專利名稱：光相干接收裝置中的相位估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光相干接收裝置，具體光相干接收裝置中的相位估計方法。
背景技術(shù)：
隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，相干光通信逐漸成為新一代光通信的核心技術(shù)，其中PM-QPSK作為一種主流調(diào)制方法，已經(jīng)成為OIF標準。對于PM-QPSK接收端DSP (數(shù)字信號處理)而言主要分為以下幾個模塊定時恢復、線性補償(色散補償、偏振補償)、頻偏估計，相位估計等，其中相位估計是其重要組成部分之一。通常情況下，相位估計算法如下，相位噪聲估計過程就是通過估計算法消除傳輸符號的影響，建立相位噪聲估計器的過程，通常情況下采用4次方的方法進行估計。
設(shè)輸入的信號為Z⑴
則=沖>洲)+咐(I)其中c(i)為傳輸符號，爐(0為相位噪聲，n(i)為系統(tǒng)加性卩栄聲；則，將輸入信號Z (i) 4次方后簡化加性噪聲的表示得到結(jié)果為
Z4(i) = c4(i)e4mo+nXi)(2)由于傳輸符號c (i)為QPSK或者4QAM的調(diào)制方式(QPSK需加f的相差后再進行4
次方運算)，其4次方后為一常量C，因此不會影響相位噪聲的估計；n’ (i)為4次方后的加性噪聲，得到的最終結(jié)果為
Z4(i) = Ce4M0 +n'(i)(3)通過4次方運算后的結(jié)果估計其復數(shù)相角的!來得到其相位估計量Θ :
40 as ^arg(Z4)(4)
4通常情況下為了減小加性噪聲對估計器性能的影響，會采用均值濾波的方法減小噪聲，如對L個估計量取均值，因此最終估計量Θ '表示為￥ = jarg(2^_&Z4)(「))通過上述處理過程可知，這樣的方法在計算中將會大量使用4次方運算，對于高速相干光通信系統(tǒng)而言，大量的乘法器資源將被消耗，如果使用例如FPGA這樣乘法器有限的硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)時會極大的約束其他處理模塊的性能，同時降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決光相干接收裝置中的相位估計方法中大量使用4次方運算，從而大量消耗乘法器資源，極大的約束其他處理模塊的性能，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種光相干接收裝置中的相位估計方法，包括以下步驟利用坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法將以復數(shù)信息表示的輸入信號Z(/) = c{i)e姻)+ n(i)轉(zhuǎn)換為以相位信息表示的第一信號a⑴，a(i) = (r(i) + <p(i) + ￡‘(/:))mod2π ;利用模運算消除第一信號中的Y (i)得到第二信號c (i)，第二信號c (i)為待處理的相位噪聲信號；對第二信號c (i)進行相位噪聲值動態(tài)調(diào)整得到第三信號N(i)；
利用公式i/(7) = e(7)+,V(V)xf得到第四信號d⑴.計算第四信號d(i)的平均值得到估計相位seta 利用估計相位seta對第一信號a(i)進行相位補償?shù)玫捷敵鲂盘杘ut，out =a(i)-seta ；其中:γ (i)為傳輸信號的角度,爐(0為相位噪聲的角度，ε (i)為加性噪聲的角度；i為正整數(shù)，表示在處理的第i個數(shù)據(jù)。在上述方法中，設(shè)定第一信號a(i)具有M位有效數(shù)據(jù)，輸出范圍為
，表示的角度范圍為
，且數(shù)字表示同實際角度值為線性對應(yīng)關(guān)系。在上述方法中，根據(jù)均值濾波需求將多個第一信號a(i)組合成長度為2n+l的一幀待處理數(shù)據(jù)[3(1-11)，"％3(1)，"％3(1+11)]，利用模運算處理后的第二信號(3(1)組合為[c (i-n)，…，C (i), ...，c(i+n)]。在上述方法中，對于4QAM調(diào)制的輸入信號，第二信號c(i)的模運算公式為C(J) = O(Z) mod-;對于QPSK調(diào)制的輸入信號，第二信號C (i)的模運算公式為
c(i) - (a{i) -f—)mod— ο4 2在上述方法中，相位噪聲值動態(tài)調(diào)制步驟如下首先將當前第二信號[c (i-n)，…，c (i)，…，c (i+n)]與上一個時鐘周期產(chǎn)生的第二信號[c_old(i-n)，···，c_old(i)，···，c_old(i+n)]每個對應(yīng)位相比較,判斷是否出現(xiàn)相位跳變，且設(shè)定補償計數(shù)寄存器N(i-n)，"·，Ν(υ，…，N(i+n)]初始值為O 當沖)時，對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器-1，即對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器累
