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一种弱光或者远距离单 光子训练检测系统和检测方法

阅读：486发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法，该发明涉及用于弱光信号、远距离等条件下的单光子检测技术，包括一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，其中发送端数据包括一个已知训练比特“1”以及其余的数据序列，采用单载波OOK调制，接收端需要高灵敏度的光电检测器件，采用单光子雪崩二极管 SPAD；此外，还提供一种弱光或者远距离单光子训练检测方法，对单个训练符号进行检测，本发明的优势在于，利用单个训练比特“1”对接收到的信号进行信道估计，在对接收到的光子计数信号进行最大似然检测，从而提升系统的传输性能。，下面是一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端的数据包括训练比特“1”以及数据序列，且采用单载波OOK调制，利用单个训练比特“1”对接收到的信号进行信道估计，之后对接收到的光子计数信号进行最大似然检测；
所述接收端采用具有高灵敏度和高光电检测效率的单光子雪崩二极管SPAD；
在死时间限制下的SPAD输出模型为
τ为死时间，Td为数据比特持续时间，δ为死时
间率，为最大计数值；对于弱光检测，出现SPAD输出光子数等于kmax的概率忽略不计，简化上式为
则第一个训练比特估计的信道信息表示为
nb为背景光噪声和暗计数噪声引起的光子计数，通过观测一段时间内噪声光子计数，再除以相对应的时间计算出；yt为训练比特“1”对应接收到的光子数，
则实际的最大似然检测门限为
λ1表示如果接受符号为1的光子数，λ0表示如果接受符号为0的光子数。
2.根据权利要求1所述的一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，其特征在于，所述训练比特“1”以及数据序列，两者组成一个帧结构。
3.根据权利要求1所述的一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，其特征在于，所述数据序列用于承载有效的数据信息。
4.根据权利要求1所述的一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，其特征在于，所述训练比特“1”用于估算出信道信息，而后根据给出的信道估计值，给出最大似然检测的门限。
5.一种弱光或者远距离单光子训练检测方法，其特征在于，
在死时间限制下的SPAD输出模型为
τ为死时间，Td为数据比特持续时间，δ为死时
间率，为最大计数值；对于弱光检测，出现SPAD输出光子数等于kmax的概率忽略不计，简化上式为
则第一个训练比特估计的信道信息表示为
nb为背景光噪声和暗计数噪声引起的光子计数，通过观测一段时间内噪声光子计数，再除以相对应的时间计算出；yt为训练比特“1”对应接收到的光子数，
则实际的最大似然检测门限为
λ1表示如果接受符号为1的光子数，λ0表示如果接受符号为0的光子数。
6.根据权利要求5所述的一种弱光或者远距离单光子训练检测方法，其特征在于，实际SPAD的概率分布为一个和数据速率相关的函数。

说明书全文

一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及弱光信号、远距离等条件下的单光子检测技术领域，具体为一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法。

背景技术

[0002] 对于大型室内场所、室外和水下长距离或者弱光通信而言，由发送端到达接收端的光信号通常非常微弱，因此接收端需要高灵敏度的光电检测器件。

[0003] 因而，单光子雪崩二极管SPAD由于其高灵敏度和高光电检测效率，被广泛用于上述通信系统。SPAD的输出为光子计数信号，通常每一个输出脉冲代表一个光子。然而，目前大多数基于SPAD的研究，将其光电转换后的输出建模为标准的泊松Poisson统计特性。

[0004] SPAD工作在略高于击穿电压的盖革模式，其高于击穿电压的部分叫做过偏置电压。当盖革模式发生放电时，前端电路检测到雪崩电流。由于雪崩电流极大，如果不加以抑制，将会使SPAD损坏，因此前端电路这时要降低偏置电压来停止雪崩击穿，这一过程叫做淬灭。这样SPAD恢复它的光子探测能力又需要一定的时间，把SPAD的淬灭和恢复，也就是SPAD不能探测光子的这段时间叫做死时间(Dead Time)。死时间越短，对探测越有利。死时间大于传输比特持续时间，将会引起符号间干扰。

[0005] 由于根据实验观察和相关的研究成果表明，实际的SPAD输出并不是泊松Poisson分布，这是因为死时间效应的存在，而在系统处于死时间时SPAD不能探测光子。

[0006] 因此，需要提供一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法，解决上述问题，提升系统的传输性能。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法，以解决上述背景技术提出的寻找使系统的通照性能都能达到最佳的预编码、均衡矩阵和光通量分配比例问题。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0009] 一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法包括一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和一种弱光或者远距离单光子训练检测方法。

