CN111884758A - 波形设计方法及译码方法、装置、设备和光通信系统 - Google Patents

波形设计方法及译码方法、装置、设备和光通信系统 Download PDF

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CN111884758A CN202010647160.0A CN202010647160A CN111884758A CN 111884758 A CN111884758 A CN 111884758A CN 202010647160 A CN202010647160 A CN 202010647160A CN 111884758 A CN111884758 A CN 111884758A
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Abstract

本申请实施例提供了一种波形设计方法及译码方法、装置、设备和光通信系统，其中波形设计方法包括：根据光通信波形中信息位分组的长度，确定所述光通信波形发送序列的长度和重量；根据所述光通信波形中信息位分组的长度、所述光通信波形发送序列的长度和重量，构造所述光通信波形的发送序列集合，使所述发送序列集合中发送序列的重量均相同。本申请实施例，无需信道估计即可进行序列最大似然译码，简化最大似然译码复杂度，提高通信效率，无信道参数估计误差，提高信息检测的质量。

Description

波形设计方法及译码方法、装置、设备和光通信系统
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光通信的波形设计方法、译码方法、波形发生装置、译码器、电子设备和光通信系统。
背景技术
在光通信中，目前常用的波形发送及检测方案，是在发送端采用直接强度调制，即发送0时不发光，发送1时发光，也称为通断键控(on-off keying，简称OOK)调制，在接收端采用两种检测方法：一种是利用光敏器件检测波形，然后解调从中提取出发送的信息；另一种是检测到达的光子数，从中提取出发送的信息。其中，后者往往具有更高的检测灵敏度，在接收端通常需要光子检测及计数装置，例如单光子检测器(Single Photon AvalancheDiode，简称SPAD)等。
通常可以认为达到接收端的光子数(含检测器件的暗记数)服从均值不同的泊松分布，即当发送端发光时到达接收端的光子数K服从均值为λ1Tc的泊松分布，当发送端不发光时到达接收端的光子数K服从均值为λ0Tc的泊松分布，其中，λ1>λ0，λ1为发送端发光时到达接收端的光子速率，λ0为发送端不发光时出现在接收端的光子速率，Tc为码元持续时间，即码元周期。因此可以采用最大似然译码对接收到的光子检测计数序列进行译码。
光子检测计数序列的似然函数的推导包括两个步骤：步骤一，确定单码元的对数似然比；步骤二，根据单码元的对数似然比，利用无记忆信道的特性，得出序列的似然函数。其中，无论是确定单码元的对数似然比，还是得出序列的似然函数，都需要进行信道参数λ0和λ1的估计。一般情况下，进行信道参数的估计需要发送已知的训练序列，利用求均值的方法估计信道参数。然而，这样存在两个问题：1)训练序列的添加会造成通信效率的损失，特别是在信道时变性较高的场景下，需要频繁地加入训练序列，以跟踪信道的变化，确保信息检测的质量；2)由于训练序列的长度有限，以及检测器件存在噪声等非理想特性，信道参数估计的误差是不可避免的，信道参数估计的误差会降低信息检测的质量。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种波形设计方法、译码方法、波形发生装置、译码器、电子设备和光通信系统，可以无需信道估计即可进行序列最大似然译码，简化最大似然译码复杂度，提高通信效率，无信道参数估计误差，提高信息检测的质量。
为了解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种波形设计方法，包括：
根据光通信波形中信息位分组的长度，确定所述光通信波形发送序列的长度和重量；
根据所述光通信波形中信息位分组的长度、所述光通信波形发送序列的长度和重量，构造所述光通信波形的发送序列集合，使所述发送序列集合中发送序列的重量均相同。
第二方面，本申请实施例提供了一种译码方法，包括：
获取光通信波形的光子检测计数序列；
根据所述光子检测计数序列和所述光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，所述发送序列集合中发送序列的重量均相同，所述似然函数是基于所述发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到；
从所述似然函数值中选取最大值，根据所述最大值在所述似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，所述信息序列集合中的信息序列与所述发送序列集合中的发送序列一一对应。
第三方面，本申请实施例提供了一种波形发生装置，包括：
参数确定模块，用于根据光通信波形中信息位分组的长度，确定所述光通信波形发送序列的长度和重量；
序列生成模块，用于根据所述光通信波形中信息位分组的长度、所述光通信波形发送序列的长度和重量，构造所述光通信波形的发送序列集合，使所述发送序列集合中发送序列的重量均相同。
