一种基于光子计数通信的信号同步与提取方法与流程

1.本技术涉及自由空间光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于光子计数通信的信号同步与提取方法。


背景技术：

2.水下无线光通信由于受水体吸收和散射的影响，信号在传输过程中能量衰减严重，传统的光电二极管(pd)或雪崩光电二极管(apd)灵敏度不高，不适用于检测微弱光信号，使得水下传输距离受限。单光子探测器理论上具备单光子量级的探测灵敏度，可应用于光子计数通信系统，是抑制信号衰减、提高通信距离的有效方法。
3.在通信系统中，由于发送和接收时钟不同源，会造成采样时钟频率误差。传统的数字通信中，接收端需要产生一个频率与接收码元一致的定时脉冲序列作为采样时钟，并且定时脉冲的相位处于最佳采样位置，使得“眼图”睁开得最大。
4.在基于光子计数的通信系统中，采用单光子探测器作为接收机，由于单光子探测器输出的波形不是理想的冲击脉冲结构，其波形在时域上会持续几十ns，在这段时间内，单光子探测器不会再检测到达表面的其他光子，这种现象成为“死时间”效应。单光子探测器作为接收机，单个符号周期波形由多个计数脉冲组成，这和传统基于pd和apd连续波形有明显的差异，故采用信号同步和提取的机制和方式也有所不同。
5.基于光子计数通信方式可以应用于水下无线光通信、星地通信、星间通信等对接收机灵敏度要求较高的通信场合。当前有一些公开发表的基于光子计数通信系统的文章报导，但大多处于实验室桌面系统，具有学术意义上验证方案的可行性，但不具备实用性，另外，在信号的同步和提取方面，并未有详细的公开设计报导。


技术实现要素：

6.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光子计数通信的信号同步与提取方法，其目的在于解决现有的信号同步提取方法无法适用于具有非连续波形的单光子探测器的问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光子计数通信的信号同步与提取方法，该方法包括以下步骤：
8.(1)信道参数估计：
9.打开发送端光源使其连续发送帧数据，统计当前帧数据的若干个符号周期的光子总计数，得到第一信号光平均光子计数；
10.所述帧数据中包括帧头、计数窗口同步序列、定位序列、有效数据和帧尾；
11.(2)帧头识别：
12.统计所述接收端探测器接收的当前帧数据中每比特周期内光子的个数并将其与所述第一信号光平均光子计数进行比较，若每比特周期内光子的个数大于第一信号光平均光子计数判定为比特“1”，若小于第一信号光平均光子计数判定为比特“0”；
13.按照预设的映射规则将判定后的比特进行符号映射，检测得到帧头的位置信息，并根据帧头位置提取出计数窗口同步序列中的部分或全部符号；
14.(3)计数窗口时间同步：
15.分别统计所述计数窗口同步序列的部分或全部符号中比特“0”和比特“1”的平均光子计数，依据所述平均光子计数计算光子计数门限；
16.(4)阈值比较判决：
17.将所述第一信号光平均光子计数或光子计数门限作为判决阈值，对当前帧数据进行比特判定：若比特周期内光子计数大于所述判决阈值，判定为比特“1”，若比特周期内光子计数小于所述判决阈值，判定为比特“0”；
18.(5)符号映射：
19.按照所述映射规则将判定后的比特进行符号映射，得到定位序列、有效数据和帧尾；
20.(6)有效数据提取：
21.根据所述定位序列来定位并提取有效数据。
22.优选的，上述信号同步与提取方法，所述开启发送端光源使其连续发送帧数据之前还包括以下步骤：
23.在接收端探测器接收不到发射光的条件下，统计若干个符号周期的光子总计数，得到背景光平均光子计数；
24.将所述背景光平均光子计数与预置的第一阈值进行比较，当背景光平均光子计数小于所述第一阈值时，打开发送端光源使其连续发送帧数据。
25.优选的，上述信号同步与提取方法，其步骤s3具体包括：
26.s31：统计计数窗口同步序列中n3个符号周期内的光子总计数s3，得到当前帧数据内的第二信号光平均光子计数
27.s32：设置滑动计数窗口，所述滑动计数窗口的大小等于一个比特周期；
