基于編碼調制的高速光傳輸系統研究

劉皎， 張娜

(商洛學院,人工智能研究中心，陜西,商洛 726000)

0 引言

隨著互聯網移動通信技術的迅猛發展，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研究成為熱點[1-2]。而超高速的信息傳輸必然會帶來誤碼率等系統性能方面的損傷，因此將編碼調制技術引入到于光纖通信系統中來改善系統性能損傷。編碼調制技術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、調制技術有效地結合在一起進行設計，可以獲得顯著編碼增益[5-7]。網格編碼調制(TCM)技術與光通信技術的結合點有很多。TCM將調制、編碼結合到了一起，這在相當大的程度上降低通信系統的復雜程度。由于TCM采用的是部分編碼技術，僅對參與子集分割的相應碼元進行編碼[8-9]，這樣既保證了系統的有效性又不降低編碼增益，且對系統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中的糾錯能力又是非常有限的。LDPC碼是一種高碼率的糾錯編碼技術[11-12]，它通過在信息序列中引入冗余序來實現糾錯功能，可以降低接收端的光信噪比容限(OSNR)[13-15]。因此將LDPC與TCM碼級聯后應用于光通信系統中，在降低系統復雜度的同時，改善了系統誤碼性能，為高速光通信的發展奠定了理論基礎。

1 編碼調制高速光傳輸方案

編碼調制光傳輸系統結構如圖1所示。發送端:首先選用合適碼率的LDPC碼對高速率數據信號做信道編碼，將編碼后的信號輸出至TCM模塊，TCM模塊采用64QAM調制對輸入信號進行遞歸卷積編碼，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調制；最后將已調光信號送至光纖鏈路進行傳輸。接收端主要由光信號解調器、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譯碼器則根據譯碼算法的復雜性及系統的性能需求做綜合考慮進行選擇。該光傳輸系統的主要特點：①結合了光通信系統高速率的特點，提升了信息速率；②光信號解調器對光信號做相干解調，提升了系統的接收靈敏度；③將LDPC與TCM技術進行級聯，利用可控的編碼冗余來改善誤碼率性能，提高傳輸的可靠性。

圖1 編碼調制光傳輸系統圖

圖2 64QAM信號子集劃分圖

2 TCM編譯碼模塊

(1)TCM編碼

圖3 TCM編碼器結構圖

(2)TCM譯碼

在TCM接收端采用ViTerbi軟判決算法進行最大似然譯碼。TCM譯碼分兩步走，先進行“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ViTerbi譯碼算法的復雜度，其目的是在子集中找與接收信號最接近的標準信號點。經“子集譯碼”后的信號序列就不再需要考慮平行路徑的問題，其計算所得的歐氏距離度量矩陣也能直接用到后續的ViTerbi譯碼算法之中，這樣在很大程度上降低了ViTerbi譯碼算法的計算量，減小了對存儲空間的需求。當信息序列等概率時，ViTerbi譯碼算法即為最小差錯概率譯碼。

3 高速率系統仿真設計

高速率的編碼調制光通信系統仿真設計如圖4所示。編碼模塊用于對信息進行編碼調制，產生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化為模擬信號后，加載到上下兩路的MZM調制器上，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信號進行π/2相移，使兩路信號相互正交，且耦合到同一鏈路，產生64QAM光已調信號，再通過光纖鏈路傳輸到信號接收端。在信號接收端，使用光混頻器(Hybrid)實現信號的相干接收，輸出兩路相互正交的光信號；利用兩個PIN實現光/電信號的轉換，對轉換后的電信號再進行高速的時域采樣、量化為數字信號后輸出至解碼模塊，最終實現基于編碼調制技術的高速光信號傳輸。

圖4 系統方案的結構模型

在編碼模塊中，利用強糾錯能力的LDPC外碼和優良頻帶、功率利用率的TCM內碼級聯。信源輸入序列經過LDPC編碼轉換為分組形式外碼比特流，比特流經過網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性的64進制復值碼元，碼元的同相、正交分量分別與一對正交的光載頻相乘實現64QAM調制，如此完成內外級聯編碼調制。調制后的碼元經過光纖信道傳輸和接收機解調會受到干擾，得到畸變的復值碼元。它先后經過子集譯碼、軟判決維特比譯碼得到內碼輸出，再由LDPC迭代譯碼得到最終的比特輸出還原信源輸入。

4 仿真結果分析

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

圖5 TC-64QAM與未編碼調制系統誤碼性能對比圖

圖6為LDPC與TCM級聯前后系統誤碼性能結果對比圖。從圖6可以看到，當兩者級聯后，進一步降低接收端OSNR容限，當輸入信噪比(E0/N0)為2.35 dB時LDPC-TC-64QAM的誤碼率就小于了10-6，進一步改善了系統性能。

圖6 LDPC與TCM級聯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級聯編碼后的系統誤碼性能對比圖。從圖7可以看到，隨著傳輸速率的提升，2種系統的誤碼率均有增加，且僅有TC-64QAM編碼的系統誤碼率增長速度比LDPC-TC-64QAM級聯編碼系統的要快，說明LDPC-TC-64QAM級聯編碼的抗誤碼性能要優于TC-64QAM編碼系統，進一步驗證了LDPC-TC-64QAM級聯編碼的可靠性。

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

5 總結

本文在深入研究網格編碼調制的構造方法與編解碼方法的基礎上，提出適用于高速光通信系統的新型編碼調制格式、編碼調制解調方案，降低了系統OSNR容限，提升了系統可靠性并降低了系統復雜度。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、高性價比傳輸光纖通信的實現提供了新途徑。