本發(fā)明涉及光纖通信，更具體地，涉及一種基于概率整形的頻譜整形方法。

背景技術(shù)：

1、在單載波光通信領(lǐng)域中，由于近些年對于頻譜效率的追求，模擬信號的光帶寬已經(jīng)逐步降低至波特率附近(±1/2波特率范圍)，由于帶外信號的缺失，這些信號在接收機(jī)中進(jìn)行頻偏估計(jì)、時(shí)鐘恢復(fù)等流程時(shí)往往難度較大，而如果可以在信號帶寬內(nèi)如1/4波特率頻率處加入一個(gè)時(shí)鐘信號，則可對接收機(jī)的解調(diào)帶來極大的便利性。但直接在原始信號的基礎(chǔ)上疊加時(shí)鐘信號會引起兩者的互相干擾，一方面濾波殘余的時(shí)鐘信號會降低信噪比，另一方面分離不完全的信號也會影響時(shí)鐘的純凈度，因此在時(shí)鐘插入頻率使用窄帶濾波等方式抑制信號強(qiáng)度就成為前提。但傳統(tǒng)的光學(xué)或dsp窄帶濾波也意味著額外的信號質(zhì)量損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中濾波時(shí)帶來的額外信號質(zhì)量損失的缺陷，提供一種基于概率整形的頻譜整形方法，實(shí)現(xiàn)了輸出編碼序列的概率篩選，達(dá)到等效濾波的目的，避免信號質(zhì)量的損失。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于概率整形的頻譜整形方法，包括以下步驟：

4、對輸入的二進(jìn)制信息進(jìn)行逐位編碼：對于長度為n的序列，逐位編碼需要執(zhí)行n個(gè)循環(huán)，在編碼過程中，始終保證vl≤ul，uh≤vh，其中，對于等概率二進(jìn)制分布，一段長度為n的二進(jìn)制序列在長度為1的線段中用一段唯一的長度為2-n的線段u表示，定義該線段u下止點(diǎn)為ul，上止點(diǎn)為uh；對于不等概率的二進(jìn)制分布，其各個(gè)序列在長度為1的線段中用唯一的一段線段v表示，該段線段v的長度正比于該序列出現(xiàn)的概率，定義該線段v下止點(diǎn)為vl，上止點(diǎn)為vh，下一位的分割位置為vm；

5、逐位編碼的步驟包括：

6、s11.對于當(dāng)前輸入的第k位信息，更新ul和uh，u長度變?yōu)橐话耄?/p>

7、s12.對于當(dāng)前的vl和vh，計(jì)算分割位置vm，檢查是否滿足vm≤ul或uh≤vm，若滿足，則輸出編碼相應(yīng)輸出0或1，vl和vh相應(yīng)進(jìn)行更新，若vm≤ul，則令vl＝vm；若uh≤vm，則令vh＝vm；

8、s13.根據(jù)當(dāng)前過往的輸出序列sout，調(diào)整vl和vh范圍內(nèi)各個(gè)下級判決點(diǎn)v1,2…，使得下級各個(gè)符號出現(xiàn)的概率隨ck+1,n的大小進(jìn)行調(diào)整，ck+1,n表示對于預(yù)設(shè)的各個(gè)頻率點(diǎn)fn利用反饋式濾波器計(jì)算濾波結(jié)果；

9、s14.檢查[vl,vh]是否在以2-m-1長度為步進(jìn)、長度為2-m的線段內(nèi)，如是，則按照將相應(yīng)線段重新映射至[0,1]的方式，將u和v統(tǒng)一進(jìn)行縮放；算法實(shí)現(xiàn)過程中，由于線段長度指數(shù)級減小，對于有限的計(jì)算機(jī)位數(shù)無法保證計(jì)算精度，因此還需要在適當(dāng)情況下對u和v進(jìn)行整體的統(tǒng)一縮放。由于vl≤ul，uh≤vh，因此只需考慮縮放后0≤vl，vh≤1即可?？s放判斷方式為：檢查[vl,vh]是否在[0,1/2]或[1/4,3/4]或[1/2,1]內(nèi)部，如是，則按照將相應(yīng)線段重新映射至[0,1]的方式，將u和v統(tǒng)一進(jìn)行縮放。該檢查步驟也可表述為：檢查[vl,vh]是否在以2-m-1長度為步進(jìn)，長度為2-m的線段內(nèi)。

