CN101257349A - 数字相位估计器、数字锁相环以及光相干接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字相位估计器、数字锁相环以及光相干接收机。该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换为基带电信号；第一和第二模数转换器，用于分别将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；数字锁相环，用于对所述接收光信号的载波信号与所述本振光信号之间的相位差进行补偿，并输出经补偿的信号；以及数据恢复单元，用于从所述经补偿的信号恢复数据。

Description

数字相位估计器、数字锁相环以及光相干接收机

技术领域

本发明总体上涉及光通信系统，更具体地说，本发明涉及一种适用于各种调制技术的数字相位估计器、数字锁相环以及采用该数字相位估计器或数字锁相环的光相干接收机。

背景技术

随着对光通信系统的容量要求和灵活性要求的逐步提高，相干光通信技术变得越来越重要。与非相干技术(例如，“开-关”键控(on-off key)，OOK)或自相干技术(例如，差分四相相移键控DQPSK)相比，相干技术具有如下优点：具有3dB的光信噪比(OSNR)增益；可以方便地采用均衡技术；可以采用更高效的调制技术(例如，正交幅度调制QAM)

与电相干技术一样，光相干接收机也需要一个装置来恢复载波相位。这可以使用模拟锁相环来实现，Leonid G.Kazovsky在“Decision-DrivenPhase-Locked Loop for Optical Homodyne Receivers”，IEEE/OSA Journal ofLightwave Technology，Vol.LT-3，No.6，Dec.1985，P1238-1247中说明了模拟锁相环的技术。如图1所示，模拟锁相环包括相位估计器101、环路滤波器102和压控振荡器(VCO)，又称为本振激光器103。由于模拟锁相环本身固有的环路时延，使得模拟锁相环的速度较慢。这种模拟锁相环的缺点在于：由于其较长的环路延迟，使得其控制速度低；对于载波和压控振荡器的相位噪声的要求高，并且容易因为相位噪声而导致大的相位差，等等。

近年来，随着电子器件技术的发展，在光通信中采用了越来越多的数字技术。Dany-Sebastien Ly-Gagnon等在OFC2005 OTuL4介绍了使用数字信号处理技术的光相干接收机。他们使用前向相位估计来取代反馈锁相环。图2示出了这种方法，如图2所示，该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；模数转换器(ADC)201；取辐角器202；解码器203；以及相位估计器204。

光90度混频器的第一输入端连接到光输入，第二输入端连接到本振激光器的输出，而第一输出端和第二输出端分别连接到第一和第二平衡光电检测器的输入端；第一和第二平衡光电检测器的输出端分别连接到模数转换器201第一和第二输入端，模数转换器201的第一和第二输出端分别连接到相位估计器204的第一和第二输入端以及取辐角器202的第一和第二输入端，取辐角器202的输出端连接到解码器203的第一输入端，相位估计器204的输出端连接到解码器203的第二输入端。

模数转换器201将模拟的同相信号(I)和正交信号(Q)转换成数字信号I+jQ，该数字信号是复信号。取辐角器202获取上述复信号的辐角，即相位。相位估计器204获得接收光信号的载波信号和本振光信号之间的相位差。解码器203从取辐角器202的输出中减去由相位估计器204估计出来的相位差，以恢复所传输的数据。

如图2所示，相位估计器204包括四次方运算器205、平均器207、取辐角器206以及除4运算器208。四次方运算器205的第一和第二输入端分别连接到模数转换器201的第一和第二输出端，四次方运算器205的输出端连接到平均器207的输入端，平均器207的输出端连接到取辐角器206的输入端，取辐角器206的输出端连接到除4运算器208的输入端，除4运算器208的输出端连接到解码器203的第二输入端。

可以看出，以上所有的运算都是在数字域完成的。这里，使用数字前向相位估计器取代了以往的光相干系统中的模拟锁相环，以避免前面提到的模拟锁相环的缺点。但是，该方法只适用于相移键控(PSK)调制方式，因为该方法的基本思想是两个相位的减法。该方法不能在更高效的调制技术(例如，QAM)中使用，而锁相环方案不存在这样的缺点。另一方面，四次方运算器205以及取辐角器202和206都进行非线性运算。通过硬件或者数字信号处理技术来实现这些非线性运算是很复杂的。

基于以上情况，目前迫切需要一种新的相位控制技术，以便结合锁相环和数字信号处理技术的优点。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题而提出了本发明，本发明的目的在于提供一种能够同时具有锁相环方案和数字信号处理技术的优点的数字锁相环，以及使用该数字锁相环的光相干接收机。

根据本发明的第一方面，提供了一种数字相位估计器，用于产生相位估计信号，该数字相位估计器包括：第一绝对值运算器，用于计算第一输入信号的绝对值；第二绝对值运算器，用于计算第二输入信号的绝对值；第一取符号运算器，用于获得所述第一输入信号的符号；第二取符号运算器，用于获得所述第二输入信号的符号；减法器，用于获得所述第二输入信号的绝对值减去所述第一输入信号的绝对值的差；以及第一乘法器，用于将所述第一输入信号和所述第二输入信号的绝对值的差与所述第一输入信号和所述第二输入信号的符号相乘，并输出相乘结果作为所述相位估计信号，其中，所述第一绝对值运算器的输入端以及所述第一取符号运算器的输入端连接到第一外部输入；所述第一绝对值运算器的输出端连接到所述减法器的负输入端；所述第二绝对值运算器的输入端以及所述第二取符号运算器的输入端连接到第二外部输入；所述第二绝对值运算器的输出端连接到所述减法器的正输入端；所述减法器的输出端连接到所述第一乘法器的第三输入端；所述第一和第二取符号运算器的输出端分别连接到所述第一乘法器的第一和第二输入端；所述第一乘法器的输出端连接到外部输出。

根据本发明的第二方面，提供了一种根据本发明第一方面的数字相位估计器，该数字相位估计器还包括：归一化部分，用于对所述第一输入信号和所述第二输入信号进行归一化；以及相位差计算部分，用于根据所述第一乘法器的输出来计算相位差，其中，所述归一化部分包括：第一平方运算器，用于获得所述第一输入信号的平方；第二平方运算器，用于获得所述第二输入信号的平方；加法器，用于获得所述第一输入信号的平方与所述第二输入信号的平方的总和；平方根运算器，用于获得所述总和的平方根；倒数运算器，用于计算所述平方根的倒数；第二乘法器(506)，用于将所述倒数与所述第一输入信号相乘；以及第三乘法器(507)，用于将所述倒数与所述第二输入信号相乘，并且其中，所述相位差计算部分包括：

运算器，用于输出

的值；第四乘法器(510)，用于将由所述第一乘法器(406)的输出与所述运算器的输出相乘，并输出相乘的结果；以及反正弦运算器，用于对所述第四乘法器(510)的输出进行反正弦运算，以获得相位差。

