基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调系统及方法与流程

本发明属于光通信技术领域，具体地，涉及的是一种将极化码与光OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple)信号结合的调制解调方法及相应的系统，用信道编码与高阶调制同时提升系统性能。

背景技术：

随着互联网技术的发展，数据流量不断增长，人们对网络带宽的需求越来越大。一方面造成原本有限的频带资源更加稀缺，另一方面使得数据传输速率超出了现有技术所能支持的最大传输速率。然而单独使用传统的信道编码方式或者单独使用传统的高阶调制方式已经无法满足这两方面的需求。而极化码作为目前唯一一种通过严格的数学证明达到信道容量的构造性编码方案，拥有较低的计算复杂度和较高的性能表现。通过将极化码与光OFDM调制方法结合的方法，可以灵活地将信息调制到特定可用的子载波上，有效解决有限的频带资源问题。同时通过高阶调制的方法，使得在数据传输速率不变的前提下降低信号检测、信号处理、译码的符号速率，降低整个传输过程的误码率。即在一定的信号处理速率下，通过高阶调制提高数据的传输速率，同时通过与极化码这种高性能的信道编码的结合，降低了误码率。

经过对现有文献的检索，来自Bilkent University的Erdal于2009年在IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY的第55卷第7期上发表论文“Channel Polarization:A Method for Constructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels”，理论提出了极化码这种码型的构造以及译码方法，但是此篇文章只是理论上提出了极化码，并没有在应用领域做过多的深入研究。

又经文献检索发现，来自韩国Pohang University of Science and Technology(POSTECH)的Dong-Min Shin等人于2012年在IEEE COMMUNICATIONS LETTERS的第16卷第6期上发表论文“Mapping Selection and Code Construction for 2m-ary Polar-Coded Modulation(2的m次幂的极化码映射选择与编码构造调制)”。该作者提出了多种基于极化码的m-pam调制中映射规则的选择准则。然而整个调制规则只是完成了在单载波上的调制，无法灵活地运用有限的频谱资源。

技术实现要素：

针对现有数据传输中出现的频带资源有限，数据传输速率不断提高的问题，本发明提出一种基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调系统及方法，利用在频域中极化码的信道编码技术与高阶调制技术相结合的光OFDM调制技术，可以灵活地将信息调制到特定可用的载波上，既能充分利用有限的频带资源，又能在保证一定误码率的前提下提高数据的传输速率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明的第一目的，提供一种基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调系统，所述系统包括：

极化码编码单元，用于将需要传送的用户信息通过极化码的编码规则编码成所需传送的码字；

高阶映射单元，用于将极化码编码后的码字进行高阶映射，映射到星座图上；

子载波映射单元，将经过高阶映射后的信号按顺序映射到可用的子载波上；

取导频单元，按照块状导频结构每隔一定数量的频域OFDM信号取导频，用于后期信道估计；

OFDM调制单元，进行IFFT变换，将子载波映射单元传送的频域OFDM信号转换为时域OFDM信号进行传输，并在每个时域OFDM信号前加循环前缀CP；

光发射与接收单元，用于将OFDM调制单元发送的时域OFDM信号调制到光载波上，在光纤介质中传输，在接收端用光电探测器进行接收；

OFDM解调单元，去除每个时域OFDM信号的循环前缀CP，并对去除CP的数据进行FFT运算，运算结果用于后期信道估计；

子载波恢复单元，用于将OFDM解调单元解调的频域OFDM信号按子载波映射规则反推恢复成高阶映射后的信号格式；

高阶解映射单元，用于将子载波恢复后的频域信号通过软解映射成后验概率序列，便于后续极化码的译码；

极化码译码单元，用于将高阶解映射单元产生的后验概率序列经过极化码译码产生原始的用户序列，完成最终的传输。

优选地，所述的极化码编码单元，选择合适的极化码编码码长N以及码率R，其中码长N为2的整数次幂，并根据码长N以及码率R选择信息信道以及固定比特信道。

优选地，所述的高阶映射单元，将极化码编码产生的二进制比特序列用高阶映射的方法映射成相应星座图上各个点。

优选地，所述的子载波映射单元，将经过高阶映射后的一帧数据的各个数据点按顺序映射到不同的子载波位置上去，具体的映射规则如下：高阶映射后的一帧数据格式为，N极化码的码长，m为高阶映射的阶数，一个OFDM信号中可用的子载波为，p为可用子载波的起始序号，q为可子载波的终止序号，可用子载波的总数为q-p+1，按照序号顺序将映射到，将映射到，以此类推；若可用子载波数q-p+1小于一帧数据的数据长度N/m，则将开始的数据按顺序映射到下一个OFDM信号的可用子载波上；若可用子载波数q-p+1大于一帧数据的数据长度N/m，则将下一帧高阶映射后的数据按顺序映射到剩余子载波上；若调制方法调制后出现复数数据点的情况，通过厄米共轭对称的方式将电平对应到子载波上，不使用的频段的子载波对应位置为0。

