包括改進位交錯編碼調制的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供具有采用迭代解碼(BICM-ID)的改進位交織編碼調制的系統(tǒng)和方法。采用第二FEC碼與編碼和交織位相結合并且進行編碼，其然后映射到調制格式。第二FEC碼可以是單奇偶校驗(SPC)，以及該方案可稱作SPC-BICM-ID方案。
【專利說明】包括改進位交錯編碼調制的系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請涉及信息的光傳輸，以及更具體來說，涉及包括改進位交錯編碼調制的系 統(tǒng)和方法。
[0002] 在波分復用（WDM)光通信系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)分別調制多個不同的光載波波長，以 產生調制光信號。調制光信號組合為聚合信號，并且通過光傳輸路徑傳送給接收器。接收 器對數(shù)據(jù)進行檢測和解調。
[0003] 可用于光通信系統(tǒng)中的一種類型的調制是相移鍵控（PSK)。按照PSK的不同變化， 通過調制光波長的信號，使得光波長的相位或相位轉換（phase transition)表示對一個或 多個位進行編碼的符號，來傳送數(shù)據(jù)。在二進制相移鍵控（BPSK)調制方案中，例如，兩個相 位可用來表示每個符號的1位。在正交相移鍵控（QPSK)調制方案中，四個相位可用來對 每個符號的2位進行編碼。其它相移鍵控格式包括差分相移鍵控（DPSK)格式以及PSK和 DPSK格式的變化，例如歸零DPSK(RZ-DPSK)和相分復用QPSK(PDM-QPSK)。
[0004] 調制格式、例如其中將多個數(shù)據(jù)位編碼在單個傳送符號上的QPSK -般可稱作多 級調制格式。多級調制技術一直例如用于允許增加的傳輸速率和降低的信道間隔，由此增 加 WDM系統(tǒng)中的各信道的譜效率（SE)。一種譜有效多級調制格式是正交幅度調制（QAM)。 在QAM信號中，信息使用相移鍵控和幅移鍵控的組合來調制，例如以便對每個符號的多個 位進行編碼。16-QAM調制格式可例如用來對每個符號的4位進行編碼。某些PSK調制方案 (例如BPSK和QPSK)可稱作QAM的一級（例如分別為2QAM和4QAM)。
[0005] 與光傳輸系統(tǒng)關聯(lián)的一個問題是保持所傳遞數(shù)據(jù)的完整性，特別是在長程通信系 統(tǒng)中通過長距離傳送光信號時。通過傳輸路徑中的許多不同源所促成的累積噪聲可引起信 號的降級，并且可造成區(qū)分數(shù)據(jù)流中的二進制數(shù)字（即，一和零）的困難。
[0006] 前向糾錯（FEC)是用來幫助補償這種降級的技術。FEC基本上是在發(fā)射器將適當 代碼結合到數(shù)據(jù)流中。發(fā)射器接收數(shù)據(jù)流，并且使用FEC編碼器對數(shù)據(jù)流進行編碼，其在數(shù) 據(jù)流的二進制信息序列中引入某種冗余度。接收器接收編碼數(shù)據(jù)，并且使它經過FEC解碼 器，以檢測和校正差錯。
[0007] 還應用了格雷映射（Gray mapping),以實現(xiàn)檢測的改進。格雷映射是已知過程，其 中將非加權碼指配給一組毗連位的每個，使得相鄰碼字相差一個符號，即，它們具有1的漢 明距離。例如，在16 QAM系統(tǒng)（其中在表示4位的符號中傳送數(shù)據(jù)）中，信號的星座圖采 用格雷映射來排列，使得由相鄰星座點所傳送的4位的格雷編碼模式僅相差一位。將格雷 映射與FEC相結合能夠促進使信號星座圖中的星座點偏離到相鄰點的區(qū)域中的傳輸差錯 的校正。
