具体实施方式

以下参照附图描述本发明的各种实施方式。应注意的是，附图并未按比例绘制，相似结构或功能的元件贯穿附图由相似的附图标记表示。还应注意的是，附图仅旨在促进对本发明的特定实施方式的描述。它们并非旨在作为本发明的穷尽描述或作为对本发明范围的限制。此外，结合本发明的特定实施方式描述的方面不一定限于该实施方式并且可以在本发明的任何其它实施方式中实践。

图1A示出了根据一些实施方式的概率整形数字通信系统的框图。应注意的是，虽然概率整形数字通信系统、发送器(010)和接收器(030)包括包含输入/输出接口电路、处理器(处理器或信号处理器)和存储器(多个存储器)的组件，但是为了简化附图，省略了这些组件。

来自数据源(001)的数据被发送给发送器(Tx)(010)。例如，数据首先被发送给概率整形映射器(011)，然后数据被发送给前向纠错(FEC)编码器块(012)，以产生其中一些被整形并且其它(具体而言，来自FEC编码器的奇偶校验比特)被均匀分布的比特的集合。在编码之后，在信号经历数字信号处理(DSP)(014)之前，这些比特被映射到正交幅度调制(QAM)符号(013)。在一些实施方式中，DSP还执行其它功能，诸如映射、滤波和预均衡。然后信号被发送给发送器前端(015)，在此进行诸如放大、滤波、调制和上变频之类的模拟操作，然后经由信道(020)发送到接收器(Rx)(030)。例如，信道(020)可以是用于无线电通信的空气介质(无线通信信道)、用于有线通信的电缆(金属电缆，例如，铜缆)或用于光纤通信的光缆。

在接收器处，信号首先通过接收器前端(031)，该接收器前端(031)用于对接收到的信号执行诸如下变频、放大、滤波和量化之类的模拟操作，以产生数字信号。数字信号由用于诸如前端校正、色散补偿、均衡和载波相位估计之类的功能的数字信号处理器(032)进行处理。然后有噪QAM符号经过解映射(033)为例如比特对数似然比(LLR)。然后，在将解码的比特发送给概率整形解映射器(035)之前对FEC代码进行解码(034)。然后解映射并且均匀分布的比特被发送到它们的目的地，例如，数据宿(040)。

图1B示出了根据一些实施方式的通信系统的框图。数据源(110)接收比特块，该比特块的至少一些被发送给分布匹配器选择器(120)。存储器(130)存储分布匹配器的集合，每个分布匹配器与概率质量函数(PMF)相关联，以将相等可能的输入比特与具有根据分布匹配器的PMF分布的值的固定数量的输出比特匹配。使用整形映射器(125)以利用选择概率从分布匹配器的集合中选择分布匹配器(140)，并使用所选择的分布匹配器将比特块映射到具有非均匀分布的整形比特块。然后使用发送器前端(150)以经由通信信道传输整形比特块，使得整形比特块的序列中的比特根据目标PMF而分布。在某些情况下，通信通道(020)可以是用于无线电通信信道的空气介质、用于有线通信信道的铜缆、用于数据存储传送通信信道的固态驱动器和用于光纤通信信道的光缆中的任何一种。换言之，通信信道为光纤通信信道、有线通信信道、数据存储传送通信信道和无线电通信信道中的任一种。

以这种方式，一些实施方式将比特值等概率(即，均匀)分布的比特输入序列变换成比特值具有期望的非均匀分布的符号输出序列。一些实施方式将符号的集合划分为大量唯一子集，每个唯一子集具有大量可能的唯一置换。以这种方式，通过使用大量的较小集合来实现符号集合的期望总分布，这些大量较小集合单独不具有期望分布，但是具有等于期望分布的平均分布。在一些实施方式中，分布由反映数字信号处理的离散性质的概率质量函数(PMF)来定义。为此，期望分布在本文中被称为目标PMF。根据一些实施方式，目标PMF是麦克斯韦-玻尔兹曼(Maxwell-Boltzmann)分布。

图1C示出了根据本发明的一些实施方式的在采用概率幅度整形(PAS)的系统中使用的前向纠错(FEC)的示意图。整形比特块(160)被传递到FEC编码器(162)以生成奇偶校验比特(165)，该奇偶校验比特(165)用于形成QAM符号的符号比特(180)，可选地，也可以将信息比特(170)用作所需符号比特(180)中的一些。然后，整形幅度比特(168)和均匀分布的符号比特(180)被用作符号调制器(190)的输入，符号从该符号调制器(190)发送给发送器DSP(195)。

图1D示出了根据本发明的实施方式的概率整形映射器单元(011)。由接口(110)获取来自源(001)的数据，接口(110)发送数据以用于利用存储器(130)中所存储的包含用于概率整形映射器(131)和分布匹配器(140)的参数的数据在处理器(至少一个处理器或数字信号处理器)(120)中进行处理。处理后，数据从接口(110)发送给FEC编码器(012)。

