CN108155948B - 一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，涉及相干光通信领域，在发送端，数据每12bit分为一组，将比特0到比特4进行部分差分编码，比特5到比特11保持不变，得到12位的部分差分编码数据；用编码数据与格莱码编码生成矩阵相乘，得到24位的格莱码字；将格莱码字转变为24维的格莱向量，调制连续的24个BPSK码元，调制后的信号加载在光中输出；在接收端，当载波恢复发生歧义，得到的格莱向量被取反，通过最大似然判决恢复出12bit判决数据，对比特0到比特4做差分解码，恢复原始数据。本发明利用高维调制的代数结构，对载波恢复歧义解影响的部分比特位进行差分编解码，消除歧义解的影响，避免接收数据错误。

Description

一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法及系统
技术领域
本发明涉及相干光通信领域，具体来讲涉及一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法及系统。
背景技术
在相干光通信中，要提高系统的光信噪比容限(Optic Signal Noise Rate，OSNR)，需要尽可能提高星座点之间最小欧式距离。现有研究表明，可以通过在多维空间恰当地提高最小欧式距离。对于高维空间，由于块形码的汉明距离与多维空间的星座点的欧式距离的平方成正比关系，可以借用前向纠错(Forward Error Correction，FEC)的已有成果设计星座点分布，提高最小欧式距离。
一个典型的例子是对应于扩展格莱码的24维格莱向量调制。扩展格莱码(Golaycode)为经典FEC纠错码，其码长24，信息符号长为12，编码效率为1/2，汉明距离等于8，具有强大的纠错能力。参照格莱码的代数结构，我们可以给出的对应24维格莱调制方式。具体做法是，在24维向量空间里，在可能有的224个星座点位置中，按照扩展格莱码的212＝4096个取值选取对应星座点，格莱码字的一个比特对应于24维向量中的一维。这个比特为0时，这个一维向量取值1；这个比特为1时，这个一维向量取值-1。24维格莱调制的最小欧式距离的平方会扩大8倍，考虑到其信息净速率缩小到原来1/2，其渐进能效率(asymptotic powerefficiency)提高了四倍。渐进能效率的定义为其中dmin为最小欧式距离，Eb为每bit能量。虽然高维调制增加了星座点间的最小欧式距离，但维度的增加会带来每个星座点的相邻星座点数量的指数增长，并带来对应的误码率增加。
研究表明，在BER＝10E-3，24维格莱调制的OSNR容限比BPSK(Binary Phase ShiftKeying，二进制相移键控)提高3dB；而在低BER(Bit Error Ratio，比特出错概率)区，24维格莱调制的OSNR容限比BPSK提高更大。所以，对于功率受限系统，24维格莱调制可以大幅提高系统性能。
相干光通信接收机的数字信号处理过程一般如下：
色散补偿→时钟恢复→自适应滤波(完成偏振解复用与偏振模色散补偿)→载波恢复(频差估计与补偿)→载波恢复(相位噪声估计与补偿)→码元判决→差分解码。
在实际系统中，经过自适应滤波器后，已经完成了残余色散补偿与偏振解复用，所得数据为调制数据乘以频差因子与相位噪声因子之积。假设我们使用的是MPSK信号，则经自适应滤波器处理后的数据可写为
E(n)＝max(j*Xn/M*2π)exp[j2πnΔfT+θ],Xn＝0,1,…M-1
(1)
其中exp(j*Xn/M*2π)为调制信号，n表示第n个码元，Xn为调制数据，具有M个取值，T为码元周期，Δf为发送激光器与本地激光器的频差，而θ由发送激光器与本地激光器的初始相位差与相位噪声决定。所以，要想计算出调制数据，我们必须求出Δf和θ，并在此后的计算中加以消除
要想估计相差θ，必须先消除调制数据的影响。经典的盲估计方法为M次方法。无论调制数据为多少，其M次乘方为
[exp(j*Xn/M*2π)]M＝exp(jXn2π)＝1 (2)
所以，经过M次乘方后，调制数据的影响被消去。但是，这样估计的相位误差可能得到M个解。其值可能为
θn+Nθ/M*2π，Nθ＝0,1,…M-1。其中Nθ对应M个可能的解。假设我们取值θn，而实际的相差为θn+Nθ/M*2π，则调制数据Xn将被误判为(Xn+Nθ)MODM。
在实际应用中，可以采用在发端进行差分编码，再在收端进行差分解码。其工作原理为，假设第n+1个码元周期欲发送数据为X(n+1)，则实际发送
Y(n+1)＝[Y(n)+X(n+1)]MOD M (3)