根据本发明的第三方面，提供了一种使用根据本发明第一方面或第二方面的数字估计器的数字锁相环，该数字锁相环还包括：环路滤波器，用于对数字估计器的相位估计信号进行滤波以去除噪声；模积分器，用于根据由所述环路滤波器输出的去除了噪声的相位估计信号生成星座旋转角度，并输出该星座旋转角度；以及星座旋转器，用于根据所述星座旋转角度对输入信号进行旋转，以对载波信号与本振信号之间的相位差进行补偿，并输出经星座旋转的信号。

根据本发明的第四方面，提供了一种使用根据本发明第三方面的数字锁相环的光相干接收机，该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换为基带电信号；第一和第二模数转换器，用于分别将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；本发明第三方面的数字锁相环，用于对所述接收光信号的载波信号与所述本振光信号之间的相位差进行补偿，并输出经补偿的信号；以及数据恢复单元，用于从所述经补偿的信号恢复数据。

根据本发明的第五方面，提供了一种使用根据本发明第一方面的数字相位估计器的光相干接收机，该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；模数转换器，用于将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；取辐角器，用于获得所述数字信号的相位；相位估计部分，用于获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及解码器，用于从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，其中，所述相位估计部分包括：本发明第一方面的相位估计器，用于根据所述数字信号生成相位估计信号；第一和第二绝对值运算器，分别用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值；加法器，用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值之和；查找表，用于根据所述相位估计信号以及所述绝对值之和生成相位差；以及平均器，用于去除所述相位差中的噪声。

根据本发明的第六方面，提供了一种使用根据本发明第一方面的数字相位估计器的光相干接收机，该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；模数转换器，用于将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；取辐角器，用于获得所述数字信号的相位；相位估计部分，用于获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及解码器，用于从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，其中，所述相位估计部分包括：本发明第一方面的相位估计器，用于根据所述数字信号生成相位估计信号；第一和第二绝对值运算器，分别用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值；加法器，用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值之和；第一平均器，用于去除所述相位估计信号中的噪声；第二平均器，用于去除所述绝对值之和中的噪声；以及查找表，用于根据去除了噪声的所述相位估计信号以及所述绝对值之和生成相位差。

根据本发明的第七方面，提供了一种使用根据本发明第二方面的数字相位估计器的光相干接收机，该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；模数转换器，用于将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；取辐角器，用于获得所述数字信号的相位；相位估计部分，用于获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及解码器，用于从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，其中，所述相位估计部分包括：本发明第二方面的相位估计器，用于根据所述数字信号生成相位差；以及平均器，用于去除所述相位差中的噪声。

本发明的数字锁相环通过星座旋转器在数字域对载波信号和本振信号之间的相位差进行补偿。与现有技术的方案相比，本发明具有如下的显著优点：自由振荡的本振激光器避免了光相位控制方面的困难；与模拟的锁相环相比，本发明能够容忍更大的相位噪声；保留了锁相方案的优点，因此可以在QAM调制方式下使用；通过减法和逻辑运算构成了相位估计器，降低了实现难度。

附图说明

所包含的附图用于提供对本发明的进一步理解，附图被并入说明书并构成说明书的一部分，附图说明了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1表示现有技术的利用模拟锁相环方案的光相干接收机；

图2表示现有技术的利用前向相位估计的数字光相干接收机；

图3表示根据本发明第一实施例的具有数字锁相环的光相干接收机；

图4表示在本发明的数字锁相环中使用的相位估计器，该相位估计器的输出与相位差成正比；

图4-1表示图4所示的相位估计器中的乘法器的另一示例；

图5表示在本发明的数字锁相环中使用的另一种相位估计器，该相位估计器的输出是相位差本身；

图6表示在QPSK调制情况下的星座图(具有相位差或没有相位差)，并表示了相位估计器的相位估计信号根据相位差的变化关系；

图7表示在16-QAM调制情况下的星座图(具有相位差或没有相位差)，并表示了相位估计器的相位估计信号根据相位差的变化关系；

图8表示根据本发明的具有取模运算的积分器；

图9表示根据本发明的星座旋转器的结构；

图10表示根据本发明第二实施例的利用图4所示的相位估计器的前向相位估计光相干接收机；

图10-1表示根据本发明第二实施例的光相干接收机的变型例；

图11表示根据本发明第三实施例的利用图5所示的相位估计器的前向相位估计光相干接收机。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例。

图3表示根据本发明第一实施例的具有数字锁相环的光相干接收机的总体结构。

如图3所示，与图2所示的现有技术的光相干接收机相似，根据本发明第一实施例的光相干接收机包括：本振激光器314，用于提供本振光信号；光90度混频器315，用于将接收光信号与本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器316和317，用于将光90度混频器315的输出光信号转换为基带电信号；第一和第二模数转换器(ADC)301和302，分别用于接收平衡光电检测器316和317的输出信号，并分别将这些输出信号转换成数字信号；数字锁相环305，用于对接收光信号的载波信号与本振光信号之间的相位差进行补偿，并输出经补偿的信号；以及数据恢复单元306，用于从所述经补偿的信号恢复数据。

光90度混频器315的第一输入端连接到光输入，第二输入端连接到本振激光器314的输出，而第一输出端和第二输出端分别连接到第一和第二平衡光电检测器316和317的输入端；第一和第二平衡光电检测器316和317的输出端分别连接到第一和第二模数转换器301和302的输入端，第一和第二模数转换器301和302的输出端分别连接到数字锁相环305的第一和第二输入端，数字锁相环305的第一和第二输出端分别连接到数据恢复单元306的第一和第二输入端。

下面详细说明第一实施例的光相干接收机的操作。

假设该光相干接收机的接收光信号318为

s(t)exp(jωt+jφ_c(t))，

其中，s(t)是包含数据信息的复包络信号，exp(jωt+jφ_c(t))是载波项，其角频率是ω，相位噪声是φ_c(t)。

本振激光器314输出的本振光信号为

exp(jω_Lt+jφ_L(t)+jφ₀)，

其中，ω_L是本振激光器的角频率，φ_L(t)是相位噪声，φ₀是初始相位。

与现有技术的光相干接收机类似，光90度混频器315和平衡光电检测器316和317将接收光信号318与本振光信号进行混合，并将其转换为基带电信号，该基带电信号包括同相分量I 303和正交分量Q 304。模数转换器301和302分别将该基带电信号的同相分量I303和正交分量Q304转换为数字信号。根据公知的相干通信理论(例如参见“DigitalCommunications，John G.Proakis，Third Edition McGraw-Hill，Inc”)，该同相信号I 303和正交信号Q 304为：

I+jQ

＝s(t)exp[j(ωt+φ_c(t)-ω_Lt-φ_L(t)-φ₀)]

＝s(t)exp[jθ(t)]

