CN106059676B - 基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及容错单光子通信技术，具体是一种以激光为信息载体的基于单光子探测的多通道频率编码技术。通过在发送端对激光进行频率调制，实现信息的加载。经过信道传输后光强衰减至单光子量级，在接收方通过单光子探测器测量，对探测到的单光子脉冲序列进行傅里叶变换实现频率信息的提取。本发明对信道损耗和噪声具有极强的容错性能。解决了长距离激光通信及量子通信过程中信道损耗和噪声造成的信息丢失和错误的问题，为星地激光通信以及量子安全直接通信的实现提供了技术手段。

Description

基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统

技术领域

本发明属于通信领域，涉及光通信技术，具体是一种以激光为信息载体的基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统。

背景技术

在信息技术迅速发展的今天，人们对大容量星地通信技术需求迫切。特别地，深空探测有助于研究太阳系及宇宙的起源，演变和现状，寻找人类新的家园，针对深空探测通信的特点，在X波段，ka波段内，国际上目前采用的措施一般是加大地面深空站的天线孔径，同时降低接收系统温度噪声，采用更适合信道特点的编译码技术以及信源压缩技术等。但是对于星际通信，仅仅依靠增大天线孔径显然不现实。现有的无线通信技术已经不能满足对传输速率与传输距离的要求。

激光具有高能量密度的特点，与微波波束相比，其发散角小3～5个数量级。这意味着相同发射功率下，在接收方接收到相同功率时，激光光束可以传播更远的距离。此外激光通信还具有体积小、重量轻、高安全性和高速率等特点。自由空间激光通信有望在星地通信、星际链路、深空探测中发挥重要作用。

在超远距离光纤通信、星地通讯、星际通讯等过程中，光强的损耗和背景噪声极大地阻碍着信号的探测和信息的正确解码。在通讯波段光纤的典型损耗为0.2dB/km，随着通信距离的延长光强呈指数下降。因此，在长距离光纤通信中通常每隔一段距离建立一个通讯节点，通过光放大器弥补光纤传输的损耗。但是这些通讯节点需要定期维护检修，这在一些极端条件下(如深空探测)是无法实现的。在星际通信中，背景光源(如太阳，月亮，行星等)的干扰增大了空间光通信端机接收的噪声功率，增大了信息传输的误码率。此外，在远距离传输条件下，接收机探测接收到的激光能量都比较弱，因此要实现稳定的远距离星际激光通信，就必须克服信道噪声和损耗。

目前，已经有多个纠错、纠删码提出并被深入的研究，比如RS码和喷泉码等。但是当损耗或者噪声增大时，这些编码方式就需要更长的码字以克服损耗和噪声的影响。随着码字长度的增加，码字的构造难度和解码难度都呈指数增长。因此，当面临高损耗和噪声的信道时需要寻求一种更为简单高效的编码方式。本发明建立工作在单光子量级的容错编码机制可用于超远距离星际通信。

发明内容

本发明旨在提出一种基于单光子探测的多通道频率编码技术，解决单光子量级通信中信道损耗和噪声引起的信息比特丢失和误码的问题。通过在发送端对激光进行频率调制实现信息的加载，接收方接收到的光强在单光子量级，通过单光子探测器测量单光子脉冲序列进行傅里叶变换实现频率信息的提取。该系统具有极强的抗干扰和抗损耗能力。

本发明是采用如下技术方案实现：

一种基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统，包括发送端和接收端；所述发送端包括激光器和信息加载装置，所述激光器输出激光后经光纤隔离器进入强度调制器；所述信息加载装置内预先编制待发送信息与调制频率的一一对应关系表，即确定与发送信息对应的频率通道及通道间隔，信息加载装置通过信号发生器在规定的频率通道及通道间隔内将调制信号加载在强度调制器的调制端口；在强度调制器之后放置可调光学衰减器将输出光信号衰减至单光子量级。