优选地，所述的OFDM调制单元，包括IFFT模块和加循环前缀CP模块，IFFT模块将子载波映射单元发送的频域信号变换为时域信号；加循环前缀CP模块在每个时域信号前加循环前缀CP。

优选地，所述的OFDM解调单元包括：去除循环前缀CP模块和FFT模块，FFT模块将时域OFDM信号恢复成频域OFDM信号；去除循环前缀CP模块去除每个时域OFDM信号的循环前缀CP。

优选地，所述的子载波恢复单元，进行信道估计，通过在发送端保存的导频X，以及在接收端所取导频通过传输以及相应处理后得到的频域信号Y，根据公式计算频率转移函数，对每个导频计算的各个求和取平均，得到作为整个信道频率转移概率函数的估计值，由此根据公式恢复出发送端对应频率点的信号值。

优选地，所述的高阶解映射单元，根据贝叶斯公式，计算用户信息为0和1的相应的后验概率序列，作为后级极化码译码的输入。

根据本发明的第二目的，提供一种基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调方法，包括：

极化码编码步骤，用于将需要传送的用户信息通过极化码的编码规则编码成所需传送的码字；

高阶映射步骤，用于将极化码编码后的码字进行高阶映射，映射到星座图上；

子载波映射步骤，将经过高阶映射后的信号映射到可用的子载波上；

取导频步骤，按照块状导频结构每隔一定数量的频域OFDM信号取导频，用于后期信道估计；

OFDM调制步骤，进行IFFT变换，将子载波映射步骤的频域OFDM信号转换为时域OFDM信号进行传输，并在每个时域OFDM信号前加循环前缀CP；

光发射与接收步骤，用于将OFDM调制步骤的时域OFDM信号调制到光载波上，在光纤介质中传输，在接收端用光电探测器进行接收；

OFDM解调步骤，去除每个时域OFDM信号的循环前缀CP，并对去除CP的数据进行FFT运算，运算结果用于后期信道估计；

子载波恢复步骤，用于将OFDM解调步骤解调的频域OFDM信号恢复成高阶映射后的信号格式；

高阶解映射步骤，用于将子载波恢复后的频域信号通过软解映射成后验概率序列，便于后续极化码的译码；

极化码译码步骤，用于将高阶解映射步骤产生的后验概率序列经过极化码译码产生原始的用户序列，完成最终的传输。

本发明中用户传输数据，经极化码编码后经过适当的高阶调制映射到相应载波，经IFFT后实现频域信号到时域信号的转换，然后调制到相应的信道上进行传输。接收端对信号进行FFT，子载波信号恢复，高阶软解调以及极化码的SC译码后恢复原用户信号，实现整个系统的传输。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出了将极化码与光OFDM信号编码调制结合起来的技术，有效解决了光通信系统频谱资源有限以及数据传输速率不高的问题。极化码作为一种能达到香农容限并且有较低编译码复杂度的信道编码算法，降低了信息传输过程中的误码率，提高系统的可靠性。高阶映射的引入提高了单个符号携带的信息量，提高了光通信系统的数据传输速率。光OFDM调制使得整个系统有了较好的抗频率选择性衰落以及窄带特性。可以灵活选择衰减较小的子载波进行数据传输，同时把信号集中于一个窄带信号内，有效解决频谱资源有限的问题，提高系统的频带利用率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例的原理框图；

