要求5所述的基于光子計數的無線光通信接收裝置的光信號檢測方法，其特征在于，步驟7中門限判決的具體過程為：

由于弱光光子到達服從泊松分布，則在t₁-t₂時間間隔內產生k個光電子的概率為：

其中，K(t₁,t₂)為在t₁-t₂時間間隔內產生的平均光電子數；

定義單位時間內的信號光子到達速率為λ_s、背景光子到達速率為λ_b、暗計數率為λ_d、開門時間為t_w、探測器量子效率為η，得到單個門內產生的平均光電子數為：

K(0,t_w)＝(ηλ_s+ηλ_b+λ_d)t_w (2)

單個門內無計數脈沖輸出的概率和有計數脈沖輸出的概率分別為：

P₀＝exp[-K(0,t_w)]

P₁＝1-P₀＝1-exp[-K(0,t_w)] (3)

探測器在探測‘0’比特時，接收端只有背景光子和暗計數，則此時單個門內無計數脈沖輸出的概率和有計數脈沖輸出的概率分別為：

P₀₀＝exp[-(ηλ_b+λ_d)t_w] (4)

P₀₁＝1-exp[-(ηλ_b+λ_d)t_w] (5)

同理，探測器在探測‘1’比特時，接收端有信號光子，背景光子和暗計數，探測‘1’比特時單個門內無計數脈沖輸出的概率和有計數脈沖輸出的概率分別為：

P₁₀＝exp[-(ηλ_s+ηλ_b+λ_d)t_w] (6)

P₁₁＝1-exp[-(ηλ_s+ηλ_b+λ_d)t_w] (7)

定義比特時間內探測器開門次數為n，比特時間內所有門的輸出看成是n次獨立重復試驗，所有門的總計數值服從二項分布B～(n,p)；可得探測‘0’比特時，比特時間內輸出總計數值m的概率質量函數為：

同理，探測‘1’比特時，比特時間內輸出總計數值m的概率質量函數為：

當判決門限k_th為Pa(m)與Pb(m)兩條曲線的交點坐標時，系統誤碼率達到最低，即Pa(m)與Pb(m)大小相等時；

將計數脈沖序列經過低通濾波器之后的波形為連續的模擬電信號，其為各個時刻上相鄰n個門輸出的計數脈沖電壓大小V與產生計數脈沖概率之積，即某時刻上輸出計數脈沖電壓大小的期望值； 通過計算可得最佳判決門限表達式為：

根據最佳判決門限表達式(10)在判決電路中設定最佳的判決門限進行判決。