CN110192366A - 转换或再转换数据信号的方法以及用于数据传输和/或数据接收的方法和系统 - Google Patents

转换或再转换数据信号的方法以及用于数据传输和/或数据接收的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于转换数据信号(U)的方法(C)，包括以下步骤：(i)提供输入符号(IBj)的输入符号流(IB)，所述输入符号流(IB)代表待转换的基础数据信号(U)，以及(ii)将分布匹配过程(DM)应用于覆盖所述输入符号流(IB)的k个连续的输入符号(IBj)的连续的部分输入符号序列(IBk)，以生成并输出连续的输出符号(OBj)的最终输出符号流(OB)或其预形式，其中所述k是‑但不必须是固定的‑自然数，其中，所述分布匹配过程(DM)基于和/或包括多(n)个分布匹配函数(fi)的族((fi)i∈{0,1,...,n‑1})，所述分布匹配过程(DM)的执行是通过将选自于所述族((fi)i∈{0,1,...,n‑1})的所述分布匹配函数(fi)中的一个作用于所述部分输入符号序列(IBk)来实现的，并且其中，从所述族((fi)i∈{0,1,...,n‑1})中选择分布匹配函数(fi)基于包括至少一个选择规则的一组规则，和/或由包括至少一个选择规则的一组规则控制。

Description

转换或再转换数据信号的方法以及用于数据传输和/或数据 接收的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于转换或再转换数据信号的方法，以及一种用于数据传输和/或数据接收的方法和系统。
背景技术
从在通过某些类型的信道转换、发送和/或接收数据信号以便通信发送符号序列的领域中，一定程度的功耗伴随着应该保持尽可能低的基本(underlying)过程。此外，在流式传输条件下的高数据负载的情况下会出现困难。
和Amjad在2013年出版的“块至块分布匹配”(“Block-toblockdistribution matching”)和Amjad在2013年出版的“用于模拟离散无记忆源的算法”(“Algorithms for simulation of discrete memory-less sources”)中，都描述了以预定和固定的方式选择的可变-固定长度分布匹配器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种转换或再转换数据信号的方法以及一种用于数据传输和/或数据接收的方法和系统，其在降低功耗的情况下提高基础过程的可靠性，至少提高功率效率和提高流传输能力。
本发明的目的通过根据独立权利要求1的一种用于转换数据信号的方法或者通过根据独立权利要求8的一种方法、通过根据独立权利要求16的一种用于数据传输和/或数据接收的方法以及通过根据独立权利要求18的一种数据传输和/或接收系统来实现。优选实施例在相应的从属权利要求中限定。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于转换数据信号的方法，包括以下过程：
-提供输入符号的输入符号流，所述输入符号流代表待转换的基础数据信号，和
-将分布匹配过程应用于覆盖所述输入符号流的k个连续的输入符号的连续的部分输入符号序列，以生成和输出连续的输出符号的最终输出符号流或其预形式，其中所述k为自然数但不是必须为固定的自然数，
其中，
-所述分布匹配过程基于和/或包括多个分布匹配函数的族，
-所述分布匹配过程的执行是通过将选自于所述族的所述分布匹配函数中的一个作用于所述部分输入符号序列来实现的，并且
-其中，从所述族中选择分布匹配函数基于包括至少一个选择规则的一组规则，并且特别是由包括至少一个选择规则的一组规则控制。
因此，本发明的一个关键方面是将分布匹配过程设计作为或基于分布匹配函数的族，其中这些函数条件地被选择用于通过使用一组选择规则进行处理。这些措施允许对符号处理进行类似的灵活处理，以便实现期望的传输速率和/或符号分布。
根据该方法的优选实施例，其中以下过程中的至少一个以连续时钟和/或流式传输方式实施：
(i)提供输入符号流，
(ii)应用所述分布匹配过程，
(iii)从所述族中选择分布匹配函数，和
(iv)将分布匹配函数作用于输入符号流，
其目的特别是为了满足数据转换和数据传输以实现具有较高数据传输和/或处理速率的流式传输条件。
另外地或可选地，相应的选择规则和特别是整组选择规则可以基于以下中的至少一个或者设计为描述或表示以下中的至少一个：
(a)所述输入符号流和/或其所述部分序列，并且特别是已经接收或读取作为输入的一个或多个输入符号，
(b)所述输出符号流和/或其部分序列，并且特别是已经传输或写入作为输出的一个或多个输出符号，
(c)基础输入缓冲的一个现在的和/或至少一个过去的状态，
(d)输出缓冲的一个现在的和/或至少一个过去的状态，
(e)输入符号的给定分布，
(f)实现的或待实现的输出符号的分布，特别是至少近似于给定范围内，和
(g)速率，其作为所接收的输入符号的数量与实现的或待实现的已经传输的输出符号的数量的比率，特别是全局地和/或用于一个或多个时钟，
(h)其中，特定速率等于或者成比例于输出符号的分布的经验熵。
为了增加用于转换数据信号的方法的灵活性，特别是考虑到某些数据速率和/或数据分布，所述分布匹配过程可以具有或可以基于输入字母表和输出字母表。
特别地，所述族的每个所述分布匹配函数都具有或基于相应的输入字母表和相应的输出字母表，其中所述相应的输入字母表和所述相应的输出字母表对于每个所述分布匹配函数是不同的。
