CN111786729B - 一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，首先用CCDM将均匀输入的比特序列转换为符号序列，通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码。采用了LDPC与CCDM联合编码的概率成形方法来防止在传输过程中冗余位出现差错导致系统性能损失，最后搭建了基于偏振复用概率成形的多进制正交幅度调制相干光通信系统进一步证明本方法适用于高速相干光系统。本发明中高速相干光通信系统的概率成形编码方法不仅能降低系统复杂度，还能使系统的信道容量得到有效的提升并增加成形增益。

Description

一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法。

背景技术

现代的高速相干传输系统，在向着实现更远的传输距离和更大的系统容量的目标不断演进。为了提升光纤系统的传输容量，势必要提高传输信号的频谱效率(Spectralefficiency,SE)。因此，近些年来的高速光纤传输系统中，大多选择QPSK、16QAM和64QAM等高阶调制格式的信号进行传输。然而信号在光纤信道中进行传输时会受到功率的限制，而提升发射功率的同时，会使得系统受到的非线性效应的影响也随之增加。为了在不增加发射功率的情况下提高频谱效率，必须对信号进行优化星座成形。采用信号成形技术能够实现在提高信息传输速率的同时有效地提高频谱效率。概率成形的信号星座图各点间隔相同，通过改变各个星座点的先验概率，使其具有不同的概率，从而可使系统的信道容量得到有效的提升。在实际系统中应用概率成形方案时，对于信号星座点的先验概率的改变大多是通过编码加入冗余比特的方式实现的，因此无需改变发射端调制器的结构，也更加容易得到实现。然而现有概率成形方案复杂度较高，成形增益较低。

发明内容

针对现有研究中存在的不足，本发明提出恒定构成分布匹配器(ConstantComposition Distribution Matcher，CCDM)与低密度奇偶校验(Low-density Parity-check,LDPC)码编码联合的概率成形编码方法，通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为概率分布接近麦克斯韦－波尔兹曼分布的符号序列以获取成形增益，将CCDM与LDPC编码器进行联合设计，通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码的同时，使其仍能保持概率成形后的概率分布，最大化成形增益；并致力于解决在传输过程中光纤信道中存在的噪声、色散、非线性等因素会导致信号失真问题，提高系统的传输性能，从而实现高速相干光传输。

鉴于此，本发明采用的技术方案是，一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，包括以下步骤：

步骤1：通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为概率分布接近麦克斯韦－波尔兹曼分布的符号序列；

步骤2：通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；

步骤3：在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码。

进一步，所述步骤1具体包括以下步骤：

输入信号长度为k的二进制比特序列X＝{X₁X₂…X_k}，将该比特序列经过分布匹配器，通过加入冗余的方式对序列进行外编码，得到长度为n的符号序列Y＝{Y₁Y₂…Y_n}。

更具体地，所述步骤2具体包括以下步骤：

随机二进制比特流D^k产生比特序列被分为两部分，其中一部分进入分布匹配器中，用来生成振幅Aⁿ＝A₁...A_n，另一部分长度为γn的比特序列U^γn作为附加数据位一同进入LDPC编码器进行前向纠错编码；

通过Aⁿ得出幅值位S；通过Uγn求解得出符号位sign，即可求解长度为n的最终实值序列Xn＝X₁..X_i...X_n，其中X_i＝Sign_i·S_i,(i＝1,2...n)。

再进一步，步骤3所述置信传播算法译码的具体步骤为：

首先对置信传播算法进行初始化，计算校验节点的似然信息；

根据校验节点的似然信息和本次处理所得的似然信息，计算新的比值，根据新的似然值进行判决，本发明采用的置信传播译码算法和硬判决译码算法相比，能够充分利用信道信息，纠错能力更强。

本发明还提供了一种基于偏振复用概率成形的M进制正交幅度调制相干光通信系统，利用上述述概率成形编码方法生成概率成形M进制正交幅度调制信号，将得到的信号通过数模换为电信号，激光器发射的激光通过偏振分束器分为X和Y两个偏振态，将电信号经过IQ调制器调制到两个偏振态的光载波上，再经过偏振复用器将X、Y偏振态的光信号进行光路复用；

