一种基于光子探测的SCPPM信号时隙同步方法及系统

本发明涉及光通信，尤其涉及一种基于光子探测的scppm信号时隙同步方法及系统。

背景技术：

1、随着深空探测、高速星间链路以及弱光自由空间光通信技术的发展，单光子探测技术逐渐成为实现超远距离光通信的重要手段。在极低光子数条件下，传统光电探测器难以获得足够的信号能量，而超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowiresingle-photon detector，snspd）凭借其高探测效率、极低暗计数率以及皮秒级时间分辨率，成为当前单光子通信系统中最具潜力的核心器件之一。snspd通常具有超过80%的探测效率、hz级甚至更低的暗计数率以及几十皮秒量级的时间抖动，这些特性使其在深空光通信、量子通信以及弱光探测领域得到广泛应用。在基于单光子探测的光通信系统中，脉冲位置调制（pulse position modulation，ppm）是一种典型的高光子效率调制方式，其通过在一个符号周期内的多个时隙中选择特定位置发送光脉冲来携带信息，因此能够在极低信号功率条件下维持较高的通信效率。

2、如图1所示，给出了4ppm调制的参考示意图。ppm调制的信息取决于脉冲时隙所处符号周期中的位置，且光子到达时间的判断决定了脉冲强度。因此，在ppm系统中，接收端必须准确识别符号周期中的时隙边界，否则即使成功探测到光子事件，也难以确定其对应的符号位置，从而严重影响系统误码性能。因此，时隙同步（slot synchronization）成为单光子光通信系统中的关键技术之一。

3、在现有的时隙同步方法中，普遍采用基于符号周期累积统计的同步策略来估计系统的时间偏移。该方法通常以符号长度为积分窗口，对接收信号在不同候选时间偏移下进行累积，并通过比较各偏移位置对应的统计量大小来确定最可能的符号边界。由于ppm调制中光脉冲能量主要集中在特定时隙内，因此在正确对齐条件下对应位置的累积统计量通常最大，从而实现符号起始位置的估计。该方法结构简单、计算复杂度较低，在时间抖动影响较小的单光子通信系统中得到广泛应用，例如基于单光子雪崩二极管(spads)探测器的通信体制。

4、然而，在高速光通信系统中，为进一步提升通信速率，需要不断缩小时隙宽度。当时隙宽度逐渐接近甚至达到探测器时间抖动量级时，抖动所引入的时间不确定性将显著影响光子到达时间的统计分布，使得原本理想的脉冲分布在时间轴上发生扩展。

5、如图2所示，给出了snspd探测器接收光脉冲在时间域中的能量分布特性示意图。可以看到，在实际系统中，单个光脉冲所产生的光子探测事件可能跨越多个相邻时隙，从而破坏理想泊松模型中“光子主要集中在单一时隙内”的基本假设。在探测器到达时间抖动（timing jitter）与死时间（dead time）的共同作用下，原本理想的矩形脉冲在时间域中发生明显畸变，其分布逐渐演化为一种非对称形态，在图2中表现为左侧较窄而右侧逐渐展宽的脉冲结构，并开始向相邻时隙扩展。与此同时，探测器的时间响应函数、系统带宽限制以及信道传输效应等因素也会进一步改变接收脉冲在时间域中的统计分布特性，使得实际接收信号的概率分布函数难以通过简单模型进行准确描述。

6、在这种情况下，传统基于理想泊松统计假设所构建的似然函数难以精确反映真实信号的统计特性。当系统时隙宽度逐渐减小时，上述时间扩散效应将显著增加光子事件在相邻时隙之间的重叠概率，从而导致时隙判决的不确定性增加，并进一步限制系统通信速率的提升。因此，在基于snspd的高速单光子光通信系统中，有必要针对时间抖动及实际脉冲统计分布特性的影响，对现有时隙同步算法进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于光子探测的scppm信号时隙同步方法及系统，在保持传统时隙同步算法主体框架不变的前提下，创新性地引入基于采样点偏移的译码机制，通过容忍并补偿因时间同步偏差引起的采样点偏移，降低因时间抖动和死时间导致的脉冲泄露对译码性能的影响，实现于光子探测的scppm信号时隙同步。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、根据本发明的一方面，提供一种基于光子探测的scppm信号时隙同步方法，包括以下步骤：