28.s33：将滑动计数窗口分成k个时隙，滑动计数窗口从时隙1滑动到时隙k，分别计算每个时隙下滑动计数窗口内的光子计数与平均光子计数的偏差，记为p，其中，等于第一信号光平均光子计数或第二信号光平均光子计数，p可以由公式来确定，这里s
i
为第i个时隙下滑动计数窗口内光子计数，1≤i≤k；
29.s34：筛选出最大偏差值所对应的时隙i，将所述时隙i值作为当前帧数据下滑动计数窗口的起始偏差；
30.s35：以所述起始偏差为基准，统计步骤31中n3个符号周期内比特“0”和比特“1”的平均光子计数，分别记为n0、n1，并计算得到光子计数门限n3，
31.优选的，上述信号同步与提取方法，所述定位序列为m序列，通过对m序列进行相关运算，定位当前帧数据中的有效数据并提取。
32.优选的，上述信号同步与提取方法，所述定位序列为特定标识信息，通过匹配所述特定标识来提取帧同步信息，定位当前帧数据中的有效数据并提取。
33.优选的，上述信号同步与提取方法，所述映射规则为：一个符号周期采用f个比特来表示，其中，f为接收端探测器的符号周期与比特周期的比值。
34.优选的，上述信号同步与提取方法，所述帧数据中，帧头和帧尾均由数量相同的第一符号和第二符号组成；计数窗口同步序列、定位序列均由第三符号和/或第四符号组成。
35.优选的，上述信号同步与提取方法，所述帧数据中的帧头和帧尾具有连续个第一符号加上连续个第二符号的排布特征。
36.优选的，上述信号同步与提取方法，所述映射规则为：一个符号周期采用两个比特来表示，其中，第三符号、第四符号分别用比特“01”和“10”来表示，或者第三符号、第四符号分别用比特“10”和“01”来表；第一符号、第二符号分别用比特“00”和比特“11”来表示，或者第一符号、第二符号分别用比特“11”和比特“00”来表示。
37.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
38.本发明提供了一种帧数据格式以及符号映射规则，在此基础上通过信道参数估计、帧头识别、计数窗口时间同步、阈值比较判决、符号映射和有效数据提取进行信号同步和提取，适用于单光子探测器这一类具有非连续波形的接收机的信号同步和提取，准确度高，实用性强。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本技术实施例提供的基于光子计数通信的信号同步与提取方法的流程图；
41.图2为本技术实施例提供的帧数据的组成示意图；
42.图3为本技术实施例提供的映射规则的一种示例；
43.图4为本技术实施例提供的基于光子计数通信的信号同步与提取方法的具体实施步骤。
具体实施方式
44.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
45.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
46.本实施例采用开关键控(ook)的调制方式，发送端光源采用半导体激光器(ld)，接收端探测器采用单光子探测器；单光子探测器是一种具有极低探测灵敏度的光电器件，可
以探测到单个光子量级的信号。当接收的光信号强时，单光子探测器输出电脉冲密集，当接收的光信号弱时，单光子探测器输出电脉冲稀疏，当接收的光信号强到一定程度时，单光子探测器输出电脉冲密集程度会饱和。常见单光子探测器主要包含两种类型：工作在盖革模式下的半导体雪崩光电二极管和基于超导体材料的超导单光子探测器。本实施例选用单光子雪崩光电二极管(spad)，spad的死时间为25ns，符号周期为10us，比特周期为5us，那么一个比特周期内，最多可响应200个光子脉冲计数。
47.图1是本实施例提供的一种基于光子计数通信的信号同步与提取方法的流程图，参见图1所示，该方法包括以下步骤：
48.(1)信道参数估计：
49.打开发送端光源使其连续发送帧数据，统计当前帧数据的若干个符号周期的光子总计数，得到第一信号光平均光子计数；
50.如图2所示，帧数据中包括帧头、计数窗口同步序列、定位序列、有效数据和帧尾；
51.在一个可选的实施例中，帧数据中的帧头和帧尾均由数量相同的第一符号和第二符号组成；计数窗口同步序列、定位序列均由第三符号和/或第四符号组成。其中，第一、第二、第三、第四符号可以为阿拉伯数据或者英文字母，本实施例不做具体限定，确保第一、第二、第三、第四符号彼此不同即可；进一步优选的，帧数据中的帧头和帧尾具有连续个第一符号加上连续个第二符号的排布特征。
