本发明涉及一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法，具体涉及信噪比较低、通信信号能量低情况下单光子同步方法。
背景技术：
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自由空间长距离光通信中，由于长距离光能量衰减和激光器发射功率限制。在接收端，到达探测器的光强度只有光子级别。同时，由于暗计数的影响，探测器接收到的信号往往会埋没在噪声中。此时，需要单光子同步技术来实现通信同步。在同步成功后，再利用SCPPM解码算法还原信号，能大大提高通信成功率。SCPPM单光子通信同步方法包含时隙同步、帧同步和时钟同步三个步骤。
目前，常用的时隙同步和帧同步采用最大似然比算法，该方法存在计算量大，不易实现的特点。常用的时钟同步方法采用PPL锁相环方法实现，存在实现复杂的特点。
技术实现要素：
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为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明采用了一种同步方法，该方法包含时隙同步、时钟同步和帧同步三个步骤。具有实现简单，运行时间短的特点。
本发明的技术方案如下:
根据本发明的一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法，其实验装置由发射控制器、激光器驱动器、激光器、发射光路、通道、接收光路、单光子探测器和接收处理器构成。其步骤包括:
1).发射控制器读取原始硬盘数据data00；原始数据可以为科学实验数据、文本、图像、语音、视频等。
2).在data00前添加帧同步码，帧同步码长度为Xbit，合并后的数据为data01；其中，X表示帧同步码长度。
自相关性强的同步码具备如下特性。
式中，t为整数，表示i,j偏移量，i,j为帧同步码位置序号,x(i),x(j)为在位置i,j时帧同步码取值。X表示帧同步码长度。f(i,j)为x(i)和x(j)乘加和。当t＝0时，f(i,j)取值最大；当t≠0时，f(i,j)取值快速减小；当i＝j时，f(i,j)取值最大；当i≠j时，f(i,j)取值快速变小。
3).根据M阶PPM调制方式调制数据data01，得到数据data02。M阶PPM调制中，M取值范围为其中N0为正整数。调制过程描述如下:
调制将长度为N0的符号转化成一个长度为M的PPM符号序列，长度为M的PPM符号中只有一个时隙存在高电平有效信号。符号值所表示的十进制数即为信号在M序列的位置。
4).在data02数据前添加时隙同步头，为了区别出调制数据，时隙同步头为连续M2个时隙有光脉冲信号，添加时隙头后的数据记为data03。其中，M2表示时隙同步头长度且M2>M；
5).对data03进行激光器信号调制，激光器调制时，设置激光器工作频率为f0Hz，时隙频率f0/N Hz。此时，一个时隙占用N个有效信号，编号0～N-1。在调制时隙同步信号时，将时隙头信号调制到编号0。在调制PPM信号时，将PPM信号调制到编号(N/2)取整数部分。
6).单光子探测器实时监测光路信号，单光子探测器工作频率与步骤5)中激光器工作频率一致，工作频率为f0Hz。单光子探测器记录时隙中连续高脉冲的个数。其中f0为激光器工作频率。
7).当步骤6)中高脉冲个数超过阈值M3时，记为接收到时隙同步头，同时表明通信开始。否则，重复步骤6),继续监听光路信号。当通信开始时，接收端开始存储通信数据，记为recv00。其中M3表示高脉冲个数。阈值取值可根据实验环境进行调整。一般阈值M3<M2且M3>4。时隙同步头信号如图2所示。
8).在步骤5)中，激光器调制时，PPM信号在编号为(INT)(N/2)的位置进行调制，其中(INT)(N/2)表示(N/2)取整数部分。利用信号在序列中的位置可以实现时钟同步，对数据recv00进行时钟同步处理后得到数据recv01；此过程称为时钟同步。为了有效降低噪声的干扰，在时钟同步时，当检测到信号脉冲连续多次出现位置为(INT)(N/2)-1时，则表明接收时钟和发送时钟出现漂移。此时，将后续数据右移，后续信号脉冲将继续出现在位置(INT)(N/2)处；同理，当检测到信号脉冲连续多次出现位置为(INT)(N/2)+1时，则表明接收时钟和发送时钟出现漂移。此时，将后续数据左移，后续信号脉冲将继续出现在位置(INT)(N/2)处。
9).根据自相关算法校验数据recv01，查找到帧同步码，提取取出同步码后的数据recv02。同步时,将同步码与接收数据按照以下公式进行计算。计算结果与阈值比较，超过阈值则匹配成功；否则,继续进行下一组匹配。
