CN102160350A - 用于16qam数据调制的相位恢复装置、相位恢复方法和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于16QAM数据调制的相位恢复装置、相位恢复方法和接收机。该相位恢复装置包括：4次方器，用于求取接收到的符号块中的各符号的4次方；分类单元，用于按幅值对所述符号块中的各符号进行分类，从而将所述符号块中的各符号分入幅值较大或较小的第一类以及幅值处于中间的第二类；参考点确定单元，利用所述符号块中的各符号的分类及其4次方值，确定参考点；旋转单元，根据所述参考点，对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转；以及相位估计单元，用于根据经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号以及经过旋转的、4次方后的所述符号块中的被分入所述第二类的各符号，进行相位估计。

Description

用于16QAM数据调制的相位恢复装置、相位恢复方法和接收机

技术领域

本发明涉及光通信，特别地涉及数字相干光接收机。

背景技术

相干光通信技术被认为是提高光通信系统容量的关键技术。目前的相干光通信系统大多采用四相相移键控(QPSK)作为调制格式，为了进一步提高传输容量，可以采用更高阶的调制格式，如16QAM(正交幅度调制)。一个16QAM符号携带4比特信息，而1个QPSK符号只携带2比特信息，因此16QAM具有比QPSK更高的谱效率。在相干光通信系统中，因为发射端的激光器和接收端的本振激光器都有一定的线宽，因而要在接收端得到正确的信号就必须进行相位恢复。已经提出了一些16QAM的相位恢复方法。这些方法可以分为前馈式方法和反馈式方法两种。文献1中的方法是前馈式方法，在该方法中，对各符号的相位估计不依赖于对其它符号的相位估计结果，所以可以并行化，即同时用多个数字信号处理单元对多个符号做相位估计。这种并行化可以大大降低对DSP处理速度的要求。文献2中介绍的方法是基于判决辅助(decision-directed)的，相当于数字锁相环。光通信系统的波特率很高，对锁相环的环路延时有苛刻的要求，用现有的DSP技术难以实现满足延时要求的锁相环。文献3中的方法虽然是前馈的，但它是基于预判决(pre-decision)的，对当前符号的相位估计依赖于对以前符号的相位估计结果，所以无法并行化。

下面对现有技术中文献1的方法进行简单的介绍。

图1示出了理想的没有噪声的16QAM星座。图2示出了对理想16QAM星座点做4次方并保持幅值不变得到的星座点。图3示出了使用文献1的相位恢复装置的处理流程。

如图1所示，16QAM符号具有三种幅值，根据幅值的不同可分为三组。位于内圈上的是第I组点，具有最小幅值R₁；位于中间一圈上的是第II组点，具有中等幅值R₂，位于外圈上的是第III组点，具有最大幅值R₃(R₁＜R₂＜R₃)。(此处“点”指星座点，是符号在I-Q平面上的表示。根据上下文，本发明实施方式中提到的“点”的含义可以等同于“符号”)。第I、III组点的幅角为

第II组点的幅角为

在对符号进行4次方后，第I、III组点的幅角为π，位于横轴负方向，而第II组点的幅角有两个可能的取值(如图2所示)，它们和横轴负方向的夹角为如图3所示，在文献1的现有的方法中，对于符号块中的各符号，首先进行4次方(步骤301)，然后在步骤302根据幅值对该符号进行分组(分为三组)。然后在步骤303的相位估计中，仅利用被分为第I组和第III组的符号。也就是说，在现有技术的16QAM相位恢复方法中，只利用了第I、III组点，第II组点被丢弃不用。

本发明的发明人在研究本发明的过程发现：在一个符号块中，第II组点出现的频度几乎为一半，而在现有技术的方法中将它们丢弃，这会降低对噪声的抑制程度，从而影响相位恢复的精度。

文献1：M.Seimetz，Performance of coherent optical square-16-QAM systems based on IQ-transmitter and homodyne receivers with digital phase estimation.OFC2006，NWA4.

文献2：Y.Mori，Transmission of 40Gb/s 16QAM signal over 100km standard single mode fiber using digital coherent optical receiver.ECOC2008，Tu.1.E.4.

文献3：H.Louchet，Improved DSP algorithm for coherent 16QAM transmission.ECOC2008，Tu.1.E.6.

文献4：D.-S.Ly-Gagnon，Coherent detection of optical quadrature phase-shift keying signals with carrier phase estimation.J.of Lightwave Technol.，vol.24，no.1，2006.