图2为本发明一较优实施例的子载波映射规则图；

图3为本发明一较优实施例通过将极化码应用于光OFDM实例的仿真实验的具体误码率曲线。

具体实施方法

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调系统，其特征在于，所述系统包括：

极化码编码单元，用于将需要传送的用户信息通过极化码的编码规则编码成所需传送的码字；

高阶映射单元，用于将极化码编码后的码字进行高阶映射，映射到星座图上；

子载波映射单元，将经过高阶映射后的信号按顺序映射到可用的子载波上；

取导频单元，按照块状导频结构每隔一定数量的频域OFDM信号取导频，用于后期信道估计；此操作在IFFT前完成；

OFDM调制单元，进行IFFT变换，将子载波映射单元传送的频域OFDM信号转换为时域OFDM信号进行传输，并在每个时域OFDM信号前加循环前缀CP；

光发射与接收单元，用于将OFDM调制单元发送的时域OFDM信号调制到光载波上，在光纤介质中传输，在接收端用光电探测器进行接收；

OFDM解调单元，去除每个时域OFDM信号的循环前缀CP，并对去除CP的数据进行FFT运算，运算结果用于后期信道估计；

子载波恢复单元，用于将OFDM解调单元解调的频域OFDM信号按子载波映射规则反推恢复成高阶映射后的信号格式；

高阶解映射单元，用于将子载波恢复后的频域信号通过软解映射成后验概率序列，便于后续极化码的译码；

极化码译码单元，用于将高阶解映射单元产生的后验概率序列经过极化码译码产生原始的用户序列，完成最终的传输。

所述极化码编码单元由产生用户数据和极化码编码两部组成。

所述光发射与接收单元由发送前调制，光纤信道传输，光电探测器接收三部分组成。

图1中，信道估计与OFDM解调单元的输出端、子载波恢复单元的输入端相连，利用前期所取得导频来进行信道估计运算。

在一实施例中，所述极化码编码单元，选择合适的极化码编码码长N以及码率R，并根据码长N以及码率R选择信息信道以及固定比特信道，其中码长N为2的整数次幂，如512、1024、2048等等；选择信道的方法可以是巴氏参数法，高斯近似法或者密度进化法。

在一实施例中，所述的高阶映射单元，将极化码编码产生的二进制比特序列用高阶映射的方法映射到相应星座图的各个点上，其中选用的高阶映射方法可以是QPSK、4PAM、4QAM、16QAM、64QAM等等方法。

在一实施例中，所述的子载波映射单元，将经过高阶调制后的一个符号的各个数据点按顺序映射到不同的子载波位置上去，若调制方法调制后出现复数数据点的情况(比如像16QAM之类的调制方法)，通过厄米共轭对称的方式将电平对应到子载波上，不使用的频段的子载波对应位置为0。

在一实施例中，所述的OFDM调制单元，包括IFFT模块和加循环前缀CP(Cyclic Prefix)模块，IFFT模块将子载波映射单元发送的频域信号变换为时域信号；加循环前缀CP模块在每个时域信号前加循环前缀CP。

在一实施例中，所述的光发射与接收单元包括将串行信号调制到相应频率的光载波上，注入光纤进行传输，接收端通过光电检测器检测接收。所用的光调制器可以采用强度调制方式，比如马赫增德尔(MZM，Mach-Zehnder modulator)调制器，或者直接调制方式，比如直接调制激光器(DML，direct modulation laser)。

在一实施例中，所述的OFDM解调单元包括：去除循环前缀CP模块和FFT模块，FFT模块将时域OFDM信号恢复成频域OFDM信号；去除循环前缀CP模块去除每个时域OFDM信号的循环前缀CP。

在一实施例中，所述的子载波恢复单元，信道估计，通过在发送端保存的导频X，以及在接收端所取导频通过传输以及相应处理后得到的频域信号Y，根据公式计算频率转移函数，对每个导频计算的各个求和取平均，得到作为整个信道频率转移概率函数的估计值。由此可以根据公式恢复出发送端对应频率点的信号值。

根据发送端子载波映射单元中的映射规则，恢复成极化码编码与高阶调制后的数据格式。

在一实施例中，所述的高阶解映射单元吗，根据贝叶斯公式，计算用户信息为0和1的相应的后验概率序列，作为后级极化码译码的输入。

在一实施例中，所述的极化码译码单元，根据输入的后验概率序列以及已知的极化码编码过程中的信道信息(传输固定比特序列与信息比特序列的信道集合)，可以采用串行抵消译码SC方法，也可以采用SCL译码等改进的SC译码方法，或者采用BP，LP等其他译码方法，以提高译码的准确率。

