CN106899347B - 基于2d tcm pam8实现高速信号传输的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统和方法，包括：发送端2D TCM PAM8发射模块、光调制器、光放大器、光纤、光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块。本发明在发送端2D TCM PAM8发射模块采用2D TCM PAM8调制方式，该调制方式通过将纠错码与调制结合起来并使用维特比译码从而有效降低误码率。本发明基于2D TCM PAM8调制方式的高速信号传输系统频谱效率高、功率预算高，对数据中心、短距离光互联系统的研究有着重要意义。

Description

基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统和方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统和方法。

背景技术

近年来，企业或个人对于信息数据和信息系统的依赖日益提高，数据中心作为信息化的核心部分，可以将数据进行集中存储，从而满足用户大量的需求。由于云计算和各种新型应用的崛起，网络中用户对带宽的需求急剧增长，数据中心之间的流量也开始指数增长。为了处理这些流量，就需要成千上万个服务器和高带宽的交换机，而电交换机来处理这些流量需求将消耗巨大的能量。因为光互联网络高吞吐量、低延时和低能耗的特性缓解了这一严峻形势。

考虑到低成本的需求，优先考虑采用强度调制直接检测的系统。目前，一些具有较高的频谱效率的先进的调制格式已经吸引了大家广泛的注意，这些调制格式包括：离散多音调(DMT)、载波幅相调制(CAP)、脉冲幅度调制(PAM)。这几种调制格式中，PAM吸引了最多的关注。因为PAM相比其他两种调制方式仅仅通过增加幅度电平数来增加频谱效率，实现简单，且功率预算高，带宽限制小。最近，Zhengxuan Li发表在2016年Optics Express中题目为“100-Gb/s TWDM-PON based on 10G optical devices”的文章中对比了热门的三种调制方式：NRZ、duobinary、PAM4。文章指出PAM4格式相对低阶的调制格式，(例如OOK和duobinary)其灵敏度比较低。25Gbps PAM4相比相同比特率的PAM4功率预算小10dB，于是如何保持较高频谱效率且提升功率预算成为亟待解决的问题。一种提升功率预算的备选方案是多维编码调制。Yan Fu发表在2016年Asia Communications and Photonics Conference中题为“Multi-Dimension Coded PAM4Modulation for TDM-PON based on 10G OpticalDevices”成功实现了基于10GHz收发机多维coded PAM4的20Km传输的。通过这个方案，接收机端的输入功率可以至少减少1dB。因此，功率预算的提升使得多维coded PAM4调制在高速传输中极具吸引力。与此同时，Nebojsa Stojanovic在2016年Optical FiberCommunication Conference上发表的题为“56Gbit/s 4D PAM4TCM TransmissionEvaluation for 400G Data Center Applications”的文章中提出了4D TCM PAM4在数据中心中的应用。在达到10^-6误码率时，相比PAM4调制，4D TCM PAM4可以提升2.5dB功率预算。Nebojsa Stojanovic在随后2016年Journal of Lightwave Technology中，对PAM4，codedPAM4和TCM PAM4这几种方式做了比较，发现TCM PAM4表现最优。但是TCM PAM4功率预算的提升是以牺牲传输速率为代价的，以2D TCM PAM4为例，其频谱效率仅为1.5bits/symbol。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统和方法。

根据本发明提供的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，包括：发送端、光纤、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中所述发送端对初始数据序列采用的调制方式为2D TCM PAM8。

优选地，所述发送端包括：2D TCM PAM8信号产生模块、光调制器以及光放大器，其中：

所述2D TCM PAM8信号产生模块用于产生2D TCM PAM8模拟发送信号；

所述光调制器用于将产生的2D TCM PAM8模拟电信号转换为光信号；

所述光放大器用于对光调制器输出光信号进行功率放大。

优选地，所述光调制器采用：直调激光器，或者外调制激光器；所述直调激光器包括采用：分布式反馈激光器DFB、垂直腔面发射激光器VSCEL、分布式布拉格反射激光器DBR中的任一种。

优选地，所述接收端包括：光电探测器、模数转换单元以及数字信号处理模块，其中：

所述光电探测器用于接收光信号并将接收到的光信号转换为电信号；

所述模数转换单元用于将光电探测器发出的电信号转换为数字信号；

所述数字信号处理模块，用于将采样得到的数字信号恢复为发送信息并传输至用户端。

优选地，所述光电探测器采用：光电二极管，或者雪崩二极管APD。

优选地，所述数字信号处理模块的译码算法采用最大似然序列估计算法，包括：采用维特比译码算法。

优选地，所述2D TCM PAM8是指二维网格编码八电平脉冲幅度调制，频谱效率为2.5bits/symbol。

优选地，所述2D TCM PAM8信号产生模块包括：卷积编码子模块和星座映射子模块；其中：

卷积编码子模块仅增加一位冗余校验，码率为2/3，用于将两个信息比特编成3个比特，不限定具体的卷积结构；

星座映射子模块将来自码率2/3的卷积码编码器输出的3比特结合未编码的3比特得到6比特。

根据本发明提供的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的方法，包括如下步骤：

系统搭建步骤：建立基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统；所述系统包括：发送端、光纤、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中所述发送端对初始数据序列采用的调制方式为2D TCM PAM8；