所述接收端包括单光子探测器，所述单光子探测器接收到发送端的光信号后，通过滤波器输入至信息解码装置，所述信息解码装置通过傅里叶变换得到单光子序列的频谱信息，再根据信息与调制频率的一一对应关系表，获得发送信息。

发送端采用频率调制，通过改变调制信号的频率来编码信息。接收方接收到的光强在单光子量级。信息的提取过程采用频谱分析的方法。接收端对接收到的光子序列利用单光子探测器进行探测，探测器输出光子脉冲信号序列进行傅里叶变换得到频谱。对频谱进行分析获得调制频率信息。

由傅里叶变换理论可知，任何一种时域波形都可以看作是一系列正弦函数的叠加。其频谱展示了各个频率成分的相对分布。频谱的峰值位置反映了时域波形的周期性。但是，如果时域波形是完全的随机信号，其频谱表现为白噪声，即各个频率成分所占比重相同。单光子量级的相干光源光子数服从泊松分布，也就是说光子出现在时间轴上任何一个位置的概率都相同。一个单光子量级的相干光源就可以看作是一个完全随机的时域波形，其频谱即为白噪声分布。如果使用强度调制器对单光子的发射几率进行周期性调制，那么，光子序列就会携带调制信号的周期特性。相应的其频谱也不仅是白噪声分布，在调制频率位置会出现相应的特征谱线。

在光子序列传输过程中，由于周围环境的影响，会产生损耗和噪声。损耗和噪声的发生都是随机的，不具备周期性质。损耗在频域内表现为频谱幅度的整体下降，包括特征谱线和白噪声幅度。噪声在频谱上表现为背景白噪声幅度的增加。信道损耗和噪声都会导致特征谱线信噪比降低。光子序列的频谱特性不会因单个光子的丢失或错误而改变，从而实现在频域内提取信息。

基于上述技术方案，本发明设计合理的提出频率编码方案在较宽的频带内编码，实现较高的频带利用率，从而提高编码效率。与现有的信道编码方案相比，该方案充分利用了相干光源的物理统计性质，能够克服更大的信道损耗和噪声。该编码方式不仅适用于远距离激光通信，而且在基于单光子传输的量子通信领域等具有潜在的应用价值。

本发明系统具有的优点如下：

1、本发明中编码方式采用频率调制编码，调制频率具有很宽的带宽，可以在kHz～GHz范围内任意切换。这样宽的调制带宽，使得频率编码具有很高的信道容量。

2、发送方可以同时加载多个调制频率。通过不同调制频率的组合代表不同的比特序列，从而增加频谱自由度，提高通信速率。

3、由于接收方只需要接收到单光子量级的光强即可恢复信息，而发送方可以选择发射强激光。因此，该编码方式在长距离激光通信过程中具有极强的抗损耗能力。

4、基于单光子探测的多通道频率编码方式中，接收方通过频率识别来提取信息。信号的频谱与调制频率相对应。噪声的频谱是白噪声，其能量均匀的分布在各个频率位置。在噪声功率大于信号功率时，仍然能够实现接近100％的正确解码概率，因此，该编码方式在噪声信道中具有极强的信息恢复提取的能力。

附图说明

图1表示基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统。

图2表示被调制后的光子序列频谱。

图3表示传输前后图像对比。

图4a表示不同光子计数条件下接收方正确识别调制频率的概率分布。

图4b表示不同通道间隔条件下接收方正确识别调制频率的概率分布。

图4c表示不同噪声计数下接收方正确识别调制频率的概率分布。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

本实施例所述的基于单光子探测的多通道频率编码技术，在噪声，损耗信道中具有极强的信息恢复提取能力。通过在发送端对激光进行频率调制实现信息的加载，接收方接收到的光强在单光子量级，通过单光子探测器测量单光子脉冲序列进行傅里叶变换实现频率信息的提取。单光子量级的相干光源光子数服从泊松分布，也就是说光子出现在时间轴上任何一个位置的概率都相同。一个单光子量级的相干光源就可以看作是一个完全随机的时域波形，其频谱即为白噪声分布。如果使用强度调制器对单光子的发射几率进行周期性调制，那么，光子序列就会携带调制信号的周期特性。相应的其频谱也不仅是白噪声分布，在调制频率位置会出现相应的特征谱线。信道损耗和噪声都会导致特征谱线信噪比降低。光子序列的频谱特性不会因单个光子的丢失或错误而改变，从而实现在噪声，损耗信道中正确提取信息。在本发明中，发送方发射的激光不仅可以是强光，还可以是单光子源。因此本发明不仅适用于远距离通信，还可以用于量子通信领域。

