CN112019278B - 三维mamsk-cap光子接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维MAMSK‑CAP光子接入方法，属于光通信技术领域，包括：将输入的原始数据经过串并变化后分为三个部分各自进行映射，形成三路不同幅度值的MSK信号；将三路不同幅度值的MSK信号分别叠加至三路MAMSK信号，并通过自适应算法调整最优调制比情况下三路MSK信号的幅度值，以生成三路MAMSK信号；将生成的三路MAMSK信号分别进行上采样和三路相互正交的滤波器正交滤波后，经加法器相加合成一路得到输出信号，即为生成的三维MAMSK‑CAP信号。本发明对比相移键控PSK具有更高的频谱效率，增加了MAMSK信号的正交性，实现更好的误码率性能，在改善传统CAP误码率的同时实现了更高复用效率和多维度灵活性的优势互补。

Description

三维MAMSK-CAP光子接入方法
技术领域
本发明涉及三维MAMSK-CAP光子接入方法，属于光通信技术领域。
背景技术
近年来，在物联网技术，高清视频服务等推动下，信息产业呈现蓬勃发展，数据中心内外部及高性能计算机之间的数据通信需求迅速增长。同时，随着从当前的“信息互联网”到“物联网”的不断过渡，在物联网中，数十亿的智能设备将不断交换信息，机器对机器的流量预计将以更快的速度增长，可能很快就会超过人类产生的数据流量。为了满足当前带宽的迫切需求，需要大容量、低功耗、低复杂度的光互连。脉冲幅度调制(PAM)，正交幅度相位调制(QAM)和无载波幅度相位调制(CAP)等先进的调制格式，展现出了下一代光互连的良好潜力，可以实现每个通道中速率超过100Gbps的信号传输。
其中CAP只需要简单的固化滤波器就能实现信号的调制解调，不需要能量消耗大的反傅里叶变换模块和价格昂贵的射频混频器，而且通过扩展多个维度的滤波器就能向多路复用发展，可以实现低成本高灵活度的传输。然而多维度CAP也存在一些缺陷，对于一个符号周期为Ts的N维CAP系统，其滤波器带宽必须大于N/2Ts，否则CAP系统的正交性无法保持，导致严重的符号串扰和信道干扰。同时为了避免出现码间串扰而与上采样因子保持一致的滤波器抽头数也会增加，这就导致了在常规的N维CAP系统中，系统频谱效率受到严重抑制。此外，常规的CAP调制中采用了QAM调制，相邻符号间的相位轨迹是不连续的，会引起旁瓣的功率泄露产生载波干扰和相位噪声。因此需要一种相位连续且窄带频谱的方式增强高维度CAP中的抗相位噪声能力和频偏能力，同时有效降低系统带宽提高频谱利用率。
发明内容
为了改善多维度CAP需要更多的带宽上采样因子维持滤波器正交性而造成的频谱利用率不高的问题，本发明提出了一种三维MAMSK-CAP光子接入方法,对传统多维CAP中的传输频谱进行改善。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
三维MAMSK-CAP光子接入方法，包括以下步骤：
将输入的原始数据经过串并变化后分为三个部分各自进行映射，形成三路不同幅度值的MSK信号；
通过自适应算法调整最优调制比情况下三路MSK信号的幅度值，以生成三路MAMSK信号；
将生成的三路MAMSK信号分别进行上采样，将三路上采样后的MAMSK信号经过三路相互正交的滤波器后得到三路相互正交的MAMSK信号，将三路相互正交的MAMSK信号经加法器相加合成一路得到输出信号，即为生成的三维MAMSK-CAP信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中形成三路不同幅值的MSK信号，具体表示为：
Figure GDA0003596223700000021
其中，A表示振幅，ωc＝2πfc表示载波角频率，ak＝±1，即输入码元“1”时ak为1，输入码元“0”时ak为-1；TB表示码元宽带，
Figure GDA0003596223700000022
表示第k个码元的初始相位；t表示时刻。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中生成的三路MAMSK信号，具体表示为：
Figure GDA0003596223700000023
其中，A(t)表示三路MSK信号的幅度值。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中三路相互正交的滤波器采用Minmax算法，具体表示为：
