CN102035602A - 基于最优信道编码调制的自适应光传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于最优信道编码调制的自适应光传输系统和方法，其中所述系统包括：信源模块、变换模块、光源、调制模块、光纤、解调模块、解变换模块、接收模块、优化模块、信道信息采集模块、反馈模块等。其中，信源模块、变换模块、光源、调制模块、光纤、解调模块、解变换模块和接收模块组成了光通信系统。信道信息采集模块、反馈模块和优化模块则实现了系统的信道自适应功能。本发明可以估计光纤的信道模型，并利用该模型对光传输系统的编码调制格式进行自动调整，以提高系统的性能，提高信道带宽的利用效率。

Description

基于最优信道编码调制的自适应光传输系统和方法

技术领域

本技术涉及一种信道自适应的通信系统，尤其涉及基于最优信道编码调制的自适应光传输系统。

背景技术

目前，差错控制编码、多阶调制格式、相干光发送与接收设备的使用、高速电子信号处理设备等技术手段的应用使得光通信系统的信息传输速率向Tb/s级发展。随着信息传输速率的提高，光通信中的各种影响因素，如非线性、偏振模色散等严重降低系统的性能，限制信道带宽的利用效率。

在目前的光通信系统中，采用调制格式有：强度调制(IMDD)、正交幅度相位调制(QAM)和星形正交幅度相位调制(SQAM)，正交相位调制(QPSK)、差分相移键控(DQPSK)等编码调制格式，或者对高斯信源进行量化得到的调制格式，如基于极座标量化的格式(IPQ)等。这些现有的调制格式通常依据信源的特点来设计，并没有充分考虑到信道的特性，性能没有进行优化，因此不能充分发挥系统的性能。另一方面，现有的调制格式并没有针对某一传输信道设计，不能充分利用信道的信道容量，因此，信道带宽利用效率低。

在另一方面，基于光纤的光传输系统受到光纤非线性、偏振模色散的影响，使得噪声与信号相互作用，不能采用简单的模型，如高斯模型，来描述光纤信道与估计系统的性能，很难进一步指导系统编码调制的设计。并且，随着光传输距离的增加，信道模型受光纤非线性的影响，逐渐发生变化，并不能视为一个不变的模型。

最后，现有的光传输系统一般缺少反馈，不能根据信道的情况实时调整系统发送端的编码调制格式，以使系统性能时时处于最优状态。

发明内容

针对现有技术中存在的在光传输系统中缺乏理想的估计光纤的信道模型以及缺少反馈的问题，本发明提供了一种基于最优信道编码调制的自适应光传输系统和方法。

基于最优信道编码调制的自适应光传输系统，其特征在于，包括：

信源模块，产生用于光传输的数字信号；

变换模块，包含一个查找表，将由信源模块产生的数字信号映射为调制器的输入电压，实现数字信号到信道星座图，即高速电信号，的映射；

光源，用于输出激光，作为光通信中的光载波；

调制模块，用于将所述高速电信号调制到光源发出的光载波上；

光纤，用于传输光信号；

解调模块，用于将光纤中的光信号经过光电转换和数模采样后转换为高速电信号；

解变换模块，用于将高速电信号经过解变换后转换为数字信号；

接收模块，用于完成系统的性能评价，如误码率等功能，完成数字信号的接收；

优化模块，用于设定信源模块的发送信号，并根据反馈模块的输入实现对特定光通信信道的优化，并将优化结果输出到变换模块；

信道信息采集模块，用于收集信道的采样信息，并将其转换为信道的条件概率密度函数p(y|x)，并将此函数送入反馈模块；

反馈模块，用于将信道的特性，即条件概率密度函数传输给优化模块；

所述的信源模块、变换模块、调制模块、光纤、解调模块、解变换模块、接收模块、信道信息采集模块、反馈模块、优化模块依次相连；

所述优化模块与所述信源模块和所述变换模块相连；

所述光源与所述调制模块相连；

所述解调模块与所述信道信息采集模块相连。

所述信源模块为数字信号发生器或其它信号源。

所述数字信号可是多阶信号。

所述变换模块为可编程逻辑器件或数模转换模块。

所述光源为光通信中常用的窄线宽激光器。

所述调制模块为通用的相位调制器或幅度调制器。

所述解调模块为相干光解调器。

所述解变换模块为可编程逻辑器件。

所述接收模块可由误码仪或示波器与计算机实现。

所述优化模块可由计算机实现。

所述信道信息采集模块可由计算机实现。

所述反馈模块可为因特网。

基于最优信道编码调制的自适应光传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：系统初始化：优化模块设定信源模块，使其产生伪随机数字信号序列，该伪随机数字信号序列同时通过反馈信道传输给信道信息采集模块；

