用於基於塑料光纖的數據通信的適應性錯誤校正碼的製作方法

2023-07-25 13:30:01

專利名稱：用於基於塑料光纖的數據通信的適應性錯誤校正碼的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於塑料光纖的數據傳輸。特別地，本發明涉及用於使用適應性錯誤校正碼和調製方案的基於塑料光纖發送和接收數據的方法和裝置。
背景技術：
當今的通信系統利用多種類型的電纜和無線電接ロ。玻璃光纖不僅是最可靠的，還能實現非常高的傳輸速率。另ー方面，一部分電話線仍然使用銅質電纜形成，並且還用於數據的傳輸。特別是在過去十幾年中，無線通信經歷了快速發展。所有這些數據傳輸媒體都具有其本身的特性並且適用於以不同方案和架構進行部署。玻璃光纖(GOF)現今特別用於要求非常高帶寬和非常低衰減的通信。由於玻璃光纖具有非常小的直徑和低數值孔徑(NA)，其安裝要求專用且昂貴的連接器工具和熟練的安裝工人。 另ー種可行方式是例如基於具有較大芯徑(約Imm)和高數值孔徑(NA約為O. 3至O. 5)的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)的塑料光纖(POF)的部署。不太昂貴且最常使用的塑料光纖是數值孔徑為O. 5的SI-P0F。然而，還存在能夠實現較高數據速率的具有低數值孔徑O. 3的SI-POF以及具有接近IGHz X 100米的帶寬長度乘積的PMMA GI-POF0 PMMA具有多個衰減窗ロ，其能夠使POF使用從藍色到紅色發光二極體(LED)或紅色雷射二極體(LD)的不同可見光源。與GOF相比，塑料光纖具有非常容易安裝的優點。它們可以通過專業或非專業安裝工人使用諸如剪刀或切斷器和不昂貴的塑料連接器等基本工具進行部署。其對於未對準和強振動是有恢復カ的，所以其可以安裝在エ業和汽車環境中，而不損失通信容量。由於較大的芯徑導致POF連接對終端正面上的殘留灰塵比GOF具有高得多的容限。由於基於POF的傳輸是光學的，因此塑料光纖完全不受電氣噪聲的影響。從而，現有銅布線將不幹擾通過塑料光纖的數據，所以其甚至可以挨著電纜安裝。塑料光纖連接器和用於POF的光電器件是主要的低成本消耗部件，其能夠使安裝工人節省電纜成本和安裝、測試以及維護時間。塑料光纖已經被廣泛地採用，特別是用於汽車中的信息娛樂網絡並且現在可以看作用於諸如面向媒體的系統傳輸(MOST)的高速在線汽車網絡的全球標準。圖I示出用於基於POF發送和接收數據的系統的實例。基於塑料光纖的傳輸基於通過直接檢測的光強度調製。將被發送的信號從用於編碼和調製用戶比特流信息的數字電路110生成並且被傳送到用於將數字數據轉換成用於控制發光元件130的電信號的發射器(Tx)模擬前端(AFE) 120。在電信號到光信號的該轉換之後，晶格被輸入到光纖150。用於塑料光纖的電光轉換器通常是發光二極體(LED)，其特徵在於諸如峰值波長、波長寬度和發射模態分布的性質。在經由塑料光纖150傳輸信號期間，光受嚴重衰減以及主要由於模態分布導致的失真影響。模態分布由在不同路徑上並且具有不同速度和衰減在光纖中傳播的光的不同模式導致，造成到達接收器處的時間不同。光信號還受所謂的模耦合影響，其中，較高順序模式的能量被傳送至較低順序模式，並且反之亦然。結果，光脈衝被加寬，其導致降低信號帶寬。在接收器處，來自塑料光纖150的光信號通過諸如光電ニ極管的光電轉換器170被轉換為電強度。然後，電信號由模擬前端(AFE) 180處理。特別地，其尤其由跨阻放大器(TIA)放大並且連接至數字接收器190。TIA通常是最重要的噪聲源，其限制通信系統的最終靈敏度。關於數據傳輸技木，GOF成功地使用不歸零(NRZ)調製。特別地，當前玻璃纖維通信系統主要利用NRZ 8b/10b或NRZI 4b/5b線路編碼，其要求分別用於IGbps和IOOMbps解決方案的I. 25GHz和125MHz的波特率。從而，當前塑料光纖解決方案還採用用於數據傳輸的NRZ調製。然而，塑料光纖具有不同於玻璃纖維的頻率和時間響應，並且還具有明顯更高的衰減。作為通信介質，由於其顯著差分模式延遲和差分模式衰減，塑料光纖顯示出非常高的模態分布。要求用幹與纖維耦合的大面積光電ニ極管通常具有有限寬度。考慮到塑料光纖頻率響應，支持100或150Mbps的解決方案可能達到ca. 50米；然而，在沒有更先進技術的情況下，IGbps看起來不可能實現。 圖2A示出為纖維長度(X軸，単位為米)的函數的POF光學帶寬(y軸，単位為MHz)的變化。圖2B示出為纖維長度的函數的帶寬-長度乘積(y軸，単位為MHz · 100m)的變化。在此，纖維是數值孔徑NA為O. 5 (特別是模式Mitsubishi Eska-GH4001)的SI-P0F，並且光源是發射條件FWHNNA為O. 31、波長峰值為658納米並且FWHN波長寬度為21納米的RCLED。從圖I可以看出，用於期望的I. 25GHz波特率的合適平坦響應僅在塑料光纖的前幾米中是可能的。對於雷射光源，作為長度的函數的光學帶寬非常類似。從而，因為限制因素，特別是纖維中的模耦合導致的模態分布，帶寬瓶頸由塑料光纖產生，而不受光源多快影響。

