水下光子计数无线光通信系统调制解调技术的研究
发布时间：2021-11-16 00:47
为了实现远距离水下无线光通信,超高灵敏度的单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD）被研究作为光信号检测器件。由于单光子探测器输出离散的单光子脉冲信号,传统无线光通信系统的信号解调技术并不能应用在光子计数无线光通信系统中。此外,水下信道多变性、光量子效应和光子探测的随机过程会对远距离光子计数系统的通信链路和性能产生影响。因此,本文针对水下光子计数无线光通信系统远距离通信的需求,围绕光子计数无线光通信调制解调技术和可靠数据传输展开研究,主要研究内容及成果如下:1.提出了一种直接从SPAD输出的离散随机脉冲序列中恢复时钟和数据的方法。在此基础上,建立了一种新的通信模型,该模型不仅考虑了时隙中光子通量的波动和光子检测的量子效率,还考虑了由此引起的恢复时钟的相位差。通过实验验证了不同系统参数对平均误码率（Bit Error Rate,BER）的影响。实验结果表明,在一个时隙内平均只有10个光子的情况下,可以实现误码率为3.51×10-4、波特率为1Mbps、最大理论通信距离为362m的水下光子计数通信。2.考虑到时隙内光子数量的变化对系统性能的影响...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１水下光子计数无线光通信系统实验装置??
??第２章时钟同步与数据提取方法????Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ｊ?０?０?０?１?０?１??ｓｉｇｎａｌ???????Ｉ?Ｉ????Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ??ｏｐｔｉｃａｌ?ｓｉｇｎａｌ??Ｓｉｔ：ｒ?“Ｉ?ｍ?ｉｉｉ??Ｔｉｍｅ－ｓｌｏｔ?Ｉ??ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ??ｃｌｏｃｋ???’?［??’?［?????Ｃｏｕｎｔ?ｖａｌｕｅ?—？￣￣〇￣？?Ｑ？－？－（Ｄ？？￣??Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?｜??ｓｉｇｎａｌ??；?｜???????图２．２光子计数无线光通信系统通信原理??２．２系统模型??２．２．１?ＬＥＤ发射光场与水下信道衰减模型??在光子计数无线光通信系统中，光信号应该被看作是离散的光子流。由于光??子的聚束效应，点亮ＬＥＤ时产生的光子流不是均匀分布而是泊松分布。假设每??个时隙内的平均光子数量为／／，每个时隙内ＬＥＤ发射《个光子的概率可以表示??为：??／３（？，／ｙ）?＝?＾－ｅｘｐ（－／／）?（２．１）??ｎ＼??其中＂?＝?＾７；／ｇ，?＿Ｐｓ表示ＬＥＤ发光功率，７；表示一个时隙的长度，石表示一个??光子的能量。??在纯海水环境中，使用Ｂｅｅｒ?Ｌａｗ来描述光信号在水下的哀减特性。光彳§号??在接收端的功率６（幻＝以，其中表示光信号在水下信道中的总衰减系??数，Ｌ表示水下通信距离［５５—５６］。当ＬＨ）发出的光子数ｎ等于均值／／时，单光子??探测器输出的光子数可以表示为：??７??
钟同步与数据提取方法???对应的那路门控周期方波信号作为要恢复的时钟信号。??（ａ）?１?１?１?｜?１?｜＿??（ｂ）?ｌｌｌｉｌ；?１１１?Ｈｉｌｌ?ｊｊｊｊ??Ｉ?■?＊?＊?｜?—??（〇?｜?趨鍾?！?ｊ?ｊ?ｊ?Ｉ??？Ｉ?＊??？…??（ｄ）?１?１?１?１?１?Ｌ??｜?ｔ）?ｉ????????（ｅ＞?１?１?！?１?Ｉ?１?１?１?—??ｌ?ｔ２１??（ｆ）?｜?［｜?｜?｜?｜?｜?｜?—??ｈ??图２．３时隙同步时钟恢复原理??⑷调制信号，（ｂ）单光子脉冲信号，（ｃ）理想时隙同步时钟信号，（ｄ）第一路门控信号，（ｅ）第二??路门控时钟信号，（ｆ）第三路门控时钟信号。??２．３．２基于光子计数的信号解调方法??本章提出的数据恢复方法如图２．４所示。基于ＦＰＧＡ的数字解调器包括边沿??检测模块、计数器模块和阈值判决模块。具体的信号解调过程如下：首先，当边??沿检测模块检测到时隙同步时钟信号的上升沿和下降沿到来时，向计数器模块??输出一个标志信号。然后，接收到边沿检测模块输出的标志信号后，计数器复位??并重新统计该时钟信号比特间隔内的单光子脉冲数量。最后，阈值判决模块通过??比较每个时隙同步时钟信号内的单光子脉冲数量和所设阈值的相对大小来决定??该时隙对应的比特信息。从图２．４中可以看出，所设阈值为２，当时隙内的单光??子脉冲数量大于或等于２时，阈值判决模块延迟一个时隙同步时钟间隔后输出??高电平“１”，表明该时隙代表比特信息“１”；当时隙内的单光子脉冲数量小于２??时，阈值判决模块延迟一个时隙同步时钟间隔后输出低电平“０”，表明该时隙代
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究[J]. 闫夏超,朱江,张蜡宝,邢强林,陈亚军,朱宏权,李舰艇,康琳,陈健,吴培亨. 物理学报. 2017(19)
[2]面向水下应用的改进型光子计数通信方法[J]. 韩彪,赵卫,汪伟,苏玉龙,刘继芳. 光学学报. 2016(08)
[3]X射线通信系统的误码率分析[J]. 王律强,苏桐,赵宝升,盛立志,刘永安,刘舵. 物理学报. 2015(12)
本文编号：3497844
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１水下光子计数无线光通信系统实验装置??
