CN110572345B - 一种降低误码率的信道编解码方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种降低误码率的信道编解码方法及系统，涉及光通信应用领域，包括步骤：发送端从2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x‑2^x‑p个子载波并分成P层，对每层子载波分别调制，调制中每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，调制后的各层子载波求和，再经过并串转换和数字模拟转换后，通过光源发出；接收端探测到光信号，先通过模拟数字转换和串并转换，再进行逐层解调，每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据。本发明通过对各子载波分层分别使用正交循环变换预编码，平衡了各子载波的信噪比，降低了各子载波分层的误码率，进而减少错误传递，降低总的误码率。

Description

一种降低误码率的信道编解码方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信应用领域，具体来讲涉及一种在LACO-OFDM系统中降低误码率的信道编解码方法及系统。

背景技术

在短距光通信系统中通常采用低成本的强度调制/直接检测方案。强度调制/直接检测方案要求采用信号总为正值的调制格式，比如PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲振幅调制)、DCO-OFDM(Direct-current-Biased Optical Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，直流偏置光正交频分复用)、ACO-OFDM(Asymmetrically clippedOptical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，非对称裁剪光正交频分复用)等。DCO-OFDM通过在OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)信号上添加一个偏置直流信号得到全正值的信号，可直接调制光器件；ACO-OFDM则将负的OFDM信号直接置零得到全正值的信号，负值置零带来的信号干扰主要集中于偶数编号的空置子载波上，但谱效率降低了一半。

为提高谱效率，一种改进的LACO-OFDM(Layered Asymmetrically ClippedOptical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing分层的非对称裁剪光正交频分复用)方案被提出。在发送端将子载波分成多个互不干扰的子层，每个子层独立使用ACO-OFDM编码，然后对时域信号进行叠加；在接收端，基于ACO-OFDM编码中子载波的截波干扰有规律的落在其他信道上的特点，先将无叠加干扰的部分子载波解码出来，减掉这部分信号及其负值置零带来的干扰，剩余无叠加干扰的子载波。重复上述解码处理的过程，可以将所有子载波逐层解码，而不受负值置零的影响。这样分层编解码的方法将原来ACO-OFDM中空置的部分子载波也放置了信息，大大提高了谱效率。研究表明LACO-OFDM方案能实现接近DCO-OFDM的频谱效率，但由于较小的偏置电流，能在相同发光强度下达到更好的信号质量，这也就意味着光器件能调制更高调制深度的信号，光信号也可传得更远。

LACO-OFDM方案的逐层解码方法不同于传统的OFDM解码方法，即必须先挑出未受干扰的部分子载波进行解码，消除对其他子载波的干扰后才能对其他子载波进行解码。这样逐层解码会使上一层的解码错误影响到下一层，形成错误传递，尤其对于衰落信道，较低SNR(Signal-Noise Ratio信噪比)的子载波带来的密集误码会使后解码的各层子载波误码率显著增加。这种由于错误传递带来的额外误码降低了LACO-OFDM系统在衰落信道中的可用性，因此必须加以避免。

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降低误码率的信道编解码方法及系统，通过对各子载波分层分别使用正交循环变换预编码，平衡了各子载波的信噪比，降低了各子载波分层的误码率，进而减少了错误传递，降低了总的误码率。

为达到以上目的，一方面，采取一种降低误码率的信道编解码方法，包括步骤：

发送端从LACO-OFDM系统共2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x-2^x-p个子载波并分成P层，对每层子载波分别调制，调制过程中每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，再将调制后的各层子载波求和，所述求和后的子载波经过并串转换和数字模拟转换后，通过光源发出光信号；

接收端探测到所述光源发出的光信号，先通过模拟数字转换和串并转换后，再进行逐层解调，在每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据。

优选的，所述发送端和接收端预先通过保留信道约定好用户占用的子载波，并在OFDM帧中为用户指定2^x-2^x-p个子载波，采用动态分配算法每次为不同用户分配不同的子载波；所述保留信道为带内的保留频段或时隙，或者是带外的其他信道。

优选的，在子载波分配和指定过程中，发送端和接收端都对子载波控制数据进行加密解密，且使用所述保留信道。

优选的，对每层子载波分别调制包括：将待发送的频域数据按子载波填充，再乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，然后依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号。

优选的，所述接收端将所有接收信号进行FFT变换得到频域数据，将当前层数据乘以正交循环变换所对应的逆矩阵，再将频域数据符号依据调制格式解码成对应的bit；

将解码后的数据再次乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零；

从所有接收信号中删除当前层数据，再进行下一层数据的解码，直至所有层数据解码完成。

本发明还提供一种降低误码率的信道编解码系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括：

子载波分区模块，用于从LACO-OFDM系统共2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x-2^x-p个子载波并分成P层，将待发送数据装载到各层子载波；

