CN111092663A - 一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法，数据源模块生成伪随机码序列；概率整形模块采用比特加权分布匹配算法实现概率整形；信道编码模块进行LDPC编码；正交幅度调制模块对LDPC编码后的数据进行16QAM调制；正交频分复用调制模块依次执行离散傅里叶变换、子载波映射、正交频分复用调制，得到电信号；电/光转换模块将该电信号通过马赫‑曾德尔调制器加载到光载波上；链路传输模块实现该光信号的标准单模光纤传输；信号接收解调模块将接收的光信号转换为电信号，然后依次进行DFT‑S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码、逆BWDM操作后得到二进制输出比特序列。本发明能提高信号在光纤传输时的非线性容忍度和光纤传输距离。

Description

一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域的数字编码与调制技术领域，特别是一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法。

背景技术

随着用户对传输距离和容量的需求的急剧增长，光纤通信成为通信的主流方式。然而，传统光通信系统存在固有的功率限制问题，过高发送功率引起的光纤非线性效应会极大限制系统的传输性能。

此外，为了服从加性高斯白噪声(AWGN)信道最佳输入概率分布，提高信道容量，PS技术应运而生。在不提升硬件复杂度的前提下，该技术通过添加冗余比特将传统的均匀符号概率分布转变为理想符号概率分布，如高斯分布，降低信号平均功率，从而提高信号在光纤传输时的光纤非线性效应容忍度和信道容量。作为常用的先进调制格式，正交幅度调制(QAM)是相位和振幅的联合调制，频谱效率更高。以PS-16QAM为例，其结合应用可以实现信道容量和频谱利用率的进一步提升。相较于已有的常数分布匹配算法(constantcomponent distribution matching，CCDM)，基于BWDM算法能够实现低冗余度上的更佳整形效果，即更优的系统性能。

光正交频分复用(OOFDM)技术是传统的正交频分复用(OFDM)技术与光纤通信技术的结合，兼具两者高速接入、信息容量大，频谱利用率高，高阶调制扩展能力优越和光纤传输良好的抗色散、偏振模色散的优点。但由多个子载波叠加而成的正交频分复用(OFDM)信号，将导致系统产生较高的峰值平均功率比(PAPR)，使系统极易受光纤非线性效应影响。系统积累的非线性效应将随着传输距离的增加而增大，最终使系统传输性能急剧劣化。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法，以有效解决光纤通信系统中的功率限制问题，并且提高光纤传输中信号的非线性效应容忍度。

本发明采用如下技术方案：

一种基于比特加权分布的光正交频分复用的通信方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)生成服从1/2伯努利分布的串行伪随机二进制比特流作为原始信源，采用比特加权分布匹配算法，将串行原始信源转换成4路并行比特流，对前2路中数据分组并计算出各组中‘0’的权值，再按照算法规则添加冗余比特并对各组原始数据进行对应处理，实现概率整形，然后对二进制数据进行LDPC编码；

2)对LDPC编码后的数据按照每4比特映射成1个符号的规则完成16QAM调制；

3)将所得的PS-16QAM信号依次执行离散傅里叶变换、子载波映射、正交频分复用调制，得到LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号；

4)将电信号通过马赫-曾德尔调制器加载到光载波上，得到光信号，送入标准单模光纤进行传输；

5)接收光信号并转换为电信号后，依次进行DFT-S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码、逆BWDM操作得到二进制输出比特序列。

优选的，所述步骤1)具体包括：将原始信源分成四路并行比特流，前两路比特流中每k个比特划分为一个子集，同时最高位添加一位作为权值标记位，构成(k+1)个比特的新集合，该新集合中，若后k个比特中‘0’的权重不小于1/2，则对应的最高位为‘0’，反之，则对应最高位为‘1’；并对原后k个比特进行取反运算，得到新的前两路比特流，另外两路比特流不进行额外处理，四路并行比特流的数据个数相等。

优选的，16QAM的星座点分布于I,Q∈{±1,±3}的复平面上，每个星座点的能量为从原点指向该星座点的矢量模的平方；而每个16QAM星座点分别对应唯一码字，该码字由4位比特构成；

步骤2)中，采用16QAM映射规则完成16QAM调制，具体规则为：随着各星座点能量的增加，每个码字的前两位中的‘0’减少；从第一至第四象限，每个码字的后两位分别为“10”、“00”、“01”、“11”。

一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统，其特征在于：包括

数据源模块，用于生成服从1/2伯努利分布的串行伪随机二进制比特流作为原始信源；

比特加权分布匹配概率整形模块，采用比特加权分布匹配算法(BWDM)，将串行原始信源转换成4路并行数据，对前2路比特分组并计算出各组中‘0’的权值，再按照算法规则添加冗余比特并对各组原始数据进行对应处理；