π減I;當c(0-c*—&/(/) < ;對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器+1，即對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器即累
4
π加Γ當-$<咋卜C時，對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器值保持不變；當min(N) > 3，即所有的補償計數(shù)寄存器都大于3時，對應(yīng)的所有補償計數(shù)寄存器都-4，即減2 Ji ；當min(N) < _3，即所有的補償計數(shù)寄存器都小于_3時，對應(yīng)的所有補償計數(shù)寄存器都+4，即加2 π ；當-3 < min (N) < 3，所有的寄存器值保持不變；最終得到所需要的補償寄存器值N (i-n)，…，N⑴，…，N (i+n)]。在上述方法中，對于4QAM調(diào)制的輸入信號，取第一信號a (i)的數(shù)據(jù)低M_2位得到第二信號c(i);對于QPSK調(diào)制的輸入信號，將第一信號a(i)對應(yīng)的數(shù)據(jù)加上2M_3并取其低M-2位得到第二信號c (i)。本發(fā)明，將現(xiàn)有光相干接收裝置中的相位估計所采用的乘法轉(zhuǎn)換為加法，簡化了系統(tǒng)運算量，同時動態(tài)調(diào)整估計量的取值區(qū)間，克服算法估計范圍約束造成的相位跳變問題，最終實現(xiàn)動態(tài)準確的相位估計，從而提高整個系統(tǒng)的性能及其可實現(xiàn)性?？傊?，本發(fā)明提供的方法，克服了原有算法乘法器資源消耗過多的缺點，同時夠克服剩余頻偏對相位估計的影響，并對相位值本身進行準確的補償，而且提供了可行的實現(xiàn)方法，從而提高整個系統(tǒng)的性能、可實現(xiàn)性及穩(wěn)定性。


圖I為本發(fā)明提供的光相干接收裝置中的相位估計方法流程圖；圖2估計相位取值區(qū)間動態(tài)調(diào)整過程流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種光相干接收裝置中的相位估計方法，基于cordic (坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法)將以復數(shù)信息表示的輸入信號=+蚱)轉(zhuǎn)換為以相位信息表示的第一信號a(i)，fl(0 = (K0 + W0 +沖))mod2;r，從而將后續(xù)進行相位估計計算時所需要的乘法轉(zhuǎn)換為加法，簡化了系統(tǒng)運算量；同時動態(tài)調(diào)整相位估計量的取值區(qū)間，克服了傳統(tǒng)算法中估計范圍約束造成的相位跳變問題，最終實現(xiàn)動態(tài)準確的相位估計，提高了整個系統(tǒng)的性能及其可實現(xiàn)性。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作出詳細的說明。如圖I所示，本發(fā)明提供的光相干接收裝置中的相位估計方法，包括以下步驟步驟I :利用cordic算法將復數(shù)信息表示的輸入信號耶)= C(Z)Ww + (/)轉(zhuǎn)換為以相位信息表示的第一信號a(i),a(i) = (r(i) + φ( ) + ^(0)mod2π，使輸入數(shù)據(jù)由復數(shù)信息轉(zhuǎn)換為其對應(yīng)的角度信息。其中⑴為傳輸信號的角度，PU)為相位噪聲的角度，ε (i)為加性噪聲的角度；i為正整數(shù)，表示在處理的第i個數(shù)據(jù)。cordic算法即坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法，其基本思想是用一系列固定角度的不斷逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)復數(shù)的各種運算，非常適合于FPGA的實現(xiàn)，Altera和Xilinx都推出了實現(xiàn)cordic算法的IP核，可根據(jù)不同需求選擇使用，這里不做cordic算法詳細說明。根據(jù)信噪比需求將每個輸入數(shù)據(jù)進行cordic編碼，輸出后每個數(shù)據(jù)為M位長，輸出范圍為
，表示的角度范圍為
，且數(shù)字表示同實際角度值為線性對應(yīng)關(guān)系，M的取值大小由系統(tǒng)性能需求決定，M越大精度越高，估計效果越好(實際取值中一般大于10)。步驟2 :利用模運算消除第一信號中的Y (i)得到第二信號c (i)，第二信號c (i)為待處理的相位噪聲信號。DATA為已經(jīng)cordic編碼后輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)信噪比需求將其組成長度為2n+l的一幀待處理數(shù)據(jù)[a(i-n)，"％a(i)，《"，a(i+n)]，其每個數(shù)據(jù)表示的范圍都在
內(nèi)。
對于4QAM調(diào)制的輸入信號，其Y⑴值e
，因此將其模|即可消除
