CN1172562A

CN1172562A - 用于非线性传输介质的传输系统

Info

Publication number: CN1172562A
Application number: CN96191639A
Authority: CN
Inventors: A·N·辛哈; A·J·E·M·雅森
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: DE69636981D1; JP3805372B2; DE69636981T2; US5917858A; EP0806091B1; EP0806091A1; WO1997020399A1; JPH10513630A; CN1155163C

Abstract

在一个传输系统中,当多个调幅信号组成为一个组合信号并通过一个非线性传输介质传输时会产生组合信号的失真。这会使传输容量减少。为了改进传输容量,相应于大幅度的符号的概率就要减少。

Description

用于非线性传输介质的传输系统

本发明涉及一种具有一个发射机的传输系统，发射机包括从多个的数字符号序列获得多个编码的数字符号序列的编码装置，用来从多个所述得到多个编码的数字符号序列中获得多个数字调制的载波信号的调制装置，发射机还包括用来从所述多个数字调制载波信号中获得一个组合信号的组合装置，发射机配置得用来通过一非线性传输介质向接收机发送所述组合信号，接收机包括用来从所接收的信号中得到至少一个序列的编码的符号的解调装置。

本发明又涉及用于上述这样一种系统的发射机，编码器\解调器，接收机和用于这样一种系统的信号。

上述前序部分的发射机可以从发表在Electronic(电子快报)，2^nd January 1992，Vol.28，No.1，pp.65-67上的由J.H，Wu，Y.H.Lee和J.Wu所著的题为“Coding to increase number of channelsin QAM-SCM-IM\DD”一文中知晓。

上述发射机系统可以在所有具有非传输介质的传输网络中见到其应用。

此种传输系统的第一例子是光传输系统。该传输系统在这里看成是包括一个电光转换器，例如一个激光器，一个诸如光纤或自由空间的光传输通道和诸如光电二极管这样的光电转换器。在普通的光传输系统中，传输系统的非线性主要是由光电转换器造成的，但也可能是传输通道中的光放大器是非线性的主要原因。

上述传输系统的第二个例子是诸如CATV网络这样的电缆传输网络。这里非线性主要是由置于网络几处的放大器的非线性造成的。

在传输网络中，常常需要传输多个序列的数字符号。每个所述的序列的数字符号代表了例如一个单独的(HD)电视节目或一个数据业务。在已知的传输系统中，每个所述单独序列被编码以获得一个序列的编码的数字符号。因此，被编码的数字符号的序列被调制在一个适当的载波上以获得一个调制载波信号。最后，将不同的载波信号组合为一个组合信号，并通过传输介质将其传输出去。

由于传输介质的非线性，组合的信号将经历某种非线性失真，结果产生谐波和交互调制产物。此种失真产物的存在会对需要的信号造成干扰，从而使得出错概率增加。

在已知的传输系统中，数字符号的序列用一个(255，239)BCH纠错码进行编码以减少接收的数字符号的错误概率。由于使用这样一种纠错码，使得可以允许更多的失真，从而可以允许较大的组合信号的幅度。这导致传输系统的容量的增加。而增加传输系统容量的要求是至为重要的。

本发明的目的是为了提供一种如前序部分所述的具有增加容量的传输系统。

因此本发明的传输系统其特征在于：编码装置被安置得用来这样取得编码的数字符号的序列，使得编码符号的概率越大，相应于所述的编码符号的调制的信号幅度越小。

本发明是基于这样的认识：相应于大幅度的已调信号载波的符号的传输是非线性失真的主要原因。通过减少所述符号的概率，由所有载波引入的平均失真将会减少。这就可允许使用较大的幅度和从而使有较大的传输容量。

本发明的第一实施例的特征在于：非线性传输介质包括一个级连的光电转换器，一个光传输信道和一个光电转换器。

在一个光传输系统中，非线性主要是受激光二极管偏流的限制而使组合信号的负信号偏移限幅所致，因此此种非线性失真通常被称之为“限幅噪声”。然而，在组合信号的正偏移时有可能发生某种程度的饱和。