信道编码模块，将比特加权分布匹配概率整形模块输出的二进制数据进行LDPC编码；

正交幅度调制模块，对LDPC编码后的数据按照每4比特映射成1个符号的规则完成16QAM调制；

正交频分复用调制模块，将所得的PS-16QAM信号依次执行离散傅里叶变换、子载波映射、正交频分复用调制，得到LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号；

电/光转换模块，将电信号通过马赫-曾德尔调制器加载到光载波上，得到光信号；

链路传输模块，将光信号送入标准单模光纤进行传输；

信号接收解调模块，将传输后的光信号转换为电信号，然后依次进行DFT-S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码、逆BWDM操作后得到二进制输出比特序列。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在尽可能不增加硬件复杂度和保证硬件可行性的前提下，实现基于比特加权分布匹配算法概率整形的方法，以及应用该方法的低密度奇偶校验编码概率整形16阶正交幅度调制离散傅里叶变换扩频正交频分复用信号(LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM)的产生与传输，以提高信号的光纤非线性容忍度和光纤传输距离。

附图说明

图1为系统模块框图；

图2为信号发送端的流程框图；

图3为信号接收解调的流程框图；

图4为PS-16QAM映射示意图；

图5为本发明实例的PS-16QAM概率分布图(k＝1)。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明的一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统，包括如下模块：

数据源模块，用于生成服从1/2伯努利分布的串行伪随机二进制比特流(pseudorandom binary sequence，PRBS)作为原始信源。

比特加权分布匹配概率整形模块，采用比特加权分布匹配算法(BWDM)，将串行原始信源转换成4路平行比特流，对前2路数据分组并计算出各组中‘0’的权值，再按照算法规则添加冗余比特并对各组原始数据进行对应处理。

信道编码模块，将比特加权分布匹配概率整形模块输出的二进制数据进行LDPC编码。

正交幅度调制模块，对LDPC编码后的数据再按照每4比特映射成1个符号的规则完成16QAM调制。

正交频分复用调制模块，将所得的PS-16QAM信号依次执行离散傅里叶变换(DFT)、子载波映射、正交频分复用调制，得到LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号。

电/光转换模块，将电信号通过马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)加载到光载波上，实现电/光变换得到光信号。

链路传输模块，将光信号通过标准单模光纤(standard single-mode fiber，SSMF)进行传输。

信号接收解调模块，将经SSMF传输后的光信号通过光电检测器(photodiode，PD)转换为电信号，然后依次进行DFT-S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码和逆BWDM操作后得到二进制输出比特序列。该模块可包括光电检测器、解调模块、16QAM解映射器和LDPC译码器等。

参见图2至图4，本发明还提出一种基于比特加权分布的光正交频分复用的通信方法，其包括如下步骤：

1)数据源模块中，Matlab生成服从1/2伯努利分布的串行伪随机二进制比特流作为原始信源。送入比特加权分布匹配概率整形模块实现概率整形；随后，输出的二进制比特流通过信道编码模块进行LDPC编码。

进一步的，采用比特加权分布匹配算法，将串行原始信源转换成4路并行比特流，对前2路数据分组并计算出各组中‘0’的权值，再按照算法规则添加冗余比特并对各组原始数据进行对应处理，实现概率整形。具体如下：

先将数据源模块产生的服从伯努利分布(1/2)的串行伪随机二进制比特流(PRBS)分成四路并行比特流。其中，前两路比特流中每k个比特划分为一个子集，同时最高位(mostsignificant bit，MSB)添加一位作为权值标记位，构成(k+1)个比特的新集合。在该新集合中，若后k个比特中‘0’的权重不小于1/2，则对应的MSB为‘0’，反之，则对应MSB为‘1’，并对原后k个比特进行取反运算。由此可得新的前两路比特流，而另外两路比特流不进行额外处理。此时，四路并行比特流的数据个数相等。

2)正交幅度调制模块对LDPC编码后的数据再按照每4比特映射成1个符号的规则完成16QAM调制。16QAM的星座点分布于I,Q∈{±1,±3}的复平面上，每个星座点的能量为从原点指向该星座点的矢量模的平方。而每个16QAM星座点分别对应唯一码字，该码字由4位比特构成。

采用16QAM映射规则完成16QAM调制，具体规则为：随着各星座点能量的增加，每个码字的前两位中的‘0’减少；从第一至第四象限，每个码字的后两位分别为“10”、“00”、“01”、“11”。由此，16QAM映射规则可被唯一确定，并且，此映射规则下的概率分布可实现最小的信号平均功率。