然后将产生的偏振复用信号通过标准单模光纤；

接收端接收到的光信号经过相干检测后解调为X、Y偏振态，分别经过光电探测器转换成电信号，再经过模数转换模块转换为数字信号。

本发明相干光系统中发射端采用的概率成形方法，能够与多种高阶调制格式结合，不需要迭代映射，降低了系统的复杂度。概率成形的信号星座图表现为外圈星座点概率值要大于内圈星座点,与均匀分布相比，经过概率成形后的信号的平均发送功率要小于均匀分布信号的平均发送功率，当两者发射功率相同时，概率成形的信号较均匀分布信号星座点之间的欧氏距离更大，系统容错性能提升，因此概率成形方法运用于高速相干光系统中能够有效地减少误码率，提升系统的性能。

附图说明

图1为均匀分布的16QAM信号星座图和概率成形的16QAM信号星座图；

图2为CCDM原理图；

图3为基于CCDM和LDPC联合概率成形方案发射端原理图；

图4为PDM-PS-16QAM传输仿真系统结构框图；

图5为不同概率成形方案的16QAM信号星座点概率分布及对应星座图；

图6为PS-A、PS-B、PS-C与UD方案平均比特信息信噪比变化曲线；

图7为不同概率分布的16QAM信号误码率随SNR变化曲线；

图8为UD-16QAM与PS-16QAM信号误码率随OSNR变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明通过编码的方式向原始比特序列中加入冗余，使得各星座点的先验概率发生改变，使其分布趋近于麦克斯韦－波尔兹曼分布，从而提升信道容量。图1(a)和(b)分别为均匀分布的16QAM信号星座图和概率成形的16QAM信号星座图，从图中可以看出，概率成形的星座图更符合高斯概率分布。CCDM的具体原理如图2所示。

本发明考虑到在信号的实际传输过程中，光纤信道中存在的噪声、色散、非线性等因素会导致信号失真。为了防止在传输过程中，冗余位出现差错导致系统性能损失，需要对CCDM输出的符号序列进行LDPC编码，具体基于CCDM和LDPC联合概率成形方法如图3所示。

本发明通过VPI和MATLAB软件进行联合仿真，搭建了图4所示的相干光通信系统，发射机产生400Gb/s的PDM-PS-16QAM信号，通过一个初始长度为320km的光纤链路进行传输，该链路由8段长度为40km的标准单模光纤(Standard Single Mode Fiber，SSMF)组成，EDFA放大增益为20dB，最终信号传输到接收端进行相干检测。具体参数设置为：IQ调制器分光比30dB，SSMF色散系数16*10^-6s/m²，SSMF衰减系数2*10^-4dB/m，SSMF非线性指数2.6*10^{- 20}m²/W。

本实施例中涉及到的已知参数和变量定义如下：

P_x(x_i)：CCDM输出的符号序列的概率分布；

m：星座符号的个数；

x_i,x_j：第i个，第j个星座符号；

|x_i|^2,|x_j|²：某个星座点距离原点的欧氏距离；

α(U^γn)：星座点格雷映射标记为的幅值位；

β(Aⁿ)：星座点格雷映射标记为的符号位；

λ：概率分布因子，用来表示概率成形的程度，必须大于等于0。一般情况下，λ在0～1之间取值，λ越大概率成形的程度越大，等于0时输出序列概率呈均匀分布；

L(q_i)：变量节点的先验概率；

P_i(0):比特判为0的概率；

P_i(1):比特判为1的概率；

L(r_i)：校验节点的似然信息；

L(Q_i)：更新过后的似然信息；

c_i：第i个比特。

步骤1：CCDM概率成形方案，具体步骤如下：

步骤1-1：输入信号长度为k的二进制比特序列X＝{X₁X₂…X_k}，其中0和1波特出现的概率均为而二分之一；

步骤1-2：对步骤1-1的信号通过加入冗余的方式，得到输出的长度为n的符号序列Y＝{Y₁Y₂…Y_n}。CCDM输出的符号序列的概率分布满足麦克斯韦－波尔兹曼分布，表示为公式(1)，通过改变(1)中参数λ的取值，来控制概率成形的程度。λ＝0为均匀分布，取名为UD方案；将λ取值为0.3、0.7和1时的概率成形方案分别取名为PS-A、PS-B和PS-C方案。

