空間光通信系統(tǒng)中量子接收機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)都是經(jīng)典接收機(jī)，經(jīng)典接收機(jī)以經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典檢測(cè)與估計(jì)理論為基礎(chǔ)，其誤符號(hào)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(dòng)力學(xué)和量子檢測(cè)與估計(jì)理論出發(fā)，能夠設(shè)計(jì)出誤符號(hào)率可以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的量子接收機(jī)。量子接收機(jī)誤符號(hào)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(duì)Helstrom極限的認(rèn)知以來

2、，如何從物理上實(shí)現(xiàn)量子接收機(jī)，使其誤符號(hào)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(zhǎng)期以來，受限于技術(shù)發(fā)展水平，量子接收機(jī)物理實(shí)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(jī)的研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證階段，要想使得量子接收機(jī)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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)。以包含接收機(jī)各器件非理想性的最優(yōu)位移量子接收機(jī)模型為基礎(chǔ)，我們獲得了包含接收機(jī)各器件非理想性的分區(qū)檢測(cè)量子接收機(jī)的解析模型。從該模型出發(fā)，我們分析了探測(cè)器量子效率η、探測(cè)器暗計(jì)數(shù)v、波束分束器損耗τ、本振場(chǎng)與信號(hào)場(chǎng)模式失配ξ等接收機(jī)器件

4、非理想性對(duì)分區(qū)檢測(cè)量子接收機(jī)性能的影響。針對(duì)不同分區(qū)策略，我們對(duì)分區(qū)檢測(cè)量子接收機(jī)的性能進(jìn)行了仿真，通過對(duì)不同分區(qū)策略下仿真結(jié)果的對(duì)比研究，給出了工程實(shí)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(jī)。首先，針對(duì)M-ary PSK調(diào)制，我們得到了包含接收機(jī)各器件非理想性的ON-OFF探測(cè)分區(qū)自適應(yīng)測(cè)量量子接收機(jī)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(duì)QPSK調(diào)制和8-PS

5、K調(diào)制ON-OFF探測(cè)分區(qū)自適應(yīng)測(cè)量量子接收機(jī)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(cè)器(PNRD)，可以有效抑制本振場(chǎng)與信號(hào)場(chǎng)模式失配ξ對(duì)該量子接收機(jī)性能的影響，并對(duì)PNRD光子數(shù)分辨能力不同時(shí)該量子接收機(jī)的性能進(jìn)行了仿真。接下來，我們將分區(qū)自適應(yīng)測(cè)量量子接收機(jī)應(yīng)用于QAM調(diào)制信號(hào)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(cè)量量子接收機(jī)的性能。最后，為了能夠只使用ON-OFF單光子探測(cè)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?cè)谏钊胙芯縌PSK調(diào)制經(jīng)典-量子混合接收機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)16-QAM調(diào)制的經(jīng)典-量子混合接收機(jī)。
　　(3)自由空間激光通信系統(tǒng)中大氣湍流效應(yīng)對(duì)量子接收機(jī)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(shí)量子接收機(jī)的誤符號(hào)率，我們給出了分析大氣湍流效應(yīng)對(duì)量子接收機(jī)性能影響的方法。最后，作為一個(gè)實(shí)例，我們給出了考慮了大氣湍流效