一种概率整形四维编码调制方法

1.本发明涉及光纤通信领域，尤其是涉及一种概率整形四维编码调制方法。


背景技术：

2.随着新兴互联网业务例如虚拟现实，增强现实的不断涌现与蓬勃发展，全球互联网流量井喷式发展。光纤通信作为数据通信骨干网的主要载体，其传输带宽与传输容量的提升对于数据通信时代的发展有着至关重要的推动作用。偏振复用技术充分利用光高维自由度，在光的多个偏振态上传输信息，成倍提升了光通信系统传输容量。然而，偏振间串扰、偏振独立损耗等偏振相关信号损伤严重制约偏振复用传输系统性能，为容量与速率的提升带来了极大的阻碍。由于在光偏振复用通信系统中光的多个维度都承载了有效信息，高维编码通过在编码过程引入校验比特以产生多维度联系，提升光偏振复用传输系统的能量效率，成为突破现有瓶颈的重要技术手段。
3.四维调制编码是一种优良的高维调制技术，其基于分区设置策略对光两个正交偏振态(x偏振态与y偏振态)以及每个偏振态中的正交分量(i相与q相)进行编码以有效增大信号星座点之间的最小欧式距离。同时，概率整形技术通过调整各个星座点出现概率，使其符合符号能量越大，出现概率越低的规律，降低传输符号的平均能量以降低传输系统所受非线性损伤。因此，概率整形四维调制信号在完全利用光的高维自由度的同时可以通过调整信源熵实现灵活传输，提升传输性能。然而，常用的用来实现特定概率分布的分布匹配器包括恒定构成分布匹配器等往往需要较大的实现复杂度。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种复杂度低的概率整形四维编码调制方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种概率整形四维编码调制方法，包括以下步骤：
7.s1、对原始二进制数据序列进行预处理，得到二维编码矩阵，并分区设置编码校验位和编码标志位的预设值，所述预设值为0；
8.s2、基于翻转规则对二维编码矩阵进行比特翻转，并重设编码标志位，得到翻转后的二维编码矩阵，并调整整形程度因子，实现特定的概率分布；
9.s3、对调整后的二维编码矩阵进行分集设置编码，重设编码校验位，并将翻转后的二维编码矩阵对应的传输星座图分为多个集合，得到分集后的二维编码矩阵；
10.s4、以分集后的二维编码矩阵的列为基本单元，重新并串转换恢复到传输数据序列，并基于映射规则映射成为传输符号。
11.进一步地，所述预处理具体为：对原始二进制数据序列进行截取，获得长度为抽头数量的输入比特序列，将输入比特序列进行串并变换，得到二维编码矩阵。
12.进一步地，所述抽头数量基于整形程度因子计算得到。
13.进一步地，对于16qam信号，所述二维编码矩阵共4行。
14.进一步地，对于16qam信号，对二维编码矩阵进行比特翻转具体为将二维编码矩阵的前2行就行比特翻转。
15.进一步地，对于16qam信号，所述翻转规则为：根据单行比特内0和1的比特的相对数量关系来决定是否进行比特翻转。
16.进一步地，所述根据单行比特内0和1的比特的相对数量关系来决定是否进行比特翻转具体为：若单行内的0比特比1比特数量更多，则保持原有比特状态，反之，若单行内的0比特比1比特数量少，则将行内原有比特进行翻转。
17.进一步地，重设编码标志位为：保持原有比特状态时，在单行末尾添加编码标志位0，将行内原有比特进行翻转时，在行尾添加编码标志位1。
18.进一步地，所述映射成为传输符号具体为：将分集后的二维编码矩阵中的奇数列将映射成为x偏振态传输符号，偶数列将映射成为y偏振态传输符号。
19.进一步地，所述映射规则满足相邻星座点码距最小的条件。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.(1)本发明中的比特翻转编码以及分区设置编码的主要操作是比特级简单操作包括比特翻转的操作，这些操作对于硬件实现而言友好，复杂度低，对于硬件资源需求少，具有物理实现优势。
22.(2)本发明采用的编码调制方法实现特定麦克威尔-玻尔兹曼概率分布信号生成以提升传输系统信噪比容限，兼顾了传输方法对于有效性以及灵活性的需求。
附图说明
23.图1为本发明的流程图；
24.图2为本发明的分区设置编码实现原理图；
25.图3为本发明的符号映射规则图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
27.实施例1：
28.本发明提供一种概率整形四维编码调制方法，方法的流程图如图1所示。方法包括以下步骤：
