CN105721064B - 信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法及装置，所述方法包括编码过程和译码过程，编码过程有以下步骤：S10:连续串行输入的二进制信息序列被分组转换后进入LDPC分量码编码器得到LDPC分量码组；S20:通过简单的交织p组码字C₁…C_p构造序列作为多维MPPM信息帧的输入比特序列，根据事先约定好的编码器映射规则将输入比特序列，映射为M个时隙组成的信息帧中n(n≤M/2)个时隙处的光脉冲；S30所述由M个时隙组成的信息帧的n个时隙处的光脉冲分别由n个激光器轮流在相应的时隙时间处受激发射相对应的光脉冲。与传统MPPM调制方案相比，本发明提供的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法可以使系统获得一倍以上的传输速率并进一步提高系统的有效性与可靠性。

Description

信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及到一种多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法及装置。

背景技术

目前广泛采用的强度调制/直接检测的自由空间光通信系统中的调制方式包括:开关键控(OOK),脉冲位置调制(MPPM)等。其中，在复杂的长距离空间光链路峰-均功率约束条件下，MPPM调制所具有的较高的功率利用率使之成为目前IM/DD光通信中最接近信道容量极限的一种调制方式，但该调制方法的缺点是每个调制符号中仅有一个时隙是传送信息脉冲，其余时隙为空置，因此该调制方式增加了对带宽的需求，抑制了系统传输速率。

由于自由空间光通信信道在时域，频域和空域上都表现为复杂的随机特性，这就给激光通信系统的可靠性和稳定性带来诸多问题，将LDPC等性能优越的信道编码技术应用于自由空间光通信系统，将能有效的减弱信道中随机介质对自由空间光通信的影响，提高通信的可靠性。但现有的LDPC码都是针对二进制输入信道设计的，由于无失真地传输一个符号所需的带宽和传输速率成反比，因此直接将脉冲位置调制(MPPM)与传统的编码相结合会进一步增加带宽要求。

发明内容

本发明旨在解决上述问题而设计一种能够充分利用MPPM信号时隙，提高系统传送效率的多维MPPM调制技术的同时，联合多层信道编码和多维MPPM信号集合来构造带宽有效的通信方案，可以有效提高自由空间光通信系统的有效性与可靠性。

为达到上述目的，本发明通过具体实施例提出了一种多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法，所述编译码方法包括编码过程和译码过程，其中编码过程包括以下步骤：

S10:一个连续串行输入的二进制信息序列被分成p比特一组(其中 表示从M个不同元素中，任取n个元素的组合；表示一个小于或等于x的最大整数；C_i(1≤i≤p)是码字长度为N、信息长度为q_i(1≤i≤p)的LDPC码，)，每组比特序列经过串并转换后，分别进入各自的(N,q_i)LDPC分量码编码器，其中1≤i≤p，得到p组LDPC分量码组：

S20:通过简单的交织将p组码字C₁…C_p构造序列

C₁*C₂*…*C_p＝(c_1,1c_2,1…c_p,1,…,c_1,jc_2,j…c_p,j,…,c_1,Nc_2,N…c_p,N,)，将c_1,jc_2,j…c_p,j(1≤j≤N)作为多维MPPM信息帧的输入比特序列，根据事先约定好的编码器映射规则将输入比特序列c_1,jc_2,j…c_p,j映射为M个时隙组成的信息帧的n个时隙处的光脉冲；如此则

f(C₁*C₂*…*C_p)＝(f(c_1,1c_2,1…c_p,1),…,f(c_1,jc_2,j…c_p,j),…,f(c_1,Nc_2,N…c_p,N))

是一个长度为N，编码效率为q＝(q₁+q₂+…+q_p)/N的n维MPPM信号的一个调制信号序列；

S30:所述由M个时隙组成的信息帧的n个时隙处的光脉冲分别由n个激光器轮流在相应的时隙时间受激产生；

所述译码过程采用多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码，其中分量码译码器根据接收端信道的噪声模型提取并计算每个时隙上接收信号的对数似然比值，并采用LDPC码的置信传播译码算法，每次译码一个分量码，并且逐阶段进行，每一个阶段的译码信息传递到下一个阶段，译码过程从第一级分量码C₁开始，结束于最后一级分量码C_p。

