CN116961774A - 一种概率整形的信号生成与检测方法、存储介质及装置 - Google Patents

一种概率整形的信号生成与检测方法、存储介质及装置 Download PDF

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CN116961774A CN202310899330.8A CN202310899330A CN116961774A CN 116961774 A CN116961774 A CN 116961774A CN 202310899330 A CN202310899330 A CN 202310899330A CN 116961774 A CN116961774 A CN 116961774A
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Abstract

本发明公开了一种概率整形的信号生成与检测方法、存储介质及装置,涉及相干光通信领域,该方法包括基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。本发明在整体上优化光传输系统的性能,提高了其兼容性以及稳定性。

Description

一种概率整形的信号生成与检测方法、存储介质及装置
技术领域
本发明涉及相干光通信领域,具体涉及一种概率整形的信号生成与检测方法、存储介质及装置。
背景技术
随着高清视频流、大数据、云计算等业务的快速发展,人们对网络传输容量的需要呈指数增长。在长距离大容量的传输方面,如传输距离超10000km系统(海缆传输系统),通常情况下,由于受到信噪比的限制,调制格式多采用QPSK(Quadrature Phase ShiftKeying,四相移相键控)这样低阶调制的方式。当采用QPSK这样的单幅度分布星座图时,则无法采用概率整形这样一种能够灵活调制各星座点分布概率以提升调制编码增益的编码方式。
为了解决上述问题,通常采用更高阶调制的方法,如QAM16(一种正交幅度调制方式),并加以概率整形编码使得传输信号能够满足上述要求,但是这样做会使得传输系统对信号信噪比要求提升过高,同时会使得传输容量和传输距离都受到了极大的限制。因此,当前亟需一种在不提升信噪比过高要求的情况下,使得低阶调制获得概率整形编码的有效方法。
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概率整形的信号生成与检测方法、存储介质及装置,在整体上优化光传输系统的性能,提高了其兼容性以及稳定性。
为达到以上目的,本发明提供一种概率整形的信号生成与检测方法,具体包括以下步骤:
基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;
对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;
在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
在上述技术方案的基础上,所述基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据,具体步骤包括:
在QPSK原有的4个星座点的基础上,增加一幅度为零的星座点,并通过概率整形方式使得增加的星座点符合概率编码需求;
确定所需发送的5个星座点的概率,得到原始发送数据。
在上述技术方案的基础上,
所述QPSK原有的4个星座点的概率相同,增加的幅度为零的星座点的概率为,1-4p,其中,p表示QPSK的原有星座点的概率。
在上述技术方案的基础上,
所述原始发送数据的熵值M为:
M=-4p·log2 p-(1-4p)·log2 p(1-4p);
所述原始发送数据的有效传输速率V为:
V=M×B
其中,B表示波特率。
在上述技术方案的基础上,所述对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出,具体步骤包括:
将原始发送数据通过编码器进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号;
在发送端将发送信号进行调制后送入光纤进行传输。
在上述技术方案的基础上,所述在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,具体步骤包括:
在接收端接收信号,并对接收的信号进行色散补偿、信道补偿、频偏相位补偿处理,得到经过补偿和均衡后的发送序列。
在上述技术方案的基础上,所述构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据,具体步骤包括:
在对信号进行解映射时,划定符合为零的星座点的判定范围,再平均划分其他4点星座点的判定范围,以构建基于概率的判别方式;
基于构建的基于概率的判别方式,对信号的符号进行判决,之后进行比特映射,恢复原始发送数据。
在上述技术方案的基础上,对信号的符号进行判决,具体为:
当|R|<r时,判定符号为0;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)≥0,判定符号为1+i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)≥0,判定符号为-1+i;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)<0,判定符号为1-i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)<0,判定符号为-1-i;
其中,R表示信号,r表示设定值,Real表示复数的实部计算函数,imag表示复数的虚部计算函数,1+i、1-i、-1-i、-1+i分别表示QPSK原有正交的4个星座点在星座图上的位置。
本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现上述所述概率整形的信号生成与检测方法的步骤。
本发明提供一种概率整形的信号生成与检测装置,包括:
增加模块,其用于基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;
发送模块,其用于对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;
接收模块,其用于在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
与现有技术相比,本发明的优点在于:通过采用基于有幅度零点的概率整形编码方式,在采用低阶调制的基础上,通过极少量的增加不同星座点的数量实现了概率调制,同时在保持了原有系统的结构的情况下,利用其编码特性实现调制信号信噪比性能的提升,本发明的方案适用于长距离光相干系统信号传输,在整体上优化光传输系统的性能,提高了其兼容性以及稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种概率整形的信号生成与检测方法的流程图;
