一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法技术

本发明专利技术公开了一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法，包括以下步骤：比特数据经过串并变换转换由一路数据变为并行的多路数据；然后进行分布匹配得到非均匀分布的QAM符号；利用概率成形并结合类格雷映射规则按照所设计出的结构优化的星座映射规则进行星座映射；将星座映射后的QAM符号信息调制到光载波上，然后传输到接收端，接收端再还原得到星座映射后的QAM符号信息；根据星座点的位置确定类蜂巢形状的星座判决区域，去除QAM符号信息在传输过程中产生的弥散现象；然后依次进行星座解映射、逆分布匹配和并串变换得到比特数据。本方法实现了调制格式抗噪声性能与系统误码率性能的提升。

A signal modulation and demodulation method based on constellation structure optimization and beehive like region decision

【技术实现步骤摘要】
一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法。
技术介绍
随着高清视频、增强现实/虚拟现实(AR/VR)、物联网、大数据、云计算等众多高速率新型业务的兴起，人们对网络流量的需求正呈指数增长。为满足这一需求，光接入网作为连接用户驻地网和城域网/骨干网的桥梁，必须提供更好的带宽性能。与相干检测系统相比，由于强度调制/直接检测(IM/DD)在成本、能耗以及封装等方面所具有的优势，其被广泛应用在短距通信系统中。同时，先进的调制格式具有更高的频谱效率，可以有效提高系统的传输容量，近些年来，包括方形QAM、星型QAM、多维QAM等多种先进调制格式受到了科研人员的广泛关注。此外，概率成形技术通过提高内圈星座点的发射概率，降低外圈星座点的发射概率，在保持星座点间欧式距离不变的情况下，实现了星座图平均功率的降低，可以有效提升信号的抗噪声能力与抗非线性能力，提升系统的误码率性能。由于其自身的高谱效率、大信道容量以及无附加计算复杂度等优势，在近些年来吸引了越来越多的关注。基于概率成形技术，2016年，PS-16QAM调制格式被应用到WDM系统中，在LDPC码的辅助作用下，实现了7.1％的传输距离提升；2017年，PS-64QAM调制格式实现了单载波400G传输，与常规64QAM相比获得了超过300％的传输距离提升。2018年，概率成形技术与正交频分复用(OFDM)相结合，在IMDD系统中实现了光纤长度40km、净数据速率为28.95Gbits/s/λ的PS-1024-QAMDFT-SOFDM传输。除此之外，由于麦克斯韦-玻尔兹曼(MB)分布仅对于AWGN信道是星座幅度概率选择的最优分布，而在非线性光纤信道中并不最优，2018年，一种针对非线性光纤信道的优于MB分布的新分布得以提出。但是，目前的技术几乎均是对于方形QAM进行，而与概率成形星型QAM调制的相关技术寥寥无几。与星型QAM相比，由于方形QAM的幅度等级数较多，而每个幅度上的星座点数较少，将概率成型应用在方形QAM的性能提升效果要低于应用在星型QAM上。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，通过星座几何结构的优化设计尽可能减小星座图的平均功率，增大星座图的CFM，结合类蜂巢的区域判决方法，提高调制格式的抗噪声能力，提升系统的误码率性能，提供一种一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法，其中：包括以下步骤：步骤S1：原始比特数据经过串并变换转换由一路数据变为并行的多路数据；步骤S2：将多路数据进行分布匹配，使均匀分布的比特数据转化为非均匀分布的QAM符号；步骤S3：优化星座结构，将星型QAM的若干个星座点分布在四个不同幅度的同心圆环上，每圈中等相位间隔分布相同个数的星座点,星座点的位置集合表示为Ξ＝r(l)·exp[jφ(i)]，其中r(l)表示幅度、φ(i)表示相位；步骤S4：保持星座点几何位置不变，利用概率成形提高星座图内圈星座点的分布概率，降低外圈星座点的分布概率，然后采用类格雷映射规则进行非均匀星座映射，使得星座图中相同半径星座点概率相同，不同半径星座点概率服从麦克斯韦玻尔兹曼分布，对于信号点x∈χ，概率分布表达式为：其中：为星座点的发射概率值，参数x表示星座点与坐标原点间的欧氏距离；参数χ表示星座点与坐标原点间欧氏距离的集合；参数v表示概率成型因子，不同的v值可以实现不同程度的麦克斯韦玻尔兹曼分布，获得不同信息熵下的概率成形体系；Av为概率分布的归一化因子，用于保证的概率相加和为1；步骤S5：将星座映射后的QAM符号信息的实部和虚部两部分，分成I/Q两路进入相乘器，分别余弦/正弦信号相乘，之后两路波形再通过加法器相加；步骤S6：QAM信号通过数模转换器转化为模拟电信号，利用调制器将该模拟电信号调制到激光器产生的光载波上，然后利用单模光纤传输到接收端；步骤S7：接收端通过光电转换器将光信号转换为电信号，然后通过模数转换器转换为数字信号，然后将该数字信号通过分离器还原成I/Q两路，再分别通过乘法器与余弦/正弦信号相乘，从而得到星座映射后的QAM符号信息；步骤S8：根据星座点的位置，以相邻星座点中垂线为划分依据，确定类蜂巢形状的星座判决区域，其中位于判决区域星座点判决为该区域的标准星座点；根据标准星座点还原传输前的QAM符号信息，从而去除QAM符号信息在传输过程中产生的弥散现象；步骤S9：然后依次进行星座解映射、逆分布匹配和并串变换得到原始比特数据。