第四方面，本申请实施例提供了一种译码器，包括：
检测模块，用于获取光通信波形的光子检测计数序列；
计算模块，用于根据所述光子检测计数序列和所述光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，所述发送序列集合中发送序列的重量均相同，所述似然函数是基于所述发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到；
处理模块，用于从所述似然函数值中选取最大值，根据所述最大值在所述似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，所述信息序列集合中的信息序列与所述发送序列集合中的发送序列一一对应。
第五方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，所述处理器、所述通信接口以及所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序，实现如第一方面所述的波形设计方法。
第六方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，所述处理器、所述通信接口以及所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序，实现如第二方面所述的译码方法。
第七方面，本申请实施例提供了一种光通信系统，包括：如第三方面所述的波形发生装置和如第四方面所述的译码器；或者如第五方面和第六方面所述的电子设备。
本申请实施例提供的波形设计方法、译码方法、波形发生装置、译码器、电子设备和光通信系统，通过根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量，根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同；本申请实施例可以获得恒重的光通信发送序列，从而可以利用光通信发送序列为恒重序列的特点，对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，得到忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于采用该似然函数进行译码，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的译码方法的一种实现方式的流程示意图；
图2为光子检测器在某一个码元内输出的脉冲的示意图；
图3为两个相邻脉冲之间的时间划分的示意图；
图4为本申请实施例的波形设计方法的一种实现方式的流程示意图；
图5为本申请实施例发送序列为二进制序列的波形设计方法的流程示意图；
图6为本申请实施例的信号发送方法的一种实现方式的流程示意图；
图7为本申请实施例的译码器的一种实现方式的组成结构示意图；
图8为本申请实施例的波形发生装置的一种实现方式的组成结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例的波形设计方法的一种实现方式的流程示意图，图1中的波形设计方法可以由波形发生装置作为执行主体执行，该波形发生装置可以设置于光通信系统的发送端，如图1所示，该方法至少包括：
S102，根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量。
在本申请实施例中，光通信波形中信息位分组的长度表征每个光通信波形序列携带信息量的比特数，例如光通信波形中信息位分组的长度为m，则表征每个光通信波形序列携带m比特的信息。光通信波形发送序列的长度表征作为发送序列的每个光通信波形序列的长度，例如光通信波形发送序列的长度为N，则表征作为发送序列的每个光通信波形序列的长度为N。光通信波形发送序列的重量表征作为发送序列的每个光通信波形序列的重量，例如光通信波形发送序列的重量为W，则表征作为发送序列的每个光通信波形序列的重量为N。可以根据信息发送的需求设定光通信波形中信息位分组的长度，根据光通信波形中信息位分组的长度作为限定条件，确定光通信波形发送序列的长度和重量，例如光通信波形发送序列的长度N>光通信波形中信息位分组的长度m，光通信波形中信息位分组的长度m≥光通信波形发送序列的重量W。本申请实施例对光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量的取值不作限定。
S104，根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同。
在本申请实施例中，可以根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列集合中发送序列的数量，然后根据发送序列集合中发送序列的数量、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同，并且使发送序列集合中的发送序列与信息序列集合中的信息序列一一对应，其中信息序列集合中的信息序列是根据信息位分组的长度确定的，例如光通信波形中信息位分组的长度为m，则信息序列集合中包含2m个信息序列。可选地，可以通过映射对照表，确定发送序列集合中的发送序列与信息序列集合中的信息序列的一一对应关系；或者，可以通过函数关系，确定发送序列集合中的发送序列与信息序列集合中的信息序列的一一对应关系；本申请实施例对确定发送序列集合中的发送序列与信息序列集合中的信息序列的一一对应关系的实现方式不作限定。