[0010] 一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，包括发送端和接收端；

[0011] 所述发送端数据包括一个训练比特“1”以及数据序列，且采用单载波OOK调制，利用单个训练比特“1”对接收到的信号进行信道估计，之后对接收到的光子计数信号进行最大似然检测；

[0012] 所述接收端采用具有高灵敏度和高光电检测效率的单光子雪崩二极管SPAD。

[0013] 优选的，所述一个训练比特“1”，以及数据序列，两者组成一个帧结构。

[0014] 优选的，所述数据序列作用为承载有效的数据信息。

[0015] 优选的，所述训练比特“1”用来估计出信道信息，而后根据给出的信道估计值，给出了一种最大似然检测的门限

[0016] 一种弱光或者远距离单光子训练检测方法，当SPAD处于死时间时，SPAD不能探测光子，死时间越短，对探测越有利，若死时间大于传输比特持续时间，将会引起符号间干扰；因此，一种弱光或者远距离单光子训练检测方法，

[0017] 考虑在死时间限制下的SPAD输出模型为：

[0018]

[0019] τ为死时间，Td为数据比特持续时间，δ为死时间率。为最大计数值，对于弱光检测，出现SPAD输出光子数等于kmax的概率几乎可以忽略不计。因此简化上式为

[0020]

[0021] 那么，第一个训练比特估计的信道信息可以表示为

[0022]

[0023] nb为背景光噪声和暗计数噪声引起的光子计数。可以通过观测一段时间内噪声光子计数，再除以相对应的时间就可算出；yt为训练比特“1”对应接收到的光子数。

[0024] 那么实际的最大似然检测门限为

[0025]

[0026] λ1表示如果接受符号为1的光子数，λ0表示如果接受符号为0的光子数。

[0027] 优选的，实际SPAD的概率分布为一个和数据速率相关的函数。

[0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用单个训练比特“1”对接收到的信号进行信道估计，在对接收到的光子计数信号进行最大似然检测，从而提升系统的传输性能。附图说明

[0029] 图1为数据帧结构；

[0030] 图2为SPAD接收到的光子计数脉冲序列。

具体实施方式

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，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是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0032] 请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：

[0033] 一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和检测方法包括一种弱光或者远距离单光子训练检测系统和一种弱光或者远距离单光子训练检测方法。

[0034] 一种弱光或者远距离单光子训练检测系统，包括发送端和接收端；所述发送端数据包括一个训练比特“1”以及数据序列，且采用单载波OOK调制，利用单个训练比特“1”对接收到的信号进行信道估计，之后对接收到的光子计数信号进行最大似然检测；所述接收端采用具有高灵敏度和高光电检测效率的单光子雪崩二极管SPAD。

[0035] 一种弱光或者远距离单光子训练检测方法，当SPAD处于死时间时，SPAD不能探测光子，死时间越短，对探测越有利，若死时间大于传输比特持续时间，将会引起符号间干扰；因此，一种弱光或者远距离单光子训练检测方法：

[0036] 考虑在死时间限制下的SPAD输出模型为

[0037]

[0038] τ为死时间，Td为数据比特持续时间，δ为死时间率。为最大计数值，对于弱光检测，出现SPAD输出光子数等于kmax的概率几乎可以忽略不计。因此简化上式为

[0039]

[0040] 那么，第一个训练比特估计的信道信息可以表示为

[0041]

[0042] nb为背景光噪声和暗计数噪声引起的光子计数。可以通过观测一段时间内噪声光子计数，再除以相对应的时间就可算出；yt为训练比特“1”对应接收到的光子数。

[0043] 那么实际的最大似然检测门限为

[0044]

[0045] λ1表示如果接受符号为1的光子数，λ0表示如果接受符号为0的光子数。

[0046] 工作原理：

[0047] 帧的结构包括唯一一个训练比特“1”，以及后续的数据序列，数据序列用于承载有效的数据信息，训练比特“1”用于估计出信道信息，而后，根据给出的信道估计值，给出了一种最大似然检测的门限；此外，实际SPAD的概率分布可以为一个和数据速率相关的函数，从而有利于后续算法性能的提升。

[0048] 术语解释：

[0049] 1、VLC:(visible light communication)可见光通信；

[0050] 2、LED:(lighting emitting diode)发光二极管；

[0051] 3、SPAD:(single photon avalanche diode)单光子雪崩二极管；

[0052] 4、OOK(on-off-keying)开关键控。

[0053] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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