运行步骤：通过将纠错码与调制结合起来并使用维特比译码算法处理接收端接收到的信号并将处理后的信号发送至用户端。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明有效的实现了2D TCM PAM8数据信号在高速光通信系统中的传输，相比传统PAM4、PAM8调制方式的实验系统，本发明实现方式简单，相比基于PAM4调制的高速光通信系统，传输相同波特率的信号，2D TCM PAM8可以在达到相同误码要求下能够传输更多信息量。

2、相比基于PAM8调制的高速光通信系统，传输相同比特率的信号，2D TCM PAM8可以在达到相同误码要求下可以提供更高的功率预算。具体地，通过在高速光通信系统中对比发现，2D TCM PAM8相比PAM4表现出更好的性能；在相同高速光通信系统中传输，与PAM4调制相比，传输相同波特率信号，2D TCM PAM8在频谱效率上可以提升40％；与PAM8调制相比，传输相同比特率信号，2D TCM PAM8在功率预算可以提升至少2dB。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的基于2D TCM PAM8调制方式的结构框图；

图2为发送端数字信号处理模块中2D TCM PAM8信号生成的原理框图；

图3为图2原理框图中码率为2/3卷积码的结构；

图4为图2原理框图中星座映射部分的具体映射规则；

图5为PAM4、2D TCM PAM8在相同波特率下的仿真结果对比；

图6为2D TCM PAM8在相同比特率下的仿真结果对比；

图7为本发明所提供的基于2D TCM PAM8调制方式实现高速信号传输的系统整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于2D TCM PAM8调制方式实现高速信号传输的系统，包括：发送端、光纤、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中所述发送端对初始数据序列采用的调制方式为2D TCM PAM8。

所述发送端包括：2D TCM PAM8信号产生模块、光调制器以及光放大器，其中：

所述2D TCM PAM8信号产生模块用于产生2D TCM PAM8模拟发送信号；

所述光调制器用于将产生的2D TCM PAM8模拟电信号转换为光信号；

所述光放大器用于对光调制器输出光信号进行功率放大。本发明中的光放大器采用掺铒光纤放大器。

所述光调制器采用：直调激光器，或者外调制激光器；所述直调激光器包括采用：分布式反馈激光器DFB、垂直腔面发射激光器VSCEL、分布式布拉格反射激光器DBR中的任一种。

所述接收端包括：光电探测器、模数转换单元以及数字信号处理模块，其中：

所述光电探测器用于接收光信号并将接收到的光信号转换为电信号；

所述模数转换单元用于将光电探测器发出的电信号转换为数字信号；

所述数字信号处理模块，用于将采样得到的数字信号恢复为发送信息并传输至用户端。

所述光电探测器采用：光电二极管，或者雪崩二极管APD。

所述数字信号处理模块的译码算法采用最大似然序列估计算法，包括：采用维特比译码算法。

所述2D TCM PAM8是指二维网格编码八电平脉冲幅度调制，频谱效率为2.5bits/symbol。

所述2D TCM PAM8信号产生模块包括：卷积编码子模块和星座映射子模块；其中：

卷积编码子模块仅增加一位冗余校验，码率为2/3，用于将两个信息比特编成3个比特，不限定具体的卷积结构；

星座映射子模块将来自码率2/3的卷积码编码器输出的3比特结合未编码的3比特得到6比特。具体地，依据网格编码调制中分集映射的规则进行映射，即：将2D TCM PAM8的64个星座划分成子集，经过连续6次划分以后，分别产生2、4、8、16、32、64个子集，它们的共同特点是，两个独立信号之间的最小信号点距离逐次增大，然后把并行转移的一组码子映射到点数相符的同一子集上，以保证并行转移具有最大的距离，它使并行转移总是对应到星座的最远点距子集上。

下面结合附图对本发明中的技术方案作更加详细的说明。

如图1所示，包括：2D TCM PAM8信号产生模块、光调制器、光放大器、光纤、光电探测器、模数转换单元、数字信号处理模块。初始信号序列通过2D TCM PAM8信号产生模块产生。2D TCM PAM8，即二维网格编码八电平脉冲幅度调制，其频谱效率为2.5bits/symbol。