与传统MPPM调制方案相比，本发明提供的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法可以使系统获得一倍以上的传输速率，且MPPM信息帧的时隙数为任意整数，不再局限于2的n次幂；与传统的MPPM串行级联纠错编码方案相比，本发明通过在采用多层LDPC编码联合多维调制构造以及多阶段置信传播软判决迭代译码，无需带宽展宽即可获得大编码增益；当采用相同码速率的分量码时，编码效率为传统MPPM串行级联纠错编码的p倍，并能有效的减弱大气湍流对系统性能的影响，进一步提高系统的有效性与可靠性。

进一步的，所述多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码过程中，包括第一阶段译码过程S41，第一阶段译码过程存在如下步骤：

S411：由光电探测器或光电探测器阵列接收光脉冲信号，将光信号转换为电信号R，并按照时隙间隔将它们记录下来；

S412：根据记录下来的每个时隙上的电信号大小以及光电探测器输出电子数的统计模型，分别计算出接收到的每一个多维MPPM信息帧中对应的每个时隙上有信号光脉冲和无信号光脉冲时输出电子数的后验概率密度f_s(R)和f_n(R)；

S413：根据S412中的后验概率密度f_s(R)和f_n(R)计算每一个MPPM信息帧中对应的每个时隙上的对数似然比值L_k(1≤k≤M)；

S414:根据MPPM信息帧中每个时隙上的对数似然比值以及已约定的输入编码比特与多维MPPM调制符号映射关系表，计算出第一个分量LDPC码的码字比特c_1,j,(1≤j≤N)的初始对数似然比值L(c_1,j)；

S415：将第一个分量LDPC码C₁的初始对数似然比值L(c_1,j)带入第一个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法中，译出第一个分量LDPC码的码字。

进一步的，其特征在于所述多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码过程中，包括第二阶段译码过程S42，第二阶段译码过程存在如下步骤：

S421：接收第一阶段传入的第一个分量LDPC码比特信息令(c_2,1,c_2,2,…,c_2,N)为第二个分量LDPC码C₂中的一个码字；

S422:根据已约定的输入编码比特与多维MPPM调制符号映射关系表和第一阶段传入的译码比特信息计算得到每一个多维MPPM信息帧所对应的码字比特c_2,j,(1≤j≤N)的初始对数似然比值

S423:将计算得到的第二个分量LDPC码C₂的初始对数似然比值带入第二个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出第二个分量LDPC码的码字。

进一步的，所述多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码过程中，包括最后阶段译码过程S43，最后阶段译码过程存在如下步骤：

S431：接收之前每一阶段的译码比特信息，则最后一个阶段输入的第k个多维MPPM信息帧所对应的二进制信息比特序列可表示为

S432：根据之前已完成的每一阶段译码输出的码字估值，计算得到多维MPPM信息帧所对应调制符号的最后一个码字比特位c_p,j的初始对数似然比值

S433:将计算得到的最后一个分量LDPC码C_p的初始对数似然比值带入最后一个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出最后一个分量LDPC码的码字，从而实现构成的译码集合。

本发明另一方面还提供了一种多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码装置，所述编译码装置采用以上所述的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法进行编码和译码。其有益效果与前述多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法相一致。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1传统MPPM信息帧结构图；

图2多层编码联合多维脉冲位置调制原理框图；

图3三级编码联合2维5PPM调制发射方案结构图；

图4 2维5PPM光脉冲信号三阶段译码解调方案结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的一种多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法及装置,所述编译码方法包括编码过程和译码过程，如图2所示的多层编码联合多维脉冲位置调制原理框图为编码过程，具体包括以下过程步骤：

一个连续串行输入的二进制信息序列被分成p比特一组，其中 表示从M个不同元素中，任取n个元素的组合；表示一个小于或等于x的最大整数；C_i(1≤i≤p)是码字长度为N、信息长度为q_i(1≤i≤p)的LDPC码，每组比特序列经过串并转换后，分别进入各自的(N，q_i)LDPC分量码编码器，其中1≤i≤p，得到p组LDPC分量码组：

