CN112422195A - 基于广义互信息的多维信号调制电路的设计方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于广义互信息的多维信号调制电路的设计方法及其应用，该设计方法包括：1、定义多维可传输符号集合及其相对应的二进制映射比特序列集合；2、根据给定的信道噪声方差δ²，以最大化广义互信息GMI为优化目标，并使得多维可传输符号集合在多维空间中每一个象限的传输符号均与第一象限传输符号形成轴对称关系，从而对多维度调制格式集合进行优化；3、计算所述最优多维度调制格式与多进制正交振幅调制格式之间的逻辑关系，从而根据所述逻辑关系，利用数字逻辑门电路实现基于QAM调制的多维信号调制电路的设计。本发明能降低映射复杂度和存储开销，从而达到自适应频谱效率的目的并实现低复杂度的编码方式。

Description

基于广义互信息的多维信号调制电路的设计方法及其应用

技术领域

本发明属于通信系统和信号处理领域，涉及光信号生成和编码调制，尤其涉及一种基于多维度几何整形的信号编码调制方法。

背景技术

随着信息现代化的不断发展，云计算，高清视频，5G，移动互联等服务走进人们的生活中，而这些都需要高速率，大容量的互联网能力的支撑。根据思科发布的《可视化网络指数》(VNI)报告预测，2022年，全球网络流经的IP流量将超过互联网元年到2016年底全部32年间的流量总和。光通信由于本身的高速率，大容量，传输距离长而得到广泛的应用。但是由于噪声，光纤的非线性效应影响着传输的性能，使得传输速率距离香农极限还有一段距离。

在高速光通信传输中，高阶调制提高频带利用率，提升传输速率并且可缩短与香农极限的差距得到广泛运用。但是随着调制阶数提高，星座点的距离更小，需要更高的信噪比,即发送端的需要更高的发送功率，接收端译码难度加大。然后，有学者提出了整形(Shaping)的思想，即在不改变当前调制的情况下，通过改变符号的概率分布或者改变星座点的距离来，使信号分布更加趋近于高斯分布，减小误码率，实现灵活的频谱效率，提升传输性能来逼近香农极限。

而目前整形使用的维度为一维或者二维，若扩展至多维度，常规的查表(look-uptable)方法将大大增高编码映射的复杂度，使得高速实时通信受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术对调制维度利用率低以及编码映射复杂性高的不足，提出一种基于广义互信息的多维信号调制电路的设计方法及其应用，以前能降低映射复杂度和存储开销，实现大传输容量、低发射功率、低误码率的信号传输，从而达到自适应频谱效率的目的并实现低复杂度的编码方式。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于广义互信息的多维信号调制电路的设计方法的特点包括：

步骤1、定义多维可传输符号集合记为S＝{s₁,s₂,...,s_i,...,s_M}，s_i表示第i个可传输符号；i∈[1,M]，定义与所述可传输符号集合S相对应的二进制映射比特序列集合记为B＝{b₁,b₂,...,b_i,...,b_M}，b_i表示第i个可传输符号s_i所对应的二进制映射比特序列，且b_i的长度为m＝log₂M；

步骤2、根据给定的信道噪声方差δ²，以最大化广义互信息GMI为优化目标，并使得多维可传输符号集合S在多维空间中每一个象限的传输符号均与第一象限传输符号形成轴对称关系，从而利用式(1)对由所述可传输符号集合S与所述二进制映射比特序列集合B所组成的多维度调制格式集合{S,B}进行优化，得到优化后的最优调制传输符号集合S^*和最优二进制映射比特序列集合B^*；

式(1)中，G(δ²,S,B)是计算广义互信息GMI的函数；

步骤2.1、定义当前迭代次数为I，最大迭代次数为I_max，初始化I＝1；

随机初始化第I次迭代的多维度调制格式集合为{S^I,B^I}，并计算第I次迭代的广义互信息GMI的值g^I；

步骤2.2、从第I次迭代的多维可传输符号集合S^I中第一象限的随机任意一对可传输符号组合

并在所述多维空间中进行移动，其他象限的可传输符号组合

按照轴对称关系进行相应移动，再将移动后的可传输符号组合

代入函数G(δ²,S^I+1,B)中，计算得到第I+1次迭代的广义互信息GMI的值g^I+1；

步骤2.3、判断g^I+1＞g^I是否成立，若成立，则保留第I+1次迭代的多维可传输符号集合S^I+1，否则，保留第I次迭代的多维可传输符号集合S^I；

步骤2.4、将I+1赋值给I，并判断I＞I_max是否成立，若成立，则将所保留的多维可传输符号集合作为最优多维度调制格式集合{S^*,B^*}；否则，返回步骤2.2；

