基于編碼調(diào)制的高速光傳輸系統(tǒng)研究

劉皎， 張娜

(商洛學(xué)院,人工智能研究中心，陜西,商洛 726000)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對信息速率的需求已提升到了更高的層次，使得超高速光傳輸系統(tǒng)研究成為熱點(diǎn)[1-2]。而超高速的信息傳輸必然會帶來誤碼率等系統(tǒng)性能方面的損傷，因此將編碼調(diào)制技術(shù)引入到于光纖通信系統(tǒng)中來改善系統(tǒng)性能損傷。編碼調(diào)制技術(shù)是一種高效的傳輸方案[3-4]，它在不展寬帶寬的情況下將信道編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)有效地結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以獲得顯著編碼增益[5-7]。網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)技術(shù)與光通信技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)有很多。TCM將調(diào)制、編碼結(jié)合到了一起，這在相當(dāng)大的程度上降低通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度。由于TCM采用的是部分編碼技術(shù)，僅對參與子集分割的相應(yīng)碼元進(jìn)行編碼[8-9]，這樣既保證了系統(tǒng)的有效性又不降低編碼增益，且對系統(tǒng)硬件處理速度的要求也有所降低。但TCM的編譯碼方式大多采用的是卷積碼[10]，這在高速光通信系統(tǒng)中的糾錯(cuò)能力又是非常有限的。LDPC碼是一種高碼率的糾錯(cuò)編碼技術(shù)[11-12]，它通過在信息序列中引入冗余序來實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能，可以降低接收端的光信噪比容限(OSNR)[13-15]。因此將LDPC與TCM碼級聯(lián)后應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，在降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，改善了系統(tǒng)誤碼性能，為高速光通信的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

1 編碼調(diào)制高速光傳輸方案

編碼調(diào)制光傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)送端:首先選用合適碼率的LDPC碼對高速率數(shù)據(jù)信號做信道編碼，將編碼后的信號輸出至TCM模塊，TCM模塊采用64QAM調(diào)制對輸入信號進(jìn)行遞歸卷積編碼，其輸出的64QAM信號星座映射圖及子集劃分如圖2所示；再將使用光調(diào)制器將TCM編碼模塊輸出的兩路多級電信號加載至光載波的相位與振幅上，完成光載波的64QAM調(diào)制；最后將已調(diào)光信號送至光纖鏈路進(jìn)行傳輸。接收端主要由光信號解調(diào)器、TCM譯碼器、LDPC譯碼器這3部分組成，TCM譯碼器采用適用于光纖信道的ViTerbi算法,LDPC譯碼器則根據(jù)譯碼算法的復(fù)雜性及系統(tǒng)的性能需求做綜合考慮進(jìn)行選擇。該光傳輸系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：①結(jié)合了光通信系統(tǒng)高速率的特點(diǎn)，提升了信息速率；②光信號解調(diào)器對光信號做相干解調(diào)，提升了系統(tǒng)的接收靈敏度；③將LDPC與TCM技術(shù)進(jìn)行級聯(lián)，利用可控的編碼冗余來改善誤碼率性能，提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖1 編碼調(diào)制光傳輸系統(tǒng)圖

圖2 64QAM信號子集劃分圖

2 TCM編譯碼模塊

(1)TCM編碼

圖3 TCM編碼器結(jié)構(gòu)圖

(2)TCM譯碼

在TCM接收端采用ViTerbi軟判決算法進(jìn)行最大似然譯碼。TCM譯碼分兩步走，先進(jìn)行“子集譯碼”，再對“子集譯碼”后的輸出序列做ViTerbi軟判決譯碼。

“子集譯碼”的作用是減小后續(xù)ViTerbi譯碼算法的復(fù)雜度，其目的是在子集中找與接收信號最接近的標(biāo)準(zhǔn)信號點(diǎn)。經(jīng)“子集譯碼”后的信號序列就不再需要考慮平行路徑的問題，其計(jì)算所得的歐氏距離度量矩陣也能直接用到后續(xù)的ViTerbi譯碼算法之中，這樣在很大程度上降低了ViTerbi譯碼算法的計(jì)算量，減小了對存儲空間的需求。當(dāng)信息序列等概率時(shí)，ViTerbi譯碼算法即為最小差錯(cuò)概率譯碼。

