CN108989253A - 基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法，在满足最小欧式距离的条件下，密集了星座图的空间优势，提出了菱形QAM星座图；同时通过将之与提出的符号级概率成形方式相结合，通过适当增加一定冗余，提高了输入信号低能量点的分布概率，提高了系统的传输性能；符号级概率成形和菱形星座图映射相结合的成形方式弥补了单独成形或单独映射的不足之处，对于系统误码率的降低有了明显的贡献。虽然由于使用概率成形增加了一定的信息冗余，但是相比于误码率的降低，是有一定的优势和应用前景。

Description

基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法

技术领域

本发明属于光传输技术领域，具体涉及基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法。

背景技术

现今社会，互联网，网络电视，实时视频通信，网上购物飞速发展，网络的数据量和通信带宽呈指数级增长，有“最后一公里”之称的光接入网对于通信传输能力的提高有决定性的作用。为了提高光接入网的处理能力和系统性能，光接入网应当满足调制信号易于识别，组网结构简单高效的特点。在此基础上，随着相移键控调制(PSK)，正交振幅调制(QAM)，离散多音调制(DMT)等调制方式的蓬勃发展(CAP)的蓬勃发展，扩充了星座空间的多级多维应用结构，系统的频谱效率和传输速率有了一定程度的提高。然而，这也极大地增加了数字信号处理的复杂程度与系统搭建的困难度。无载波幅相调制(CAP)由于功耗小，频谱效率高，系统机构简单，信号处理难度小等优点，对于短距离高速通信系统有极大的应用价值。在一定的区域与合适的应用场景中，CAP—PON在接入网应用中体现了很好的灵活性与极大的应用潜力，诸如10Gb/s的非正交CAP—PON，10*70Gb/s的CAP—PON，N维CAP—PON等。

同时为了尽可能地提高信息的处理速度，传输速率，如何最大程度的提高单信道载波的传输承载能力使之接近香农限成为了广泛研究的课题。而概率成形作为提高信道容量、降低信息误码率的有效方法，受到了广泛地关注。2013年，Yang F等人提出BICM系统的概率成形APSK星座标签设计方法。同年，He D等人提出APSK星座格雷映射的改进方案，使格雷映射的AP-SK星座可以根据不同的信噪比级别进行调整，以增加其平均互信息。2015年，Méric H等人给出了一个带有等概率信号的幅度和相移键控(APSK)星座的构造方式。随着研究的继续深入，概率成形逐渐在各种通信系统中运用，例如WDM系统中的16-QAM概率成形，256QAM/1024QAM的概率成形，ATSC 3.0广播信道的概率成形，非线性光纤信道QAM概率成形。然而，目前的概率成形主要是针对常规的星座图做映射，例如8PSK，16QAM，32QAM星座图等。常规星座图空间利用率低，相同欧式距离下空间间隙过大，会限制系统性能，增加传输功率冗余，降低传输速率和信道容量。

在本发明中，我们提出了一种符号级的菱形星座概率成形方式。以结合星座点的符号级方法得出的标签与菱形星座图进行有效结合的概率成形，对不同信息出现概率进行分配整合提高了信号的随机适应性，菱形星座图提高了星座空间利用率，概率与映射结合调制整体降低了信号的传输功率，从而提高了系统的传输速率，信道容量和系统的性能。与传统的简单QAM编码调制方案比较，采用这种成形结合星座图的新型编码方案对信号进行调制将可以得到更好的非线性容限、更低的误码率以及更低的发射功率。

发明内容

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法，包括以下步骤：

步骤一：输入单路二进制比特流到串并转换单元，经过串并转换后输出四路并行二进制流信号；

步骤二：符号级概率分布匹配器对生成的四路二进制数据进行识别和添加标签，通过识别信号所归属的标签集确认最终的输出信号，输出信号中星座点的分布已经达到了提升低能量星座点的分布概率、降低高能量星座点的分布概率的目的；

步骤三：在QAM星座映射中，结合菱形映射的方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的总发射功率，实现信号成形的性能最大化，从而完成符号级概率成形与菱形型星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，放大器调整信号功率，使信号便于接收，解调器将光信号变换为电信号，QAM调制器解调菱形QAM信号，然后分布匹配器解分布器将中心化的信号去冗余得到原输入信号。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