本申请实施例提供的波形设计方法，通过根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量，根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同；本申请实施例可以获得恒重的光通信发送序列，从而可以利用光通信发送序列为恒重序列的特点，对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，得到忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于采用该似然函数进行译码，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
在一些可选的例子中，光通信波形的发送序列为二进制序列，如图2所示，图2为本申请实施例发送序列为二进制序列的波形设计方法的流程示意图，其中，该波形设计方法至少包括：
S202，根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形二进制序列的长度和重量。
S204，根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的数量；根据光通信波形发送序列的数量、光通信波形二进制序列的长度和重量，选取相应的二进制序列作为发送序列。
S206，根据所选取的二进制序列构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中二进制序列的重量均相同。
在本申请实施例中，当光通信波形中信息位分组的长度为m时，光通信波形二进制发送序列的长度为N，光通信波形二进制发送序列的重量为W，其中N>m≥W>0，W为每个发送序列中1的个数。为了使得每个长度为N的二进制发送序列携带m比特的信息，可以确定光通信波形发送序列集合需要包含2m个发送序列。可以从2N个长度为N的二进制序列中选取2m个重量为W的二进制序列作为发送序列，构成发送序列集合，其中发送序列集合中的每个发送序列与一个m比特的信息序列一一对应。
Figure BDA0002573556210000061
可选地，光通信波形中信息位分组的长度m、光通信波形二进制序列的长度N和重量W可以满足
Figure BDA0002573556210000062
可选地，当供选择的二进制序列的数目大于2m时，发送序列集合的构造可能会存在多种选择。为了提高通信效率，降低发射功率，提高通信性能，发送序列的选择可以但不必要综合考虑以下条件：
1)在光通信波形中信息位分组的长度m固定的条件下，光通信波形二进制序列的长度N尽可能小；
2)光通信波形二进制序列的重量W为[N/2]，其中[N/2]为对N/2取整数；
3)发送序列集合中发送序列之间的汉明距离尽可能大；
4)光通信波形二进制序列的重量W尽可能小。
可选地，光通信波形中信息位分组的长度m、光通信波形二进制序列的长度N和重量W可以满足以上条件中的一条或多条。
可选地，为后续译码方便可以将发送序列集合构成一个矩阵U，使矩阵中的每一行为一个长度为N的发送序列，当选择矩阵U中的第j行序列发送时，其携带的信息可以为第j行对应的二进制表示，j＝0,1…2m-1。矩阵形式如下：
Figure BDA0002573556210000071
在本申请实施例中，在获得发送序列集合后，为了保证通信的正常实施，通信的收发双方必须都预先知道该发送序列集合。
对应上述描述的波形设计方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种信号发送方法，图3为本申请实施例的信号发送方法的一种实现方式的流程示意图，图3中的信号发送方法可以由信号发送装置作为执行主体执行，该信号发送装置可以设置于光通信系统的发送端，如图3所示，该信号发送方法至少包括：
S302，根据待发送的信息序列，确定对应的十进制表示形式。
S304，从光通信波形的发送序列集合中选取与十进制表示形式对应的发送序列。
S306，对所选取的发送序列通过通断键控调制发送。
在本申请实施例中，光通信波形中信息位分组的长度为m，当需要发送的二进制形式的信息序列b＝[bm-1bm-2…b1b0]时，将其转化为对应的十进制表示形式d，即：
Figure BDA0002573556210000081
然后根据该对应的十进制表示形式d选取矩阵U中第d行作为发送序列。在发送端采用OOK调制方式将所选取的发送序列通过光发射装置发送。
对应上述描述的波形设计方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种译码方法，图4为本申请实施例的译码方法的一种实现方式的流程示意图，图4中的译码方法可以由译码器作为执行主体执行，该译码器可以设置于光通信通信的接收端，如图4所示，该译码方法至少包括：
S402，获取光通信波形的光子检测计数序列。
在本申请实施例中，光子检测计数序列可以是对到达接收端设备的光子进行检测和计数获得的序列。可选地，可以通过光子检测及计数装置获取光通信波形的光子检测计数序列；或者，可以从光子检测及计数装置获取光通信波形的光子检测计数序列；例如光子检测及计数装置为单光子检测器等，本申请实施例对获取光通信波形的光子检测计数序列的实现方式不作限定。