本发明的第二实施例的特征在于：非线性传输介质包括多个通过至少一个放大器互连的信道段。

在一个放大器是失真的主因的传输系统中，在组合信号的正和负偏移时都会产生失真。

现在结合附图来更详细地描述本发明。

图1是本发明的产生系统；

图2是图1的传输介质4的子一个传输介质；

图3是用于本发明的传输系统的编码器和译码器的实施例；

图4是在本发明的传输系统的接收机中的作为值为“1”的数字符号的概率的函数的幅度-噪声比；

图5是用于本发明的16-QAM构象。

在图1的传输系统中，多个数字符号序列加到编码装置即编码器12…16的输入端。每个编码器12…16的输出端与调制装置即调制器14…18的输入端相连。调制器14…18的输出端与组合装置20的输入端相连。

组合装置20的输出端与传输介质的输入端相连。传输介质的输入端由电光转换器22的一个输入端构成。电光转换器22的输出端与光纤网络24的输入端相连。多个光纤网络24的输出端与光电转换器的输入端相连。其中一个光电转换器用参考符号26标识。传输介质4的输出端即是各光电转换器的输出端。

在接收机10中，输入端与选择器28相连。选择器28的输出端与解调器30的输入端相连。解调器30的输出端与译码器32的输入端相连。在译码器32的输出端，可提供重建的数字符号序列。根据图1的传输系统，N序列数字符号被编码器12…16转换成N序列编码的数字符号。每个序列数字符号可以代表一个音频，视频或数据信号。在调制器14…18中，通过至少以幅度来调制载波信号来获得一个数字调制的载波信号。合适的调制方案例如是ASK(移幅键控)和QAM(正交幅度调制)。

被调制的载波信号在相加器20中被组合。相加器20的输出携带了组合后的信号，它被连接到非线性传输介质。非线性主要是因组合信号的负偏移而由激光器22产生的。激光器22的偏置电流等于I_b，为了无失真传输，代表组合信号的电流的幅度I_c应该比I_b小。调制指数m＝I_c/I_b从而应该比1小。如果组合的信号包括N个已调载波，则每个已调载波信号的调制指数m_i为无失真传输而被限于1/N(如果m_i对所有的载波都相等)。令m_i＞1/N确定的失真容量可以使传输系统的传输容量增加。对激光二极管22的光输出功率P_opt可以写为：

P_opc＝C.I_laser＝C.MAX[(I_b+I_c)，I_ch] (1)

在(I)式中，C是比例常数，I_th是激光二极管22的门限电流，而MAZ[x，y]是由x，y确定的最大值。电流I_c可以写成：

I_c＝I_b. (2)

在(2)式中，a_ij是相应于第j个次符号的第i个已调载波的振幅的归一化幅度。激光二极管22的光功率P_opt可以写成：

P_{opc} = C \cdot I_{b} \cdot MAX [1 + Σ_{i = 1}^{n} α_{kj} \cdot m_{i} \cdot \sin (ω_{i} t), \frac{I_{th}}{I_{b}} - - - (3)

激光二极管的输出信号通过光纤网络24分配到子站6，…，8和10。在子站10，在光电转换器26的输出端可获得传输介质4的输出信号。选择器28选择其中一个已调载波信号来解调。选择器28可以包括一个调谐带通滤波器，但也可通过将输入信号与一个可调频率的本振信号混频将输入信号转换到一个较低的IF频率。

光电转换器28产生一个基本上正比于所接收的光信号的功率的电信号。传输网络的非线性失真产生了谐波分量和交互调制产物。此外，由非线性传输介质产生的似噪声信号，和另外三个噪声分量出现在接收机的输入端。第一个是在电光转换器中产生的所谓的相对密度噪声(RIN)，它在电光转换器的输出端有一个恒定电平，而在接收机的输入端则反比于光纤的衰减。第二和第三噪声分量是电光转换器的噪声和由电子电路产生的噪声。光电转换器的噪声是正比于所接收的光信号，而电子电路的噪声与正常的环境常数有关。

幅度-噪声比可以写成为：

ANR = \frac{A}{\sqrt{N_{RIN} + N_{SHOT} + N_{REC} + N_{CLIP}}} - - - (4)

在(4)式中，A是已调载波信号的幅度，N_RIN是相对噪声，N_SHOT是光电转换器的散射噪声，N_REC是接收机的噪声，和N_CLIP是由于非线性传输介质引起的限幅噪声。在(4)式中，N_RIN，N_SHOT和N_REC是与调制指数m_i无关的。A正比于m_i，而N_CLP正比于m_j增加。在此种情形下，有一个使ANR值最大和从而使相对容量最大的m_i值。利用一个符号概率随相应的已调载波信号的幅度的增加而减少的信道码，使平均信号幅度减少。