分布匹配函数的相应的输入和输出字母表可以分别由分别在分布匹配过程下的所述输入字母表和所述输出字母表中的字母合成的字组成。但是，这不是强制性要求。
根据转换数据信号的方法的另一有利实施例，分布匹配过程、分布匹配函数和/或选择规则的可以被配置为使得：
-当相比于输入符号流时，输出符号流至少近似为期望的基础分布和/或至少近似地满足期望的速率，
-以部分序列的形式来处理所述输入符号流，其中所述部分序列具有覆盖所述输入符号流的k个连续的输入符号，其中k为自然数但不是必须为固定的自然数，和/或
-以部分序列的形式来输出所述输出符号流，其中所述部分序列具有覆盖所述输出符号流的k’个连续的输出符号，其中k’为自然数但不是必须为固定的自然数。
根据一优选实施例，分布匹配过程、分布匹配函数和/或选择规则被配置为使得：期望的传输速率R、当前累积的nin(t)个经处理的输入符号和当前累积的nout(t)个经处理的输出符号在给定时间或时钟t满足以下关系式：
Wmin≤R·nout(t)-nin(t)≤Wmax
其中，Wmin和Wmax分别为特别地描述最小和最大缓冲填充状态的预定义和固定的阈值。
用于转换数据信号的本发明方法可以优选地与某些纠错过程组合。
因此，分布匹配过程之后可以跟随有特别地在概率幅度整形过程内的前向纠错编码过程，和/或调制过程，特别是QAM调制过程，优选为按照此顺序。
根据本法明的另一方面，还提供了一种再转换数据信号的方法，特别是关于通过使用上述的用于转换数据信号的本发明方法预先转换的数据信号。
所述再转换数据信号的方法包括以下过程：
-提供输入符号的输入符号流，所述输入符号流-直接或间接地-代表待再转换的基础-特别是经转换的-数据信号或其导数，和
-向所述输入符号流或其导数应用逆分布匹配过程，以生成并输出最终的输出符号流，
其中，
-所述逆分布匹配过程基于和/或包括多(n)个逆分布匹配函数的族，
-所述逆分布匹配过程的执行是通过将选自于所述族的所述逆分布匹配函数中的一个作用于所述输入符号流(IB’)来实现的，并且
-其中，从所述族中选择逆分布匹配函数的实现内在上基于包括至少一个选择规则的一组规则，并且特别地由包括至少一个选择规则的一组规则控制，其中选择规则用于在发送器侧的分布匹配过程的分布匹配函数的基础族。
以与用于转换数据信号的本发明方法类似的方式，可以以连续时钟和/或流式传输方式执行再转换数据信号的本发明方法的以下过程：
(i)提供输入符号流，
(ii)应用所述逆分布匹配过程，
(iii)从所述族中内在地选择逆分布匹配函数，和
(iv)将逆分布匹配函数作用于所述输入符号流。
优选地，逆分布匹配过程具有或基于输入字母表和输出字母表，其中所述输入字母表和所述输出字母表分别相同于在发送器侧的基础分布匹配过程的输出字母表和输入字母表。
特别地，所述族的每个所述逆分布匹配函数可以具有或基于输入字母表和输出字母表，其中，所述输入字母表和所述输出字母表特别地对于所述逆分布匹配过程之下的每个所述逆分布匹配函数是不同的，和/或所述输入字母表和所述输出字母表特别地相同于在发送器侧的分布匹配过程的基础分布匹配函数的相应的输出字母表和输入字母表。
同样地，逆分布匹配函数的相应的输入和输出字母表可以分别由分别在逆分布匹配过程之下的所述输入字母表和所述输出字母表中的字母合成的字组成。但是，同样地，这不是强制性要求。
另外地或替代地，逆分布匹配过程、逆分布匹配函数和/或基础内在上跟随的选择规则被配置为使得：
-当相比于输入符号流时，输出符号流至少近似地均匀分布和/或至少近似地满足期望的速率，
-以部分序列的形式处理输入符号流，其中所述部分序列具有覆盖所述输入符号流的k’个连续的输入符号，其中k’为自然数但不是必须为固定的自然数，和/或
-以部分序列的形式输出输出符号流，其中所述部分序列具有覆盖所述输出符号流的k个连续的输出符号，其中k为自然数但不是必须为固定的自然数。
同样地，用于再转换数据信号的方法可以与某些纠错技术组合。
因此，逆分布匹配过程可以跟随于：解调过程，特别是QAM解调，和/或前向纠错解码过程，特别是在逆概率幅度整形过程的范围内，优选地按照此顺序。
接下来，根据本发明，对可以应用于用于转换数据信号的方法以及用于再转换数据信号的方法的另外的方面进行了描述：
首先，分布匹配过程和/或所述逆分布匹配过程分别由多个部分分布和部分逆分布匹配过程形成，其中所述多个部分分布和部分逆分布匹配过程被配置为特别是并行地和/或基于共享的输入和/或输出缓冲单元而执行。
另外地或替代地，所述分布匹配过程和所述逆分布匹配过程，并且特别是所述基础分布匹配函数和逆分布匹配函数，所述前向纠错编码和解码过程，以及所述调制和解调过程可以分别配置为相对于彼此是可逆的。
提供输入符号流的过程包括以下至少一个：从存储介质或符号生成过程中回调输入符号流；和接收、解调和/或解码代表或传达输入符号流的信号。
根据用于转换和/或再转换数据信号的方法的另一优选实施例，所述分布匹配过程、所述逆分布匹配过程、所述调制过程和/或所述解调过程可以至少基于和选择于
(a’)根据用于输出而待实现的预定义分布，特别是基于高斯分布，和
(b’)通过将相应的输出序列从相应的整组候选值中进行相应地索引，以实现将最终的输出符号流的期望分布近似为相应的基础分布。
尽管可以在任意符号的上下文中实现一般概念，但是所述输入符号流和/或输出符号流可以至少部分地由二进制比特形成和/或表示。
因此，根据本发明的过程的每个阶段甚至中间阶段也可以指代更一般的符号或者指代比特和比特组合作为符号。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于数据传输和/或数据接收的方法。
