CN112787723B - 一种非线性编码器、编码方法及光传输系统 - Google Patents

一种非线性编码器、编码方法及光传输系统 Download PDF

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Abstract

一种非线性编码器、编码方法及光传输系统，涉及高速、长距离光传输网络领域，编码器包括：非负数转换模块，其用于将输入的M阶QAM信号的实部或虚部信号转换为最小差值为1的非负数x·(n)，n为时间序列的编号，且n为非负整数；延时反馈模块，其用于将x·(n)进行延时、反馈、及求和得到y·(n)，
Figure DDA0002868683890000011
Figure DDA0002868683890000012
线性变换模块，其用于将y·(n)经过线性变换得到y(n)。将M阶QAM信号编码为非等概率分布的4M阶QAM信号，从而实现频谱压缩，压缩频谱后的信号通过带宽受限信道，其所受的ISI将大大降低，从而能够有效提升传输性能，降低带宽受限带来的传输性能损失，提高传输质量。

Description

一种非线性编码器、编码方法及光传输系统
技术领域
本发明涉及高速、长距离光传输网络领域，具体涉及一种非线性编码器、编码方法及光传输系统。
背景技术
为实现单波长速率400Gb/s以上的长距离高速光传输，光传输系统将采用高波特率信号发送，将达到60Gbaud以上，而发送端的数模转换器(Digital to analogconverter，DAC)、驱动、光I/Q调制器，以及接收端的相干接收机、模数转换器(Analog todigital converter，ADC)等光电器件的带宽往往不能完全满足要求，带宽相比于信号波特率的受限，将不可避免地引入码间串扰(Inter symbol interference，ISI)，从而影响信号传输质量。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种非线性编码器、编码方法及光传输系统，降低带宽受限带来的传输性能损失，提高传输质量。
为达到以上目的，一方面，采取一种非线性编码器，包括：
非负数转换模块，其用于将输入的M阶QAM信号的实部或虚部信号转换为最小差值为1的非负数x·(n)，n为时间序列的编号，且n为非负整数；
延时反馈模块，其用于将x·(n)进行延时、反馈、及求和得到y·(n)，
Figure BDA0002868683870000011
线性变换模块，其用于将y·(n)经过线性变换得到y(n)。
优选的，所述非负数转换模块通过公式
Figure BDA0002868683870000021
得到非负数x·(n)，其中，M为QAM信号的阶数，x(n)为输入的实部或虚部的信号。
优选的，所述延时反馈模块包括：
第一延时器，用于将所述x·(n)延时一个符号周期，得到x·(n-1)；
第二延时器，用于将所述y·(n)延时一个符号周期，得到y·(n-1)；
取整模块，用于将y·(n-1)除以
Figure BDA0002868683870000022
再经过向下取整的非线性操作得到
Figure BDA0002868683870000023
加法器，用于将所述x·(n-1)、非负数转换模块输出的x·(n)、以及
Figure BDA0002868683870000024
进行求和，得到y·(n)。
优选的，所述线性变换模块通过公式：
y(n)＝2y·(n)+1-log2 4M，得到y(n)。
另一方面，提供一种非线性编码方法，将M阶QAM信号的实部和虚部信号，分别按照如下方式进行编码：
根据
Figure BDA0002868683870000025
得到最小差值为1的非负数x·(n)，其中x(n)为编码前信号，n表示时间序列编号，且n为非负整数，M为QAM信号的阶数；
根据
Figure BDA0002868683870000026
将x·(n)经过延时、反馈、求和操作，得到y·(n)，其中
Figure BDA0002868683870000027
表示向下取整的运算；
根据y(n)＝2y·(n)+1-log2 4M，进行线性变换得到y(n)。
另一方面，提供一种基于非线性编码器的光传输系统，包括：
发送端，包括M阶QAM调制器和两个非线性编码器，所述M阶QAM调制器用于调制M阶QAM信号，M阶QAM信号的实部和虚部信号分别通过一个非线性编码器调制为非等概率分布的4M阶QAM调制信号，再通过I/Q调制转为光信号输出；
接收端，其用于接收发送端输出的光信号并转换为数字信号，经过DSP处理后，恢复出非等概率分布的4M阶QAM调制信号，在通过最大似然序列估计信号检测解码出原始信息；
光纤链路，其用于将发送端输出的光信号传输给接收端。
优选的，所述发送端还包括：
数模转换器，用于接收两个非线性编码器编码后的信号，并转换为模拟信号；
I/Q调制器，其用于将所述模拟信号进行I/Q调制，转换为光信号；
第一激光器，其用于为I/Q调制器提供光载波。
优选的，所述接收端包括：
相干接收机，其用于接收光纤链路传输的光信号；
第二激光器，其用于为相干接收机提供光载波；
