CN111181652B - 一种基于比特加权分布匹配的ps-pam4系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于比特加权分布匹配(BWDM)的概率整形四级脉冲幅度调制系统，包括数据源模块，比特加权分布匹配模块，低密度奇偶校验编码(LDPC)模块，PS‑PAM4映射模块，PS‑PAM4信号调制模块，链路传输模块和PS‑PAM4信号接收解调模块。本系统由数据源模块生成伪随机二进制比特流，比特加权分布匹配模块改变伪随机二进制比特流中‘0’的权重，LDPC编码模块进行LDPC编码，PS‑PAM4映射模块将编码后的二进制比特流映射成PS‑PAM4符号；PS‑PAM4信号调制模块进行调制并送入链路传输模块；链路传输模块实现PS‑PAM4光信号的标准单模光纤传输；PS‑PAM4信号接收解调模块将信号进行解映射和逆比特加权分布匹配操作得到二进制比特流，该系统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。

Description

一种基于比特加权分布匹配的PS-PAM4系统
技术领域
本发明涉及光纤通信领域的数字调制技术，具体涉及一种基于比特加权分布匹配的概率整形四级脉冲幅度调制(PS-PAM4)系统。
背景技术
随着用户对传输需求的增长，光纤通信凭借其在高传输带宽上的优势、信息传输容量大、易于扩容的特性、低损耗的传输性能、抗电磁干扰性、体积小、重量轻、中继距离长等优良特性成为通信的主流。
四级脉冲幅度调制(4-stage pulse amplitude modulation，PAM4)是一种高效的调制技术，采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以传输2bit的信息，在成本上，在相同的比特速率条件下，PAM4的波特率只有不归零码的一半，大大降低了光器件的带宽要求，从而可以降低光器件成本。PAM4信号由于实现方式简单，计算复杂低，在短距离高速度的光纤传输系统中很具优势。但在实际的PAM调制光通信系统中，受器件非线性效应、色散、光纤损耗等影响，实际的发射光功率是受限制的，会使得实际的互信息低于理论的信道容量值。概率整形(probabilistic shaping，PS)是通过降低幅度大的信号出现的概率，增加幅度小的信号出现的概率。实现信号整体的平均功率降低，从而节省了发送功率。
因此，我们将概率整形技术应用于PAM4中，提出了一种基于比特加权分布匹配的PS-PAM4系统，该系统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。
发明内容
本发明提出一种基于比特加权分布匹配的PS-PAM4调制方法，来获得整形增益和改善系统的比特误码率性能。
本发明采用如下技术方案：
一种基于比特加权分布匹配的PS-PAM4调制系统：数据源模块、比特加权分布匹配模块、LDPC编码模块、PS-PAM4映射模块、PS-PAM4信号调制模块、链路传输模块以及PS-PAM4信号接收解调模块；
数据源模块生成服从伯努利分布(1/2)的伪随机二进制比特流A′作为原始输入信号；
比特加权分布匹配模块通过添加冗余位改变数据源模块生成的服从伯努利分布(1/2)的伪随机二进制比特流中‘0’的权重，得到二进制比特流B′；具体包括：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，在经过串并转换后将被分成两路并行比特流，其中对第一路比特流进行概率整形处理，第一路比特流k位比特为一个子集，在每个子集中添加一位冗余位作最高位后构成k+1位比特的新子集。若k位比特中‘0’的权重超过1/2，则对应的最高位取‘0’，其余的k位比特不变，反之，则对应最高位取‘1’，并对其余的k位比特进行取反运算，即得到二进制比特流B，每路比特‘0’和‘1’出现的理想概率为P(Bi)(i＝1，2)，即有如下公式：
Figure BDA0002338719320000021
每个PS-PAM4符号出现的理想概率P由如下公式表示：
Figure BDA0002338719320000022
LDPC编码模块将二进制比特流B′送入到LDPC编码器中进行LDPC编码，得到二进制比特流C；
PS-PAM4映射模块将二进制比特流C中每2个比特映射成一个PS-PAM4符号，最后模块输出PS-PAM4数字信号，即包括：
映射规则为，将编码得到的二进制比特流中每2个比特映射成为一个符号，PAM4星座点分布在L∈{±1，±3}上。每个星座点对应一个码字，每个码字由2个比特构成。为实现最小的信号平均功率，第一位比特为‘0’的码字00(01)分布在+1(-1)处，同理，第一位比特为‘1’的码字10(11)分布在+3(-3)处。按照其中任意一种映射规则生成相对应的概率整形四级脉冲幅度调制符号。