步骤二所述符号级概率分布匹配器将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高。

上述符号级概率分布匹配器的标记方式是一一对应的、可逆的，所以容易得到相应的符号级概率分布匹配器解码方式。

步骤三所述菱形映射将双二进制方形星座图映射到菱形星座图，具体公式为：其中

α表示旋转角度，(X₀，Y₀)表示星座点的原本坐标，(X_t，Y_t)表示星座点旋转后的坐标。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过将原始二进制序列经过概率成形和星座图改进后信号的能量集中度有了极大的提高，基本打到了成形对于降低信号发射功率的要求。也正是因为信号平均能量的降低，也就意味着同等信号发送功率条件下，经过星座成形后的信号分到的能量值要远大于未经过成形的信号能量，这样从相对的角度提高了信号的信噪比，提高了信道容量值。本专利的符号级概率成形和菱形星座图映射相结合的成形方式弥补了单独成形或单独映射的不足之处，对于系统误码率的降低有了明显的贡献。

附图说明

图1为本发明的符号级菱形星座概率成形映射方案流程框图；

图2为本发明的符号级菱形星座概率成形映射方案原理概述图；

图3为本发明的符号级概率分布匹配器标签映射与原理示意图；

图4为本发明的方形到菱形星座映射变化图；

图5为本发明的接收端星座图；

图6为本发明的符号级部分标签概率成形菱形星座与均匀方形星座的误码率图；

图7为本发明的符号级部分标签概率成形与菱形星座调制方案实验原理框图；

图8为本发明的符号级部分标签菱形星座概率成形后的信号星座图；

图9为本发明实施例中通过符号级概率分布匹配器后星座点分布概率图；

图10为本发明实施例中通过符号级概率分布匹配器后星座点信息图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图1、图2和图7，本发明提出了一种对于2维QAM信号星座图的改进设计方式，并将之与提出的符号级概率成形方式相结合。星座图改进方式是基于中心区域同等最小欧式距离为原则，边界区域星座点相对稀疏；概率成形的方式是通过将16星座点映射为9星座点，减少边缘区域星座点的出现几率实现的。

本发明主要部分是符号级概率分布匹配器与QAM信号星座映射方式两个部分。符号级概率分布匹配器的功能是将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高。同理，由于符号级概率分布匹配器的标记方式是一一对应的、可逆的，所以反之容易得到相应的符号级概率分布匹配器解码方式。QAM信号星座映射方式，进一步优化了传统的星座图星座区域的平面冗余损耗，使得星座图较为全面的综合考虑了平面密铺与最小欧式距离的硬性约束，达到了比较理想的结构。

本发明包括以下步骤：

步骤一：输入单路二进制比特流到串并转换单元，经过串并转换后输出四路并行二进制流信号；

步骤二：符号级概率分布匹配器对生成的四路二进制数据进行识别和添加标签，通过识别信号所归属的标签集确认最终的输出信号，输出信号中星座点的分布已经达到了提升低能量星座点的分布概率、降低高能量星座点的分布概率的目的；

步骤三：在QAM星座映射中，结合菱形映射的方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的总发射功率，实现信号成形的性能最大化，从而完成符号级概率成形与菱形型星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，放大器调整信号功率，使信号便于接收，解调器将光信号变换为电信号，QAM调制器解调菱形QAM信号，然后分布匹配器解分布器将中心化的信号去冗余得到原输入信号。

本发明主要模块的工作流程如下：

(1)符号级概率分布匹配器

概率成形是减少信号强度大的星座点出现概率，增大信号强度低的星座点出现概率的方式，这样在不降低原先星座图星座点数量的情况下，只能选择合并边缘区域的星座点到中间区域星座点，如此就会面临一个问题就是某些星座点的映射会成为多对一的映射，所以为了使映射重新变成可逆的一对一映射，必然的结果是会增加原有信息的冗余比特位。这样的概率成形的命题变成m比特输入n比特输出(n>m)的编码映射方式。为此，提出了一种16星座点到9星座点的概率分布匹配方式。