1、理论模型如下：

本发明实施例中，考虑的信道具有如下特征：一、信道损耗大。由于信道损耗接收方接收到的光强为单光子量级。例如发送方以10MHz的脉冲频率发射脉冲，接收方接收到80kcps(cps：count per second)。这意味着每脉冲平均光子数为8×10^-3，大部分脉冲信号完全丢失。二、噪声大，单纯通过光子计数无法有效区分信号和背景噪声的。同样假设信号平均光子计数为80kcps，且信号光光子计数服从泊松分布。噪声计数在0～80kcps范围内随机变化。如星地通信中大气湍流，宇宙背景光的影响。

在未经调制时，对于强衰减相干光源其光子计数n服从泊松分布，

其中，μ为平均光子计数。在采样时间T_s＝1ms内，探测器探测到的光子时间位置为τ₁,τ₂,…,τ_n。这里0≤τ_i＜T_s，i＝1,2,…n。光子序列的傅里叶变换表示为：

f(τ_i)为单光子探测器输出脉冲幅度。

相干光源在发送方经过强度调制后，在接收方光子时序分布根据调制波形，频率而发生变化。此时设单光子探测器输出信号时序表示为τ₁’,τ₂’,…,τ_m’；m服从泊松分布，0≤τ_k＜T_s，k＝1,2,…m。这里假设调制前后平均光子计数相同。调制后单光子序列频谱表示为：

这里假设单光子探测器探测到光子后输出的脉冲幅度f(τ_k)＝1。

在采样时间T_s内未经调制的光子序列其概率密度分布函数为

也就是说在[0,T_s]内光子均匀分布。频谱的期望表示为：

即频谱的期望为直流信号频谱。这里在采样时间T_s提取信息存在低频噪声。

被调制后光子时序分布发生变化，这里我们采用正弦函数作为调制信号。因此，被调制后的光子几率密度函数为：

表示归一化系数；调制信号的初始相位。调制频谱期望表示为

公式中第一项为直流项，在频谱中显示为低频噪声。第二项为交流项，显示调制信号信息。由此，可以看出通过对单光子序列进行频谱分析可以获得发送方加载的频率信息。

2、具体实施例如下：

为了验证编码方案的可行性，进行了图像传输实验。图1为本方案的实验装置图。激光器(型号RFLG-25-1-1550.00-UNL)输出波长为1550nm激光，经光纤隔离器FOI之后进入强度调制器。强度调制器的透射率与加载到其调制端口的电压成正比。对于RGB格式的图片，每个像素点可以由R，G，B三个参数来描述。这三个参数分别表示红绿蓝三原色的灰度值。根据这一原理，在接收端首先将彩色图片分解为三张单色灰度图片，然后建立每个像素点灰度值与调制频率的一一对应关系，如表1所示。将灰度值分为0～10共十一个等级，红绿蓝三组灰度值分别对应33个频率通道。红绿蓝三组灰度值对应的调制带宽分别为：60.5～75.5kHz，42.5～57.5kHz，24.5～39.5kHz，通道间隔为1.5kHz。如图1所示，在进行信息加载时,首先将要传输的像素点R，G，B参数通过三个信号发生器转换为对应频率的正弦信号，然后将三个调制信号叠加后加载在光学强度调制器的调制端口。需要强调的是，频率加载过程不仅可以使用强度调制器来完成还可以使用偏振控制器，相位调制来完成。也就是说信息不仅可以加载在光强分布，还可以加载在光子的偏振和相位。实验中单个像素点的信息加载时间为1ms。在强度调制器之后放置可调光学衰减Att用于模拟信道损耗。接收端接收到的光信号被衰减至单光子量级，光子计数为1Mcps。通过傅里叶变换得到光子序列的频谱，如图2所示。可以看到，频谱中有三个特征谱线，其位置分别为24.5kHz，50.0kHz，71.0kHz，信噪比为41.3。从表1可以得到这三个特征谱线分别对应灰度值B10，G5，R3。从而获得接收方发送的像素信息。图3为实验获得的传输前后图像对比。在接收方单光子探测器计数为1Mcps时，实现了无误码传输像素为80×80的图像。