發明內容
考慮塑料光纖的上述限制，本發明的目標在於提供基於塑料光纖的高效率和適應性傳輸系統。這通過獨立權利要求的特徵實現。在從屬權利要求中提出進ー步有利實施例。採用塑料光纖提供多個優點。特別是，關於無線和電氣傳輸媒體，POF對於電磁幹擾是有恢復カ的。與玻璃光纖相比，POF使得安裝更容易，更便宜並且提供關於連接的更高魯棒性。本發明開發POF的優點並且提供能夠實現超過POF的高數據速率通信的適應性系統。基於由三層陪集碼編碼(coset code)的POF發送數據是本發明的特定方式，其中，第一層包括BCH編碼，第二層包括碼率比第一層更高的BCH編碼，並且所有三層都包括到星座的各自映射和映射後的符號的晶格變換。然後，層相加，並且將所得到的編碼後的符號映射至時域調製。第二層提供具有基本相同碼率和不同碼字長度的兩個可選BCH碼。根據本發明的ー個方面，提供一種用於對用於基於塑料光纖傳輸的數字數據編碼的方法。該方法包括以下步驟通過三層陪集編碼對輸入數字數據編碼，並且使用時域調製調製用三層陪集編碼編碼的符號。而且，三層陪集編碼包括以下步驟從輸入數字數據分離出具有相應位數的第一部分、第二部分和第三部分數據；在第一層中用第一 BCH碼對第一部分數據編碼，並且在第二層中用第二或第三BCH碼對第一部分編碼，其中，第三BCH碼具有小於第一和第二 BCH碼的碼字長度的碼字長度，並且第三BCH碼具有與第二 BCH碼基本相同的碼率。在第一層中，執行將編碼後的第一部分映射到第一預定星座(constellation)的符號上以及映射後的符號的晶格變換的步驟，以實現陪集分割。在第二層中，根據是使用第二還是第三BCH碼來執行將編碼後的第二部分映射到第二預定星座的符號上以及映射後的符號的晶格變換的步驟，以實現陪集分割。在第三層中，執行將第三部分映射到第三預定星座的符號上以及映射後的符號的晶格變換的步驟，以實現陪集分割。然後，應用使來自第一、第二和第三層的變換後的符號相加的步驟。根據本發明的另ー個方面，提供ー種用於對通過三層陪集編碼器編碼並且經由塑料光纖接收的數位訊號解碼的方法，該方法包括以下步驟用時域調製解調編碼後的數位訊號以獲得符號碼字並且通過逆晶格變換變換它們，通過三階解碼器解碼解調和變換後的符號包括以下步驟通過將逆晶格變換和模運算應用至解調後的符號提取第一部分碼字；在第一級中用第一 BCH解碼器解碼第一部分，並且基於解碼後的第一部分選擇第一陪集；通過將逆晶格變換和模運算應用至通過從解調後的符號減去解碼後的第一部分獲得的符號提取第二部分；在第二級中，用第二或第三BCH解碼器解碼第二部分，並且基於解碼後的 第二部分選擇第二陪集；通過從解調後的符號減去解碼後的第一和第二陪集並且通過應用逆晶格變換和模運算獲得第三部分；以及多路復用解碼後的第一、第二和第三部分，其中，在第二級提供第二 BCH碼和第三BCH碼，其中，第三BCH碼具有比第一和第二 BCH碼的碼字長度更短的碼字長度，並且第三BCH碼具有與第二 BCH碼基本相同的碼率。塑料光纖在此是由塑料製成的任何商業上可用的光纖。本發明涉及在信號被轉換成模擬值以控制用於生成被注入到POF中的光信號的發光元件之前在發射器處和/或在光信號已由光電元件檢測到之後在接收器處將被執行的數字處理。三層陪集編碼是提供多維星座的多層陪集編碼，其中，在第一層的陪集之間選擇的位比在第二層和/或星座點的陪集之間選擇的位被更好地編碼。選擇陪集的位比指定星座點的位被更好地保護。在較低層上選擇陪集的位比在多層陪集碼的較高層上選擇陪集的位被更好地保護。信道情況的可能改變的適應性通過限定/選擇三個數據分區中的位數的可能性提供，例如，在由所採用的編碼、映射、晶格變換、時域調製狀態數支持的預定義有效配置中。另外，在第二層中第二和第三BCH碼的選擇能力甚至提供實現期望頻譜效率特別是較低頻譜效率的更好可能性。