通过选择一个不同的信道码来减少已调载波信号的幅度的平均值，可以在一个给定的限幅噪声值上允许一个较大的m_i值。其结果是增加了最大幅度对噪声比的值。

这意味着调制方案的载波数目和\或信号电平的数目可以增加。

在选择器28的输出端可提供的已调载波信号由解调器30解调。在解调器30的输出端的信号是解调的解码数字符号序列。该序列被译码器32译码。在译码器32的输出端可获得数字符号序列。

在图2的传输介质4中，其输入端被连接到放大器34输入端。放大器34的输出端被连接功率分裂器35的输入端。功率分裂器35的第一输出端通过一段电缆25连接到放大器36的输入端。功率放大器35的第二输出端通过电缆27放大器38的输入端。功率分裂器35的第三输出端通过电缆29被连接到放大器40的输入端。放大器36的输出端被连接到功率分裂器37的一个输入端。功率分裂器37的三个输出端被连接到次级站分接段。放大器的38的输出端被连接到功率分裂器39的输入端。功率放大器39的两个输出端被连接到次级站的分接段，放大器40的输出端被连接到功率分裂器41的输入端。功率分裂器41的三个输出端被连接到用户的分接段。

例如在CATV系统中可以发现图2的非线性传输介质。非线性是由放大器34，36，38和40产生的。放大器34的增益已被选择得可以补偿因功率分裂器35的分裂引起的衰减和在电缆段25，27和29中的损耗。放大器36，38和40的增益选择得可以补偿分别由于功率分裂器37，39和41的分裂引起的衰减和补偿相应的分接站中的损耗。

根据图3，编码器12..16的输入端被连接到串-并转换器1的输入端。串并转换器的M个输出端连接到只读存储器3的每个输入端。只读存储器3的N个输出端。并串转换器5的输出端构成了编码器12…16的输出端。

编码器12…16的时钟输入端被连接到分频因子为N的分频器9的输入端。分频器7的输出端被连接到串并转换器1的时钟输入端。分频器9的输出端被连接到并串转换器5的输入端。

在采用二进制移幅键控时，编码器12…16根据具有P(1)和P(0)等于0.5的二进制符号序列产生一个具有P(1)＜0.5和具有P(0)＞0.5的二进制符号序列。

为了能够传输同样数量的数据，已译码的符号序列的符号速率必须增加。信道速率R_CH必须至少等于

R_{ch} = \frac{R_{soure}}{H_{cc}} - - - (5)

在(5)式中，R_sorrce是源的符号速率，H_CC是信道码的熵，我们可以将H_CC写成为：

H_cc＝-P(1)·²logp(1)-P(0)·²logP(0) (6)

根据图3，在编码器中，在信道速率R_ch和速率R_siyrce之间的比率等于N/M。假设在分频器7和9的输入端时钟信号的频率为f_r，则分频器7的输出信号的频率为fr/N，而分频器9的输出信号的频率为f_r/M..利用分频器的输出信号，将信号M源符号在M.N/f_r期间被同步和串并转换。这些符号然后被加到ROM3。

ROM3根据M个输入符号提供N个译码的符号。这些译码的符号被传输到串并转换器5。通过同步具有由分频器9提供的频率为f_r/M的串并转换器，将译码后的符号转换成具有符号速率为f_r/M的串行流，因此，在N.N/f_r期间，N符号被译码器串行地传输。

一个第一有用的码，将3个输入的a_i比特转换成8个输出比特b_j；也将此种编码称之为脉位调制，其速率是输入码速率的8/3倍。符号1的概率等于1/8。如果“1”的逻辑值相应于已调载波信号的幅值，且该幅值大于相应于逻辑值“0”的幅值。其结果使已调载波信号的平均功率减少。

a₂ a₁ a₀	b₇ b₆ b₅ b₄ b₃ b₂ b₁ b₀
a₂ a₁ a₀	b₇ b₆ b₅ b₄ b₃ b₂ b₁ b₀	0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1	1 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 1

另一个可用于本发明的码如下表所示。

a₂ a₁ a₀	b₃ b₂ b₁ b₀
a₂ a₁ a₀	b₃ b₂ b₁ b₀	0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1	0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 1 0 01 0 0 01 0 1 00 1 0 10 0 1 1