S404，根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到。
在本申请实施例中，可以根据单码元的对数似然比，利用无记忆信道的特性，得到序列的似然函数，然后根据发送序列集合中发送序列的重量均相同，即发送序列为恒重序列，对似然函数进行简化处理，得到忽略信道参数影响的似然函数。根据光通信波形的光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过忽略信道参数影响的似然函数确定似然函数值，可以使所得到的似然函数值与信道参数无关。本申请实施例对似然函数的实现形式不作限定。
S406，从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应。
在本申请实施例中，可以从所得到的似然函数值中选取最大值，确定最大值在所得到的似然函数值中的位置序号，然后根据所确定的位置序号，在与发送序列集合中的发送序列具有一一对应关系的信息序列集合中的信息序列中确定出对应的信息序列，作为译码的结果。
本申请实施例提供的译码方法，通过获取光通信波形的光子检测计数序列，根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值，从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应；本申请实施例利用光通发送序列为恒重序列的特点，可以对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，从而得到可以忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于本申请实施例的译码方法，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
在一些可选的例子中，基于发送序列集合中发送序列的重量均相同对序列的似然函数进行简化处理，得到的似然函数为光子检测计数序列与发送序列集合中的发送序列进行相关性运算的函数，此时，通过似然函数，对光子检测计数序列和发送序列集合中的发送序列进行相关性处理，得到的发送序列对应的似然函数值与信道参数无关。下面将对相关性运算的似然函数的推导进行详细说明。
在理想检测条件下，可以比较容易得出序列的似然函数。但是在工程实现中，实际器件的特性总是存在非理想特性。例如，单光子检测器存在“死时间”，光子检测效率不为1，等，导致接收端最终输出的光子数不再严格服从泊松分布，此时序列的似然函数的推导过程较为复杂。
在非理想检测条件下单码元的对数似然比：假定发送序列中每个码元持续时间为Tc，即码元周期，检测器的“死时间”为τd，光子检测效率为η。接收端已经定时同步，即检测器知道每个码元的起始时间及结束时间。在一个码元周期Tc内的t1，t2，…，tK时刻收到K个脉冲，记作事件E(K,Tc)；两个脉冲之间的时间间隔分别为τi。接收端光子到达的速率为λ。如图5所示，图5为光子检测器在某一个码元内输出的脉冲的示意图，其中第3个脉冲、第8个脉冲和第11个脉冲由于“死时间”的存在而未被检测出。将两个相邻脉冲之间的时间划分为“脉冲发生时间”Δτ、“死时间”τd和其余部分τi-τd-△τ,i＝1,2...,K，其中△τ为趋近于0的正数，如图6所示，图6为两个相邻脉冲之间的时间划分的示意图。
考虑“死时间”的影响，以速率λ到达的光子在时刻ti有一个脉冲出现，且与下一个脉冲时间的间隔为τi,i＝1,2...,K，这一随机事件可以分解为三个独立随机事件的积：
1)在时刻ti为中点的极小时间Δτ内至少有一个光子到达并成功被检测记为事件A该事件的概率为：
Figure BDA0002573556210000101
其中，
Figure BDA0002573556210000102
为在Δτ内有i≥1个光子到达的概率，
Figure BDA0002573556210000103
为i个光子中有1个光子被检测并输出脉冲的概率。
2)在“死时间”内没有脉冲输出记为事件B，显然该事件的概率为1。
3)在τi-△τ-τd内没有脉冲输出，记为事件C，其概率为：
Figure BDA0002573556210000104
根据泊松过程的性质时间上不重复的事件之间是独立的，由此可以得到：
P(A,B,C)＝P(A)P(B)P(C)
＝λη△τexp(-λη△τ)exp(-ηλ(τi-△τ-τd))
＝λη△τexp(-ηλ(τi-τd)) (公式4)
在以上分析了两个脉冲之间的时间间隔内出现一个脉冲的概率的基础上，对τ0时段没有脉冲出现进行单独分析，与事件C的概率分析类似可以得到：
P(在τ0内无脉冲/λ)＝exp(-ηλτ0) (公式5)
同样，根据泊松随机过程的性质，在不重复时间段内出现的随机事件相互独立。因此Tc内在T＝[t1,t2,...tK]时刻出现K个脉冲的概率为：
Figure BDA0002573556210000111
由于在公式6中没有出现T＝[t1,t2,...tK]，因此在Tc内出现K个脉冲的概率与T无关，可以得到在Tc内出现K个脉冲的概率正比于公式6：
Figure BDA0002573556210000112