其中，θ(t)为接收光信号的载波信号与本振信号之间的相位差。该相位差可以是由于载波信号和本振信号之间的频率差而引起的，也可以是载波信号或本振信号的相位噪声，或者可以是本振信号的初始相位。

在现有技术的模拟锁相环中，本振激光器的频率是根据载波信号和本振信号之间的相位差来自动调整的，所以载波信号和本振信号之间的相位差基本为0。然而，在本发明中，通过数字锁相环305对载波信号和本振信号之间的相位差θ(t)进行补偿。

如图3所示，数字锁相环305包括依次级联的相位估计器310、环路滤波器312、模积分器320和星座旋转器307，从而构成一个反馈环路，即本发明的数字锁相环。其中，星座旋转器307的第一输入端和第二输入端分别与第一和第二数模转换器301和302的输出端相连，星座旋转器307的第一输出端和第二输出端分别与数据恢复单元306的第一和第二输入端相连，并且还分别与相位估计器310的第一和第二输入端相连，相位估计器310的输出端连接到环路滤波器312的输入端，环路滤波器312的输出端连接到模积分器320的输入端，模积分器320的输出端连接到星座旋转器307的第三输入端。

相位估计器310对载波信号与本振信号之间的相位差进行检测，并将相位估计信号311输出给环路滤波器312，环路滤波器312对相位估计信号311进行滤波以去除噪声部分，并将其输出319输出给模积分器320，模积分器320根据该输出319生成星座旋转角度313，并将该星座旋转角度313输出给星座旋转器307，星座旋转器307根据该星座旋转角度对输入信号进行旋转，以对载波信号与本振信号之间的相位差进行补偿，并输出经星座旋转的信号。

与如图1所示的现有技术的模拟锁相环相比较，相位估计器310与图1中的相位估计器101相对应，环路滤波器312与图1中的环路滤波器102相对应，而星座旋转器307和模积分器320与图1中的压控振荡器103相对应。这样，当数字锁相环连续工作时，其输出308I’和309Q’就没有相位差，即：

I′+jQ′＝s(t)

应该注意，图3中的环路滤波器312滤除相位估计信号311中的噪声部分，该环路滤波器312可以使用公知技术来实现，例如参见“DigitalCommunications，John G.Proakis，Third Edition McGraw-Hill，Inc”，因此，在本说明中省略对其的描述。

下面参照图4-9详细说明根据本发明的数字锁相环305的各个组成部分的结构。

以下的说明假设在本发明中采用QPSK调制方式，但是，本方法并不限于QPSK调制方式，也可以采用其他的调制方式，例如16-QAM等。在QPSK调制方式下，基带信号s(t)是下列四个值之一：

exp(jπ/4)，exp(j3π/4)，exp(j5π/4)，exp(j7π/4)，

或者等价地为：

$1/\sqrt{2}(1+j),1/\sqrt{2}(-1+j),1/\sqrt{2}(-1-j),1/\sqrt{2}(1-j).$

图4表示根据本发明的相位估计器。如图4所示，根据本发明的相位估计器包括：第一和第二绝对值运算器401和402，分别用于计算输入信号I’308和Q’309的绝对值；第一和第二取符号运算器403和404，分别用于获得输入信号I’308和Q’309的符号；减法器405，用于获得输入信号I’308和Q’309的绝对值的差；以及乘法器406，用于将输入信号I’308和Q’309的绝对值的差与输入信号I’308和Q’309的符号相乘，并输出相乘结果作为相位估计信号311。

第一绝对值运算器401的输入端以及第一取符号运算器403的输入端连接到第一外部输入，第一绝对值运算器401的输出端连接到减法器405的负输入端，第二绝对值运算器402的输入端以及第二取符号运算器404的输入端连接到第二外部输入，第二绝对值运算器402的输出端连接到减法器405的正输入端，减法器405的输出端连接到乘法器406的第三输入端，第一和第二取符号运算器403和404的输出端分别连接到乘法器406的第一和第二输入端，乘法器406的输出端连接到外部输出。

根据图4，假设输入信号I’308和Q’309为

I′+jQ′＝s_nexp(jθ)，

其中，s_n是数据，θ为载波信号与本振信号之间的相位差，则由相位估计器输出的相位估计信号311为：

$\left(\right|Q^{\′}|-|I^{\′}\left|\right)\×\mathrm{sgn}\left(I^{\′}\right)\×\mathrm{sgn}\left(Q^{\′}\right)=\sqrt{{\left|I^{\′}\right|}^2+{\left|Q^{\′}\right|}^2}\sqrt{2}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$

其中，

表示信号的功率，由于信号的功率通常是一个常数，并且相位差θ通常为很小的值，所以相位估计器输出的相位估计信号与相位差成正比，该相位估计信号不仅提供了相位差的大小，而且提供了相位差的方向。

根据图3可以知道，输入信号I’308和Q’309是数字信号，因此绝对值运算器401和402可以很方便地用逻辑电路来实现，例如直接丢弃该数字信号的符号位。取符号运算器403和404也可以通过逻辑电路来实现，例如直接取得该数字信号的符号位。减法器405可以用公知的减法电路来实现。

由于取符号运算器403和404的输出407，408始终是1或-1，所以3输入的乘法器406除了使用一般的数字乘法器外，也可以用逻辑运算来实现，如图4-1所示。该乘法器包括：取符号运算器411，用于获得减法器405的输出的符号；绝对值运算器412，用于获得减法器405的输出的绝对值；异或(XOR)运算器410，用于对取符号运算器403、404和411的输出进行异或运算；合并器413，用于合并绝对值运算器412的输出和异或运算器410的输出。

取符号运算器411的输入端和绝对值运算器412的输入端连接到外部输入，取符号运算器411的输出端连接到异或运算器410的第三输入端，异或运算器410的第一和第二输入端分别连接到第一和第二外部输入，异或运算器410的输出端连接到合并器413的第一输入端，绝对值运算器412的输出端连接到合并器413的第二输入端。

绝对值运算器412对减法器405的输出409取绝对值，得到乘法结果的绝对值。取符号运算器411对输出409取符号，然后将其输出给异或(XOR)运算器410以与输入407、408进行异或运算，获得图4中所示的乘法器406的乘法结果的符号。在获得了乘法结果的绝对值和符号之后，由合并器413将符号位和数值部分合并，以得到该乘法结果本身。

上述的这些电路可以通过公知技术来实现，例如可以参见王树堃、徐惠民编著的《数字电路与逻辑设计》，人民邮电出版社。当然，上述的这些运算也可以通过数字信号处理来实现。

图4所示的相位估计器的输出311是与相位差成正比的量，然而，根据本发明的相位估计器并不限于图4中所示的类型。

图5示出了根据本发明的另一种相位估计器的结构。与图4所示的结构相比，图5所示的相位估计器在图4的相位估计器的输入端添加了归一化部分，该归一化部分包括：第一和第二平方运算器501和502，分别用于获得输入信号I’308和Q’309的平方；加法器503，用于获得输入信号I’308和Q’309的平方之和；平方根运算器504，用于获得输入信号I’308和Q’309的平方之和的平方根；倒数运算器505，用于获得该平方根的倒数，以及第一和第二乘法器506和507，用于分别将输入信号I’308和Q’309与所述平方根的倒数相乘。