步骤3、计算所述最优多维度调制格式{S^*,B^*}与多进制正交振幅调制格式{S^QAM,B^QAM}之间的逻辑关系，从而根据所述逻辑关系，利用数字逻辑门电路实现基于QAM调制的多维信号调制电路的设计，其中，S^QAM表示QAM调制的可传输符号集合，B^QAM表示QAM调制的二进制映射比特序列集合。

本发明一种基于广义互信息的多维信号调制电路的应用，是根据所设定的传输效率，利用所述的设计方法，得到多维信号调制电路并应用于发送端编码调制模块中，所述发送端编码调整模块还包括编码单元、串并转换分组单元、QAM调制单元；其中，所述传输效率为k比特每多维符号；

所述编码单元获取原始传输比特数据流{u₁,u₂,...,u_p,...,u_K}并进行纠错码的编码以及交织编码后，得到传输码字{b₁,b₂,...,b_q,...,b_N}，u_p表示第p个二进制比特，b_q表示编码后的第q个二进制比特；p∈[1,K]，q∈[1,N]；

所述串并转换分组单元对所述传输码字{b₁,b₂,...,b_q,...,b_N}进行串并转换后得到k路的长度为n＝N/k的并行输入序列；

所述多维信号调制电路对k路的并行输入序列转换为m路的并行数据后分组输出，其中m路中任意一路的并行数据记为{c₁,c₂,...,c_e,...,c_n}，c_e表示m路中任意一路的并行数据中第e个二进制比特；e∈[1,n]；

所述QAM调制单元对分组输出的并行数据进行正交振幅调制处理，得到多维的几何整形符号序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于偏振16阶正交幅度调制(PM-16QAM)结构实现了在四维结构下均匀分布，而在二维形式下不均匀分布的特性，从而在不增加开销的情况下实现了灵活的频谱效率；同时根据对称性设计，生成逻辑电路的实现方式简单，实用。

2、本发明的多维编码调制方法极为简单，不仅可以有效提升信号的抗线性和非线性传输损伤性能，实现了大传输容量、低发射功率、低误码率的信号传输。

3、本发明使用逻辑电路和M-QAM实现调制，相比原来的预先存储符号分布的方案，节省了器件存储的开销，降低了复杂度，可利用率高。

附图说明

图1为本发明用PM-16QAM实现的基于逻辑门电路的多维度编码调制系统框图；

图2为本发明用PM-16QAM实现四维调制下每一维度的一维概率分布；

图3为本发明用PM-16QAM实现频谱效率为6比特/四维符号的编码调制逻辑电路图；

图4为本发明用PM-16QAM实现频谱效率为6比特/四维符号的星座图；

图5为本发明用PM-16QAM实现频谱效率为7比特/四维符号的编码调制逻辑电路图；

图6为本发明用PM-16QAM实现频谱效率为7比特/四维符号的星座图；

图7为本发明在6比特/四维符号和7比特/四维符号调制格式下的广义互信息(GMI)性能与现有调制的性能比较图；

图8为本发明基于码率为0.8的低密度校验码和四维编码调制的性能比较图。

具体实施方式

在偏振多阶正交幅度调制(PM-MQAM)多维调制结构下，基于广义互信息(GMI)的多维信号调制电路的设计方法，通过多维度编码调制，实现了灵活频谱效率的数据流传输。如图1所示，图示为基于PM-16QAM结构和逻辑门电路实现传输效率为6比特/四维符号多维度联合调制。通过该方法，可以实现整形技术改变符号的多维度几何分布以及每个一维投影下可传输符号的概率分布。一维的概率分布如图2所示，不同的幅度出现的概率不同，从而减小发送端的平均发射功率，提高了传输效率，缩短了香农界限的距离，实现提高性能增益。