其中，f(T)为T的概率密度函数，Ω为积分区域，α为公式7中积分获得的常数，∝为正比于。因此利用P(E(K,T)/λ)与利用在Tc内出现K个脉冲的概率P(K/λ)计算单码元的对数似然比是等价的。
通过改变公式7中的λ可以得到单码元的对数似然比，根据先前的假设码元为0、1时到达接收端的光子速率分别为λ0,λ1则以在Tc内在ti,i＝1,2,...K出现K个脉冲为条件，推测单码元为1和0的概率分别为P(u＝1/K)和P(u＝0/K)，可以得到计数值K为条件的单码元的对数似然比为：
Figure BDA0002573556210000113
一般假设P(u＝1)＝P(u＝0)＝1/2，则：
Figure BDA0002573556210000114
由公式9可见，计算单码元的对数似然比必须估计λ0,λ1的值。当P(u＝1)＝P(u＝0)＝1/2时，不难得出:
Figure BDA0002573556210000115
Figure BDA0002573556210000116
在非理想检测条件下序列的似然函数：假设信道参数λ0,λ1在发送序列期间不发生变化，这种假设在实际工作时是合理的。虽然存在多径，但大部分场景下光信道可以看作是一种无记忆信道。在无记忆信道下利用每个码元的对数似然比可得到序列的似然函数。在接收端已知每个码元周期内的脉冲数序列
Figure BDA0002573556210000121
假定发送序列构成的集合U中第j个序列为Uj＝[uj1,uj2,...ujN]，则序列的似然函数为：
Figure BDA0002573556210000122
假定发送的每个序列均等概率，即P(Uj)＝1/||U||为常数，其中||U||为集合U中元素的个数，
Figure BDA0002573556210000123
为已知的接收值，此时
Figure BDA0002573556210000124
为固定的已知值，对于每个序列Uj，
Figure BDA0002573556210000125
为固定值，则利用公式11进行最大似然译码时可以忽略常数的影响，而不改变译码的结果，因此可将序列的似然函数改写为公式12，同时将公式9代入，可以得到：
Figure BDA0002573556210000126
其中，当发送序列为二进制序列时，公式12中的
Figure BDA0002573556210000127
为序列Uj中1的个数记作
Figure BDA0002573556210000128
可见与确定单码元的对数似然比一样，利用公式12进行最大似然译码同样需要进行信道参数λ0和λ1的估计，同时可以看到在公式12中还需要进行两种相对复杂的非线性运算，即指数运算和对数运算。
利用恒重序列对序列的似然函数进行简化处理：可以将公式12的序列的似然函数分为两个部分，分别记为ljA,ljB：
lj＝ljA+ljB
Figure BDA0002573556210000131
Figure BDA0002573556210000132
其中，当
Figure BDA0002573556210000133
为常数时，ljB不会影响似然函数值之间的比较结果，即当发送序列为二进制序列时，若发送序列集合中每个序列包含1的个数相同，每个序列对应的ljB为常数，此时可以将似然函数中的ljB忽略。在忽略ljB后，
Figure BDA0002573556210000134
前面的系数也不会影响似然函数值相互之间的大小关系，即不会影响最终译码的结果。假定集合U中包含2m个序列，即每个序列携带m比特信息。当每个序列包含1的个数
Figure BDA0002573556210000135
时，即序列的汉明重量为常数，可以对公式12的似然函数进行简化，得到公式14作为似然函数，而不影响最大似然译码的结果：
Figure BDA0002573556210000136
公式14可以看作是接收序列
Figure BDA0002573556210000137
与发送序列Uj＝[uj1,uj2,...ujN]之间的相关性运算。可见利用公式14中简单的相关性运算进行序列的最大似然译码，无需进行信道参数的估计，可以简化序列最大似然译码的处理，同时可以看到在公式14中只包含整数的乘法运算和加法运算，不涉及较为复杂的指数运算和对数运算，可以降低接收端设备的复杂度。
在得到公式14后，当接收端获取光子检测计数序列
Figure BDA0002573556210000138
后，可以通过公式14计算每个光子检测计数序列的似然函数值，共得到2m个似然函数值。在实际操作中可以利用矩阵U与序列
Figure BDA0002573556210000139
的转置相乘得到2m个似然函数值：
Figure BDA00025735562100001310
并在2m个似然函数值LU中选取最大值，输出该最大值在似然函数值中的位置序号j，j∈{0,1,...2m-1}，将j的二进制表示形式作为译码的结果。
在一个可选的示例中，以光通信波形中信息位分组的长度m＝3比特为例，此时发送序列集合需要包含2m＝8个序列。可以从光通信波形发送序列的长度N≥5的二进制序列中选取8个汉明重量相同的序列作为发送序列。为了提高编码的效率，可以考虑选取长度为5的二进制序列作为发送序列，此时，重量为2的序列和重量为3的序列均为10个。为了降低发射功率，可考以虑选取重量为2的二进制序列作为发送序列。所有长度为5重量为2的二进制序列为：
Figure BDA0002573556210000141
显然发送序列集合有