步骤2：LDPC与CCDM联合编码，具体步骤如下：

步骤2-1：如图3所示，随机二进制比特流D^k产生比特序列被分为两部分，其中一部分进入CCDM中，用来生成振幅Aⁿ＝A₁...A_n。剩余的长度为γn的比特序列Uγn作为附加数据位一同进入LDPC编码器进行前向纠错编码；

步骤2-2：如图3，求解长度为n的序列Xⁿ。Xⁿ的前γn通过不同调制格式信号星座点的格雷映射标记位的符号标记α(U^γn)来求解，α(U^γn)对应的值即为符号位sign。一般有两种情况，当U^γn为1时，对应的sign值为1，当U^γn为-1时，对应的sign值为0；剩余的(1-γ)n通过不同调制格式信号星座点的格雷映射标记位的幅度标记β(Aⁿ)进行计算，得出幅值位S。经过该概率成形模块后，输出的最终实值信号如公式(2)所示。

X_i＝Sign_i·S_i,(i＝1,2...n) (2)

步骤3：接收端LDPC置信传播(BP)算法译码，具体步骤如下：

步骤3-1：BP算法进行初始化，用公式(3)表示为：

步骤3-2：计算校验节点的似然信息，用公式(4)表示为：

步骤3-3：根据初始似然信息和本次处理所得的似然信息，计算新的比值，似然信息用公式(5)表示为：

步骤3-4：根据步骤3-3中公式(5)的L(Q_i)值进行判决：L(Q_i)>0，则c_i＝0，否则c_i＝1。

步骤4：400Gb/s PDM-PS-16QAM相干光通信系统仿真，具体步骤如下：

步骤4-1：如图4所示，首先产生伪二进制随机序列，经过概率成形生成概率成形M进制正交幅度调制(Polarization Division Multiplexing-Probabilistic Shaping-MQuadrature Amplitude Modulation,PDM-PS-16QAM)信号，将得到的数字信号通过数模换为电信号，激光器发射的激光通过偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)分为X和Y两个偏振态，将电信号经过IQ调制器调制到两个偏振态的光载波上，再经过偏振复用器(polarization beam combiner，PBC)将X、Y偏振态的光信号进行光路复用。

步骤4-2：将步骤4-1产生的偏振复用信号通过标准单模光纤，通过向光信号中加入随机噪声来控制信号的OSNR，单模光纤后加上EDFA，放大光信号对光纤损耗进行补偿。

步骤4-3：接收到的光信号经过相干检测后解调为X、Y偏振态，经过光电转换器转换成电信号，经过模数转换转换为数字信号，然后进行数字域信号处理，包括色散损伤补偿、非线性补偿和相关的解调译码，最后与原始数据进行比较，计算误码率，评估系统性能。

图5为不同概率成形方案的16QAM信号星座点概率分布及对应的3D星座图，(a)、(b)、(c)、(d)分别λ＝0、0.3、0.7和1对应的结果。从图中可以看出，采用概率成形方案生成的16QAM星座图，各点概率不同，且随着λ的增大，分布差距更加明显。同时可以看出，经过概率成形后的16QAM信号的内圈星座点的发送概率高于外圈星座点。成形后的信号先验概率趋近于麦克斯韦－波尔兹曼分布，信号平均功率降低，从中能够获得成形增益。

图6为不同成形方案的16QAM信号在高斯白噪声(Additive White GaussianNoise，AWGN)信道下误码率随信噪比的变化关系。从三幅图中能够看出，不同的成形方案为信号带来的平均比特信息提升效果不同。在图6(a)中，PS-A方案与UD方案相比，在信噪比为7dB时，最大平均比特信息的提升间隔最大，为0.031比特；PS-B方案与UD方案相比，在信噪比为9dB时，最大平均比特信息的提升间隔最大，为0.042比特。PS-C方案在信噪比为4dB时,相较于UD方案最大平均比特信息的提升间隔最大，为0.048比特。随着信噪比的减小，能够获得最大平均比特信息的方案所对应的λ值逐渐增大。

