CN112491478A - 一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的im-dd光通信*** - Google Patents

一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的im-dd光通信*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM‑DD光通信***，包括依次连接的信号生成模块、信道编码模块、信号调制模块、逆NFT模块、信号传输与接收模块、NFT模块、信号解调模块、信道解码模块和信号接收模块。与现有技术相比，本发明具有性能稳定、误码率低等优点。

Description

一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***。
背景技术
信道编码是增加信息的冗余度对抗信道中的噪声干扰以降低信号误码率的技术手段。近几年在信道编码领域涌现出来的如LDPC、Polar编码方式达到了香农极限，成为在新的5G无线通信的信道编码标准。但是关于这些信道编码方式在光纤通信中的应用讨论方兴未艾。
文献《A Novel Modulation and Demodulation Algorithm of 16QAM-LDPC Codein Optical Channel》中公开了在光纤信道中利用LDPC进行信道编码的16QAM调制格式的编解码方案，该文献研究了在16QAM调制情况下使用LDPC带来的性能提升；虽然文章使用卡方分布代替高斯分布来研究光纤信道中的噪声影响，整体考虑了光线中存在的线性与非线性噪声，并得到信道编码对这一系列噪声的纠正作用，但是并没有具体考量光纤中存在的线性(如色散、偏振模色散、GVD)和非线性(如SPM)效应的影响。
另一方面，随着信息传输速率的提升、高阶调制的引入，光纤通信中的非线性效应愈发明显，成为进一步提高信息容量的阻碍。现在常用的非线性补偿算法有DBP(DigitalBackward Propagation)和Volttera级数等。DBP基于分步傅里叶法，需要反复的在时域和频域之间变换，且需要较高的空间分辨率；Volttera级数不需要在时域上进行变换，但计算复杂度为O(N2)。与传统的非线性补偿算法不同，非线性傅里叶变换算法利用非线性Kerr效应，均衡了GVD和SPM的效应，使得Inverse NFT变换产生的波形能不失真的通过光纤，在幅度不变的情况下，接收波与发送波只在非线性频域有线性相位差别，这一差别仅与传输距离相关，使得补偿实现十分简单。
然而，现有技术中的IM-DD光通信***在非线性噪声的干扰下，信道编码的效果将不可避免的变差，非线性噪声干扰对通信***的性能存在较为严重的影响，使得光通信***的性能低下，信道误码率提高，通信质量变差。
发明内容
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一种性能稳定、误码率低的基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，包括依次连接的信号生成模块、信道编码模块、信号调制模块、逆NFT模块、信号传输与接收模块、NFT模块、信号解调模块、信道解码模块和信号接收模块；
信号生成模块，用于生成/通信信号序列；
信道编码模块，用于对通信信号进行信道编码；
信号调制模块，用于对信道编码后的通信信号进行调制；
逆NFT模块，用于生成调制信号对应的孤子波形；
信号传输与接收模块，用于对孤子波形进行传输并在信号接收端接收；
NFT模块，用于求解孤子波形获得经过调制的通信信号；
信号解调模块，用于对调制信号进行解调；
信道解码模块，用于对解调后的信号进行解码；
信号接收模块，用于接收/通信信号序列。
优选地，所述的逆NFT模块具体为：
根据信号调制模块产生的星座图映射结果产生对应的波形信号并进行预补偿，波形信号驱动信号传输与接收模块产生对应的在光纤中传输的光信号。
优选地，所述的NFT模块具体为：
处理经过模数转换器ADC并经过归一化后的波形信号，输出传输的非线性频谱上的信号，对这一频谱信号乘以
Figure BDA0002803841970000021
其中λ表示非线性频谱，L表示传输距离，最终得到发送端的非线性频谱上的信号。
优选地，所述的信号生成模块生成通信信号的具体方法为：
根据偏振以及非线性频谱复用情况，生成多路/随机信息序列。
优选地，所述的信道编码模块采用前向纠错码对通信信号进行信道编码。
更加优选地，所述的前向纠错码为LDPC码。
更加优选地，所述的信道解码模块采用对数域和积译码算法LLR-SPA对通信信号进行信道解码。
优选地，所述的信号调制模块采用分正交相移键控DQPSK方法对通信信号进行调制。
优选地，所述的信号传输与接收模块采用偏振复用相干光通信子***进行信号传输与接收。