Figure BDA0002573556210000142
种构造方法。其中一种发送序列集合为：[00011，00110，01001，01100，10010，10100，11000，10001]，发送序列集合中的发送序列分别对应的信息序列集合中的信息序列为[000，001，010，011，100，101，110，111]。这种发送序列与信息序列的对应不是唯一的，只要是一一对应即可。上述发送序列集合构成的矩阵如下：
Figure BDA0002573556210000143
若需要发送的二进制形式的信息序列b＝[010]，其对应的十进制表示形式d＝2，则选择矩阵U中的第2行[0 1 0 0 1]作为发送序列，通过光发射装置发送。
若光子检测计数序列
Figure BDA0002573556210000144
根据公式13计算所有发送序列对应的似然函数值，可以得到：
Figure BDA0002573556210000145
从似然函数值中选取最大值35，根据最大值35在似然函数值中的位置序号2，在信息序列集合中确定对应的信息序列为“010”，作为译码的结果。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种波形发生装置，该波形发生装置可以设置于光通信系统的发送端，图7为本申请实施例的波形发生装置的一种实现方式的组成结构示意图，该波形发生装置可用于执行图1描述的波形设计方法，如图7所示，该波形发生装置至少包括：参数确定模块710和序列生成模块720，其中，参数确定模块710和序列生成模块720连接。
参数确定模块710，用于根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量。
序列生成模块720，用于根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同。
在申请实施例中，关于参数确定模块710和序列生成模块720的说明可以参见图7中关于S702和S704的说明，故在此不再敷述。
本申请实施例提供的波形发生装置，通过根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量，根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同；本申请实施例可以获得恒重的光通信发送序列，从而可以利用光通信发送序列为恒重序列的特点，对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，得到忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于采用该似然函数进行译码，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
可选地，在参数确定模块710中，光通信波形中信息位分组的长度m、光通信波形发送序列的长度N和重量W满足
Figure BDA0002573556210000151
可选地，在参数确定模块710中，光通信波形中信息位分组的长度m、光通信波形发送序列的长度N和重量W满足以下条件中的一条或多条：
在光通信波形中信息位分组的长度m固定的条件下，光通信波形发送序列的长度N尽可能小；
光通信波形发送序列的重量W为[N/2]，其中[N/2]为对N/2取整数；
发送序列集合中发送序列之间的汉明距离尽可能大；
光通信波形发送序列的重量W尽可能小。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种译码器，该译码器可以设置于光通信系统的接收端，图8为本申请实施例的译码器的一种实现方式的组成结构示意图，该译码器可用于执行图4描述的译码方法，如图8所示，该译码器至少包括：检测模块810、计算模块820和处理模块830，其中，检测模块810、计算模块820和处理模块830依次连接。
检测模块810，用于获取光通信波形的光子检测计数序列。
计算模块820，用于根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到。
处理模块830，用于从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应。
在申请实施例中，关于检测模块810、计算模块820和处理模块830的说明可以参见图4中关于S402、S404和S406的说明，故在此不再敷述。
本申请实施例提供的译码器，通过获取光通信波形的光子检测计数序列，根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值，从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应；本申请实施例利用光通发送序列为恒重序列的特点，可以对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，从而得到可以忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于本申请实施例的译码方法，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