表1

为了探究不同条件下频率编码方案的性能，针对各种条件进行了理论模拟。图4a表示频率通道数分别为16，32，64和128时，正确解码概率和接收方光子计数的关系，此时通道间隔为1.5kHz。从图4a中可以看出随着光子计数的增加，接收方正确解码的概率增加，并趋于100％。而且可以发现当接收方光子计数大于某个阈值时图中红线所示，不同频率通道条件下，正确解码概率同时趋于100％。图4b为不同通道间隔时，正确解码概率与接收方光子计数的关系。从图4b中可以看出随着通道间隔变小，正确解码概率降低。但是并非通道间隔越大越好，通道间隔过大时正确解码概率会提升但同时也会造成带宽浪费，降低通信速率。因此，对于特定的通信系统，在保证正确解码概率的前提下需要适当选择较小的通道间隔。在图4c中，探索了不同噪声计数下接收方正确解码的概率。图4c中横坐标表示噪声计数，不同颜色曲线表示不同信号光平均光子计数。当噪声计数超过某一阈值时，随着噪声计数的增加正确解码概率逐渐降低。以信号光平均光子计数为160kcps的曲线为例，当噪声光子计数为400kcps时，正确识别概率仍然接近100％。由此可见频率编码方案具有极强的容错性能。

另外，该系统也可以实现任意二进制文件的传输。

所述发送端中信息加载装置中建立发送信息与调制频率的一一对应关系，根据要传输的二进制信息决定调制频率。例如要传输单词“Light”，可以根据ASCII码设定如下对应关系：

表2

所述接收方通过对接收到的单光子序列进行频谱分析获得发送方编码在单光子序列中调制频率，根据调制频率与二进制序列的对应关系获得接收方传输的二进制序列，从而完成信息的传输。如上述表2中接收方相继接收到100kHz，300kHz调制频率，即认为发送方发送字母“L”。

在传输系统中，发送端的激光源可以由单光子源替换；发送端的强度调制器可以由偏振控制器或者相位调制器替换。

3、精度分析如下：

单光子序列频谱方差推导如下。令X_(ω)表示单次测量的实际频谱，频谱方差表示为：

考虑到探测光子计数服从泊松分布，假设平均光子计数为N。

其中这里我们令式中第一项和第二项分别显示在f/2和f位置处频谱方差变大。

4、单光子探测器时间抖动对调制频谱的影响

假设在采样时间T_s内探测到n个光子，其到达探测的时间分别为：τ₁,τ₂,…,τ_n；探测输出脉冲相应的时间抖动分别为：Δτ₁,Δτ₂,…,Δτ_n；此时，单光子序列的离散时间傅里叶变换为：

Δτ服从高斯分布g_(Δτ)且独立于τ；g_(Δτ)的傅里叶变换为G_(ω)。接收方频谱方差表示为：

式中第二项为单光子探测器时间抖动引起的频谱方差。

实验中受限于单光子探测器输出脉冲的时间抖动，我们可以实现的调制频率带宽为500MHz。对于一个给定的量子通信系统，存在最佳的通道数：

f_max和f₁分别为最大和最小调制频率。f_b是通道间隔。对于一个光子序列，Bob可以同时加载多个调制频率。这里我们假设Bob在一个光子序列上加载r个频率信号。那么有效的通信自由度可以表示为r个频率信号的组合数：