29.s1、对原始二进制数据序列进行预处理，得到二维编码矩阵，并分区设置编码校验位和编码标志位的预设值，所述预设值为0。
30.s1的具体步骤为：
31.获取原始二进制数据序列x，对原始二进制数据序列x进行截取，获得长度为抽头数量nb的输入比特序列，将输入比特序列进行串并变换，得到二维编码矩阵。
32.虑到实际传输系统的信道条件，分集截取的抽头数量nd为：
33.nb＝(k+1)*4(k+1)/2-2
34.其中，k为整形程度因子。
35.输入比特序列x
in
为：
36.x
in
＝[x(1),x(2),
…
,x(nb)]
[0037]
以16qam信号编码为例，将输入比特序列x
in
进行串并变换，得到的二维编码矩阵为：
[0038][0039]
矩阵长和宽分别为l和m。
[0040]
m＝4,l＝k+1
[0041]
16qam信号编码的编码矩阵共4行，k+1列，其中共有nb个信息比特、(k-1)/2个分区设置编码校验位以及2个比特翻转编码标志位。在数据预处理的过程中，分区设置编码校验位以及比特翻转编码标志位预设值为0。
[0042]
此时，考虑到新添加的编码冗余比特，编码效率η为：
[0043][0044]
s2、基于翻转规则对二维编码矩阵进行比特翻转，并重设编码标志位，得到翻转后的二维编码矩阵，并调整整形程度因子，实现特定的概率分布。
[0045]
s2的具体步骤为：
[0046]
概率整形信号中的各个信号星座点出现概率并不是与一般调制格式信号一样等概分布，而是随着各信号能量值而发生变化，遵循信号所具有的能量越大则出现概率越低的基本原则。显而易见的是，这种概率分布将会降低信源信息熵，减少相同符号波特率下的传输净速率，然而这种概率分布减少了高能量符号分布，降低了光通信传输系统中由于高传输功率所引起的非线性传输损伤。同时，信源熵的可调连续变换对于光传输系统的灵活性是一种极大的裨益。
[0047]
比特翻转将使得原本0和1比特等概分布的二维编码矩阵中0和1比特分布概率发生变化，以映射得到特定概率分布的传输符号。
[0048]
以16qam调制信号为例，基于翻转规则对二维编码矩阵前两行的比特进行比特翻转，以实现特定的概率分布，比特翻转的表达式为：
[0049]
[0050][0051]
从上式看出，翻转规则为根据单行比特内0和1的比特的相对数量关系来决定是否进行比特翻转。若单行内的0比特比1比特数量更多，则保持原有比特状态，反之，若单行内的0比特比1比特数量少，则将行内原有比特进行翻转。
[0052]
重设编码标志位为：比特翻转时，保持原有比特状态时，在单行末尾添加编码标志位0，将行内原有比特进行翻转时，在行尾添加编码标志位1。最终得到翻转后的二维编码矩阵。经过比特翻转编码之后，前两行中将会有更多的0比特。由于前两行代表了每个传输符号二进制表达形式的前两位，因此在所有传输符号的二进制表达形式中00xx出现的概率最高，01xx以及10xx次之，出现概率最小的则是11xx。
[0053]
对于翻转后的二维编码矩阵，通过调整整形程度因子k以实现特定的概率分布。
[0054]
s3、对调整后的二维编码矩阵进行分集设置编码，重设编码校验位，并将翻转后的二维编码矩阵对应的传输星座图分为多个集合，得到分集后的二维编码矩阵。
[0055]
光四维调制利用了光正交偏振自由度以及正交分量对信号进行联合调制。分集设置编码通过在两个偏振传输数据中加入校验比特，即编码校验位，使得原有传输星座图分为多个集合，以实现光四维调制。
[0056]
以sp128qam为例，分集设置编码的原理如图2所示。
[0057]
原理的表达式为：
[0058][0059]
s4、以分集后的二维编码矩阵的列为基本单元，重新并串转换恢复到传输数据序列，并基于映射规则映射成为传输符号。
[0060]
完成分集设置编码之后，二维编码矩阵将以列为基本单元重新并串转换恢复到传输数据序列并映射成为传输符号。二维编码矩阵中的奇数列将映射成为x偏振态传输符号，偶数列将映射成为y偏振态传输符号以进行偏振复用系统传输，完成编码调制。
[0061]
由于比特翻转编码的存在，因此需要将出现概率更高的比特序列映射成为能量较低的符号。同时，映射规则需要满足相邻星座点码距最小的条件。符号映射规则如图3所示。映射过程中使用比特异或操作。
[0062]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。