从表可见，3比特a_i被转换成4比特b_i。该编码符号的速率是未编码的符号的速率的4/3倍。符号值的概率等于5/16。

图4示出了作为逻辑值“1”的概率的函数的幅度-噪声比。这里假设载波采用ASK调制。另外假设，它们是以2兆比特/秒流调制的64个载波。此外又假设：电光转换器的输出功率是0dBm和光纤网络的衰减(包括分裂损耗)是34.4dB。最后还假设RIN可忽略不计，m_i等于0.4而噪声电流I_n ²的值在光电转换器的输出端等于4pA²/Hz。

图4示出了P(1)＝0.1的最大值ANR。P(1)小于0.1，接收机的噪声占主导。幅度-噪声比由于要求带宽增加而随P(1)减少。对P(1)大于0.1，ANR由于非线性传输介质的失真引起的类似噪声的的信号值的迅速增加而减少。

图5示出了要用于本发明的QAM信号的构图。此时采用了一种编码调制。4个相继比特置于图4的两个相继符号上。

A₃ A₂ A₁ A₀	C₁ C₂
A₃ A₂ A₁ A₀	C₁ C₂	0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1	42 4450 5258 6660 6862 6470 7246 5448 5652 5452 6252 6054 6254 6062 6054 5658 60

在上表中的码的速率为0.5。符号C_j有一个幅值为

和 a为常数。的幅值的概率为18/32＝9/16，

的幅值的概率为10/32＝5/16，而的幅值的概率为1/8。根据这些概率，可以求得相应于本码的幅度的平均平方值：

< C^{2} > = a^{2} \frac{1}{8} \cdot 18 + a^{2} \frac{5}{16} \cdot 10 + a^{2} \frac{9}{16} \cdot 2 = 6.5 a^{2}

对于未编码的QAM，我们可得到：

< C^{2} > = \frac{1}{4} \cdot 18 a^{2} + \frac{1}{2} 10 a^{2} + \frac{1}{4} 2 a^{2} = 10 a^{2}

从上述计算，可以看出，由于编码，<C²>大减少。

Claims

1.一种具有发射机的传输系统，包括：用来从多个数字符号序列获取多个编码的数字符号序列的装置，用来从所述的多个所述编码的数字符号序列获取多个数字调制的载波信号的装置，还包括用来从所述多个数字调制的载波信号获取一个组合的信号的装置，该发射机配置得用来将所述的组合的信号通过非线性传输介质发送到接收机，接收机包括用来从所述接收信号获取至少一个编码符号序列的解调装置，和包括用来从所述数字符号序列获取一个数字符号序列的译码装置，其特征在于：编码装置配置得用来这样获取编码数字符号序列：使得编码符号的概率越大，相应于所述编码的符号的调制信号的幅度越小。

2.根据权利要求1的传输系统，其特征在于：非线性传输介质包括一个级联的电光转换器，一个光传输信道和一个光电转换器。

3.根据权利要求1的传输系统，其特征在于：非线性传输介质包括多个通过至少一个放大器互连的信道段。

4一种用来从多个数字符号序列获取多个编码的数字符号序列的编码装置，包括用来从所述多个编码的数字符号序列获取多个数字调制的载波信号的调制装置，和包括用来从所述多个数字调制的载波信号获取一个组合信号的组合装置，其特征在于：编码装置配置得用来这样获取编码的数字符号序列，使得编码符号的概率越大，相应于所述编码符号的已调信号的幅度越小。

5.一种编码器/调制器，包括用来从数字符号序列获取编码的数字符号序列的编码装置，用来从编码的数字符号序列获取数字调制的载波信号的调制装置，其特征在于：编码装置被配置得用来这样获取编码的数字符号序列：编码的符号的概率越大，相应于所述的编码符号的已调信号的幅度越小。

6.一种用来接收至少一个包括一个数字调制的载波的接收机，所述接收机包括用来从所接收的信号中获取至少一个编码符号序列的解调装置和包括用来从所述数字符号序列获取一个数字符号序列的的译码装置，其特征在于：编码装置被配置得如此来从所述编码符号序列中获取数字符号序列：编码符号的概率越大，相应于所述编码符号的已调信号的幅度越小。

7.一种至少在幅度上被一个数字符号序列调制的载波信号，其特征在于：出现已调载波信号的预定幅度的概率越大，则所述幅度值越小。