10、收尾過程：

11、s21.輸入信號結(jié)尾后(輸入二進(jìn)制信號一般做分段編碼，這里指一段編碼的最后一位按照上述過程處理結(jié)束之后)，計(jì)算分割位置vm，即檢查是否滿足ul≤vm≤(ul+uh)/2或(ul+uh)/2≤vm≤uh，相應(yīng)輸出0或1并更新v，重復(fù)上述步驟s11～s14，使得最終ul≤vl≤(ul+uh)/2≤vh≤uj。

12、根據(jù)以上技術(shù)手段，本發(fā)明提供的一種基于概率整形的頻譜整形方法，通過在生成信號階段將概率整形和反饋式濾波器結(jié)合，動態(tài)調(diào)整概率整形的輸出概率，可使得生成的信號頻率在濾波前就具有頻譜窄帶凹陷的效果，同時(shí)不影響信號的輸出電平，代價(jià)是整形階段輕微的頻譜效率下降。此種方法可適用于直接調(diào)制、相干調(diào)制下的pam、qam、psk等多種調(diào)制格式，同時(shí)兼容相干系統(tǒng)常用的靜態(tài)概率整形技術(shù)。通過上述步驟，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輸出編碼序列的概率篩選，達(dá)到等效濾波的目的，避免了信號質(zhì)量的損失。

13、進(jìn)一步地，在每次步驟s12執(zhí)行完畢以后，增加一條反饋計(jì)算環(huán)路，根據(jù)當(dāng)前過往的輸出序列sout(在如qam等iq調(diào)制情況下，sout可為復(fù)信號)，調(diào)整vl/h范圍內(nèi)各個(gè)下級判決點(diǎn)v1,2…的步驟，該步驟可通過兩步計(jì)算進(jìn)行描述；包括：

14、s131.對于預(yù)設(shè)的各個(gè)頻率點(diǎn)fb，-1/2≤fn≤1/2，利用exp衰減的反饋式濾波器計(jì)算濾波結(jié)果：

15、

16、式中，下標(biāo)k表示輸出第k位時(shí)所在的循環(huán)，下標(biāo)n表示頻率點(diǎn)序號，an表示fn頻率所對應(yīng)的衰減系數(shù)；

17、s132.更新下級判決點(diǎn)v1,2…，定義p為v1,2…對應(yīng)的默認(rèn)概率分布向量，bn為頻率點(diǎn)fn對應(yīng)的反饋調(diào)制深度向量，使得下級各個(gè)符號出現(xiàn)的概率隨ck+1,n的大小進(jìn)行調(diào)整：

18、v1,2…＝vl+(vh-vl)·(p+∑nbn·ck+1,n)。

19、由此即在概率整形的過程中實(shí)現(xiàn)了輸出編碼序列的概率篩選，達(dá)到等效濾波的目的。

20、進(jìn)一步地，當(dāng)滿足ul≤vl≤(ul+uh)/2≤vh≤uh時(shí)，此時(shí)線段v能夠唯一確定線段u，也即v所對應(yīng)的不等概率的碼子是輸入序列的編碼結(jié)果。

21、進(jìn)一步地，在逐位編碼過程中，多次循環(huán)步驟s11～s14，且在每次循環(huán)過程中，步驟s12、s13、s14執(zhí)行一次或一次以上。以上s11～s14為一個(gè)循環(huán)，需要注意的是，s12、s13、s14在實(shí)際過程中，每個(gè)循環(huán)可能執(zhí)行不止1次，如s11-s12-s12-s13-s14-s14。