可选地，计算模块820，通过似然函数，对光子检测计数序列和发送序列集合中的发送序列进行相关性处理，得到发送序列对应的似然函数值。似然函数采用相关性处理，无需进行信道参数的估计，可以简化序列最大似然译码的处理，降低接收端设备的复杂度。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，处理器、通信接口以及存储器通过总线完成相互间的通信；存储器，用于存放计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的程序，实现以下方法：
根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量；
根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同。
本申请实施例提供的电子设备，通过根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量，根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同；本申请实施例可以获得恒重的光通信发送序列，从而可以利用光通信发送序列为恒重序列的特点，对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，得到忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于采用该似然函数进行译码，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，处理器、通信接口以及存储器通过总线完成相互间的通信；存储器，用于存放计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的程序，实现以下方法：
获取光通信波形的光子检测计数序列；
根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到；
从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应。
本申请实施例提供的电子设备，通过获取光通信波形的光子检测计数序列，根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值，从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应；本申请实施例利用光通发送序列为恒重序列的特点，可以对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，从而得到可以忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于本申请实施例的译码方法，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种光通信系统，该光通信系统可以包括：如图7所示的波形发生装置和如图8所示的译码器，其中，波形发生装置设置于光通信系统的发送端，译码器设置于光通信系统的接收端；或者，该光通信系统可以包括：设置于光通信系统的发送端的用于执行图1描述的波形设计方法的电子设备，和设置于光通信系统的接收端的用于执行图4描述的译码方法的电子设备。
本申请实施例提供的光通信系统，利用光通发送序列为恒重序列的特点，可以对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，从而得到可以忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于本申请实施例的光通信系统，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下方法：
根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量；
根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同。
本申请实施例提供的计算机可读存储介质，通过根据光通信波形中信息位分组的长度，确定光通信波形发送序列的长度和重量，根据光通信波形中信息位分组的长度、光通信波形发送序列的长度和重量，构造光通信波形的发送序列集合，使发送序列集合中发送序列的重量均相同；本申请实施例可以获得恒重的光通信发送序列，从而可以利用光通信发送序列为恒重序列的特点，对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，得到忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于采用该似然函数进行译码，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
对应上述描述的方法，基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下方法：
获取光通信波形的光子检测计数序列；
根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到；
从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应。