发明内容

本发明的实施方式鉴于现有技术的上述问题作出，用于消除或缓解现有技术的一个或更多个问题，至少提供一种有益的选择。

为了实现以上目的，本发明的实施方式提供了以下的方面。

方面1、一种用于16QAM数据调制的相位恢复装置，该相位恢复装置包括：

4次方器，用于求取符号块中的各符号的4次方；

分类单元，用于按幅值对所述符号块中的各符号进行分类，从而将所述符号块中的各符号分入幅值较大或较小的第一类以及幅值处于中间的第二类；

参考点确定单元，利用所述符号块中的各符号的分类及其4次方值，确定参考点；

旋转单元，根据所述参考点，对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转；以及

相位估计单元，用于根据经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号以及经过旋转的、4次方后的所述符号块中的被分入所述第二类的各符号，进行相位估计。

方面2、根据方面1所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置，其特征在于，所述参考点确定单元如下地确定所述参考点：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号的和，即第一和；

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号的和，即第二和；

用所述第一和减去乘以一系数后的所述第二和，其中所述系数大于等于0且小于等于1。

方面3、根据方面2所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置，其中所述系数为0.5。

方面4、根据方面1所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置，其中所述旋转单元如下地对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号与所述参考点之间的幅角差；

如果所述幅角差在0到π之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转-α，α＝π-4×arctan(1/3)；

如果所述幅角差在-π到0之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转α。

方面5、一种数字相干光接收机，其特征在于，该数字相干光接收机包括权利要求1到4中任一项所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置。

方面6、一种用于16QAM数据调制的相位恢复方法，该相位恢复方法包括：

求4次方的步骤，用于求取符号块中的各符号的4次方；

分类步骤，用于按幅值对所述符号块中的各符号进行分类，从而将所述符号块中的各符号分入幅值较大或较小的第一类以及幅值处于中间的第二类；

参考点确定步骤，利用所述符号块中的各符号的分类及其4次方值，确定参考点；

旋转步骤，根据所述参考点，对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转；以及

相位估计步骤，用于根据经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号以及经过旋转的、4次方后的所述符号块中的被分入所述第二类的各符号，进行相位估计。

方面7、根据方面6所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其特征在于，所述参考点确定步骤如下地确定所述参考点：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号的和，即第一和；

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号的和，即第二和；

用所述第一和减去乘以一系数后的所述第二和，其中所述系数大于等于0且小于等于1。

方面8、根据方面7所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中所述系数为0.5。

方面9、根据方面6所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中所述旋转步骤如下地对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号与所述参考点之间的幅角差；

如果所述幅角差在0到π之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转-α，α＝π-4×arctan(1/3)；

如果所述幅角差在-π到0之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转α。

方面10、根据方面6所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中所述分类步骤首先将4次方之后的各符号的幅值恢复为4次方之前的幅值，然后将各符号的恢复后的幅值与预定阈值T₁和T₃进行比较，如果所述恢复后的幅值在T₁和T₃之间，则分入所述第二类，否则分入所述第一类。

方面11、根据方面10所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中

T₁＝(R₁+R₂)/2       T₂＝(R₂+R₃)/2

R₁，R₂，R₃为理想16QAM星座点的幅值。

根据本发明的实施方式，可以充分利用接收信号，与没有充分利用接收信号(只利用了其中一部分)的现有技术相比，相位估计的精度得到提高。仿真和实验结果表明，和现有技术文献1中的方法相比，采用本发明的实施方式的方法能获得更低的误码率。

参照后文的说明和附图，本发明的这些和进一步的方面和特征将变得更加清楚。在所述的说明和附图中，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1示出了理想的没有噪声的16QAM星座。

图2示出了对理想16QAM星座点做4次方并保持幅值不变得到的星座点。

图3示意性示出了现有技术的相位恢复方法的流程图。

图4示意性示出了依据本发明的一种实施方式的相位恢复方法的流程图。

图5示出了依据本发明一种实施方式的相位恢复装置。

图6示出依据本发明另一种实施方式的相位恢复装置。

图7示出了相位估计单元的示例性实施方式。

图8示出了依据本发明一种实施方式的相干光接收机的结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明。图4示意性示出了依据本发明的一种实施方式的相位恢复方法的流程图。如图4所示，对于符号块中的各符号(数学上可用一个复数I+jQ表示)，首先在步骤401，例如利用4次方器对该符号进行4次方，然后在步骤402根据4次方后的符号的幅值对该符号进行分类，即将幅值较大的符号(第III组点)和幅值较小的符号(第I组点)分入第一类，将幅值处于中间的符号(第II组点)分入第二类。