本发明的方法包括数据传输部分和数据接收部分中的至少一个。数据传输部分和/或数据接收部分可以涉及至少一个如上所述的用于转换数据信号或再转换数据信号的本发明的方法。
在用于数据传输和/或数据接收的本发明方法的优选实施例中，所涉及的分布匹配过程和逆分布匹配过程可以相对于彼此是可逆向的或可反向的。
本发明还提出了一种数据传输和/或数据接收系统。
本发明的系统包括处理单元，该处理单元被配置为执行根据本发明的任何方法，并且包括用于执行这些方法的相应的装置。
在传输过程/单元和接收过程/单元的组合的情况下，这些过程或单元可以被配置为用于交换和/或协商数据，以便定义和固定流式传输分布匹配的具体形式，前向纠错编码/解码和/或调制器和解调器属性。
此外，如上所述的本发明方法可以通过计算机或数字信号处理装置可接受和可执行的代码来实现。
同样在本发明的范围内，提供了一种计算机程序产品，包括计算机代码，当该代码分别在计算机和/或数字信号处理装置上运行时，计算机代码适于让计算机和/或数字信号处理装置执行根据本发明的任何方法。
附图说明
下面将基于本发明的实施例并参考附图来描述本发明的这些和其他方面、细节、优点和特征。
图1是用于阐明根据本发明的数据传输和/或数据接收系统的实施例以及用于转换/再转换嵌入其中的数据信号的方法的嵌入的框图。
图2和3是更详细地阐明根据本发明的用于转换和再转换数据信号的方法的一般方面的框图。
图4至6是更详细地阐明以流式传输方式工作并基于分布匹配函数的族的分布匹配过程的方面的示意图。
图7和8示意性地阐明了基于分布匹配函数的具体族的分布匹配过程和相应的逆分布匹配过程。
图9描绘了描述图7中所示的分布匹配过程的动作的表格。
具体实施方式
在下面的实施例中，通过参考附图1至9详细地给出了本发明的技术背景。相同或等同的元件以及起相同或等同作用的和元件用相同的附图标记来表示。并非在它们出现的每种情况下都重复对元素和组件进行详细描述。
在不脱离本发明的主旨的情况下，可以任意地分离和重新组合所描绘和描述的特征以及本发明实施例的其他特性。
在详细描述用于转换/再转换数据信号的方法以及用于数据发送/接收的方法之前，请参考附图1以及其关于用于数据转换/再转换和/或数据传输/接收的系统和方法的一般视图。
因此，图1是用于阐明根据本发明的数据传输和/或数据接收系统的实施例以及用于转换/再转换嵌入其中的数据信号的方法的嵌入的框图。
根据图1的方案通常遵循Massey在1974年提出的数字通信中的编码和调制的概念。
图1的方案公开了系统T-其为硬件结构、方法或处理单元的配置或其组合-包括：(i)信息源单元T1，其被配置为用于提供待转换和发送的信号U，(ii)编码单元T2，其被配置为用于接收和编码信号U并输出经编码的信号X，(iii)调制器单元T3，其被配置为用于接收和调制经编码的信号X并输出经调制的信号s(t)用于在(iv)发送/接收波形信道单元T4上发送，(v)解调器单元T5，其被配置为用于以可能由传输信道单元T4失真的形式r(t)来接收经调制的信号s(t)，并且用于解调所述信号以便输出经解调的信号Y，(vi)解码器单元T6，其被配置为用于接收和解码经解调的信号Y并输出经解码的信号V，以及(vii)信息宿单元T7，用于接收解码信号V。
根据本发明，信息源T1和信息宿T7分别可以是任何种类的信息或信号宿或源。可以使用任何种类的存储介质。或者，可以涉及任何任意的其他发送/接收信道。
如上所述，根据本发明，提供了一种用于转换数据信号U的方法C，并且可选地或另外地，提供了一种用于再转换数据信号Y的方法RC。根据本发明的这些方法C和RC可以分别包含或者是信息编码单元T2和解码单元T6的一部分。另外地或替代地，也可以实现信息源单元T1和/或调制器单元T3的部分以及解调器单元T5和/或信息宿单元T7的部分。
图2和图3通过框图更详细地阐述了根据本发明的用于转换数据信号U的方法C以及用于再转换数据信号Y的方法RC的一般方面。
在图1至图4所示的情况下，从信息源单元T1获得的数据信号U由输入符号流IB表示或与输入符号流IB相同，其中输入符号流IB不一定是但是可以是二进制输入数字或输入比特IBj的流。输入符号流IB可以具有有限长度或者可以表示为连续的符号流。
总的来说，图1至图3描述了整个发送/接收系统T。
图2通过示意性框图进一步阐明了实现本发明的一方面的编码过程或单元T2以及由此的发送侧或发送器侧的信号转换C的优选实施例。
表示待转换的信号或数据信号U并且包括输入符号或输入比特IBj的流的输入符号或比特流IB被提供至编码过程或单元T2。编码过程或单元T2配置为用于处理输入符号或比特IBj，以便生成和输出输出符号流OB，其代表图1和2的经转换的信号X或经处理的形式X#，并且其包括输出符号或输出比特OBj的流或输出符号流OB的相应的经处理的形式OB#的相应的经处理的输出比特OBj#的流。
在图2所示的实施例中，编码过程或单元T2由第一或前一分布匹配过程或单元DM形成，其中第一或前一分布匹配过程或单元DM由分布匹配函数fi的族(fi)i∈{0,1,...,n-1}定义。可以基于一组选择规则来选择分布匹配函数fi，并且它们每个被配置为用于从输入符号或比特IBj、并且特别地从其中的k个输入符号IBj的部分序列IBk生成k’个输出比特或符号OBj的序列OBk’。
数字k和k’是自然数，并且它们的值可以变化。它们的比率k/k’给出了速率或传输速率R(t)＝k/k’，其在整个过程中可能不是恒定的，但优选地接近或近似为期望的传输速率R.