有利地，本發明的方法進ー步包括在第二層中基於例如信道情況選擇第二或第三BCH碼的步驟。將在第二層中執行的處理的選擇必須在發射器和在接收器處同時執行。這可以例如通過限定用於在發射器和接收器之間的消息交換的合適協議和/或用於切換的規則/條件實現。同樣地，可以配置輸入到各層的位數的選擇。對於ー些配置，第二和/或第三層中的位數可以是零。通常，可以基於在接收器處測量的信噪比(SNR)或接收質量(諸如，位錯誤率、塊錯誤率、或對質量的任何其他測量)建立用於三層陪集編碼器的頻譜效率的適應性算法。然後，接收器可以將該信息輸入到發射器。這優選地通過採用被限定用於該目的並且通過反饋信道發送的物理層頭部(或這樣的頭部的一部分)執行。然而，本發明不限於此，並且可以採用用於切換的任何機制。例如，接收器可以測量如以上舉例說明的質量指示符，並且基於其估計合適編碼器配置，然後其被信號發送至發射器。可以在物理層數據包的數據包頭部內或可替換地在專用於這樣的反饋信道的數據包中提供反饋信道。質量指示可以在預定時間段內或者在預定時間場合被規則地發送，或者只要例如由於信道質量改變導致要求編碼器設置改變就被不規則地發送。根據該信息(質量標識)，然後發射器切換MLCC配置，並且通過在物理層頭部內對相應指示編碼，將切換信號發送至接收器。配置的改變通過在頭部內發送其以保證接收器能夠一直適當地解碼數據，以此方式被同歩。另ー方面，頭部優選使用配置有最低頻譜效率的固定MLCC編碼方案，使得頭部可以在任何噪聲和失真情況下被魯棒性地解碼，已經為其設計系統。然而，上述切換機制僅是ー個實例，並且本發明還可以通過其他切換機制工作。優選地，第二和第三ニ進位BCH碼具有相同本原多項式。這使得能夠使用相同第ニ層實現用於第二和第三代碼。
根據本發明的優選實施例，第一 BCH編碼器基於1637個輸入信息位生成具有2044位的碼字，和/或第二 BCH編碼器基於2022個輸入信息位生成具有2044位的碼字，並且第三BCH編碼器基於1000個輸入信息位生成具有1022位碼字。該配置特別適用於約IGbps的期望傳輸率。然而，本發明不限於此。本原多項式的長度以及特定編碼優選根據系統要求被選擇。有利地，映射是QPSK灰度映射、BPSK、Z2或RZ2映射之一，晶格變換包括符號的平移、縮放和/或旋轉，和/或是與調製是Μ-PAM。特別地，第一層映射器可以是QPSK灰度映射器，根據所選的BCH碼，第二層映射器可以是QPSK灰度映射器或BPSK映射器，並且第三層映射器是Z2或RZ2 (儘可能為灰度)映射器。灰度映射具有檢測另一個鄰近星座點而不是星座點的錯誤導致例如單個位錯誤的小數量的位錯誤的優點。通常，本發明還可以通過不同調製很好地工作，諸如，基於均衡設備的差分Μ-PAM。然而，也可以考慮諸如相移鍵控調製的其他時域調製，這些都很可能導致不太有效率的系統。優選地,方法進ー步包括應用至解調後的符號的Tomlinson-Harashima預編碼的步驟。然而，其他均衡方法也可以用於本發明。例如，代替預編碼，正向輸送均衡器可以在接收器處應用。這可以更適用於從接收器到發射器的反饋信道很難實現的系統。注意，這些僅是實例並且本發明還可以通過任何其他均衡技術工作。根據本發明的還有的另一方面，提供一種用於對用於基於塑料光纖的傳輸的數字數據進行編碼的裝置。該裝置包括多層陪集編碼器，用於通過三層陪集編碼對輸入數字數據進行編碼，其中，多層陪集編碼器進ー步包括多路復用器，其用於從輸入數字數據分離出第一部分、第二部分和第三部分數據，每部分都具有預定位數；第一 BCH編碼器，在第一層中用第一BCH碼對第一部分數據編碼；第二BCH編碼器，在第二層中，其中，第二BCH編碼器適於用在第二 BCH編碼器中提供的第二或第三BCH碼對第二部分編碼，其中，第三BCH碼具有短於第一和第二 BCH碼的碼字長度的碼字長度，並且第三BCH碼具有與第二 BCH碼基本相同的碼率；第一映射器，在第一層中，用於將編碼後的第一部分映射到第一預定星座的符號上，並且執行映射後的符號的晶格變換，以實現陪集分割；第二映射器，在第二層中，用於根據是使用第二還是第三BCH碼，將編碼後的第二部分映射到第二預定星座的符號上，並且執行映射後的符號的晶格變換，以實現陪集分割；第三映射器，在第三層中，用於將第三部分映射到第三預定星座的符號上，並且執行映射後的符號的晶格變換；以及加法器，用於使來自第一、第二和第三層的變換後的符號相加。該裝置進ー步包括調製器，用於使用時域調製調製用三層陪集編碼編碼的符號。