CN109217933B - 基于概率成形的无载波幅度相位调制方法及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于概率成形的无载波幅度相位调制解调方法，包括概率成形星座映射步骤、解映射步骤和无载波幅度相位调制、解调步骤，概率成形星座映射步骤包括确定非均匀概率成形星座映射表、进行非均匀分布比特交织、进行星座映射三个子步骤，概率成形星座解映射步骤包括确定非均匀概率成形星座映射表、进行星座解映射、非均匀分布比特解交织三个子步骤。本发明能够降低能量较高星座点的发射概率，提高能量较低星座点的发射概率，通过概率成形所带来的成形增益，降低了系统的平均发射功率，实现了短距离通信系统传输容量的提升。同时通过将比特流中比特的重新排列，使差错随机化，降低信道中的突发错误影响，实现了误码率方面的性能提升。

Description

基于概率成形的无载波幅度相位调制方法及解调方法

技术领域

本发明涉及一种无载波幅度相位调制方法及解调方法，尤其是涉及一种基于概率成形的无载波幅度相位调制方法及解调方法。

背景技术

近些年来，信息产业的蓬勃发展使得数据通信带宽的需求呈爆炸式增长，2014年全球数据总量是6×10²¹比特，几乎相当于10000亿部720P电影的数据量，这个数字在2020年会达到4×10²⁵。这些大量的数据在长距离传输的同时，更需要在包括数据中心甚至个人电脑在内的终端进行大量存储和处理。伴随云计算、大数据、物联网的发展，更多数据将主要存储在数据中心。数据的调用、在线播放、下载、运算、程序运行等需要在数据中心内部进行大量的交换，短距离宽带互连是数据中心的主要瓶颈，光互连是解决该瓶颈的唯一选择，在新建的高速大型数据中心，光互连已经完全替代电互连。

在短距离光互连通信系统中，先进的调制格式是实现高频谱效率大容量传输的关键技术之一。针对短距光互连的场景特点，主要的调制格式有脉冲幅度调制(PAM)、离散多音频(DMT)调制以及无载波幅度相位(CAP)调制等，其中CAP调制采用基于数字滤波器的DSP技术得以实现，其开销成本低、实现简单且频谱利用率高，已成为短距离光传输系统中非常有前景的调制技术。但目前CAP调制技术所使用的星座映射中，星座图中各个符号点以相同比特数表示，发射所需能量更低的内圈星座点和发射所需能量更高的外圈星座点以相同的概率发射，存在着发射功率较高、传输性能不强的缺点。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于概率成形的无载波幅度相位调制方法及解调方法，在星座映射中通过对不同位置星座点的映射概率分布进行优化设计，使发射所需能量更低的内圈星座点以更高概率映射，发射所需能量更高的外圈星座点以更低概率映射，可以降低系统的平均发射功率，提高系统的传输性能。

技术方案：本发明提供一种基于概率成形的无载波幅度相位调制方法，包括概率成形星座映射步骤和无载波幅度相位调制步骤，概率成形星座映射步骤为：第一步确定一张将输入比特符号和星座位置一一对应的概率成形星座映射表，星座映射表中星座点为非均匀分布，内圈的星座点出现概率大，外圈的星座点出现概率小，第二步将输入单路原始二进制比特序列m(k)填入比特交织器中进行非均匀分布比特交织，实现比特流中比特的重新排列，第三部根据上述概率成形星座映射表，经比特交织器后的输出符号进行非均匀分布的星座映射，并输出一路复数信号A(i)。

