1、相干態(tài)是通信系統中一種非常理想的信息載體,其易于制備和操縱,能夠對抗損耗,可以實現信道容量的最大化。但是相干態(tài)的非正交性導致其無法被無差錯的檢測。就通信系統的誤符號率性能而言,經典接收機(直接檢測,零差檢測和外差檢測)的性能極限受限于散粒噪聲,我們稱之為標準量子極限(standard quantum limit,SQL)。而量子力學給出了通信系統最終性能極限——Helstrom極限。Helstrom極限起源于非正交態(tài)測量的不確定性原理,

2、它遠遠低于標準量子極限。如何設計物理可實現的量子接收機,使其誤符號率突破標準量子極限并不斷逼近Helstrom極限,仍是一項重大挑戰(zhàn)。
　　本論文以自由空間激光通信系統為研究對象,以量子接收機的物理實現為研究內容。我們在回顧了量子接收機的發(fā)展歷程及其設計理論的基礎上,就量子接收機的物理實現與其驗證性實驗,進行了深入的研究。本文的主要工作包括:
　　(1)正交幅度相位調制(quadrature amplitude modula

3、tion,QAM)信號集量子接收機的研究。以二元調制和多元相移鍵控調制方案下量子接收機現有設計方案為基礎,我們系統地研究了針對QAM調制信號集的Bondurant量子接收機、分區(qū)自適應測量量子接收機和經典-量子混合接收機。首先,我們將Bondurant量子接收機推廣至QAM調制信號集,給出了QAM調制信號Bondurant量子接收機的概率模型。其次,我們詳細地分析了探測器量子效率、探測器暗計數、波束分束器透過率、本振場與信號場模式失配等

4、非理想因素以及分區(qū)數目對分區(qū)自適應測量量子接收機性能的影響;我們指出使用具有光子數分辨能力的單光子探測器(photon-number-resolving detector,PNRD)替換ON-OFF單光子探測器,可以抑制各器件非理想性(尤其是模式失配)對量子接收機性能的影響,并分析了PNRD有限光子數分辨能力對量子接收機性能的影響。最后,我們設計了針對QAM調制信號的經典-量子混合接收機,并詳細分析了其性能:同時發(fā)現,針對16-QAM調

5、制信號,我們提出的零差-位移混合接收機采用較少的分區(qū)數目就能突破標準量子極限。在此基礎之上,對比研究這三種量子接收機設計方案及性能,我們給出了量子接收機的設計與工程化應用的建議。
　　(2)針對任意相干態(tài)調制信號集量子接收機的研究。我們主要研究了序貫波形歸零量子接收機和基于最優(yōu)控制策略的自適應反饋控制量子接收機。以序貫波形歸零量子接收機為基礎,我們從位移策略和歸零順序兩個方面對其進行了改進,并分析了這兩種改進方案對該量子接收機性能

6、的影響。在此基礎之上,我們將最優(yōu)控制理論應用到針對任意相干態(tài)調制信號集的量子接收機的設計中,系統化、結構化地建立了最優(yōu)控制問題中自適應反饋控制量子接收機的解析模型,以進一步降低系統的誤符號率;同時為了避免反饋控制策略優(yōu)化時“維災難”的發(fā)生,我們設計了基于最大后驗概率準則的次優(yōu)反饋控制量子接收機,它仍然能夠突破標準量子極限。
　　(3)二元編碼信號聯合檢測量子接收機的研究。我們首先回顧了激光通信系統中聯合檢測量子接收機模型,從最簡單

7、的二元編碼信號入手,獲得了其標準量子極限和Helstrom極限的求解方法。接著,我們將條件歸零這種聯合檢測的思想推廣至更一般的情形——二元調制的編碼信號,通過動態(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的誤碼率降低至標準量子極限以下。
　　(4)量子接收機的實驗研究。我們在認真分析了已有量子接收機實驗方案的基礎上,設計了基于偏振干涉的量子接收機實驗方案,對二元相移鍵控調制信號Kennedy接收機以及二元調制編碼信號條件歸零