S20:通过简单的交织p组码字C₁…C_p构造序列

C₁*C₂*…*C_p＝(c_1,1c_2,1…c_p,1,…,c_1,jc_2,j…c_p,j,…,c_1,Nc_2,N…c_p,N,)，将c_1,jc_2,j…c_p,j(1≤j≤N)作为多维MPPM信息帧的输入比特序列，根据事先约定好的编码器映射规则将输入比特序列c_1,jc_2,j…c_p,j映射为M个时隙组成的信息帧的n个时隙处的光脉冲，其中n≤M/2；如此则

f(C₁*C₂*…*C_p)＝(f(c_1,1c_2,1…c_p,1),…,f(c_1,jc_2,j…c_p,j),…,f(c_1,Nc_2,N…c_p,N))

是一个长度为N，编码效率为k＝(k₁+k₂+…+k_p)/N的n维MPPM信号的一个调制信号序列；

S30:所述由M个时隙组成的信息帧的n个时隙处的光脉冲分别由n个激光器轮流在相应的时隙时间受激产生；

所述译码过程采用多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码，其中分量码译码器根据信道的噪声模型提取并计算每个脉冲时隙的对数似然比值，并采用LDPC码的置信传播译码算法，每次译码一个分量码，并且逐阶段进行，每一个阶段的译码信息传递到下一个阶段，译码过程从第一级分量码C₁开始，结束于最后一级分量码C_p。

以下是以三级编码联合2维5PPM调制为例来详细的说明多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法的实施过程

如图3所示，图3所示为本发明公开的三级编码联合2维5PPM调制发射方案结构图。首先，一个连续串行输入的二进制信息序列被分成p＝3比特一组，每组比特序列经过串并转换后，分别进入各自的(N，q_i)LDPC分量码编码器，得到三组LDPC分量码组：

C₁＝(c_1，1c_1，2…c_1，N)

C₂＝(c_2，1c_2，2…c_2，N)

C₃＝(c_3，1c_3，2，…c_3，N)

通过简单的交织3个码字C₁…C₃构造如下序列:

C₁*C₂*C₃＝(c_1，1c_2，1c_3，1，…，c_1，jc_2，jc_3，j，…，c_1，Nc_2，Nc_3，N)

将c_1，jc_2，jc_3，j(1≤j≤N)作为一个多维MPPM信息帧对应的二进制比特序列，根据表1约定好的编码器映射规则，将c_1，jc_2，jc_3，j序列映射为5个时隙组成的信息帧的2个时隙处的信号脉冲，并分别激励激光器1和2轮流在相应的时隙时间发射光脉冲1和光脉冲2。

如图4所示的为由一个光电探测器(或阵列)为例构成的2维5PPM光脉冲信号三阶段译码解调方案结构图，其包括三个阶段的译码过程，分别如下:

第一阶段译码过程S41中包括如下步骤，

S411:在某个5PPM信息帧时刻，由光电探测器或光电探测器阵列接收光脉冲信号，将光信号转换为电信号R(R＝(r₁r₂…r₅))，并按照时隙间隔将它们记录下来；

S412:后端处理电路根据记录下来的每个时隙上的电信号大小以及光电探测器输出电子数的统计模型，分别计算出5PPM信号帧中每个时隙上有信号光脉冲和无信号光脉冲时输出电子数的后验概率密度f_s(R)和f_n(R)；

S413:然后按式(1)计算出5PPM信号帧中每个时隙的似然比值:

其中：k(1≤k≤5)为每个5PPM信息帧的时隙的计数值，r_k表示一个5PPM信息帧中第k(1≤k≤5)个时隙上光电探测器输出的电信号大小。其中，r_k＝1表示5PPM信息帧的第k时隙存在信号光脉冲，r_k＝0表示5PPM信息帧的第k时隙不存在信号光脉冲。f_s(r_k)表示一个5PPM信息帧中第k个时隙上有光信号脉冲时光电探测器输出电子数的概率密度值，f_n(r_k)表示5PPM信息帧中第k个时隙上无光信号脉冲时光电探测器输出电子数的概率密度值；