第一平方运算器501的输入端以及第一乘法器506的第一输入端连接到第一外部输入，第一平方运算器501的输出端连接到加法器503的第一输入端，第二平方运算器502的输入端以及第二乘法器507的第一输入端连接到第二外部输入，第二平方运算器502的输出端连接到加法器503的第二输入端，加法器503输出端连接到平方根运算器504的输入端，平方相运算器504的输出端连接到倒数运算器505的输入端，倒数运算器505的输出端连接到第一乘法器506的第二输入端和第二乘法器507的第二输入端，第一乘法器506和第二乘法器507的输出端分别连接到图4的相位估计器的第一和第二外部输入。

该归一化部分将输入信号I’308和Q’309变换为归一化信号

和

从而使得归一化信号508和509的信号功率始终为1。

此外，图5所示的相位估计器还在图4的相位估计器的输出端添加了相位差计算部分，该相位差计算部分包括：运算器511，用于输出

的值；乘法器510，用于将图5所述相位估计器的中间级部分(与图4所示的相位估计器的结构相同)的输出与

运算器511的输出相乘，并输出相乘的结果；以及反正弦运算器512，用于对乘法器510的输出进行反正弦运算，以获得相位差。

乘法器510的第一输入端与图4的相位估计器的外部输出相连，乘法器510的第二输入端与

运算器511的输出端相连，并且乘法器510的输出端连接到反正弦运算器512的输入端，反正弦运算器512的输出端连接到外部输出。

根据上述参照图4的描述可以知道，图5所示的相位估计器的中间级部分的输出(即，乘法器406的输出)为

随后，在图5所示的相位估计器的相位差计算部分中，首先将该输出乘以

然后对其进行反正弦asin运算。这样，图5所示的相位估计器的输出311就是相位差θ本身，而不是一个与相位差成正比的量。

图5中的各个单元的电路都可以通过公知技术来实现，例如可以参见王树堃、徐惠民编著的《数字电路与逻辑设计》，人民邮电出版社。此外，图5中的平方根运算器、反正弦运算器可以通过查找表(look up table，LUT)来实现。当然，上述的这些运算也可以通过数字信号处理来实现。

图6示出了在QPSK调制情况下，没有相位差的星座图601和具有相位差的星座图602，并且示出了相位估计器的输出信号311与相位差θ的关系。从图6中可以看出，无法识别相位差是0度、90度、180度还是270度。这被称为90度模糊。该问题可以通过公知的方法来解决，例如参见曹志刚、钱亚生所著的《现代通信原理》，清华大学出版社。在本发明的说明中省略了对该问题的解决方法的描述。

图7示出了在16-QAM调制情况下，没有相位差的星座图701和具有相位差的星座图702，并且示出了相位估计器的输出信号311和相位差θ的关系。如图7所示，与图6所示的QPSK调制情况不同，即使没有相位差，相位估计器的输出311也不总是为0，其具体的值依赖于所传输的数据。但是，从图7中可以看出，相位估计器的输出311的值是正负对称的，所以其平均值为0，锁相环中的环路滤波器312具有平均的作用。如果相位差不是0，则相位估计器的输出311会整体沿一个方向偏移，其平均值就不为0。因此，环路滤波器的输出319是与相位差成正比的。

根据图3所示的光相干接收机，相位估计器310的输出311被输入给环路滤波器312，并且在由环路滤波器312去除了噪声部分之后的输出319被输入给模积分器320，模积分器320生成星座旋转角度313，并且将该星座旋转角度313输出给星座旋转器307。

图8示出了根据本发明的模积分器320的结构。模积分器320与通常的模拟锁相环中的压控振荡器相似。模积分器320包括：加法器801；取模器802，用于对加法器801的输出进行对2π的取模运算Mod(x，2π)；以及1符号时延器803，用于对取模器802的输出时延一个符号，并将其输出给加法器801。

加法器801的第一输入端连接到外部输入，加法器801的第二输入端连接到1符号时延器803的输出端，并且加法器801的输出端连接到取模器802的输入端，取模器802的输出端连接到外部输出以及1符号时延器803的输入端。

其中，加法器801对输入319和1符号时延器803的输出进行加法运算，并生成输出。通常的积分器没有取模器802。在本发明中，模积分器320的输出313是星座旋转角度，星座旋转角度本身是以2π为周期的，所以对2π取模并不影响其正确性。这样做的好处是可以避免模积分器320的输出313趋于无穷大。在载波信号和本振信号之间存在频率差时，会出现输出313趋于无穷的情况。上述各个组件的具体实现是本技术领域内公知的。当然，上述的这些运算也可以通过数字信号处理来实现。

图9示出了根据本发明的星座旋转器307的结构。星座旋转器307有3个输入，星座旋转前的同相信号I 303和正交信号304Q(即，具有相位差的信号)、星座旋转角度θ313。星座旋转器307包括：取正弦器901，用于生成星座旋转角度θ的正弦值；取余弦器902，用于生成星座旋转角度θ的余弦值；第一乘法器903，用于将取正弦器901的输出与正交信号304Q相乘，并输出相乘的结果；第二乘法器904，用于将取余弦器902的输出与正交信号304Q相乘，并输出相乘的结果；第三乘法器905，用于将取正弦器901的输出与同相信号I 303相乘，并输出相乘的结果；第四乘法器906，用于将取余弦器902的输出与同相信号I 303相乘，并输出相乘的结果；减法器907，用于计算第二乘法器904的输出与第三乘法器905的输出的差，并将结果输出作为星座旋转器307的输出Q’309；以及加法器908，用于计算第一乘法器903的输出与第四乘法器906的输出之和，并将结果输出作为星座旋转器307的输出I’308。

如图9所示，取正弦器901的输入端和取余弦器902的输入端连接到第三外部输入，取正弦器901的输出端连接到第一乘法器903的第二输入端和第三乘法器905的第二输入端，第一乘法器903的第一输入端连接到第二外部输入，第三乘法器905的第一输入端连接到第一外部输入，取余弦器902的输出端连接到第二乘法器904的第二输入端和第四乘法器906的第二输入端，第二乘法器904的第一输入端连接到第二外部输入，第四乘法器906的第一输入端连接到第一外部输入，第一乘法器903的输出端连接到加法器908的第二输入端，第四乘法器906的输出端连接到加法器908的第一输入端，第二乘法器904的输出端连接到减法器907的正输入端，第三乘法器905的输出端连接到减法器907的负输入端，加法器908的输出端连接到第一外部输出，减法器907的输出端连接到第二外部输出。