Y⑴，于是模運算公式為沖)=沖)mod|。對于實際硬件實現(xiàn)，可取aQ)數(shù)據(jù)的低M-2位得到c(i)。
itStt 7Γ對于QPSK調(diào)制的輸入信號，其Y⑴值€[:,;，7,7]，因此需將其每個數(shù)據(jù)加
4 4 4 4
I得到數(shù)據(jù)b(i)，再進行模f運算得到c (i)。對于實際硬件實現(xiàn)可將其a (i)對應(yīng)的數(shù)據(jù)加上2M_3并且取其低M-2位(忽略進位信息相當于模2 π，對于算法中所有的加減法采用同樣的方法)即可得到b(i)，得到b(i)后同樣將其模f得到c⑴，即第二信號c⑴的模運算 公式為Φ·) 二 (a(i)+^)mod^。這時得到長度為2n+l的[c (i-n)，…，c⑴，…，c (i+n)]數(shù)據(jù)巾貞為其待處理相位噪聲值，由其表示范圍可知[c(i-n),…，c(i),…，c (i+n)]都在
內(nèi)。當信號和本振光源的頻率不穩(wěn)定性時，頻偏估計算法不可能完全消除頻偏，因此會有附加相位引入，使得相位噪聲值超出
范圍，因此需要將其取值范圍調(diào)整到正確的區(qū)間去。步驟3 :對第二信號c (i)進行相位噪聲值動態(tài)調(diào)制得到第三信號N(i)；根據(jù)相位變換的連續(xù)性，假定設(shè)定前后輸入跨越I兩個角度分別為和
f+ 02;由于相位的連續(xù)變換θ丨和Θ 2都是一個正極小量，當進行模f運算時，后面輸入的
相位對應(yīng)的實際輸出為Θ 2，因此需要根據(jù)前后兩個相位的差別來判斷是否出現(xiàn)相位跳變，因此當兩者相差β β = θ2-^-θ\) = θ2 + θ\-^;由于Θ1和Θ 2都是正極小量，因此至少3<-f同理當前后兩角度跨越O時，
#>f;據(jù)此，本發(fā)明提供了如下的相位噪聲值動態(tài)調(diào)制方法，具體步驟如圖2所示步驟31、將當前第二信號[c(i-n),…，c(i),…，c(i+n)]與上一個時鐘周期產(chǎn)生的第二信號[c_old(i-n)，···，c_old(i)，···，c_old(i+n)]每個對應(yīng)位相比較,判斷是否出現(xiàn)相位跳變，并設(shè)定補償計數(shù)寄存器[N(i-n)，一，N(i)，一，N(i+n)]初始值為O:步驟32、比較c(i)與。_01(1⑴的差值是否大于y或小于β
44當外)_<·‘ ——(O >+時，對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器-1，即對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器累
4
π減r當c(0-C(Z) <-j ;對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器+1，即對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器即累π加r當-f < c{i)-c_old{i) < *時，對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器值保持不變。步驟33、判斷所有的補償計數(shù)寄存器的值是否大于3或小于一 3。當min (N) > 3，即所有的補償計數(shù)寄存器都大于3時，對應(yīng)的所有補償計數(shù)寄存器都-4,即減2 π ；
當min (N) < _3，即所有的補償計數(shù)寄存器都小于_3時，對應(yīng)的所有補償計數(shù)寄存器都+4，即加2 π ；當-3 < min (N) < 3，所有的寄存器值保持不變。步驟34、最終得到所需要的補償寄存器值N(i-n)，...，N⑴，... ,N (i+n)]。步驟4 :利用公式(/(/)得到第四信號d(i)；步驟5 :計算第四信號d(i)的平均值得到估計相位seta，wto
m * Aj=—n步驟6 :利用估計相位seta對第一信號a (i)進行相位補償?shù)玫捷敵鲂盘杘ut，out
—￡i (i)_setiio當相位變換較快時可以采用上述結(jié)構(gòu)，即每幀數(shù)據(jù)都給其中一個數(shù)據(jù)進行補償，并且可以采用多條流水線結(jié)構(gòu)以保證同時對多個相位進行估計，使得輸入和輸出數(shù)據(jù)率保
持一致。當相位變換緩慢時，可以采用每幀數(shù)據(jù)都給其中一段數(shù)據(jù)進行補償，也可以采用流水線的結(jié)構(gòu)。out = a (i)-seta;-n <_m<i<m<n。m表示小于η —段數(shù)據(jù)的長度。本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.