即使收端最后判决的数据为
Yr(n+1)＝[Y(n+1)+Nθ]MOD M (4)
Yr(n)＝[Y(n)+Nθ]MOD M。 (5)
而差分解码的结果
不受相位估计中解的歧义性的影响。
可以看出，前面所述的差分编解码能有效解决相位歧义性的原因是：载波恢复后输出的所有结果，都被增加了一个同样的相位Nθ/M*2π，n＝0,1,…M-1，而最后的判决结果也如式(4)和(5)一样同样增加了Nθ并求模M，所以可以用差分编解码消除歧义解。
而对于24维格莱调制而言，在经过收端信号处理的载波恢复后，将得到一个24维向量，然后使用最大似然算法从212＝4096个星座点中选出距实际接收向量最近的星座点。如果载波恢复使用歧义解，判决得到的12比特信息并不会如式(4)和(5)一样变化，所以也没法通过经典的差分编解码消除歧义解的影响，歧义解仍会带来接收数据的错误，所以需要新的解决方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法及系统，利用高维调制的代数结构，对载波恢复歧义解影响的部分比特位进行差分编解码，消除歧义解的影响，避免接收数据的错误。
为达到以上目的，本发明采取一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，包括：
在发送端，将数据每12bit分为一组，同一组内比特0在前；在每一组内，将比特0到比特4进行部分差分编码，比特5到比特11保持不变，得到12位的部分差分编码数据；使用所述编码数据与格莱码编码生成矩阵相乘，得到24位的格莱码字；将所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量，用所述格莱向量分别调制连续的24个BPSK码元，将调制后的信号加载在光源发出的光中输出；
在接收端，当载波恢复发生歧义，得到的格莱向量被取反，通过最大似然判决恢复出12bit判决数据，对得到的12bit判决数据的比特0到比特4做差分解码，恢复出原始数据。
在上述技术方案的基础上，在发送端，每一组数据记作W[n][11:0]，其中n为组序号，得到的部分差分编码数据C12_T[n]的计算如下：
C12_T[n][0]＝XOR(C12_T[n-1][4],W[n][0])；
C12_T[n][4:1]＝XOR(C12_T[n][3:0],W[n][4:1])；
C12_T[n][11:5]＝W[n][11:5]；
其中，XOR表示逐比特异或，C12_T[n][0]表示比特0的部分差分编码数据，C12_T[n][4:1]表示比特1到比特4的部分差分编码数据，C12_T[n][11:5]表示比特5到比特11的部分差分编码数据。
在上述技术方案的基础上，所述24位的格莱码字G24_T[n]的计算如下：
其中，式子内所有的加实际都为模2加，取值0或1。
在上述技术方案的基础上，所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量GV24中，0变为1，1变为-1。
在上述技术方案的基础上，对C12_T[n]的比特0到比特4取反，会使24位的格莱码字G24_T[n]中所有比特被取反。
在上述技术方案的基础上，所述接收端格莱向量被取反后，依据此格莱向量判决得到的格莱码字G24_R[n]为：
G24_R[0:23]＝G24_T[0:23]XOR[1111 1111 1111 1111 1111 1111],对应恢复出的12bit判决数据为：
C12_R[n][0:11]＝C12_T[n][0:11]XOR[1111 1000 0000]。
在上述技术方案的基础上，对12bit判决数据的比特0到比特4做部分差分解码的计算为：
W_R[n][0]＝XOR(C12_R[n][0],C12_R[n-1][4])
W_R[n][4:1]＝XOR(C12_R[n][4:1],C12_R[n][3:0])
W_R[n][11:5]＝C12_R[n][11:5]。
本发明还提供一种用于24维格莱调制的部分差分编解码系统，包括发送端和接收端，发送端包括：
分组模块，用于将待发送的数据每12bit分为一组，同一组内比特0在前；
差分编码模块，用于对每一组中比特0到比特4部分进行差分编码；
矩阵模块，用于将所述部分差分编码数据与格莱码编码生成的矩阵相乘，得到24位的格莱码字；
转换模块，用于将所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量；
调制模块，用于通过所述格莱向量分别调制连续的24个BPSK码元，将调制后的信号加载在光源发出的光中输出；
接收端包括：