根據本發明的還有的另一方面，提供一種用於對用三層陪集編碼器編碼並且經由塑料光纖接收的數位訊號解碼的裝置，該裝置包括解調器，用於通過時域調製解調編碼後的數位訊號以獲得符號碼字；變換單元，用於通過逆晶格變換變換解調後的符號；多級解碼器，用於解碼解調和變換後的符號，多級解碼器具有三級並且進ー步包括第一提取器，用於通過將逆晶格變換和模運算應用至解調後的符號提取第一部分碼字；第一 BCH解碼器，用於在第一級中解碼第一部分並且基於解碼後的第一部分選擇第一陪集；第二提取器，用於通過將逆晶格變換和模運算應用至通過從解調後的符號減去解碼後的第一部分獲得的符號提取第二部分；第二和第三BCH解碼器，在第二級應用各個第二 BCH碼和第三BCH 碼，其中，第三BCH碼具有比第一和第二 BCH碼的碼字長度更短的碼字長度，並且第三BCH碼具有與第二 BCH碼基本相同的碼率；解碼器，用於在第二級用第二或所述第三解碼器解碼第二部分，並且基於解碼後的第二部分選擇第二陪集；第三提取器，用於通過從解調後的符號減去解碼後的第一和第二陪集並且應用逆晶格變換和模運算獲取第三部分；以及多路復用器，用於多路復用解碼後的第一、第二和第三部分。根據本發明的優選實施例，提供實現上述方法中的任何ー個的集成電路。有利地，提供一種用於基於塑料光纖發送數字數據的系統。該系統包括發射器，包括上述編碼裝置；電光轉換器，用於將編碼後的信號轉換為光信號，並且用於將光信號注入到POF中；光電檢測元件，用於將從POF接收的光信號變換為電信號；以及解碼器，如上所述，用於解碼接收到的信號。


本發明的以上和其他目標和特徵從以下說明和結合附圖給出的優選實施例變得更加明顯，其中圖I是示出用於基於POF發送和接收數據的系統的實例的示意圖；圖2A是示出作為其長度的函數的塑料光纖的光學帶寬的圖表；圖2B是示出作為長度的函數的光學帶寬和長度之間的乘積的圖表；圖3是示出Tomlinson-Harashima預編碼的功能的框圖；圖4是示出Tomlinson-Harashima預編碼的傳輸性能的圖表；圖5A是示出根據本發明的編碼器的框圖；圖5B是示出根據本發明的解碼器的框圖；圖6是示出根據本發明的實施例的具有三層陪集編碼和調製的發射器的框圖；圖7是示出映射器的典型架構的框圖；圖8是示出灰度到ニ進位(Gray-to-Binary)映射的實現的框圖；圖9是示出用於特定情況的映射器的典型架構的框圖；圖10是示出用於第一層的晶格平移操作的實例的框圖；圖11是示出用於第二層的晶格平移、縮放和旋轉操作的實例的框圖；圖12是示出用於第三層的典型晶格變換的框圖13是示出晶格加法器(矢量相加)實現方式的實例的框圖；圖14是示出第二步(second-st印)晶格變換的實例的框圖；圖15是示出模運算的典型實現方式的框圖；圖16是示出M-PAM調製輸出的框圖；
圖17是根據本發明的有益實施例的包括MLCC碼的高效率配置的表格；圖18包括用於第一和第二層的衛星圖，用於在映射和晶格變換之後的衛星，並且用於最終衛星，假設來自圖17的第二配置。圖19包括用於第一和第二層的衛星圖，用於在映射和晶格變換之後的衛星，並且用於最終衛星，假設來自圖17的第三配置。圖20包括用於第一、第二和第三層的衛星圖，用於在映射和晶格變換後的衛星，並且用於最終衛星，假設來自圖17的第四配置。圖21包括用於第一、第二和第三層的衛星圖，用於在映射和晶格變換後的衛星，並且用於最終衛星，假設來自圖17的第六配置。圖22是表示用於第一層中的不同BCH碼率的位錯誤率曲線的圖表；圖23是表示用於第一層和第二層以及用於在第二層中沒有BCH碼的整個方案的的位錯誤率曲線的圖表；圖24是表示用於第一層和第二層以及用於具有能夠校正第二層中的單個位錯誤的BCH碼的整個方案的位錯誤率曲線的圖表；圖25是表示用於第一層和第二層以及用於具有能夠校正第二層中的兩個位錯誤的BCH碼的整個方案的位錯誤率曲線的圖表，並且其中，每尺寸I位在第二層中被編碼；圖26是表示用於第一層和第二層以及用於具有能夠校正第二層中的兩個位錯誤的BCH碼的整個方案的位錯誤率曲線的圖表，並且其中，沒尺寸O. 5位在第二層中被編碼；圖27是表示用於第一層、第二層、第三層以及用於整個方案的位錯誤率曲線的圖表;圖28是示出用於預定情況和三個不同頻帶的鏈路功率預算的圖表；圖29是示出根據本發明的實施例的編碼方案的流程圖；圖30是示出根據本發明的實施例的具有三層陪集解碼和解調的解碼器的框圖；圖31A是示出根據本發明的實施例適用Tomlinson-Harashima預編碼的框圖；圖31B是示出可以由本發明使用的正向輸送均衡器的框圖；圖31C是示出還可以由本發明使用的判決反饋均衡器的框圖；圖32是示出根據本發明的實施例的差分調製器的框圖；圖33是根據本發明的實施例的差分解調器的框圖；以及圖34是示出根據本發明的實施例的解碼方法的流程圖。
