CN111049586B - 一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统，在系统发射端，二进制数据流信号经降幅式概率成形单元及位置映射单元处理后输出PS‑4×16APPM脉冲信号，马赫曾德尔调制器将生成的脉冲信号调制到1550nm的波长上，在经过光衰减器的功率控制后，光信号被发送到单模光纤上传输至系统的接收端。本发明将传统的APPM与概率成形技术相结合，概率成形的引入改变了原有脉冲幅度的分布特性，映射过程又将这种特性传递下去，使最终映射得到的信号为具有幅度压缩的APPM信号。本发明系统适应于直接探测的光调制解调系统，不需要使用相干接收机，可以有效降低系统复杂度从而提升处理效率。

Description

一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统

技术领域

本发明属于光传输技术领域，具体涉及一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统。

背景技术

随着社交网络，流媒体，网络游戏等深入改变人们的生活，互联网数据流量开始增长，根据Cisco公司的分析，全球的网络协议通信容量从2014到2019年正以23％的年均复合增长率增长。IEEE称，网络需要支持带宽平均需求每年以58％的增长率递增。云计算的部署更加速了业务对于网路带宽的需求，人们迫切需要高速、低成本和短距离的接口以满足数据中心带宽的不断增长。海量数据的不断交换，更强大的数据中心，更高的网络带宽是实现这一切的物理基础。相比与传统的电互连，光互联具有极高的通信带宽，极小的功耗，能够很好地解决电互联发展受限的问题，建设未来是数据中心，光互连已经成为时代的选择。

通过采用高阶的调制方式，在相同信号带宽下可以传输更多的数据。离散多音(DMT)，载波幅度相位(CAP)调制，脉冲幅度调制(PAM)，脉冲位置调制(PPM)等调制格式能在保持带宽和信道数不变的情况下满足容量需求，这引起了相关技术研究者的极大关注。其中高阶PAM调制结合信号处理、滤波器等设备，可以有效提升信号在光网络中的传输容量以及传输距离，具有较高的频谱利用率，但是在追求低成本低功耗的短距离传输的光网络中，容易出现功率消耗过大的问题。PPM信号的功率效率很高，但频谱利用率却非常低。

脉冲幅度位置调制(APPM)作为一种综合性能比较均衡的调制格式，从脉冲幅度和位置两个不同的维度对信息进行表示，在保持一定频谱利用率的前提下具有较高的带宽效率和信道传输容量。在APPM调制中，增加幅度电平数能有效提升系统的频谱效率，但过多的幅度电平数会使幅度电平之间出现误判的概率大大增加。

因通信系统对传输容量和灵活性的要求日益增高，作为一种典型的调制格式优化技术，概率成形(probabilistic shaping,PS)技术凭借其传输容量高、系统复杂度低等优势得到越来越多的关注，已成为一种前景广阔的新技术。相比于传统的星座图，概率成形通信系统通过加入一个分布匹配器，增加能量高的星座点的映射概率，降低能量低的星座点的映射概率，实现降低系统整体发射功率同时降低误码率。

本发明提出一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制技术，将传统的APPM与概率成形技术相结合。概率成形的引入改变了原有脉冲幅度的分布特性，映射过程又将这种特性传递下去，使最终映射得到的信号为具有幅度压缩的APPM信号。在降幅式概率成形的过程中，一方面降低发射能量高的幅度脉冲的映射概率，提高发射能量低的幅度脉冲的映射概率，使系统的整体发射功率降低；另一方面利用幅度脉冲的映射概率特性进行解调和解码，以此提升信号的健壮性，降低误码率，同时信号具有更低的饱和频谱效率，在低信噪比情况下具有更好的容忍度。该系统适应于直接探测的光调制解调系统，不需要使用相干接收机，可以有效降低系统复杂度从而提升处理效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统，通过概率成形的方式改变APPM脉冲幅度和位置的映射规则，实现APPM调制中不同脉冲幅度的差异性分布，从而在降低系统平均发射功率的同时使信号具有更低的饱和频谱效率，在低信噪比的情况下更接近香农极限，有效提高了系统的误码性能，实现短距离通信系统的高效传输。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统，包括发射端和接收端；

