编码调制相干光传输系统的概率整形等关键技术研究与设计

发布时间：2020-11-10 02:25

　　 随着互联网对通信带宽需求的急速增长,高速大容量的相干光通信系统得到了广泛的应用。编码调制技术通过对编码和调制进行联合设计,在不扩展频谱占用的条件下提高了系统容量,也受到了越来越多的关注。概率整形与编码调制联合,可以在不影响编码调制性能的前提下,进一步扩大OSNR容限,增大信号传输距离,同时还可以细颗粒度地改变系统传输速率。但是目前已报道的概率整形方案存在效率低、灵活性差、实现复杂度高等不足。本论文主要对相干光传输编码调制系统中的概率整形编码方案以及概率整形与编码调制结合方案进行了深入研究,主要研究工作如下。第一,针对概率整形编码效率较低的问题,提出了一种“高增益概率整形编码调制方案”。方案中的高增益概率整形编码方案使用了新型符号映射方式,在比特级别对输入信息进行分布匹配。同时,使用了输入分布保持的比特交织方案,将所提概率整形方案与传统的BICM均匀分布编码调制方案结合,进一步扩大OSNR容限。根据理论分析,高增益概率整形编码调制方案使用6.7%冗余,高效率地将星座点的最小平均欧氏距离扩大14%。光传输仿真结果表明,在平均发送功率相同且码率相同的条件下,译码后误码率为1E-5时,所提高增益概率整形方案可带来0.28dB的OSNR编码增益。光纤跨段仿真结果中,互信息为3.2bits/symbol时,所提高增益概率整形方案传输距离可增加8.2%,相比于已报导的概率整形方案,单位冗余带来的距离增益增加了39%。第二,针对基于调制格式变化的速率自适应方案的弹性光网络中,硬件实现复杂度高和信息速率调节颗粒度较大的缺陷,我们提出了一种“速率自适应概率整形编码调制方案”。该方案通过“取反-标记”的方法,改变了不同功率等级星座点的发送概率,实现了对信息输入分布的匹配。同时,由于不同冗余量可以带来不同程度的分布匹配效果,该方案通过引入0%至20%不等的冗余量,实现了对信息速率从0%到16.7%的调整,以较低的硬件复杂度实现了信道容量的最大化使用的效果。在使用冗余量为4%至20%之间时,调制颗粒度为系统波特率的0.7%至6.8%。光传输仿真结果表明,在使用了20%冗余的情况下,译码后误码率为1E-5时,速率自适应概率整形编码调制方案后较未使用概率整形的传统编码调制方案,可获得最高1.6dB的OSNR增益。第三,为了验证所提的“高增益概率整形编码调制方案”和“速率自适应概率整形编码调制方案”的可行性,我们搭建离线偏振复用相干光传输实验系统,分别对所提方案进行了实验验证。实验调制格式为PM-16QAM,波特率为12GBaud。同时,配合通过统计误符号率的统计方法,可以降低OSNR测量误差对实验结果的影响。在“高增益概率整形编码调制方案”实验中,当译码后误码率为1E-4时,相比于总冗余相同的传统编码调制方案,高增益概率整形编码调制方案获得了额外的约0.15dB的OSNR增益;在“速率自适应概率整形编码调制方案”实验中,概率整形编码冗余为20%、7.7%和2.2%时,码率分别为0.694,0.774和0.815,相比于不使用概率整形码率为0.833的均匀分布编码调制方案,当译码后误码率为1E-5时,分别获得了 1.7dB、1.3dB和0.6dB的OSNR增益。实验结果验证了两种方案的可行性,两种方案在实验条件下,均达到了较好的概率整形增益效果。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

