CN109067467B - 基于内外联合编码的n级阵列成型光生w波段发射方法 - Google Patents

基于内外联合编码的n级阵列成型光生w波段发射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，使输入的二进制序列依次经过权重编码和增益编码单元，实现编码增益并降低系统误码率；利用基于多载波阵列成型调制的新型物理层调制技术发射传输，减小相邻信道间以及子载波间的干扰；此外，该光生调制方法的各子载波间无需同步，该信号具有对于频率偏移和相位噪声不敏感的特点，使整个系统可获得较高的频谱效率和优良的传输性能。

Description

基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法
技术领域
本发明属于光传输技术领域，具体涉及基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法。
背景技术
随着云计算、物联网、智能网络以及移动互联网等新兴技术的崛起，现代通信对于网络流量和通信带宽以及速率的需求正在快速增长。光纤通信技术因其具有带宽大、速率快、容量大、传输距离远、抗电磁能力强以及保密性好等优点，已经成为现代通信技术中重要的通信方式。W波段光纤通信技术的研究也是当前的热点课题之一。随着5G通信系统的发展，通信波段由传统的几GHz、十几GHz需要提升至毫米波乃至上百GHz波段。若要实现大量带宽数据加载到高频段载波上，利用传统的常规方法是十分困难。然而这又是必须要实现的，因为载频越高，所能承载的带宽就越大，系统所能传递的信息也就越多。在这里，我们提出采用光子方法实现W波段微波信号的产生，这是一种低成本、且十分有效的上变频手段。
W波段光生方法又需要一定的编码调制技术来保证整个系统的传输性能，目前的通信系统主要采用的是正交频分复用技术(OFDM)。虽然OFDM在4G及之前的通信系统中被广泛使用，但是由于OFDM容易受到载波间干扰以及同步误差的影响，基于该技术的系统带宽和速率也难以满足未来科技发展的长远需求。而且OFDM技术还由于其存在较高的发射功率、低的频谱利用率、副载波间必须严格正交以及该技术对频率偏移和相位噪声极为敏感、循环前缀的过多使用等不足使得系统的资源利用率低、功率消耗大、性能较差。
面对5G的革新，不同的编码格式以及调制技术的研究正在如火如荼的展开，目前的OFDM技术由于需要时域频域同步、各载波严格正交，因此无法满足5G对于大动态范围、大带宽的需求。并且OFDM技术的编码方式十分单一，目前普遍采用传统的16QAM(正交幅度调制)、32QAM等简单的调制格式。然而5G技术存在传输速率高和传输动态灵活等要求，传统的编码调制方法和载波成型方法是又难以应对这些要求，所以在编码调制和载波成型等技术领域亟需有所突破。
在本发明中，我们提出了基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法。基于内外联合编码映射技术是一种将编码与调制映射相结合的高效编码调制技术，该编码技术是一种并行级联码混合调制，在编码过程中采用近似随机编码技术，编码过程中在保持频谱利用率基本不变的情况下尽可能增加信道中码元数，利用编码冗余度进行抗干扰编码，此编码技术在一定程度上能够克服传统编码技术中误码性能与传输带宽两者之间的矛盾。利用该编码映射技术将16QAM的信号转换成32QAM信号，即通过增加码元来进行误码纠错，提高系统的信噪比，降低误码率。N级阵列成型技术可以使得信号频谱结构具有快速衰减的旁瓣，降低发射功率。通过灵活设置各个子载波的脉冲整形参数降低信号的峰均功率比。本发明采用内外联合编码的N级阵列成型技术调制W波段射频信号，利用光调制器将电信号加载到光载波上进行远距离光纤链路传输，降低系统的运行成本，提高系统的传输性能。
发明内容
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在发射端，二进制数据流经过内外联合编码映射系统编码得到五路信号并映射到32QAM星座图上；
步骤二：经过灵活调节的N级阵列成型的多滤波器组后生成32QAM电信号；
步骤三：通过光调制器将32QAM电信号调制成两路频带不同的光信号发射出去，之后将32QAM光信号经过光纤链路发送到接收端；
步骤四：在接收端，32QAM光信号经过光电探测器转变为电信号；
步骤五：经过低通滤波器、N级阵列成型解调以及内外结合解码解映射获得原始二进制码。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤一中内外联合编码映射系统包括权重编码单元、增益编码单元、调制映射单元和归一化单元，内外联合编码映射系统工作流程包括以下步骤：
步骤a：输入单路二进制数据流进入权重编码单元，权重编码单元使得数据流进行随机交织、编码处理后删除多余的数据码；
步骤b：输出的数据流进入增益编码单元，增益编码单元使得原始二进制数据流增益编码得到32QAM数据流；
