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与流程

本发明属于通信技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明采取的技术方案为：

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。

本发明的有益效果：

本发明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是本发明的工作流程示意图；

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

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

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；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；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；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，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；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；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；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；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。

具体实施例一

如图1所示，以16qam格式为例，该调制解调过程主要包含有星座结构优化设计、概率成形星座映射、类蜂巢区域判决三个阶段。整个调制过程的工作流程为：星座结构优化设计阶段，以最大化星座性能指数为设计原则，在星座点间最小欧式距离dmin固定为1的条件下，通过几何结构优化设计，尽可能缩小星座点间平均欧氏距离，降低星座图平均功率，提高星座性能指数，设计出星座图中16个星座点的几何位置；

概率成形星座映射阶段，依据麦克斯韦玻尔兹曼分布，对不同半径星座点的分布概率进行选择，实现星座图中内圈星座点大概率分布、外圈星座点小概率分布的非均匀分布，在不改变星座点几何位置的条件下，整体降低星座图的平均功率，进一步提高星座性能指数，并将原始数据进行星座映射；

类蜂巢区域判决阶段，依据星座图各点的几何位置分布，得到类蜂巢型判决区域，对接收信号进行判决解调，恢复得到原始信息。

该调制方法各个阶段的具体工作流程如下所述：

(1)星座结构优化设计阶段：

星座结构优化设计阶段是调制过程中的核心阶段，该阶段的实现过程可分为星座圈数、点数分配与各圈星座点位置的确定两步。

星座圈数、点数分配：星型16qam共有16个星座点，共分布在4个不同幅度的同心圆环上，每圈中等相位间隔分布4个星座点。

各圈星座点位置的确定：图2描述了该新型几何结构的设计原理，在设计过程中，图中实线线段表示最小欧式距离dmin，将其长度固定为1。第一圈上4个星座点构成一个边长为dmin的正方形；以第一圈中正方形的4条边为底边，向外延伸可分别构建出4个等边三角形，等边三角形的第三个顶点唯一确定了第二圈中4个星座点的位置，以此来保证第二圈的半径在维持最小欧式距离dmin不变条件下达到最小；对于第三圈与第四圈半径的确定，若以内圈星座点为基础向外延伸继续构建等腰或等边三角形，最小欧式距离dmin将会变小，因此我们分别将第一、第二圈半径加1，获得第三、第四圈半径。

经过星座几何结构的优化设计，该几何结构下的16个星座点被均匀地分布在4个不同幅度的同心圆环上，各圈中等相位间隔地分布4个星座点，相位间隔为π/2。若用ξ＝r(l)·exp[jφ(i)]表示星座图中点的集合，其中幅度r(l)和相位φ(i)可表示为：

其中：参数l表示第l圈，即第l个半径；参数i表示同一圈上的第i个星座点。

(2)概率成形星座映射阶段：

概率成形星座映射阶段是调制过程中的另一核心阶段，该阶段的实现过程可分为概率分布的设计与非均匀星座映射两步。

概率分布的设计：概率成形技术在保持星座点几何位置不变的前提下，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，可以有效提高星座的cfm，提升系统的抗噪声能力以及ber性能。在加性白高斯噪声(awgn)信道中，麦克斯韦玻尔兹曼分布是降低星座图平均功率的最优分布，对于信号点x∈χ，其概率分布表达式可表示为：

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。

非均匀星座映射：图3描述了该调制方法的类格雷映射规则，通过采用类格雷映射规则，在相同误符号率情况下最大程度地降低误码率；图4描述了在信息熵为3.6bits/symbol时各星座点的概率分布，由图可以看出，经过概率成形，星座图中相同半径中星座点概率相同，不同半径星座点概率服从麦克斯韦玻尔兹曼分布。

(3)类蜂巢区域判决阶段：

判决区域的确定：对相邻星座点做中垂线，即可完成星座判决区域的确定，最终判决区域呈类蜂巢形状。过对该调制星座点的判决区域进行了标记划分，得到了如图5所示的类蜂巢判决区域；星座点的判决：受光纤信道噪声影响，接收端接收到的星座将发生弥散，在星座点判决时，依据所设计出的类蜂巢型判决区域，对在类蜂巢小窝判决区域内的星座点判决为该区域的标准星座点，即在判决过程中，坐落在各个蜂窝区域中的接收信号点可得到最佳的判决。