为了降低误码率，进一步的将所述概率成形星座映射设定为非均匀分布的十二点方形星座映射，步骤为：第一步确定概率成形星座映射表为十二点方形星座映射表，设定星座图内圈的4个星座点，每个星座点由3个比特对应，分别为000、001、010、011，每个星座点出现概率为1/8；设定星座图外圈的8个星座点，每个星座点由4个比特对应，分别为1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，每个星座点出现概率为1/16；第二步进行非均匀分布比特交织，将输入单路原始二进制比特序列m(k)依次填入大小为4×L交织器中的第1行、第2行、第3行，按列自上而下地读取前三行中的比特数据，若三个比特为000，001，010，011中的任意一种情况，则在该列第4行位置填入规定比特B，否则，在该列第4行位置继续填写比特序列；第三步进行星座映射，根据上述十二点方形星座映射表，将交织器中各列3比特或4比特数据逐列映射到星座图中，形成非均匀分布的十二点方形星座映射，并输出一路复数信号A(i)。

为了进行CAP调制，将所述的无载波幅度相位调制步骤设定为：第一步上采样，对单路复数信号A(i)进行M倍上采样，得到上采样后的单路复数信号A(n)，为了多采样和少数据量的最佳结合，M可以设置为4；第二步进行实部虚部分离，对上采样后的复数数据A(n)进行实虚部分离，处理后分为两路并行的实数信号a(n)和b(n)，而后分别送入两个数字成形滤波器单元进行处理；第三步进行成形滤波：采用成形滤波器分别对a(n)和b(n)进行成形滤波，得到s₁(t)和s₂(t)；第四步进行两路信号相减，将上述两路并行信号s₁(t)和s₂(t)在一个加法器单元的作用下相减，得到单路实数信号s(t)＝s₁(t)-s₂(t)输出。上述两个成形滤波器表达式分别为：

其中，g(t)为根升余弦滚降函数：

且

本发明还提供一种基于概率成形的无载波幅度相位解调方法，包括无载波幅度相位解调制步骤和概率成形星座解映射步骤，概率成形星座解映射步骤为：第一步根据调制过程中确定的概率成形星座映射表，将接收到的复数信号A'(i)进行非均匀分布的星座解映射；第二步将上述星座解映射得到的的比特符号填入比特交织器进行非均匀分布比特解交织读取解交织后比特数据，并输出单路二进制比特流m'(k)，即接收端解调得到的信息数据。

进一步的，将所述概率成形星座映射设定为非均匀分布的十二点方形星座映射，概率成形星座解映射步骤为：第一步确定概率成形星座映射表，星座映射表为上述调制过程中确定的十二点方形星座映射表；第二步进行星座解映射，根据上述十二点方形星座映射表，将接收到的单路复数信号A'(i)进行概率成形星座解映射，将十二点方形星座图中各个星座点解映射到3比特或4比特数据；第三步非均匀分布比特解交织，将上一步所得到的比特数据依次写入交织器中，得到大小为4×L的数据矩阵，按列自上而下地读取前三行中的比特数据，如果前三行比特数据为000、001、010、011中的任意一种情况，则在该列第4行位置为所填入规定比特B，否则，该列第4行位置计为信息比特；将上述数据依次读出，恢复得到单路二进制比特流m'(k)输出，m'(k)即接收端解调得到的信息数据。

为了进行CAP解调，将所述的无载波幅度相位解调步骤设定为：第一步正交分离，将接收到的单路实数信号r(t)在一个正交分离单元的作用下分别乘以原载波函数，分得两路正交、同相实数信号r₁(t)和r₂(t)；第二步匹配滤波，r₁(t)和r₂(t)在两个匹配滤波器单元的作用下进行匹配滤波，得到a'(n)和b'(n)；第三步实部虚部合并，对经匹配滤波器处理后的两路并行实数信号a'(n)和b'(n)的实虚部合并，经该单元处理后，得到一路复数数据A'(n)，其中A'(n)＝a'(n)+jb'(n)；第四步下采样，将上述复数数据A'(n)经过下采样单元的M'倍下采样处理后，得到A'(i)，M'与调制时候的数值M相同。上述两个匹配滤波器表达式分别为：

且

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、降低了能量较高星座点的发射概率，提高了能量较低星座点的发射概率，通过概率成形所带来的成形增益，降低了系统的平均发射功率，有效实现了短距离通信系统传输容量的提升；2、通过将比特流中比特的重新排列，使差错随机化，降低信道中的突发错误影响，实现了误码率方面的性能提升。

