[发明专利]一种适用于M阶PPM调制的单光子通信的同步方法

说明书

技术领域

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：

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。

发明内容：

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。