输出比特或符号OBj被提供至前向纠错处过程或单元FEC，随后是调制过程或单元MOD。
在分布匹配过程DM下，考虑到输入字母表IA，则根据输入分布Pin来给出输入符号IBj，而考虑到输出字母表OA，则根据输出分布Pout来给出输出符号OBj。
优选地，输出分布Pout可以凭经验近似为期望分布P。
为了建立关于期望分布P和期望速率R的这种近似，分布匹配过程DM，特别是分布匹配函数fi的基础族(fi)i∈{0,1,...,n-1}，字母表IA，IAi，OA，OAi和/或用于选择分布匹配函数fi的选择规则可以进行相应地选择。
换言之，分布匹配函数fi每个都分配了输入字母表IAi和输出字母表OAi。
如上所述，一方面输入字母表IAi和另一方面输出字母表OAi的联合可以分别由分布匹配过程DM的输入字母表IA和输出字母表OA中的字母组成。
由于图2所示的分布匹配过程DM的配置特别能够实现流式传输操作，所以基于分布匹配函数fi的族(fi)i∈{0,1,...,n-1}的这种分布匹配过程DM可以被视为由SDM表示的流式传输分布匹配过程。
调制过程或单元MOD以时间离散形式给出输出符号或比特序列，它们被提供给例如光传输系统OT并且例如由光传输系统OT传输，其可以根据图1由调制器单元T3、发送/接收信道单元T4、和解调器单元T5形成，其中调制器单元T3和解调器单元T5分别能够进行数字/模拟和模拟/数字转换/调制。
图3通过示意性框图进一步阐明了实现本发明的一方面的解码过程或单元T6以及由此的接收侧或接收器侧的信号(再)转换RC的优选实施例。
如上所述，由输入符号或比特IBj’#转换和形成的信号Y被馈送至解调器DEMOD，随后是前向纠错解码器FEC DEC。然后将得到的符号或比特序列IB’馈送至逆分布匹配器DM-1。
接收侧的逆分布匹配过程DM-1以相反的方式反映发送侧的分布匹配器DM的特性。从而，如图3所示，逆分布匹配过程DM-1基于相应的逆分布匹配函数的族而被定义，其中每个逆分布匹配函数已经分配了相应的输入字母表IAi’和输出字母表OAi’。
可以利用接收侧的逆流式传输分布匹配器SDM-1的输出字母表OA’来识别在发送侧并且如上定义的流式传输分布匹配器SDM的输入字母表IA。反之亦然，可以利用接收侧的逆流式传输分布匹配器SDM-1的输入字母表IA’来识别发送侧的流式传输分发匹配器SDM的输出字母表OA。
可以对各个分布匹配函数fi和逆分布匹配函数的各个输入和输出字母表IAi、OAi、IAi’、OAi’进行类似的识别。
通过过程DEMOD、FEC DEC和DM-1的串联，待(再)转换并由输入符号/比特流IB’#的输入符号/比特IBj’#给出的输入信号Y被转换成由输出符号/比特流OB’的输出符号/比特OBj’给出的经再转换的输出信号V。
图4至6是更详细地阐明以流式传输方式工作并基于分布匹配函数fi的族(fi)i∈{0,1,...,n-1}的分布匹配过程的方面的示意图。
在图4至图6所示的情况下，分布匹配过程DM是流式传输分布匹配过程SDM，其可以基于用于选择各个分布匹配函数fi的某组选择规则，其例如取决于考虑输入符号流IB和输出符号流OB的数据条件和/或分布匹配过程DM的过程条件。
在图4至6所示的实施例中，由时间相关的缓冲状态ω(t)描述的缓冲B用于设计用于选择分布匹配过程DM之下的各个分布匹配函数ω(t)的选择规则。
在图4中，示出了通用缓冲B。图5和图6分别示出了涉及输入缓冲Bin和输出缓冲Bout的实施例。
在每种情况下，在过去时钟或时刻t-1的任何缓冲Bin、Bout的缓冲状态ω(t-1)被用于从基础族(fi)i∈{0,1,...,n-1}中选择各个分布匹配函数fi。
图7至9更详细地描述了用于流式传输分布匹配过程SDM作为分布匹配器DM的具体实施例，其中分布匹配器DM具有相对于输入字母表IA0、IA1和输出字母表OA0、OA1的两个分布匹配函数f0和f1的族(fi)i∈{0,1,...,n-1}，其中输入字母表IA0、IA1和输出字母表OA0、OA1具有在整个流式传输分布匹配过程SDM的输入字母表IA和输出字母表OA中的字母。
图7示出了分布匹配器DM以及它的匹配函数f0和f1，而图8示出了具有其族的反向分布匹配函数f0 -1和f1 -1的逆分布匹配过程DM-1。
从图7和图8可以得到输入字母表IA、IA0、IA1、IA’、IA0’、IA1’和输出字母表OA、OA0、OA1、OA’、OA0’、OA1’的对应关系。
在图7至图9中，输入符号IBj、IBj’和输出符号OBj、OBj’在每种情况下分别作为二进制比特或其序列而给出。符号ε表示空字符串。
在下文中，将进一步阐明本发明的这些和另外的方面、特征和/或性质。
本发明一般涉及通信系统，更具体地说，涉及频谱上有效的传输。本发明特别涉及通信方法和系统以及用于产生具有期望分布的符号序列的技术，例如，构成信号将从其中被发送。利用所建议的措施，可以在降低的功率要求下以更高的效率实现数据发送和接收，特别是适合于流式传输操作。
为了以流式传输方式实现功率有效通信-例如在噪声信道上-在信号内待传输的符号被设计为一方面遵循某种分布，其涉及适合于与流式传输架构协作的过程。为了实现这一点，需要将数据比特或更多的一般数据符号映射到具有期望分布的符号序列，并且必须以某种方式实现分布和传输速率。映射应该是可逆的，从而例如在接收侧的发送和接收之后可以从符号序列中恢复原始数据符号或比特。
被配置为用于实现从原始的符号或比特到符号或比特的期望分布的映射的设备被称之为分布匹配器，并且其由符号DM表示。
基于以下观察，可以更好地理解本发明的重要性。
全球社会目前面临互联网数据流量的快速增长，这将在未来几十年持续发生。这给电信公司带来了巨大压力，电信公司需要创新来提供所需的数字链路容量。
为了增加吞吐量，用于数据传输的低复杂度和低延迟方法已经变得非常重要。这对光学来说特别是具有挑战性，目前的研究目标是传输速率超过1T比特/秒。
对于前向纠错(FEC)，可以采用具有窗口解码的空间耦合、即卷积、低密度奇偶校验(LDPC)的代码。