步骤二：信道特性估计：根据光通信系统所需的调制格式，优化模块设定变换模块的查找表；然后，传输步骤一所设定的伪随机数字信号序列，信息采集模块接收解调模块输出的数字信号，并进行直方图分析，得到信道特性的估计，即信道的条件概率密度函数p(y|x)；信道信息采集模块将此概率密度函数通过反馈通道传递给优化模块；

步骤三：信道优化：根据估计出来的信道特性，采用以下分步迭代算法进行优化：

假定迭代算法在第k-1步，得到了输入的概率分布u_k-1和星座图上的坐标r_k-1，则可按以下算法得到第k步的输入概率分布u_k及星座图上的坐标r_k：

步骤(A)依据式1得到概率分布u_k

$u_k=\underset{u}{\arg \max }\{I\left(u\right):u\∈\mathrm{\Ω}(u;r_{k-1})\}---\left(1\right)$

式中，I(u)为信道的互信息量，Ω(u；r)为概率分布及星座图坐标的集合，该集合满足信道限制条件，信道限制条件可为平均功率限制或最大功率限制；

步骤(B)依据式2得到星座图上的坐标r_k

$r_k=\underset{r}{\arg \max }\{I\left(u\right):u\∈\mathrm{\Ω}(u_k;r)\}---\left(2\right)$

依照上述步骤(A)和步骤(B)不断的循环迭代，直到I(u)的变化在设定的误差范围内；

步骤四：传输测试数据及性能评价：优化模块完成优化后，优化模块设定变换模块的查找表，并传输测试数据，由接收模块测试系统性能，若系统性能得到了提高，则信道自适应调整结束，系统开始正式工作；若系统性能没有得到提高，则重复步骤二至四，直到系统性能改善，系统结束自适应过程。

优化模块设定变换模块的查找表，可设定为QAM或SQAM。

在所述步骤(A)和步骤(B)中，可采取梯度算法作为优化算法。

本发明可以估计光纤的信道模型，并利用该模型对光传输系统的编码调制格式进行自动调整，以提高系统的性能，提高信道带宽的利用效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为根据本发明实施例的系统的结构图；

图2为根据本发明实施例的系统的工作流程图。

具体实施方式

如附图1所示，根据本发明实施例的系统包含以下部分：

1.信源模块：该模块为数字信号发生器或其它信号源，主要产生用于光传输的数字信号，该数字信号可以是多阶信号。

2.变换模块：该模块包含一个查找表，能将由信源产生的数字信号映射为调制器的输入电压，实现数字信号到信道星座图(高速电信号)的映射。该模块为可编程逻辑器件或数模转换模块。

3.光源：该模块输出激光，用于光通信中的光载波，该模块为光通信中常用的窄线宽激光器。

4.调制模块：该模块将高速电信号调制到光源发出的光载波上，该模块为通用的相位调制器或幅度调制器。

5.光纤：该模块用来传输光信号。

6.解调模块：该模块将光纤中的光信号经过光电转换和数模采样后转换为高速电信号。该模块为相干光解调器。

7.解变换模块：该模块将高速电信号经过解变换后转换为数字信号。该模块为可编程逻辑器件。

8.接收模块：该模块主要完成系统的性能评价，如误码率等功能，完成数字信号的接收。该模块可由误码仪或示波器与计算机实现。

9.优化模块：该模块设定信源模块的发送信号，并根据反馈模块的输入实现对特定光通信信道的优化，并将优化结果输出到变换模块，该模块可由计算机实现。

10.信道信息采集模块：该模块收集信道的采样信息，并将其转换为信道的条件概率密度函数p(y|x)，并将此函数送入反馈模块。该模块可由计算机实现。

11.反馈模块：该模块将信道的特性，即条件概率密度函数传输给优化模块。该模块可为因特网。

如附图2，根据本发明实施例的系统的工作流程图如下：

1.系统初始化：优化模块设定信源模块，使其产生伪随机数字信号序列，该伪随机数字信号序列同时通过反馈信道传输给信道信息采集模块。

2.信道特性估计：根据光通信系统所需的调制格式，优化模块设定变换模块的查找表，如可设定为QAM或SQAM等。然后，传输步骤1所设定的伪随机数字信号序列，信息采集模块接收解调模块输出的数字信号，并进行直方图分析，得到信道特性的估计，即信道的条件概率密度函数p(y|x)。信道信息采集模块将此概率密度函数通过反馈通道传递给优化模块。

3.信道优化：根据估计出来的信道特性，采用以下分步迭代算法进行优化：

假定迭代算法在第k-1步，得到了输入的概率分布u_k-1和星座图上的坐标r_k-1，则可按以下算法得到第k步的输入概率分布u_k及星座图上的坐标r_k：

(A).依据式1得到概率分布u_k

$u_k=\underset{u}{\arg \max }\{I\left(u\right):u\∈\mathrm{\Ω}(u;r_{k-1})\}---\left(1\right)$