根据图9的结构，星座旋转器307的输出I’308和Q’309为：

$\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ Q^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}I\\ Q\end{array}\right]$

可以看出，星座旋转器307将输入信号I+jQ旋转了角度θ。通过取正弦器901和取余弦器902来实现旋转矩阵中的矩阵元素sin(θ)和cos(θ)。矩阵运算由第一到第四乘法器903-906、减法器907、加法器908来实现。图9中的各个单元可以通过本技术领域的公知技术来实现，例如可以使用查找表的方式来实现取正弦器901和取余弦器902。当然，上述的这些运算也可以通过数字信号处理来实现。

以上对本发明的第一实施例进行了描述，在本发明第一实施例的光相干接收机中，使用数字锁相环来对载波信号和本振信号之间的相位差进行补偿，并且在该数字锁相环中使用了根据本发明的相位估计器。但是本发明并不限于第一实施例的实施方式，还可以在基于前向相位估计的光相干接收机中使用本发明第一实施例中的相位估计器。

图10示出了根据本发明第二实施例的利用图4所示的相位估计器的基于前向相位估计的光相干接收机的结构。

除了图2中的相位估计器204由相位估计部分204’替代以外，图10所示的光相干接收机的基本结构与图2所示的相同。相位估计部分204’包括：图4所示的相位估计器310，用于根据输入信号I+jQ生成相位估计信号311；第一和第二绝对值运算器1004和1005，分别用于计算输入I和Q的绝对值；加法器1006，用于计算输入I和Q的绝对值之和1007；查找表1001，用于根据相位估计信号311以及输入I和Q的绝对值之和生成相位差1003；以及平均器1002，用于去除相位差1003中的噪声。

其中，相位估计器310的第一和第二输入端分别连接到模数转换器201的第一和第二输出端，相位估计器310的输出端连接到查找表1001的第一输入端，第一绝对值运算器1004的输入端连接到模数转换器201的第一输出端，第一绝对值运算器1004的输出端连接到加法器1006的第一输入端，第二绝对值运算器1005的输入端连接到模数转换器201的第二输出端，第二绝对值运算器1005的输出端连接到加法器1006的第二输入端，加法器1006的输出端连接到查找表1001的第二输入端，查找表1001的输出端连接到平均器1002的输入端，平均器1002的输出端连接到解码器203的第二输入端。

由于图4的相位估计器310的输出是一个与相位差成正比的量，而要求相位输出部分204’的输出是相位差本身，所以通过绝对值运算器1004和1005、加法器1006、查找表1001以及平均器1002来实现这种转换。根据参照图4进行的描述，相位估计器310的输出311为：

$\left(\right|Q|-|I\left|\right)\×\mathrm{sgn}\left(I\right)\×\mathrm{sgn}\left(Q\right)=\sqrt{{\left|I\right|}^2+{\left|Q\right|}^2}\sqrt{2}\sin \left(\mathrm{\θ}\right),$

根据图10，加法器1006的输出1007为：

$\left(\right|Q|+|I\left|\right)=\sqrt{{\left|I\right|}^2+{\left|Q\right|}^2}\sqrt{2}\cos \left(\mathrm{\θ}\right),$

查找表1001根据相位估计器310的输出311和加法器1006的输出1007恢复出相位差θ，即，查找表1001实现了以下的数学运算：

$\mathrm{\θ}=\arg \tan \left(\frac{\sqrt{{\left|I\right|}^2+{\left|Q\right|}^2}\sqrt{2}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{{\left|I\right|}^2+{\left|Q\right|}^2}\sqrt{2}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}\right).$

平均器1002去除了相位差1003中的噪声，以获得更准确的相位差，然后将相位差1003输出给解码器203。

在图10所示的第二实施例中，在通过查找表得到相位差之后去除噪声，然而本发明不限于这种结构，还可以在去除噪声之后通过查找表得到相位差，如图10-1所示。图10-1示出了图10所示的光相干接收机的变型例。

除了第一平均器1008和第二平均器1009分别连接在查找表1001的第一和第二输入端，而不是将平均器连接在查找表1001的输出端以外，图10-1所示的光相干接收机的结构与图10所示的光相干接收机的结构相同，并且在此省略对相同部分的说明。

在图10-1中，第一平均器1008的输入端连接到相位估计器310的输出端，第一平均器1008的输出端连接到查找表1001的第一输入端，第二平均器1009的输入端连接到加法器1006的输出端，第二平均器1009的输出端连接到查找表1001的第二输入端，查找表1001的输出端连接到解码器203的第二输入端。

图11示出了根据本发明第三实施例的利用图5的相位估计器的基于前向相位估计的光相干接收机的结构。

除了图2中的相位估计器204由相位估计部分204”替代以外，图11所示的光相干接收机的基本结构与图2所示的相同。相位估计部分204”包括：图5所示的相位估计器310，用于根据输入信号I+jQ生成相位差；以及平均器1101，用于去除相位差中的噪声。其中，相位估计器310的第一和第二输入端分别连接到模数转换器201的第一和第二输出端，相位估计器310的输出端连接到平均器1101的输入端，平均器1101的输出端连接到解码器203的第二输入端。

根据参照图5进行的描述，相位估计器310的输出311是相位差本身，所以只需要通过平均器1101就可以获得更准确的相位差，并且随后将相位差输出给解码器203。

在以上说明中，对应用本发明的数字相位估计器的基于数字锁相环的光相干接收机以及基于前向相位估计的光相干接收机进行了说明。根据本发明，数字锁相环通过星座旋转器对载波信号和本振信号之间的相位差进行补偿，本振信号是自由振荡的，这保持了锁相环方案的优点，同时避免了本振激光器的相位控制的困难。此外，本发明的相位估计器通过简单的方法提供了相位差的大小和方向，这降低了实现难度。

尽管以QPSK和QAM调制方案作为示例对本发明进行了说明，但本发明的应用不限于此，还可以在通常的相干系统中使用。

本发明所属领域的技术人员根据以上对本发明原理的详细说明，很容易想到本发明的多种修改和其它实施例。因此，本发明不限于所公开的具体实施例，而是旨在涵盖落入所附权利要求范围内的本发明的所有修改和其它实施例。

Claims (22)

1. 一种数字相位估计器，用于产生相位估计信号，该数字相位估计器包括：

第一绝对值运算器，用于计算第一输入信号的绝对值；

第二绝对值运算器，用于计算第二输入信号的绝对值；

第一取符号运算器，用于获得所述第一输入信号的符号；

第二取符号运算器，用于获得所述第二输入信号的符号；

减法器，用于获得所述第二输入信号的绝对值减去所述第一输入信号的绝对值的差；以及

第一乘法器(406)，用于将所述第一输入信号和所述第二输入信号的绝对值的差与所述第一输入信号和所述第二输入信号的符号相乘，并输出相乘结果作为所述相位估计信号，

其中，所述第一绝对值运算器的输入端以及所述第一取符号运算器的输入端连接到第一外部输入；所述第一绝对值运算器的输出端连接到所述减法器的负输入端；所述第二绝对值运算器的输入端以及所述第二取符号运算器的输入端连接到第二外部输入；所述第二绝对值运算器的输出端连接到所述减法器的正输入端；所述减法器的输出端连接到所述第一乘法器(406)的第三输入端；所述第一和第二取符号运算器的输出端分别连接到所述第一乘法器(406)的第一和第二输入端；所述第一乘法器(406)的输出端连接到外部输出。

