一种基于MPPC输出响应特性的码间干扰抑制方法

技术领域

本发明属于空间激光通信领域，特别涉及一种基于MPPC输出响应特性的码间干扰抑制方法。

背景技术

无线激光通信又被称为FSO(Free Space Optical Communication，自由空间光通信)，是一种以自由空间为传输信道、激光为信息载体的通信方式，具有通信速率高、带宽高、保密性强等优点。随着无线激光通信技术的不断发展，对空间激光通信有了更高的需求。例如发射机需要有更高的速率、更高的功率等；接收端需要更高的灵敏度、更精小便捷、更强的抗干扰能力等。多像素光子计数器(MPPC)能够探测极低能量的光子信号，是一种高增益、高灵敏度的光电检测器件，结合脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)可以有效提高通信系统的传输容量和传输距离，在空间光通信领域得到广泛应用。但在进行高速率通信时，由于接收端探测器自身输出特性不理想的影响，将导致相邻PPM符号信号脉冲之间存在相互干扰，影响PPM时隙信息的正确恢复，从而造成通信容量的受限、误码率上升。

PPM调制原理是通过光脉冲所在时隙位置来表征传输的不同数据信息。在发送端对激光器进行调制，使激光器输出受PPM调制的光脉冲序列；接收端由MPPC探测光信号强弱，并将光信号转化为对应强度的电信号，数据处理时利用光电信号之间的转换关系计算得到时隙位置的等效光子数，同步后通过各时隙似然比信息进行译码。而在实际通信时，MPPC探测到一个光子时输出一个有着较宽拖尾的电脉冲，当不同时探测到多个光子时，探测器输出的多个电脉冲不在同一峰值位置叠加，拖尾更严重。因此当PPM调制阶数较小或时隙宽度较窄时，大概率会出现相邻两个PPM符号的光脉冲“肩并肩”或两个光脉冲的距离小于一个响应波形宽度的情况，MPPC输出的上一个符号的脉冲拖尾将对当前符号光脉冲的位置和大小造成影响，导致时隙信号光子判决错误，时隙信息不准确，最后使通信系统误码率增大，影响正常通信。因此在一些研究中一般采用高阶PPM调制来减少脉冲“肩并肩”出现概率或者低阶通信时在每个PPM符号前加入一定数量的保护时隙或设置较宽的时隙宽度的方式来减小相邻两个光脉冲之间的相互干扰和交叠现象。但该类方法增加每个符号的传输时间，且每个符号携带的平均信息减少，不利于系统吞吐量的进一步提升。因此设计一种基于MPPC输出响应特性的时域均衡方法实现减小脉冲拖尾对相邻符号干扰，从而提升系统译码性能及实现高速率具有重要意义。

发明内容

为解决因实际探测器输出特性的不理想从而影响系统译码性能、吞吐量的提升等问题。本发明提出一种基于MPPC输出响应特性的码间干扰抑制方法，包括以下步骤：

S1、利用器件手册和实验测量得到MPPC的单光子响应波形；

S2、利用单光子响应波形计算均衡器的抽头系数大小并保存；

S3、将MPPC探测输出的光PPM信号的采样序列与均衡器的抽头系数相卷积得到修正补偿后的采样信号

S4、根据步骤S3得到的数据，计算各采样值对应的等效光子数，最后根据最大时隙似然准则进行译码输出。

下面是详细的技术方案和实现过程：

1.测量MPPC的单光子响应波形：

利用所使用的具体光子探测器器件进行光探测实验，选择适当光源，如激光，调整光源输出光强，使到达探测器的光强为光子量级，利用示波器对探测器的输出信号进行采样存储，从采样信号中观察并统计光子探测器的单光子响应的波形并保存，记作h(k)。

2.利用单光子响应波形计算光子脉冲各采样位置补偿系数

先通过对单光子响应波形除峰值位置外其余各采样点进行修正补偿处理，来获取均衡器的抽头系数的大小。首先将步骤1中得到得单光子响应波形h(k)进行归一化处理，找到峰值点作为响应波形的时间原点，若原点两侧的值个数不等，通过补零使其相等，然后根据均衡器所需抽头数2N+1确定冲激序列x(n)的大小：

x(n)＝[h

根据迫零均衡算法原理求解均衡器的抽头系数C

可表示为矩阵形式：

得出C＝X

3.将MPPC输出的光PPM信号采样序列与均衡器的抽头系数相卷积

将MPPC探测到的光PPM采样信号x

4.最后将均衡后的PPM波形数据转化为对应的等效光子数，根据最大时隙似然准则进行译码输出，得到最终数据。

本发明的有益技术效果包括：

1.相比在每个PPM符号前加入一定数量保护时隙和设置较宽PPM时隙宽度的方法，本发明通过在接收端同步译码前加入时域均衡来抑制脉冲拖尾对邻近符号干扰的方式可以使在进行PPM调制时不必在每个符号前加入保护时隙和设置较宽的时隙宽度，从而进一步提升整个通信系统的吞吐量。

