CN116886203B

CN116886203B - 一种4维光信号的调制方法、装置及存储介质

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Publication number: CN116886203B
Application number: CN202311140512.3A
Authority: CN
Inventors: 肖潇; 杨明; 何伟炜
Original assignee: Zhongrui Sulian Wuhan Technology Co ltd
Current assignee: Zhongrui Sulian Wuhan Technology Co ltd
Priority date: 2023-09-06
Filing date: 2023-09-06
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2043-09-06
Also published as: CN116886203A

Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种4维光信号的调制方法、装置及存储介质。其中，本发明提供的一种4维光信号的调制方法，至少包括以下步骤：S10、在32QAM调制格式和双偏振态下，进行联合编码映射；S20、以线性信道条件为基础，根据任一联合编码形成映射对的广义互信息量值，获取两个偏振态谱效率为9比特的映射关系表；S30、通过映射关系表对待调制光进行调制，产生双偏振光信号。本发明通过双偏振32QAM的光信号和9bit的谱效率，有效提升了系统传输性能，同时降低了信号光传输过程中非线性噪声干扰。

Description

一种4维光信号的调制方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种4维光信号的调制方法、装置及存储介质。

背景技术

目前，概率整形代码在加性高斯白噪声（AWGN）信道中传输正交幅度调制（QAM）信号已显示出其有效性。而整形概率技术的主要特点是降低了传输光信号的平均光功率。

现有技术中，概率整形技术大多用于一维实现，即使用概率幅度调制技术对信号的幅度进行整形，但是概率幅度调制技术在码长较短的时候容易引起很大的速率损失，而过长的码长又会造成高的编码复杂度。同时，概率整形由于增加了传输信号的功率变化，从而导致光信号在光纤传输过程中产生更多的非线性噪声。因此，如果概率整形技术基于64QAM时，由于高阶64QAM调制格式的星座点过多，将受激光器相位噪声的影响，导致其实际应用传输过程中增益远低于理论。如若选用低阶的16QAM调制格式，又无法提升足够的增益，使光纤传输性能降低。

发明内容

本发明针对现有技术中高阶64QAM调制格式噪声影响较大，而低阶32QAM调制格式增益不够的问题，提供了一种4维光信号的调制方法，至少具备适用于短距离数据中心传输场景、降低非线性噪声干扰和提升系统传输性能的优点。

第一方面，本发明提供了一种4维光信号的调制方法，至少包括以下步骤：

S10、在32QAM调制格式和双偏振态下，进行联合编码映射；

S20、以线性信道条件为基础，根据任一联合编码形成映射对的广义互信息量值，获取两个偏振态谱效率为9比特的映射关系表；

S30、通过映射关系表对待调制光进行调制，产生双偏振光信号。

具体的，本发明实施例的一个构思在于通过多维的32QAM进行光信号调制，从而提升系统的传输性能。同时，在该构思的基础上，对多维32QAM的联合映射编码以及根据联合映射编码形成的映射对的广义互信息量值，使形成的双偏振光信号两个偏振态的谱效率为9比特。其中，本发明采用了双偏振的光通信方式，相较于传统的一维32QAM而言，系统传输性能提升了一倍，同时本发明根据线性信道条件，使双偏振光信号两个偏振态的谱效率为9比特，而大幅降低概率整形技术引起的非线性噪声和相位噪声，提高了光信号的降噪能力。

进一步的，联合编码映射的映射关系为，每9个比特b₀b₁b₂b₃b₄b₅b₆b₇b₈映射成以下4个符号I_x，Q_x，I_y，Q_y；其中，双偏振光的两个偏振态包括x偏振态和y偏振态，I_x为x偏振态的实部，Q_x为x偏振态的虚部，I_y为y偏振态的实部，Q_y为y偏振态的虚部。

进一步的，在步骤S20中具体包括以下步骤；

S21、根据任一符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}，给出一组映射比特b_0db_1db_2db_3db_4db_5db_6db_7db_8d，在预设信噪比下，计算此映射对的第一广义互信息量值；

S22、选取另一映射对，符号组为{I_xj，Q_xj，I_yj，Q_yj}，映射比特为b_0ib_1ib_2ib_3ib_4ib_5ib_6ib_7ib_8i，交换两映射对的映射比特，形成新映射对，其符号组为{I_xj，Q_xj，I_yj，Q_yj}，映射比特为b_0ib_1ib_2ib_3ib_4ib_5ib_6ib_7ib_8i，在预设信噪比下，计算新映射对第二广义互信息量值；