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的步骤S2中的将多路数据进行分布匹配，使均匀分布的比特数据转化为非均匀分布的16QAM符号或32QAM符号。上述的步骤S3中优化星座结构具体为：根据第一圈上的星座点构成一个边长为最小欧式距离dmin的正多边形，以该正多边形的各条边为底边，向外延伸构建出等边三角形，通过等边三角形确定第二圈的半径，通过等边三角形的第三个顶点确定第二圈星座点的位置。上述的若为16QAM符号，则分别将第一、第二圈半径加上最小欧式距离dmin，分别得到第三、第四圈半径，且第三、第四圈中星座点位置分别与第一、第二圈中星座点位置对应。上述的若为32QAM符号，则以等边三角形的两边构建边长为最小欧式距离dmin的菱形，确定第三圈的半径以及星座点的位置，然后将第二圈的半径加上最小欧式距离dmin得到第四圈的半径，第四圈上的星座点位置与第二圈上星座点位置相对应。上述的步骤S9具体为：将接收到的QAM符号信息星座解映射，还原出非均匀分布的QAM符号信息，通过逆分布匹配使非均匀分布的QAM符号信息转化为均匀分布的比特数据，然后通过并串变换，将并行的多路比特数据还原成一路，恢复原比特数据。本专利技术的有益效果：本专利技术以最大化星座性能指数为设计原则，在最小欧式距离固定为1的条件下，通过星座几何结构的优化设计尽可能减小星座图的平均功率，有效增大了星座图的CFM，提高了调制格式的SNR效率以及抗噪声性能；通过依据麦克斯韦-玻尔兹曼分布对所设计的星座图进行概率成形技术的应用，并结合类蜂巢的区域判决方法，进一步实现调制格式抗噪声性能与系统误码率性能的提升。附图说明图1是本专利技术的工作流程示意图；图2是16QAM几何结构设计原理图；图3是16QAM类格雷映射规则图；图4是16QAM概率分布图；图5是16QAM类蜂巢判决区域示意图；图6是32QAM几何结构设计原理图；图7是32QAM类格雷映射规则图；图8是32QAM概率分布图；图9是32QAM类蜂巢判决区域示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。原始比特数据经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤S1：原始比特数据经过串并变换转换由一路数据变为并行的多路数据；/n步骤S2：将多路数据进行分布匹配，使均匀分布的比特数据转化为非均匀分布的QAM符号；/n步骤S3：优化星座结构，将星型QAM的若干个星座点分布在四个不同幅度的同心圆环上，每圈中等相位间隔分布相同个数的星座点,星座点的位置集合表示为Ξ＝r(l)·exp[jφ(i)]，其中r(l)表示幅度、φ(i)表示相位；/n步骤S4：保持星座点几何位置不变，利用概率成形提高星座图内圈星座点的分布概率，降低外圈星座点的分布概率，然后采用类格雷映射规则进行非均匀星座映射，使得星座图中相同半径星座点概率相同，不同半径星座点概率服从麦克斯韦玻尔兹曼分布，对于信号点x∈χ，概率分布表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于星座结构优化及类蜂巢区域判决的信号调制解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：原始比特数据经过串并变换转换由一路数据变为并行的多路数据；
步骤S2：将多路数据进行分布匹配，使均匀分布的比特数据转化为非均匀分布的QAM符号；
步骤S3：优化星座结构，将星型QAM的若干个星座点分布在四个不同幅度的同心圆环上，每圈中等相位间隔分布相同个数的星座点,星座点的位置集合表示为Ξ＝r(l)·exp[jφ(i)]，其中r(l)表示幅度、φ(i)表示相位；
步骤S4：保持星座点几何位置不变，利用概率成形提高星座图内圈星座点的分布概率，降低外圈星座点的分布概率，然后采用类格雷映射规则进行非均匀星座映射，使得星座图中相同半径星座点概率相同，不同半径星座点概率服从麦克斯韦玻尔兹曼分布，对于信号点x∈χ，概率分布表达式为：
其中：为星座点的发射概率值，参数x表示星座点与坐标原点间的欧氏距离；参数χ表示星座点与坐标原点间欧氏距离的集合；参数v表示概率成型因子，不同的v值可以实现不同程度的麦克斯韦玻尔兹曼分布，获得不同信息熵下的概率成形体系；Av为概率分布的归一化因子，用于保证的概率相加和为1；
步骤S5：将星座映射后的QAM符号信息的实部和虚部两部分，分成I/Q两路进入相乘器，分别余弦/正弦信号相乘，之后两路波形再通过加法器相加；
步骤S6：QAM信号通过数模转换器转化为模拟电信号，利用调制器将该模拟电信号调制到激光器产生的光载波上，然后利用单模光纤传输到接收端；
步骤S7：接收端通过光电转换器将光信号转换为电信号，然后通过模数转换器转换为数字信号，然后将该数字信号通过分离器还原成I/Q两路，再分别通过乘法器与余弦/正弦信号相乘，从而得到星座映射后的QAM符号信息；
步骤S8：根据星座点的位置，以相邻星座点中垂线为划分依据，确定类蜂巢形状的星座判决区域，其中位于判决区域星座点判决为该区域的标准星座...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博，张丽佳，毛雅亚，任建新，忻向军，孙婷婷，赵立龙，吴泳锋，刘少鹏，宋真真，王俊锋，哈特，沈磊，李良川，王光全，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32