一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，首先用CCDM将均匀输入的比特序列转换为符号序列，通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码。采用了LDPC与CCDM联合编码的概率成形方法来防止在传输过程中冗余位出现差错导致系统性能损失，最后搭建了基于偏振复用概率成形的多进制正交幅度调制相干光通信系统进一步证明本方法适用于高速相干光系统。本发明专利技术中高速相干光通信系统的概率成形编码方法不仅能降低系统复杂度，还能使系统的信道容量得到有效的提升并增加成形增益。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法
本专利技术属于通信
，特别涉及适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法。
技术介绍
现代的高速相干传输系统，在向着实现更远的传输距离和更大的系统容量的目标不断演进。为了提升光纤系统的传输容量，势必要提高传输信号的频谱效率(Spectralefficiency,SE)。因此，近些年来的高速光纤传输系统中，大多选择QPSK、16QAM和64QAM等高阶调制格式的信号进行传输。然而信号在光纤信道中进行传输时会受到功率的限制，而提升发射功率的同时，会使得系统受到的非线性效应的影响也随之增加。为了在不增加发射功率的情况下提高频谱效率，必须对信号进行优化星座成形。采用信号成形技术能够实现在提高信息传输速率的同时有效地提高频谱效率。概率成形的信号星座图各点间隔相同，通过改变各个星座点的先验概率，使其具有不同的概率，从而可使系统的信道容量得到有效的提升。在实际系统中应用概率成形方案时，对于信号星座点的先验概率的改变大多是通过编码加入冗余比特的方式实现的，因此无需改变发射端调制器的结构，也更加容易得到实现。然而现有概率成形方案复杂度较高，成形增益较低。
技术实现思路
针对现有研究中存在的不足，本专利技术提出恒定构成分布匹配器(ConstantCompositionDistributionMatcher，CCDM)与低密度奇偶校验(Low-densityParity-check,LDPC)码编码联合的概率成形编码方法，通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为概率分布接近麦克斯韦－波尔兹曼分布的符号序列以获取成形增益，将CCDM与LDPC编码器进行联合设计，通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码的同时，使其仍能保持概率成形后的概率分布，最大化成形增益；并致力于解决在传输过程中光纤信道中存在的噪声、色散、非线性等因素会导致信号失真问题，提高系统的传输性能，从而实现高速相干光传输。鉴于此，本专利技术采用的技术方案是，一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，包括以下步骤：步骤1：通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为概率分布接近麦克斯韦－波尔兹曼分布的符号序列；步骤2：通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；步骤3：在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码。进一步，所述步骤1具体包括以下步骤：输入信号长度为k的二进制比特序列X＝{X1X2…Xk}，将该比特序列经过分布匹配器，通过加入冗余的方式对序列进行外编码，得到长度为n的符号序列Y＝{Y1Y2…Yn}。更具体地，所述步骤2具体包括以下步骤：随机二进制比特流Dk产生比特序列被分为两部分，其中一部分进入分布匹配器中，用来生成振幅An＝A1...An，另一部分长度为γn的比特序列Uγn作为附加数据位一同进入LDPC编码器进行前向纠错编码；通过An得出幅值位S；通过Uγn求解得出符号位sign，即可求解长度为n的最终实值序列Xn＝X1..Xi...Xn，其中Xi＝Signi·Si,(i＝1,2...n)。再进一步，步骤3所述置信传播算法译码的具体步骤为：首先对置信传播算法进行初始化，计算校验节点的似然信息；根据校验节点的似然信息和本次处理所得的似然信息，计算新的比值，根据新的似然值进行判决，本专利技术采用的置信传播译码算法和硬判决译码算法相比，能够充分利用信道信息，纠错能力更强。本专利技术还提供了一种基于偏振复用概率成形的M进制正交幅度调制相干光通信系统，利用上述述概率成形编码方法生成概率成形M进制正交幅度调制信号，将得到的信号通过数模换为电信号，激光器发射的激光通过偏振分束器分为X和Y两个偏振态，将电信号经过IQ调制器调制到两个偏振态的光载波上，再经过偏振复用器将X、Y偏振态的光信号进行光路复用；然后将产生的偏振复用信号通过标准单模光纤；接收端接收到的光信号经过相干检测后解调为X、Y偏振态，分别经过光电探测器转换成电信号，再经过模数转换模块转换为数字信号。