该方法实现了流式传输架构，即，其允许将由解码器的窗口大小指定的经传输的数据的块处理到接收器侧，而不必等待直到已经接收到整个块。该流式传输架构实现了用于光纤传输的收发器所需的非常高的吞吐量。
概率幅度整形作为满足不断增长的需求的一种方法，已经引起了人们对光学的兴趣。
为此，需要分布匹配过程DM来执行将均匀分布的符号或比特转换到具有期望分布的信道符号或比特。
迄今为止建议的所有方法-例如恒定成分分布匹配(CCDM)、壳映射分布匹配(SMDM)等不能很好地与流式传输架构相集成。
CCDM以块为单位进行操作，并且需要较长的块长度才能正常工作。
SMDM设计用于高维星座整形，并且当用作传统匹配器时具有较大的速率损失。
此外，CCDM的现有实现使用浮点算法，并且SMDM需要较大整数的乘法，这可能使得在高吞吐量收发器中实现CCDM和SMDM变得困难。
为了实现在实际光传输系统中的现场试验中观察到的所得，需要具有低复杂度实时处理的分布匹配过程与FEC流式传输架构良好地集成。
根据本发明，提出了用于分布匹配过程DM的流式传输架构，其例如可以用作简单的可变长度分布匹配函数fi，其可以仅使用诸如二进制加法、二进制比较和移位的基本操作来操作。
下面将对根据本发明实施例的流式传输分布匹配过程SDM作为分布匹配过程DM进行描述：
用于流式传输操作的DM参数
-有限的输入字母表IA。
-有限的输出字母表OA。
-比特/输出符号的目标速率R。
-输出字母表OA上的目标分布P。
-分布匹配函数的组或族(fi)i∈{0,1,...,n-1}，实现从输入字符串IBk到输出字符串OBk’的映射。
目标速率
目标速率R和目标分布P可以根据以下关系式(1)通过函数H来关联。
流式传输分布匹配过程SDM可以在输入字母表IA中接收稳定的输入符号流IBj∈IA，其可以通过输入分布Pin均匀地分布。
流式传输分布匹配过程SDM被配置为用于输出具有经验输出分布Pout的稳定的输出符号OBj∈OA。经验输出分布Pout可以给出为：
Pout(OBj)＝(输出流中的符号OBj的发生次数)/(输出流中的符号的总数) (2)
根据下式，经验分布Pout应当接近于期望的目标分布P：
Pout≈P
在每轮t＝1,2,3……，流式传输分布匹配过程SDM应用基础族(fi)i∈{0,1,...,n-1}的分布匹配函数fi当中的一个，其将输入符号IBj的较短字符串IBk映射到输出符号OBj的较短字符串OBk’。
输入字符串IBk和输出字符串OBk’可以具有可变长度k和k’。
例如，对于可变输入长度，固定输出长度，几何霍夫曼码(GHC)可以用作分布匹配算法。
对于固定输入长度，存在可变输出长度的其他架构。
索引t＝1,2,3......可以表示时钟信号或时间。
目标速率R可以例如如下来实现：流式传输分布匹配过程SDM可以内部上使用两个分布匹配函数f1和f2，使得R1≤R且R2≥R。流式传输分布匹配过程SDM在两个分布匹配函数f1和f2之间切换。从长远来看，它使用分布匹配函数f1作为时间分数λ并且使用分布匹配函数f2作为时间分数(1-λ)，因此平均来说，速率恰好是R，即，关系式(3)：
R＝λ·R1+(1-λ)·R2 (3)
在给定的轮次、时钟或时间t之后，nin(t)将表示经处理的输入符号IBj的累积数量，并且nout(t)将表示经处理的输出符号OBj的累积数量。
根据下式来定义基础缓冲B、Bin、Bout的缓冲状态ω(t)：
ω(t):＝R·nout(t)-nin(t)
然后，可以例如根据以下关系式(4)而基于所述缓冲状态ω(t)来选择具体分布匹配函数f(t):
其中W是用于缓冲状态ω(t)的某个阈值。
一些允许的范围Wmin≤ω(t)≤Wmax可以施加在缓冲状态ω(t)上，例如Wmin＝0且Wmax>0或Wmax＝0且Wmin<0。
ω(t)≥Wmin的情况可以通过以下策略实现：
-如果ω(t)＝Wmin，则在t+1轮中使用平凡(trivial)分布匹配函数f0将空字符串ε映射到正长度的虚拟输出序列y上。
也就是说：
(a)在t+1轮中不处理另外的输入符号。
(b)在t+1轮中输出输出符号的虚拟序列。
ω(t)≤Wmax的情况可以通过以下策略实现：
-如果ω(t)＝Wmax，则在t+1轮中使用分布匹配函数f(t)，其瞬时或当前速率R(t)至少为R，即对于每对输入x和输出y，分布匹配函数f应满足以下关系式(5)：
R(t)＝k/k’＝长度(x)/长度(y)≥R (5)
示例
请考虑以下示例：
-二进制输入和输出字母表IA和OA由IA:＝{0,1}和OA:＝{0,1}给出。
-目标速率R为：R:＝0.5[输入比特/输出比特]。
-目标分布P由P(0):＝0.89和P(1):＝0.11定义。应当注意，目标分布P的函数H满足关系式H(P)＝R＝0.5。
-缓冲状态允许的范围由0≤ω(t)≤Wmax给出，其中Wmax＝1。
流式传输分布匹配过程SDM的实施可以基于在图7和9的上下文中阐明的分布匹配函数f0和f1。
应当注意，分布匹配函数f1对于输入字符串OBk＝0具有瞬时速率R＝0.5，并且对于具有配置10和11的输入字符串OBk具有瞬时或当前速率R(t)＝1。
基于在过去时间或时钟t-1的缓冲状态ω(t-1)，可以根据下述规则(6)来选择当前分布匹配函数f(t)：
在图9所示的表1中，对示例输入序列IBk＝011010进行编码。
经验输出分布Pout由Pout(0)＝10/12≈0.833、Pout(1)＝2/12≈0.167给出，接近于期望的目标分布P。
特别地，其中一个具有
H(Pout)＝0.65, (7)
也就是说，经验函数H超过速率0.15比特。这种超过称之为速率损失。通过使用分布匹配过程DM和具有更多代码字的分布匹配函数，可以使其任意小。
用于分布匹配函数的一般构造方案在由和Mathar出版的“向信道发送二元分布”(“Matching dyadic distributions to channels”)中得以描述，其发表于Proc.Data Compression Conf.,2011年3月，第23至32页。