附图说明

图1是本发明基于概率成形的无载波幅度相位调制方法流程图；

图2是概率成形星座映射单元交织器原理图；

图3是概率成形星座映射单元映射规则图；

图4是概率成形星座映射单元星座点概率分布图；

图5是非均匀分布十二点方形星座图；

图6是正交、同相两路滤波器的冲激响应曲线图；

图7是根升余弦滤波器冲激响应曲线图；

图8是本发明基于概率成形的无载波幅度相位解调方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的调制方法的工作流程为：输入单路二进制比特流到概率成形星座映射单元，经过该单m(k)元处理后完成非均匀分布的十二点方形星座映射，输出一路复数信号生成的单路复数信号在上采样单元根A(i)。据滤波器的采样率进行M倍上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，得到上采样后的单路复数信号经过实部虚部分离单元，分成将复数信A(n)。A(n)号的实部和虚部分为两路并行的实数信号a(n)和b(n)。接下来，a(n)和b(n)分别进入有限冲激响应滤波器进行成形滤波，得到s₁(t)和s₂(t)。最后两路并行信号在一个加法器单元的作用下相减，得到单路实数信号s(t)输出，s(t)即基于概率成形的CAP-12信号。

该部分的各个模块的具体工作流程如下所述：

(1)概率成形星座映射单元

概率成形星座映射单元是调制部分中的核心模块，该模块的实现可分为概率成形星座映射表的确定、非均匀分布比特交织与星座成形映射三步。

概率成形星座映射表的确定：根据概率成形基本原理，确定概率成形星座映射表如表1所示的十二点方形星座映射表，其中，{000，001，010，011}对应星座图中内圈的四个星座点，每个星座点由3个比特对应，各星座点概率为1/8；{1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111}对应星座图中外圈的八个星座点，每个星座点由4个比特对应，各星座点概率为1/16。

表1十二点方形星座映射表

比特	概率	比特	概率
				000	1/8	1010	1/16
001	1/8	1011	1/16
				010	1/8	1100	1/16
011	1/8	1101	1/16
				1000	1/16	1110	1/16
1001	1/16	1111	1/16

非均匀分布比特交织：比特交织可将比特流中的比特重新排列，使差错随机化，将信道中的突发错误在时间上扩散转化为随机的错误，以此提升编码的健壮性。其具体原理如图2所示，将输入单路原始二进制比特序列m(k)依次填入大小为4×L交织器中的第1行、第2行、第3行；按列自上而下地读取前三行中的比特数据，若三个比特为{000，001，010，011}中的任意一种情况，则在该列第4行位置填入规定比特B，否则，在该列第4行位置继续填写信息比特。

星座成形映射：根据十二点方形星座映射表，将各列3比特或4比特数据依次映射到星座图中，具体映射规则如图3所示，星座图中各个星座点的概率分布情况如图4所示，最终实现经概率成形处理的非均匀分布十二点方形星座映射，星座图如图5所示，输出一路复数信号A(i)。

(2)上采样单元

上采样单元根据滤波器的采样率对单路复数信号A(i)进行M倍上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，得到上采样后的单路复数信号A(n)。以M＝4为例，假定A(i)＝[1+i，1-i，3+i，-3-i，···]，则经M倍上采样后的A(n)＝[1+i，0，0，0，1-i，0，0，0，3+i，0，0，0，-3-i，0，0，0，···]。

(3)实部虚部分离单元

实部虚部分离单元实现对上采样后的复数数据A(n)的实虚部分离，由于A(n)＝a(n)+jb(n)，经该单元处理后，分为两路并行的实数信号a(n)和b(n)，而后分别送入两个数字成形滤波器单元进行处理。

(4)成形滤波器单元

成形滤波器单元采用传统的成形滤波器分别对a(n)和b(n)进行成形滤波，得到s₁(t)和s₂(t)。其中成形滤波器的表达式如下，其中g(t)为根升余弦滚降函数，正交、同相两路滤波器的冲激响应如图6所示，根升余弦滤波器冲激响应如图7所示。