本申请实施例提供的计算机可读存储介质，通过获取光通信波形的光子检测计数序列，根据光子检测计数序列和光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值，从似然函数值中选取最大值，根据最大值在似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，发送序列集合中发送序列的重量均相同，似然函数是基于发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到，信息序列集合中的信息序列与发送序列集合中的发送序列一一对应；本申请实施例利用光通发送序列为恒重序列的特点，可以对光子检测计数序列的似然函数进行简化处理，从而得到可以忽略信道参数的影响而不影响最大似然译码结果的似然函数，采用该似然函数进行译码，无需进行信道参数的估计，因此无需加入训练序列，可以降低发送端设备的复杂度，提高通信效率，无信道参数估计的误差，提高信息检测的质量。由于本申请实施例的译码方法，无需跟踪信道的时变性，因此特别适用于远距离光通信、飞行器间通信及水下光通信等光信号微弱的通信场景。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种波形设计方法，其特征在于，包括：
根据光通信波形中信息位分组的长度，确定所述光通信波形发送序列的长度和重量；
根据所述光通信波形中信息位分组的长度、所述光通信波形发送序列的长度和重量，构造所述光通信波形的发送序列集合，使所述发送序列集合中发送序列的重量均相同。
2.根据权利要求1所述的波形设计方法，其特征在于，所述光通信波形中信息位分组的长度m、所述光通信波形发送序列的长度N和重量W满足
Figure FDA0002573556200000011
3.根据权利要求1或2所述的波形设计方法，其特征在于，所述光通信波形中信息位分组的长度m、所述光通信波形发送序列的长度N和重量W满足以下条件中的一条或多条：
在所述光通信波形中信息位分组的长度m固定的条件下，所述光通信波形发送序列的长度N尽可能小；
所述光通信波形发送序列的重量W为[N/2]，其中[N/2]为对N/2取整数；
所述发送序列集合中发送序列之间的汉明距离尽可能大；
所述光通信波形发送序列的重量W尽可能小。
4.一种译码方法，其特征在于，包括：
获取光通信波形的光子检测计数序列；
根据所述光子检测计数序列和所述光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，所述发送序列集合中发送序列的重量均相同，所述似然函数是基于所述发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到；
从所述似然函数值中选取最大值，根据所述最大值在所述似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，所述信息序列集合中的信息序列与所述发送序列集合中的发送序列一一对应。
5.根据权利要求4所述的译码方法，其特征在于，根据所述光子检测计数序列和所述光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值，包括：
通过所述似然函数，对所述光子检测计数序列和所述发送序列集合中的发送序列进行相关性处理，得到发送序列对应的似然函数值。
6.一种波形发生装置，其特征在于，包括：
参数确定模块，用于根据光通信波形中信息位分组的长度，确定所述光通信波形发送序列的长度和重量；
序列生成模块，用于根据所述光通信波形中信息位分组的长度、所述光通信波形发送序列的长度和重量，构造所述光通信波形的发送序列集合，使所述发送序列集合中发送序列的重量均相同。
7.一种译码器，其特征在于，包括：
检测模块，用于获取光通信波形的光子检测计数序列；
计算模块，用于根据所述光子检测计数序列和所述光通信波形的发送序列集合，通过似然函数得到发送序列对应的似然函数值；其中，所述发送序列集合中发送序列的重量均相同，所述似然函数是基于所述发送序列集合中发送序列的重量均相同进行简化处理得到；
处理模块，用于从所述似然函数值中选取最大值，根据所述最大值在所述似然函数值中的位置序号，在信息序列集合中确定对应的信息序列作为译码的结果；其中，所述信息序列集合中的信息序列与所述发送序列集合中的发送序列一一对应。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，所述处理器、所述通信接口以及所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序，实现如权利要求1至3中任一项所述的波形设计方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，所述处理器、所述通信接口以及所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序，实现如权利要求4或5所述的译码方法。
10.一种光通信系统，其特征在于，包括：如权利要求6所述的波形发生装置和如权利要求7所述的译码器；或者如权利要求8和9所述的电子设备。
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