具體實施例方式本發明潛在的問題基於以下現象通常用於光學玻璃纖維的技術不足以實現基於塑料光纖的數據的高效率傳輸。由於塑料光纖信道的特徵與玻璃光纖、無線或銅質信道之間的差異，因此，為這樣的信道開發和採用的技術也不可直接應用於塑料光纖。本發明的一個目標是能夠基於POF進行高頻譜效率的數據傳輸。
用於設計通信系統的一般標準之ー是最大化信道的容量。可以使用關於被限定為在信道的輸入和輸出處的隨機變量的最大互信息的比率的香農極限，根據資訊理論計算信道容量邊界。然而，實際上，很難實現這樣的理論邊界。這尤其通過通常不具有理想特徵的所採用的實際元件導致。當設計通信系統時的另ー個重要因素是實現複雜性方面的效率，其直接影響產品的成本和可行性以及其等待時間。當設計採用塑料光纖的通信系統時，必須考慮信號處理所必須的電氣和光學元件的限制。考慮影響所發送信號的所有元件，諸如，電流驅動器、發光元件、POF本身、光電ニ 極管、跨阻放大器等，通信信道將被認為是非線性的。非線性的主要來源是電氣強度到LED的光功率的轉換的特徵。另ー方面，塑料光纖是功率峰值受限制的通信信道。該特徵使得POF不同於用於通信的其他類型信道，諸如，銅質或無線信道，其中，約束髮送信號以實現給定功率譜密度和/或平均功率。峰值限制由光信號不能是負的並且在諸如LED或雷射二極體的光發射器中限制電氣強度以延長設備的壽命的事實導致。通常，通過在帶寬和信噪比(SNR)之間的尋找折衷來設計通信系統。優化的目標在於實現理論上已知的容量邊界。對容量限制的接近有影響的關鍵數位技術是調製、符號間幹擾的補償和編碼。這些技術不得不根據通信信道的特徵，並且可能根據其相互之間的關係進行設計。波峰因數(還稱為峰值對均值比)是波形的峰值幅度除以波形的均方根的比率。對於光學系統，調製是合適的，其最小化波峰因數並且最大化用於注入POF的給定光學調製幅度(OMA)的光信號的變化。能夠實現其的調製技術是M-進位幅度調製(M-PAM)和差分M-PAM。假設在電光轉換之前的零均值星座，波峰因數被最小化並且符號的平均能量被均勻分布，這是因為多層信號被均勻地分布。脈衝幅度調製的層數可以被限定為帶寬、所要求的比特率、和/或編碼的函數。為了適當地設計調製，塑料光纖信道的鏈路功率預算必須被分析。為了最大化鏈路功率預算，存在用於層數的最優值和用於期望傳輸率的信號帶寬，如隨後示出的。高頻譜效率通信系統是必須的，以最大化鏈路功率預算。基於該要求，均衡和信道編碼必須根據調製進行設計。作為信號在傳輸介質(在此為P0F)中增寬(broadening)的結果，當被接收時,相鄰數據承載符號重疊，其使得很難正確地檢測和解碼它們。該效果稱為符號間幹擾。為了恢復這樣的符號，通常採用均衡(equalization)技木。在現有技術中的接收器側存在多種可用均衡方法，包括MMSE均衡器、迫零、正向輸送均衡器、判決反饋均衡器等。為了高效率地設計通信系統，基於可以通過分析其測量的特徵為特定信道獲得的Volterra模型，可以區分信道特徵的線性和非線性部分。對於信道的線性部分，可以執行根據資訊理論的鏈路功率預算最大化。而且，可以獨立於信道的線性和非線性部分設計均衡。在發射器和/或接收器側，可以採用線性化電路(非線性濾波器結構)以提供足夠遠的線性信道，其中，可以使用眾所周知的均衡技木。例如，正向輸送均衡(FFE)是在基於關于波形本身，特別是關於電流波形和與先前接收的通信符號相關的波形的信息校正所接收的波形的接收器處採用的均衡技木。在滿足所接收的位上的任何決策之前，對波形(電壓電平)執行均衡。另ー個眾所周知的技術是判決反饋均衡(DFE)。DFE計算適合用於檢測多維調製符號的判決閾值的校正值。從而，DFE將閾值偏移，基於該閾值偏移形成了新的判決(關於DFE和均衡的進ー步詳情可以J. G. Proakis, Digital Communications,4th Edition, McGraw-Hill Book Co. , New York,2001在中找到，其在此被結合作為參考)。DFE的缺點是錯誤傳播，源自決策設備的輸出處的判決錯誤，其導致後光標(postcursor)符號間幹擾(ISI)。錯誤傳播可以通過使用發射器預編碼來避免。預編碼能夠將後光標ISI的取消移動到發射器，其中，數據符號可用。