步骤c：32QAM数据流经过调制映射单元映射到32QAM星座点上，并在滤波成型前进行能量归一化。
步骤二中N级阵列成型是将多载波先经过多载波滤波器组进行滤波，再将滤波后的多载波进行间隔压缩调制，得到没有出现严重的载波串扰的多载波模型。
步骤三所述载波调制传输过程中，每个载波上添加一个前导符号，前导符号用于识别不同的载波，便于实现系统多载波的解调。
步骤五中低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声，N级阵列成型解调以及内外结合解码解映射均是内外联合编码映射以及N级阵列成型的逆过程。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过将原始二进制序列权重编码和增益编码映射到32QAM星座，然后通过多滤波器组脉冲成型，最后W波段射频信号经光调制器加载到激光上进行远距离光纤链路传输。该调制方案使得信号的发射功率降低，信道各子载波间干扰和系统复杂度均减小。编码增益使系统可以获得更高的信噪比和更优的误码性能，因此系统性能可以得到极大的改善。本发明创新性地利用内外联合编码技术并对其进行N级阵列成型，通过对原始W波段二进制信号进行编码增益映射代替原来以牺牲带宽为代价获得较高的信噪比的编码方法；通过灵活调节多滤波器组的参数对信号进行阵列成型，降低峰值功率比，实现光纤传输系统在频谱利用率和误码率等方面的性能提升。
附图说明
图1为本发明的内外联合编码映射系统框图；
图2为本发明的32QAM调制映射星座图；
图3为本发明的N级阵列成型原理图及时-频模块图；
图4为本发明的系统结构框图；
图5为本发明的经过加性高斯白噪声道后接收到的星座图。
具体实施方式
以下结合附图，以16QAM增益调制为32QAM为实施例，对本发明作进一步详细描述。参见图1，图中每个16QAM符号将通过编码单元映射到32QAM星座点上。
基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在发射端，二进制数据流经过内外联合编码映射系统编码得到五路信号并映射到32QAM星座图上；
步骤二：经过灵活调节的N级阵列成型的多滤波器组后生成32QAM电信号，N级阵列成型原理图如图3所示。
存在一个如图3(a)所示的多载波系统，若对该多载波进行正交频分复用技术(OFDM)，则可以得到图3(b)所示的载波正交的波形图。若将图3(b)中载波间隔继续压缩，系统则会出现严重的载波串扰(如图3(c))，该串扰将会使得整个光纤系统的误码率大大增加。
本发明中的N级阵列成型是一种在载波调制的过程中可大大减小载波重叠带来的串扰，提升系统的性能。
具体流程为：N级阵列成型将多载波先经过多载波滤波器组进行滤波，再将滤波后的多载波进行间隔压缩调制，得到没有出现严重的载波串扰的多载波模型。
图3(f)给出了N级阵列成型的时-频模块原理图，如图3(f)所示，内外联合编码映射系统输出的二进制被分为KM个复符号，每个符号dk[m]分布在传送的第k个子载波的第m个时隙上。每个复数据符号dk[m]经过上采样、脉冲整形，上变频等多组滤波后得到N级阵列成型波形(即图3(e))。经过N级阵列成型发射的信号为
Figure BDA0001811419260000041
其中，
Figure BDA0001811419260000042
gT[n]＝g[(n-mN)/MN]ei2πkn/N，δ[·]为狄雷克拉函数，N为上采样因子，gT[n]也称为N级阵列成型中每个子载波的滤波函数。
步骤三：通过光调制器将32QAM电信号调制成两路频带不同的光信号发射出去，之后将32QAM光信号经过光纤链路发送到接收端，载波调制传输过程中，每个载波上添加一个前导符号，前导符号用于识别不同的载波，便于实现系统多载波的解调；
步骤四：在接收端，32QAM光信号经过光电探测器转变为电信号；
步骤五：经过低通滤波器、N级阵列成型解调以及内外结合解码解映射获得原始二进制码，低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声，N级阵列成型解调以及内外结合解码解映射均是内外联合编码映射以及N级阵列成型的逆过程，其中预放大器用于调整光功率；光带通滤波器用于滤除波形噪声；而低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声。
步骤一中内外联合编码映射系统包括权重编码单元、增益编码单元、调制映射单元和归一化单元，内外联合编码映射系统工作流程包括以下步骤：
步骤a：输入单路二进制数据流进入权重编码单元，权重编码单元使得数据流进行随机交织、编码处理后删除多余的数据码；
步骤b：输出的数据流进入增益编码单元，增益编码单元使得16QAM数据流增益编码得到32QAM数据流；
步骤c：32QAM数据流经过调制映射单元映射到32QAM星座点上，并在滤波成型前进行能量归一化。
内外联合编码映射系统的各个单元的具体工作流程如下：
(1)权重编码单元