图1E示出了根据本发明的实施方式的概率整形解映射器单元(035)。经由接口(310)发送来自FEC解码器(034)的数据，以在处理器(至少一个处理器或数字信号处理器)(320)中进行处理。使用存储器(330)中所存储的包含概率整形解映射器(331)和分布解匹配器(340)的参数的数据进行处理。在处理后，数据经由接口(310)发送给数据宿(040)。

图1F示出了根据本发明的一些实施方式的概率整形映射器/解映射器集成单元500。

概率整形映射器/解映射器集成单元(500)包括模式开关(未示出)和接口(510)，该接口(510)发送数据以用于利用存储器(530)中所存储的包含概率整形映射器(131)和分布匹配器(140)的参数的数据在处理器(至少一个处理器或数字信号处理器)(520)中进行处理。在处理后，数据从接口(510)发送给FEC编码器(034)。此外，I/O接口(510)从FEC解码器(034)接收数据并将数据发送给处理器(520)进行处理。利用存储器(330)中所存储的包含概率整形解映射器(331)和分布解匹配器(340)的参数的数据进行处理。在处理后，数据经由接口(510)发送给数据宿(040)。

概率整形映射器/解映射器单元(500)中包含的组件可以与概率整形映射器单元(010)和概率整形解映射器单元(035)中所包含的组件相同，使得可以通过将概率整形映射器/解映射器集成单元(500)中所布置的模式开关(未示出)控制/设置为概率整形映射器模式或概率整形解映射器模式，来执行概率整形映射器单元(010)和概率整形解映射器单元(035)的功能中的一种。模式开关可以是选择基于来自用户的输入命令执行的概率整形映射器和解映射器的功能之一的程序切换单元(未示出)。此外，模式开关可以是布置在概率整形映射器/解映射器集成单元(500)中的硬件开关(未示出)，并且可以通过手动(由用户)或来自用户的输入命令来选择模式开关。

图2A示出了根据本发明的一些实施方式的采用多个并行二元分布匹配器的分布匹配器，例示了并行二元DM作为示例输入M-B PMF。来自源(210)的数据被划分为多个数据块。用于第一二元分布匹配器的数据(220)被发送给第一二元分布匹配器(230)；用于第二二元分布匹配器的数据(223)被发送给第二二元分布匹配器(233)；用于第N-1分布匹配器的数据(225)被发送给第N-1分布匹配器(235)。以此方式，任何具有基数N的任意分布(例如，Maxwell-Boltzmann分布)可以用N-1个二元分布来表示。二元分布匹配器的输出在被发送给发送器前端(245)之前，被发送给二元序列交织器(240)以重构基数N的序列。

图2B示出采用基于多个并行子集解排序算法的二元分布匹配器的分布匹配器，例示了使用子集排序的并行二进制DM。

来自源(210)的数据被划分为多个数据块。用于第一二元分布匹配器的数据(220)被发送给第一子集解排序算法(231)；用于第二二元分布匹配器的数据(223)被发送给第二子集解排序算法(234)；用于第N-1分布匹配器的数据(225)被发送给第N-1子集解排序算法(236)。二元分布匹配器的输出在被发送给发送器前端(245)之前，被发送给二元序列交织器(240)以重构基数N的序列。

图3示出了包括FEC和符号映射器的、采用PAS的发送器的示意图。来自源(310)的数据被发送给分布匹配器(320)。分布匹配器(320)提供均匀比特到具有期望符号概率(对应于例如Maxwell-Boltzmann分布)的一些唯一符号序列的映射。借助于存储分布匹配器参数的一些存储器(330)来执行处理。来自分布匹配器(320)的比特被发送给FEC编码器(340)，该FEC编码器(340)输出均匀分布的奇偶校验比特(345)和整形信息比特(348)。这些比特用于驱动符号映射器(350)，其中奇偶校验比特形成均匀可能符号的符号，而信息比特形成非均匀可能整形幅度的符号。然后符号序列被发送到发送器前端(355)上。

图4示出了根据本发明的一些实施方式的恒定成分分布匹配(CCDM系统)的原理。不同的序列(401)和(411)只是彼此的置换，并且二者具有如分布匹配器(420)的PMF所确定的期望符号频率。

图5A示出了根据本发明的实施方式的利用N-1个并行二元分布匹配器操作的分布匹配器的操作示意图，该N-1个并行二元分布匹配器利用子集解排序算法操作。该图例示了用于传输组合子集的输出序列的流程图。该操作可以称为并行SR方法。

来自源的数据(501)被拆分成N-1个不同的输入单词。这些输入单词是算法将生成的N-1个子集的总子集排名(510、511、512)。在每个并行分布匹配器中，算法迭代地寻找子集元素的位置。通过将总排名与具有不同位置的元素的全部单词的可能最小排名(即，给定位置的相对排名)进行比较，寻找元素的位置(250、521、522)。当找到小于总排名的最大可能相对排名时，确定元素的位置。然后将总排名减少所确定元素的相对排名(530、531、532)，并重复该过程，直到完成每个子集中所有元素的位置(540、541、542)为止。然后将这些子集组合(550)在一起以产生基数N的输出序列(555)。