而且，採用反饋濾波器以使用當前信道衝擊響應對信號預編碼。通常在使用適應性濾波器技術的接收器處估計衝擊響應並且將其反饋至發射器。存在預編碼器的多個不同變化(Cf.，例如，G. D. Forney和G. Ungerboeck「Modulation ana coding for linear Gaussian cnannels，，，IEEE Trans, on Information Theory, vol. 44, no. 6, Oct. 1998, pp. 2384-2415,其結合於此作為參考)。對預編碼技術之一，也就是Tomlinson-Harashima預編碼器(THP)特別感興趣。Tomlinson-Harashima 預編石馬(進一步詳情，例如參見 R. D. Wessel, J. M Cioffi,^Achievable rates for Tomlinson-Harashima Precoding，.，IEEE Trans, on Ini. Theory,vol. 44，no. 2，Mar. 1998，pp. 824-831，其也結合於此作為參考)被認為是出色的預編碼方案，特別是由於其在發射器側高效率地取消已知幹擾的能力。從而，由THP實現的信息率比通過傳統線性預編碼方案實現的那些更好。圖3示出具有M-PAM調製的THP的已知應用方式。Tomlinson-Harashima預編碼器將DFE結構的反饋濾波器330移動至發射器並且使其與模運算器310結合，以減少到相應M-PAM星座的預編碼Voronoi區的後光標ISI補償符號。正向輸送濾波器340保持在接收器處，以補償光標(cursor)和前光標ISI並且寫入噪聲。然後，類似於發射器側模運算器310的模運算器320需要恢復所發送的符號。THP能夠在沒有錯誤傳播的情況下接近理想DFE的性能，用於中間和高頻譜效率調製。然而，THP均衡呈現出四種固有容量損失，預編碼損失、波峰因數損失、模損失、以及成形損失(shaping loss)，僅前兩個與到POF的目標應用相關。這些損失主要由模運算器的應用導致並且取決於調製層數，如以下所示。發射器處的模運算器與反饋濾波器一起將M-PAM符號的離散均勻分布轉換為延伸到原始星座的整個VOTonoi區域的連續均勻分布(假設反饋濾波器的能量色散(energydispersion)足夠大，以完全填充對應於預編碼的Voronoi區域)。這導致傳輸信號能量的増加，其需要通過發射器補償，以將相同平均功率輸入到POF中。從而，能量增加導致在接收器處的可用SNR損失，其被稱為預編碼損失。預編碼損失可以被估計為調製層數M的函數ξ( Β) = 20 · Iog10 J9 ι
V例如，對於具有2層的ΡΑΜ(2_ΡΑΜ)，預編碼損失約為I. 25dB。對於較大星座，預編碼損失朝向零減小。由THP執行的從M-PAM離散星座到連續Voronoi區域的平移還導致波峰因數的增カロ。M-PAM調製的波峰因數取決於M並且在用於2PAM的OdB和用於任意高調製層數的漸近
4.77dB之間改變。假設整個Voronoi區域均被填充，則THP預編碼信號具有恆定波峰因數4.77dB。波峰因數的損失是關於輸入和輸出的波峰因數之間的差值，並且被限定為
權利要求
1.一種對基於塑料光纖(150)的傳輸的數字數據進行編碼的方法，所述方法包括以下步驟 通過三層陪集編碼對輸入數字數據進行編碼，包括 從所述輸入數字數據分離出(2910)第一部分數據、第二部分數據和第三部分數據，每部分都具有預定位數； 在第一層中用第一 BCH碼對所述第一部分數據進行編碼(2920)； 在第二層中提供第二 BCH碼和第三BCH碼，其中，所述第三BCH碼的碼字長度短於所述第一 BCH碼和所述第二 BCH碼的碼字長度，並且所述第三BCH碼的碼率與所述第二 BCH碼的碼率基本相同； 在所述第二層中用所述第二 BCH碼或所述第三BCH碼對所述第二部分進行編碼(2920)； 在所述第一層中，將經過編碼的所述第一部分映射到(2930)第一預定星座的符號上，並且執行經過映射的所述符號的晶格變換(2940)以實現陪集分割； 在所述第二層中，根據使用的是第二 BCH碼還是第三BCH碼，將經過編碼的所述第二部分映射至(2930)第二預定星座的符號上，並且執行經過映射的所述符號的晶格變換(2940)以實現陪集分割； 在所述第三層中，將所述第三部分映射到(2930)第三預定星座的符號上並且執行經過映射的所述符號的晶格變換(2940)； 將來自所述第一層、所述第二層和所述第三層的經過變換的所述符號相加(2950)； 執行(2950)用於實現零均值星座的第二級晶格變換，以及 使用時域調製對利用所述三層陪集編碼進行編碼的所述符號進行調製(2960)。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第二二進位BCH碼和所述第三二進位BCH碼具有相同的本原多項式。