22、本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同傳的概率整形單載波通信方法，包括以下步驟：

23、發(fā)射端：

24、a11.二進(jìn)制信息執(zhí)行以上所述的基于概率整形的頻譜整形方法，形成特定頻率抑制，且滿足預(yù)設(shè)概率分布的pam/psk/qam實(shí)數(shù)/復(fù)數(shù)信號序列。

25、a12.信號序列進(jìn)行重采樣、頻譜整形、時(shí)鐘插入，在數(shù)字域?qū)⒉蓸勇蕪牟ㄌ芈收{(diào)整至目標(biāo)采樣率，同時(shí)在重采樣過程中在抑制頻率處插入數(shù)字時(shí)鐘信號，再將頻譜進(jìn)行整形，如升余弦、根升余弦等。

26、a13.重采樣后的信號序列經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出模擬電信號；

27、a14.調(diào)制器將激光器作為載波，將電信號調(diào)制到光譜，輸出光域單載波信號；

28、接收端：

29、a21.光域單載波信號通過混頻器，在接收端激光器的等效乘法作用下，光域單載波信號被降頻至基帶模擬電信號；

30、a22.模擬電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣為數(shù)字電信號；

31、a23.數(shù)字電信號經(jīng)過重采樣處理、以及時(shí)鐘提取，通常為窄帶濾波，如靜態(tài)濾波器、數(shù)字鎖相環(huán)等結(jié)構(gòu)，將時(shí)鐘與數(shù)字電信號分離，并分析時(shí)鐘誤差信息，包括頻率、相位誤差；

32、a24.數(shù)字電信號進(jìn)行采樣時(shí)鐘補(bǔ)償；

33、a25.數(shù)字電信號經(jīng)過均衡模塊，如cma、lms等算法，對信道及器件的濾波效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償；

34、a26.數(shù)字電信號進(jìn)行由發(fā)射端和接收端激光器頻率差帶來的頻偏補(bǔ)償；

35、a27.數(shù)字電信號經(jīng)過載波相位恢復(fù)處理，補(bǔ)償由發(fā)射端和接收端激光器相位差產(chǎn)生的解調(diào)基帶信號復(fù)平面旋轉(zhuǎn)；

36、a28.數(shù)字電信號經(jīng)過概率整形解碼模塊，還原發(fā)射端的二進(jìn)制信息。

37、進(jìn)一步地，在步驟a12中，通常為了保證發(fā)送信號質(zhì)量和接收性能，模擬信號頻譜通常稍大于1/2波特率，因此需要將波特率的信號序列進(jìn)行上采樣，并在頻率邊緣處進(jìn)行升余弦/根升余弦的滾降濾波，后者也因此稱為(常規(guī)意義上的)頻譜整形。由于信號序列經(jīng)過概率整形模塊的處理，已經(jīng)在特定頻率處形成了抑制，此時(shí)還需在該處插入時(shí)鐘，這一步視情況在重采樣前或后實(shí)現(xiàn)。在采樣前或后插入時(shí)鐘區(qū)別的原因在于：插入時(shí)鐘主要目的為了便于進(jìn)行同步采樣，但接收機(jī)內(nèi)部判斷同步的過程既可在重采樣前也可在重采樣后實(shí)現(xiàn)。因此，該模塊可選擇性組合，如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為重采樣+頻譜整形。對于波特率采樣的單載波系統(tǒng)，為保證解調(diào)性能需要時(shí)鐘進(jìn)行輔助，則可以只含有時(shí)鐘插入模塊(此時(shí)時(shí)鐘最佳插入頻率為±1/4波特率)。

38、進(jìn)一步地，在步驟a24中，通過時(shí)鐘恢復(fù)算法糾正采樣時(shí)延，或者將時(shí)鐘的相位誤差反饋至采樣時(shí)鐘，在硬件上進(jìn)行采樣時(shí)鐘的鎖定。

39、進(jìn)一步地，在步驟a25中，通過時(shí)鐘的頻率誤差信息采用算法進(jìn)行補(bǔ)償，或?qū)㈩l率誤差反饋至帶有頻率控制的激光器，在硬件上對激光器頻偏進(jìn)行鎖定。補(bǔ)償激光器頻偏相當(dāng)于在接收端復(fù)信號乘上一個(gè)e2πj·δft。

