【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线光通信，尤其涉及一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统及方法。
技术介绍
1、光子计数通信作为一种高灵敏度、低功率要求的激光通信体制，非常适合深空链路场景。然而，随着深空探测任务的不断发展，探测距离和传输数据量进一步增加，对光通信系统的通信速率要求也越来越高。因此，具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、低阻塞效应等优势的超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single photondetector，简称为snspd)逐渐成为深空光通信研究热点。与此同时，基于snspd的光子计数探测系统也因其高光子利用效率和高速传输速率被广泛使用在深空探测领域。
2、然而，在通过降低时隙宽度以提高通信信道吞吐量的过程中，随着时隙频率提高至ghz量级，探测系统带来的百皮秒量级抖动相对于整个信号时隙而言将不可忽略，并极大的影响时隙同步精度。目前常见的时隙同步方法忽略了窄时隙宽度下由光源、探测器的抖动以及传输延时等因素导致时隙畸变，将光子到达强度视为均匀泊松过程。考虑到snspd的微弱阻塞特性，在低时隙频率下，这种近似是合理的。但随着时隙频率提高至ghz量级，即使在微弱阻塞效应状态下，时隙内光子的到达时刻也不再表现为理想中的均匀分布形式，而是随时间t变化而波动，在实际应用过程中需要使用二阶锁相环以及其他复杂的硬件算法实现误差补偿，加大了系统硬件结构设计和实现难度。
3、中国专利cn116722928a公开了一种基于单光子计数的无线光通信ppm软解调系统及方法，通过
4、因而，亟需提供一种实现对snspd光子到达分布的准确表征模型以及系统方案来实现时隙偏移估计，以进一步降低硬件复杂度和通信误码率。
技术实现思路
1、为此，本专利技术实施例提供了一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统及方法，用于解决现有技术中现有时隙同步方案的硬件复杂度和通信误码率高的问题。
2、为了解决上述问题，本专利技术实施例提供一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，该系统包括fpga开发板、射频功率放大器、激光调制器、1550nm激光器、固定衰减、可调衰减、偏振控制器、超导纳米线单光子阵列探测器、读出电路、时间数字转换器、计算机；
3、所述fpga开发板用于将外部输入的二进制数据帧存储在只读存储器中，然后通过内部数据读出模块将二进制数据帧以64bit位宽形式循环传输到gtx模块上并以10gbps发送线速度发送到射频功率放大器；
4、所述二进制数据帧经过射频功率放大器驱动放大信号加载到1550nm激光器发射激光脉冲，并通过激光调制器产生调制激光脉冲，产生的调制激光脉冲经过固定衰减、可调衰减以模拟自由空间光信道传输损失，经过偏振控制器对准后衰减到单光子量级的光脉冲被超导纳米线单光子阵列探测器探测到，探测到的光脉冲经过读出电路转化为脉冲电信号，脉冲电信号经过时间数字转换器转换为时间戳数据进入计算机；
5、所述计算机用于基于时间戳数据，考虑非时齐泊松探测过程并修正最大似然估计算法，计算时隙偏移的局部最优估计值。
6、优选地，所述系统还包括2k低温制冷系统，所述2k低温制冷系统用于为所述超导纳米线单光子阵列探测器和所述读出电路提供低温工作环境。
7、优选地，所述计算机用于基于时间戳数据，考虑非时齐泊松探测过程并修正最大似然估计算法，计算时隙偏移估计值，具体包括：
8、基于时间戳数据，建立时隙偏移估计模型：对于非均匀泊松探测强度分布f(t)，持续时间为ts的发光时隙而言，时刻t上最大强度函数f(t)max＝λs，t∈[0，ts]，则强度函数f(t)表示为：
9、
10、式中，特征参数t1，t2，t3表示光子到达强度函数随时间t变化时的区间边界，t1+t2+t3＝ts，单位：ns；
11、考虑时隙偏移中循环移位特性，对信号时隙内平均光子数取决于偏移量τ的小数部分ε，则发送端ppm符号最后一个时隙内平均光子数偏移到接收端符号末尾保护时隙内的百分比ε′(ks，ε)与时隙内平均信号及噪声光子数ks，kb相关，即：
12、
13、式中，ks表示接收端信号光子数，kb表示接收端背景光子数；ε表示时隙偏移值；
14、基于时隙偏移估计模型和时隙偏移中循环移位特性，得到时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)；
15、基于时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)，获得时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)与时隙平均信号光子数k′s，m和时隙光子到达概率质量函数之间的关系；
16、基于上述关系，在观测向量y，时隙偏移为τ的条件下，计算得到对数似然函数l(τ，y)；
17、考虑到对数似然函数l(τ，y)，计算得到在整数开区间(j，j+1)上时隙偏移τ的局部最优估计值
18、优选地，所述时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)表示为：
19、当时，
20、
21、当时，
22、
23、当时，
24、
25、式中，m，p分别表示ppm调制阶数以及保护时隙个数；n表示调制符号个数；m表示时隙下标；k表示整数。
26、优选地，时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)与时隙平均信号光子数k′s，m和时隙光子到达概率质量函数之间的关系表示为：