S23、当第一广义互信息量值≥第二广义互信息量值时，保留原映射对的映射关系；当第一广义互信息量值＜第二广义互信息量值时，对两映射对的映射比特同步进行调整；

S24、重复执行步骤S21至步骤S23，对符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}的映射关系不断迭代，当第一广义互信息量值无法再提升时，停止其映射关系的更新。

具体的，本发明的又一构思在于以广义互信息量值，对映射对中符号组和映射比特的映射关系进行配对优化，从而对光通信过程的功率预算进行提升。

进一步的，预设信噪比为25dB。

进一步的，根据步骤S21至步骤S24，获取谱效率为9比特的第一映射关系表。

具体的，基于本发明提供的步骤S21至步骤S24，对映射对中所有符号组合的映射比特进行配对优化，最终获得依据上述方法能得到的功率预算提升最优的映射关系表。

在一些实施例，本发明提供的一种4维光信号的调制方法，括以下步骤：

S25、选取任一符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}，及通过步骤S21至步骤S24更新后的映射比特b_0d´b_1d´b_2d´b_3d´b_4d´b_5d´b_6d´b_7d´b_8d´，计算此映射对的第三广义互信息量值；

S26、从符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}中选取任意两个符号，对其中一个符号增加，或，减少预设单位值，对另一个符号减少，或，增加预设单位值，映射比特不变，形成新映射对，在预设信噪比下，计算新映射对的第四广义互信息量值；

S27、当第三广义互信息量值≥第四广义互信息量值时，保留原映射对的映射关系；当第三广义互信息量值＜第四广义互信息量值时，保留新映射对的映射关系；

S28、重复执行步骤S25至步骤S27，对符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}的各符号值不断迭代，当第三广义互信息量值无法再提升时，停止各符号值的更新。

具体的，本发明实施例的又一构思在于，在已通过步骤S21至步骤S24获得的功率预算提升最优的映射关系表的情形下，通过对映射中符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}的符号组进行优化，进一步对功率预算进行提升。

其中，预设单位值为最小允许调节值。

进一步的，根据步骤S25至步骤S28，获取谱效率为9比特的第二映射关系表。

进一步的，本发明提供的一种4维光信号的调制方法，以40波、96GBaud、信道间隔100GHz、120km传输距离，进行相干光传输。

具体的，根据试验结果，采用步骤S21至步骤S24获取的映射关系表，广义互信息量可提升约0.35bits；而在采用步骤S25至步骤S28获取的映射关系表，广义互信息量可提升约0.46bits。

第二方面，本发明提供一种4维光信号的调制装置，用于实现第一方面提供的任一实施例提供的一种4维光信号的调制方法。

具体的，本发明提供了一种4维光信号的调制装置，至少包括：映射模块、双偏振调制模块和激光器；激光器用于产生待调制光；映射模块用于根据映射关系表对9比特进行映射；双偏振调制模块用于根据映射模块提供的9比特的映射符号，对待调制光进行调制，产生双偏振光信号。

进一步的，映射模块中包含映射关系表，用于将9比特b₀b₁b₂b₃b₄b₅b₆b₇b₈映射成4个符号I_x，Q_x，I_y，Q_y。

其中，映射关系表中各映射关系的获取通过步骤S21至步骤S24获取：

在一些实施例，映射关系表通过步骤S25至步骤S28获取：

在一些实施例，本发明提供的一种4维光信号的调制装置，用于40波、96GBaud、信道间隔100GHz、120km传输距离的应用场景。

值得理解的是，在实际的应用场景中，还包括：光信号发射器，用于对经过调制后的双偏振光信号的发射；

以及光接收器，用于接收经过光信号发射器发射的双偏振光信号。

实际上，在光信号的接收端也同样包括映射关系表，通过映射关系表，对接收到的双偏振光信号进行解析。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述计算机执行如第一方面任一实施例提供的一种4维光信号的调制方法。