40、本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同傳的概率整形單載波通信系統(tǒng)，包括：

41、發(fā)射端包括：

42、概率整形模塊：用于將二進(jìn)制信息執(zhí)行以上所述的基于概率整形的頻譜整形方法，以形成特定頻率抑制，且滿足預(yù)設(shè)概率分布的pam/psk/qam實(shí)數(shù)/復(fù)數(shù)信號序列；

43、重采樣頻譜整形及時(shí)鐘插入模塊：用于將信號序列進(jìn)行重采樣、頻譜整形、時(shí)鐘插入，在數(shù)字域?qū)⒉蓸勇蕪牟ㄌ芈收{(diào)整至目標(biāo)采樣率，同時(shí)在重采樣過程中在抑制頻率處插入數(shù)字時(shí)鐘信號，再將頻譜進(jìn)行整形。

44、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：用于將重采樣后的信號序列經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出模擬電信號；

45、調(diào)制器模塊：用于將激光器作為載波，將電信號調(diào)制到光譜，輸出光域單載波信號；

46、接收端包括：

47、混頻器：用于將發(fā)射端輸出的光域單載波信號，在接收端激光器的等效乘法作用下，將光域單載波信號降頻至基帶模擬電信號；

48、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：用于將模擬電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣為數(shù)字電信號；

49、重采樣及時(shí)鐘提取模塊：用于將數(shù)字電信號進(jìn)行重采樣處理、以及時(shí)鐘提取，將時(shí)鐘與數(shù)字電信號分離，并分析時(shí)鐘誤差信息；

50、時(shí)鐘恢復(fù)模塊：用于將經(jīng)過重采樣及時(shí)鐘提取模塊處理后的數(shù)字電信號進(jìn)行采樣時(shí)鐘補(bǔ)償；

51、均衡模塊：用于將經(jīng)過時(shí)鐘恢復(fù)模塊處理后的數(shù)字電信號進(jìn)行均衡處理，對信道及器件的濾波效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償；

52、頻偏補(bǔ)償模塊：用于將經(jīng)過均衡模塊處理后的數(shù)字電信號進(jìn)行由發(fā)射端和接收端激光器頻率差帶來的頻偏補(bǔ)償；

53、載波相位恢復(fù)模塊：用于將經(jīng)過頻偏補(bǔ)償模塊處理后的數(shù)字電信號進(jìn)行載波相位恢復(fù)處理，補(bǔ)償由發(fā)射端和接收端激光器相位差產(chǎn)生的解調(diào)基帶信號復(fù)平面旋轉(zhuǎn)；

54、概率整形解碼模塊：用于將經(jīng)過載波相位恢復(fù)模塊處理后的數(shù)字電信號經(jīng)過概率整形解碼模塊，還原發(fā)射端的二進(jìn)制信息。

55、進(jìn)一步地，在所述重采樣頻譜整形及時(shí)鐘插入模塊中，為了保證發(fā)送信號質(zhì)量和接收性能，模擬信號頻譜大于1/2波特率，將波特率的信號序列進(jìn)行上采樣，并在頻率邊緣處進(jìn)行升余弦/根升余弦的滾降濾波。

56、與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：本發(fā)明提出的一種基于概率整形的頻譜整形方法，通過在生成信號階段將概率整形和反饋式濾波器結(jié)合，動態(tài)調(diào)整概率整形的輸出概率，可使得生成的信號頻率在濾波前就具有頻譜窄帶凹陷的效果，同時(shí)不影響信號的輸出電平，代價(jià)是整形階段輕微的頻譜效率下降；實(shí)現(xiàn)了輸出編碼序列的概率篩選，達(dá)到等效濾波的目的，避免信號質(zhì)量的損失；此種方法可適用于直接調(diào)制、相干調(diào)制下的pam、qam、psk等多種調(diào)制格式，同時(shí)兼容相干系統(tǒng)常用的靜態(tài)概率整形技術(shù)。