调制编码模块，用于对每层子载波分别调制，在调制过程中每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码；

加法器，用于将调制后的子载波求和；

并串转换模块，用于将子载波调制编码模块输出的数据按时间顺序排列成串行数据；

数字模拟转换模块，用于将并串转换模块输出的数字信号变换成模拟电信号输出；

光源，用于将所述电信号转换为光信号；

所述接收端包括：

光探测器，用于将探测的光信号转变为模拟电信号；

模拟数字转换模块，用于将所接收模拟电信号转换为数字信号；

串并转换模块，用于将转换后的数据按时间顺序排列成并行数据；

解调解码模块，用于对串并转换模块输出的数据进行逐层解调，在每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据；

减法器，用于串并转换后的数据中删除当前层数据；

所述接收端还包括与发送端相同的调制编码模块。

优选的，所述发送端还包括OFDM成帧模块，用于将比特数据流按一定的调制格式进行调制编码，组成OFDM帧；还用于在所述OFDM帧中为用户指定2^x-2^x-p个子载波，并通知接收端；

所述接收端还包括OFDM解帧模块，用于将解调解码模块得到的每层数据按成帧顺序填入OFDM数据帧。

优选的，所述OFDM成帧模块和OFDM解帧模块预先通过保留信道约定好用户占用的子载波，所述保留信道为带内的保留频段或时隙，或者是带外的其他信道；

在子载波分配和指定过程中，OFDM成帧模块和OFDM解帧模块都对子载波控制数据进行加密解密，且使用所述保留信道。

优选的，所述调制编码模块包括：

正交循环矩阵模块，用于对按各层子载波的长度选择对应的正交循环矩阵，并与每层子载波的数据相乘编码；

希尔伯特变换模块，用于将子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭；

IFFT变换模块，用于将希尔伯特变换后的频域数据变换成全部是实部的时域信号；

负值置零模块，用于将为负的部分时域信号置为零。

优选的，所述解调解码模块包括：

FFT变换模块，用于将收到的时域数据变换成频域数据；

正交循环逆矩阵模块，用于将每层子载波数据乘以对应该层的正交循环变换逆矩阵，进行解码。

上述技术方案中的一个具有如下有益效果：

在LACO-OFDM系统中分层使用信道预编码，通过对各子载波分层分别使用正交循环变换预编码，平衡了各子载波的信噪比，降低了各子载波分层的SNR，进而减少了错误传递，降低了总的SNR，解决了衰落信道下低SNR部分子载波带来的误码率偏高及错误传递问题。

附图说明

图1为本发明实施例可见光保密通信系统中子载波分配示意图；

图2为本发明实施例发送端实现调制编码的示意图；

图3为本发明实施例接收端实现解调解码的示意图；

图4为本发明实施例降低误码率的信道编解码系统示意图。

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。

本发明提供一种降低误码率的信道编解码方法，涉及LACO-OFDM系统的发送端和接收端，包括如下步骤：

发送端从LACO-OFDM系统共2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x-2^x-p个子载波并分成P层，对每层子载波分别调制，在调制过程中，每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，再将调制后的各层子载波求和，所述求和后的子载波经过并串转换和数字模拟转换后，通过光源发出光信号。

接收端探测到上述光源发出的光信号，先通过模拟数字转换和串并转换后，再进行逐层解调，在每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据。

基于上述过程，在实际用户数据传输开始之前，发送端和接收端首先通过保留信道约定好用户占用的子载波。具体是指接收端和发送端都对子载波控制数据进行加密解密，且使用保留的保留信道，保留信道可以是带内的保留频段或时隙，也可以是带外的其他信道。

具体的，接收端(用户)首先通过保留信道向发送端申请带宽，发送端接收带宽请求，综合可用带宽等情况，在OFDM帧中为该用户指定数个子载波，并通过保留信道下通知接收端(用户)。发送端采用动态分配算法每次为不同用户分配不同的子载波，用户占用频带不固定，动态占用和回收所有子载波。

本实施例中LACO-OFDM系统共2^x个子载波，在OFDM帧中为用户指定2^x-2^x-p个子载波用于传输，并分成P层，其中第m层的子载波序号为2^m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，m为LACO-OFDM设置的解码层数，1≤m≤p。

如图1所示，为LACO-OFDM系统中子载波的分层示意图，第1层子载波序号为2n+1，n＝{0,1,2,3,…}；第2层子载波序号为4n+1，n＝{0,1,2,3,…}；第3层子载波序号为8n+1，n＝{0,1,2,3,…}。