[0008] 將數(shù)據(jù)調制與FEC編碼相結合的一種方式稱作位交織編碼調制（BICM)。在BICM 方案中，將FEC編碼應用于數(shù)據(jù)流，并且FEC編碼數(shù)據(jù)流然后經過位交織（即，置換位的順 序）。編碼和交織數(shù)據(jù)流然后按照具有或沒有格雷映射的所選數(shù)據(jù)調制來調制。在一些情 況下，能夠通過在解映射器與解碼器之間交換信息，并且執(zhí)行迭代解碼（ID)，來進一步增加 BICM的性能。具有ID解碼的BICM方案稱作BICM-ID方案。
[0009] 但是，已經發(fā)現(xiàn)，具有格雷映射的BICM的性能可受到限制。沒有格雷映射的 BICM-ID對于一些FEC碼能夠實際上勝過具有格雷映射的BICM，并且可對迭代解碼實現(xiàn)消 滅錯誤概率。但是，對于其它FEC碼，沒有格雷映射的BICM-ID仍然可勝過具有格雷映射的 BICM，但是性能改進對迭代解碼減少，使得基本上沒有實現(xiàn)無差錯解碼。
[0010] 現(xiàn)在將通過舉例、參照附圖來說明本發(fā)明，附圖包括： 圖1是符合本公開的系統(tǒng)的一個示范實施例的框圖。
[0011] 圖2是符合本公開的發(fā)射器的一個示范實施例的框圖。
[0012] 圖3是符合本公開、具有格雷映射的一個不范實施例16QAM信號的星座圖。
[0013] 圖4是符合本公開的接收器的一個示范實施例的框圖。
[0014] 圖5是示出符合本公開、包括MAP SIS0解碼器的解映射器的性能的Q輸入和輸出 與每個位的SNR的曲線。
[0015] 圖6是示出符合本公開的示范改進BICM-ID方案的性能的BER與MAP輸出Q的曲 線。
[0016] 圖7是示出符合本公開的示范改進BICM-ID方案的性能的BER與每個位的SNR的 曲線。
[0017] 圖8是示出符合本公開的方法的一個示例的流程圖。
[0018] 一般來說，符合本公開的系統(tǒng)實現(xiàn)改進BICM-ID方案，其中采用第二FEC碼與編碼 和交織位相結合并且進行編碼，其然后映射到調制格式。在一個特別有利的實施例中，第二 FEC碼可以是單奇偶校驗（SPC)，以及該方案可稱作SPC-BICM-ID方案。在這種實施例中， 入局數(shù)據(jù)流可解復用為多個數(shù)據(jù)流，其中每個數(shù)據(jù)流采用低密度奇偶校驗（LDPC)FEC碼來 編碼，并且然后經過位交織。位交織和編碼LDPC數(shù)據(jù)然后可與單奇偶校驗（SPC)相結合并 且編碼，以及經過格雷映射到一個或多個QAM符號。迭代解碼可在接收器來執(zhí)行，以實現(xiàn)隨 后續(xù)迭代而改進的誤碼率（BER)性能。
[0019] 如本文所使用的"FEC碼"表示一種方案，由此一個或多個位（與代碼關聯(lián)的開銷） 添加到數(shù)據(jù)流，以協(xié)助數(shù)據(jù)錯誤的檢測或校正。如本文所使用的"格雷映射"表示已知格雷 映射方案，由此將代碼指配給一組毗連位的每個，使得相鄰碼字相差一個符號，而沒有涉及 將附加位添加到數(shù)據(jù)流（即，格雷映射沒有開銷）。本文所使用的術語"耦合"表示通過其 中將一個系統(tǒng)元件所攜帶的信號賦予"耦合"元件的任何連接、耦合、鏈路等等。這類"耦合" 裝置或者信號和裝置不一定相互直接連接，而是可由可操控或修改這類信號的中間組件或 裝置來分隔。
[0020] 圖1是符合本公開的WDM傳輸系統(tǒng)100的一個示范實施例的簡化框圖。傳輸系統(tǒng) 用來通過光信息路徑102將多個光信道從發(fā)射終端104傳送到一個或多個遠程定位接收終 端106。示范系統(tǒng)100可以是長程水下系統(tǒng)，其配置用于將信道從發(fā)射器傳送到距離為5000 km或以上的接收器。雖然示范實施例在光系統(tǒng)的上下文中描述并且結合長程WDM光系統(tǒng) 是有用的，但是本文所述的廣義概念可在傳送和接收其它類型的信號的其它通信系統(tǒng)中實 現(xiàn)。