Figure GDA0003596223700000024
s.tR(z)ΓS(z)＝Z-nI
其中，Fi表示滤波器fi的傅里叶变换频谱；|Fi,HP|,i＝1,2,3表示F1 F2 F3的频谱超出用户自定义的一个归一化截止频率fB的带外部分，其中fB≥N/2T，N表示维度，T表示符号间隔；以及，线性约束中R(z)、S(z)表示接收端和发射端滤波器组的多相分解，Γ表示置换矩阵，I表示单位矩阵，Z-n表示n个延迟元素。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中生成的三维MAMSK-CAP信号，具体表示为：
Figure GDA0003596223700000031
其中，fi表示滤波器；N表示维度。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
在传统CAP传输系统中，空间维度增加虽然提高了传输的灵活性但是也面临着频谱利用率低的问题，若单是用改进滤波器设计的方式容易引入滤波器之间的串扰，需要进行均衡算法降低干扰，增加了系统复杂度，而且误码性能不能得到有效保证。
本发明采用的三维MAMSK-CAP光子接入方法，在CAP滤波之前进行了MAMSK多路映射，MAMSK(multi-amplitude minimum shift keying，多振幅最小频移键控技术)中的差分相位调制及相位连续性较其他调幅格式来说可以提供更好的频谱特性，同时具有更好的抵抗非线性损伤的能力；在本发明方案中，采用的MAMSK是一种相邻符号间相位连续的多幅值键控方式，对比相移键控PSK具有更高的频谱效率，应用于传统的CAP中可通过载波瘦身的方式提高系统频谱效率；复用的三维CAP通过正交滤波的方式增加了MAMSK信号的正交性，结合优化的多个MAMSK振幅可以实现最佳BER性能需求，实现更好的误码率性能。因此，本发明通过MAMSK与CAP的结合在改善传统CAP误码率的同时实现了更高复用效率和多维度灵活性的优势互补。
附图说明
图1为本发明三维MAMSK-CAP光子接入方法的流程图。
图2为本发明中三维MAMSK-CAP光子接入原理图。
图3为本发明中三维MAMSK星座点及轨迹曲线示意图。
具体实施方式
为使本方法的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举例实施，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明提供了一种三维MAMSK-CAP光子接入方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、将输入的原始数据经过串并变化后分为三个部分各自进行映射，形成三路不同幅度值的MSK信号，可以具体表示为：
Figure GDA0003596223700000041
其中，A表示振幅，ωc＝2πfc表示载波角频率，ak＝±1，即输入码元“1”时ak为1，输入码元“0”时ak为-1。TB表示码元宽带，
Figure GDA0003596223700000042
表示第k个码元的初始相位，在一个码元宽度中保持不变，它的作用是保持t＝TB时刻信号相位的连续性。
步骤2、通过自适应算法调整最优调制比情况下三路MSK信号的幅度值，以生成三路MAMSK信号。
在映射结束后将三路不同幅度值的MSK信号叠加得到三路MAMSK信号，如图2所示，为了满足接收端最佳BER性能需求，通过自适应算法计算最优调制比情况下三路MSK的幅度值，用A(t)表示，此时生产的三路MAMSK信号即为：
Figure GDA0003596223700000043
其星座图及星座轨迹曲线如图3所示，从图3中可以看出具有MAMSK信号的幅度值根据调制系数设计分布且不存在为0的情况，这在很大程度上可以改善非线性带来的影响，且从轨迹曲线可以看出MAMSK相位连续不会发生180的相位跳变。
步骤3、将生成的三路MAMSK信号分别进行上采样，将三路上采样后的MAMSK信号经过三路相互正交的滤波器后得到三路相互正交的MAMSK信号，将三路相互正交的MAMSK信号经加法器相加合成一路得到输出信号，即为生成的三维MAMSK-CAP信号。
具体地，生成的MAMSK信号在经过多路分配映射器后，分为3路进行CAP的叠加复用，该部分主要可以分为两个部分：上采样单元和滤波器单元。在上采样单元中，进行一定倍数的上采样能在接收端恢复出发送信息，同时降低滤波器的抽数数要求。为了进行叠加的三维复用，将上采样后的信号乘以三路相互正交的滤波器。