实例

本实施例中，一种基于广义互信息(GMI)的多维信号调制电路的设计方法，如图3和图5所示，取PM-MQAM中M＝16，即在偏振16阶正交幅度调制(PM-16QAM)四维结构下，该设计方法能实现传输效率分别为6比特/四维符号和7比特/四维符号的数据流传输。

本实施例可扩展任意调制编码长度、任意的传输频谱效率和实际的需求。具体的说，按如下步骤进行：

步骤1、定义多维可传输符号集合记为S＝{s₁,s₂,...,s_i,...,s_M}，s_i表示第i个可传输符号；i∈[1,M]，定义与可传输符号集合S相对应的二进制映射比特序列集合记为B＝{b₁,b₂,...,b_i,...,b_M}，b_i表示第i个可传输符号s_i所对应的二进制映射比特序列，且b_i的长度为m＝log₂M；其中，M＝256,m＝8。如图4和图6所示，即实现传输效率为6比特/四维符号和7比特/四维符号。偏振X和偏振Y上每一坐标点表示二维结构下的符号概率分布。其中图4所示，在每个二维投影下，白色空心圆点表示概率为P＝0的可传输星座点，黑色大圆点表示概率为P＝8/64的可传输星座点，黑色小圆点表示概率为P＝4/64的可传输星座点。而图6所示，在四维结构下，每个点的概率相同，都为P＝1/128；在每个二维投影下，大的圆点表示概率为P＝16/128的可传输星座点,小的圆点表示概率为P＝4/128的可传输星座点。图中可以看出，分布在中间的传输符号更为集中，所以两个偏振态各自的二维分布是不均匀的，但是把两个偏振叠加起来得到的四维符号分布是均匀分布的。一维的概率分布如图2所示，不同的幅度出现的概率不同，从而减小发送端的发射功率。

步骤2、根据给定的信道噪声方差δ²，以最大化广义互信息GMI为优化目标，并使得多维可传输符号集合S在多维空间中每一个象限的传输符号均与第一象限传输符号形成轴对称关系，从而利用式(1)对由可传输符号集合S与二进制映射比特序列集合B所组成的多维度调制格式集合{S,B}进行优化，得到优化后的最优调制传输符号集合S*和最优二进制映射比特序列集合B*；如图4和图6所示，即表示在两个偏振态上的16QAM调制分布。以第一象限的符号为基础，关于横轴，纵轴，原点对称得到每个偏振态上的其他象限符号。其中，噪声方差取值不同，实现的结果不一样。

式(1)中，G(δ²,S,B)是计算广义互信息GMI的函数；

步骤2.1、定义当前迭代次数为I，最大迭代次数为I_max，初始化I＝1；

随机初始化第I次迭代的多维度调制格式集合为{S^I,B^I}，并计算第I次迭代的广义互信息GMI的值g^I；

步骤2.2、从第I次迭代的多维可传输符号集合S^I中第一象限的随机任意一对可传输符号组合

并在多维空间中进行移动，其他象限的可传输符号组合

按照轴对称关系进行相应移动，再将移动后的可传输符号组合

代入函数G(δ²,S^I+1,B)中，计算得到第I+1次迭代的广义互信息GMI的值g^I+1；如图4和图6所示的符号的位置分布，根据对称特性，当第一象限的符号确定，其他象限的符号位置也就固定。可以看出只需对第一象限的符号进行移动并进行计算，从而得到GMI值。由于对称的特性，简化并降低了计算的复杂度。

步骤2.3、判断g^I+1＞g^I是否成立，若成立，则保留第I+1次迭代的多维可传输符号集合S^I+1，否则，保留第I次迭代的多维可传输符号集合S^I；

步骤2.4、将I+1赋值给I，并判断I＞I_max是否成立，若成立，则将所保留的多维可传输符号集合作为最优多维度调制格式集合{S^*,B^*}；否则，返回步骤2.2；