图2为接收端的系统结构图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种概率整形的信号生成与检测方法,通过采用基于有幅度零点的概率整形编码方式,在采用低阶调制的基础上,通过极少量的增加不同星座点的数量实现了概率调制,同时在保持了原有系统的结构的情况下,利用其编码特性实现调制信号信噪比性能的提升,本发明的方案适用于长距离光相干系统信号传输,在整体上优化光传输系统的性能,提高了其兼容性以及稳定性。本发明实施例相应地还提供了一种非暂态计算机可读存储介质和一种概率整形的信号生成与检测装置。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。
本发明实施例提供的一种概率整形的信号生成与检测方法,在QPSK的4个星座点的基础上,通过增加一个幅度为零的星座点,通过概率整形使得该点的概率以符合概率编码需求,这样通过增加的星座点不仅提升概率编码增益,同时由于新增星座点幅度为零,这样不仅使得所有星座点仍然保持正交,同时当发送功率和原有功率保持一致时,相当于提升了原有4个星座点的平均发送功率,从而实现了信号信噪比的提升,进一步满足了长距离传输时系统对信噪比需求,有效的增强了相干通信系统在长距离传输的环境中的实用性。
参见图1所示,本发明实施例提供的一种概率整形的信号生成与检测方法,具体包括以下步骤:
S1:基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;
本发明中,基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据,具体步骤包括:
S101:在QPSK原有的4个星座点的基础上,增加一幅度为零的星座点,并通过概率整形方式使得增加的星座点符合概率编码需求,即通过增加的星座点不仅提升概率编码增益,同时由于新增星座点幅度为零,这样不仅使得所有星座点仍然保持正交,同时当发送功率和原有功率保持一致时,相当于提升了原有4个星座点的平均发送功率,从而实现了信号信噪比的提升,进一步满足了长距离传输时系统对信噪比需求。
S102:确定所需发送的5个星座点的概率,得到原始发送数据。
本发明中,QPSK原有的4个星座点的概率相同,增加的幅度为零的星座点的概率为,1-4p,其中,p表示QPSK的原有星座点的概率。
原始发送数据的熵值M为:
M=-4p·log2 p-(1-4p)·log2 p(1-4p);
所述原始发送数据的有效传输速率V为:
V=M×B
其中,B表示波特率。
S2:对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;
本发明中,对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出,具体步骤包括:
S201:将原始发送数据通过编码器进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号;
S202:在发送端将发送信号进行调制后送入光纤进行传输。
即首先在发送端,不改变原有的发送端系统结构,在QPSK原有的4个星座点的基础上,增加一幅度为零的星座点,然后确定所需发送的5个星座点的概率,得到原始发送数据,原始发送数据通过编码器进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,将此信号进行调制后送入光纤进行传输。
S3:在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
本发明中,在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,具体步骤包括:在接收端接收信号,并对接收的信号进行色散补偿、信道补偿、频偏相位补偿处理,得到经过补偿和均衡后的发送序列。
本发明中,构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据,具体步骤包括:
S301:在对信号进行解映射时,划定符合为零的星座点的判定范围,再平均划分其他4点星座点的判定范围,以构建基于概率的判别方式;
S302:基于构建的基于概率的判别方式,对信号的符号进行判决,之后进行比特映射,恢复原始发送数据。
本发明中,对信号的符号进行判决,具体为:
当|R|<r时,判定符号为0;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)≥0,判定符号为1+i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)≥0,判定符号为-1+i;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)<0,判定符号为1-i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)<0,判定符号为-1-i;
其中,R表示信号,r表示设定值,Real表示复数的实部计算函数,imag表示复数的虚部计算函数,1+i、1-i、-1-i、-1+i分别表示QPSK原有正交的4个星座点在星座图上的位置。
需要说明的是,由于概率整形的调制信号同原信号在其结构上并没有本质的差别,因此,在接收端可以大部分采用原有的接收方法进行接收,首先对信号进行色散补偿、信道补偿、频偏相位补偿等,从而获得经过补偿和均衡后的发送序列。由于该信号分布非标准,当其进行解映射时提出一种基于概率的判别方法,其规则如下:首先划定符合为零的星座点的判定范围(即概率空间),再平均划分其他4点星座点的判定范围,以构建基于概率的判别方式。基于上述构建的基于概率的判别方式,对信号的符号进行判决,之后进行比特映射,恢复原始发送数据,即恢复原始发送数据流。
以下对本发明的概率整形的信号生成与检测方法,进行具体说明。
首先数据流通过映射产生概率整形符号,以图2为例说明其规则和方法,首先3bit数据映射一个符号,图2仅为说明,既也可为其他映射规则。设定正交的4点信号概率相同都为p,零点概率为1-4p,熵值M为M=-4p·log2 p-(1-4p)·log2 p(1-4p),波特率为B时,数据有效传输速率为V=M×B。因此可以根据不同的系统环境灵活调制概率p、波特率B,以满足在相同传输速率V的条件下,信号传输信噪比以接近香农极限。确定好发送信号参量以后,信号经过双偏振IQ调制器进行调制,生成的光信号发送到光纤内进行传输。
在接收端通过相干接收,并且之后通过相应的数字信号处理流程,这些同原有系统相同。当完成所有均衡和补偿算法后,得到接收的数据信号需要进行解映射,本发明提出一种新的方案,其规则如下:
假定QPSK原有正交的4个星座点在星座图上的位置分别为1+i、1-i、-1-i、-1+i,中心点为0,因此对于接收到的信号R,解映射规则为:
当|R|<r时,判定符号为0;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)≥0,判定符号为1+i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)≥0,判定符号为-1+i;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)<0,判定符号为1-i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)<0,判定符号为-1-i;
其中,r可根据符号0的概率进行调整,从而实现非等概率判别,这样使得在原有概率整形的基础上,对符号接收同样采用概率判别,从而提升了符号判别的正确率,提高了系统的误码率。
本发明实施例的概率整形的信号生成与检测方法,通过采用基于有幅度零点的概率整形编码方式,在采用低阶调制的基础上,通过极少量的增加不同星座点的数量实现了概率调制,同时在保持了原有系统的结构的情况下,利用其编码特性实现调制信号信噪比性能的提升,本发明的方案适用于长距离光相干系统信号传输,在整体上优化光传输系统的性能,提高了其兼容性以及稳定性。
在一种可能的实施方式中,本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质,可读存储介质位于PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)控制器中,可读存储介质上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现以下所述概率整形的信号生成与检测方法的步骤:
基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;
对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;
在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于:电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件,或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号,其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式,包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质,该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输,包括但不限于:无线、电线、光缆、RF等等,或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码,所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言,诸如Java、Smalltalk、C++,还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络,包括局域网(LAN)或广域网(WAN),连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本发明实施例提供的一种概率整形的信号生成与检测装置,包括增加模块、发送模块和接收模块。
增加模块用于基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;发送模块用于对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;接收模块用于在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
本发明中,基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据,具体步骤包括:
在QPSK原有的4个星座点的基础上,增加一幅度为零的星座点,并通过概率整形方式使得增加的星座点符合概率编码需求;
确定所需发送的5个星座点的概率,得到原始发送数据。
本发明中,QPSK原有的4个星座点的概率相同,增加的幅度为零的星座点的概率为,1-4p,其中,p表示QPSK的原有星座点的概率。
本发明中,原始发送数据的熵值M为:
M=-4p·log2 p-(1-4p)·log2 p(1-4p);
所述原始发送数据的有效传输速率V为:
V=M×B
其中,B表示波特率。
本发明中,对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出,具体步骤包括:
将原始发送数据通过编码器进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号;
在发送端将发送信号进行调制后送入光纤进行传输。
本发明中,在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,具体步骤包括:
在接收端接收信号,并对接收的信号进行色散补偿、信道补偿、频偏相位补偿处理,得到经过补偿和均衡后的发送序列。
本发明中,构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据,具体步骤包括:
在对信号进行解映射时,划定符合为零的星座点的判定范围,再平均划分其他4点星座点的判定范围,以构建基于概率的判别方式;
基于构建的基于概率的判别方式,对信号的符号进行判决,之后进行比特映射,恢复原始发送数据。
本发明中,对信号的符号进行判决,具体为:
当|R|<r时,判定符号为0;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)≥0,判定符号为1+i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)≥0,判定符号为-1+i;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)<0,判定符号为1-i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)<0,判定符号为-1-i;
其中,R表示信号,r表示设定值,Real表示复数的实部计算函数,imag表示复数的虚部计算函数,1+i、1-i、-1-i、-1+i分别表示QPSK原有正交的4个星座点在星座图上的位置。
以上所述仅是本申请的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

