空間光通信系統(tǒng)中量子接收機的設(shè)計與分析.pdf

1、目前為止，激光通信系統(tǒng)中得到工程化應(yīng)用的接收機都是經(jīng)典接收機，經(jīng)典接收機以經(jīng)典電動力學(xué)和經(jīng)典檢測與估計理論為基礎(chǔ)，其誤符號率的性能極限稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限。已有的研究表明，從量子電動力學(xué)和量子檢測與估計理論出發(fā)，能夠設(shè)計出誤符號率可以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的量子接收機。量子接收機誤符號率的性能極限稱為Helstrom極限，與標(biāo)準(zhǔn)量子極限相比，Helstrom極限在性能上有很大程度的提升。自從上世紀(jì)六十年代末人們獲得對Helstrom極限的認(rèn)知以來

2、，如何從物理上實現(xiàn)量子接收機，使其誤符號率能夠突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限并不斷逼近Helstrom極限，一直吸引著廣大研究者的目光。長期以來，受限于技術(shù)發(fā)展水平，量子接收機物理實現(xiàn)方案的研究進(jìn)展緩慢，直到最近幾年才取得了一些突破性的成果。盡管如此，當(dāng)下關(guān)于量子接收機的研究仍然停留在實驗演示驗證階段，要想使得量子接收機在激光通信系統(tǒng)中得到工程化應(yīng)用，還有不少問題需要深入研究。
　　在本論文中，我們首先回顧了信息技術(shù)和激光通信系統(tǒng)中的接收機從經(jīng)

3、典到量子的發(fā)展歷程，接著介紹了激光通信系統(tǒng)中接收機設(shè)計的理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，本論文深入研究了空間光通信系統(tǒng)中量子接收機的設(shè)計與分析，主要工作包括:
　　(1)二元調(diào)制激光通信系統(tǒng)中的量子接收機。以包含接收機各器件非理想性的最優(yōu)位移量子接收機模型為基礎(chǔ)，我們獲得了包含接收機各器件非理想性的分區(qū)檢測量子接收機的解析模型。從該模型出發(fā)，我們分析了探測器量子效率η、探測器暗計數(shù)v、波束分束器損耗τ、本振場與信號場模式失配ξ等接收機器件

4、非理想性對分區(qū)檢測量子接收機性能的影響。針對不同分區(qū)策略，我們對分區(qū)檢測量子接收機的性能進(jìn)行了仿真，通過對不同分區(qū)策略下仿真結(jié)果的對比研究，給出了工程實踐中選擇分區(qū)策略的基本原則。
　　(2)多元調(diào)制激光通信系統(tǒng)中的量子接收機。首先，針對M-ary PSK調(diào)制，我們得到了包含接收機各器件非理想性的ON-OFF探測分區(qū)自適應(yīng)測量量子接收機的概率仿真模型。從該模型出發(fā)，通過蒙特卡羅仿真，我們分析了各器件非理想性對QPSK調(diào)制和8-PS

5、K調(diào)制ON-OFF探測分區(qū)自適應(yīng)測量量子接收機性能的影響。在此基礎(chǔ)上我們指出，使用具有光子數(shù)分辨能力的單光子探測器(PNRD)，可以有效抑制本振場與信號場模式失配ξ對該量子接收機性能的影響，并對PNRD光子數(shù)分辨能力不同時該量子接收機的性能進(jìn)行了仿真。接下來，我們將分區(qū)自適應(yīng)測量量子接收機應(yīng)用于QAM調(diào)制信號的量子接收，詳細(xì)分析了不同條件下16-QAM調(diào)制分區(qū)自適應(yīng)測量量子接收機的性能。最后，為了能夠只使用ON-OFF單光子探測器而不使

6、用PNRD，并且采用較少的分區(qū)數(shù)目來突破16-QAM調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，我們在深入研究QPSK調(diào)制經(jīng)典-量子混合接收機的基礎(chǔ)上，提出了針對16-QAM調(diào)制的經(jīng)典-量子混合接收機。
　　(3)自由空間激光通信系統(tǒng)中大氣湍流效應(yīng)對量子接收機性能的影響。我們首先回顧了大氣湍流效應(yīng)的建模方法。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合無湍流時量子接收機的誤符號率，我們給出了分析大氣湍流效應(yīng)對量子接收機性能影響的方法。最后，作為一個實例，我們給出了考慮了大氣湍流效