自适应均衡模块，用于均衡收到的光信号；
频差恢复模块，用于恢复BPSK信号的频率差；
相差恢复模块，用于恢复BPSK信号的相位差；
判决模块，用于对信号进行最大似然判决；
解码模块，用于对得到的判决数据的比特0到比特4做部分差分解码，恢复出原始数据。
本发明的有益效果在于：针对相干光通信的载波恢复歧义问题，以及经典的差分编解码对部分高维调制无效的问题。本发明利用24维格莱调制的代数结构，对载波恢复歧义解影响的部分比特位进行差分编解码，可以保证恢复出的数据不受载波恢复歧义性的影响，避免接收数据错误。另外，本发明的方法也适用于24维格莱调制的其他变化形式，以及其他高维调制格式。
附图说明
图1为本发明实施例发送端的部分差分编解码方法示意图；
图2为本发明实施例接收端的部分差分编解码方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，包括步骤：
如图1所示，在发送端，将数据分组，每12bit分为一组，同一组内比特0在前，每一组数据记作W[n][11:0]，其中n为组序号。
在每一组内，将比特0到比特4进行部分差分编码，比特5到比特11保持不变，得到12位的部分差分编码数据C12_T[n]。具体计算如下：
C12_T[n][0]＝XOR(C12_T[n-1][4],W[n][0]) (7)
C12_T[n][4:1]＝XOR(C12_T[n][3:0],W[n][4:1]) (8)
C12_T[n][11:5]＝W[n][11:5] (9)
其中，XOR表示逐比特异或，C12_T[n][0]表示比特0的部分差分编码数据，C12_T[n][4:1]表示比特1到比特4的部分差分编码数据，C12_T[n][11:5]表示比特5到比特11的部分差分编码数据。
使用编码数据C12_T[n]与格莱码编码生成的矩阵相乘，得到24位的格莱码字G24_T[n]。具体计算如下：
其中，如同一般的编解码运算，式(10)里所有的加实际都为模2加(等效于异或)，取值为0或1。
将24位的格莱码字转变为24维的格莱向量GV24，其中0变为1，1变为-1。用格莱向量GV24分别调制连续的24个BPSK码元，这里每个码元可看做一个独立的维度。将调制后的信号加载在光源发出的光中输出。观察式(10)，当C12_T[0:11]＝[1111 1000 0000]，G24_T＝[1111 1111 1111 1111 1111 1111]可以看出，对C12_T[n]的比特0到比特4取反，24位的格莱码字G24_T[n]中所有比特被取反。
如图2所示，在接收端，首先将采样信号进行适应均衡，然后将信号进行BPSK频差恢复和BPSK相位差恢复。当载波恢复发生歧义，格莱向量GV24_R被取反，通过最大似然判决恢复出24bit格莱码字G24_R[n]：
G24_R[0:23]＝G24_T[0:23]XOR[1111 1111 1111 1111 1111 1111],
(11)
对应的恢复出12bit判决数据：
C12_R[0:11]＝C12_T[0:11]XOR[1111 1000 0000] (12)
然后，对得到12bit判决数据的比特0到比特4做部分差分解码，恢复出原始数据。具体算法如下：
W_R[n][0]＝XOR(C12_R[n][0],C12_R[n-1][4]) (13)
W_R[n][4:1]＝XOR(C12_R[n][4:1],C12_R[n][3:0]) (14)
W_R[n][11:5]＝C12_R[n][11:5] (15)
综上所述，恢复出的数据不受载波恢复歧义性的影响。
本发明还提供一种用于上述方法的24维格莱调制的部分差分编解码系统，包括发送端和接收端。
发送端包括分组模块、差分编码模块、矩阵模块、转换模块和调制模块。其中，分组模块用于将待发送的数据每12bit分为一组，同一组内比特0在前。差分编码模块用于对每一组中比特0到比特4部分进行差分编码。矩阵模块用于将部分差分编码数据与格莱码编码生成矩阵相乘，得到24位的格莱码字。转换模块用于将所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量。调制模块用于通过所述格莱向量分别调制连续的24个BPSK码元，将调制后的信号加载在光源发出的光中输出。
接收端包括自适应均衡模块、频差恢复模块、相差恢复模块、判决模块和解码模块。自适应均衡模块用于均衡收到的光信号。频差恢复模块用于恢复BPSK信号的频率差。相差恢复模块用于恢复BPSK信号的相位差。判决模块用于对信号进行最大似然判决。解码模块用于对得到的判决数据的比特0到比特4做差分解码，恢复出原始数据。