52.参见图3，在一个具体的示例中，第一符号选用符号“a”，第二符号选用符号“b”，第三符号选用符号“0”，第四符号选用符号“1”。帧头和帧尾中的符号“a”和符号“b”的数量优选为相同，从而保障在任意一段统计时间内，可以通过简单地求均值来大致准确地估算出第一信号光平均光子计数；进一步优选的，帧头具有连续个符号“a”加上连续个符号“b”的排布特征，连续个符号“a”和连续个符号“b”的拼接可以简单地形成一个识别特征，这个识别特征在计数窗口时间同步未完成前就可以实现，据此可以识别出帧头和帧尾。计数窗口同步序列和定位序列由符号“1”和/或符号“0”组成，可以全部是符号“1”，也可以全部为符号“0”，也可以是符号“1”和符号“0”组合排列。本实施例中，定位序列主要用于确定每个帧结构中有效数据的位置，其可以由m序列组成，m序列是cdma系统中采用的最基本的pn序列，是最长线性移位寄存器序列的简称，是一种伪随机序列、伪噪声(pn)码或伪随机码；也可以是一段特定的序列作为标识信息，简称特定标识信息。
53.表1帧数据组成
54.帧格式符号数量描述帧头3216个符号a接着16个符号b，“aa
…
aabb
…
bb”计数窗口同步序列128128个符号0，“000
…
00”定位序列64由符号0和符号1组成，m序列有效数据1792有效数据，由符号0和符号1组成帧尾3216个符号b接着16个符号a，“bb
…
bbaa
…
aaa”55.如表1所示，本示例中，发送端光源使发送的每帧数据的帧长度为2048个符号，其中，帧头包含32个符号，由16个符号“a”紧接着16个符号“b”组成，表示为“aa
…
aabb
…
bb”；计数窗口同步序列包含128个符号，全部由符号“0”组成，表示为“000
…
000”；定位序列包含64个符号，由符号“0”和符号“1”组成，并且这64个符号是由级数为6、周期为63的m序列构
成，其首位补0；有效数据包含1792个符号，由符号“0”和符号“1”组成；帧尾包含32个符号，由16个符号“b”紧接着16个符号“a”组成，表示为“bb
…
bbaa
…
aa”。
56.接下来，统计发送端光源使发送的当前帧数据中n2个符号周期的光子总计数s2，得到第一信号光平均光子计数m2可作为比特“1”和“0”阈值判决初步依据。n2的取值一般不小于一个帧长度，本实施例n2取4096，为两个帧长度；
57.参见图4，作为一个更加优选的实施例，在开启发送端光源使其连续发送帧数据之前，首先判断是否具备通信条件，具体而言，
58.关闭发射端光源，打开接收端探测器，在接收端探测器接收不到发射光的条件下，统计n1个符号周期的光子总计数s1，得到背景光平均光子计数m
b
可作为背景光强参数，m
b
过大说明背景光太强，就不具备通信条件；n1的取值一般不小于一个帧长度，本实施例n1取4096，为两个帧长度；
59.将所述背景光平均光子计数与预置的第一阈值进行比较，当背景光平均光子计数m
b
小于所述第一阈值时，再打开发送端光源使其连续发送帧数据。第一阈值的大小根据当前的通信环境条件进行设置，本实施例中，第一阈值取值100。
60.(2)帧头识别：
61.统计接收端探测器接收的当前帧数据中每比特周期内光子的个数并将其与所述第一信号光平均光子计数m2进行比较，若每比特周期内光子的个数大于第一信号光平均光子计数m2判定为比特“1”，若小于第一信号光平均光子计数m2判定为比特“0”；
62.按照预设的映射规则将判定后的比特进行符号映射，检测得到帧头的位置信息，并根据帧头位置提取出计数窗口同步序列中的部分或全部符号；具体而言，帧头由16个符号“a”紧接着16个符号“b”组成，当检测出连续个符号“a”并跳变成连续个符号“b”，此时跳变位就可以作为帧头的位置信息。
63.本实施例中，根据接收端探测器的符号周期与比特周期的关系设置映射规则：一个符号周期采用f个比特来表示，其中，f为接收端探测器的符号周期与比特周期的比值。