本专利技术相干光系统中发射端采用的概率成形方法，能够与多种高阶调制格式结合，不需要迭代映射，降低了系统的复杂度。概率成形的信号星座图表现为外圈星座点概率值要大于内圈星座点,与均匀分布相比，经过概率成形后的信号的平均发送功率要小于均匀分布信号的平均发送功率，当两者发射功率相同时，概率成形的信号较均匀分布信号星座点之间的欧氏距离更大，系统容错性能提升，因此概率成形方法运用于高速相干光系统中能够有效地减少误码率，提升系统的性能。附图说明图1为均匀分布的16QAM信号星座图和概率成形的16QAM信号星座图；图2为CCDM原理图；图3为基于CCDM和LDPC联合概率成形方案发射端原理图；图4为PDM-PS-16QAM传输仿真系统结构框图；图5为不同概率成形方案的16QAM信号星座点概率分布及对应星座图；图6为PS-A、PS-B、PS-C与UD方案平均比特信息信噪比变化曲线；图7为不同概率分布的16QAM信号误码率随SNR变化曲线；图8为UD-16QAM与PS-16QAM信号误码率随OSNR变化曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。本专利技术通过编码的方式向原始比特序列中加入冗余，使得各星座点的先验概率发生改变，使其分布趋近于麦克斯韦－波尔兹曼分布，从而提升信道容量。图1(a)和(b)分别为均匀分布的16QAM信号星座图和概率成形的16QAM信号星座图，从图中可以看出，概率成形的星座图更符合高斯概率分布。CCDM的具体原理如图2所示。本专利技术考虑到在信号的实际传输过程中，光纤信道中存在的噪声、色散、非线性等因素会导致信号失真。为了防止在传输过程中，冗余位出现差错导致系统性能损失，需要对CCDM输出的符号序列进行LDPC编码，具体基于CCDM和LDPC联合概率成形方法如图3所示。本专利技术通过VPI和MATLAB软件进行联合仿真，搭建了图4所示的相干光通信系统，发射机产生400Gb/s的PDM-PS-16QAM信号，通过一个初始长度为320km的光纤链路进行传输，该链路由8段长度为40km的标准单模光纤(StandardSingleModeFiber，SSMF)组成，EDFA放大增益为20dB，最终信号传输到接收端进行相干检测。具体参数设置为：IQ调制器分光比30dB，SSMF色散系数16*10-6s/m2，SSMF衰减系数2*10-4dB/m，SSMF非线性指数2.6*10-20m2/W。本实施例中涉及到的已知参数和变量定义如下：Px(xi)：CCDM输出的符号序列的概率分布；m：星座符号的个数；xi,xj：第i个，第j个星座符号；|xi|2,|xj|2：某个星座点距离原点的欧氏距离；α(Uγn)：星座点格雷映射标记为的幅值位；β(An)：星座点格雷映射标记为的符号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为符号序列；/n步骤2：通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；/n步骤3：在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过分布匹配器将均匀输入的比特序列转换为符号序列；
步骤2：通过LDPC码对传输的符号序列进行信道编码，输出的最终实值序列；
步骤3：在接收端采用LDPC置信传播算法进行译码。


2.根据权利要求1所述一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于：步骤1所述符号序列的概率分布接近麦克斯韦－波尔兹曼分布。


3.根据权利要求1或2所述一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：
输入信号长度为k的二进制比特序列X＝{X1X2…Xk}，将该比特序列经过分布匹配器，通过加入冗余的方式对序列进行外编码，得到长度为n的符号序列Y＝{Y1Y2…Yn}。


4.根据权利要求1所述一种适用于高速相干光通信系统的概率成形编码方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：
随机二进制比特流Dk产生比特序列被分为两部分，其中一部分进入分布匹配器中，用来生成振幅An＝A1...An，另一部分长度为γn的比特序列Uγn作为附加数据位一同进入LDPC编码器进行前向纠错编码；
通过An得出幅值位S；通过Uγ...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩小雪，何林航，张琦涵，郭磊，胡安琪，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50