2. 根据权利要求1所述的数字相位估计器，其中所述第一乘法器(406)包括：

第三取符号运算器，用于获得所述减法器的输出的符号；

第三绝对值运算器，用于获得所述减法器的输出的绝对值；

异或运算器，用于对所述第一、第二和第三取符号运算器的输出进行异或运算；

合并器，用于合并所述第三绝对值运算器的输出和所述异或运算器的输出，以获得所述相乘结果，

其中，所述第三取符号运算器的输入端和第三绝对值运算器的输入端连接到所述减法器的输出端，所述第三取符号运算器的输出端连接到所述异或运算器的第三输入端，所述异或运算器的第一和第二输入端分别连接到所述第一和第二取符号运算器的输出端，所述异或运算器的输出端连接到所述合并器的第一输入端，所述第三绝对值运算器的输出端连接到所述合并器的第二输入端。

3. 根据权利要求1或2所述的数字相位估计器，该数字相位估计器还包括：

归一化部分，用于对所述第一输入信号和所述第二输入信号进行归一化，所述归一化部分包括：

第一平方运算器，用于获得所述第一输入信号的平方；

第二平方运算器，用于获得所述第二输入信号的平方；

加法器，用于获得所述第一输入信号的平方与所述第二输入信号的平方的总和；

平方根运算器，用于获得所述总和的平方根；

倒数运算器，用于计算所述平方根的倒数；

第二乘法器(506)，用于将所述倒数与所述第一输入信号相乘；以及

第三乘法器(507)，用于将所述倒数与所述第二输入信号相乘，

其中，所述第一平方运算器的输入端以及所述第二乘法器(506)的第一输入端连接到第一外部输入，所述第一平方运算器的输出端连接到所述加法器的第一输入端，所述第二平方运算器的输入端以及所述第三乘法器(507)的第一输入端连接到第二外部输入，所述第二平方运算器的输出端连接到所述加法器的第二输入端，所述加法器的输出端连接到所述平方根运算器的输入端，所述平方根运算器的输出端连接到所述倒数运算器的输入端，所述倒数运算器的输出端连接到所述第二乘法器(506)的第二输入端和所述第三乘法器(507)的第二输入端，所述第二乘法器(506)和第三乘法器(507)的输出端分别连接到所述第一绝对值运算器和第二绝对值运算器的输入端，并且分别连接到所述第一取符号运算器和第二取符号运算器的输入端。

4. 根据权利要求3所述的数字相位估计器，其中，所述数字相位估计器还包括：

相位差计算部分，用于根据所述第一乘法器(406)的输出来计算相位差，所述相位差计算部分包括：

运算器，用于输出

的值；

第四乘法器(510)，用于将所述第一乘法器(406)的输出与所述

运算器的输出相乘，并输出相乘的结果；以及

反正弦运算器，用于对所述第四乘法器(510)的输出进行反正弦运算，以获得相位差，

其中，所述第四乘法器(510)的第一输入端与所述第一乘法器(406)的输出端相连，所述第四乘法器(510)的第二输入端与所述

运算器的输出端相连，并且所述第四乘法器(510)的输出端连接到所述反正弦运算器的输入端，所述反正弦运算器的输出端连接到外部输出。

5. 一种数字锁相环，该数字锁相环包括：

权利要求1到4中的任意一项所述的相位估计器，用于对输入信号的载波信号与本振信号之间的相位差进行检测，并输出相位估计信号；

环路滤波器，用于对所述相位估计信号进行滤波以去除噪声；

模积分器，用于根据由所述环路滤波器输出的去除了噪声的相位估计信号生成星座旋转角度，并输出该星座旋转角度；以及

星座旋转器，用于根据所述星座旋转角度对输入信号进行旋转，以对载波信号与本振信号之间的相位差进行补偿，并输出经星座旋转的信号，

其中，所述星座旋转器的第一输入端和第二输入端分别与第一和第二外部输入相连，所述星座旋转器的第一输出端和第二输出端分别与第一和第二外部输出相连，并且还分别与所述相位估计器的第一和第二输入端相连，所述相位估计器的输出端连接到所述环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端连接到所述模积分器的输入端，所述模积分器的输出端连接到所述星座旋转器的第三输入端。

6. 根据权利要求5所述的数字锁相环，其中，所述模积分器包括：

加法器；

取模器，用于对所述加法器的输出进行对2π的取模运算；以及

1符号时延器，用于对所述取模器的输出时延一个符号，并将其输出给所述加法器，

其中，所述加法器的第一输入端连接到外部输入；所述加法器的第二输入端连接到所述1符号时延器的输出端；所述加法器的输出端连接到所述取模器的输入端；所述取模器的输出端连接到外部输出以及所述1符号时延器的输入端。

7. 根据权利要求5所述的数字锁相环，其中，所述星座旋转器包括：

取正弦器，用于生成所输入的星座旋转角度的正弦值；

取余弦器，用于生成所述星座旋转角度的余弦值；

第一乘法器，用于将所述取正弦器的输出与所输入的第二输入信号相乘，并输出相乘的结果；

第二乘法器，用于将所述取余弦器的输出与所述第二输入信号相乘，并输出相乘的结果；

第三乘法器，用于将所述取正弦器的输出与所输入的第一输入信号相乘，并输出相乘的结果；

第四乘法器，用于将所述取余弦器的输出与所述第一输入信号相乘，并输出相乘的结果；

减法器，用于计算所述第二乘法器的输出减去所述第三乘法器的输出的差，并输出该结果；以及

加法器，用于计算所述第一乘法器的输出与所述第四乘法器的输出之和，并输出该结果，

其中，所述取正弦器的输入端和所述取余弦器的输入端连接到第三外部输入，所述取正弦器的输出端连接到所述第一乘法器的第二输入端和所述第三乘法器的第二输入端，所述第一乘法器的第一输入端连接到第二外部输入，所述第三乘法器的第一输入端连接到第一外部输入，所述取余弦器的输出端连接到所述第二乘法器的第二输入端和所述第四乘法器的第二输入端，所述第二乘法器的第一输入端连接到第二外部输入，所述第四乘法器的第一输入端连接到第一外部输入，所述第一乘法器的输出端连接到所述加法器的第二输入端，所述第四乘法器的输出端连接到所述加法器的第一输入端，所述第二乘法器的输出端连接到所述减法器的正输入端，所述第三乘法器的输出端连接到所述减法器的负输入端，所述加法器的输出端连接到第一外部输出，所述减法器的输出端连接到第二外部输出。