步骤3、计算最优多维度调制格式{S^*,B^*}与多进制正交振幅调制格式{S^QAM,B^QAM}之间的逻辑关系，从而根据逻辑关系，利用数字逻辑门电路实现基于QAM调制的多维信号调制电路的设计，其中，S^QAM表示QAM调制的可传输符号集合，B^QAM表示QAM调制的二进制映射比特序列集合。

若实现传输效率为6比特/四维符号的多维度调制，如图3所示，经过逻辑电路实现每输入6比特，输出8比特的非线性编码。其中，逻辑电路输入符号序列{b₁,b₂,...,b₆}和输出序列{c₁,c₂,...,c₈}，且逻辑电路图由下列逻辑关系实现：

c₁＝b₁；c₂＝b₂；

c₅＝b₄；c₆＝b₅；

上述

表示逻辑异或操作，“+”表示逻辑或操作,

表示逻辑非操作。输入序列的b₁b₂b₄b₅映射到输出的c₁c₂c₄c₅，用输入序列的b₃b₆根据逻辑关系来映射输出的c₃c₄c₇c₈。

若实现传输效率为6比特/四维符号的多维度调制，如图5所示，经过逻辑电路实现每输入传输7比特，输出8比特的非线性编码。其中，逻辑电路输入符号序列{b₁,b₂,...,b₇}和输出序列{c₁,c₂,...,c₈}，且逻辑电路图由下列逻辑关系实现：

c₁＝b₁；c₂＝b₂；

c₅＝b₄；c₆＝b₅；

上述

表示逻辑异或操作，“+”表示逻辑或操作,“*”表示逻辑与操作，

表示逻辑非操作。输入序列的b₁b₂b₄b₅映射到输出的c₁c₂c₄c₅，用输入序列的b₅b₆b₇来映射和表示输出的c₃c₄c₇c₈。

对于输出的序列，根据对应逻辑关系和逻辑异或们、与门、或门、非门来生成逻辑电路，从而得到基于PM-16QAM调制的多维信号逻辑电路图。

本实施例中，一种基于广义互信息的多维信号调制电路的应用，是根据所设定的传输效率，利用上述的设计方法，得到多维信号调制电路并应用于发送端编码调制模块中，发送端编码调整模块还包括编码单元、串并转换分组单元、QAM调制单元；其中，传输效率为k比特每多维符号；如图1所示，即为基于PM-16QAM结构和逻辑门电路实现传输效率为6比特/四维符号多维度联合调制。

步骤1.编码单元获取原始传输比特数据流{u₁,u₂,...,u_p,...,u_K}并进行纠错码的编码以及交织编码后，得到传输码字{b₁,b₂,...,b_q,...,b_N}，u_p表示第p个二进制比特，b_q表示编码后的第q个二进制比特；p∈[1,K]，q∈[1,N]；如图1所示，FEC编码前的u^K表示原始传输比特流，上标K表示数据流长度，b^N表示经过编码后的传输码字，上标N表示码字长度。

步骤2.串并转换分组单元对传输码字{b₁,b₂,...,b_q,...,b_N}进行串并转换后得到k路的长度为n＝N/k的并行输入序列；如图3所示，逻辑电路有6个输入端，8个输出端，即将传输码字分成并行6路数据。而如图5所示，逻辑电路有7个输入端，则将传输码字分成并行7路数据流。这里根据所需实际传输效率来确定。

步骤3.多维信号调制电路对k路的并行输入序列转换为m路的并行数据后分组输出，其中m路中任意一路的并行数据记为{c₁,c₂,...,c_e,...,c_n}，c_e表示m路中任意一路的并行数据中第e个二进制比特；e∈[1,n]；

步骤4.QAM调制单元对分组输出的并行数据进行正交振幅调制处理，得到多维的几何整形符号序列。如图1所示，本例实现四维结构下符号调制，即经过PM-16QAM调制输出后得到四维下的符号序列

两种传输效率调制格式(6比特/四维符号和7比特/四维符号)下的广义互信息(GMI)性能与现有调制的性能分析如图7所示，相比与现有具有同样频谱效率的调制方法PM-8QAM和128SP-16QAM，可知所提出的基于逻辑门电路实现的多维调制方法在6比特/四维符号和7比特/四维符号的频谱效率下，分别具有0.6dB和0.65dB的性能提升，且图中星座图6b4D-AC和7b4D-AC分别表示四维结构下6比特/四维符号和7比特/四维符号接收符号二维投影分布。图8表示基于码率为0.8的低密度奇偶校验码和四维编码调制的性能分析，可知在经过软判决译码的误码率性能上，所提出的6比特/四维符号和7比特/四维符号多维度调制方法分别具有0.55dB和0.6dB的性能提升。