[0021] 本領域的技術人員將會知道，為了便于說明，系統(tǒng)100示為極為簡化的點對點系 統(tǒng)。例如，發(fā)射終端104和接收終端106當然均可配置為收發(fā)器，由此各可配置成執(zhí)行發(fā)射 和接收功能。但是為了便于說明，本文中僅針對發(fā)射或接收功能來示出和描述終端。要理 解，符合本公開的系統(tǒng)和方法可結合到大量網(wǎng)絡組件和配置中。本文的所示示范實施例僅 作為說明而不是限制來提供。
[0022] 在所示示范實施例中，多個發(fā)射器TX1、ΤΧ2···ΤΧΝ的每個在關聯(lián)輸入端口 108-1、 108-2…108-Ν接收數(shù)據(jù)信號，并且在關聯(lián)波長λ2···λΝ傳送數(shù)據(jù)信號。發(fā)射器ΤΧ1、 ΤΧ2…ΤΧΝ的一個或多個可配置成通過使用符合本公開的改進BICM-ID方案在關聯(lián)波長上 調制數(shù)據(jù)。為了便于說明，發(fā)射器當然以極為簡化形式示出。本領域的技術人員將會知道， 各發(fā)射器可包括電和光組件，其配置用于在其關聯(lián)波長傳送具有預期幅度和調制的數(shù)據(jù)信 號。
[0023] 所傳送波長或信道分別在多個通路110-U110-2…110-Ν上攜帶。數(shù)據(jù)信道由復 用器或組合器112組合成光路102上的聚合信號。光信息路徑102可包括光纖波導、光放 大器、光濾波器、色散補償模塊以及其它有源和無源組件。
[0024] 聚合信號可在一個或多個遠程接收終端106接收。解復用器114將在波長λ ρ λΝ的傳送信道分離到與關聯(lián)接收器RX1、RX2*"RXN耦合的關聯(lián)路徑ΙΜ-ΚΙΜΙ- ? 16-Ν 上。 接收器 RX1 、RX2··· RXN 的一個或多個可配置成使用 與符合本公開 的改進 BICM-ID 方案關聯(lián)的迭代解碼對傳送信號進行解調，并且可在關聯(lián)輸出路徑118-1、118-2、1183、 118-N提供關聯(lián)輸出數(shù)據(jù)信號。
[0025] 圖2是符合本公開的一個示范發(fā)射器200的簡化框圖。所示示范實施例200包括： 解復用器202 ;多個第一 FEC碼編碼器204-U204-2... 204-k ;以及調制器212,用于調制連 續(xù)波激光器214的輸出以用于在載波波長λ N提供編碼和調制輸出。
[0026] 解復用器202可采取用于接收串行輸入數(shù)據(jù)流118-N并且將輸入數(shù)據(jù)流118-N解 復用為k個獨立并行數(shù)據(jù)流的已知配置，S卩，每第k位由解復用器202分離到第k數(shù)據(jù)路徑 203- 1、203-2…203-k上。K個數(shù)據(jù)流的每個耦合到第一 FEC碼編碼器204-1、204-2... 204-k 中的關聯(lián)的一個。第一 FEC碼編碼器204-l、204-2... 204-k各可配置成采用關聯(lián)第一 FEC 碼對由此接收的數(shù)據(jù)流進行編碼。
[0027] 許多FEC碼是已知的，各具有與如何生成代碼并且因此它們如何執(zhí)行相關的不 同性質。已知糾錯碼的示例包括線性和循環(huán)漢明碼、循環(huán)Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)碼、卷積（維特比）碼、循環(huán)Golay和Fire碼、特播卷積和乘積碼（TCC、TPC)以及低 密度奇偶校驗碼（LDPC)。用于在第一 FEC碼編碼器201-l、204-2...204-k和對應解碼器 408-U408-2…408-k(圖4)中實現(xiàn)各種糾錯碼的硬件和軟件配置是本領域的技術人員已 知的。
