CN110278031A - 基于多对一映射ps-pam4的直接探测光纤通信系统及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS‑PAM4的直接探测光纤通信系统与通信方法，基于离线生成的概率码本，将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，再经数/模转换、传输、光/电变换和模/数转换、解映射、译码检验，完成直接探测光纤通信。本发明可获得整形增益，并提高光纤通信的频谱利用率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域的数字调制技术，更具体地说，涉及一种基于多对一映射 PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，以及一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制 PS-PAM4的直接探测光纤通信方法。
背景技术
随着用户对传输需求的增长，光纤通信作为一种长距离、大容量的传输方式成为通信的主要方向。
四级脉冲幅度调制PAM4信号由于实现方式简单，计算复杂低，在短距离、高速率的光纤传输系统中具有较大的优势。PAM4与直接探测技术的结合应用，可以降低成本和能耗。然而，在光纤传输系统中，直接探测的信号受到光纤非线性效应影响，接收灵敏度大幅下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于一个离线生成的概率码本，提供一种基于多对一映射PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，以及一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信方法，本发明降低了信号的非线性效应，实现低误码率和高接受灵敏度传输。
本发明的技术方案如下：
一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，包括依次连接的数据生成模块、概率整形模块、PS-PAM4调制模块、传输模块、PS-PAM4接收模块以及解码模块；
数据生成模块生成伪随机二进制比特流PRBS，并用低密度校验编码LDPC对PRBS进行编码，得到二进制信息根据概率码本；
概率整形模块将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，得到PS-PAM4数字信号；
PS-PAM4调制模块将所述的PS-PAM4数字信号进行数/模转换，得到PS-PAM4模拟信号，再将PS-PAM4模拟信号调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号；
将所述的PS-PAM4光信号通过传输模块传输至PS-PAM4接收模块；
PS-PAM4接收模块对接收到的PS-PAM4光信号进行光/电变换和模/数转换，得到PS-PAM4数字信号；
解码模块根据概率码本将所述的PS-PAM4数字信号解映射，求出每个比特的软信息，然后采用LDPC译码器对软信息进行译码校验，得到二进制比特信息。
作为优选，概率整形模块根据离线概率码本，将PRBS中每3个码元映射成一个符号L。
作为优选，根据查询表中第L位的符号生成PS-PAM4数字信号。
作为优选，所采用长度为3的离线概率码本根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布生成，具体如下：
其中，xi,xk＝[x1,x2...,x4]，v表示概率因子，v∈R。
作为优选，传输模块将所述的PS-PAM4光信号送入标准单模光纤完成传输；PS-PAM4 信号接收模块先将光纤上的PS-PAM4光信号经过光电检测器进行光/电变换，得到PS-PAM4 模拟信号；再将PS-PAM4模拟信号模/数转换成PS-PAM4数字信号。
作为优选，PS-PAM4接收模块、解码模块之间设置均衡模块，均衡模块对PS-PAM4数字信号进行均衡计算。
作为优选，均衡计算具体为：根据恒模算法CMA和直接判决-最小均方误差算法DD-LMS 算法对PS-PAM4信号做均衡计算。
作为优选，解码模块进行解映射的方式为：根据最大后验概率MAP算法计算每个比特的概率对数似然比值Le，如下：
其中，La为先验概率，初始值为0，vj为某个比特的值，取0或1。
一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信方法，基于所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，步骤如下：
1)离线生成概率码本；
2)生成伪随机二进制比特流PRBS，并用低密度校验编码LDPC对PRBS进行编码，得到二进制信息根据概率码本；
3)将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，得到PS-PAM4数字信号；
4)将所述的PS-PAM4数字信号进行数/模转换，得到PS-PAM4模拟信号，再将PS-PAM4 模拟信号调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号；
5)PS-PAM4光信号经光/电变换后得到PS-PAM4模拟信号，再经模/数转换后，得到PS-PAM4数字信号；
6)根据概率码本将所述的PS-PAM4数字信号解映射，求出每个比特的软信息，然后对软信息进行译码校验，得到二进制比特信息。
