[發(fā)明專利]一種基于MPPC探測的光PPM異步采樣信號的數(shù)據(jù)恢復(fù)及開環(huán)同步方法

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• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112511287A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 向勁松;張少華;張卓;胡東洋
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號: H04L7/00
• 分類號: H04L7/00;H04J3/06;H04B10/70;H04B10/524
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本發(fā)明屬于空間光通信領(lǐng)域，特別涉及一種基于MPPC探測的光PPM異步采樣信號的數(shù)據(jù)恢復(fù)及開環(huán)同步方法。本發(fā)明首先對PPM異步采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，然后分別由Quinn、Jacobsen和MacLeod算法估計信號的初始頻偏和相偏；由頻偏和相偏估計值通過相關(guān)運(yùn)算對PPM信號進(jìn)行光子數(shù)恢復(fù)，進(jìn)而求得Quinn、Jacobsen和MacLeod三種算法對應(yīng)的時隙對數(shù)似然比序列，最后從這三組時隙對數(shù)似然比序列中選擇標(biāo)準(zhǔn)差最大的序列作為糾錯譯碼器的輸入。本發(fā)明的時隙同步方法在極低的光功率下有很高的同步精度，運(yùn)算速度快，相比單個比值法有較強(qiáng)的魯棒性；對于64PPM調(diào)制信號，本發(fā)明的光子數(shù)恢復(fù)方法每信號時隙平均只需要探測到1.2個光子，可使誤碼率小于1.0e?4。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間光通信領(lǐng)域，特別涉及一種基于MPPC探測的光PPM異步采樣信號的數(shù)據(jù)恢復(fù)及開環(huán)同步方法。

背景技術(shù)

深空探測需要越來越高的傳輸能力。脈沖位置調(diào)制(PPM)結(jié)合光子探測陣列具有能量效率高、抗干擾能力強(qiáng)以及探測頻率高等優(yōu)點(diǎn)，在深空光通信研究中得到廣泛應(yīng)用。隨著深空探測的需求，具有陣列結(jié)構(gòu)的光子探測器越來越受到重視。多像素光子計數(shù)器(MPPC)作為陣列結(jié)構(gòu)的光子探測器具有高增益、快速響應(yīng)、優(yōu)良的時間分辨率、寬光譜響應(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，近年來在激光測距、激光通信等領(lǐng)域得到廣泛研究及應(yīng)用。現(xiàn)有基于MPPC實(shí)驗系統(tǒng)的傳統(tǒng)光子數(shù)恢復(fù)方法，是通過測量MPPC輸出脈沖的峰值來計量被探測到的光子數(shù)。由于MPPC輸出的脈沖尖銳，未同步之前難以采樣到峰值點(diǎn)；且當(dāng)多個光子不同到達(dá)時，各光子產(chǎn)生的電信號不能在峰值位置同時疊加，通過測量MPPC輸出脈沖的峰值很難準(zhǔn)確計量被探測到的光子數(shù)。

PPM調(diào)制的基本原理就是通過脈沖所在位置來確定其攜帶的數(shù)據(jù)信息。在PPM調(diào)制系統(tǒng)中，信源的比特信息通過脈沖在PPM符號內(nèi)的時隙位置來決定。完成數(shù)據(jù)的映射后就對激光器進(jìn)行調(diào)制，即將數(shù)據(jù)信息加載到光脈沖上，使得激光器發(fā)出受PPM調(diào)制的光脈沖序列。脈沖位置調(diào)制主要有三種類型：單脈沖位置調(diào)制(L-PPM)、多脈沖位置調(diào)制(M-PPM)和差分脈沖位置調(diào)制(D-PPM)。目前深空激光通信中主要使用的調(diào)制方式還是單脈沖位置調(diào)制。時隙同步是PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，同步系統(tǒng)建立不起來，解調(diào)就無從談起。一般PPM時隙同步主要以閉環(huán)跟蹤的鎖相環(huán)、早遲門方式為主，這種閉環(huán)時鐘同步方式由于需要進(jìn)行閉環(huán)跟蹤，系統(tǒng)不可避免的比較復(fù)雜，當(dāng)采用陣列接收時更加復(fù)雜。

快速傅里葉變換(Fast Fourier Fransform，F(xiàn)FT)運(yùn)算速度快，適合實(shí)時信號處理，在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。由于FFT的“柵欄”效應(yīng)引起頻譜泄漏,會產(chǎn)生較大的頻率測量誤差，為了減少FFT譜分析的誤差，需要頻率校正。目前已有很多的頻率校正方法，如幅值比值法、相位差法、雙窗法等。在這些方法中，比值法在目前工程信號處理中應(yīng)用最廣，也是算法最為成熟的一類頻率校正方法。自十九世紀(jì)70年代Rife和Jane提出幅值比值法，Quinn提出一種兩譜線比值法，Macleod提出一種精度更高的三譜線比值法，Jacobsen提出了一種更為簡潔的三譜線比值法，陳奎孚提出復(fù)比值法等。但上述的幅值比值法魯棒性較差，在特定的初始頻偏和相偏下頻率估計的精度很低。因此研究出了一種基于MPPC探測的光PPM異步采樣信號的數(shù)據(jù)恢復(fù)及開環(huán)同步方法，在深空探測、激光通信、熒光光譜探測和粒子物理等諸多弱光探測領(lǐng)域?qū)兄匾饬x。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決傳統(tǒng)的光子數(shù)恢復(fù)方法不準(zhǔn)確，閉環(huán)時鐘PPM時隙同步方式需要進(jìn)行閉環(huán)跟蹤，系統(tǒng)比較復(fù)雜且單個比值法魯棒性較差的問題。本發(fā)明提出一種基于MPPC探測的光PPM異步采樣信號的數(shù)據(jù)恢復(fù)及開環(huán)同步方法，包括以下步驟：

S1、用兩倍以上PPM時隙頻率的異步時鐘對MPPC輸出的電信號進(jìn)行采樣，然后對采樣信號進(jìn)行FFT運(yùn)算；

S2、分別由Quinn、Jacobsen和MacLeod三種算法估計信號的初始頻偏，進(jìn)一步求得信號的初始相偏；

S3、將采樣信號與標(biāo)準(zhǔn)單光子的沖激響應(yīng)波形進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，恢復(fù)光子數(shù)；