3.根據權利要求I所述的方法，還包括以下步驟基於期望頻譜效率，在所述第二層中選擇所述第二 BCH碼或所述第三BCH碼，和/或選擇進入所述第二層和/或所述第三層的位數，和/或選擇所述時域調製的調製狀態數。
4.根據權利要求I所述的方法，其中 所述第一 BCH編碼器基於1637個輸入信息位生成具有2044位的碼字，和/或 所述第二 BCH編碼器基於2022個輸入信息位生成具有2044位的碼字，和/或 所述第三BCH編碼器基於1000個輸入信息位生成具有1022位的碼字。
5.根據權利要求I所述的方法，其中 在所述第一層、所述第二層或所述第三層中的所述映射是QPSK灰度映射、BPSK映射、Z2或RZ2映射之一，和/或 所述晶格變換包括符號的平移、縮放和/或旋轉，和/或 所述第二級晶格變換包括所述星座的旋轉；和/或用於將所述星座符號限定到第一 2D象限中的正方形區域的模運算；和/或定中心並且縮放，和/或所述時域調製是M-PAM。
6.根據權利要求I所述的方法，還包括以下步驟對經過調製的所述符號應用Tomlinson-Harashima 予頁編石馬。
7.一種將利用三層陪集編碼器編碼並且通過塑料光纖接收的數位訊號解碼的方法，所述方法包括以下步驟 利用時域調製將經過編碼的數位訊號解調(3420)以獲得符號碼字，並且通過逆晶格變換將所述符號碼字變換(3430)， 用三級解碼器解碼經過解調和變換的符號，包括以下步驟 通過對經過解調的符號應用逆晶格變換和模運算，提取(3440)碼字的第一部分；在第一級中利用第一BCH解碼器解碼(3440)所述第一部分，並且基於經過解碼的所述第一部分選擇第一陪集； 通過對從經過解調的所述符號減去經過解碼的所述第一部分所獲得的符號應用逆晶格變換和模運算，提取(3450)第二部分； 在第二級中利用第二 BCH解碼器或第三BCH解碼器解碼(3450)所述第二部分，並且基於經過解碼的所述第二部分選擇第二陪集； 通過從所述解調後的符號減去所述解碼後的第一陪集和第二陪集並且通過應用逆晶格變換和模運算獲取(3460)第三部分； 以及多路復用(3470)經過解碼的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分， 其中，在所述第二級上提供所述第二 BCH碼和所述第三BCH碼，其中，所述第三BCH碼的碼字長度短於所述第一 BCH碼和所述第二 BCH碼的碼字長度，並且所述第三BCH碼的碼率與所述第二 BCH碼的碼率基本相同。
8.一種用於對基於塑料光纖(150)傳輸的數字數據進行編碼的裝置，所述裝置包括 多層陪集編碼器(510)，用於通過三層陪集編碼對輸入數字數據進行編碼，包括 多路分配器￠10)，用於從所述輸入數字數據分離出第一部分、第二部分和第三部分，每部分都具有預定位數；第一 BCH編碼器^20a)，在第一層中利用第一 BCH碼對所述第一部分數據進行編碼；第二 BCH編碼器^20b)，在第二層中，其中，所述第二 BCH編碼器用於利用在所述第二BCH編碼器中提供的第二 BCH碼或第三BCH碼對所述第二部分進行編碼，其中，所述第三BCH碼的碼字長度比所述第一 BCH碼和所述第二 BCH碼的碼字長度更短，並且所述第三BCH碼的碼率與所述第二 BCH碼的碼率基本相同； 第一映射器(630a)，在所述第一層中，用於將經過編碼的所述第一部分映射到第一預定星座的符號上，並且執行經過映射的所述符號的晶格變換(640a)以實現陪集分割； 第二映射器^30b)，在所述第二層中，用於根據使用的是第二 BCH碼還是第三BCH碼，將經過編碼的所述第二部分映射到第二預定星座的符號上，並且執行經過映射的所述符號的晶格變換(640b)以實現陪集分割； 第三映射器(630c)，在所述第三層中，用於將所述第三部分映射到第三預定星座的符號上，並且執行經過映射的所述符號的晶格變換(640c)； 加法器￠50)，用於將來自所述第一層、所述第二層和所述第三層的經過變換的所述符號相加，以及 變換單元(660)，用於執行第二級晶格變換，以實現零均值星座；以及 調製器(670)，用於使用時域調製將利用所述三層陪集編碼的所述符號進行調製。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述第二二進位BCH碼和所述第三二進位BCH碼(620b)具有相同的本原多項式。