假设将成形匹配看成一个M₀×L₀的数组，其中M₀表示成形后的星座点个数，L₀表示每个星座点最大的重叠数目。由于概率成形运用的是概率幅度成形的方式，即信息的承载方式是“0”、“1”，信息点的个数为2^m或2ⁿ。为了达到可逆映射的目的，增加的冗余位的比特数目决定了一个星座点的可以重叠数目，但是如果成形后的星座点的个数log₂M₀不是整数的情况下，M₀的比特信息点不是完备集，即2ⁿ>M₀。因此，在对L₀进行编码标记的情况下就不能按照单纯的来表示，只能通过结合M₀的编码比特信息来进行编码。

现以16信息点映射为9信息点为实施例进行说明。

参见图3，由于成形后的信息点的个数为9，也就是说只能将比特位数设置为4位，同时为了满足16信息点的要求，可知9个信息点只需要选择一部分信息点提供重叠星座点功能。对于9信息位，为了满足4比特的信息完备性，选择每两个比特为一组的方式表示，且每组的生成值只选择“00”“01”“10”，没有选择“11”的原因是前3种的信息位的码重不超过1，可以看作码重级别在星座图内环。对于重叠信息位的表征，由于完备集的选择是2比特一组，所以为了简便起见，在作表征也是以“00”“01”“10”为主，也就是说以额外添加2个比特的冗余确认位。不能添加1个校验位的原因是单独增加的“1”会产生“11”的情况，在成形后的星座点中难以表示。成形星座点的表示以码重为界限，分别为码重为0的码元信息为“0000”，码重为1的码元信息为“1000”“0100”“0010”“0001”，码重为2的码元信息为“1010”“0101”“1001”“0110”。由于两位验证信息只有3种，则重叠的星座信息最多只能有3个，为了尽量减少离星座图原点距离远的星座点出现的概率，所以“00”标记的点最多，“10”次之，“01”最少，其中“01”“10”两者出现概率反过来也是一样的。

具体的信号点映射如图9所示。

假设输入成形匹配器前，发送端发送0和发送1是等概率的，即

P(0)＝0.5

P(1)＝0.5

进而可得P(x_i+j)＝(1/2)×{P(length(x_i+j))+P(i)×P(j)}

其中i,j∈{00,01,10}，i+j∈{0000,0001,0010,0100,1000,0101,1010,0110,1001},length表示同一个星座点所代表的重叠点数，即M₀×L₀数组的每一行的列重，P(i)，P(j)表示从M₀×L₀数组，如图10所示，通过概率成形匹配器后，星座图中的星座点已经不是原先的均匀分布了，分布的规则基本是秉承了码重低的区域出现概率高，反之概率少。

(2)星座图优化

目前的星座图普遍应用最广的是MQAM，MASK MPSK星座图，相对来说MQAM星座图较其他星座图在2维空间上进行了一定的合理分布，然而在最内圈的星座点分布尚不是最优。如此说来，在假定星座点的最小欧式距离一定的情况下，若在圆环上与圆心取间隔相同的星座点，根据几何学，方程组求解的方式，可以得知最优的方式是圆环上的同心六边形。基于此，提出了如图4所示的9点新型QAM星座图。

如图4所示，双二进制9点星座图映射到新型9点星座图就是简单的做了个图形的偏转平移复杂度不高。由此可以得到如下的公式：

其中

α表示旋转角度，(X₀，Y₀)表示星座点的原本坐标，(X_t，Y_t)表示星座点旋转后的坐标。这样的两种星座图转换方式实现简单，理论变换并不复杂，具有一定的实用性。新型的星座图比双二进制星座图的优势在于，同等模式识别范围内新型星座图的结构更加致密，增益效果更好。

其中γ_c表示星座图的编码增益，d_min表示星座图的最小欧式距离，Λ表示星座图中的单元，V(Λ)表示星座图中的基本单元格的单位面积中星座点的倒数，n表示星座图维度。由于双二进制星座图与新型9点星座图的转换原理是最小欧式距离不变情况下的坐标旋转，使得星座图的面积比之双二进制图形有了一个cosα系数，同时中心单位圆比之原先星座图所容纳的星座点多了2个单位点，所以进一步可以有

其中R表示星座图的整体边界，V(R)表示星座图的边界形成的面积，E_avg表示星座点的能量平均值。由于上文提到过新型星座图的面积比之双二进制图形有了一个cosα系数，由此可得