27、
28、
29、式中，表示时隙光子到达概率质量函数；ym表示观测向量。
30、优选地，对数似然函数l(τ，y)表示为：
31、
32、式中，const表示常数值；k′s，0表示第0个时隙内有效光子数。
33、优选地，在整数开区间(j，j+1)上时隙偏移τ的局部最优估计值表示为：
34、
35、式中，j＝0，1…，m+p-1。
36、本专利技术实施例还提供了一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步方法，所述方法采用上述所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，实现时隙同步，具体包括：
37、将激光脉冲调制成调制激光脉冲，并将调制成的调制激光脉冲经过衰减得到单光子量级的光脉冲；
38、将得到的光脉冲转化为脉冲电信号，并将所述脉冲电信号转换为时间戳数据；
39、基于时间戳数据，考虑非时齐泊松探测过程并修正最大似然估计算法，计算时隙偏移的局部最优估计值，实现时隙同步。
40、本专利技术实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器、存储器和总线系统，所述处理器和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，包括FPGA开发板(1)、射频功率放大器(2)、激光调制器(3)、1550nm激光器(4)、固定衰减(5)、可调衰减(6)、偏振控制器(7)、超导纳米线单光子阵列探测器(9)、读出电路(10)、时间数字转换器(11)、计算机(12)；
2.根据权利要求1所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，所述系统还包括2K低温制冷系统(8)，所述2K低温制冷系统(8)用于为所述超导纳米线单光子阵列探测器(9)和所述读出电路(10)提供低温工作环境。
3.根据权利要求1所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，所述计算机(12)用于基于时间戳数据，考虑非时齐泊松探测过程并修正最大似然估计算法，计算时隙偏移估计值，具体包括：
4.根据权利要求3所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，所述时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)表示为：
5.根据权利要求4所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，时隙
6.根据权利要求5所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，对数似然函数L(τ,y)表示为：
7.根据权利要求6所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步方法，其特征在于，在整数开区间(j,j+1)上时隙偏移τ的局部最优估计值表示为：
8.一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1至7任意一项所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，实现时隙同步，具体包括：
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器、存储器和总线系统，所述处理器和存储器通过该总线系统相连，所述存储器用于存储指令，所述处理器用于执行存储器存储的指令，以实现权利要求8所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机软件产品，所述计算机软件产品包括的若干指令，用以使得一台计算机设备执行权利要求8所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，包括fpga开发板(1)、射频功率放大器(2)、激光调制器(3)、1550nm激光器(4)、固定衰减(5)、可调衰减(6)、偏振控制器(7)、超导纳米线单光子阵列探测器(9)、读出电路(10)、时间数字转换器(11)、计算机(12)；
2.根据权利要求1所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，所述系统还包括2k低温制冷系统(8)，所述2k低温制冷系统(8)用于为所述超导纳米线单光子阵列探测器(9)和所述读出电路(10)提供低温工作环境。
3.根据权利要求1所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，所述计算机(12)用于基于时间戳数据，考虑非时齐泊松探测过程并修正最大似然估计算法，计算时隙偏移估计值，具体包括：
4.根据权利要求3所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，所述时隙内平均光子数估计项λ′m(τ)表示为：
5.根据权利要求4所述的基于超导纳米线单光子阵列探测器的时隙同步系统，其特征在于，时隙内平均光子数估计项λ′m(...
【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，司岳，文天成，黄骏，王建宇，舒嵘，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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