信息传输能力可以表示为：

假设实际可利用带宽为500MHz，通道间隔f_b＝1.5kHz，序列长度为T_s＝1ms，同时加载r个频率成分。由公式(6)计算得到通信速率可以达到I＝42.5kbps。

5、通信距离估算

以自由空间激光通信为例计算基于单光子探测的频率编码方案可实现的通信距离。太空环境近似为真空环境，因此在星际通信中忽略传输损耗而只考虑由激光发散角而引入的损耗。自由空间激光发散角计算公式为：λ为激光波长，D₁为发射天线直径。假设在星际通信中光强的衰减全部由光束发散角引起，设通信距离为L，经过传输后光斑半径为r＝L·sin(θ)考虑到光强在垂直光束传播方向服从高斯分布。假设接收方天线孔径为D₂。接收方接收到光强与总发射光强的比值为：

G(x)为关于x的高斯函数。

假设发射方天线孔径为D₁＝2米，接收方天线孔径D₂＝1米，激光波长为1550nm，发射功率为100mW，接收方光子计数为1Mcps。那么根据公式(15)计算可得通信距离约为10¹²km，约为太阳系直径的8.5倍。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统，包括发送端和接收端；其特征在于：所述发送端包括激光源和信息加载装置，所述激光源输出激光后经光纤隔离器进入强度调制器；所述信息加载装置内预先编制待发送信息与调制频率的一一对应关系表，即确定与发送信息对应的频率通道及通道间隔，信息加载装置通过信号发生器在规定的频率通道及通道间隔内将调制信号加载在强度调制器的调制端口；在强度调制器之后放置可调光学衰减器将输出光信号衰减至单光子量级；

所述接收端包括单光子探测器，所述单光子探测器接收到发送端的光信号后，通过傅里叶变换得到光子序列的频谱信息，再根据发送信息与调制频率的一一对应关系表，获得发送信息；

所述发送端中激光源输出波长为1550nm激光后经光纤隔离器进入强度调制器；

所述发送端中信息加载装置中发送信息为RGB格式的图片信息，图片信息的每个像素点由R，G，B三个参数来描述，这三个参数分别表示红绿蓝三原色的灰度值，然后建立每个像素点灰度值与调制频率的一一对应关系表，即将灰度值分为0~10共11个等级，红绿蓝三组灰度值分别对应11个频率通道，共33个频率通道；设定红绿蓝三组灰度值对应的调制带宽分别为：60.5~75.5kHz、42.5~57.5kHz、24.5~39.5kHz，通道间隔为1.5kHz；在进行信息加载时，首先将要传输的像素点R，G，B参数通过三个信号发生器转换为对应频率的正弦信号，然后将三个调制信号叠加后加载在强度调制器的调制端口；在强度调制器之后放置可调光学衰减器将输出光信号衰减至单光子量级；

所述接收端中单光子探测器接收到发送端的光信号后，分别通过三个滤波器输入至信息解码装置，所述信息解码装置通过傅里叶变换得到光子序列的频谱信息，频谱信息中有三个特征谱线，再根据发送信息与调制频率的一一对应关系表，确定三个特征谱线分别对应的灰度值，获得发送方发送的像素信息，传输完成后即获得发送方的完整图片信息。

2.根据权利要求1所述的基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统，其特征在于：

所述发送端中信息加载装置中发送信息为任意二进制文件信息；所述发送端中信息加载装置中建立发送信息与调制频率的一一对应关系，即根据要传输的二进制信息决定频率通道及通道间隔；

所述接收方通过对接收到的单光子序列进行频谱分析获得发送方编码在单光子序列中调制频率信息，根据调制频率与二进制序列的对应关系获得接收方传输的二进制序列，从而完成信息的传输。

3.根据权利要求1所述的基于单光子探测的多通道频率编码信息传输系统，其特征在于：所述发送端的激光源由单光子源替换；所述发送端的强度调制器由偏振控制器或者相位调制器替换。