??第２章时钟同步与数据提取方法????Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ｊ?０?０?０?１?０?１??ｓｉｇｎａｌ???????Ｉ?Ｉ????Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ??ｏｐｔｉｃａｌ?ｓｉｇｎａｌ??Ｓｉｔ：ｒ?“Ｉ?ｍ?ｉｉｉ??Ｔｉｍｅ－ｓｌｏｔ?Ｉ??ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ??ｃｌｏｃｋ???’?［??’?［?????Ｃｏｕｎｔ?ｖａｌｕｅ?—？￣￣〇￣？?Ｑ？－？－（Ｄ？？￣??Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?｜??ｓｉｇｎａｌ??；?｜???????图２．２光子计数无线光通信系统通信原理??２．２系统模型??２．２．１?ＬＥＤ发射光场与水下信道衰减模型??在光子计数无线光通信系统中，光信号应该被看作是离散的光子流。由于光??子的聚束效应，点亮ＬＥＤ时产生的光子流不是均匀分布而是泊松分布。假设每??个时隙内的平均光子数量为／／，每个时隙内ＬＥＤ发射《个光子的概率可以表示??为：??／３（？，／ｙ）?＝?＾－ｅｘｐ（－／／）?（２．１）??ｎ＼??其中＂?＝?＾７；／ｇ，?＿Ｐｓ表示ＬＥＤ发光功率，７；表示一个时隙的长度，石表示一个??光子的能量。??在纯海水环境中，使用Ｂｅｅｒ?Ｌａｗ来描述光信号在水下的哀减特性。光彳§号??在接收端的功率６（幻＝以，其中表示光信号在水下信道中的总衰减系??数，Ｌ表示水下通信距离［５５—５６］。当ＬＨ）发出的光子数ｎ等于均值／／时，单光子??探测器输出的光子数可以表示为：??７??
钟同步与数据提取方法???对应的那路门控周期方波信号作为要恢复的时钟信号。??（ａ）?１?１?１?｜?１?｜＿??（ｂ）?ｌｌｌｉｌ；?１１１?Ｈｉｌｌ?ｊｊｊｊ??Ｉ?■?＊?＊?｜?—??（〇?｜?趨鍾?！?ｊ?ｊ?ｊ?Ｉ??？Ｉ?＊??？…??（ｄ）?１?１?１?１?１?Ｌ??｜?ｔ）?ｉ????????（ｅ＞?１?１?！?１?Ｉ?１?１?１?—??ｌ?ｔ２１??（ｆ）?｜?［｜?｜?｜?｜?｜?｜?—??ｈ??图２．３时隙同步时钟恢复原理??⑷调制信号，（ｂ）单光子脉冲信号，（ｃ）理想时隙同步时钟信号，（ｄ）第一路门控信号，（ｅ）第二??路门控时钟信号，（ｆ）第三路门控时钟信号。??２．３．２基于光子计数的信号解调方法??本章提出的数据恢复方法如图２．４所示。基于ＦＰＧＡ的数字解调器包括边沿??检测模块、计数器模块和阈值判决模块。具体的信号解调过程如下：首先，当边??沿检测模块检测到时隙同步时钟信号的上升沿和下降沿到来时，向计数器模块??输出一个标志信号。然后，接收到边沿检测模块输出的标志信号后，计数器复位??并重新统计该时钟信号比特间隔内的单光子脉冲数量。最后，阈值判决模块通过??比较每个时隙同步时钟信号内的单光子脉冲数量和所设阈值的相对大小来决定??该时隙对应的比特信息。从图２．４中可以看出，所设阈值为２，当时隙内的单光??子脉冲数量大于或等于２时，阈值判决模块延迟一个时隙同步时钟间隔后输出??高电平“１”，表明该时隙代表比特信息“１”；当时隙内的单光子脉冲数量小于２??时，阈值判决模块延迟一个时隙同步时钟间隔后输出低电平“０”，表明该时隙代
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究[J]. 闫夏超,朱江,张蜡宝,邢强林,陈亚军,朱宏权,李舰艇,康琳,陈健,吴培亨. 物理学报. 2017(19)
[2]面向水下应用的改进型光子计数通信方法[J]. 韩彪,赵卫,汪伟,苏玉龙,刘继芳. 光学学报. 2016(08)
[3]X射线通信系统的误码率分析[J]. 王律强,苏桐,赵宝升,盛立志,刘永安,刘舵. 物理学报. 2015(12)
本文编号：3497844
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