附图的另外的描述
图4描绘了流式传输分布匹配过程SDM的黑盒模型。通过使用分布匹配函数fi的库或族(fi)i∈{0,1,...,n-1}和内部缓冲B的状态ω(t)来将表示待转换的信号U的输入流IB处理成输出流OB。
图5描绘了流式传输分布匹配过程SDM的一种可能的实施方式。分布匹配函数fi由缓冲B的状态ω(t)选择和激活，其在这种情况下是输入缓冲Bin，即，在流式传输分布匹配过程SDM的输入侧的缓冲。
输入流IB被传递至激活的分布匹配函数上，该函数读取其输入流IB或其输入序列IBk。一旦识别出激活的分布匹配函数的代码的字典字-即在所选择的分布匹配函数之下的输入字母表IAi的元素，则所选择和激活的分布匹配函数就输出相应的代码字。
由于代码字和/或字典字具有不同的长度，所选择的激活的分布匹配函数和缓冲B、Bin之间的流具有可变速率R，其由缓冲B、Bin处理。缓冲B、Bin的输出是输出流OB并且具有长度k’。
图6描绘了根据本发明的流式传输分布匹配过程SDM的另一种可能的实施方式。输入符号流IB填充缓冲B，其在这种情况下是输出缓冲Bout，即在流式传输分布匹配过程SDM的输出侧的缓冲。基于缓冲B、Bin的状态ω(t)来选择激活的分布匹配函数。
激活的分布匹配函数根据需要从缓冲B请求尽可能多的符号或比特，以基于输入字母表IA、IAi识别字典字。由于字典字的长度可能不同，因此存在从缓冲B、Bout到激活的所选择的分布匹配函数的可变速率流。在这种情况下，可变-固定长度分布匹配代码确保了在输出符号流OB的输出处的恒定长度k’。
概率幅度整形(PAS)集成
所提出的配置或架构不限于上述简单设置，并且其可以与PAS或任何其他形式的预先纠错编码良好地集成：
-输出字母表OA、OAi可以是幅移键控(ASK)星座或正交幅度调制(QAM)星座的幅度。
-可以选择目标分布P作为PAS收发器所需的幅度分布。
-更一般地，输出字母表表OA、OAi不限于二进制集。用于非二进制输出字母表OA、OAi的可变长度分布匹配函数的构造规则是容易得到的，如上面已经提到的出版物中所描述的。
发送器侧方面
-流式传输分布匹配过程SDM可以在轮或时钟t中工作，其中t＝1,2,3,4……
-流式传输分布匹配过程SDM可以具有不一定是二进制的输入字母表IA和输出字母表OA。
-对于每个时间、时钟或轮次t，流式传输分布匹配过程SDM确保在接收的输入字符串上选择和应用合适的分布匹配函数f(t)，其中在接收的输入字符串作为长度为k的部分输入符号序列IBk，以便生成并输出作为长度为k’的部分输出符号序列OBk’的字符串。
-字母表IA、IAi、OA、OAi可以不同或相同，并且它们可以是二进制的或不是二进制的。
-对于每个时间、时钟或轮词t，可以根据一些基础选择规则来选择分布匹配函数f(t)。
-流式传输分布匹配过程或SDM输出OB具有输出分布Pout，其近似为期望的目标分布P。
-输入字符串，即部分输入符号序列IBk，输出字符串，即部分输出符号序列OBk’，或这二者可以是可变长度的，即相应的分布匹配函数f(t)可以是固定-固定长度，可变-固定长度，固定-可变长度、或可变-可变长度类型。
-在第t个时间、时钟或轮次t之后，流式传输分布匹配过程SDM已经处理了nin(t)个输入符号IBj和nout(t)个输出符号OBj。
-流式分布匹配过程SDM在期望的目标速率R下操作，其中该目标速率R描述了输入符号IBj的数量与输出符号OBj的数量的比率。
-如果使用缓冲B、Bin、Bout，则相应的缓冲状态可以满足以下关系式：
ω(t):＝R·nout(t)-nin(t).
-然后，流式传输分布匹配过程SDM可以具有根据Wmin<ω(t)<Wmax的允许缓冲范围，其具有给定的边界Wmin和Wmax。
-可以选择最大缓冲大小Wmax为较大，例如，Wmax＝100或更大。同样可以选择最小缓冲大小Wmin为较小，例如，Wmin＝-100或更小。
-输出速率R和输出分布Pout可以表示为H(Pout)≈R。
-可以选择时间、时钟或轮次t的分布匹配函数f(t)作为状态ω(t-1)的过去的函数。
-流式传输分布匹配过程SDM可以与概率幅度整形PAS组合。
-流式传输分布匹配过程SDM可以与前向纠错FEC流式传输结构组合。
-多个流式传输分布匹配过程SDM可以并行配置，并且可以通过共享缓冲B进行协调。
-在接收器侧，与基础分布匹配过程DM及其分布匹配函数相比，流式传输逆分布匹配过程DM-1和基础逆流式传输分布匹配功能具有反向和可逆的结构。
根据本发明，提供了一种用于分布匹配过程DM的新方法，其被称为流式传输分布匹配并由SDM表示。新方法适用于较高吞吐量流式传输系结构。根据本发明，所提出的流式传输分布匹配过程SDM适合于成为未来较高吞吐量收发器的分布匹配部件，例如，用于实现概率整形。
除了本发明的前述描述之外，对于另外的公开内容，明确地参考图1至图9的图形所示。
附图标记列表
B 缓冲
Bin (输入)缓冲
Bout (输出)缓冲
C 信号转换部分/过程/单元/系统
DEMOD (QAM)解调器
DM 分布匹配过程/单元
DM-1 逆/反向分布匹配过程/单元
FEC DEC 前向纠错解码器
FEC ENC 前向纠错编码器
fi 分布匹配函数
逆分布匹配函数
(fi)i∈{0,1,...,n-1} 分布匹配函数的族
逆分布匹配函数的族
H(Q) 分布Q的熵(entropy)
IA 输入字母表(在发送器侧)
IA’ 输入字母表(在接收器侧)
IB 输入符号/比特流(在发送器侧)
IB’ 输入符号/比特流(在接收器侧)
IB’# 经(预)处理的输入符号/比特流的形式(在接收器侧)
IBj 输入符号/比特，j＝1,2,……(在发送器侧)
IBj’ 输入符号/比特，j＝1,2,……(在接收器侧)
IBk 长度为k的部分输入符号/比特序列(在发送器侧)
IB’k’ 长度为k'的部分输入符号/比特序列(在接收器侧)
IB’#k’ 经(预)处理的长度为k’的部分输入符号/比特序列的形式(在接收器侧)