得出结果的原因是由于边界不是圆形的，在9点星座图中原先的双二进制星座图的边界更趋近于圆形，这点在现有文献中已有证明，球形或圆形边界总有最大的成形增益。

CFM(C)＝CFM₀×γ_C(Λ)×γ_s(R),

其中CFM(C)表示星座图的增益，CFM₀表示星座图的原始增益，是与星座维度有关的常数，γ_c表示编码增益，γ_s表示成形增益，这样结合编码增益与成形增益得到的星座增益为

CFM(C_new)/CFM(C_old)＝(γ_{c_new}/γ_{c_old})×(γ_{s_new}/γ_{s_old})≈1.5×0.9≈1.35≈1.3dB>1，

可见星座图的设计尚有一定的可取处。

(3)概率成形分配与星座图的结合

参见图8，概率成形是需要与星座图作结合才能发挥出成形最大的效果，这样的方式可以尽可能的使信息出现概率大的点向星座图零点附近的单位圆集中，出现概率小的点向单位圆外扩散，以此来降低信号的发送功率，提高能量利用率。如此，可以得到如图所示的星座映射。由于新型的星座图中间的原点能量值最小和单位圆中的6个点能量值次之且能量值均等，剩下的两点的能量值最大且相等。这样从能量利用最大化的角度，9点信号的分配就已经定局了，但是为了星座图整体概率的对称性，所以使0100与0001，0010与1000，0101与0110，1010与1001相对，这样可以基本上使得星座点产生概率达到中心对称。

由于E_avg＝∑_ip_i×E_i，

其中i表示星座点的选择，E_i表示相应星座点的能量值。

那么，由此可得均匀分布的16QAM星座图的平均能量值为

输入信号均匀分布的新型9点星座图的平均能量值

经过成形后的新型9点星座图的平均能量值为

从中我们可以明显的看出经过概率成形和星座图改进后信号的平均功率有了极大的降低。

PAPR＝max(E_i)/E_avg,

其中PAPR表示峰均功率比，max(E_i)表示星座图的最大功率点。那么有

从中可以看出峰均功率比在经过概率成形和星座图改进后信号的平均功率有了一定程度的提高。这说明了经过概率成形和星座图改进后信号的能量集中度有了极大的提高，基本达到了成形对于降低信号发射功率的要求。也正是因为信号平均能量的降低，同等信号发送功率条件下，经过星座成形后的信号分到的能量值要远大于未经过成形的信号能量，这样从相对的角度提高了信号的信噪比，降低了系统的误码率。

如图6所示，本发明的符号级部分标签概率成形菱形星座映射概率成形方式弥补了单独成形或单独映射的不足之处，对于系统误码率的降低有了明显的贡献。而且结合上文的分析可以看出，这样的结果符合理论分析。

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编码映射得到的菱形星座QAM信号，即在接收端经N级滤波成型解调后信号的星座图为菱形星座QAM星座图，同时证明了本发明的可行性。

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.基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：输入单路二进制比特流到串并转换单元，经过串并转换后输出四路并行二进制流信号；

步骤二：符号级概率分布匹配器对生成的四路二进制数据进行识别和添加标签，通过识别信号所归属的标签集确认最终的输出信号，输出信号中星座点的分布已经达到了提升低能量星座点的分布概率、降低高能量星座点的分布概率的目的；

步骤三：在QAM星座映射中，结合菱形映射的方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的总发射功率，实现信号成形的性能最大化，从而完成符号级概率成形与菱形型星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，放大器调整信号功率，使信号便于接收，解调器将光信号变换为电信号，QAM调制器解调菱形QAM信号，然后分布匹配器解分布器将中心化的信号去冗余得到原输入信号。

2.根据权利要求1所述的基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法，其特征在于：步骤二所述符号级概率分布匹配器将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高。

3.根据权利要求2所述的基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法，其特征在于：所述符号级概率分布匹配器的标记方式是一一对应的、可逆的，所以容易得到相应的符号级概率分布匹配器解码方式。

4.根据权利要求1所述的基于菱形调制与符号级部分标记方式的光概率成形方法，其特征在于：步骤三所述菱形映射将双二进制方形星座图映射到菱形星座图，具体公式为：其中

α表示旋转角度，(X₀，Y₀)表示星座点的原本坐标，(X_t，Y_t)表示星座点旋转后的坐标。