综上所述，本发明提供了一种4维光信号的调制方法、装置及存储介质，至少具备以下优点：1、通过32QAM调制格式双偏振光的联合编码，以及通过广义互信息量值和谱效率9bit的使用，有效提升了系统传输性能，并同时降低了非线性噪声干扰；2、通过对谱效率为9bit的映射关系表的配对关系进行优化，使光通信功率预算得到提升；3、通过对符号组{I_xj，Q_xj，I_yj，Q_yj}内各符号值进行优化，进一步使光通信功率预算得到提升。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1本发明实施例提供的一种4维光信号的调制方法的示意图；

图2本发明另一实施例提供的一种4维光信号的调制方法的示意图；

图3为信噪比为25dB时，传统的32QAM的星座图示意；

图4为信噪比为25dB时，以步骤S21至步骤S24获取的映射关系表进行联合编码映射时，32QAM的星座图示意；

图5本发明又一实施例提供的一种4维光信号的调制方法的示意图；

图6为信噪比为25dB时，以步骤S25至步骤S28获取的映射关系表进行联合编码映射时，32QAM的星座图示意；

图7为采用传统32QAM映射、以步骤S21至步骤S24获取的映射关系表进行联合编码映射和以步骤S25至步骤S28获取的映射关系表进行联合编码映射时，三种映射方式的广义互信息量值比对示意图；

图8本发明实施例提供的一种4维光信号的调制装置。

具体实施方式

下面结合附图1至8，对本发明作详细的说明。

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。

本发明提供了一种4维光信号的调制方法、装置及存储介质，至少具备提升系统传输性能、降低非线性噪声干扰和提升光通信功率预算的优点。

请参见图1所示，图1本发明实施例提供的一种4维光信号的调制方法的示意图。

具体的，先通过步骤S10、在32QAM调制格式和双偏振态下，进行联合编码映射；然后通过步骤S20、以线性信道条件为基础，根据任一联合编码形成映射对的广义互信息量值，获取两个偏振态谱效率为9比特的映射关系表；最后采用步骤S30、通过映射关系表对待调制光进行调制，产生双偏振光信号。本发明以线性信道关系和广义互信息量值，对双偏振32QAM的映射关系进行优化，从而降低整个传输系统的非线性噪声。

请参见2所示，图2本发明另一实施例提供的一种4维光信号的调制方法的示意图。

在图1给出的步骤中，步骤S20还具体通过步骤S21根据任一符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}，给出一组映射比特b_0db_1db_2db_3db_4db_5db_6db_7db_8d，在预设信噪比下，计算此映射对的第一广义互信息量值。

其中，c的取值为0到511，d的取值为0到511。

然后通过步骤S22、选取另一映射对，符号组为{I_xj，Q_xj，I_yj，Q_yj}，映射比特为b_0ib_1ib_2ib_3ib_4ib_5ib_6ib_7ib_8i，交换两映射对的映射比特，形成新映射对，其符号组为{I_xj，Q_xj，I_yj，Q_yj}，映射比特为b_0ib_1ib_2ib_3ib_4ib_5ib_6ib_7ib_8i，在预设信噪比下，计算新映射对第二广义互信息量值。

其中，j的取值为0到511，i的取值为0到511。

再通过步骤S23、当第一广义互信息量值≥第二广义互信息量值时，保留原映射对的映射关系；当第一广义互信息量值＜第二广义互信息量值时，对两映射对的映射比特同步进行调整，从而完成对一个c值对应的配对映射比特的优化。

最后，通过步骤S24重复执行步骤S21至步骤S23，对符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}的映射关系不断迭代，当第一广义互信息量值无法再提升时，停止其映射关系的更新。

值得理解的是，表1给出了经过步骤S21至步骤S24进行配对优化后的第一映射关系表。

表1 第一映射关系表

因此，以表1作为示意进行举例，步骤S21至步骤S24可描述为：

对于映射对c=0，其符号组为{-0.82，0.82，-0.82，0.82}；d=0，其映射比特为00000000；计算该映射对的第一广义互信息量值；

选取j=1，其符号组为{-0.82，0.82，-0.82，0.27}；i=1，其映射比特为00000001，将符号组为{-0.82，0.82，-0.82，0.82}的映射比特更换为00000001，计算更换后映射对的第二广义互信息量值；

若第一广义互信息量值≥第二广义互信息量值，维持映射关系不变，c=0，其符号组仍为{-0.82，0.82，-0.82，0.82}；d=0，其映射比特仍为00000000；j=1，其符号组仍为{-0.82，0.82，-0.82，0.27}；i=1，其映射比特仍为00000001；