实现难度比较大。??与ＴＣＭ系统的思想相反，ＢＩＣＭ系统提出了分离编码与调制，并在两者之间??加入比特交织器的思想。ＢＩＣＭ系统的结构如图２－１所示，是整个系统模块分明、??设计简单，同时可以分别对编码器、比特交织器和调制器进行单独优化，根据系??统要求实现多种不同的编码和调制的组合方案。相比于ＭＬＣ系统，ＢＩＣＭ系统在??实际的应用中，接收到的信息比特可来自于不同的子信道，因此子信道实际情况??的非理想化，不会对系统产生较大影响。??—？编码器一？比特交织器一？调制器一——Ｉ??白：?：，信道??讀ｇ渠Ｉ?译码器崎一解穷＾、器解调器＾?Ｉ—??图２－１?ＢＩＣＭ系统模型??通过分析，我们权衡光通信系统中的三种主流技术的误码性能、硬件实现的??复杂度、与概率整形方案的整合能力等方面的表现，结合文献调研和理论分析。??认为在编码调制相干光通信系统中

２．２高增益概率整形ＢＩＣＭ编码调制方案设计??２．２．１方案整体结构设计??结合概率整形的ＢＩＣＭ编码调制相关光通信系统的基本结构如图２－２所示。??“概率整形编码器”使用了后文２．２．３中介绍的概率整形编码方法，将需要均匀??分布的发送信息序列匹配成类高斯分布的符号序列。“反交织器”、“ＬＤＰＣ编码器”??和＂交织器”这三个模块共同组成了后文２．２．５所述的保持分布不变的ＬＤＰＣ编码??与比特交织模块。调制器根据后文２．２．２所述的格雷映射规则，将比特序列映射??成１６ＱＡＭ符号。光发射机为偏振复用相干光发射机，传输跨段由标准单模光纤??（Ｓｔａｎｄａｒｄ?Ｓｉｎｇｌｅ－Ｍｏｄｅ?Ｆｉｂｅｒ，ＳＳＭＦ）与掺辑光纤放大器（Ｅｒｂｉｕｍ－Ｄｏｐｅｄ?ｎｂｅｒ??Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＥＤＦＡ）组成，光接收机为偏振复用相关光接收机。ＤＳＰ处理器用于补??偿光信道中的损伤，包括ＩＱ正交失衡补偿、固定色散补偿、频偏估计与补偿、??相偏补偿等。ＤＳＰ处理器之后的模块，图２－２右方所示，与发送端的功能能相反，??对ＤＳＰ处理器输出的接收到的符号序列进行处理

本文以１６－ＱＡＭ为例，为了配合概率整形，在满足格雷准则的基础上，我们??设计了一种在符号的比特层面就对符号所在星座点的能量等级有较大辨识度的??映射规则，如图２－３所示。??Ｑ?‘??？?＃?＃?＃?功率等级１??１１００?０１００?０１０１?１１０１??功率等级２??？?？?？?？?功率菩级３??１０００?００００?０００１?１００１??ｒ??？?？?？?？??１０１０?００１０?００１１?１０１１??？?？?？?？??１１１０?０１１０?０１１１?１１１１??图２－３适用于概率整形的１６－ＱＡＭ格雷映射规则??根据发送星座点表示的符号所需要的能量，可以将１６ＱＡＭ星座点分成３个??功率等级。可以从图２－３可以看出，使用这种映射规则时，通过每个符号前两个??比特即可得知该符号所处的功率等级，如前两个比特“００”代表功率等级１，＂０１”??或者“１０”功率等级２，而“１１”表示功率等级３。任意１６－ＱＡＭ符号的前两个比特??只有４种情况：＂００”、“０１”、＂１０”和“１１＂，只需要改变这４种情况出现的概率，??即可实现对输入分布的控制。这种映射规则大大减轻了概率整形编码的工作量，??同时也是本文提出的两种概率整形方案的基础。??２．２．３输入分布概率整形编码规则??如１．１．２所述，在功率受限的ＡＷＧＮ信道当中，高斯分布是最佳的输入分布。??而我们需要传输的信息比特序列是随机的
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本文编号：2877324