水下光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)調制解調技術的研究
發(fā)布時間：2021-11-16 00:47
為了實現(xiàn)遠距離水下無線光通信,超高靈敏度的單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD）被研究作為光信號檢測器件。由于單光子探測器輸出離散的單光子脈沖信號,傳統(tǒng)無線光通信系統(tǒng)的信號解調技術并不能應用在光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)中。此外,水下信道多變性、光量子效應和光子探測的隨機過程會對遠距離光子計數(shù)系統(tǒng)的通信鏈路和性能產(chǎn)生影響。因此,本文針對水下光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)遠距離通信的需求,圍繞光子計數(shù)無線光通信調制解調技術和可靠數(shù)據(jù)傳輸展開研究,主要研究內容及成果如下:1.提出了一種直接從SPAD輸出的離散隨機脈沖序列中恢復時鐘和數(shù)據(jù)的方法。在此基礎上,建立了一種新的通信模型,該模型不僅考慮了時隙中光子通量的波動和光子檢測的量子效率,還考慮了由此引起的恢復時鐘的相位差。通過實驗驗證了不同系統(tǒng)參數(shù)對平均誤碼率（Bit Error Rate,BER）的影響。實驗結果表明,在一個時隙內平均只有10個光子的情況下,可以實現(xiàn)誤碼率為3.51×10-4、波特率為1Mbps、最大理論通信距離為362m的水下光子計數(shù)通信。2.考慮到時隙內光子數(shù)量的變化對系統(tǒng)性能的影響...
【文章來源】：南昌大學江西省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：73 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖２．１水下光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)實驗裝置??
??第２章時鐘同步與數(shù)據(jù)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??；?｜???????圖２．２光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)通信原理??２．２系統(tǒng)模型??２．２．１?ＬＥＤ發(fā)射光場與水下信道衰減模型??在光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)中，光信號應該被看作是離散的光子流。由于光??子的聚束效應，點亮ＬＥＤ時產(chǎn)生的光子流不是均勻分布而是泊松分布。假設每??個時隙內的平均光子數(shù)量為／／，每個時隙內ＬＥＤ發(fā)射《個光子的概率可以表示??為：??／３（？，／ｙ）?＝?＾－ｅｘｐ（－／／）?（２．１）??ｎ＼??其中＂?＝?＾７；／ｇ，?＿Ｐｓ表示ＬＥＤ發(fā)光功率，７；表示一個時隙的長度，石表示一個??光子的能量。??在純海水環(huán)境中，使用Ｂｅｅｒ?Ｌａｗ來描述光信號在水下的哀減特性。光彳§號??在接收端的功率６（幻＝以，其中表示光信號在水下信道中的總衰減系??數(shù)，Ｌ表示水下通信距離［５５—５６］。當ＬＨ）發(fā)出的光子數(shù)ｎ等于均值／／時，單光子??探測器輸出的光子數(shù)可以表示為：??７??
鐘同步與數(shù)據(jù)提取方法???對應的那路門控周期方波信號作為要恢復的時鐘信號。??（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??圖２．３時隙同步時鐘恢復原理??⑷調制信號，（ｂ）單光子脈沖信號，（ｃ）理想時隙同步時鐘信號，（ｄ）第一路門控信號，（ｅ）第二??路門控時鐘信號，（ｆ）第三路門控時鐘信號。??２．３．２基于光子計數(shù)的信號解調方法??本章提出的數(shù)據(jù)恢復方法如圖２．４所示�；冢疲校牵恋臄�(shù)字解調器包括邊沿??檢測模塊、計數(shù)器模塊和閾值判決模塊。具體的信號解調過程如下：首先，當邊??沿檢測模塊檢測到時隙同步時鐘信號的上升沿和下降沿到來時，向計數(shù)器模塊??輸出一個標志信號。然后，接收到邊沿檢測模塊輸出的標志信號后，計數(shù)器復位??并重新統(tǒng)計該時鐘信號比特間隔內的單光子脈沖數(shù)量。最后，閾值判決模塊通過??比較每個時隙同步時鐘信號內的單光子脈沖數(shù)量和所設閾值的相對大小來決定??該時隙對應的比特信息。從圖２．４中可以看出，所設閾值為２，當時隙內的單光??子脈沖數(shù)量大于或等于２時，閾值判決模塊延遲一個時隙同步時鐘間隔后輸出??高電平“１”，表明該時隙代表比特信息“１”；當時隙內的單光子脈沖數(shù)量小于２??時，閾值判決模塊延遲一個時隙同步時鐘間隔后輸出低電平“０”，表明該時隙代
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于超導納米線單光子探測器深空激光通信模型及誤碼率研究[J]. 閆夏超,朱江,張蠟寶,邢強林,陳亞軍,朱宏權,李艦艇,康琳,陳健,吳培亨. 物理學報. 2017(19)
[2]面向水下應用的改進型光子計數(shù)通信方法[J]. 韓彪,趙衛(wèi),汪偉,蘇玉龍,劉繼芳. 光學學報. 2016(08)
[3]X射線通信系統(tǒng)的誤碼率分析[J]. 王律強,蘇桐,趙寶升,盛立志,劉永安,劉舵. 物理學報. 2015(12)
本文編號：3497844
【文章來源】：南昌大學江西省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：73 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖２．１水下光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)實驗裝置??