如图2所示，发送端对每层子载波分别调制编码的过程包括：

将待发送的频域数据按照子载波填充完毕，依次进行正交循环变换、希尔伯特变换、IFFT变换、负值置零。其中，正交循环变换是将数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行预编码；希尔伯特变换是在子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭，得到实数信号；IFFT变换是将频域数据变换成时域信号；负值置零是将时域信号中的负值部分置为零，得到非负的时域信号。发送端对每层子载波分别调制编码后，再将调制后的各层子载波求和。

上述正交循环变换矩阵是根据子载波装填的数据符号的长度选择的。根据分配给该用户的子载波数量装填多个数据符号到指定子载波位置，再根据装填的一列数据符号的长度选择特定尺寸的正交循环变换矩阵，相乘完成正交循环变换预编码，编码后数据填回到子载波的对应位置。正交循环变换矩阵通过CAZAC序列循环移位得到，可采用ZC序列。若用户占用N个子载波，则构建序列的长度为N，正交循环变换矩阵/逆矩阵的尺寸为N×N。已约定好子载波数量为N，则正交循环变换矩阵及其逆矩阵可以在收发两端直接构造获得。

如图3所示，接收端进行逐层解调解码，每一层解调解码过程主要包括解调、重新调制和消去三个步骤。以第m层为例，经过串并转换后的信号按OFDM格式成帧，解调步骤是将全部接收信号进行FFT变换得到其频域数据，然后抽取出第m层子载波上的数据，乘以正交循环变换所对应的逆矩阵，然后将频域的数据符号依据调制格式解码成对应的bit，本实施例中为QAM格式。重新调制步骤是将解码完成的数据按照上述发送端的调制流程，依次经过正交循环变换、希尔伯特变换、IFFT变换、负值置零，将解码完成的数据重新调制到时域上。消去步骤是将重新调制的第m层子载波的时域分量从总的接收信号中减去，这样只剩下第m+1至第P层的各层信号的集合，再进入第m+1层的解码过程，每一层都按照上述步骤进行解调解码，直到得出P层全部数据。

如图4所示，提供一种降低误码率的信道预编码系统的实施例，可以实现上述方法，包括发送端和接收端。

具体的，发送端包括子载波分区模块、调制编码模块、并串转换模块、DAC(Digitalto analog converter，数字模拟转换)模块、加法器和光源。

子载波分区模块，用于从LACO-OFDM系统共2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x-2^x-p个子载波并分成P层，并将待发送数据装载到各层子载波。

调制编码模块，设有多个，用于对每层子载波分别调制，在调制过程中每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码。

加法器，用于将调制后的子载波求和。

并串转换模块，用于将子载波调制编码模块输出的数据按时间顺序排列成串行数据；

DAC模块，用于将并串转换模块输出的数字信号变换成模拟电信号输出；

光源，用于接收上述模拟电信号并转换为光信号。

接收端包括光探测器、ADC(Analog to Digital Converter，模拟数字转换)模块、串并转换模块、解调解码模块、减法器、以及和发送端相同的一个调制编码模块。

光探测器，用于将探测的来自发送端的光信号转变为模拟电信号。

ADC模块，用于将接收的上述模拟电信号转换为数字信号，便于后续数字信号处理。

串并转换模块，用于将转换后的数据按时间顺序排列成并行数据。

解调解码模块，用于对串并转换模块输出的数据进行逐层解调，在每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据；

减法器，用于串并转换后的数据中删除当前层数据。

上述发送端还包括OFDM成帧模块，用于将比特数据流按一定的调制格式进行调制编码，组成OFDM帧；还用于在所述OFDM帧中为用户指定2^x-2^x-p个子载波，并通知接收端。与此对应的，接收端还包括OFDM解帧模块，用于将解调解码模块得到的每层数据按成帧顺序填入OFDM数据帧。OFDM成帧模块和OFDM解帧模块预先通过保留信道约定好用户占用的子载波，所述保留信道为带内的保留频段或时隙，或者是带外的其他信道。

进一步的，所述调制编码模块包括正交循环矩阵模块、希尔伯特变换模块、IFFT变换模块和负值置零模块。在发送端，针对各层子载波，每一层都对应设置有一个调制编码模块；而在接收端，由于是每一层子载波逐渐进行解码，因此只有一个调制编码模块。