具体实施例二

以32qam格式为例，该调制解调过程主要包含有星座结构优化设计、概率成形星座映射、类蜂巢区域判决三个阶段。整个调制过程的工作流程为：星座结构优化设计阶段，以最大化星座性能指数为设计原则，在星座点间最小欧式距离dmin固定为1的条件下，通过几何结构优化设计，尽可能缩小星座点间平均欧氏距离，降低星座图平均功率，提高星座性能指数，设计出星座图中32个星座点的几何位置；概率成形星座映射阶段，依据麦克斯韦玻尔兹曼分布，对不同半径星座点的分布概率进行选择，实现星座图中内圈星座点大概率分布、外圈星座点小概率分布的非均匀分布，在不改变星座点几何位置的条件下，整体降低星座图的平均功率，进一步提高星座性能指数，并将原始数据进行星座映射；类蜂巢区域判决阶段，依据星座图各点的几何位置分布，得到类蜂巢型判决区域，对接收信号进行判决解调，恢复得到原始信息。

该调制方法各个阶段的具体工作流程如下所述：

(1)星座结构优化设计阶段：

星座结构优化设计阶段是调制过程中的核心阶段，该阶段的实现过程可分为星座圈数、点数分配与各圈星座点位置的确定两步。

星座圈数、点数分配：星型32qam共有32个星座点，共分布在4个不同幅度的同心圆环上，每圈中等相位间隔分布8个星座点。

各圈星座点位置的确定：图6描述了该新型几何结构的设计原理，在设计过程中，图中实线线段表示最小欧式距离dmin，将其长度固定为1。第一圈上8个星座点构成一个边长为dmin的正八边形；以第一圈中正八边形的8条边为底边，向外延伸可分别构建出8个等边三角形，等边三角形的第三个顶点唯一确定了第二圈中8个星座点的位置；对于第三圈星座点的确定，则以上述等边三角形的两边为基础构建边长为dmin的菱形，以保证第三圈的半径在维持最小欧式距离dmin不变条件下达到最小；为保证最小欧氏距离dmin不变，我们将第二圈半径加1，获得第四圈半径。

经过星座几何结构的优化设计，该几何结构下的32个星座点被均匀地分布在4个不同幅度的同心圆环上，各圈中等相位间隔地分布8个星座点，相位间隔为π/4。若用ξ＝r(l)·exp[jφ(i)]表示星座图中点的集合，其中幅度r(l)和相位φ(i)可表示为：

其中：参数l表示第l圈，即第l个半径；参数i表示同一圈上的第i个星座点。

(2)概率成形星座映射阶段：

概率成形星座映射阶段是调制过程中的另一核心阶段，该阶段的实现过程可分为概率分布的设计与非均匀星座映射两步。

概率分布的设计：概率成形技术在保持星座点几何位置不变的前提下，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，可以有效提高星座的cfm，提升系统的抗噪声能力以及ber性能。在加性白高斯噪声(awgn)信道中，麦克斯韦玻尔兹曼分布是降低星座图平均功率的最优分布，对于信号点x∈χ，其概率分布表达式可表示为：

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。

非均匀星座映射：图7描述了该调制方法的类格雷映射规则，通过采用类格雷映射规则，在相同误符号率情况下最大程度地降低误码率；图8描述了在信息熵为4.6bits/symbol时各星座点的概率分布，由图可以看出，经过概率成形，星座图中相同半径中星座点概率相同，不同半径星座点概率服从麦克斯韦玻尔兹曼分布。

(3)类蜂巢区域判决阶段：

对相邻星座点做中垂线，即可完成星座判决区域的确定，最终判决区域呈类蜂巢形状。过对该调制星座点的判决区域进行了标记划分，得到了如图9所示的类蜂巢判决区域；星座点的判决：受光纤信道噪声影响，接收端接收到的星座将发生弥散，在星座点判决时，依据所设计出的类蜂巢型判决区域，对在类蜂巢小窝判决区域内的星座点判决为该区域的标准星座点，即在判决过程中，坐落在各个蜂窝区域中的接收信号点可得到最佳的判决。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。