8. 一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

本振激光器，用于提供本振光信号；

光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换为基带电信号；

第一和第二模数转换器，用于分别将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；

权利要求5到7中的任意一项所述的数字锁相环，用于对所述接收光信号的载波信号与所述本振光信号之间的相位差进行补偿，并输出经补偿的信号；以及

数据恢复单元，用于从所述经补偿的信号恢复数据，

其中，所述光90度混频器的第一输入端连接到外部输入，所述光90度混频器的第二输入端连接到所述本振激光器的输出，所述光90度混频器的第一输出端和第二输出端分别连接到所述第一和第二平衡光电检测器的输入端；所述第一和第二平衡光电检测器的输出端分别连接到所述第一和第二模数转换器的输入端，所述第一和第二模数转换器的输出端分别连接到所述数字锁相环的第一和第二输入端，所述数字锁相环的第一和第二输出端分别连接到所述数据恢复单元的第一和第二输入端。

9. 一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

本振激光器，用于提供本振光信号；

光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；

模数转换器，用于将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；

取辐角器，用于获得所述数字信号的相位；

相位估计部分，用于获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及

解码器，用于从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，

其中，所述光90度混频器的第一输入端连接到外部输入，所述光90度混频器的第二输入端连接到所述本振激光器的输出，所述光90度混频器的第一输出端和第二输出端分别连接到所述第一和第二平衡光电检测器的输入端；所述第一和第二平衡光电检测器的输出端分别连接到所述模数转换器的第一和第二输入端，所述模数转换器的第一和第二输出端分别连接到所述相位估计部分的第一和第二输入端以及所述取辐角器的第一和第二输入端，所述取辐角器的输出端连接到所述解码器的第一输入端，所述相位估计部分的输出端连接到所述解码器的第二输入端，

并且其中，所述相位估计部分包括：

权利要求1或2所述的相位估计器，用于根据所述数字信号生成相位估计信号；

第四和第五绝对值运算器(1004、1005)，分别用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值；

加法器，用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值之和；

查找表，用于根据所述相位估计信号以及所述绝对值之和生成相位差；以及

平均器，用于去除所述相位差中的噪声，

其中，所述相位估计器的第一和第二输入端分别连接到所述模数转换器的第一和第二输出端，所述相位估计器的输出端连接到所述查找表的第一输入端，所述第四绝对值运算器(1004)的输入端连接到所述模数转换器的第一输出端，所述第四绝对值运算器(1004)的输出端连接到所述加法器的第一输入端，所述第五绝对值运算器(1005)的输入端连接到所述模数转换器的第二输出端，所述第五绝对值运算器(1005)的输出端连接到所述加法器的第二输入端，所述加法器的输出端连接到所述查找表的第二输入端，所述查找表的输出端连接到所述平均器的输入端，所述平均器的输出端连接到所述解码器的第二输入端。

10. 一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

本振激光器，用于提供本振光信号；

光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；

模数转换器，用于将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；

取辐角器，用于获得所述数字信号的相位；

相位估计部分，用于获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及

解码器，用于从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，

其中，所述光90度混频器的第一输入端连接到外部输入，所述光90度混频器的第二输入端连接到所述本振激光器的输出，所述光90度混频器的第一输出端和第二输出端分别连接到所述第一和第二平衡光电检测器的输入端；所述第一和第二平衡光电检测器的输出端分别连接到所述模数转换器的第一和第二输入端，所述模数转换器的第一和第二输出端分别连接到所述相位估计部分的第一和第二输入端以及所述取辐角器的第一和第二输入端，所述取辐角器的输出端连接到所述解码器的第一输入端，所述相位估计部分的输出端连接到所述解码器的第二输入端，

并且其中，所述相位估计部分包括：

权利要求1或2所述的相位估计器，用于根据所述数字信号生成相位估计信号；

第四和第五绝对值运算器(1004、1005)，分别用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值；

加法器，用于计算所述模数转换器的第一和第二输出的绝对值之和；

第一平均器，用于去除所述相位估计信号中的噪声；

第二平均器，用于去除所述绝对值之和中的噪声；以及

查找表，用于根据去除了噪声的所述相位估计信号以及所述绝对值之和生成相位差；

其中，所述相位估计器的第一和第二输入端分别连接到所述模数转换器的第一和第二输出端，所述相位估计器的输出端连接到所述第一平均器的输入端，所述第四绝对值运算器(1004)的输入端连接到所述模数转换器的第一输出端，所述第四绝对值运算器(1004)的输出端连接到所述加法器的第一输入端，所述第五绝对值运算器(1005)的输入端连接到所述模数转换器的第二输出端，所述第五绝对值运算器(1005)的输出端连接到所述加法器的第二输入端，所述加法器的输出端连接到所述第二平均器的输入端，所述第一平均器的输出端连接到所述查找表的第一输入端，所述第二平均器的输出端连接到所述查找表的第二输入端，所述查找表的输出端连接到所述解码器的第二输入端。

11. 一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

本振激光器，用于提供本振光信号；

光90度混频器，用于对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

第一和第二平衡光电检测器，用于将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；

模数转换器，用于将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；

取辐角器，用于获得所述数字信号的相位；

相位估计部分，用于获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及

解码器，用于从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，

其中，所述光90度混频器的第一输入端连接到外部输入，所述光90度混频器的第二输入端连接到所述本振激光器的输出，所述光90度混频器的第一输出端和第二输出端分别连接到所述第一和第二平衡光电检测器的输入端；所述第一和第二平衡光电检测器的输出端分别连接到所述模数转换器的第一和第二输入端，所述模数转换器的第一和第二输出端分别连接到所述相位估计部分的第一和第二输入端以及所述取辐角器的第一和第二输入端，所述取辐角器的输出端连接到所述解码器的第一输入端，所述相位估计部分的输出端连接到所述解码器的第二输入端，

并且其中，所述相位估计部分包括：

权利要求4所述的相位估计器，用于根据所述数字信号生成相位差；以及

平均器，用于去除所述相位差中的噪声，

其中，所述相位估计器的第一和第二输入端分别连接到所述模数转换器的第一和第二输出端，所述相位估计器的输出端连接到所述平均器的输入端，所述平均器的输出端连接到所述解码器的第二输入端。