更加优选地，所述的偏振复用相干光通信子***包括任意波形发生器、IQ调制模块、光纤放大器EDFA、单模光纤SMF和光检测器；所述的任意波形发生器、IQ调制模块、光纤放大器EDFA、单模光纤SMF和光检测器依次相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、性能稳定：本发明中的IM-DD光通信***将非线性傅里叶变换NFT技术与信道编码编码相结合，NFT技术将信号变换到非线性频谱进行处理，对信道编码来说，在非线性频谱上进行与在线性频谱没有差异，都是加性高斯白噪声AWGN信道，解决了现有光通信***中存在的非线性噪声问题，在提高通信***性能的同时，也进一步提高了***的稳定性。
二、降低误码率：本发明中的IM-DD光通信***在使用NFT技术的同时，使用信道编码技术，可以进一步降低误码率，提高通信质量。
附图说明
图1为本发明中IM-DD光通信***的结构示意图；
图2为本发明中IM-DD光通信***的通信过程示意图；
图3为本发明中逆NFT模块和NFT模块的示意图。
图中标号所示：
1、信号生成模块，2、信道编码模块，3、信号调制模块，4、逆NFT模块，5、信号传输与接收模块，6、NFT模块，7、信号解调模块，8、信道解码模块，9、信号接收模块，501、任意波形发生器，502、IQ调制模块，503、光纤放大器EDFA，504、单模光纤SMF，505、光检测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其结构如图1所示，包括依次连接的信号生成模块1、信道编码模块2、信号调制模块3、逆NFT模块4、信号传输与接收模块5、NFT模块6、信号解调模块7、信道解码模块8和信号接收模块9。
下面对各个模块进行详细描述：
一、信号生成模块1和信号接收模块9
用于生成0/1通信信号序列，根据偏振以及非线性频谱复用情况，生成多路0/1随机信息序列；
信号接收模块9用于在接收端接收0/1通信信号序列，接收到的信号用于进行误码分析以及通信。
二、信道编码模块2和信道解码模块8
用于对通信信号进行信道编码，采用前向纠错码，包括但不限于LDPC、Polar、Turbo等现代信道编码算法进行信道编码，本实施例选用LDPC算法进行信道编码，对应的信道解码模块8选用对数域和积译码算法LLR-SPA对通信信号进行信道解码。
信道编码模块2中LDPC码是线性分组码的一种，所以编码方式可以使用其通用的基于生成矩阵的直接编码算法。在获得定义LDPC码的校验矩阵H后，利用H得到生成矩阵G，从而进行编码。
信号解码部分采用LLR-SPA对信号做译码变换，LLR-SPA的建立过程包括：
(1)初始化变量节点的似然比；
(2)校验节点更新和变量节点更新，并进行译码判决；
(3)当HcT＝0或者达到最大迭代次数则译码结束，输出译码结果。
三、信号调制模块3和信号解调模块7
用于对信道编码后的通信信号进行调制，采用分正交相移键控DQPSK方法对通信信号进行调制，信号解调模块7选用DQPSK对应的解调算法对通信信号进行解调。
四、逆NFT模块4和NFT模块6
逆NFT模块4用于生成调制信号对应的孤子波形，NFT模块6用于求解孤子波形获得经过调制的通信信号；
逆NFT模块4根据信号调制模块3产生的星座图映射结果产生对应的波形信号并进行预补偿，波形信号驱动信号传输与接收模块5产生对应的在光纤中传输的光信号；
NFT模块6处理经过模数转换器ADC并经过归一化后的波形信号，输出传输的非线性频谱上的信号，对这一频谱信号乘以
Figure BDA0002803841970000051
其中λ表示非线性频谱，L表示传输距离，最终得到发送端的非线性频谱上的信号。
五、信号传输与接收模块5
用于对孤子波形进行传输并在信号接收端接收，本实施例选用偏振复用相干光通信子***进行信号传输与接收，偏振复用相干光通信子***包括依次相连的任意波形发生器501、IQ调制模块502、光纤放大器EDFA503、单模光纤SMF504和光检测器505。
上述模块的具体处理过程如图2所示：
(1)信号生成模块1根据偏振以及非线性频谱复用情况，生成多路随机信息序列，进行信道编码。
(2)进行DQPSK调制映射，经逆NFT模块4变换得到传递符号和标准光纤主方程相应的孤子解，根据孤子解利用AWG501产生传输波形，并通过IQ调制模块502进行双偏振IQ调制，通过激光器将调制信号加载到光载波上，并送入非线性光纤信道进行传输。
(3)经过长距离的光纤传输后，对信号进行相干检测、平衡探测、接收端滤波，然后送入NFT模块6。
(4)在NFT模块6处理之前，对信号进行采样处理。如图3所示，首先用基于时域训练序列的均衡算法补偿偏振模色散PMD，然后NFT子模块求得传输信息并在非线性频谱线性相位补偿，最后使用Viterbi-Viterbi算法(V-V)进行载波相位恢复。
(5)进行DQPSK解调制以及信号解码，最终得到接收信号序列。
(6)将成功解码出的信息序列与发送信息序列作对比，计算***误码率以及性能分析。