S101为权重编码单元框图，包括一个权重判决201，一个比特反转202，一个标记码203，一个交织器204，两个相同的编码器205，一个解交织器206和一个删余器207。
权重编码单元具体过程为：二进制比特流经过201权重判决，分成两路比特流，一路比特流x1不做编码处理，另一路比特流经过202比特反转输出的是原序列的反码，然后203对反码进行标准化，标准码经过随机交织器204输出交织码，交织码分成两路比特流分别经过S102所示的205编码器生成两路比特流x2、x3，针对比特流x3进行206解交织，之后207对两路比特流进行删余，使之与未经编码的x1信号合并成一路比特流进入208增益编码单元。
S102框图是205编码器1(编码器2)的逻辑结构图，主要由四个移位寄存器D、六个异或单元组成。
其工作机理为：单路二进制比特流首先按照码元所在的奇偶位置分成两路数据流，奇路数据流不做任何编码直接输出，偶路数据流依次经过S102框图中的移位寄存器和异或编码操作后输出。
(2)增益编码器单元
S103为增益编码单元框图，主要包括五个移位寄存器D和六个异或器。
该编码单元的工作机理是：首先将权重编码单元输出的单路比特流分为四路，即16QAM调制，其中两路未经任何编码输出，另外两路经过如图1中S103所示的编码后在原来四路比特流保持不变并输出的情况下新增了一路比特流，从而输出五路数据流进入到调制映射单元。
(3)调制映射单元
调制映射单元209主要用于将增益编码单元输出的五路数据流映射为32QAM单元，如图2所示。图2中的符号均是由原始数据的16QAM二进制码前添加一位0或1增益编码而来，遵循一定的编码规律，通过增加码元提高系统的信噪比。在映射过程中，存在一个子星座选择电路，星座图被划分为八个子星座，每四个信号点构成一个子星座，每个子星座内的信号点的能量均相同。如图2所示为32QAM子星座分配图，每个信号点均对应于一个五比特的组合S0S1，S0包含3比特信息，其中第一个比特为后两个原序列比特编码得到，用于指示子星座，子星座呈现90度旋转的现象。S1同样包含2比特信息，用于在子星座内部选择信号点。
(4)归一化单元
为了便于后续实现系统性能比较和保证符号块的能量均匀分布，在调制映射单元之后设计了能量归一化单元(即210)。信号经过能量归一化操作后，比特能量与原始序列的比特能量保持一致，即归一化单元可实现减少增益编码后的多余能量，使得系统输入能量与输出能量一致。
图5所示是经过加性高斯白噪声道后接收到的星座图，星座点的分布符合本发明提出的16QAM增益编码映射得到的32QAM信号，即在接收端经N级滤波成型解调后信号的星座图为32QAM星座图。同时证明了本发明关于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段光发射方法的可行性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在发射端，二进制数据流经过内外联合编码映射系统编码得到五路信号并映射到32QAM星座图上；
步骤二：经过灵活调节的N级阵列成型的多滤波器组后生成32QAM电信号；
步骤三：通过光调制器将32QAM电信号调制成两路频带不同的光信号发射出去，之后将32QAM光信号经过光纤链路发送到接收端；
步骤四：在接收端，32QAM光信号经过光电探测器转变为电信号；
步骤五：经过低通滤波器、N级阵列成型解调以及内外结合解码解映射获得原始二进制码；
步骤一所述内外联合编码映射系统包括权重编码单元、增益编码单元、调制映射单元和归一化单元，内外联合编码映射系统工作流程包括以下步骤：
步骤a：输入单路二进制数据流进入权重编码单元，权重编码单元使得数据流进行随机交织、编码处理后删除多余的数据码；
步骤b：输出的数据流进入增益编码单元，增益编码单元使得16QAM数据流增益编码得到32QAM数据流；
步骤c：32QAM数据流经过调制映射单元映射到32QAM星座点上，并在滤波成型前进行能量归一化。
2.根据权利要求1所述的基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，其特征在于：步骤二所述N级阵列成型是将多载波先经过多载波滤波器组进行滤波，再将滤波后的多载波进行间隔压缩调制，得到没有出现严重的载波串扰的多载波模型。
3.根据权利要求1所述的基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，其特征在于：步骤三中，信号调制传输过程中，每个载波上添加一个前导符号，前导符号用于识别不同的载波，便于实现系统多载波的解调。
4.根据权利要求1所述的基于内外联合编码的N级阵列成型光生W波段发射方法，其特征在于：步骤五所述低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声，N级阵列成型解调以及内外结合解码解映射均是内外联合编码映射以及N级阵列成型的逆过程。
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