用于对数据进行调制以进行光通信的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及调制光信号，并且更具体地，涉及为了可靠的光纤通信在多个 维度中调制光信号。
【背景技术】
[0002] 光相干通信系统自然适用于利用四维（4D)信号星座图的调制。与诸如双偏振四 相相移键控（DP-QPSK)和16进制正交幅度调制（DP-16QAM)的传统格式相比，四维调制格 式能够实现可观的增益。偏振切换QPSK(PS-QPSK)和集合划分（set-partitioned) 128进 制QAM(SP-128QAM)已知为实用4D星座图，并且它们分别能够实现1. 76dB和2. 43dB的渐 进功率效率增益。可利用前向纠错（FEC)来实现高达1.5dB的增益。虽然已知一些高维调 制格式，但是因为它们的增加的复杂性而使其针对光通信的应用受限于4D情况。
【发明内容】
[0003] 本发明的实施方式提供用于调制用于可靠光纤通信的光信号的方法和系统。该方 法可使用短分组码来增加代表数据的高维网格上的星座点之间的汉明距离和欧几里得距 离。在一个实施方式中，该方法将扩展格雷（Colay)码用于24维（24D)超立方体网格或者 在8D超立方体网格中使用奇偶校验码。对于其它维度，已知的准完备（nearperfect)码 可以与立方体网格星座图共同使用。另一个实施方式在最密的超球网格星座图上使用非线 性码。
[0004] 该方法将这些代码用于它们的距离属性，而不是将代码常规地用于无线通信和存 储系统中的简单纠错。代码最大化基本星座图上的汉明距离，为此，汉明距离与立方体网格 (例如，网格的每个维度上的二进制相移键控（BPSK)的基本星座图）上的欧几里得距离的 平方成线性正比。
[0005] 在一个实施方式中，扩展格雷码被用作准完备码的示例，该码具有针对其速度的 最大增益，并提供了优异的性能。该方法将扩展格雷码的码字映射到24D超立方体，以实现 每赫兹/偏振每秒1比特的频谱效率（b/s/Hz/pol)。在本文中，该格式被称为12比特24D 格雷码超立方体（12b-24D-GCHC)。
[0006] 利用该调制信号，对加性白高斯噪声（AWGN)的容差相比双偏振二进制相移键控 (DP-BPSK)在10 3的误码率（BER)处要好3dB，在10 2的BER处要好1. 9dB。在非线性光纤 通信中，该方法相比DP-BPSK可以增加至少4dB的最大可允许跨度损耗，相比DP-QPSK可以 增加8dB。
[0007] 在我们之前的工作中，通过首先使用前向纠错（FEC)编码器对数据编码以产生编 码数据来调制用于光通信的数据。进一步使用二进制分组编码器对数据编码以产生分组 编码数据，产生分组编码数据的方式是使得表示该分组编码数据的码字之间的汉明距离增 大。按照使得星座点之间的欧几里得距离增大的方式映射分组编码数据以产生映射数据。 然后，在发射器中调制该映射数据，以产生用于光信道的调制信号。
[0008] 此处，为了更高的频谱效率，我们通过利用基于较高级别的分组编码的高维调制 来将高维调制。
【附图说明】
[0009] 图1是根据本发明的实施方式的用于调制光信号的系统和方法的框图；
[0010] 图2是根据本发明的实施方式的映射的框图；
[0011] 图3、图4和图5根据本发明的实施方式对比传统编码的性能；以及
[0012] 图6A、图6B和图6C是根据本发明的实施方式的用于基于网格的编码的示例映射 的框图。
[0013] 图7A是根据本发明的实施方式的光发射器的框图；以及
[0014] 图7B是根据本发明的实施方式的调制器的框图。
【具体实施方式】
[0015] 图1示出了根据我们的发明的实施方式的用于调制光信号的系统和方法。该系统 包括通过光纤信道150连接到接收器200的发射器100。
[0016] 在发射器处，来自源101的数据被外部编码110。外部编码器110增加前向纠错 (FEC)冗余115。然后，分组编码器被应用到外部编码器的输出以产生编码数据125。分组 编码被设计成增加代表数据的星座点之间的汉明距离。映射器130增加了星座点之间的欧 几里得距离，以产生映射数据135。然后，映射数据形式的代码可以被调制140成通过光信 道150传输的调制信号。该传输可以使用密集波分复用（WDM)、多模式空间复用、多核空间 复用、子载波信令、单载波信令、以及它们的组合。
[0017] 在接收器处，发射器的步骤以相反的顺序执行，其中，调制信号被解调、解映射、分 组解码和FEC解码，以恢复数据。具体地说，前端处理210和信道均衡220被应用到所接收 的光调制信号。分组判决230被做出以向外部编码240提供软判决信息以恢复用于数据宿 (datasink) 102的数据。