若第一广义互信息量值＜第二广义互信息量值，则更换两映射对的映射比特；此时，c=0，其符号组为{-0.82，0.82，-0.82，0.82}；d=0，其映射比特仍为00000001；j=1，其符号组仍为{-0.82，0.82，-0.82，0.27}；i=1，其映射比特仍为00000000；

此时c=0、d=0的映射对完成第一次更新迭代；

选取j=2，其符号组为{-0.82，0.82，-0.82，0.27}；i=2，其映射比特为00000001；重复上述计算第一广义互信息量值、第二广义互信息量值以及比对和映射比对更新过程，完成c=0、d=0的映射对的第二次更新迭代；

持续更新迭代，直至c=0、d=0映射对的广义互信息量值不再增大为止，完成c=0、d=0映射对的映射关系的确定；

在完成c=0、d=0映射对的映射关系的确认后，依次完成c=1、d=1映射对的映射关系的确认，直至完成c=511、d=511映射对的映射关系的确认；

通过上述示例，完成谱效率为9比特的映射关系表的更新。

值得说明的是，表1为已根据步骤S21至步骤S24完成更新后的第一映射关系表。

请参见图3所示，图3为信噪比为25dB时，传统的32QAM的星座图示意。

实际上，传统的的32QAM定义为512SP-32QAM，其星座图的每个星座点出现次数概率是相等的。应用到双偏振信号光时，传统的32QAM调制格式的每个偏振态将携带5bit的信息，双偏振则最终获取10bit的谱效率。此时，过多的星座点，将使激光器受相位噪声影响，而导致实际应用传输过程中增益低于理论。

进一步参见图4所示，图4为信噪比为25dB时，以步骤S21至步骤S24获取的映射关系表进行联合编码映射时，32QAM的星座图示意。

此时，由于本发明通过步骤S21至步骤S24获取谱效率为9bit的映射关系表（见表1），此时将映射方式定义为PS-9b4D-32QAM。从图示可以看出，每个星座点出现的是不等概率，幅度值较小的星座点，出现概率较高，幅度较高的星座点，出现概率较低，从而可以有效提升光通信功率预算。

请参见图5所示，图5本发明又一实施例提供的一种4维光信号的调制方法的示意图。

具体的，在已经获取表1的映射关系对照表后，通过S25、选取任一符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}，及通过步骤S21至步骤S24更新后的映射比特b_0d´b_1d´b_2d´b_3d´b_4d´b_5d´b_6d´b_7d´b_8d´，计算此映射对的第三广义互信息量值；

其中，c取值为0-511，d´取值为0-511。

然后通过步骤S26、从符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}中选取任意两个符号，对其中一个符号增加，或，减少预设单位值，对另一个符号减少，或，增加预设单位值，映射比特不变，形成新映射对，在预设信噪比下，计算新映射对的第四广义互信息量值；

例如，选取符号Ixc，Qxc，设预设单位值为ɑ，则Ixc-ɑ，Qxc+ɑ，此时形成新的映射关系。

再通过步骤S27、当第三广义互信息量值≥第四广义互信息量值时，保留原映射对的映射关系（符号值不进行改变），当第三广义互信息量值＜第四广义互信息量值时，保留新映射对的映射关系（符号值进行改变）；

最后通过S28、重复执行步骤S25至步骤S27，对符号组{I_xc，Q_xc，I_yc，Q_yc}的各符号值不断迭代，当第三广义互信息量值无法再提升时，停止各符号值的更新。

现以表2进行举例示意，表2为通过步骤S25至步骤S28获取的第二映射关系表。

表2 第二映射关系表

例如：原映射对c=0，符号组{0.22，0.22，0.24，0.25}；d´=0，其映射比特为00000000，计算第三广义互信息量值；

此时选取任意两个符号Ixc-ɑ，Qxc+ɑ，新的符号组为{0.22-ɑ，0.22+ɑ，0.24，0.25}，映射比特仍为00000000，形成新映射对，计算新映射对的第四广义互信息量值；

当第三广义互信息量值≥第四广义互信息量值时，保留原映射对的映射关系，即c=0，符号组{0.22，0.22，0.24，0.25}；d´=0，其映射比特为00000000；

当第三广义互信息量值＜第四广义互信息量值时，取新映射对的映射关系，即c=0，符号组{0.22-ɑ，0.22+ɑ，0.24，0.25}；d´=0，其映射比特为00000000；