12. 一种数字相位估计方法，用于产生相位估计信号，该数字相位估计方法包括以下步骤：

通过第一绝对值运算器计算第一输入信号的绝对值；

通过第二绝对值运算器计算第二输入信号的绝对值；

通过第一取符号运算器获得所述第一输入信号的符号；

通过第二取符号运算器获得所述第二输入信号的符号；

通过减法器获得所述第二输入信号的绝对值减去所述第一输入信号的绝对值的差；以及

通过第一乘法器(406)将所述第一输入信号和所述第二输入信号的绝对值的差与所述第一输入信号和所述第二输入信号的符号相乘，并输出相乘结果作为所述相位估计信号。

13. 根据权利要求12所述的数字相位估计方法，其中，所述相乘的步骤包括：

通过第三取符号运算器获得所述减法器获得的差的符号；

通过第三绝对值运算器获得所述减法器获得的差的绝对值；

通过异或运算器对所述第一、第二和第三取符号运算器获得的符号进行异或运算；

通过合并器合并通过所述第三绝对值运算器获得的绝对值和所述异或运算器的异或运算的结果，以获得所述相乘结果。

14. 根据权利要求12或13所述的数字相位估计方法，该数字相位估计方法在该方法开始时还包括以下步骤：

对所述第一输入信号和所述第二输入信号进行归一化，该步骤包括：

通过第一平方运算器获得所述第一输入信号的平方；

通过第二平方运算器获得所述第二输入信号的平方；

通过加法器获得所述第一输入信号的平方与所述第二输入信号的平方的总和；

通过平方根运算器获得所述总和的平方根；

通过倒数运算器计算所述平方根的倒数；

通过第二乘法器(506)将所述倒数与所述第一输入信号相乘，并将相乘结果输出给所述第一取符号运算器和所述第一绝对值运算器；以及

通过第三乘法器(507)将所述倒数与所述第二输入信号相乘，并将相乘结果输出给所述第二取符号运算器和所述第二绝对值运算器。

15. 根据权利要求14所述的数字相位估计方法，其中，所述数字相位估计方法还包括以下步骤：

根据所述第一乘法器(406)的输出来计算相位差，该步骤包括：

通过

运算器计算

的值；

通过第四乘法器(510)将所述第一乘法器(406)的输出与所述

运算器的输出相乘，并输出相乘的结果；以及

通过反正弦运算器对所述第四乘法器(510)的输出进行反正弦运算，以获得相位差。

16. 一种数字锁相方法，该数字锁相方法包括：

权利要求12到15中的任意一项所述的相位估计方法，用于对输入信号的载波信号与本振信号之间的相位差进行检测，并输出相位估计信号；

通过环路滤波器对所述相位估计信号进行滤波以去除噪声；

通过模积分器根据由所述环路滤波器输出的去除了噪声的相位估计信号生成星座旋转角度，并输出该星座旋转角度；以及

通过星座旋转器根据所述星座旋转角度对包括第一输入信号和第二输入信号的输入信号进行旋转，以对该输入信号的载波信号与本振信号之间的相位差进行补偿，并输出经星座旋转的信号。

17. 根据权利要求16所述的数字锁相方法，其中，所述模积分器包括加法器、取模器和1符号时延器，并且生成所述星座旋转角度的步骤包括以下步骤：

通过取模器对所述加法器的输出进行对2π的取模运算；以及

通过1符号时延器对所述取模器的输出时延一个符号，并将其输出给所述加法器。

18. 根据权利要求17所述的数字锁相方法，其中，对所述输入信号进行旋转的步骤包括：

通过取正弦器生成所输入的星座旋转角度的正弦值；

通过取余弦器生成所述星座旋转角度的余弦值；

通过第一乘法器将所述取正弦器的输出与所述输入信号中的第二输入信号相乘，并输出相乘的结果；

通过第二乘法器将所述取余弦器的输出与所述输入信号中的第二输入信号相乘，并输出相乘的结果；

通过第三乘法器将所述取正弦器的输出与所述输入信号中的第一输入信号相乘，并输出相乘的结果；

通过第四乘法器将所述取余弦器的输出与所述输入信号中的第一输入信号相乘，并输出相乘的结果；

通过减法器计算所述第二乘法器的输出减去所述第三乘法器的输出的差，并输出该结果；以及

通过加法器计算所述第一乘法器的输出与所述第四乘法器的输出之和，并输出该结果。

19. 一种光相干接收方法，该光相干接收方法包括：

通过本振激光器提供本振光信号；

通过光90度混频器对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

通过第一和第二平衡光电检测器将所述光90度混频器的输出光信号转换为基带电信号；

通过第一和第二模数转换器分别将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号转换成数字信号；

通过权利要求16到18中的任意一项所述的数字锁相方法对所述接收光信号的载波信号与所述本振光信号之间的相位差进行补偿，并输出经补偿的信号；以及

通过数据恢复单元从所述经补偿的信号恢复数据。

20. 一种光相干接收方法，该光相干接收方法包括：

通过本振激光器提供本振光信号；

通过光90度混频器对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

通过第一和第二平衡光电检测器将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；

通过模数转换器将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号分别转换成数字信号；

通过取辐角器获得所述数字信号的相位；

通过相位估计部分获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及

通过解码器从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，

其中，通过获得所述相位差的步骤包括：

通过权利要求12或13所述的相位估计方法根据所述数字信号生成相位估计信号；

通过第四和第五绝对值运算器(1004、1005)计算所述模数转换器的输出的绝对值；

通过加法器计算所述模数转换器的输出的绝对值之和；

通过查找表根据所述相位估计信号以及所述绝对值之和生成相位差；以及

通过平均器去除所述相位差中的噪声。

21. 一种光相干接收方法，该光相干接收方法包括：

通过本振激光器提供本振光信号；

通过光90度混频器对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

通过第一和第二平衡光电检测器将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；

通过模数转换器将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号分别转换成数字信号；

通过取辐角器获得所述数字信号的相位；

通过相位估计部分获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及

通过解码器从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，

其中，通过获得所述相位差的步骤包括：

通过权利要求12或13所述的相位估计方法根据所述数字信号生成相位估计信号；

通过第四和第五绝对值运算器(1004、1005)计算所述模数转换器的输出的绝对值；

通过加法器计算所述模数转换器的输出的绝对值之和；

通过第一平均器去除所述相位估计信号中的噪声；

通过第二平均器去除所述绝对值之和中的噪声；以及

通过查找表根据去除了噪声的所述相位估计信号以及所述绝对值之和生成相位差。

22. 一种光相干接收方法，该光相干接收方法包括：

通过本振激光器提供本振光信号；

通过光90度混频器对接收光信号与所述本振光信号进行混合；

通过第一和第二平衡光电检测器将所述光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；

通过模数转换器将所述第一和第二平衡光电检测器的输出信号分别转换成数字信号；

通过取辐角器获得所述数字信号的相位；

通过相位估计部分获得所述接收光信号的载波信号和所述本振光信号之间的相位差；以及

通过解码器从所述取辐角器的输出中减去由所述相位估计部分获得的相位差，以恢复所传输的数据，

其中，所述获得所述相位差的步骤包括：

通过权利要求15所述的相位估计方法根据所述数字信号生成相位差；以及

通过平均器去除所述相位差中的噪声。

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