弱链路光子计数无线通信的纠错编码研究

作     者：詹廷 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鄢秋荣

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 0803[工学-光学工程] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0701[理学-数学] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无线光通信 单光子探测器 光子计数 同步 级联码 

摘      要：传统的无线光通信系统中,接收端探测器工作在模拟方式,将光信号转换成电流信号,由于接收灵敏度低的缺点,使得远距离无线光通信链路易中断、误码率高、突发错误多。近年来,为了实现远距离无线光通信,具有单光子限灵敏的单光子探测器被研究用于检测接收端光信号,当被调制的光波信号入射到单光子探测器后,探测器输出离散的单光子脉冲序列。由于光子的量子效应和光子被探测到的随机过程,离散单光子脉冲的随机性引起的符号删除的概率占大多数,而由暗计数脉冲和背景光脉冲引起的符号错误非常少。本文围绕远距离光子计数无线通信具有的删除信道的特点,研究从离散单光子脉冲序列中提取同步信号及比特信息的方法,在这基础之上研究适用于弱链路光子计数无线光通信特点的纠错编码方法。主要研究内容及成果如下:1.在已搭建的弱链路光子计数无线光通信系统的基础上,综合光源发射的光子泊松统计分布,水下传播特性、单光子探测泊松随机过程三个方面,建立了基于双随机泊松点过程的通信模型。理论推导了时隙内光子数、噪声光子和信号解调参数对误码率的影响,并采用蒙特卡罗的方法进行了仿真验证。仿真结果表明基于时隙内光子计数时的信号解调方法优于基于相邻光子时间测量的解调方法。2.本文提出一种适用于单光子通信的基于时隙内光子计数的信号同步和信号提取方法,并基于FPGA进行实验验证。提取方法包括选通门控信号产生,光子脉冲采集、帧头检测、同步信号提取、光子计数解调五个步骤,研究了选通门控信号,周期数和阈值对解调结果的影响,实验结果表明选通门控信号数量为80,周期时间为20us,探测器的平均计数率为2Mcps,最佳同步阈值为20个光子时,通信误码率在10数量级内。3.在通信系统上进行了LT编译码设计。通过调整光功率和同步阈值,验证接收端接收编码包的个数以及度分布参量λ和μ对LT译码纠错性能的影响,实验结果表明若发送端源包个数为640个,接收端接收足够多的编码包,通信系统的误码率在10到10数量级内;为了提高译码成功率,编码包经CRC-16检验后,译码成功率能接近100%,但增加了延时,降低了数据传输速率;为了进一步提高LT码的译码性能,需级联稀疏性较好的QCDPC码。4.在通信系统上进行了LT码和QCDPC码级联设计,提出用开关度分布对内码进行编码构造,以LT码作为内码,QCDPC码作为外码的级联方案,实验结果表明在开关系数?为0.1,同步阈值为22,级联码通信误码率在10数量级内。