图5B示出了根据本发明的实施方式的使用各自利用子集排序算法的多个并行二元分布解匹配器的分布解匹配器操作，例示了算法的流程图。该操作可以称为DM的并行SR方法。输入序列(560)被分解(562)为N-1个二元子集(656、567、568)。对于子集中的每个元素，计算相对排序(570、571、572)。对这些相对排序求和得到每个子集的总排序(580、581、582)。这些排序形成二元分布解匹配器的输出(590、591、592)。该数据被收集并被发送给数据宿(595)。

图6A示出了根据本发明的实施方式的将基数4的分布分解为3个并行二元分布的示例，例示了用于将非二元分布分解为多个并行二元分布的算法流程。基数4的初始分布((600))被分解(610)为第一二元分布(615)，该第一二元分布(615)包括原始分布(600)中的一个元素和代表所有其它元素的第二元素。该二元分布中的第二元素基于先前分布(615)中的第二元素被进一步分解(620)为新的分布(625)。新的分布是先前分布(615)的子分布，该子分布包括原始分布(600)中的所述第二元素以及包括原始分布(600)中第三元素和第四元素的组合的第二元素。该分布(625)中的第二元素再次分解(630)为最终的二元分布(635)，在最终的二元分布(635)中第一元素和第二元素分别是原始分布(600)中的第三元素和第四元素。

图6B示出了根据本发明的实施方式的用于将基数4的分布分解为3个并行二元分布的替代方法，例示了用于将非二元分布拆分为多个并行二元分布的算法流程。原始的基数4的分布(600)被分解(650)为第一二元分布(655)，第一二元分布(655)中的第一元素和第二元素分别对应于原始分布(600)中的第一元素和第二元素的组合以及第三元素和第四元素的组合。该第一二元分布(655)中的第一元素然后被分解(660)为第二二元分布665，第二二元分布665中的第一元素和第二元素分别对应于原始分布(600)中的第一元素和第二元素。然后第一二元分布(655)中的第二元素被分解(670)为第三二元分布(675)，第三二元分布(675)中的第一元素和第二元素分别对应于原始分布(600)中的第三元素和第四元素。

图7A示出了利用多个并行二元分布解匹配器的用于具有基数N的分布的分布解匹配器，例示了利用并行二元DM进行解匹配的接收器系统。输入序列(700)被分解(710)为多个二元子序列。在N-1个并行二元分布匹配器(721、722、723)中处理子序列，以产生N-1个数据输出(731、732、733)，这些输出被组合并发送给数据宿(790)。

图7B示出了根据本发明的实施方式的利用基于子集排序算法的多个并行二元分布解匹配器的用于基数N的分布的分布解匹配器，例示了用于利用并行二元DM解匹配的接收器系统。输入序列(700)被分解(710)为多个二进制子序列。然后在N-1个并行二元子集排序分布匹配器(741、742、743)中对子序列进行排序，以产生N-1个数据输出(751、752、753)，N-1个数据输出(751、752、753)被组合并被发送给数据宿(790)。

图8A示出了根据本发明的实施方式的基于多重集解排序的对具有任意基数的分布进行分布匹配的算法，例示了用于传输输出序列的算法流程图。该算法可以称为DM的多重集解排序方法。来自源的数据(801)用作来自期望多重集的序列的总排名(810)。计算下一位置中每个可能元素的相对排名(815)，并确定具有小于总排序的最大相对排名的元素(820)。然后选择该元素作为序列中的下一元素(825)。然后从多重集中移除所选元素(830)，并且通过减去所选元素的相对排名来更新总排名(840)。重复该过程直到为序列中的所有位置选择了元素，确定输出序列(845)。

图8B示出了根据本发明的实施方式的利用多重集排序算法进行分布解匹配的算法的示意图，例示了用于接收器接收数据的算法流程图。该算法可以称为多重集排序方法。

从输入序列(850)中，该算法通过计算具有比输入序列850低的排名的序列的数量来计算序列中下一个元素的相对排名(855)。然后从多重集中移除所选元素(860)，并且针对序列中的每个元素重复操作。然后将相对排名相加(865)以产生总排序。该总排序形成来自分布匹配器的数据输出(870)，该数据输出(870)被发送给数据宿(875)。

能够以多种方式中的任何方法来实现本发明的上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当以软件实现时，软件代码能够在任何合适的处理器或处理器集上执行，无论是设置在单台计算机中还是分布在多台计算机当中。这种处理器可以实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。但是，可以使用任何适当格式的电路来实现处理器。

另外，本发明的实施方式可以被实施为方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分而执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施方式，在该实施方式中以与所例示的次序不同的次序来执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在示例性实施方式中被示为顺序动作。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的序数术语来修饰权利要求要素，本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的优先权、优先级或次序，或者执行方法动作的时间次序，而仅用作标签以将具有一定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(除了使用序数词之外)的另一要素区分开，以区分权利要求要素。