64.在本实施例中，单光子雪崩光电二极管(spad)的符号周期为比特周期的2倍；因此，对应的映射规则为：一个符号周期采用两个比特来表示，如图3所示，第三符号“0”、第四符号“1”分别用比特“01”和“10”来表示，或者第三符号“0”、第四符号“1”分别用比特“10”和“01”来表；第一符号“a”、第二符号“b”分别用比特“00”和比特“11”来表示，或者第一符号“a”、第二符号“b”分别用比特“11”和比特“00”来表示。
65.(3)计数窗口时间同步：
66.分别统计所述计数窗口同步序列的部分或全部符号中比特“0”和比特“1”的平均光子计数，依据所述平均光子计数计算光子计数门限；
67.本实施例中，设置计数窗口同步序列是为了解决时间窗口对准的问题，因为接收端探测器需要统计每个比特周期内光子数，那么接收机产生每比特的时间窗口需要准确地“卡”住发送端光源每比特时间窗口，因此设置计数窗口同步序列的目的是为了得到最佳判决点。
68.具体的，在获取帧头的位置信息之后，根据当前帧数据的初步定位信息找到帧结
构中的计数窗口同步序列，并取出计数窗口同步序列中的n3个符号，其中，n3的取值小于等于计数窗口同步序列的符号总数，本实施例中，n3等于100；计数窗口时间同步具体包括以下步骤：
69.步骤31：统计计数窗口同步序列中n3个符号周期内的光子总计数s3，得到当前帧数据内的第二信号光平均光子计数
70.步骤32：设置滑动计数窗口，所述滑动计数窗口的大小等于一个比特周期(5us)；
71.步骤33：将滑动计数窗口分成k个时隙，滑动计数窗口从时隙1滑动到时隙k，分别计算每个时隙下滑动计数窗口内的光子计数与平均光子计数的偏差，记为p，其中，等于第一信号光平均光子计数或第二信号光平均光子计数，p可以由公式来确定，这里s
i
为第i个时隙下滑动计数窗口内光子计数，1≤i≤k；
72.步骤34：筛选出最大偏差值所对应的时隙i，将所述时隙i值作为当前帧数据下滑动计数窗口的起始偏差；
73.步骤35：以所述起始偏差为基准，统计步骤32中n3个符号周期内比特“0”和比特“1”的平均光子计数，分别记为n0、n1，并计算得到光子计数门限n3，
74.(4)阈值比较判决：
75.将所述第一信号光平均光子计数m2或第二信号光平均光子计数m3或光子计数门限n3作为判决阈值，对当前帧数据进行比特判定：若比特周期内光子计数大于所述判决阈值，判定为比特“1”，若比特周期内光子计数小于所述判决阈值，判定为比特“0”；
76.在实际情况中，由于计算条件有限，虽然光子计数门限n3在理论上作为阈值门限更准确，但是也会增加计算的复杂度，因此在计算条件受限的情况下，也可以采用第一信号光平均光子计数m2或第二信号光平均光子计数m3作为阈值门限。
77.(5)符号映射：
78.按照上述映射规则将判定后的比特进行符号映射，得到定位序列、有效数据；同样通过检测“bbbbbbbbaaaaaaaa”(连续8个符号“b”紧接8个符号“a”)识别帧尾信息。
79.(6)有效数据提取：
80.根据映射得到的定位序列来定位并提取有效数据。当定位序列为m序列，通过对m序列进行相关运算，定位当前帧数据中的有效数据并提取。具体来说，利用已知的m序列通过相关运算，寻找相关运算的峰值点，就可以定位提取有效数据。
81.当定位序列为特定标识信息，通过匹配所述特定标识来提取帧同步信息，定位当前帧数据中的有效数据并提取。当接收端探测器接收到特定标识信息并进行匹配后，就找到了这个定位信息，然后以定位序列为起点，判定定位序列之后的序列就是有效数据。
82.本领域内的技术人员应明白，本发明实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代
码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
83.本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
84.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
85.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
86.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。