正交循环矩阵模块，用于对按各层子载波的长度选择对应的正交循环矩阵，并与每层子载波的数据相乘编码。

希尔伯特变换模块，用于将子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭，得到实数信号。

IFFT变换模块，用于将希尔伯特变换后的频域数据变换成全部是实部的时域信号。

负值置零模块，用于将为负的部分时域信号置为零。

进一步的，所述解调解码模块包括FFT变换模块和正交循环逆矩阵模块。

FFT变换模块，用于将收到的时域数据变换成频域数据；

正交循环逆矩阵模块，用于将当前层数据乘以对应该层的正交循环变换逆矩阵，进行解码。

在上述实施例中，子载波分层、正交循环矩阵及其逆矩阵的选择，在通信系统初始化中约定。

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 (6)

1.一种降低误码率的信道编解码方法，其特征在于，包括步骤：

发送端从LACO-OFDM系统共2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x-2^x-p个子载波并分成P层，对每层子载波分别调制，调制过程中每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，再将调制后的各层子载波求和，所述求和后的子载波经过并串转换和数字模拟转换后，通过光源发出光信号；

接收端探测到所述光源发出的光信号，先通过模拟数字转换和串并转换后，再进行逐层解调，在每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据；

对每层子载波分别调制包括：

将待发送的频域数据按子载波填充，再乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，然后依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号；

所述接收端将所有接收信号进行FFT变换得到频域数据，将当前层数据乘以正交循环变换所对应的逆矩阵，再将频域数据符号依据调制格式解码成对应的bit；

将解码后的数据再次乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码，依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零；

从所有接收信号中删除当前层数据，再进行下一层数据的解码，直至所有层数据解码完成。

2.如权利要求1所述的降低误码率的信道编解码方法，其特征在于：所述发送端和接收端预先通过保留信道约定好用户占用的子载波，并在OFDM帧中为用户指定2^x-2^x-p个子载波，采用动态分配算法每次为不同用户分配不同的子载波；所述保留信道为带内的保留频段或时隙，或者是带外的其他信道。

3.如权利要求2所述的降低误码率的信道编解码方法，其特征在于：在子载波分配和指定过程中，发送端和接收端都对子载波控制数据进行加密解密，且使用所述保留信道。

4.一种降低误码率的信道编解码系统，其特征在于，包括发送端和接收端，所述发送端包括：

子载波分区模块，用于从LACO-OFDM系统共2^x个子载波中，按频率从低到高取2^x-2^x-p个子载波并分成P层，将待发送数据装载到各层子载波；

调制编码模块，用于对每层子载波分别调制，在调制过程中每层子载波的数据乘以对应长度的正交循环变换矩阵进行编码；

加法器，用于将调制后的子载波求和；

并串转换模块，用于将子载波调制编码模块输出的数据按时间顺序排列成串行数据；

数字模拟转换模块，用于将并串转换模块输出的数字信号变换成模拟电信号输出；

光源，用于将所述电信号转换为光信号；

所述接收端包括：

光探测器，用于将探测的光信号转变为模拟电信号；

模拟数字转换模块，用于将所接收模拟电信号转换为数字信号；

串并转换模块，用于将转换后的数据按时间顺序排列成并行数据；

解调解码模块，用于对串并转换模块输出的数据进行逐层解调，在每层子载波解调的过程中，通过乘以与该层编码时相对应的正交循环变换逆矩阵进行解码，得到每层数据；

减法器，用于串并转换后的数据中删除当前层数据；

所述接收端还包括与发送端相同的调制编码模块；

所述调制编码模块包括：

正交循环矩阵模块，用于对按各层子载波的长度选择对应的正交循环矩阵，并与每层子载波的数据相乘编码；

希尔伯特变换模块，用于将子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭；

IFFT变换模块，用于将希尔伯特变换后的频域数据变换成全部是实部的时域信号；

负值置零模块，用于将为负的部分时域信号置为零；

所述解调解码模块包括：

FFT变换模块，用于将收到的时域数据变换成频域数据；

正交循环逆矩阵模块，用于将每层子载波数据乘以对应该层的正交循环变换逆矩阵，进行解码。

5.如权利要求4所述的降低误码率的信道编解码系统，其特征在于：

所述发送端还包括OFDM成帧模块，用于将比特数据流按一定的调制格式进行调制编码，组成OFDM帧；还用于在所述OFDM帧中为用户指定2^x-2^x-p个子载波，并通知接收端；

所述接收端还包括OFDM解帧模块，用于将解调解码模块得到的每层数据按成帧顺序填入OFDM数据帧。

6.如权利要求5所述的降低误码率的信道编解码系统，其特征在于：所述OFDM成帧模块和OFDM解帧模块预先通过保留信道约定好用户占用的子载波，所述保留信道为带内的保留频段或时隙，或者是带外的其他信道；

在子载波分配和指定过程中，OFDM成帧模块和OFDM解帧模块都对子载波控制数据进行加密解密，且使用所述保留信道。

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