模数转换器，其用于将模拟信号转换为数字信号；
DSP模块，其用于将转换后的数字信号进行DSP处理，恢复出非等概率分布的4M阶QAM调制信号；
信号检测模块，其用于将DSP模块输出的信号通过最大似然序列估计信号检测，解码出原始信息。
优选的，所述DSP模块中DSP处理至少包括信道均衡、频偏估计和相位恢复。
优选的，所述非线性编码器根据如下公式获得x·(n)和y(n)，
Figure BDA0002868683870000031
y(n)＝2y·(n)+1-log2 4M；
其中，x(n)为输入的实部或虚部的信号。
上述技术方案具有如下有益效果：
通过非线性编码将M阶QAM信号编码为非等概率分布的4M阶QAM信号，从而实现频谱压缩，编码后的信号3dB带宽相比编码前的信号大大降低，压缩频谱后的信号通过带宽受限信道，其所受的ISI将大大降低，从而能够有效提升传输性能，降低带宽受限带来的传输性能损失，提高传输质量。
在发送端进行非线性编码，在接收端进行处理，并采用MLSE信号检测模块对4M阶QAM信号进行解码，有效地改善了信号经过带宽受限信道的传输性能。
附图说明
图1为本发明实施例非线性编码器示意图。
图2为本发明实施例编码器输入和输出信号星座图；
图3为本发明实施例编码器输入和输出频谱图；
图4为本发明实施例光传输系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，提供一种非线性编码器的实施例，适用于正方形M阶QAM调制信号(4QAM、16QAM、64QAM、以及256QAM等)，非线性编码器包括非负数转换模块、延时反馈模块和线性变换模块。
非负数转换模块用来接收M阶QAM信号的实部或虚部信号，即非线性编码器的输入信号x(n)，n为时间序列的编号，且n为非负整数。非负数转换模块还用来将x(n)转换为最小差值为1的非负数x·(n)。延时反馈模块用于将x·(n)进行延时、反馈、及求和得到y·(n)，线性变换模块用来将y·(n)经过线性变换得到y(n)。
在一种实施例中，x(n)通过公式(1)计算得到x·(n)：
Figure BDA0002868683870000051
其中，M为QAM信号的阶数。
延时反馈模块具体根据公式(2)进行计算：
Figure BDA0002868683870000052
其中
Figure BDA0002868683870000053
表示向下取整的运算，为非线性运算。
在一种实施例中，根据公式(3)进行线性变换。
y(n)＝2y·(n)+1-log2 4M 公式(3)
具体的，上述延时反馈模块包括第一延时器、第二延时器、取整模块和加法器。
第一延时器(图1中T1)，用于将x·(n)延时一个符号周期，得到x·(n-1)；
第二延时器(图1中T2)，用于将y·(n)延时一个符号周期，得到y·(n-1)；
取整模块，用于将y·(n-1)除以
Figure BDA0002868683870000054
再经过向下取整(记为
Figure BDA0002868683870000055
)的非线性操作得到
Figure BDA0002868683870000056
加法器，用于将x·(n-1)、非负数转换模块输出的x·(n)、以及
Figure BDA0002868683870000057
进行求和，得到y·(n)。
上述非线性编码器可将M阶QAM调制信号变换为非等概率分布的4M阶QAM调制信号。
如图2所示，以M＝4的4QAM调制信号作为非线性编码器输入，图2中左边部分为4QAM调制信号，经过非线性表编码后，非线性编码器输出非等概率分布的16QAM信号，星座图为图2右边部分。
如图3所示，横轴为频率，纵轴为功率，可以看出经过非线性编码后的信号3dB带宽(即功率下降3dB所对应的频率范围)相比编码前的信号大大降低。
本发明还提供一种非线性编码方法的实施例，将M阶QAM信号的实部和虚部信号，分别按照如下方式进行编码：
根据
Figure BDA0002868683870000061
得到最小差值为1的非负数x·(n)，其中x(n)为编码前信号，n表示时间序列编号，且n为非负整数，M为QAM信号的阶数；
根据
Figure BDA0002868683870000062
将x·(n)经过延时、反馈、求和操作，得到y·(n)，其中
Figure BDA0002868683870000063
表示向下取整的运算；
根据y(n)＝2y·(n)+1-log2 4M，进行线性变换得到y(n)。
如图4所示，基于上述非线性编码器，提供一种光传输系统的实施例，包括通过光纤链路连接的发送端和接收端。
发送端包括M阶QAM调制器和两个非线性编码器，M阶QAM调制器用于调制M阶QAM信号，M阶QAM信号的实部和虚部分别为I路信号和Q路信号，I路信号和Q路信号分别通过一个非线性编码器，调制为非等概率分布的4M阶QAM调制信号，再通过I/Q调制转为光信号输出。
具体的，发送端还包括数模转换器(Digital to Analog Convector，DAC)、I/Q调制器和第一激光器。数模转换器用于接收两个非线性编码器编码后的信号，并转换为模拟信号；模拟信号被送入I/Q调制器中转换为光信号；第一激光器用于为I/Q调制器提供光载波。I/Q调制器输出的光信号通过光纤链路传输给接收端。