PS-PAM4信号调制模块将PS-PAM4数字信号通过数/模转换(DAC)，获得PS-PAM4模拟信号，将该PS-PAM4模拟信号经马赫-曾德尔调制器调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号。
链路传输模块将所述PS-PAM4光信号通过标准单模光纤传输并送入PS-PAM4信号接收解调模块。
PS-PAM4信号接收解调模块，在系统接收端先采用光电检测器将PS-PAM4光信号转换为PS-PAM4模拟信号，再经过模/数转换器将其变换为PS-PAM4数字信号，并将PS-PAM4信号经过解映射器后送入到LDPC译码器解码得到二进制比特流B′，最后将此解码后的二进制比特流B′通过逆比特加权分布匹配操作得到二进制比特流A′。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明提出的基于比特加权分布匹配的PS-PAM4调制系统能够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。
附图说明
图1为本发明实例采用的模块框图；
图2为本发明实例比特加权分布匹配模块流程框图；
图3为本发明实例加权计算流程框图；
图4为本发明实例通过比特加权分布匹配模块后得到的PS-PAM4符号的概率分布图(k＝1)；
图5为本发明实例映射规则示意图(共4种情况)；
图6为本发明实例PS-PAM4信号发送调制模块流程框图；
图7为本发明实例PS-PAM4信号传输模块流程框图；
图8为本发明实例PS-PAM4信号接收解调模块流程框图。
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。
如图1，一种基于比特加权分布匹配的PS-PAM4系统，包括：数据源模块、比特加权分布匹配模块、LDPC编码模块、PS-PAM4映射模块、PS-PAM4信号调制模块、链路传输模块以及PS-PAM4信号接收解调模块；
数据源模块生成服从伯努利分布(1/2)的伪随机二进制比特流A作为原始输入信号；
比特加权分布匹配模块通过添加冗余位改变数据源模块生成的服从伯努利分布(1/2)的伪随机二进制比特流A中‘0’的权重，得到二进制比特流B；具体实现为：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A，在经过串并转换后将被分成两路并行比特流，其中对第一路比特流进行概率整形处理，第一路比特流k位比特为一个子集，在每个子集中添加一位冗余位作最高位后构成k+1位比特的新子集。若k位比特中‘0’的权重超过1/2，则对应的最高位取‘0’，其余的k位比特不变，反之，则对应最高位取‘1’，并对其余的k位比特进行取反运算，即得到二进制比特流B，每路比特‘0’和‘1’出现的理想概率为P(Bi)(i＝1，2)，即有如下公式：
Figure BDA0002338719320000051
每个PS-PAM4符号出现的理想概率P由如下公式表示：
Figure BDA0002338719320000052
LDPC编码模块将二进制比特流B送入到LDPC编码器中进行LDPC编码，得到二进制比特流C；
PS-PAM4映射模块将二进制比特流C中每2个比特映射成一个PS-PAM4符号，最后模块输出PS-PAM4数字信号，即包括：
映射规则为，如图5，将编码得到的二进制比特流中每2个比特映射成为一个符号，PAM4星座点分布在L∈{±1，±3}上。每个星座点对应一个码字，每个码字由2个比特构成。为实现最小的信号平均功率，第一位比特为‘0’的码字00(01)分布在+1(-1)处，同理，第一位比特为‘1’的码字10(11)分布在+3(-3)处。按照其中任意一种映射规则生成相对应的概率整形四级脉冲幅度调制符号。PS-PAM4信号调制模块将PS-PAM4数字信号通过数/模转换(DAC)，获得PS-PAM4模拟信号，将该PS-PAM4模拟信号经马赫-曾德尔调制器调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号。
链路传输模块将所述PS-PAM4光信号通过标准单模光纤传输并送入PS-PAM4信号接收解调模块。
PS-PAM4信号接收解调模块，在系统接收端先采用光电检测器将PS-PAM4光信号转换为PS-PAM4模拟信号，再经过模/数转换器将其变换为PS-PAM4数字信号，并将PS-PAM4信号经过解映射器后送入到LDPC译码器解码得到二进制比特流B′，最后将此解码后的二进制比特流B′通过逆比特加权分布匹配操作生成二进制比特流A′。
所述基于比特加权分布匹配的PS-PAM4系统的具体工作步骤为：
步骤1)将数据源模块生成的伪随机二进制比特流A通过串并转换后得到两路并行比特流，并对第一路比特流进行权重计算处理，第二路比特流不做任何处理，如图2所示；