且

(5)加法器单元

两路并行信号s₁(t)和s₂(t)在一个加法器单元的作用下相减，得到单路实数信号s(t)＝s₁(t)-s₂(t)输出，s(t)即基于概率成形的CAP-12信号。

如图8所示，本发明的解调方法的工作流程为：接收到的单路实数信号r(t)在一个正交分离单元的作用下分得两路正交、同相实数信号r₁(t)和r₂(t)。随后r₁(t)和r₂(t)在两个匹配滤波器单元的作用下进行匹配滤波，恢复得到a'(n)和b'(n)。a'(n)和b'(n)两路并行实部数据经过实虚部合并单元，合并为一路复数数据A'(n)，其中A'(n)＝a'(n)+jb'(n)。接下来，A'(n)经过与调制过程中上采样单元相对应的M倍下采样，得到A'(i)。最后，A'(i)在概率成形星座解映射单元中，恢复得到单路二进制比特流m'(k)输出，m'(k)即接收端解调得到的信息数据。

该部分的各个模块的具体工作流程如下所述：

(1)正交分离单元

由于在调制过程中，正交、同相两路信号所乘载波相位相差90度，因此可将接收到的单路实数信号r(t)在一个正交分离单元的作用下分别乘以原载波函数，分得两路正交、同相实数信号r₁(t)和r₂(t)。

(2)匹配滤波器单元

匹配滤波器单元与调制过程中的成形滤波器单元相对应，所采用的匹配滤波器表达式与成形滤波器一致。

(3)实部虚部合并单元

实部虚部合并单元实现对经匹配滤波器处理后的两路并行实数信号a'(n)和b'(n)的实虚部合并，经该单元处理后，得到一路复数数据A'(n)，其中A'(n)＝a'(n)+jb'(n)。

(4)下采样单元

下采样单元与调制过程中的上采样单元相对A'(n)应，经过下采样单元的M倍下采样处理后，得到A'(i)。

(5)概率成形星座解映射单元

概率成形星座解映射单元是解调部分中的核心模块，该模块的实现可分为星座成形解映射、非均匀分布比特解交织与接收数据读取三步。

星座成形解映射：根据表1所示的十二点方形星座映射表以及图3所示的相应的映射规则，将接收到的单路复数信号A'(i)进行星座成形解映射，将非均匀分布的十二点方形星座图中各个星座点解映射到3比特或4比特数据。

非均匀分布比特解交织：将第一步所得到的数据依次写入交织器中，得到大小为4×L的数据矩阵，依次按照第1行、第2行、第3行的顺序读出数据；按列自上而下地读取前三行中的比特数据，若三个比特为{000，001，010，011}中的任意一种情况，则在该列第4行位置为所填入规定比特B，不计为信息数据，否则，该列第4行位置计为信息比特；

接收数据读取：将上一步的数据依次读出，恢复得到单路二进制比特流m'(k)输出，m'(k)即接收端解调得到的信息数据。

Claims (6)

1.一种基于概率成形的无载波幅度相位调制方法，包括概率成形星座映射步骤和无载波幅度相位调制步骤，其特征在于，所述概率成形星座映射步骤为：

(11)确定一张将输入比特符号和星座位置一一对应的概率成形星座映射表，所述的星座映射表中星座点为非均匀分布，内圈的星座点出现概率大，外圈的星座点出现概率小；所述概率成形星座映射表为十二点方形星座映射表：设定星座图内圈的4个星座点，每个星座点由3个比特对应，分别为000、001、010、011，每个星座点出现概率为1/8；设定星座图外圈的8个星座点，每个星座点由4个比特对应，分别为1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，每个星座点出现概率为1/16；