[0028] 第一 FEC碼編碼器204-l、204-2...204_k的每個的編碼輸出耦合到交織器206。多 種交織器配置是已知的。在所示實施例中，交織器206從第一 FEC編碼器204-U204-2... 204- k接收k個輸出碼字，并且將k個交織位的串行輸出提供給第二FEC碼編碼器208。雖 然在所示實施例中，交織器206交織第一 FEC編碼器204-1、204-2... 204-k的k個輸出位， 但是本領域的技術人員將會知道，其它交織配置可在符合本公開的系統(tǒng)中實現(xiàn)。例如，在另 一個實施例中，交織器206可配置成單獨交織第一 FEC編碼器204-1、204-2... 204-k的輸 出，并且然后提供k個位的串行輸出，位來自第一 FEC編碼器204-1、204-2... 204-k的交織 輸出的每個。
[0029] 第二FEC碼編碼器208接收交織器206的編碼和交織輸出，并且采用第二FEC碼 對每k個位進行編碼。第二FEC碼可以是任何已知FEC碼。在符合本公開的改進BICM-ID 方案中特別有用的一個FEC碼是已知單奇偶校驗（SPC)碼。SPC碼將單奇偶校驗位添加到 每k個數(shù)據(jù)位。奇偶校驗位指示與其關聯(lián)的k個數(shù)據(jù)位的奇偶性（偶數(shù)或奇數(shù)的一）。符 合本公開的改進BICM-ID方案（其中第二FEC碼是SPC碼）可稱作SPC-BICM-ID方案。
[0030] SPC碼具有如v(k+l)的編碼速率。例如，在k=7時，PSC碼具有14%開銷。為 了保持與使用僅具有23%的開銷的BICM或BICM-ID的系統(tǒng)相同的總開銷，符合本公開的 SPC=BICM-ID方案的第一 FEC碼的開銷不能超過8. 95%。但是，第一 FEC碼的開銷的這種降 低不會不利地影響性能。代碼的性能的特征能夠在于FEC閾值，其可定義為在FEC解碼器 的輸入的Q值，使得FEC解碼器輸出的誤碼率是較小的預定義值、例如ΚΓ 15。符合本公開的 系統(tǒng)能夠例如在迭代之后產生FEC閾值，其比沒有第二FEC碼并且在第一 FEC碼中具有更 高開銷的系統(tǒng)所實現(xiàn)的FEC閾值要低。
[0031] 第二FEC碼編碼器208的輸出可稱合到已知格雷映射器210。格雷映射器210可 配置成使用格雷映射對數(shù)據(jù)位的每個k+l(k個數(shù)據(jù)位，連同關聯(lián)奇偶校驗位）進行編碼。格 雷映射的k+Ι位可使用已知調制器212調制到連續(xù)波激光器214的光載波波長上。調制器 的編碼、映射和調制的輸出可耦合到WDM系統(tǒng)中的復用器112 (圖1)。
[0032] 調制器212可使用任何已知調制方法將格雷映射器210的輸出調制到載波波長 上。在符合本公開的一個實施例中，調制器可將格雷映射位的每k+Ι個調制為一個或多個 QAM符號。例如，格雷映射位的每k+Ι可調制為一個2k+1 QAM符號或者兩個2(k+I)/2 QAM符 號。圖3例如示出16QAM信號的星座圖302,其中把來自第二FEC編碼器208的每個4位格 雷映射到關聯(lián)星座點。
[0033] 在WDM系統(tǒng)100中，調制器212的光輸出可耦合到復用器112,并且與其它發(fā)射器 的光輸出利用為聚合信號以供通過光信息信道102傳輸。在接收終端的解復用器114可對 聚合信號進行解復用，并且解復用的光信號可耦合到關聯(lián)接收器。接收器配置用于對光信 號進行解調和解碼，以再現(xiàn)關聯(lián)數(shù)據(jù)流118-N。
[0034] 圖4是符合本公開的一個示范接收器400的簡化框圖。所示示范實施例400包括： 檢測器402 ;解映射器和第二FEC解碼器404 ;解交織器406 ;多個第一 FEC碼解碼器408-1、 408-2…408-k ;復用器410 ;以及交織器411。
[0035] 檢測器402可配置成接收在載波波長λ N上調制的光信號，并且將光信號轉換為 數(shù)字電信號。在一個實施例中，例如，檢測器402可按照已知相干接收器配置、例如偏振分 集相干接收器和數(shù)字信號處理（DSP)電路來提供。DSP電路可處理相干接收器的輸出，以將 數(shù)字輸出信號提供給解映射器和第二FEC解碼器404,并且其在發(fā)射器中再現(xiàn)格雷映射器 210的輸出信號。