10.根據權利要求8所述的裝置，還包括選擇器，用於基於期望頻譜效率，在所述第二層中選擇所述第二 BCH碼或所述第三BCH碼，和/或選擇進入所述第二層和/或所述第三層的位數，和/或選擇所述時域調製的調製狀態數。
11.根據權利要求8所述的裝置，其中 所述第一 BCH編碼器基於1637個輸入信息位生成具有2044位的碼字，和/或 所述第二 BCH編碼器基於2022個輸入信息位生成具有2044位的碼字，以及 所述第三BCH編碼器基於1000個輸入信息位生成具有1022位的碼字。
12.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述第一映射器(630a)、所述第二映射器(630b)、和/或所述第三^30C)映射器被配置成 在所述第一層、所述第二層或所述第三層中通過QPSK灰度映射、BPSK映射、Z2或RZ2映射之一進行映射，和/或 應用包括符號的平移、縮放和/或旋轉的晶格變換，和/或 所述變換單元(660)被配置成執行包括所述星座的旋轉的所述第二級晶格變換；和/或用於將所述星座符號限定到第一2D象限中的正方形區域的模運算；和/或定中心並且縮放，和/或 所述調製器(670)是M-PAM調製器。
13.根據權利要求8所述的裝置,還包括Tomlinson-Harashima預編碼器(530),用於對由所述調製器調製的符號進行預編碼。
14.一種用於對利用三層陪集編碼器編碼並且通過塑料光纖(150)接收的數位訊號進行解碼的裝置，所述裝置包括 解調器(3010)，用於通過時域調製解調所述編碼後的數位訊號以獲得符號碼字， 變換單元，用於利用逆晶格變換變換(3020)經過解調的所述符號； 多級解碼器，用於解碼經過解調和經過變換的所述符號，所述多級解碼器具有三級並且進一步包括 第一提取器，用於通過將逆晶格變換(3030a)和模運算(3050a)應用至解調後的符號提取第一部分碼字； 第一 BCH解碼器(3070a)，用於在第一級中解碼所述第一部分並且基於經過解碼的所述第一部分選擇第一陪集； 第二提取器，用於通過對從經過解調的所述符號減去經過解碼的所述第一部分所獲得的符號應用逆晶格變換(3030b)和模運算(3050b)，提取第二部分； 第二 BCH解碼器和第三BCH解碼器，在第二級應用相應的第二 BCH碼和第三BCH碼，其中，所述第三BCH碼的碼字長度短於所述第一 BCH碼和所述第二 BCH碼的碼字長度，並且所述第三BCH碼的碼率與所述第二 BCH碼的碼率基本相同； 解碼器(3070b)，用於在第二級中利用所述第二解碼器或所述第三解碼器解碼所述第二部分，並且基於經過解碼的所述第二部分選擇第二陪集； 第三提取器，用於通過從經過解調的所述符號減去經過解碼的所述第一陪集和所述第二陪集並且應用逆晶格變換(3030c)和模運算(3050c)獲取第三部分；以及 多路復用器(3080)，用於多路復用經過解碼的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分。
15.一種實現根據權利要求8所述的裝置的集成電路。
全文摘要
本發明涉及用於基於塑料光纖傳輸數字數據的高效率編碼和調製系統。特別地，數位訊號通過三層陪集編碼(three-level coset coding)編碼。系統的頻譜效率可通過選擇將在每層中處理的位數配置。第一層將二進位BCH編碼應用至數字數據並且通過星座映射和晶格變換執行陪集分割。類似地，第二層應用另一二進位BCH編碼，其可以通過具有基本相同編碼率的兩個BCH碼根據期望配置選擇性地執行，對不同尺寸的碼字操作。第三層不被編碼。第二層和第三層經過映射和晶格變換。在多層的相加之後，執行二階晶格變換，以獲得零均值星座。然後，進一步調製從這樣的三層陪集編碼器輸出的符號。
文檔編號H04L1/00GK102684830SQ201210062340
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月9日 優先權日2011年3月11日
發明者卡洛斯·帕爾多·比達爾, 魯本·佩雷斯·德·阿蘭達·阿隆索 申請人:塑料光纖科技發展有限公司