空間光通信系統(tǒng)中量子接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、相干態(tài)是通信系統(tǒng)中一種非常理想的信息載體,其易于制備和操縱,能夠?qū)箵p耗,可以實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化。但是相干態(tài)的非正交性導(dǎo)致其無法被無差錯(cuò)的檢測(cè)。就通信系統(tǒng)的誤符號(hào)率性能而言,經(jīng)典接收機(jī)(直接檢測(cè),零差檢測(cè)和外差檢測(cè))的性能極限受限于散粒噪聲,我們稱之為標(biāo)準(zhǔn)量子極限(standard quantum limit,SQL)。而量子力學(xué)給出了通信系統(tǒng)最終性能極限——Helstrom極限。Helstrom極限起源于非正交態(tài)測(cè)量的不確定性原理,

2、它遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限。如何設(shè)計(jì)物理可實(shí)現(xiàn)的量子接收機(jī),使其誤符號(hào)率突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限并不斷逼近Helstrom極限,仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
　　本論文以自由空間激光通信系統(tǒng)為研究對(duì)象,以量子接收機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)為研究?jī)?nèi)容。我們?cè)诨仡櫫肆孔咏邮諜C(jī)的發(fā)展歷程及其設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,就量子接收機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)與其驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了深入的研究。本文的主要工作包括:
　　(1)正交幅度相位調(diào)制(quadrature amplitude modula

3、tion,QAM)信號(hào)集量子接收機(jī)的研究。以二元調(diào)制和多元相移鍵控調(diào)制方案下量子接收機(jī)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ),我們系統(tǒng)地研究了針對(duì)QAM調(diào)制信號(hào)集的Bondurant量子接收機(jī)、分區(qū)自適應(yīng)測(cè)量量子接收機(jī)和經(jīng)典-量子混合接收機(jī)。首先,我們將Bondurant量子接收機(jī)推廣至QAM調(diào)制信號(hào)集,給出了QAM調(diào)制信號(hào)Bondurant量子接收機(jī)的概率模型。其次,我們?cè)敿?xì)地分析了探測(cè)器量子效率、探測(cè)器暗計(jì)數(shù)、波束分束器透過率、本振場(chǎng)與信號(hào)場(chǎng)模式失配等

4、非理想因素以及分區(qū)數(shù)目對(duì)分區(qū)自適應(yīng)測(cè)量量子接收機(jī)性能的影響;我們指出使用具有光子數(shù)分辨能力的單光子探測(cè)器(photon-number-resolving detector,PNRD)替換ON-OFF單光子探測(cè)器,可以抑制各器件非理想性(尤其是模式失配)對(duì)量子接收機(jī)性能的影響,并分析了PNRD有限光子數(shù)分辨能力對(duì)量子接收機(jī)性能的影響。最后,我們?cè)O(shè)計(jì)了針對(duì)QAM調(diào)制信號(hào)的經(jīng)典-量子混合接收機(jī),并詳細(xì)分析了其性能:同時(shí)發(fā)現(xiàn),針對(duì)16-QAM調(diào)

5、制信號(hào),我們提出的零差-位移混合接收機(jī)采用較少的分區(qū)數(shù)目就能突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在此基礎(chǔ)之上,對(duì)比研究這三種量子接收機(jī)設(shè)計(jì)方案及性能,我們給出了量子接收機(jī)的設(shè)計(jì)與工程化應(yīng)用的建議。
　　(2)針對(duì)任意相干態(tài)調(diào)制信號(hào)集量子接收機(jī)的研究。我們主要研究了序貫波形歸零量子接收機(jī)和基于最優(yōu)控制策略的自適應(yīng)反饋控制量子接收機(jī)。以序貫波形歸零量子接收機(jī)為基礎(chǔ),我們從位移策略和歸零順序兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),并分析了這兩種改進(jìn)方案對(duì)該量子接收機(jī)性能

6、的影響。在此基礎(chǔ)之上,我們將最優(yōu)控制理論應(yīng)用到針對(duì)任意相干態(tài)調(diào)制信號(hào)集的量子接收機(jī)的設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化地建立了最優(yōu)控制問題中自適應(yīng)反饋控制量子接收機(jī)的解析模型,以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的誤符號(hào)率;同時(shí)為了避免反饋控制策略優(yōu)化時(shí)“維災(zāi)難”的發(fā)生,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則的次優(yōu)反饋控制量子接收機(jī),它仍然能夠突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。
　　(3)二元編碼信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)量子接收機(jī)的研究。我們首先回顧了激光通信系統(tǒng)中聯(lián)合檢測(cè)量子接收機(jī)模型,從最簡(jiǎn)單

7、的二元編碼信號(hào)入手,獲得了其標(biāo)準(zhǔn)量子極限和Helstrom極限的求解方法。接著,我們將條件歸零這種聯(lián)合檢測(cè)的思想推廣至更一般的情形——二元調(diào)制的編碼信號(hào),通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化條件歸零控制策略,成功將該量子接收機(jī)的誤碼率降低至標(biāo)準(zhǔn)量子極限以下。
　　(4)量子接收機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究。我們?cè)谡J(rèn)真分析了已有量子接收機(jī)實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于偏振干涉的量子接收機(jī)實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)二元相移鍵控調(diào)制信號(hào)Kennedy接收機(jī)以及二元調(diào)制編碼信號(hào)條件歸零