光相干接收裝置中的相位估計方法，其特征在于，包括以下步驟利用坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法將以復數(shù)信息表示的輸入信號ζ(ο = φ>^+吣)轉(zhuǎn)換為以相位信息表示的第一信號 a (i), a{i) = {v{i) + φ( ) + ε{ ))mod2π ； 利用模運算消除第一信號中的Y (i)得到第二信號c (i)，第二信號c (i)為待處理的相位噪聲信號； 對第二信號c(i)進行相位噪聲值動態(tài)調(diào)整得到第三信號N(i)； 利用公式邱) = c(i) + # xf得到第四信號d(i)； 計算第四信號d(i)的平均值得到估計相位seta 利用估計相位seta對第一信號a(i)進行相位補償?shù)玫捷敵鲂盘杘ut，out =a(i)-seta ； 其中Y⑴為傳輸信號的角度，為相位噪聲的角度，ε⑴為加性噪聲的角度為正整數(shù)，表示在處理的第i個數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求I所述的光相干接收裝置中的相位估計方法，其特征在于， 設(shè)定第一信號a(i)具有M位有效數(shù)據(jù)，輸出范圍為
，表示的角度范圍為
，且數(shù)字表示同實際角度值為線性對應(yīng)關(guān)系。
3.如權(quán)利要求I所述的光相干接收裝置中的相位估計方法，其特征在于，根據(jù)均值濾波需求將多個第一信號a(i)組合成長度為2n+l的一幀待處理數(shù)據(jù)[a(i-n)，一，a(i)^··，a(i+n)]，利用模運算處理后的第二信號c(i)組合為[c(i-n)，…，c(i)，…，c(i+n)]。
4.如權(quán)利要求I所述的光相干接收裝置中的相位估計方法，其特征在于， 對于4QAM調(diào)制的輸入信號，第二信號c⑴的模運算公式為Φ')=外/)mod+ ; 對于QPSK調(diào)制的輸入信號，第二信號c⑴的模運算公式為沖)=(a(/) + |)mod|。
5.如權(quán)利要求3所述的光相干接收裝置中的相位估計方法，其特征在于，相位噪聲值動態(tài)調(diào)制步驟如下 首先將當前第二信號[c (i-n)，…，c (i)，…，c (i+n)]與上一個時鐘周期產(chǎn)生的第二信號[c_old(i-n)，···，c_old(i)，···，c_old(i+n)]每個對應(yīng)位相比較,判斷是否出現(xiàn)相位跳變，且設(shè)定補償計數(shù)寄存器N (i-n)，...，N⑴，... ,N (i+n)]初始值為O 當c(0_c_cW(0>|時，對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器-!，即對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器累減 ^ ^-c_okJU) < --:對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器+1，即對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器即累加 4 當< c{/)-c_ Otilii) < +時，對應(yīng)的補償計數(shù)寄存器值保持不變； 當min(N) > 3，即所有的補償計數(shù)寄存器都大于3時，對應(yīng)的所有補償計數(shù)寄存器都-4,即減2 π ； 當min(N) < -3，即所有的補償計數(shù)寄存器都小于_3時，對應(yīng)的所有補償計數(shù)寄存器都+4，即加2 π ；當-3 < min(N) < 3，所有的寄存器值保持不變； 最終得到所需要的補償寄存器值N (i-n)，…，N (i)，…，N (i+n)]。
6.如權(quán)利要求2所述的光相干接收裝置中的相位估計方法，其特征在于， 對于4QAM調(diào)制的輸入信號，取第一信號a(i)的數(shù)據(jù)低M-2位得到第二信號c (i)；對于QPSK調(diào)制的輸入信號，將第一信號a(i)對應(yīng)的數(shù)據(jù)加上2M_3并取其低M-2位得到第二信號c (i)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光相干接收裝置中的相位估計方法，包括以下步驟利用坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法將以復數(shù)信息表示的輸入信號轉(zhuǎn)換為以相位信息表示的第一信號利用模運算消除第一信號中的γ(i)得到第二信號c(i)；對第二信號c(i)進行相位噪聲值動態(tài)調(diào)整得到第三信號N(i)；利用公式得到第四信號d(i)；計算第四信號d(i)的平均值得到估計相位利用估計相位對第一信號a(i)進行相位補償?shù)玫捷敵鲂盘枴１景l(fā)明，進行相位估計計算時所需要的乘法轉(zhuǎn)換為加法，簡化了系統(tǒng)運算量；同時動態(tài)調(diào)整相位估計量的取值區(qū)間，克服了傳統(tǒng)算法中估計范圍約束造成的相位跳變問題，最終實現(xiàn)動態(tài)準確的相位估計，提高了整個系統(tǒng)的性能及其可實現(xiàn)性。
文檔編號H04L27/38GK102820929SQ20121030287
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者楊超, 楊奇, 肖瀟, 楊鑄 申請人:武漢郵電科學研究院