作为优选，步骤5)得到PS-PAM4数字信号，进行均衡计算后，执行步骤6)。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统与通信方法，基于离线生成的概率码本，将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，再经数/模转换、传输、光/电变换和模/数转换、解映射、译码检验，完成直接探测光纤通信。本发明可获得整形增益，并提高光纤通信的频谱利用率。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是为数据生成模块的流程框图；
图3是概率码本映射图；
图4是概率整形模块的流程框图；
图5是LDPC的外信息传递图；
图6是PS-PAM4调制模块的流程框图；
图7是传输模块的流程框图；
图8是PS-PAM4接收模块的流程框图；
图9是均衡模块的流程框图；
图10是解码模块的流程框图；
图11是PS-PAM4系统的信道容量曲线图；
图12是PS-PAM4系统的误码率随接收光功率变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了解决现有技术存在的在光纤传输系统中，直接探测的信号受到光纤非线性效应影响，接收灵敏度大幅下降的不足，提供一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，如图1所示，包括依次连接的数据生成模块、概率整形模块、PS-PAM4调制模块、传输模块、PS-PAM4接收模块、均衡模块以及解码模块。
数据生成模块生成伪随机二进制比特流PRBS，并用低密度校验编码LDPC对PRBS进行编码，得到二进制信息根据概率码本。概率整形模块将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，得到PS-PAM4数字信号。
本实施例中，如图2所示，数据生成模块通过Matlab生成长度为10万比特的伪随机二进制比特流(PRBS)，用LDPC编码器对数据生成模块生成的PRBS进行编码。所述的概率码本为离线生成，具体地，如图3所示，离线生成一个长度为3位二进制码的概率码本(Lookuptable)。概率整形模块根据离线概率码本，如图4所示，将PRBS中每3个码元映射成一个符号L，根据查询表中第L位的符号生成PS-PAM4数字信号。其中，LDPC的外信息传递图，如图5所示。
本实施例中，所采用长度为3的离线概率码本根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布生成，具体如下：
其中，xi,xk＝[x1,x2...,x4]，v表示概率因子，v∈R。
如图6所示，PS-PAM4调制模块将所述的PS-PAM4数字信号进行数/模转换，得到PS-PAM4模拟信号，再将PS-PAM4模拟信号调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号。本实施例中，使用马赫-曾德尔调制器(MZM)将PS-PAM4模拟信号调制到光载波上，得到的 PS-PAM4光信号。
将所述的PS-PAM4光信号通过传输模块传输至PS-PAM4接收模块。PS-PAM4接收模块对接收到的PS-PAM4光信号进行光/电变换和模/数转换，得到PS-PAM4数字信号。本实施例中，如图7所示，传输模块将所述的PS-PAM4光信号送入A千米标准单模光纤完成传输；如图8所示，PS-PAM4信号接收模块先将光纤上的PS-PAM4光信号经过光电检测器(如光电二极管)进行光/电变换，得到PS-PAM4模拟信号；再将PS-PAM4模拟信号模/数转换成 PS-PAM4数字信号。
均衡模块设置在PS-PAM4接收模块、解码模块之间，对PS-PAM4数字信号进行均衡计算。本实施例中，如图9所示，均衡计算具体为：根据恒模算法CMA和直接判决-最小均方误差算法DD-LMS算法对PS-PAM4信号做均衡计算。
如图10所示，解码模块根据概率码本将所述的PS-PAM4数字信号解映射，求出每个比特的软信息，然后采用LDPC译码器对软信息进行译码校验，得到二进制比特信息。其中，LDPC的外信息转移图如图10所示，所提出的PS-PAM4系统的信道容量曲线图，如图11所示；系统误码率随接收光功率变化曲线图，如图12所示。
本实施例中，解码模块进行解映射的方式为：根据最大后验概率MAP算法计算每个比特的概率对数似然比值Le，如下：
其中，La为先验概率，初始值为0，vj为某个比特的值，取0或1。
基于所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，本发明还提供一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信方法，步骤如下：
1)离线生成一个长度为3位二进制码的概率码本(Lookup table)，如图3所示；
2)如图2所示，数据生成模块通过Matlab生成长度为10万比特的伪随机二进制比特流 (PRBS)，用LDPC编码器对数据生成模块生成的PRBS进行编码；
3)如图4所示，根据离线概率码本，将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，将 PRBS中每3个码元映射成一个符号L，根据查询表中第L位的符号生成PS-PAM4数字信号；