发射端包括降幅式概率成形单元、位置映射单元、马赫曾德尔调制器、光衰减器和单模光纤；

接收端包括预放大器、光带通滤波器、光电探测器、低通滤波器、位置解映射单元和幅度解压缩单元；

在系统的发射端，二进制数据流信号经降幅式概率成形单元及位置映射单元处理后，输出4×16APPM脉冲信号；马赫曾德尔调制器将生成的PS-4×16APPM脉冲信号调制到波长为1550nm的波长上，在经过光衰减器对光信号进行功率控制之后，光信号被发送到单模光纤上进行传输；

在系统的接收端，发射端发送来的光信号经过预放大器进行功率调整以便于信号的接收，接收的光信号经过光带通滤波器进行滤波，然后光电探测器对信号进行探测接收，将光信号转换为电信号，接收端末端的低通滤波器对电信号外的噪声进行滤除，低通滤波器输出的电信号经过位置解映射单元和幅度解压缩单元解调后输出。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的降幅式概率成形单元将系统原始数据信息的脉冲幅度进行压缩处理，输出具有4个不同幅度概率分布的脉冲信号。

上述的原始数据信息{000}、{001}、{010}、{011}、{100}、{101}、{110}、{111}对应的幅度分别为v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆、v₇、v₈，每个数据出现的可能性均为1/8；

所述降幅式概率成形单元通过分布匹配的方法改变预定义映射的每个幅度出现的可能性，将原始数据信息的v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆、v₇、v₈八个幅度压缩为v₁、v₂、v₃、v₄四个幅度，具体的幅度压缩映射规则为：

{000}、{001}、{010}、{011}对应的脉冲幅度为v₁，出现的概率为1/2；

{100}、{101}对应的脉冲幅度为v₂，出现的概率为1/4；

{110}对应的脉冲幅度为v₃，出现的概率为1/8；

{111}对应的脉冲幅度为v₄，出现的概率为1/8。

上述的幅度压缩映射规则中，在原始数据信息后增加两位标签位，即：

压缩后幅度为v₁的四个数据添加的标签分别为{00}、{01}、{10}、{11}；

压缩后幅度为v₂的两个数据添加的标签为{00}、{01}；

在压缩后幅度为v₃、v₄的数据中添加标签{00}。

上述的接收端采用发射端相应的解比特标签的方法恢复原始数据。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制技术，通过概率成形的方式改变了APPM脉冲幅度的映射方式，实现APPM调制中不同脉冲幅度的差异性概率分布。

本发明一方面降低发射能量高的幅度脉冲的映射概率，提高发射能量低的幅度脉冲的映射概率，使系统的整体发射功率降低；另一方面利用幅度脉冲的映射概率特性进行解调和解码，以此提升信号的健壮性，降低误码率，同时信号具有更低的饱和频谱效率，在低信噪比情况下具有更好的容忍度。

本发明系统适应于直接探测的光调制解调系统，不需要使用相干接收机，可以有效降低系统复杂度从而提升处理效率，实现短距离通信系统的高效传输。

附图说明

图1是本发明的基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制原理流程图；

图2是本发明PS-4×16APPM信号映射规则；

图3是本发明PS-4×16APPM基带波形示例；

图4是本发明系统光传输流程图；

图5是本发明互信息仿真结果；

图6是本发明误码率仿真结果；

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。

如图4所示，本发明的一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统，包括发射端和接收端；

发射端包括降幅式概率成形单元、位置映射单元、马赫曾德尔调制器、光衰减器和单模光纤；

接收端包括预放大器、光带通滤波器、光电探测器、低通滤波器、位置解映射单元和幅度解压缩单元；

实施例中，在系统的发射端，二进制数据流信号经降幅式概率成形单元及位置映射单元处理后，输出4×16APPM脉冲信号，输出的脉冲信号的幅度为四电平子集{1,2,3,4}中的一个，位置为16个时隙中的一个；马赫曾德尔调制器将生成的PS-4×16APPM脉冲信号调制到波长为1550nm的波长上，在经过光衰减器对光信号进行适当的功率控制之后，光信号被发送到单模光纤上进行传输；