步骤2)将上述第一路二进制比特流k位比特为一个子集，在每个子集中添加一位冗余位作最高位后构成k+1位比特的新子集。若k位比特中‘0’的权重超过1/2，则R取‘0’，其余的k位比特不变，反之，则R取‘1’，并对其余的k位比特进行取反运算，如图3所示；
步骤3)当k＝1时通过比特加权分布匹配模块后得到映射得到的PS-PAM4符号概率分布图服从近高斯分布，如图4所示；
步骤4)PS-PAM4映射模块将编码得到的二进制比特流B基于上述映射规则每2个比特映射成为一个PS-PAM4符号，最后输出一串PS-PAM4数字信号，如图5所示；
步骤5)PS-PAM4信号调制模块将PS-PAM4数字信号进行数/模转换得到PS-PAM4模拟信号，将PS-PAM4模拟信号经马赫-曾德尔调制器调制到光载波上得到的PS-PAM4光信号，如图6所示；
步骤6)将经PS-PAM4信号调制模块得到的PS-PAM4光信号传入标准单模光纤(SSMF)中，如图7所示；
步骤7)PS-PAM4信号接收解调模块，将接收到的PS-PAM4光信号经光电二极管光/电变换(O/E)后得到PS-PAM4模拟信号，经模/数转换(ADC)后得到PS-PAM4数字信号，将PS-PAM4数字信号通过解映射器和LDPC译码器进行解映射和解码得到二进制比特流B′，并将解码后的二进制比特流B′送入到逆比特加权分布匹配操作得到二进制比特流A′，如图8所示。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明提出的基于比特加权分布匹配的PS-PAM4调制系统能够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。
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 (1)

1.一种基于比特加权分布匹配的PS-PAM4系统，其特征在于，包括：数据源模块、比特加权分布匹配模块、LDPC编码模块、PS-PAM4映射模块、PS-PAM4信号调制模块、链路传输模块以及PS-PAM4信号接收解调模块；
数据源模块：用于生成服从伯努利分布(1/2)的伪随机二进制比特流A作为原始输入信号；
比特加权分布匹配模块：通过添加冗余位改变伪随机二进制比特流A中‘0’的权重，得到二进制比特流B；
LDPC编码模块：将二进制比特流B送入到低密度奇偶校验编码模块编码器中进行低密度奇偶校验编码，得到二进制比特流C；
PS-PAM4映射模块：将二进制比特流C中每2个比特映射成一个PS-PAM4符号，最后模块输出PS-PAM4数字信号；映射规则为：将编码得到的二进制比特流中每2个比特映射成为一个符号，PAM4星座点分布在L∈{±1,±3}上，每个星座点对应一个码字，每个码字由2个比特构成，为实现最小的信号平均功率，第一位比特为‘0’的码字00(01)分布在+1(-1)处，第一位比特为‘1’的码字10(11)分布在+3(-3)处；
PS-PAM4信号调制模块：将所述PS-PAM4数字信号通过数/模转换得到PS-PAM4模拟信号，将PS-PAM4模拟信号经马赫-曾德尔调制器调制到光载波上，得到PS-PAM4光信号；
链路传输模块：将所述PS-PAM4光信号通过标准单模光纤进行传输后送入PS-PAM4信号接收解调模块进行处理；
PS-PAM4信号接收解调模块：在系统接收端先采用光电检测器将PS-PAM4光信号转换为PS-PAM4模拟信号，再经过模/数转换器将其变换为PS-PAM4数字信号，并将PS-PAM4数字信号经过解映射器后送入到LDPC译码器解码得到二进制比特流B'，最后将此解码后的二进制比特流B'通过逆比特加权分布匹配操作得到二进制比特流A'；
比特加权分布匹配模块中，通过添加冗余位改变伪随机二进制比特流A中‘0’的权重，得到二进制比特流B；具体实现为：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A，在经过串并转换后将被分成两路并行比特流，其中对第一路比特流进行概率整形处理，第一路比特流k位比特为一个子集，在每个子集中添加一位冗余位作最高位后构成k+1位比特的新子集；若k位比特中‘0’的权重超过1/2，则对应的最高位取‘0’，其余的k位比特不变，反之，则对应最高位取‘1’，并对其余的k位比特进行取反运算，即得到二进制比特流B，每路比特‘0’和‘1’出现的理想概率为P(Bi)(i＝1,2)，即有如下公式：
Figure FDA0003582872690000021
每个PS-PAM4符号出现的理想概率P由如下公式表示:
Figure FDA0003582872690000022
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