3 高速率系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

高速率的編碼調(diào)制光通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)如圖4所示。編碼模塊用于對信息進(jìn)行編碼調(diào)制，產(chǎn)生I/Q兩路多級電平信號，并輸出至AWG中。AWG把接收到的多級電信號轉(zhuǎn)化為模擬信號后，加載到上下兩路的MZM調(diào)制器上，通過輸入的多級電平變化，使信息加載至光載波的振幅及相位上。之后再對其中的一路已調(diào)信號進(jìn)行π/2相移，使兩路信號相互正交，且耦合到同一鏈路，產(chǎn)生64QAM光已調(diào)信號，再通過光纖鏈路傳輸?shù)叫盘柦邮斩?。在信號接收端，使用光混頻器(Hybrid)實(shí)現(xiàn)信號的相干接收，輸出兩路相互正交的光信號；利用兩個(gè)PIN實(shí)現(xiàn)光/電信號的轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的電信號再進(jìn)行高速的時(shí)域采樣、量化為數(shù)字信號后輸出至解碼模塊，最終實(shí)現(xiàn)基于編碼調(diào)制技術(shù)的高速光信號傳輸。

圖4 系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)模型

在編碼模塊中，利用強(qiáng)糾錯(cuò)能力的LDPC外碼和優(yōu)良頻帶、功率利用率的TCM內(nèi)碼級聯(lián)。信源輸入序列經(jīng)過LDPC編碼轉(zhuǎn)換為分組形式外碼比特流，比特流經(jīng)過網(wǎng)格編碼器加入外碼冗余比特，然后通過星座映射和子集分割成為在星座平面上具有特定位置相關(guān)性的64進(jìn)制復(fù)值碼元，碼元的同相、正交分量分別與一對正交的光載頻相乘實(shí)現(xiàn)64QAM調(diào)制，如此完成內(nèi)外級聯(lián)編碼調(diào)制。調(diào)制后的碼元經(jīng)過光纖信道傳輸和接收機(jī)解調(diào)會受到干擾，得到畸變的復(fù)值碼元。它先后經(jīng)過子集譯碼、軟判決維特比譯碼得到內(nèi)碼輸出，再由LDPC迭代譯碼得到最終的比特輸出還原信源輸入。

4 仿真結(jié)果分析

圖5所示為TC-64QAM編碼與未編碼調(diào)制系統(tǒng)誤碼性能的仿真結(jié)果對比，當(dāng)采用了TC-64QAM編碼調(diào)制后，系統(tǒng)誤碼性能得到了顯著改善。當(dāng)輸入信噪比(E0/N0)為4.5 dB時(shí)，TC-64QAM系統(tǒng)誤碼率已經(jīng)小于10-6，滿足了低誤碼率性能要求。

圖5 TC-64QAM與未編碼調(diào)制系統(tǒng)誤碼性能對比圖

圖6為LDPC與TCM級聯(lián)前后系統(tǒng)誤碼性能結(jié)果對比圖。從圖6可以看到，當(dāng)兩者級聯(lián)后，進(jìn)一步降低接收端OSNR容限，當(dāng)輸入信噪比(E0/N0)為2.35 dB時(shí)LDPC-TC-64QAM的誤碼率就小于了10-6，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)性能。

圖6 LDPC與TCM級聯(lián)前后的誤碼性能對比圖

圖7為傳輸百公里后不同傳輸速率下TC-64QAM編碼、LDPC-TC-64QAM級聯(lián)編碼后的系統(tǒng)誤碼性能對比圖。從圖7可以看到，隨著傳輸速率的提升，2種系統(tǒng)的誤碼率均有增加，且僅有TC-64QAM編碼的系統(tǒng)誤碼率增長速度比LDPC-TC-64QAM級聯(lián)編碼系統(tǒng)的要快，說明LDPC-TC-64QAM級聯(lián)編碼的抗誤碼性能要優(yōu)于TC-64QAM編碼系統(tǒng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了LDPC-TC-64QAM級聯(lián)編碼的可靠性。

圖7 不同傳輸速率下TC-64QAM、LDPC-TC-64QAM誤碼性能對比圖

5 總結(jié)

本文在深入研究網(wǎng)格編碼調(diào)制的構(gòu)造方法與編解碼方法的基礎(chǔ)上，提出適用于高速光通信系統(tǒng)的新型編碼調(diào)制格式、編碼調(diào)制解調(diào)方案，降低了系統(tǒng)OSNR容限，提升了系統(tǒng)可靠性并降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。該研究成果為高速、大容量、高頻譜利用率、長距離光纖通信系統(tǒng)、高性價(jià)比傳輸光纖通信的實(shí)現(xiàn)提供了新途徑。