S414：根据5PPM信息帧中每个时隙上输出的电子数的概率密度函数以及表1所示输入编码比特与2维5PPM调制符号映射关系，按式(2)计算出第一个分量LDPC码的码字比特c_1,j,(1≤j≤N)的初始对数似然比值：

求解2维5PPM调制符号中每一个比特的对数似然比估计值的计算方法如下所示：

接收端接收到的一个2维5PPM信息帧所对应的二进制信息比特序列表示为PP_j＝(c_1,jc_2,jc_3,j)，若c_1,j＝0，所有可能的二进制比特序列是

如果c_1,j＝1，所有可能的二进制比特序列是所以c_1,j分别为“0”或者“1”时，根据表1所示输入编码比特与2维5PPM调制符号映射关系表，可以求得一个2维5PPM信息帧对应的第一个分量LDPC码的码字比特c_1,j的后验概率分别为：

由此推出c_1,j,(1≤j≤N)的初始对数似然比值为：

S415：将求得的第一个分量LDPC码C₁的初始对数似然比值带入LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出第一个分量LDPC码的码字。

第二阶段译码过程S42中包括如下步骤，

S421：第一阶段的译码比特信息传递给第二阶段译码，令(c_2,1,c_2,2,…,c_2,N)为第二个分量LDPC码C₂中的一个码字；

S422：根据第一阶段输出的译码比特信息此时第二阶段输入的2维5PPM信息帧所对应的二进制信息比特序列可表示为若则与c_2,j有关的所有可能的二进制比特序列是 若与c_2,j有关的所有可能的二进制比特序列是

所以c_2,j分别为“0”或者“1”时，根据表1所示输入编码比特与2维5PPM调制符号映射关系表，可以求得一个2维5PPM信息帧对应的c_2,j比特位的后验概率分别为：

接收到的一个2维5PPM信息帧对应的第一个分量LDPC码的码字比特c_1,j,(1≤j≤N)的初始对数似然比值为：

S423：将由上式求得的第二个分量LDPC码C₂的初始对数似然比值带入LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出第二个分量LDPC码的码字。这就完成了第二阶段的译码。

第三阶段译码过程S43中包括如下步骤，

S431：第一阶段和第二阶段的译码比特信息传递给第三阶段译码，令C₃＝(c_{3, 1}c_3,2…c_3,j)为第三个分量LDPC码C₃中的一个码字；

根据第一和第二阶段输入的译码比特信息和此时第三阶段的2维5PPM信息帧所对应的二进制信息比特序列可表示为若与c_3,j有关的所有可能的二进制比特序列是若与c_2,j有关的所有可能的二进制比特序列是若与c_2,j有关的所有可能的二进制比特序列是若与c_2,j有关的所有可能的二进制比特序列是

S432：根据第一和第二阶段译码输出估值，可以求得一个2维5PPM信息帧对应的c_3,j比特位的后验概率为：

接收到的一个2维5PPM信息帧对应的第一个分量LDPC码的码字比特c_1,j,(1≤j≤N)的初始对数似然比值为：

S433：将由上式求得的第三个分量LDPC码C₃的初始对数似然比值带入第三个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出第三个分量LDPC码的码字。这就完成了整个译码过程。即构成了所求的译码集合。

与如图1所示的传统MPPM信息帧结构的调制方式相比，本发明提供的信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法可以使系统获得一倍以上的传输速率，且PPM信息帧的时隙数为任意整数，不再局限于2的n次幂；另外与传统的MPPM串行级联纠错编码方案相比，本发明提供的信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法，通过在采用多级LDPC编码联合多维调制构造以及多阶段置信传播软判决迭代译码技术，无需带宽展宽即可获得大编码增益。当采用相同码速率的分量码时，编码效率为传统MPPM串行级联纠错编码的多倍，并能有效的减弱大气湍流对系统性能的影响，进一步提高系统的有效性与可靠性。

本发明另一方面实施例还提供了一种信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码装置，所述编译码装置采用以上所述的信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法进行编码和译码。其有益效果与信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法相一致

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

表1：2维5PPM映射关系表

Claims (5)

1.一种多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法，包括编码过程和译码过程，其中编码过程包括以下步骤：