(12)将输入单路原始二进制比特序列m(k)填入比特交织器中进行非均匀分布比特交织，实现比特流中比特的重新排列；所述非均匀分布比特交织具体为：将输入单路原始二进制比特序列m(k)依次填入大小为4×L交织器中的第1行、第2行、第3行，其中L为交织器每行的比特数，按列自上而下地读取前三行中的比特数据，若三个比特为000，001，010，011中的任意一种情况，则在该列第4行位置填入规定比特B，否则，在该列第4行位置继续填写比特序列；

(13)根据上述概率成形星座映射表，经比特交织器后的输出符号进行非均匀分布的星座映射，并输出一路复数信号A(i)；所述星座映射具体为：将交织器中各列3比特或4比特数据逐列映射到星座图中，形成非均匀分布的十二点方形星座映射。

2.根据权利要求1所述的一种基于概率成形的无载波幅度相位调制方法，其特征在于，所述的无载波幅度相位调制步骤为：

(21)上采样：对单路复数信号A(i)进行M倍上采样，M≥3，得到上采样后的单路复数信号A(n)；

(22)实部虚部分离：对上采样后的复数数据A(n)进行实虚部分离，处理后分为两路并行的实数信号a(n)和b(n)，而后分别送入两个数字成形滤波器单元进行处理；

(23)成形滤波：采用成形滤波器分别对a(n)和b(n)进行成形滤波，得到s₁(t)和s₂(t)，两个成形滤波器表达式分别为：

其中，g(t)为根升余弦滚降函数：

且

(24)两路信号相减：将上述两路并行信号s₁(t)和s₂(t)在一个加法器单元的作用下相减，得到单路实数信号s(t)＝s₁(t)-s₂(t)输出。

3.根据权利要求2所述的一种基于概率成形的无载波幅度相位调制方法，其特征在于，所述步骤(21)中M为4。

4.一种基于概率成形的无载波幅度相位解调方法，包括无载波幅度相位解调步骤和概率成形星座解映射步骤，其特征在于，所述概率成形星座解映射步骤为：

(41)根据权利要求1所述的概率成形星座映射表，将接收到的复数信号A'(i)进行非均匀分布的星座解映射；

(42)将上述星座解映射得到的比特符号填入比特交织器进行非均匀分布比特解交织，读取解交织后比特数据，并输出单路二进制比特流m'(k)，即接收端解调得到的信息数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于概率成形的无载波幅度相位解调方法，其特征在于，所述概率成形星座解映射步骤为：

(51)确定概率成形星座映射表为权利要求1中所述的十二点方形星座映射表；

(52)进行概率成形星座解映射：根据上述概率成形星座映射表，将接收到的单路复数信号A'(i)进行概率成形星座解映射，将非均匀分布的十二点方形星座图中各个星座点解映射到3比特或4比特数据；

(53)非均匀分布比特解交织：将上一步所得到的比特数据依次写入交织器中，得到大小为4×L的数据矩阵，其中L为交织器每行的比特数，按列自上而下地读取前三行中的比特数据，如果前三行比特数据为000、001、010、011中的任意一种情况，则在该列第4行位置为所填入规定比特B，否则，该列第4行位置计为信息比特；将上述数据依次读出，恢复得到单路二进制比特流m'(k)输出，m'(k)即接收端解调得到的信息数据。

6.根据权利要求4所述的一种基于概率成形的无载波幅度相位解调方法，其特征在于，所述的无载波幅度相位解调步骤为：

(61)正交分离：将接收到的单路实数信号r(t)在一个正交分离单元的作用下分别乘以原载波函数，分得两路正交、同相实数信号r₁(t)和r₂(t)；

(62)匹配滤波：r₁(t)和r₂(t)在两个匹配滤波器单元的作用下进行匹配滤波，得到a'(n)和b'(n)，两个匹配滤波器表达式分别为：

且

(63)实部虚部合并：对经匹配滤波器处理后的两路并行实数信号a'(n)和b'(n)的实虚部合并，经该单元处理后，得到一路复数数据A'(n)，其中A'(n)＝a'(n)+jb'(n)；

(64)下采样：将上述复数数据A'(n)经过下采样单元的M'倍下采样处理后，得到A'(i)，M'＝M，M为上采样倍数。

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