本实施例可以通过误码率评估***性能：对于8Gbit/s的DQPSK***，采用x和y两路偏振以及非线性离散频谱{0.3j,0.6j}两路共四路信号，进行I/Q调制，生成八路长度为1024比特的随机0/1信息序列，使用码率为1/2、大小为1024×2048的校验矩阵H进行LDPC编码。完成信道编码后，两路偏振信号序列长度均为2048比特，在非线性频谱进行DQPSK调制映射后，用逆NFT模块变换非线性频谱信号到时域信号，使用任意波形发生器501产生孤子波形并经过I/Q调制，通过激光器将调制信号和用于PMD补偿的功率为-4dBm的训练序列加载到光载波上，并送入有非线性Kerr效应、GVD、随机双折射效应的光纤信道进行传输。光纤传输距离为80km×50，每80km后使用噪音系数(NF)为5.5dB的光纤放大器EDFA进行补偿。光纤衰减为0.2dB/km，色散系数为16ps/nm/km，光纤的非线性系数为1.3/W/km。经过4000km的光纤传输后，进行相干检测、平衡探测、接收端滤波、采样以及NFT求解和载波相位恢复，最后进行DQPSK解调制和LDPC解码，最终得到接收信号序列。将得到的信号与原始数据进行对比，计算出BER。
NFT技术作为新的克服光纤中非线性效应的技术，从决定光纤中信号传播的主方程出发，均衡GVD和SPM效应，利用了在非线性信道中波形不失真的孤子波形进行传输，是未来提高光通信***信道容量的可用方案之一。本发明在基于NFT的偏振模复用光通信***之上，利用LDPC等信道编码方式，进一步降低传输误码率，有很大的现实意义和创新价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的光通信***包括依次连接的信号生成模块(1)、信道编码模块(2)、信号调制模块(3)、逆NFT模块(4)、信号传输与接收模块(5)、NFT模块(6)、信号解调模块(7)、信道解码模块(8)和信号接收模块(9)；
信号生成模块(1)，用于生成0/1通信信号序列；
信道编码模块(2)，用于对通信信号进行信道编码；
信号调制模块(3)，用于对信道编码后的通信信号进行调制；
逆NFT模块(4)，用于生成调制信号对应的孤子波形；
信号传输与接收模块(5)，用于对孤子波形进行传输并在信号接收端接收；
NFT模块(6)，用于求解孤子波形获得经过调制的通信信号；
信号解调模块(7)，用于对调制信号进行解调；
信道解码模块(8)，用于对解调后的信号进行解码；
信号接收模块(9)，用于接收0/1通信信号序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的逆NFT模块(4)具体为：
根据信号调制模块(3)产生的星座图映射结果产生对应的波形信号并进行预补偿，波形信号驱动信号传输与接收模块(5)产生对应的在光纤中传输的光信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的NFT模块(6)具体为：
处理经过模数转换器ADC并经过归一化后的波形信号，输出传输的非线性频谱上的信号，对这一频谱信号乘以
Figure FDA0002803841960000011
其中λ表示非线性频谱，L表示传输距离，最终得到发送端的非线性频谱上的信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的信号生成模块(1)生成通信信号的具体方法为：
根据偏振以及非线性频谱复用情况，生成多路0/1随机信息序列。
5.根据权利要求1所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的信道编码模块(2)采用前向纠错码对通信信号进行信道编码。
6.根据权利要求5所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的前向纠错码为LDPC码。
7.根据权利要求6所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的信道解码模块(8)采用对数域和积译码算法LLR-SPA对通信信号进行信道解码。
8.根据权利要求1所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的信号调制模块(3)采用分正交相移键控DQPSK方法对通信信号进行调制。
9.根据权利要求1所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的信号传输与接收模块(5)采用偏振复用相干光通信子***进行信号传输与接收。
10.根据权利要求9所述的一种基于信道编码和非线性傅里叶变换的IM-DD光通信***，其特征在于，所述的偏振复用相干光通信子***包括任意波形发生器(501)、IQ调制模块(502)、光纤放大器EDFA(503)、单模光纤SMF(504)和光检测器(505)；所述的任意波形发生器(501)、IQ调制模块(502)、光纤放大器EDFA(503)、单模光纤SMF(504)和光检测器(505)依次相连。
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