在系统的接收端，发射端发送来的光信号经过预放大器进行功率调整以便于信号的接收，接收的光信号经过光带通滤波器进行滤波，然后光电探测器对信号进行探测接收，将光信号转换为电信号，接收端末端的低通滤波器对电信号外的噪声进行滤除，此时可以对得到的电信号进行解调。解调的过程与编码相反，该部分主要由APPM低通滤波器输出的电信号经过位置解映射单元和幅度解压缩单元解调后输出。

实施例中，如图1所示，系统原始信息经过降幅式概率成形单元的压缩处理，输出具有4个不同幅度概率分布的脉冲信号，通过位置映射单元后，输出PS-4×16APPM脉冲信号。

以4×16APPM为实施例进行说明，在传统的4×16APPM中，每个符号具有6个比特，其中2比特用于匹配选择四个等概率的不同幅度，四个不同幅度的脉冲出现的概率为{1/4,1/4,1/4,1/4}，其余4比特用于从16个时隙中选择一个进行能量信号滤波。

实施例中，所述原始数据信息{000}、{001}、{010}、{011}、{100}、{101}、{110}、{111}对应的幅度分别为v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆、v₇、v₈，每个数据出现的可能性均为1/8；

所述降幅式概率成形单元通过分布匹配的方法改变预定义映射的每个幅度出现的可能性，将原始数据信息的v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆、v₇、v₈八个幅度压缩为v₁、v₂、v₃、v₄四个幅度，具体的幅度压缩映射规则如表1所示；

表1幅度压缩映射表

根据幅度压缩映射规则：

{000}、{001}、{010}、{011}对应的脉冲幅度为v₁，出现的概率为1/2；

{100}、{101}对应的脉冲幅度为v₂，出现的概率为1/4；

{110}对应的脉冲幅度为v₃，出现的概率为1/8；

{111}对应的脉冲幅度为v₄，出现的概率为1/8。

同时，为了在接收端将数据进行解映射还原，所述幅度压缩映射规则中，在原始数据信息后增加两位标签位，即：

压缩后幅度为v₁的四个数据添加的标签分别为{00}、{01}、{10}、{11}；

压缩后幅度为v₂的两个数据添加的标签为{00}、{01}；

为了保持数据位数长度的一致，在压缩后幅度为v₃、v₄的数据中添加标签{00}。

实施例中，在接收端采用发射端相应的解比特标签的方法恢复原始数据。

随着信号幅度的增加，系统的频谱效率会相应的增加，但是过多的幅度电平数会使电平之间出现误判的概率大大增加，通过对频谱效率与电平判决之间的综合考虑，常选用的脉冲幅度进制为四进制。在本发明中通过概率成形的方法将原始8个不同的脉冲幅度压缩为四个不等概的脉冲，在具有比PAM4更高的频谱效率的同时具有比PAM8更低的误码性能。

概率成形将预定义的脉冲幅度概率分布特性进行调整，降低能量高的幅度脉冲的映射概率，提高能量低的幅度脉冲的映射概率，降低系统的平均发射功率，同时信号具有更低的饱和频谱效率，在低信噪比情况下具有更好的容忍度。

实施例中，所述位置映射单元将降幅式概率成形单元产生的四个不等概的不同幅度脉冲与16个不同的时隙组合，PS-4×16APPM的位置映射规则如图2所示，横坐标用两个比特x₁，x₂表示匹配选择4个不同的幅度v₁、v₂、v₃、v₄，纵坐标用4个比特y₁，y₂，y₃，y₄表示从16个时隙中选择一个进行能量信号滤波，当选择幅度为v₁即00时候可以有16种不同的时隙组合选择，选择第一个位置时候对应(000000)，选择第二个位置时候对应(000001)，选择第三个位置时候对应(000010)……选择第十六个位置时候对应(001111)，以此类推4种不同的脉冲幅度和16种位置时隙组合S_k(t)共可以出现64种不同形式的脉冲。