本发明不局限于上述实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于，包括：
在发送端，将数据每12bit分为一组，同一组内比特0在前；在每一组内，将比特0到比特4进行差分编码，比特5到比特11保持不变，得到12位的部分差分编码数据；使用所述12位的部分差分编码数据与格莱码编码生成矩阵相乘，得到24位的格莱码字；将所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量，用所述格莱向量分别调制连续的24个BPSK码元，将调制后的信号加载在光源发出的光中输出；
在接收端，当载波恢复发生歧义，得到的格莱向量被取反，通过最大似然判决恢复出12bit判决数据，对得到的12bit判决数据的比特0到比特4做差分解码，恢复出原始数据。
2.如权利要求1所述的用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于，在发送端，每一组数据记作W[n][11:0]，其中n为组序号，得到的部分差分编码数据C12_T[n]的计算如下：
C12_T[n][0]＝XOR(C12_T[n-1][4],W[n][0])；
C12_T[n][4:1]＝XOR(C12_T[n][3:0],W[n][4:1])；
C12_T[n][11:5]＝W[n][11:5]；
其中，XOR表示逐比特异或，C12_T[n][0]表示比特0的部分差分编码数据，C12_T[n][4:1]表示比特1到比特4的部分差分编码数据，C12_T[n][11:5]表示比特5到比特11的部分差分编码数据。
3.如权利要求2所述的用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于，所述24位的格莱码字G24_T[n]的计算如下：
其中，式子内所有的加实际都为模2加，取值0或1。
4.如权利要求3所述的用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于：所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量GV24中，0变为1，1变为-1。
5.如权利要求3所述的用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于：对C12_T[n]的比特0到比特4取反，会使24位的格莱码字G24_T[n]中所有比特被取反。
6.如权利要求4所述的用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于，所述接收端格莱向量被取反后，依据此格莱向量判决得到的格莱码字G24_R[n]为：G24_R[0:23]＝G24_T[0:23]XOR[1111 1111 1111 1111 1111 1111],对应恢复出的12bit判决数据为：
C12_R[n][0:11]＝C12_T[n][0:11]XOR[1111 1000 0000]。
7.如权利要求6所述的用于24维格莱调制的部分差分编解码方法，其特征在于，对12bit判决数据的比特0到比特4做差分解码的计算为：
W_R[n][0]＝XOR(C12_R[n][0],C12_R[n-1][4])
W_R[n][4:1]＝XOR(C12_R[n][4:1],C12_R[n][3:0])
W_R[n][11:5]＝C12_R[n][11:5]。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述方法的用于24维格莱调制的部分差分编解码系统，包括发送端和接收端，其特征在于，
发送端包括：
分组模块，用于将待发送的数据每12bit分为一组，同一组内比特0在前；
差分编码模块，用于对每一组中比特0到比特4部分进行差分编码；
矩阵模块，用于将所述部分差分编码数据与格莱码编码生成的矩阵相乘，得到24位的格莱码字；
转换模块，用于将所述24位的格莱码字转变为24维的格莱向量；
调制模块，用于通过所述格莱向量分别调制连续的24个BPSK码元，将调制后的信号加载在光源发出的光中输出；
接收端包括：
自适应均衡模块，用于均衡收到的光信号；
频差恢复模块，用于恢复BPSK信号的频率差；
相差恢复模块，用于恢复BPSK信号的相位差；
判决模块，用于对信号进行最大似然判决；
解码模块，用于对得到的判决数据的比特0到比特4做差分解码，比特5到比特11保持不变，恢复出原始数据。
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