基于删除信道特性的光子计数无线光通信信号解调及纠错编码研究

In recent years, single photon detectors with single photon sensitivity limit were developed to be used to detect the optical signal at the receiving terminal to achieve high reliability,long-distance wireless optical communication.High sensitivity signal demodulation and high-gain, low-complexity error correction coding method are are two issues for its success.Focusing on the characteristics of wireless optical communication using photon counting detector to receive optical signal,this project carries out system research on communication model, modulation and demodulation, and error correction coding. The statistical properties of the photon and the random process of photon detection becomes the main factor affecting the performance of long-distance wireless optical communication. Focusing on this characteristic, the communication model based on double random Poisson distribution point is studied to provide a theoretical basis for the design of demodulation and error correction coding. The output signal of photon counting detector is a discrete sequence of pulses. Focusing on this characteristic, the high sensitivity signal demodulation and high-precision synchronization technology is studied based on counting photons in a time slot. The vast majority of photon counting channel error is symbol erasure, and the symbol error is very small. Focusing on this characteristic, the high-gain, adaptive, cascade coding methods with fountain codes as inner and LDPC codes as outer code are studied. Finally a photon counting wireless optical communication experiment systems are built to verify the demodulation and coding techniques.

近年来为实现远距离高可靠性的无线光通信，具有单光子限灵敏度的单光子探测器被研究用于检测接收端光信号。高灵敏度的信号解调及高增益、低复杂度的纠错编码方法是其成功的两个关键因素。本项目紧密围绕远距离无线光通信中采用光子计数探测器检测光信号所具有的删除信道的特点，开展通信模型、调制解调及纠错编码等方面的系统研究。针对发射光场的光子统计特性及光子探测的随机过程成为影响远距离无线光通信性能的主要因素的特点，研究基于双随机泊松点分布过程的通信模型，为调制解调及纠错编码的设计提供理论基础；针对光子计数探测器输出信号为离散脉冲序列的特点，研究基于时隙内光子计数的高灵敏度信号解调和高精度同步技术；针对光子计数信道绝大多数错误是符号删除，符号错误非常少的特点，研究喷泉码作为内码和LDPC码作为外码的高增益自适应级联编码方法；最后搭建光子计数无线光通信实验系统，对调制解调和编码技术进行实验验证。

近年来为实现远距离高可靠性的无线光通信，具有单光子限灵敏度的单光子探测器被研究用于检测接收端光信号。高灵敏度的信号解调及高增益、低复杂度的纠错编码方法是其成功的两个关键因素。本项目提出基于删除信道特性的光子计数无线光通信信号解调及纠错编码研究。主要取得以下成果：（1）搭建了模拟远距离弱链路通信环境的水下光子计数无线光通信系统；（2）建立了基于双随机泊松点过程的光子计数无线光通信模型；（3）提出并验证了一种基于光子时间间隔的比特信息解调方案；（4）提出并验证了一种直接从探测器输出的离散单光子脉冲序列中恢复时隙同步信号和数据的方法；（5）建立了时隙同步时钟提取模型；（6）提出并实现了一种适用于高误码率通信环境的高可靠性视频传输链路协议；（7）提出并验证了LT码和QC_LDPC码级联编码方案；（8）提出并验证了一种基于残差测量的分布式视频压缩感知联合信道编码方案；（9）提出并验证了一种基于PPM调制下的时隙同步时钟和数据恢复的方法。上述成果有望应用于深空探测、深海通信等领域。. 在《Optics Express》，《IEEE Photonics Journal》等国内外知名期刊和学术会议发表论文14篇，其中SCI收录10篇，EI收录3篇，中文核心期刊1篇。申请发明专利11项，其中已授权发明专利2项。参加国际学术会议3次，培养已被毕业硕士生5名。作品“可见光多语种同声传译通信系统”获2017年“DIGIGENT全程可编程创新创业比赛”中国赛区特等奖，作品“水下单光子音视频通信系统”获2017年“第十二届中国研究生电子设计竞赛全国总决赛”全国一等奖。项目负责人获2017年“江西省杰出青年人才”称号和2018年“Arm大学计划教学特别贡献奖”。