与上述系统对应的，一种基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调方法，包括如下步骤：

极化码编码步骤，用于将需要传送的用户信息通过极化码的编码规则编码成所需传送的码字；

高阶映射步骤，用于将极化码编码后的码字进行高阶映射，映射到星座图上；

子载波映射步骤，将经过高阶映射后的信号映射到可用的子载波上；

取导频步骤，按照块状导频结构每隔一定数量的频域OFDM信号取导频，用于后期信道估计。

OFDM调制步骤，进行IFFT变换，将子载波映射步骤的频域OFDM信号转换为时域OFDM信号进行传输，并在每个时域OFDM信号前加循环前缀CP；

光发射与接收步骤，用于将OFDM调制步骤的时域OFDM信号调制到光载波上，在光纤介质中传输，在接收端用光电探测器进行接收；

OFDM解调步骤，去除每个时域OFDM信号的循环前缀CP，并对去除CP的数据进行FFT运算，运算结果用于后期信道估计；

子载波恢复步骤，用于将OFDM解调步骤解调的频域OFDM信号恢复成高阶映射后的信号格式；

高阶解映射步骤，用于将子载波恢复后的频域信号通过软解映射成后验概率序列，便于后续极化码的译码；

极化码译码步骤，用于将高阶解映射步骤产生的后验概率序列经过极化码译码产生原始的用户序列，完成最终的传输。

上述基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调方法每个步骤具体实现的技术对应于基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调系统的各个单元技术，再次不再赘述。

根据上述方法和系统提供以下具体的实施例：

在一实施例中，选用极化码编码码长N＝512，极化码码率R＝0.5。极化码编码时信道挑选的方式选择巴氏参数法，初始擦除概率为0.5。OFDM信号一共有512个子载波，其中可用的数据子载波为120个。IFFT和FFT的点数为512点。QAM高阶映射的阶数为16。光纤传输的长度为50Km。

首先由用户产生需要传送的信息比特，再由极化码编码单元进行极化码编码，经极化码编码后一个符号由512个0或1的信息比特组成。

将每个编码后的极化码符号进行16QAM的高阶映射，映射方式选择格雷映射，使得最终在解调时若判断为相邻点时最多只有一个比特的错误，尽可能地减小误码率。每个符号经过16QAM高阶调制后是128个复数形式的数据点，将其称为一个用户信息符号。

将经过高阶映射后的用户符号映射到可用的频率子载波上。这里采用厄米共轭对称的映射方式，目的是使得经后期IFFT后的信号为实数。根据数据到子载波的映射方式，将高阶映射后的一个用户信息符号的各个数据点按顺序映射到不同的子载波位置上去。在本实施例中，具体的映射规则如下：由于现在有512个子载波，但是可以用于传输信息的子载波数量只是其中的120个。由厄米共轭对称的映射方式可知第1个子载波与第257个子载波上存放的数据为零，其余子载波上存放的数据分别关于第257个子载波共轭对称。因此将第一个用户信息符号的第一个复数数据点存放在第256个子载波的位置，第258个子载波的位置存放该复数数据点的共轭形式，以此类推，由于可用的子载波只有120个，除去最中间的第257个子载波需要放零，其余能放数据的子载波数共有119个，因此从第256个子载波到第138个子载波存放相应的复数数据点，而第258到第376个子载波存放数据的共轭形式。其余不传输信息的子载波相应位置为零。由此产生了一个有512个子载波构成的OFDM频域符号。由于一个用户信息符号由128个复数数据点组成，而这里一个OFDM频域符号只用到了119个数据点，剩下的9个复数数据点就自然放到了下一个OFDM频域符号。而下一个OFDM频域符号中剩余的可用子载波继续存放下一个用户信息符号的复数数据点。根据上述映射规则，可得到S个OFDM频域符号，其中每个OFDM频域符号包含512个子载波数据，有效的数据子载波为第138到第256，S的大小由用户信息符号的数量决定。

将上述产生的S个OFDM频域符号每隔20个取一个OFDM频域符号保存作为导频信号，用作接收端信道估计。具体规则为取第1、21、41、61……等等作为导频信号。

将上述产生的S个OFDM频域符号作512点的IFFT变换，将频域信号转变为S个OFDM时域符号，从而才能在实际的通信系统中传输。

为了防止信息在传输过程中由色散引起的符号间干扰和载波间干扰，必须在每个OFDM时域符号前加入循环前缀CP，此处假设CP的长度为OFDM时域符号长度的25％。因此实施例中可以取出每个OFDM时域符号末尾的128个时域采样点放到其前面，使得原本的512位OFDM时域符号变为640位的OFDM时域符号。