[0036] 解映射器和第二FEC解碼器404可接收檢測器402的輸出，并且使用第二FEC碼 來反轉在發(fā)射器發(fā)生的數(shù)據(jù)到調制格式的映射。如所示，去映射響應來自接收器的輸出、即 所示實施例中的復用器410的輸出的先驗對數(shù)似然比（LLR)反饋而迭代地執(zhí)行。解映射器 和第二FEC解碼器404在數(shù)據(jù)路徑205上提供去映射數(shù)據(jù)，以在發(fā)射器中再現(xiàn)交織器206 的輸出。解映射器和第二FEC解碼器404的輸出耦合到解交織器406,其反轉由發(fā)射器中 的關聯(lián)交織器206所執(zhí)行的位交織，并且將k個關聯(lián)輸出提供給第一 FEC碼解碼器408-1、 408-2…408-k。解映射器和第二FEC解碼器404還建立非本征LLR信息并且將其轉發(fā)到第 一FEC解碼器 408-l、408-2…408-k，以供第一FEC解碼器 408-l、408-2…408-k在對于對 其的輸入進行解碼中用作先驗LLR信息。
[0037] 第一 EFC碼解碼器408-l、408-2...408_k可各配置成使用從解映射器和第二FEC 解碼器404所接收的第一 FEC碼和非本征LLR信息對由此接收的數(shù)據(jù)流進行解碼。第一 FEC碼解碼器408-1、408-2…408-k的每個的k個解碼輸出耦合到已知復用器410。復用器 410復用k個去映射、解交織和解碼的位流409-1、409-2···409-1?，以產生接收器的串行數(shù)字 輸出118-Ν。
[0038] 輸出118-Ν經過交織器411反饋給解映射器和第二FEC解碼器404,以提供由解映 射器和第二FEC解碼器在對于對其的輸入進行解碼中使用的先驗LLR信息。交織器411基 本上反轉解交織器406所執(zhí)行的解交織。
[0039] 本領域的技術人員將會知道，符合本公開的改進BICM-ID方案可按照多種配置來 提供。在符合本公開的一個實施例中，第一 FEC碼可以是7%開銷LDPC碼，第二FEC碼可以 是SPC碼，以及數(shù)據(jù)調制可使用QAM格式來執(zhí)行。在這種實施例中，如果數(shù)據(jù)流的數(shù)量k為 7,則7個編碼和交織信息位以及一個單奇偶校驗位可在第二FEC碼編碼器208的輸出編組 為8位矢量C=(C(0)，C(l)，…，C(7))。矢量C由格雷映射器210采用格雷映射來編碼 為兩個16〇411符號 8(1)、8(2)，其由調制器212調制到光載波入1<上。存在16〇41符號的 2 k個可能對。
[0040] 在接收器，解映射器和第二FEC解碼器404處理所接收的符號Γι和r2對以及對應 先驗位LLR。
【權利要求】
1. 一種系統(tǒng)，包括： 多個第一前向糾錯（FEC)碼編碼器（204-1，…，204-k)，所述第一 FEC碼編碼器（204) 的每個配置成使用第一 FEC碼對關聯(lián)輸入信號進行編碼，并且提供關聯(lián)第一 FEC碼編碼輸 出； 交織器（206)，耦合到所述多個第一 FEC碼編碼器（204)的至少一個，并且配置成提供 包括所述多個第一 FEC碼編碼器（204-1，"·，204-1〇的所述至少一個的所述關聯(lián)第一 FEC 碼編碼輸出的至少一部分的交織輸出； 第二FEC碼編碼器（208)，耦合到所述交織器（206,411?)，配置成采用第二FEC碼對所 述交織（804)輸出進行編碼，并且提供第二FEC碼編碼輸出；以及 調制器（212)，耦合到所述第二FEC碼編碼器（208)，并且配置成響應所述第二FEC碼 編碼輸出而調制光信號，以提供調制輸出信號。
2. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二FEC碼包括單奇偶校驗（SPC)碼。
3. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一 FEC碼包括低密度奇偶校驗碼（LDPC)。
4. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述調制輸出信號具有正交幅度調制（QAM)格式。
5. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一FEC碼包括低密度奇偶校驗（LDPC)碼，以 及所述第二FEC碼包括單奇偶校驗（SPC)碼。
6. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括格雷映射器（210)，其耦合到所述第二 FEC碼編碼器（208)，并且配置成使用格雷碼來映射所述第二FEC碼編碼輸出。
7. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括解復用器（202)，其配置成接收串行輸入 數(shù)據(jù)流，并且將所述串行輸入數(shù)據(jù)流解復用為多個解復用數(shù)據(jù)流，所述解復用數(shù)據(jù)流的每 個作為所述關聯(lián)輸入信號耦合到所述第一 FEC碼編碼器（204-1，"·，204-1〇中的關聯(lián)的一 個。
8. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述交織器（206)耦合到所述多個所述第一FEC碼 編碼器（204-1，"·，204-1〇的每個，并且所述交織輸出包括所述關聯(lián)第一 FEC碼編碼輸出 的每個的至少一部分。
9. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括： 第二FEC碼解碼器（404)，配置成接收表示所述調制輸出信號的信號，并且使用所述第 二FEC碼對所述信號進行解碼，以提供第二FEC碼解碼輸出信號； 解交織器（406)，耦合到所述第二FEC解碼器（404)，并且配置成響應所述第二FEC碼 解碼輸出信號而提供多個解交織輸出；以及 多個第一 FEC碼解碼器（408-1，…，408-k)，所述第一 FEC碼解碼器的每個配置成接收 所述解交織輸出中的關聯(lián)的一個，并且提供關聯(lián)第一 FEC碼解碼輸出信號。
10. 如權利要求9所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括復用器（410)，其配置成接收所述第一 FEC碼解碼輸出信號的每個，并且將所述第一 FEC碼解碼輸出信號復用為串行輸出數(shù)據(jù)流。
11. 一種光信號接收器（400)，包括： 第二前向糾錯（FEC)解碼器（404)，配置成接收采用第一和第二FEC碼所編碼的交織信 號，并且使用所述第二FEC碼對所述信號進行解碼，以提供第二FEC碼解碼輸出信號； 解交織器（406)，耦合到所述第二FEC解碼器（404)，并且配置成響應所述第二FEC碼 解碼輸出信號而提供多個解交織輸出；以及 多個第一 FEC碼解碼器（408-1，…，408-k)，所述第一 FEC碼解碼器的每個配置成接收 所述解交織輸出中的關聯(lián)的一個，并且提供關聯(lián)第一 FEC碼解碼輸出信號。
12. 如權利要求11所述的接收器，其中，所述第二FEC碼包括單奇偶校驗（SPC)碼。
13. 如權利要求11所述的接收器，其中，所述第一 FEC碼包括低密度奇偶校驗碼 (LDPC)。
14. 如權利要求11所述的接收器，其中，所述第一 FEC碼包括低密度奇偶校驗（LDPC) 碼，以及所述第二FEC碼包括單奇偶校驗（SPC)碼。
【文檔編號】H04L1/00GK104115435SQ201380010171
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年1月31日 優(yōu)先權日:2012年2月20日
【發(fā)明者】張宏賓, H.G.貝雄 申請人:泰科電子海底通信有限責任公司