4)如图6所示，将所述的PS-PAM4数字信号进行数/模转换，得到PS-PAM4模拟信号，使用马赫-曾德尔调制器(MZM)将PS-PAM4模拟信号调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号；
5)如图7所示，将PS-PAM4光信号传入A千米标准单模光纤中；
6)如图8所示，PS-PAM4光信号经光电二极管进行光/电变换后，得到PS-PAM4模拟信号，再经模/数转换后，得到PS-PAM4数字信号；
7)对PS-PAM4数字信号，进行均衡计算，如图9所示；
8)如图10所示，根据概率码本将所述的PS-PAM4数字信号解映射，求出每个比特的软信息，然后对软信息进行译码校验，得到二进制比特信息。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，包括依次连接的数据生成模块、概率整形模块、PS-PAM4调制模块、传输模块、PS-PAM4接收模块以及解码模块；
数据生成模块生成伪随机二进制比特流PRBS，并用低密度校验编码LDPC对PRBS进行编码，得到二进制信息根据概率码本；
概率整形模块将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，得到PS-PAM4数字信号；
PS-PAM4调制模块将所述的PS-PAM4数字信号进行数/模转换，得到PS-PAM4模拟信号，再将PS-PAM4模拟信号调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号；
将所述的PS-PAM4光信号通过传输模块传输至PS-PAM4接收模块；
PS-PAM4接收模块对接收到的PS-PAM4光信号进行光/电变换和模/数转换，得到PS-PAM4数字信号；
解码模块根据概率码本将所述的PS-PAM4数字信号解映射，求出每个比特的软信息，然后采用LDPC译码器对软信息进行译码校验，得到二进制比特信息。
2.根据权利要求1所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，概率整形模块根据离线概率码本，将PRBS中每3个码元映射成一个符号L。
3.根据权利要求2所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，根据查询表中第L位的符号生成PS-PAM4数字信号。
4.根据权利要求2或3所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，所采用长度为3的离线概率码本根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布生成，具体如下：
其中，xi,xk＝[x1,x2...,x4]，v为概率因子，v∈R。
5.根据权利要求1所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，传输模块将所述的PS-PAM4光信号送入标准单模光纤完成传输；PS-PAM4信号接收模块先将光纤上的PS-PAM4光信号经过光电检测器进行光/电变换，得到PS-PAM4模拟信号；再将PS-PAM4模拟信号模/数转换成PS-PAM4数字信号。
6.根据权利要求1所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，PS-PAM4接收模块、解码模块之间设置均衡模块，均衡模块对PS-PAM4数字信号进行均衡计算。
7.根据权利要求6所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，均衡计算具体为：根据恒模算法CMA和直接判决-最小均方误差算法DD-LMS算法对PS-PAM4信号做均衡计算。
8.根据权利要求1所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，其特征在于，解码模块进行解映射的方式为：根据最大后验概率MAP算法计算每个比特的概率对数似然比值Le，如下：
其中，La为先验概率，初始值为0，vj为某个比特的值，取0或1。
9.一种基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信方法，其特征在于，基于权利要求1至8任一项所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信系统，步骤如下：
1)离线生成概率码本；
2)生成伪随机二进制比特流PRBS，并用低密度校验编码LDPC对PRBS进行编码，得到二进制信息根据概率码本；
3)将所述的二进制信息根据概率码本多对一映射，得到PS-PAM4数字信号；
4)将所述的PS-PAM4数字信号进行数/模转换，得到PS-PAM4模拟信号，再将PS-PAM4模拟信号调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号；
5)PS-PAM4光信号经光/电变换后得到PS-PAM4模拟信号，再经模/数转换后，得到PS-PAM4数字信号；
6)根据概率码本将所述的PS-PAM4数字信号解映射，求出每个比特的软信息，然后对软信息进行译码校验，得到二进制比特信息。
10.根据权利要求9所述的基于多对一映射概率整形四级脉冲幅度调制PS-PAM4的直接探测光纤通信方法，其特征在于，步骤5)得到PS-PAM4数字信号，进行均衡计算后，执行步骤6)。
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