S10:一个连续串行输入的二进制信息序列被分成p比特一组，每组比特序列经过串并转换后，分别进入各自的(N，q_i)LDPC分量码编码器，其中1≤i≤p，得到p组LDPC分量码组：

S20:通过简单的交织将p组码字C₁…C_p构造序列

C₁*C₂*…*C_p＝(c_1,1c_2,1…c_p,1,…,c_1,jc_2,j…c_p,j,…,c_1,Nc_2,N…c_p,N,)，将c_1,jc_2,j…c_p,j作为多维MPPM信息帧的输入比特序列，根据事先约定好的编码器映射规则将输入比特序列c_1,jc_2,j…c_p,j映射为M个时隙组成的信息帧中的n个时隙处的光脉冲，其中，1≤j≤N；

S30:所述由M个时隙组成的信息帧的n个时隙处的光脉冲分别由n个激光器轮流在相应的时隙时间处受激产生；

所述译码过程采用编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码，其中分量码译码器根据接收端信道的噪声模型提取并计算每个时隙上接收信号的对数似然比值，并采用LDPC码的置信传播译码算法，每次译码一个分量码，并且逐阶段进行，每一个阶段的译码信息传递到下一个阶段，译码过程从第一级分量码C₁开始，结束于最后一级分量码C_p。

2.根据权利要求1所述的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法，其特征在于所述多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码过程中，包括第一阶段译码过程S41，第一阶段译码过程存在如下步骤：

S411：由光电探测器或光电探测器阵列接收光脉冲信号，将光信号转换为电信号R，并按照时隙间隔将它们记录下来；

S412：根据记录下来的每个时隙上的电信号大小以及光电探测器输出电子数的统计模型，分别计算出接收到的每一个多维MPPM信息帧中对应的每个时隙上有信号光脉冲和无信号光脉冲时输出电子数的后验概率密度f_s(R)和f_n(R)；

S413：根据S412中的后验概率密度f_s(R)和f_n(R)，计算每一个MPPM信息帧中对应的每个时隙上的对数似然比值L_k，其中，1≤k≤M；

S414：根据MPPM信息帧中每个时隙上的对数似然比值以及已约定的输入编码比特与多维MPPM调制符号映射关系表，计算出第一个分量LDPC码的码字比特c_1,j的初始对数似然比值L(c_1,j)，其中，1≤j≤N；

S415：将第一个分量LDPC码C₁的初始对数似然比值L(c_1,j)带入第一个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法中，译出第一个分量LDPC码的码字。

3.根据权利要求2所述的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法，其特征在于所述多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码过程中，包括第二阶段译码过程S42，第二阶段译码过程存在如下步骤：

S421：接收第一阶段传入的第一个分量LDPC码比特信息估计值令(c_2,1,c_2,2,…,c_2,N)为第二个分量LDPC码C₂中的一个码字；

S422:根据已约定的输入编码比特与多维MPPM调制符号映射关系表和第一阶段传入的译码比特信息计算得到每一个多维MPPM信息帧所对应的码字c_2,j比特位的初始对数似然比值其中，1≤j≤N；

S423:将计算得到的第二个分量LDPC码C₂的初始对数似然比值带入第二个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出第二个分量LDPC码的码字。

4.根据权利要求3所述的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法，其特征在于所述多层编码联合多维MPPM的多阶段软判决译码过程中，包括最后阶段译码过程S43，最后阶段译码过程存在如下步骤：

S431：接收之前每一阶段的译码比特信息，则最后一个阶段输入的多维MPPM信息帧所对应的二进制信息比特序列可表示为C_p-1C_p-2…C₁；

S432：根据之前已完成的每一阶段译码输出的码字估值，计算得到多维MPPM信息帧所对应调制符号的最后一个码字比特位c_p,j的初始对数似然比值其中，1≤j≤N；

S433:将计算得到的最后一个分量LDPC码C_p的初始对数似然比值带入最后一个分量LDPC码的置信传播迭代译码算法，译出最后一个分量LDPC码的码字，从而实现构成的译码集合。

5.一种信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码装置，其特征在于采用如权1至4任一项所述的多层信道编码联合多维脉冲位置调制的编译码方法进行多层编码和多阶段软判决译码。