??第２章時鐘同步與數(shù)據(jù)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??；?｜???????圖２．２光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)通信原理??２．２系統(tǒng)模型??２．２．１?ＬＥＤ發(fā)射光場與水下信道衰減模型??在光子計數(shù)無線光通信系統(tǒng)中，光信號應該被看作是離散的光子流。由于光??子的聚束效應，點亮ＬＥＤ時產(chǎn)生的光子流不是均勻分布而是泊松分布。假設每??個時隙內的平均光子數(shù)量為／／，每個時隙內ＬＥＤ發(fā)射《個光子的概率可以表示??為：??／３（？，／ｙ）?＝?＾－ｅｘｐ（－／／）?（２．１）??ｎ＼??其中＂?＝?＾７；／ｇ，?＿Ｐｓ表示ＬＥＤ發(fā)光功率，７；表示一個時隙的長度，石表示一個??光子的能量。??在純海水環(huán)境中，使用Ｂｅｅｒ?Ｌａｗ來描述光信號在水下的哀減特性。光彳§號??在接收端的功率６（幻＝以，其中表示光信號在水下信道中的總衰減系??數(shù)，Ｌ表示水下通信距離［５５—５６］。當ＬＨ）發(fā)出的光子數(shù)ｎ等于均值／／時，單光子??探測器輸出的光子數(shù)可以表示為：??７??
鐘同步與數(shù)據(jù)提取方法???對應的那路門控周期方波信號作為要恢復的時鐘信號。??（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??圖２．３時隙同步時鐘恢復原理??⑷調制信號，（ｂ）單光子脈沖信號，（ｃ）理想時隙同步時鐘信號，（ｄ）第一路門控信號，（ｅ）第二??路門控時鐘信號，（ｆ）第三路門控時鐘信號。??２．３．２基于光子計數(shù)的信號解調方法??本章提出的數(shù)據(jù)恢復方法如圖２．４所示�；冢疲校牵恋臄�(shù)字解調器包括邊沿??檢測模塊、計數(shù)器模塊和閾值判決模塊。具體的信號解調過程如下：首先，當邊??沿檢測模塊檢測到時隙同步時鐘信號的上升沿和下降沿到來時，向計數(shù)器模塊??輸出一個標志信號。然后，接收到邊沿檢測模塊輸出的標志信號后，計數(shù)器復位??并重新統(tǒng)計該時鐘信號比特間隔內的單光子脈沖數(shù)量。最后，閾值判決模塊通過??比較每個時隙同步時鐘信號內的單光子脈沖數(shù)量和所設閾值的相對大小來決定??該時隙對應的比特信息。從圖２．４中可以看出，所設閾值為２，當時隙內的單光??子脈沖數(shù)量大于或等于２時，閾值判決模塊延遲一個時隙同步時鐘間隔后輸出??高電平“１”，表明該時隙代表比特信息“１”；當時隙內的單光子脈沖數(shù)量小于２??時，閾值判決模塊延遲一個時隙同步時鐘間隔后輸出低電平“０”，表明該時隙代
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于超導納米線單光子探測器深空激光通信模型及誤碼率研究[J]. 閆夏超,朱江,張蠟寶,邢強林,陳亞軍,朱宏權,李艦艇,康琳,陳健,吳培亨. 物理學報. 2017(19)
[2]面向水下應用的改進型光子計數(shù)通信方法[J]. 韓彪,趙衛(wèi),汪偉,蘇玉龍,劉繼芳. 光學學報. 2016(08)
[3]X射線通信系統(tǒng)的誤碼率分析[J]. 王律強,蘇桐,趙寶升,盛立志,劉永安,劉舵. 物理學報. 2015(12)
本文編號：3497844
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