4、s1、接收端采集光脉冲信号，通过时间数字转换器获取光子到达时间戳，并重构得到光子计数时序序列；

5、s2、对所述光子计数时序序列进行时隙同步积分处理，依据时隙能量分布完成初始同步，求解得到初始时隙偏移量；

6、s3、以所述初始时隙偏移量为基准重构时隙边界，完成ppm符号重组；

7、s4、结合光子探测器脉冲能量泄露特性，采用邻域加权方式修正时隙光子计数的对数似然比；

8、s5、将修正后的对数似然比序列送入scppm译码器完成译码，并对译码结果进行有效性校验。

9、根据本发明的一个实施例，步骤s5中对译码结果进行有效性校验，具体包括：

10、若译码校验错误，则迭代更新时隙偏移量并重复执行ppm符号重组、似然比修正及译码流程；若译码校验通过或迭代次数达到预设阈值，则终止迭代，筛选最优译码结果进行输出。

11、根据本发明的一个实施例，设置迭代次数的预设阈值为3次。

12、根据本发明的一个实施例，设置偏移搜索采样点依次为-1、-2、+1，以初始时隙偏移量为基准在有限区间内完成最优偏移遍历搜索。

13、根据本发明的一个实施例，采用crc循环校验方式判定译码结果有效性，迭代结束后，从全部迭代译码结果中选取误码性能最优结果作为最优译码结果。

14、根据本发明的一个实施例，步骤s4中，所述邻域加权方式融合当前时隙以及前后相邻时隙的光子计数，加权系数依据背景光子噪声水平、探测器响应特性预先标定，用于量化并抑制脉冲能量泄露带来的解调干扰。

15、根据本发明的一个实施例，步骤s5中译码器的译码架构采用串行迭代译码架构或者并行译码架构，并行译码架构通过多通道同步处理不同偏移量下的时隙数据，降低译码处理时延。

16、根据本发明的一个实施例，所述光子探测器为超导纳米线单光子探测器、单光子雪崩二极管、光电倍增管、超导边缘传感器中的任意一种。

17、根据本发明的一个实施例，所述译码器采用串行级联脉冲位置调制编码，或ldpc码、或rs码。

18、另一方面，本发明还提供一种基于光子探测的scppm信号时隙同步系统，所述系统包括单光子探测模块、光子时序采集模块、时隙同步处理模块、似然比修正模块、迭代译码模块以及结果判决输出模块；

19、所述单光子探测模块用于接收微弱光脉冲信号并完成光子探测；

20、所述光子时序采集模块采用时间数字转换器采集光子时间戳，生成光子计数时序序列；

21、所述时隙同步处理模块完成时隙积分与初始偏移量求解；

22、所述似然比修正模块采用邻域加权方式修正对数似然比；

23、所述迭代译码模块结合预设偏移序列完成迭代译码；

24、所述结果判决输出模块依据校验结果筛选最优译码数据并完成输出。

25、本发明的一种基于光子探测的scppm信号时隙同步方法及系统，与现有技术相比，本发明所产生的有益效果在于：

26、本发明技术方案可以明显提升在抖动影响下高速率单光子通信的灵敏度，同时实现逻辑简单，复杂度低。传统的时隙同步算法本身仅针对时延进行处理，但在引入抖动后无法得到准确时延估计，仍然存在因抖动存在导致的译码不准问题。经过蒙特卡罗仿真发现，在得到时延估计后，对将相邻采样点作为修正时延来处理光子计数序列可以显著提升通信可靠性。本发明通过时序测量、初始同步、迭代偏移修正、译码校验的闭环设计，解决了光子探测器（例如snspd）时间抖动、时钟偏差带来的时隙同步误差问题。具体而言，以为初始偏移基准，通过固定步长的迭代搜索，在有限计算复杂度内完成偏移量优化；以译码结果的正确性作为迭代终止条件，在保证译码可靠性的同时，避免了全范围偏移搜索的高复杂度开销；最终通过多轮迭代结果的择优输出，提升了低信噪比、存在时间抖动场景下的基于光子探测的scppm信号通信系统整体性能。