k 输入/输出长度
k’ 输入/输出长度
MOD (QAM)调制器
nin(t) 在时间/时钟t累积的经处理的输入符号IBj的数量
nout(t) 在时间/时钟t累积的经处理的输出符号OBj的数量
OA 输出字母表(在发送器侧)
OA’ 输出字母表(在接收器侧)
OB 输出符号/比特流(在发送器侧)
OB’ 输出符号/比特流(在接收器侧)
OB# 经处理形式的输出符号/比特流
OBj 输出符号/比特，j＝1,2……(在发送器侧)
OBj’ 输出符号/比特，j＝1,2,……(在接收器侧)
OBj# 经处理形式的输出符号/比特(在发送器侧)
OBk’ 长度为k’的部分输出符号/比特序列k’(在发送器侧)
OB’k 长度为k的部分输出符号/比特序列k(在接收器侧)
OT 光传输方法/系统
P (期望的)输出分布
Pin 输入分布
Pout (激活的)输出分布
r(t) 在信道T4之后和解调器T5之前发送的信号
R 期望的传输速率
R(t) 当前/瞬时传输速率，R＝k/k’
R1 速率
R2 速率
RC 信号再转换部分/过程/单元/系统
s(t) 在调制器T3之后和通道T4之前待发送的信号
SDM 流式传输分布匹配器
t 时间、时钟、时钟值
T 发送/接收方法/系统
T1 信息源单元
T2 编码单元
T3 调制器单元
T4 发送/接收(波形)信道单元
T5 解调器单元
T6 解码器单元
T7 信息宿单元
U 来自源T1、在编码器T2之前的信号
V 在解码器T6之后至宿T7的信号
X 在编码器T2之后和调制器T3之前的信号
X# 经处理形式的信号
Y 在解调器T5之后和解码器T6之前信号
ε 空字符串/符号序列
ω 缓冲状态。

Claims (18)

1.一种用于转换数据信号(U)的方法(C)，
包括以下步骤：
-提供输入符号(IBj)的输入符号流(IB)，所述输入符号流(IB)代表待转换的基础数据信号(U)，以及
-将分布匹配过程(DM)应用于覆盖所述输入符号流(IB)的k个连续的输入符号(IBj)的连续的部分输入符号序列(IBk)，以生成并输出连续的输出符号(OBj)的最终输出符号流(OB)或其预形式，其中所述k为自然数，
其中，
-所述分布匹配过程(DM)基于和/或包括多(n)个分布匹配函数(fi)的族((fi)i∈{0,1,...,n-1})，
-所述分布匹配过程(DM)的执行是通过将选自于所述族((fi)i∈{0,1,...,n-1})的所述分布匹配函数(fi)中的一个作用于所述部分输入符号序列(IBk)来实现的，并且
-其中，从所述族((fi)i∈{0,1,...,n-1})中选择分布匹配函数(fi)基于包括至少一个选择规则的一组规则，和/或由包括至少一个选择规则的一组规则控制。
2.根据权利要求1所述的方法(C)，其中，以下过程中的至少一个以连续时钟和/或流式传输方式来执行：
(i)提供所述输入符号流(IB)，
(ii)应用所述分布匹配过程(DM)，
(iii)从所述族((fi)i∈{0,1,...,n-1})中选择分布匹配函数(fi)，以及
(iv)将分布匹配函数(fi)作用于所述输入符号流(IB)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(C)，其中，相应的选择规则和/或一组选择规则基于以下中的至少一个：
(a)所述输入符号流(IB)，其所述部分序列(IBk)和/或已经接收或读取作为输入的一个或多个输入符号(IBj)，
(b)所述输出符号流(OB)，其部分序列(OBk’)和/或已经传输或写入作为输出的一个或多个输出符号(OBj)，
(c)基础输入缓冲(B，Bin)的一个现在的和/或至少一个过去的状态(ω)，
(d)输出缓冲(B，Bout)的一个现在的和/或至少一个过去的状态(ω)，
(e)所述输入符号(IBj)的给定分布(Pin)，
(f)实现的或待实现的所述输出符号(OBj)的分布(P，Pout)，和
(g)速率(R)，其作为所接收的输入符号(IBj)的数量与实现的或待实现的已经传输的输出符号(OBj)的数量的比率，其中，特定速率(R)等于或者成比例于所述输出符号(OBj)的分布(P，Pout)的经验熵(H)。
4.根据前述权利要求中任一项的方法(C)，其中，
-所述分布匹配过程(DM)具有或基于输入字母表(IA)和输出字母表(OA)和/或
-所述族((fi)i∈{0,1,...,n-1})的每个所述分布匹配函数(fi)都具有或基于输入字母表(IAi)和输出字母表(OAi)，其中所述输入字母表(IAi)和所述输出字母表(OAi)对于每个所述分布匹配函数(fi)是不同的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(C)，其中，所述分布匹配过程(DM)、所述分布匹配函数(fi)和/或所述选择规则被配置为使得：
-当相比于所述输入符号流(IB)时，所述输出符号流(OB)至少近似为期望的基础分布(P)和/或至少近似地满足期望的速率(R)，
-以部分序列(IBk)的形式来处理所述输入符号流(IB)，其中所述部分序列(IBk)具有覆盖所述输入符号流(IB)的k个连续的输入符号(IBj)，其中k为自然数，和/或
-以部分序列(OBk’)的形式来输出所述输出符号流(OB)，其中所述部分序列(OBk’)具有覆盖所述输出符号流(OB)的k’个连续的输出符号(OBj)，其中k’为自然数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(C)，其中，所述分布匹配过程(DM)、所述分布匹配函数(fi)和/或所述选择规则被配置为使得：期望的传输速率R、当前累积的nin(t)个经处理的输入符号(IBj)和当前累积的nout(t)个经处理的输出符号(OBj)在给定时间或时钟t满足以下关系式：
Wmin≤R·nout(t)-nin(t)≤Wmax，
其中，Wmin和Wmax分别为描述最小和最大缓冲填充状态的预定义和固定的阈值。