对信号进行并/串转换，即将上述S个640位的OFDM时域符号进行首尾相连，变为含有S*640个采样点的时域信号。

由于在实际系统中，接收端信号的起始位置未知，因此有必要在发送端的信号前面加入时钟同步序列，此处加入长度为127位的0、1比特m序列。为了与实际发送的信号幅度上保持一致，将加入时钟同步序列的每个比特乘以OFDM时域信号采样点的最大值。

由此产生了含有S*640+127个时域采样点的OFDM时域采样信号，其中信号的前127个采样点是时钟同步序列，不携带任何信息。从第128个采样点开始每640个采样点为一组，是一个OFDM时域符号。其中每个640位OFDM时域信号中前128个采样点为加入的循环前缀。

此处采用的传输系统为载波波长1550nm的光传输系统，信息传输速率为10Gbit/s，采用的光纤长度为50Km。通过将上述产生的串行时域采样信号经过MZM调制产生相应的光信号，经过50Km长度的光纤传输，通过光衰减器产生合适的光功率用于接收。在接收端利用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号进行存储。

由于发送端是循环发送一连串OFDM的时域采样信号，因此接收端接收到的数据也是循环的，信号的起始位置未知。因此将接收到的数据和前期加入进去的时钟同步序列作循环移位的卷积运算，根据时钟同步序列自身的性质可知，当卷积运算结果出现峰值时，便是时钟同步序列与自身的卷积运算结果。因此，在取得的一系列循环移位卷积运算结果中的峰值处可以判定是所加的时钟同步序列，它的往后是信号的起始位置。

从信号的起始位置处开始，取S*640个接收到的数据点便是所传输的OFDM时域采样序列，然后再以640个数据点为一组进行串/并转换，恢复出发送前的每个OFDM时域符号。

根据前面加的循环前缀可知每个OFDM信号的有效信息位为第129到第640一共512个数据点，前128个数据点为所加循环前缀CP。因此将有效的512个采样点分别作512点的FFT变换，恢复出一系列OFDM的频域信号。

由于信号传输过程中进过MZM调制，光纤传输，光衰减器控制功率以及光电探测器进行接收，整个信道的频率特性曲线并不是一条水平的直线，即各个频点的幅频特性H是不同的，因此要想恢复出原信号就必须进行信道估计。通过在发送端保存的导频X，以及在接收端所取导频通过传输以及相应处理后得到的频域信号Y，根据公式计算频率转移函数，对每个导频计算的各个求和取平均，得到作为整个信道频率转移概率函数的估计值。由此可以根据公式恢复出发送端对应频率点的信号值。由此恢复出了发送端发送的S个OFDM的频域符号。

根据前期数据到子载波的映射关系，从S个OFDM的频域符号中恢复出用户信息符号。每个用户信息符号含有128个复数数据点。

将恢复出的用户信息符号进行16QAM软解调，输出每个用户比特传输0和1时的后验概率。具体的每个用户信息符号含有128个复数数据点，包含有512个用户数据比特。因此经16QAM软解调后输出的是512个用户比特为0的后验概率以及512个用户比特为1的后验概率。

将上述后验概率序列输入至极化码译码单元，进行极化码的SCL译码，搜索路径数L取1、2、4，从而使接收端得到发送端发送的原始用户数据比特。具体的误码率曲线见图3。同时图3也对比了不加极化码时整个系统的误码率，对比发现极化码的引入很大程度上降低了整个系统的误码率，提高了系统性能。

上述实施例采用基于极化码的光OFDM信号编码调制与解调系统和方法，具有如下优点：

1.极化码作为一种能达到香农容限并且有较低编译码复杂度的信道编码算法，降低了信息传输过程中的误码率，提高系统的可靠性。

2.高阶映射的引入提高了单个符号携带的信息量，提高了光通信系统的数据传输速率。

3.光OFDM调制使得整个系统有了较好的抗频率选择性衰落以及窄带特性。可以灵活选择衰减较小的子载波进行数据传输，同时把信号集中于一个窄带信号内，有效解决频谱资源有限的问题，提高系统的频带利用率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。