每个4位二进制码字的理想概率可由下式求得

P(B₁B₂B₃B₄)＝P(B₁)*P(B₂)*0.5²

其中B₁、B₂、B₃、B₄∈{0,1}，用以表示任一码字4位二进制取值。单个比特的出现概率P(B_i)，i＝1,2，可由下式计算：

其中：K是在添加标记位前的分组比特数，t是添加标记位后并且进行比特权重后每组中0的个数，

是在添加标记位和比特权重处理后除了MSB之外的k个比特中t个0的情况总数。当k＝1时，PS-16QAM概率分布图如图5所示。

3)正交频分复用调制模块，将所得的PS-16QAM信号依次执行离散傅里叶变换、子载波映射、正交频分复用调制，得到LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号。

具体的，将PS-16QAM信号依次通过P点离散傅里叶变换(DFT)和(Q-2P)点子载波映射，完成离散傅里叶变换扩频；DFT-S OFDM系统中，经P点DFT产生新数据符号{A_f}。其中，{x_m，m＝0，1，...，P-1}为比特加权分布匹配概率整形模块输出的PS-QAM信号。

对符号{A_f}进行子载波映射，得到

再将序列{c_f'}进行如下Q点快速傅里叶逆变换：

y_n＝IFFT{c_f'}，n＝0，1，..，Q-1

总子载波数为Q，携带数据的子载波数为P(P<Q/2)。

4)电/光转换模块将电信号通过马赫-曾德尔调制器加载到光载波上，得到光信号，而后输入链路传输模块，通过标准单模光纤进行传输。

5)参见图3，信号接收解调模块中，光电检测器(PD)将传输后的光信号经光/电转换(O/E)成LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号，然后依次进行DFT-S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码、逆BWDM操作后得到二进制输出比特序列。

其中，DFT-S OFDM解调即为去除循环前缀后依次进行Q点快速傅里叶变换(FFT)和P点离散傅里叶逆变换(inverse discrete Fourier transform，IDFT)(P<Q/2)，获得PS-16QAM信号。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种基于比特加权分布的光正交频分复用的通信方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)生成服从1/2伯努利分布的串行伪随机二进制比特流作为原始信源，采用比特加权分布匹配算法，将串行原始信源转换成4路并行比特流，对前2路中数据分组并计算出各组中‘0’的权值，再按照算法规则添加冗余比特并对各组原始数据进行对应处理，实现概率整形，然后对二进制数据进行LDPC编码；

2)对LDPC编码后的数据按照每4比特映射成1个符号的规则完成16QAM调制；

3)将所得的PS-16QAM信号依次执行离散傅里叶变换、子载波映射、正交频分复用调制，得到LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号；

4)将电信号通过马赫-曾德尔调制器加载到光载波上，得到光信号，送入标准单模光纤进行传输；

5)接收光信号并转换为电信号后，依次进行DFT-S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码、逆BWDM操作得到二进制输出比特序列。

2.如权利要求1所述的一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统，其特征在于：所述步骤1)具体包括：将原始信源分成四路并行比特流，前两路比特流中每k个比特划分为一个子集，同时最高位添加一位作为权值标记位，构成(k+1)个比特的新集合，该新集合中，若后k个比特中‘0’的权重不小于1/2，则对应的最高位为‘0’，反之，则对应最高位为‘1’；并对原后k个比特进行取反运算，得到新的前两路比特流，另外两路比特流不进行额外处理，四路并行比特流的数据个数相等。

3.如权利要求1所述的一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统，其特征在于：16QAM的星座点分布于I,Q∈{±1,±3}的复平面上，每个星座点的能量为从原点指向该星座点的矢量模的平方；而每个16QAM星座点分别对应唯一码字，该码字由4位比特构成；

步骤2)中，采用16QAM映射规则完成16QAM调制，具体规则为：随着各星座点能量的增加，每个码字的前两位中的‘0’减少；从第一至第四象限，每个码字的后两位分别为“10”、“00”、“01”、“11”。

4.一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统，其特征在于：包括

数据源模块，用于生成服从1/2伯努利分布的串行伪随机二进制比特流作为原始信源；

比特加权分布匹配概率整形模块，采用比特加权分布匹配算法(BWDM)，将串行原始信源转换成4路并行数据，对前2路比特分组并计算出各组中‘0’的权值，再按照算法规则添加冗余比特并对各组原始数据进行对应处理；

信道编码模块，将比特加权分布匹配概率整形模块输出的二进制数据进行LDPC编码；

正交幅度调制模块，对LDPC编码后的数据按照每4比特映射成1个符号的规则完成16QAM调制；

正交频分复用调制模块，将所得的PS-16QAM信号依次执行离散傅里叶变换、子载波映射、正交频分复用调制，得到LDPC-PS-16QAM DFT-S OFDM电信号；

电/光转换模块，将电信号通过马赫-曾德尔调制器加载到光载波上，得到光信号；

链路传输模块，将光信号送入标准单模光纤进行传输；

信号接收解调模块，将传输后的光信号转换为电信号，然后依次进行DFT-S OFDM解调、16QAM解映射、LDPC译码、逆BWDM操作后得到二进制输出比特序列。

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