信号经过PS-4×16APPM幅度概率压缩映射得到的基带脉冲波形如图3所示，图3中的信号分为上下两组，其中每组从左到右的编码都是连续的，可以看出第一行的S_1(t)、S_2(t)、S_3(t)、S_4(t)具有相同的脉冲位置，有着不同的脉冲幅度v₁、v₂、v₃、v₄，第二行的S_44(t)与S_1(t)的脉冲幅度都为v₁，但是由于不同的y₁，y₂，y₃，y₄值具有不同的脉冲位置。

从图3中还可以看出经过APPM映射得到的脉冲信号只在很短的时间内具有能量，而在其他时隙都处于零发生功率的状态，这样在很大程度上节省了系统发射功率，但是随着时隙数目的增加，APPM占用的频谱带宽也会急剧增加，因此需要选择一个合适的时隙数目。本发明中所使用16个时隙的APPM映射就是在考虑频谱带宽的基础上实现了降低系统的发射功率。

为了说明本发明对于系统对于误码性能的改善，在经典信息论的基础上对高斯信道进行了理论分析。

I(X；Y)＝H(X)+H(Y)-H(X,Y) (3)

公式(1)表示输入熵，公式(2)表示联合信息熵，公式(3)表示互信息值，根据上述方程计算系统输出不同信噪比下的互信息值，如图5所示，星座压缩后的PAM-4信号具有较低的饱和频谱效率，而且在低信噪比区域，具有更高的互信息值。因此，与传统信号相比，幅度概率压缩后的信号对低信噪比具有更好的容忍度。

光纤信道中，4×16APPM，PS-4×16APPM信号误码率随信噪比的变化关系仿真结果如图6所示，从图6中可以看出经过幅度概率压缩后的APPM的误码性能在SNR任意取值时都优与普通的APPM信号，而且随着SNR值的增大，两者之间的性能差异也越来越明显。

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 (1)

1.一种基于降幅式概率成形的脉冲幅度位置调制系统，其特征在于，包括发射端和接收端；

发射端包括降幅式概率成形单元、位置映射单元、马赫曾德尔调制器、光衰减器和单模光纤；

接收端包括预放大器、光带通滤波器、光电探测器、低通滤波器、位置解映射单元和幅度解压缩单元；

在系统的发射端，二进制数据流信号经降幅式概率成形单元及位置映射单元处理后，输出PS-4×16APPM脉冲信号，马赫曾德尔调制器将生成的PS-4×16APPM脉冲信号调制到波长为1550nm的波长上，在经过光衰减器对光信号进行功率控制之后，光信号被发送到单模光纤上进行传输；

在系统的接收端，发射端发送来的光信号经过预放大器进行功率调整以便于信号的接收，接收的光信号经过光带通滤波器进行滤波，然后光电探测器对信号进行探测接收，将光信号转换为电信号，接收端末端的低通滤波器对电信号外的噪声进行滤除，低通滤波器输出的电信号经过位置解映射单元和幅度解压缩单元解调后输出；

所述降幅式概率成形单元将系统原始数据信息的脉冲幅度进行压缩处理，输出具有4个不同幅度概率分布的脉冲信号；

所述原始数据信息{000}、{001}、{010}、{011}、{100}、{101}、{110}、{111}对应的幅度分别为v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆、v₇、v₈，每个数据出现的可能性均为1/8；

所述降幅式概率成形单元通过分布匹配的方法改变预定义映射的每个幅度出现的可能性，将原始数据信息的v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆、v₇、v₈八个幅度压缩为v₁、v₂、v₃、v₄四个幅度，具体的幅度压缩映射规则为：

{000}、{001}、{010}、{011}对应的脉冲幅度为v₁，出现的概率为1/2；

{100}、{101}对应的脉冲幅度为v₂，出现的概率为1/4；

{110}对应的脉冲幅度为v₃，出现的概率为1/8；

{111}对应的脉冲幅度为v₄，出现的概率为1/8；

所述幅度压缩映射规则中，在原始数据信息后增加两位标签位，即：

压缩后幅度为v₁的四个数据添加的标签分别为{00}、{01}、{10}、{11}；

压缩后幅度为v₂的两个数据添加的标签为{00}、{01}；

在压缩后幅度为v₃、v₄的数据中添加标签{00}。

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