式中，i为帧同步码位置序号；j为接收数据位置序号；x(i)为位置在i时帧同步码取值；y(j)为位置为j时接收数据取值；f(x,y)为帧同步码乘加和。t为求取f(x,y)时第一个接收数据所在的位置；Nx为同步码长度；Ny为一次通信包含的帧个数。
10).激光器信号解调，根据步骤5)调制方式，对数据recv02解调得到数据recv03；
11).M阶PPM信号解调，经过了时隙同步、时钟同步和帧同步后，M个时隙能够准确的排列在一个PPM符号内。此步骤对数据recv03直接提取PPM符号，得到数据recv04。对比数据data00和数据recv04。得到误码率。
本发明有如下有益效果：
1.时隙同步方法能同时起到标志通信开始和同步时隙的作用。
2.帧同步方法和时钟同步方法采用数字实现，计算量小，实现简单。
附图说明：
图1是单光子通信同步流程。
图2是时隙同步头信号时序图。
图3是时隙同步流程图。
图4是时钟同步流程图。
图5是帧同步流程图。
图6是M阶PPM单光子通信系统实验装置示意图。
具体实施方式：
下面根据图1至图6给出本发明的实施例，并予以详细描述，以便更好的说明本发明的方法特点和功能，更易于理解本发明，而不是用来限定本发明的范围。
本发明是一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法。本发明按照图6，搭建实验环境。本实例参考图1所示的工作流程。
本实例在使用SCPPM编解码算法实现单光子通信，相关参数实例化如表格1所示。
表格1实例参数
1)发射控制器读取实验原始数据。本实例读取图像数据，将数据转换成二进制模式，数据记录为data00.
2)发射控制器对数据data00添加帧同步码，数据记录为data01。帧同步码采用
431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141431141,
3)发射控制器对数据data01完成4阶PPM调制，数据记为data02。按照每2bit为一个单位进行4阶PPM调制。调制时，2bit数据表示的十进制数即为4阶PPM脉冲所在时隙编号,
4)发射控制器对data02添加时隙同步头，数据记为data03。添加数据头0xFFFF，与步骤3)中4阶PPM调制data01时不同，数据头在每个时隙都存在高脉冲,
5)对数据data03进行激光器调制，数据记为data04。激光器调制时，激光器工作频率为20MHz，时隙频率为2MHz。这样，一个时隙存在10个时钟，对时钟编号#0～#9。将16个时隙同步头调制到编号#0，将4阶PPM信号调制到编号#5,调制完成后即可驱动激光器发光，
6)单光子探测器实时监控接收光路，激光器工作频率为20MHz，与激光器工作频率一致。精光信号转换成点脉冲信号，高电平表示有光脉冲，低电平表示没有光脉冲，
7)当步骤6)中高脉冲个数超过阈值10时，记为接收到时隙同步头，同时表明通信开始。否则，重复步骤6),继续监听光路信号。当通信开始时，接收端开始存储通信数据，记为recv00。当链路建立后，才能开始后续流程。时隙同步解码流程如图3所示。
8)对数据recv00进行时钟同步，时隙同步完成后的数据记为recv01。时隙同步完成后，在步骤5)中，激光器调制时，PPM高电平有效信号将出现在编号#5时钟位置。考虑到噪声影响，时钟同步时，当发现连续三个信号出现在编号#4时钟位置时，数据右移；当发现连续三个信号出现在编号#6时钟位置时，数据左移。时钟同步流程图如图4所示。
9)对数据recv01进行帧同步操作，帧同步完成后数据记为recv02。在步骤2)中，帧同步码采用431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141 431141。同步时,将同步码与接收数据按照以下公式进行计算,数据帧长度为15120bit。计算结果与阈值比较，超过阈值则匹配成功，此处，阈值取值50；否则,继续进行下一组匹配。
式中,i为帧同步码位置序号；j为接收数据位置序号；x(i)为位置在i时帧同步码取值；y(j)为位置为j时接收数据取值；f(x,y)为帧同步码乘加和。t表示接收数据位置序号，t从0开始累加，直到f(x,y)计算结果超过50时，记录t值。表示帧同步完成。帧同步流程如图5所示。
10)接收处理器对数据recv02进行激光器解调，得出解调后的数据recv03。在步骤5)中，激光器调制时，一个时隙存在10个时钟。由于采样时钟与发送时钟同频率，那么接收时，一个时隙依然存在10个脉冲。经过时隙同步、时钟同步和帧同步后。每10个数据表示一个时隙，即可以实现激光器解调,
11)接收处理器对数据recv03进行M阶PPM解调，得出数据recv04。此实例中采用4阶PPM调制解调方式。信号经过激光器解调得到时隙数据后，每4个时隙表示2bit数据。依次解码即可恢复原始数据。在解调完成后，将恢复的数据域原始图片进行对比，得到误码率。