7.根据前述权利要求中任一项的方法(C)，其中，所述分布匹配过程(DM)之后为：
-在概率幅度整形过程(PAS)内的前向纠错编码过程(FEC ENC)，和
-调制过程(MOD)，特别是QAM调制过程，
按照此顺序和/或其目的是生成并输出具有经处理的输出符号(OBj#)的输出符号流(OB)的经处理的形式(OB#)，和/或生成并输出以长度为k’的经处理的输出符号序列(OBk’#)的形式的符号流(OB)的经处理的形式(OB#)。
8.一种用于再转换数据信号(Y)的方法(RC)，
包括以下步骤：
-提供输入符号(IBj’)的输入符号流(IB’)，所述输入符号流(IB’)
-直接或间接地-代表待再转换的基础数据信号(Y)或其导数，和
-向所述输入符号流(IB’)或其导数应用逆分布匹配过程(DM-1)，以生成并输出最终的输出符号流(OB’)，
其中，
-所述逆分布匹配过程(DM-1)基于和/或包括多(n)个逆分布匹配函数(fi -1)的族((fi -1)i∈{0,1,...,n-1})，
-所述逆分布匹配过程(DM-1)的执行是通过将选自于所述族((fi -1)i∈{0,1,...,n-1})的所述逆分布匹配函数(fi -1)中的一个作用于所述输入符号流(IB’)来实现的，并且
-其中，从所述族((fi -1)i∈{0,1,...,n-1})中选择逆分布匹配函数(fi -1)的实现内在上基于包括至少一个选择规则的一组规则，和/或由包括至少一个选择规则的一组规则控制，其中所述选择规则用于在发送器侧的分布匹配过程(DM)的分布匹配函数(fi)的基础族((fi)i∈{0,1,...,n-1})。
9.根据权利要求8所述的方法(RC)，其中，以下过程中的至少一个以连续时钟和/或流式传输方式来执行：
(i)提供所述输入符号流(IB’)，
(ii)应用所述逆分布匹配过程(DM-1)，
(iii)从所述族((fi -1)i∈{0,1,...,n-1})中内在地选择逆分布匹配函数(fi -1)，以及
(iv)将逆分布匹配函数(fi -1)作用于所述输入符号流(IB’)。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的方法(RC)，其中，
-所述逆分布匹配过程(DM-1)具有或基于输入字母表(IA’)和输出字母表(OA’)，其中所述输入字母表(IA’)和所述输出字母表(OA’)分别相同于在发送器侧的基础分布匹配过程(DM)的输出字母表(OA)和输入字母表(IA)，和/或
-所述族((fi -1)i∈{0,1,...,n-1})的每个所述逆分布匹配函数(fi -1)具有或基于输入字母表(IAi’)和输出字母表(OAi’)，其中，所述输入字母表(IAi’)和所述输出字母表(OAi’)对于所述逆分布匹配过程(DM-1)下的每个所述逆分布匹配函数(fi -1)是不同的，和/或所述输入字母表(IAi’)和所述输出字母表(OAi’)不同于用于在发送器侧的分布匹配过程(DM)的基础分布匹配函数(fi)的相应的输出字母表(OAi，OA)和输入字母表(IAi，IA)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法(RC)，其中，所述逆分布匹配过程(DM-1)、所述逆分布匹配函数(fi -1)和/或随后的基础内在上的选择规则被配置为使得：
-当相比于所述输入符号流(IB’)时，所述输出符号流(OB’)至少近似地均匀分布和/或至少近似地满足期望的速率(R’)，
-以部分序列(IB’k’)的形式处理所述输入符号流(IB’)，其中所述部分序列(IB’k’)具有覆盖所述输入符号流(IB’)的k’个连续的输入符号(IBj’)，其中k’为自然数，和/或
-以部分序列(OB’k)的形式输出所述输出符号流(OB’)，其中所述部分序列(OB’k)具有覆盖所述输出符号流(OB’)的k个连续的输出符号(OBj’)，其中k为数字。
12.根据前述权利要求8至11中任一项所述的方法(RC)，
其中，所述逆分布匹配过程(DM-1)按照如下顺序跟随于：
-解调过程(DEMOD)和/或QAM解调，和
-前向纠错解码过程(FEC DEC)和/或逆概率幅度整形过程(PAS-1)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法(C，RC)，其中，所述分布匹配过程(DM)和/或所述逆分布匹配过程(DM)分别由多个部分分布和部分逆分布匹配过程形成，其中所述多个部分分布和部分逆分布匹配过程被配置为并行地和/或基于共享的输入和/或输出缓冲单元而执行。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法(C，RC)，
其中，提供所述输入符号流(IB，IB’)的步骤包括以下至少一个：
-从存储介质或符号生成过程中回调所述输入符号流(IB，IB’)，和
-接收、解调和/或解码代表或传送所述输入符号流(IB，IB’)的信号。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法(C，RC)，
其中，所述输入符号流(IB，IB’)和/或所述输出符号流(OB，OB’)至少部分地由二进制比特形成和/或表示。
16.一种用于数据传输和/或数据接收的方法(T)，
-其中，数据传输部分包括根据权利要求1至7和引用权利要求1至7中任一项的权利要求13至15中任一项所述的方法，和/或
-其中，数据接收部分包括根据权利要求8至12和引用权利要求8至12中任一项的权利要求13至15中任一项所述的方法。
17.根据权利要求16所述的方法(T)，
其中，所述分布匹配过程(DM)和所述逆分布匹配过程(DM-1)彼此逆向。
18.一种数据传输和/或数据接收系统(T)，
包括处理单元，所述处理单元被配置为执行根据权利要求1至17中任一项所述的方法。
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