本发明三路相互正交的滤波器采用的Minmax算法可以表述为：
Figure GDA0003596223700000051
s.t R(z)ΓS(z)＝Z-nI
其中，Fi表示滤波器fi的傅里叶变换频谱，i＝1,2,3。|Fi,HP|,i＝1,2,3表示F1 F2F3的频谱超出用户自定义的一个归一化截止频率fB的带外部分，其中fB≥N/2T，N表示维度，T表示符号间隔，s.t表示线性约束条件。线性约束中R(z),S(z)表示接收端和发射端滤波器组的多相分解，Γ表示置换矩阵，I表示单位矩阵，Z-n表示n个延迟元素，通过该线性约束计算出接收端响应的匹配滤波器。在上式中通过利用最优化原理，在给定频谱特性条件下找到满足正交条件的三个滤波器端发送波形，可以得到一个高频能量被完全抑制，低频部分的能量谱分布集中且均匀的理想低通滤波器。同时接收端的匹配滤波器可以通过发送端的滤波器反转得到：ri＝reverse(fi),i＝1,2,3。
根据图2所示的原理，经过三路相互正交的滤波器后的信号可表示为：
Figure GDA0003596223700000052
再经过加法器相加合成一路可以都得到输出信号：
Figure GDA0003596223700000053
即为生成的三维MAMSK-CAP信号。
因此，本发方法通过多振幅MSK叠加复用得到一种具有多级振幅和出色频谱效率的MAMSK信号，再将得到的MAMSK信号经过三维正交滤波器实现CAP的堆砌复用。在本发明方案中，采用的MAMSK是一种相邻符号间相位连续的多幅值键控方式，对比相移键控(PSK)具有更高的频谱效率，应用于传统的CAP中可通过载波瘦身的方式提高系统频谱效率；复用的三维CAP通过正交滤波的方式增加了MAMSK信号的正交性，结合优化的多个MAMSK振幅可以实现最佳BER性能需求。
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 (4)

1.三维MAMSK-CAP光子接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
将输入的原始数据经过串并变化后分为三个部分各自进行映射，形成三路不同幅度值的MSK信号；
通过自适应算法调整最优调制比情况下三路MSK信号的幅度值，以生成三路MAMSK信号；
将生成的三路MAMSK信号分别进行上采样，将三路上采样后的MAMSK信号经过三路相互正交的滤波器后得到三路相互正交的MAMSK信号，将三路相互正交的MAMSK信号经加法器相加合成一路得到输出信号，即为生成的三维MAMSK-CAP信号；
其中，所述三路相互正交的滤波器采用Minmax算法，具体表示为：
Figure FDA0003516684940000011
s.t R(z)ΓS(z)＝Z-nI
公式中，Fi表示滤波器fi的傅里叶变换频谱；|Fi,HP|,i＝1,2,3表示F1 F2 F3的频谱超出用户自定义的一个归一化截止频率fB的带外部分，其中fB≥N/2T，N表示维度，T表示符号间隔；以及，s.t表示线性约束条件，线性约束条件中R(z)、S(z)表示接收端和发射端滤波器组的多相分解，Γ表示置换矩阵，I表示单位矩阵，Z-n表示n个延迟元素。
2.根据权利要求1所述三维MAMSK-CAP光子接入方法，其特征在于，所述方法中形成三路不同幅度值的MSK信号，具体表示为：
Figure FDA0003516684940000012
其中，A表示振幅，ωc＝2πfc表示载波角频率，ak＝±1，即输入码元“1”时ak为1，输入码元“0”时ak为-1；TB表示码元宽带，
Figure FDA0003516684940000014
表示第k个码元的初始相位；t表示时刻。
3.根据权利要求2所述三维MAMSK-CAP光子接入方法，其特征在于，所述方法中生成的三路MAMSK信号，具体表示为：
Figure FDA0003516684940000013
其中，A(t)表示三路MSK信号的幅度值。
4.根据权利要求3所述三维MAMSK-CAP光子接入方法，其特征在于，所述方法中生成的三维MAMSK-CAP信号，具体表示为：
Figure FDA0003516684940000021
其中，fi表示滤波器；N表示维度。
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