式中，I(u)为信道的互信息量，Ω(u；r)为概率分布及星座图坐标的集合，该集合满足信道限制条件，信道限制条件可为平均功率限制或最大功率限制。

(B).依据式2得到星座图上的坐标r_k

$r_k=\underset{r}{\arg \max }\{I\left(u\right):u\∈\mathrm{\Ω}(u_k;r)\}---\left(2\right)$

依照上述步骤(A)和步骤(B)不断的循环迭代，直到I(u)的变化在设定的误差范围内。在上述步骤(A)和步骤(B)中，可采取如梯度算法等优化算法。

4.传输测试数据及性能评价：优化模块完成优化后，优化模块设定变换模块的查找表，并传输测试数据，由接收模块测试系统性能，如误码率等指标，若系统性能得到了提高，则信道自适应调整结束，系统开始正式工作。若系统性能没有得到提高，则重复步骤2-4，直到系统性能改善，系统结束自适应过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于最优信道编码调制的自适应光传输系统，其特征在于，包括：

信源模块，产生用于光传输的数字信号；

变换模块，包含一个查找表，将由信源模块产生的数字信号映射为调制器的输入电压，实现数字信号到信道星座图，即高速电信号，的映射；

光源，用于输出激光，作为光通信中的光载波；

调制模块，用于将所述高速电信号调制到光源发出的光载波上；

光纤，用于传输光信号；

解调模块，用于将光纤中的光信号经过光电转换和数模采样后转换为高速电信号；

解变换模块，用于将高速电信号经过解变换后转换为数字信号；

接收模块，用于完成系统的性能评价，如误码率等功能，完成数字信号的接收；

优化模块，用于设定信源模块的发送信号，并根据反馈模块的输入实现对特定光通信信道的优化，并将优化结果输出到变换模块；

信道信息采集模块，用于收集信道的采样信息，并将其转换为信道的条件概率密度函数p(y|x)，并将此函数送入反馈模块；

反馈模块，用于将信道的特性，即条件概率密度函数传输给优化模块；

所述的信源模块、变换模块、调制模块、光纤、解调模块、解变换模块、接收模块、信道信息采集模块、反馈模块、优化模块依次相连；

所述优化模块与所述信源模块和所述变换模块相连；

所述光源与所述调制模块相连；

所述解调模块与所述信道信息采集模块相连。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信源模块为数字信号发生器或其它信号源。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字信号可是多阶信号。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变换模块为可编程逻辑器件或数模转换模块。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源为光通信中常用的窄线宽激光器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制模块为通用的相位调制器或幅度调制器。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述解调模块为相干光解调器。

8.基于最优信道编码调制的自适应光传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：系统初始化：优化模块设定信源模块，使其产生伪随机数字信号序列，该伪随机数字信号序列同时通过反馈信道传输给信道信息采集模块；

步骤二：信道特性估计：根据光通信系统所需的调制格式，优化模块设定变换模块的查找表；然后，传输步骤一所设定的伪随机数字信号序列，信息采集模块接收解调模块输出的数字信号，并进行直方图分析，得到信道特性的估计，即信道的条件概率密度函数p(y|x)；信道信息采集模块将此概率密度函数通过反馈通道传递给优化模块；

步骤三：信道优化：根据估计出来的信道特性，采用以下分步迭代算法进行优化：

假定迭代算法在第k-1步，得到了输入的概率分布u_k-1和星座图上的坐标r_k-1，则可按以下算法得到第k步的输入概率分布u_k及星座图上的坐标r_k：

步骤(A)依据式1得到概率分布u_k

$u_k=\underset{u}{\arg \max }\{I\left(u\right):u\∈\mathrm{\Ω}(u;r_{k-1})\}---\left(1\right)$

式中，I(u)为信道的互信息量，Ω(u；r)为概率分布及星座图坐标的集合，该集合满足信道限制条件，信道限制条件可为平均功率限制或最大功率限制；

步骤(B)依据式2得到星座图上的坐标r_k

$r_k=\underset{r}{\arg \max }\{I\left(u\right):u\∈\mathrm{\Ω}(u_k;r)\}---\left(2\right)$

依照上述步骤(A)和步骤(B)不断的循环迭代，直到I(u)的变化在设定的误差范围内；

步骤四：传输测试数据及性能评价：优化模块完成优化后，优化模块设定变换模块的查找表，并传输测试数据，由接收模块测试系统性能，若系统性能得到了提高，则信道自适应调整结束，系统开始正式工作；若系统性能没有得到提高，则重复步骤二至四，直到系统性能改善，系统结束自适应过程。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，优化模块设定变换模块的查找表，设定为QAM或SQAM。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤(A)和步骤(B)中，可采取梯度算法作为优化算法。

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