[0018] 使用格雷编码超立方体（Gray-codedhypercube)的24D调制
[0019] 为了通过4D光信道传输利用24维（4D)格式调制的光信号，我们将24D正交信号 矢量映射到4D光载波。要做到这一点，我们把同相、正交相位、偏振以及时间视作正交维 度。
[0020] 图2示出了在时域中24D基础矢量（D1.....D24)至4D载波的示例映射，其中，EXI 是水平偏振上的光载波的同相分量、EXQ是水平偏振上的光载波的正交分量、EYI是垂直偏振 上的同相分量以及EYq是垂直偏振上的正交分量。
[0021] 在格雷编码超立方体星座图（即，每个维度具有独立于所有其它维度的±1的值 并且每一个维度独立地进行比特标记的星座图）中，星座点之间的欧几里得距离的平方与 汉明距离成线性正比。因此，我们使用被设计为增加星座点之间的汉明距离和欧几里得距 离的代码。利用该效果，我们使用扩展格雷码来确定24D超立方体的子集。然后，该子集确 定了我们的星座图。
[0022] 扩展格雷码将12比特的信息编码成具有最小汉明距离的24比特字。虽然已经与 适合的解码矩阵一起使用该代码以纠正无线通信和存储器中的错误，但是我们采用24D中 的最大似然（ML)判决来保持用于前向纠错（FEC)解码器的软信息。
[0023] 尽管在24D中用于12比特字的传统的ML判决通常是高度复杂的，但是我们使 用这种格式的低复杂度解调，例如，基于相关度量计算的无乘法器过程（multiplierfree procedure)。在另一个实施方式中，分组判决可以通过在分组代码的图形表示（因子图） 上使用软信息置信传播来完成。另外，也可以使用网格解码或球形解码以减小复杂性，这使 得能够针对短的分组大小和实时处理来实际实现本发明。
[0024] 在12b-24D-GCHC中，对应于有效的扩展格雷码字的212个点是我们的星座点，所述 212个点来自于24D超立方体上的可能的2 24个点。与24D超立方体相比，欧几里得距离的 最小的平方增加了 8倍，其具有与DP-QPSK的性能相同的性能，而每比特的平均能量加倍。 因此，与24D超立方体相比，渐近功率效率提高了 6dB。因为星座图是超立方体的子集，因此 发射器和接收器可以类似于与DP-QPSK调制一起使用的发射器和接收器。
[0025] 图 3 比较了 12b-24D-GCHC、DP-BPSK/QPSK、PS-QPSK和 12b-24DLeech网格的噪 声灵敏度（以dB为单位）的加性白高斯噪声（AWGN)信道上的比特误码率（BER)性能。令 人惊奇的是一个意想不到的结果，相比DP-BPSK/QPSK，噪声灵敏度在10 3的BER处减小了 3dB，在10 3的BER处减小了 1. 5dB。这相比PS-QPSK是极其有利的，PS-QPSK是在渐进功率 效率方面最佳的4D格式，其在10 3的BER处具有超出DP-QPSKldB的增益，并且在10 2的 BER处具有0. 6dB的增益。此外，相比基于Leech网格（24D中已知最密的网格）的球形切 割的12比特24D星座图，12b-24D-GCHC具有优越的性能。12b-24DLeech相比于DP-QPSK 的性能增益在10 3的BER处为2. 8dB，在10 2的BER处为1. 6dB。这意味着，针对这样的高 维调制的标记和填充的优化是困难的，我们的具有线性代码的超立方体网格可以解决其困 难。
[0026] 图4示出了在具有95%的每跨度内联（inline)色散补偿的情况下，具有10 3的 目标BER的50跨度传输链路的跨度损耗预算，并且图5为无内联色散补偿的情况。
[0027] 使用单奇偶校验编码的超立方体的8D调制
[0028] 另一个实施方式使用单一的奇偶检验码，以增加8D超立方体网格调制的汉明距 离。通过分组编码器将7比特数据编码，以生成8比特编码字。每维度通过BPSK调制各个 比特，并然后将8维BPSK映射到4D光载波。解码器过程与前述实施方式相同。8D调制的 好处是在编码器和解码器二者中都较低的复杂度。
[0029] 使用准完备分组码的高维超立方体网格调制
[0030] 另一个实施方式使用准完备分组码，其针对目标数据率和维度提供了超立方体网 格上的最大可能的汉明距离。准完备分组码包括线性和非线性码，或准完备码的组合。使 用超立方体网格，汉明距离的增加可导致欧几里得距离的增加。高维网格调制可实现针对 经受线性和非线性噪声的信号的更好的解码。
[0031] 在另选实施方式中，我们使用最密的超球网格将星座图映射到4D光载波。分组码 通过贪婪（greedy)球形切割被设计成在高维晶格点上顺序地选择最接近的点。
[0032] 将高维网格星座图映射到光载波上
[0033] 为了映射高维网格星座图，可以使用图6A所示的方法外的其它映射方