2.在同一通信速率条件下，通过译码系统的误码率作为衡量标准时，本发明通过时域均衡对MPPC输出信号进行修正补偿处理之后再进行译码，相较于直接对MPPC输出信号进行译码和在PPM符号前加入保护时隙的通信方式下的误码率均有一定的改善。在接收光功率较小时，应用本发明的通信系统误码率仍有一定的提升。

附图说明

图1是时域均衡结构图。

图2为MPPC探测到光子的输出波形图。

图3为均衡前后的光脉冲波形对比图。

图4为时隙宽度Ts＝16ns，不同调制阶数下本发明与其他方法的误码性能对比图。

图5为时隙宽度Ts＝8ns，不同调制阶数下本发明与其他方法的误码性能对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅时本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明方法主要包括以下步骤：

S1、利用器件手册和实验测量得到MPPC的单光子响应波形；

S2、利用单光子响应波形计算均衡器的抽头系数大小并保存；

S3、将MPPC探测输出的光PPM信号的采样序列与均衡器的抽头系数相卷积得到修正补偿后的采样信号

S4、根据步骤S3得到的数据，计算各采样值对应的等效光子数，最后根据最大时隙似然准则进行译码输出。

实验中采用的光子探测器为日本滨松公司生产的C13365-3050SA型多像素光子计数器，其有效探测区域为3*3mm

采取PPM脉冲位置调制，每帧传输数据包含2520个PPM符号，每个PPM符号时隙个数为ppm_slot+guard_slot(其中ppm_slot＝32，16，8，4，表示每个PPM的时隙个数；guard_slot＝0，2，表示每个PPM符号前加入的保护时隙个数)，时隙宽度T

本发明的具体步骤如下：

步骤S1：通过实验测量得到MPPC的单光子响应波形

利用所选用型号的光子探测器器件进行光探测实验，将光探测器置于黑暗无光的环境中；发送端使用激光器作为信号光源，调整激光器的输出光源，进行自由空间的传输。在激光传输路径上放置光衰减片，并调整衰减片的衰减倍数，使得到达光探测器的激光信号强度衰减到光子量级。接收端利用示波器对探测器的输出信号进行采样存储，从采样信号中选取多组单光子波形数据对位叠加求平均得到光子探测器的单光子响应的波形数据，记作h(k)。

步骤S2：利用单光子响应波形计算均衡器的抽头系数大小并保存；

通过对单光子响应波形除峰值位置外其余各采样点进行修正补偿处理，来获取均衡器的抽头系数的大小和个数。首先将步骤1中得到的单光子响应波形h(k)进行光子归一化处理，找到峰值点作为响应波形的时间原点，若原点两侧的值个数不等，通过补零使其相等，然后根据均衡器所需抽头数2N+1确定冲激序列x(n)的大小：

x(n)＝[h

根据迫零均衡算法原理求解均衡器的抽头系数C

可表示为矩阵形式：

得出C＝X

实例中采用了250Msa/s的采样率，即采样间隔Tc＝4ns对应下的h(k)。进行多帧数据仿真对比，当抽头个数N＝5时，通过迫零均衡算法求解出C

步骤S3：将MPPC探测输出的光PPM信号的采样序列与均衡器的抽头系数相卷积得到修正补偿后的采样信号

发送端通过PPM编码调制系统完成源数据的编码映射，然后通过FPGA中脉冲成形模块将编码好的二进制比特流转换为PPM脉冲输出，从而对激光器进行调制输出，最后经过空间信道传输。接收端由MPPC完成光PPM信号的探测，对探测器的输出信号采样输出得到PPM信号x

步骤S4：根据步骤S3得到的数据，计算各采样值对应的等效光子数，最后根据最大时隙似然准则进行译码输出。

图2为实例中的MPPC探测到光子时的输出波形，当MPPC探测到一个光子时输出是一个急速上升缓慢下降，持续时间约为128ns的脉冲波形，当相邻两个光脉冲距离较近时，前一个光脉冲的拖尾将在后一个光脉冲位置叠加。如标号2的波形。

图3为均衡前后的光脉冲波形对比图。

图4为不同调制阶数、不同光强下，本发明的数据处理方法和在PPM符号前加入保护时隙的误码性能的对比图。实例中时隙宽度Ts＝16ns,采用采样率为250Msa/s的100帧仿真数据。从图中可以看出在采样间隔Tc＝4ns时，不同调制阶数下(调制阶数M＝4、8、26、32)，本发明的误码性能均优于在每个PPM符号前加入两个保护时隙的误码性能。且随着调制阶数的变小，使用本发明的数据处理方法下的较有明显的误码性能提升。

图5为时隙宽度Ts＝8ns，调制阶数M＝16、4的仿真条件下，加入本发明的数据处理方法后，当PPM时隙宽度较小时误码性能有很大的提升，使高速率的PPM通信成为可能。

综上所述，本发明基于MPPC输出响应特性将探测器探测输出的光PPM信号经过时域均衡处理后再进行后续的译码输出，相较于不进行处理和在每个PPM符号前加入保护时隙的方式不仅提升系统通信速率，而且使系统误码率也得到了改善。特别是当调制阶数较小，时隙宽度较窄时，仍能使通信系统正常通信，从而实现高速率通信。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。