如图2所示，发送端数字信号处理模块由卷积编码和星座映射两部分组成，其中：卷积编码部分仅增加一位冗余校验，码率为2/3，用于将两个信息比特编成3个比特(b4、b5通过卷积编码后得到x4、x5、x6)，卷积码的具体实施如图3所示。星座映射部分将来自码率2/3的卷积码编码器输出的3比特(x4、x5、x6)结合未编码的3比特(x1、x2、x3)得到6比特(x1、x2、x3、x4、x5、x6)。然后，依据网格编码调制中分集映射的规则，即图4的星座图，将8比特映射对应的64个星座点之一。每个星座点由连续的2个PAM8符号来表示。例如若x1x2x3x4x5x6＝000000，则两个PAM8符号电平为[-7,7]。

经2D TCM PAM8信号产生模块产生信号后，进入光调制器，光调制器可以将电信号变为光信号。该光信号将经过光放大器放大好进入光纤传输。通过标准单模光纤后的光信号进入系统光电转换模块将光信号转换为电信号。电信号经过模数转换变为数字信号，之后进入数字信号处理模块进行简单的线下计算。2D TCM PAM8的解码采用维特比解码算法，即将接收到的序列和所有可能的发送序列作比较，选择其中汉明距离最小的序列当作是现在的发送序列。

图5为仿真PAM4、2D TCM PAM8经系统传输后的误码率对比图。从误码率曲线可以发现：相比基于PAM4调制方式，传送相同波特率信号，达到相同的误码率，本发明可以传输更多比特。图6为仿真2D TCM PAM8和PAM8经系统传输后的误码率对比图，相比基于PAM8调制方式，传送相同比特率信号，本发明可以使得功率预算更高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，包括：发送端、光纤、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中所述发送端对初始数据序列采用的调制方式为2D TCM PAM8；

所述发送端包括：2D TCM PAM8信号产生模块，所述2D TCM PAM8信号产生模块用于产生2D TCM PAM8模拟发送信号；

所述2D TCM PAM8信号产生模块包括：卷积编码子模块和星座映射子模块；其中：

卷积编码子模块仅增加一位冗余校验，码率为2/3，用于将两个信息比特编成3个比特，不限定具体的卷积结构；

星座映射子模块将来自码率2/3的卷积码编码器输出的3比特结合未编码的3比特得到6比特。

2.根据权利要求1所述的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，所述发送端还包括：光调制器和光放大器，其中：

所述光调制器用于将产生的2D TCM PAM8模拟电信号转换为光信号；

所述光放大器用于对光调制器输出光信号进行功率放大。

3.根据权利要求2所述的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，所述光调制器采用：直调激光器，或者外调制激光器；所述直调激光器包括采用：分布式反馈激光器DFB、垂直腔面发射激光器VSCEL、分布式布拉格反射激光器DBR中的任一种。

4.根据权利要求1所述的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，所述接收端包括：光电探测器、模数转换单元以及数字信号处理模块，其中：

所述光电探测器用于接收光信号并将接收到的光信号转换为电信号；

所述模数转换单元用于将光电探测器发出的电信号转换为数字信号；

所述数字信号处理模块，用于将采样得到的数字信号恢复为发送信息并传输至用户端。

5.根据权利要求4所述的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，所述光电探测器采用：光电二极管，或者雪崩二极管APD。

6.根据权利要求4所述的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，所述数字信号处理模块的译码算法采用最大似然序列估计算法，包括：采用维特比译码算法。

7.根据权利要求1所述的基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统，其特征在于，所述2D TCM PAM8是指二维网格编码八电平脉冲幅度调制，频谱效率为2.5bits/symbol。

8.一种基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的方法，其特征在于，包括如下步骤：

系统搭建步骤：建立基于2D TCM PAM8实现高速信号传输的系统；所述系统包括：发送端、光纤、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中所述发送端对初始数据序列采用的调制方式为2D TCM PAM8；

运行步骤：通过将纠错码与调制结合起来并使用维特比译码算法处理接收端接收到的信号并将处理后的信号发送至用户端，其中：

所述发送端包括：2D TCM PAM8信号产生模块，所述2D TCM PAM8信号产生模块用于产生2D TCM PAM8模拟发送信号；

所述2D TCM PAM8信号产生模块包括：卷积编码子模块和星座映射子模块；其中：

卷积编码子模块仅增加一位冗余校验，码率为2/3，用于将两个信息比特编成3个比特，不限定具体的卷积结构；

星座映射子模块将来自码率2/3的卷积码编码器输出的3比特结合未编码的3比特得到6比特。

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