Claims (2)

1.一种基于广义互信息的多维信号调制电路的设计方法，其特征包括：

步骤1、定义多维可传输符号集合记为S＝{s₁,s₂,...,s_i,...,s_M}，s_i表示第i个可传输符号；i∈[1,M]，定义与所述可传输符号集合S相对应的二进制映射比特序列集合记为B＝{b₁,b₂,...,b_i,...,b_M}，b_i表示第i个可传输符号s_i所对应的二进制映射比特序列，且b_i的长度为m＝log₂M；

步骤2、根据给定的信道噪声方差δ²，以最大化广义互信息GMI为优化目标，并使得多维可传输符号集合S在多维空间中每一个象限的传输符号均与第一象限传输符号形成轴对称关系，从而利用式(1)对由所述可传输符号集合S与所述二进制映射比特序列集合B所组成的多维度调制格式集合{S,B}进行优化，得到优化后的最优调制传输符号集合S^*和最优二进制映射比特序列集合B^*；

式(1)中，G(δ²,S,B)是计算广义互信息GMI的函数；

步骤2.1、定义当前迭代次数为I，最大迭代次数为I_max，初始化I＝1；

随机初始化第I次迭代的多维度调制格式集合为{S^I,B^I}，并计算第I次迭代的广义互信息GMI的值g^I；

步骤2.2、从第I次迭代的多维可传输符号集合S^I中第一象限的随机任意一对可传输符号组合

并在所述多维空间中进行移动，其他象限的可传输符号组合

按照轴对称关系进行相应移动，再将移动后的可传输符号组合

代入函数G(δ²,S^I+1,B)中，计算得到第I+1次迭代的广义互信息GMI的值g^I+1；

步骤2.3、判断g^I+1＞g^I是否成立，若成立，则保留第I+1次迭代的多维可传输符号集合S^{I +1}，否则，保留第I次迭代的多维可传输符号集合S^I；

步骤2.4、将I+1赋值给I，并判断I＞I_max是否成立，若成立，则将所保留的多维可传输符号集合作为最优多维度调制格式集合{S^*,B^*}；否则，返回步骤2.2；

步骤3、计算所述最优多维度调制格式{S^*,B^*}与多进制正交振幅调制格式{S^QAM,B^QAM}之间的逻辑关系，从而根据所述逻辑关系，利用数字逻辑门电路实现基于QAM调制的多维信号调制电路的设计，其中，S^QAM表示QAM调制的可传输符号集合，B^QAM表示QAM调制的二进制映射比特序列集合。

2.一种基于广义互信息的多维信号调制电路的应用，其特征是，根据所设定的传输效率，利用权利要求1所述的设计方法，得到多维信号调制电路并应用于发送端编码调制模块中，所述发送端编码调整模块还包括编码单元、串并转换分组单元、QAM调制单元；其中，所述传输效率为k比特每多维符号；

所述编码单元获取原始传输比特数据流{u₁,u₂,...,u_p,...,u_K}并进行纠错码的编码以及交织编码后，得到传输码字{b₁,b₂,...,b_q,...,b_N}，u_p表示第p个二进制比特，b_q表示编码后的第q个二进制比特；p∈[1,K]，q∈[1,N]；

所述串并转换分组单元对所述传输码字{b₁,b₂,...,b_q,...,b_N}进行串并转换后得到k路的长度为n＝N/k的并行输入序列；

所述多维信号调制电路对k路的并行输入序列转换为m路的并行数据后分组输出，其中m路中任意一路的并行数据记为{c₁,c₂,...,c_e,...,c_n}，c_e表示m路中任意一路的并行数据中第e个二进制比特；e∈[1,n]；

所述QAM调制单元对分组输出的并行数据进行正交振幅调制处理，得到多维的几何整形符号序列。

Images