接收端用于接收光信号并转换为数字信号，经过DSP处理后，恢复出非等概率分布的4M阶QAM调制信号，在通过最大似然序列估计信号检测解码出原始信息，原始信息就是发送端在编码前的信息。具体的，接收端包括相干接收机、第二激光器、模数转换器、DSP模块和信号检测模块。相干接收机用于接收光纤链路传来的光信号；第二激光器用于为相干接收机提供光载波。模数转换器(ADC)用于将相干接收机输出的模拟信号转换为数字信号；DSP模块用于将转换后的数字信号进行DSP处理，恢复出非等概率分布的4M阶QAM调制信号；信号检测模块用于将4M阶QAM调制信号通过最大似然序列估计(MLSE)信号检测，解码出原始信息。
上述实施例解决了信号波特率增加导致的信号带宽增加和光电器件等带来的信道带宽受限之间的矛盾，通过非线性编码对信号频谱进行压缩，从而使信号带宽与信道带宽相匹配，达到减小ISI的效果。进一步的，接收端可以通过最大似然序列估计(MLSE)信号检测进行解码，获得原始信息。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种非线性编码器，其特征在于，包括：
非负数转换模块，其用于将输入的M阶QAM信号的实部或虚部信号转换为最小差值为1的非负数x·(n)，n为时间序列的编号，且n为非负整数；
延时反馈模块，其用于将x·(n)进行延时、反馈、及求和得到y·(n)，
Figure FDA0003478208590000011
线性变换模块，其用于将y·(n)经过线性变换得到y(n)；
所述非负数转换模块通过公式
Figure FDA0003478208590000012
得到非负数x·(n)，其中，M为QAM信号的阶数，x(n)为输入的实部或虚部的信号；
所述延时反馈模块包括：
第一延时器，用于将所述x·(n)延时一个符号周期，得到x·(n-1)；
第二延时器，用于将所述y·(n)延时一个符号周期，得到y·(n-1)；
取整模块，用于将y·(n-1)除以
Figure FDA0003478208590000013
再经过向下取整的非线性操作得到
Figure FDA0003478208590000014
加法器，用于将所述x·(n-1)、非负数转换模块输出的x·(n)、以及
Figure FDA0003478208590000015
进行求和，得到y·(n)；
所述线性变换模块通过公式：y(n)＝2y·(n)+1-log24M，得到y(n)。
2.一种非线性编码方法，其特征在于，将M阶QAM信号的实部和虚部信号，分别按照如下方式进行编码：
根据
Figure FDA0003478208590000016
得到最小差值为1的非负数x·(n)，其中x(n)为编码前信号，n表示时间序列编号，且n为非负整数，M为QAM信号的阶数；
将所述x·(n)延时一个符号周期，得到x·(n-1)；将所述y·(n)延时一个符号周期，得到y·(n-1)；将y·(n-1)除以
Figure FDA0003478208590000021
再经过向下取整的非线性操作得到
Figure FDA0003478208590000022
根据
Figure FDA0003478208590000023
Figure FDA0003478208590000024
得到y·(n)，其中
Figure FDA0003478208590000025
表示向下取整的运算；
根据y(n)＝2y·(n)+1-log24M，进行线性变换得到y(n)。
3.一种基于权利要求1所述非线性编码器的光传输系统，其特征在于，包括：
发送端，包括M阶QAM调制器和两个非线性编码器，所述M阶QAM调制器用于调制M阶QAM信号，M阶QAM信号的实部和虚部信号分别通过一个非线性编码器调制为非等概率分布的4M阶QAM调制信号，再通过I/Q调制转为光信号输出；
接收端，其用于接收发送端输出的光信号并转换为数字信号，经过DSP处理后，恢复出非等概率分布的4M阶QAM调制信号，在通过最大似然序列估计信号检测解码出原始信息；
光纤链路，其用于将发送端输出的光信号传输给接收端。
4.如权利要求3所述的光传输系统，其特征在于，所述发送端还包括：
数模转换器，用于接收两个非线性编码器编码后的信号，并转换为模拟信号；
I/Q调制器，其用于将所述模拟信号进行I/Q调制，转换为光信号；
第一激光器，其用于为I/Q调制器提供光载波。
5.如权利要求3所述的光传输系统，其特征在于，所述接收端包括：
相干接收机，其用于接收光纤链路传输的光信号；
第二激光器，其用于为相干接收机提供光载波；
模数转换器，其用于将模拟信号转换为数字信号；
DSP模块，其用于将转换后的数字信号进行DSP处理，恢复出非等概率分布的4M阶QAM调制信号；
信号检测模块，其用于将DSP模块输出的信号通过最大似然序列估计信号检测，解码出原始信息。
6.如权利要求5所述的光传输系统，其特征在于，所述DSP模块中DSP处理至少包括信道均衡、频偏估计和相位恢复。
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