此时完成c=0，i=0的映射对的第一次更新迭代；

根据步骤S28，再次选取两个符号，I_yc-ɑ，Q_yc+ɑ，则新的符号组为{0.22，0.22，0.24-ɑ，0.25+ɑ}（假设第一次更新迭代保留了原映射对的映射关系，如未保留，新的符号组为{0.22-ɑ，0.22+ɑ，0.24-ɑ，0.25+ɑ}），此时重新计算第三广义互信息量值、第四广义互信息量值，并按两者的比对结果，对c=0，d´=0映射对的映射关系进行更新；

持续重复执行步骤S25至步骤S28，直至第三广义互信息量值不再产生增大；

根据上述示意，完成所有谱效率为9bit的映射对的映射关系的更新。

值得说明的是，表2为已经根据步骤S25至步骤S28完成更新后的第二映射关系表。

请参见图6所示，图6为信噪比为25dB时，以步骤S25至步骤S28获取的映射关系表进行联合编码映射时，32QAM的星座图示意。

此时，星座图的星座点不严格在，并定义表2映射关系表为GS-9b4D-32QAM。从图示可以看出，每个星座点出现的次数也是不等概率，同时星座点的个数也不是严格的32个。如果把相近的点归为一个点簇，可以认为该星座图有32个星座点簇。

请参见图7所示，图7为采用传统32QAM映射、以步骤S21至步骤S24获取的映射关系表进行联合编码映射和以步骤S25至步骤S28获取的映射关系表进行联合编码映射时，三种映射方式的广义互信息量值比对示意图。

具体的，考虑40波、96GBaud、信道间隔100GHz、120km传输距离的应用场景，512SP-32QAM（传统等概率的32QAM调制格式）的广义互信息量值最小，其次是PS-9b4D-32QAM（采用表1的映射关系表），然后是GS-9b4D-32QAM（采用表2的映射关系表）。实际上，PS-9b4D-32QAM相较于传统的512SP-32QAM而言，广义互信息量值提升了0.35bits；GS-9b4D-32QAM相较于传统的512SP-32QAM而言，广义互信息量值提升了0.35bits。

请参见图8所示，图8本发明实施例提供的一种4维光信号的调制装置。

在一些实施例，映射关系表通过步骤S25至步骤S28获取：

值得理解的是，在实际的应用场景中，还包括：光信号发射器，用于对经过调制后的双偏振光信号的发射；以及光接收器，用于接收经过光信号发射器发射的双偏振光信号。实际上，在光信号的接收端也同样包括映射关系表，通过映射关系表，对接收到的双偏振光信号进行解析。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述计算机执行本发明提供的一种4维光信号的调制方法。

以上对本发明进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种4维光信号的调制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S10、在32QAM调制格式和双偏振态下，进行联合编码映射；

S30、通过映射关系表对待调制光进行调制，产生双偏振光信号；

联合编码映射的映射关系为，每9个比特b₀b₁b₂b₃b₄b₅b₆b₇b₈映射成以下4个符号I_x，Q_x，I_y，Q_y；

其中，双偏振态包括x偏振态和y偏振态，I_x为x偏振态的实部，Q_x为x偏振态的虚部，I_y为y偏振态的实部，Q_y为y偏振态的虚部；

在步骤S20中具体包括以下步骤；

2.如权利要求1所述一种4维光信号的调制方法，其特征在于，预设信噪比为25dB。

3.如权利要求1所述一种4维光信号的调制方法，其特征在于，根据步骤S21至步骤S24，获取谱效率为9比特的第一映射关系表。

4.如权利要求1所述一种4维光信号的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述一种4维光信号的调制方法，其特征在于，根据步骤S25至步骤S28，获取谱效率为9比特的第二映射关系表。

6.如权利要求3或5所述一种4维光信号的调制方法，其特征在于，以40波、96GBaud、信道间隔100GHz、120km传输距离，进行相干光传输。

7.一种4维光信号的调制装置，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述一种4维光信号的调制方法，至少包括：映射模块、双偏振调制模块和激光器；

激光器用于产生待调制光；

映射模块用于根据映射关系表对9比特进行映射；

双偏振调制模块用于根据映射模块提供的9比特的映射符号，对待调制光进行调制，产生双偏振光信号。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1-6任一项所述的方法。