Claims (10)

1.一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;
对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;
在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
2.如权利要求1所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于,所述基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据,具体步骤包括:
在QPSK原有的4个星座点的基础上,增加一幅度为零的星座点,并通过概率整形方式使得增加的星座点符合概率编码需求;
确定所需发送的5个星座点的概率,得到原始发送数据。
3.如权利要求2所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于:
所述QPSK原有的4个星座点的概率相同,增加的幅度为零的星座点的概率为,1-4p,其中,p表示QPSK的原有星座点的概率。
4.如权利要求3所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于:
所述原始发送数据的熵值M为:
M=-4p·log2 p-(1-4p)·log2 p(1-4p);
所述原始发送数据的有效传输速率V为:
V=M×B
其中,B表示波特率。
5.如权利要求2所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于,所述对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出,具体步骤包括:
将原始发送数据通过编码器进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号;
在发送端将发送信号进行调制后送入光纤进行传输。
6.如权利要求2所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于,所述在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,具体步骤包括:
在接收端接收信号,并对接收的信号进行色散补偿、信道补偿、频偏相位补偿处理,得到经过补偿和均衡后的发送序列。
7.如权利要求6所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于,所述构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据,具体步骤包括:
在对信号进行解映射时,划定符合为零的星座点的判定范围,再平均划分其他4点星座点的判定范围,以构建基于概率的判别方式;
基于构建的基于概率的判别方式,对信号的符号进行判决,之后进行比特映射,恢复原始发送数据。
8.如权利要求7所述的一种概率整形的信号生成与检测方法,其特征在于,对信号的符号进行判决,具体为:
当|R|<r时,判定符号为0;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)≥0,判定符号为1+i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)≥0,判定符号为-1+i;
当|R|>r,且Real(r)≥0,且imag(r)<0,判定符号为1-i;
当|R|>r,且Real(r)<0,且imag(r)<0,判定符号为-1-i;
其中,R表示信号,r表示设定值,Real表示复数的实部计算函数,imag表示复数的虚部计算函数,1+i、1-i、-1-i、-1+i分别表示QPSK原有正交的4个星座点在星座图上的位置。
9.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述概率整形的信号生成与检测方法的步骤。
10.一种概率整形的信号生成与检测装置,其特征在于,包括:
增加模块,其用于基于QPSK的原有星座点,增加一幅度为零的星座点,并确定所需发送的星座点的概率,得到原始发送数据;
发送模块,其用于对原始发送数据进行映射处理,得到所需概率整形的发送信号,并在发送端将信号发出;
接收模块,其用于在接收端接收信号,并基于信号接收处理方式对信号进行处理,并构建基于概率的判别方式对信号进行解映射,恢复原始发送数据。
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