图7比较了不同概率分布16QAM的信号误码率随SNR变化情况。由图中看出，信噪比的提升能够使系统性能得到改善，四种方案的16QAM信号的误码率都随着系统信噪比的提升而下降。在相同信噪比条件下，不同概率分布方案的16QAM信号误码率表现差别明显，经过概率成形的方案相比未成形的方案误码率更低。

图8为PS-16QAM和UD-16QAM信号的误码率和ONSR的关系。从仿真结果能够看出，随着OSNR的增加，信道噪声对信号的影响愈加严重，两种成形方案的16QAM误码率都在逐渐减小。在相同的OSNR情况下，PS-16QAM信号的误码率均低于UD-16QAM信号，在3.8×10-3的FEC阈值门限下，PS-16QAM信号OSNR比UD-16QAM信号增益接近1dB。

综上所述，本发明提出的一种适用于高速相干光通信系统的概率成形设计方案，能够将星座点间的欧氏距离增大，使信号平均功率降低，并且能防止传输过程中冗余位出现差错造成的系统性能损失，提升信道容量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为符号序列；

步骤1-1：输入信号长度为k的二进制比特序列X＝{X₁X₂…X_k}，其中0和1波特出现的概率均为二分之一；

步骤1-2：对步骤1-1的信号通过加入冗余的方式，得到输出的长度为n的符号序列Y＝{Y₁Y₂…Y_n}，CCDM输出的符号序列的概率分布满足麦克斯韦－波尔兹曼分布，表示为公式(1)，通过改变(1)中参数λ的取值，来控制概率成形的程度，λ＝0为均匀分布，将λ取值为0.3、0.7和1时为概率成形方案；

步骤2：通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；

步骤2-1：随机二进制比特流D^k产生比特序列被分为两部分，其中一部分进入CCDM中，用来生成振幅Aⁿ＝A₁...A_n，剩余的长度为γn的比特序列U^γn作为附加数据位一同进入LDPC编码器进行前向纠错编码；

步骤2-2：求解长度为n的序列Xⁿ，Xⁿ的前γn通过不同调制格式信号星座点的格雷映射标记位的符号标记α(U^γn)来求解，α(U^γn)对应的值即为符号位sign，有两种情况，当U^γn为1时，对应的sign值为1，当U^γn为-1时，对应的sign值为0；剩余的(1-γ)n通过不同调制格式信号星座点的格雷映射标记位的幅度标记β(Aⁿ)进行计算，得出幅值位S；

步骤3：在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码；

步骤3-1：BP算法进行初始化，用公式(3)表示为：

P_i(0)表示比特判为0的概率；P_i(1)表示比特判为1的概率；

步骤3-2：计算校验节点的似然信息，用公式(4)表示为：

步骤3-3：根据初始似然信息和本次处理所得的似然信息，计算新的比值，似然信息用公式(5)表示为：

c_i表示第i个比特；

步骤3-4：根据步骤3-3中公式(5)的L(Q_i)值进行判决：L(Q_i)>0，则c_i＝0，否则c_i＝1。

2.根据权利要求1所述一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于：经过该概率成形模块后，最终实值序列中信号值通过以下公式计算：X_i＝Sign_i·S_i,i＝1,2...n。

3.基于偏振复用概率成形的M进制正交幅度调制相干光通信系统，其特征在于：包括激光器、偏振分束器、IQ调制器、偏振复用器、单模光纤、光电探测器和模数转换模块；

利用权利要求1或2的概率成形编码方法生成概率成形M进制正交幅度调制信号，将得到的信号通过数模换为电信号，激光器发射的激光通过偏振分束器分为X和Y两个偏振态，将电信号经过IQ调制器调制到两个偏振态的光载波上，再经过偏振复用器将X、Y偏振态的光信号进行光路复用；

然后将产生的偏振复用信号通过标准单模光纤；

接收端接收到的光信号经过相干检测后解调为X、Y偏振态，分别经过光电探测器转换成电信号，再经过模数转换模块转换为数字信号。

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