可以如下地对符号进行分类。

根据本发明的一方面，首先将4次方之后的符号的幅值恢复为4次方之前的幅值(即除以4次方之前符号的模值的3次方)，然后将该恢复后的幅值与预定阈值进行比较。如果接收信号的幅值在T₁和T₃之间，判为第II组点，分入第二类。如果幅值大于T₃，判为第III组点，分入第一类；如果幅值小于T₁，判为第I组点，也分入第一类。其中T₁，T₃为推荐的判决阈值：

T₁＝(R₁+R₂)/2     T₂＝(R₂+R₃)/2    (1)

R₁，R₂，R₃为理想16QAM星座点的幅值。

在对符号块中的各符号都计算完4次方并进行完分类之后，在步骤403，计算参考点。

在本发明的一种实施方式中，计算参考点r的方法例如是：

$r=\underset{x\∈I,\mathrm{III}}{\mathrm{\Σ}}x-\mathrm{\β}\underset{y\∈\mathrm{II}}{\mathrm{\Σ}}y---\left(2\right)$

上式中的第一项表示将I、III组中(即第一类)的点(4次方之后的符号)相加(矢量相加)，第二项表示将第II组中(即第二类)的点(4次方之后的符号)相加。β是一个事先预设的[0，1]之间的系数，优选地，β＝0.5。

在计算出参考点r之后，在步骤404中对第二类的每一个点p进行旋转操作。具体地，在本发明的一种实施方式中进行如下操作：

1)计算点p(4次方之后的符号)和参考点r的幅角差dA，例如：dA＝arg(p/r)。arg()表示取幅角运算，从而dA的值在[-π，π]区间内；

另一种确定幅角差的方法是先计算dA＝arg(p)-arg(r)，然后以2π为模将dA的值限制在[-π，π]区间内。本领域的技术人员还可以想到其它的确定幅角差的方法，这些都在本发明的范围内。

2)若幅角差dA在0到π之间，将点p旋转-α，即在I-Q平面上将点p绕坐标原点旋转-α(顺时针旋转α，α＝π-4*arctan(1/3))。数学上该旋转操作可表示为(I₁，Q₁)是旋转前的坐标，(I，Q)是旋转后的坐标。

若幅角差dA在-π到0之间，在I-Q平面上将点p绕原点旋转α(逆时针旋转α)。

理想情况下，这一步操作后第II组点被旋转到横轴负方向，这相当于去掉了残余的角度调制。

然后，在步骤405，利用第I、III组点和旋转后的第II组点一起进行相位估计。这里的相位估计包括求平均、取角度和解缠绕等运算。

相位估计可以采用本领域技术人员所知的各种方法进行，例如可以采用文献4中所公开的技术。要注意的只是在利用这些方法时，不但要使用第I、III组点，而且还要使用旋转后的第II组点。

依据本发明的实施方式，计算参考点，并根据参考点对第二类点进行旋转，可以充分利用第二类点，从而提高相位估计的精度。

在上面的实施方式中，首先进行4次方运算，然后根据经四次方运算后的符号的幅值对符号进行分类。在另选的实施方式中，可以首先根据符号块中各符号的4次方之前的幅值对该符号进行分类，并将符号的分类与符号一起传入到4次方器，4次方器对符号进行4次方运算，并将符号的4次方值与符号的分类分别送入下一步骤进行参考点计算和相位估计等。

也就是说，对符号的分类既可以在4次方之后进行，也可以在4次方之前进行。本发明中的“符号块中的各符号的分类”根据上下文，既可以指4次方之前的符号的分类也可以指4次方之后的符号的分类。本发明中的“将符号块中的各符号分入幅值较大或较小的第一类以及幅值处于中间的第二类”包括在进行4次方之前进行分类也包括在进行4次方之后进行分类。

图5示出了依据本发明的一种实施方式的相位恢复装置的示意图。如图5所示，依据本发明的一种实施方式的相位恢复装置包括4次方器51、分类单元52、参考点确定单元53、旋转单元54、以及相位估计单元55。

4次方器51计算符号块中各符号的4次方。分类单元52用于对经4次方后的符号块中的各符号进行分类。分类单元52首先将经4次方之后的符号的幅值恢复成4次方之前的幅值，然后根据该幅值，通过将该幅值预预定阈值进行比较而将经4次方后的符号块中的各符号分类为第I、III组点或第II组点，阈值的选择可以如公式(1)所示。参考点确定单元53根据分类单元52的分类结果，利用4次方器的计算结果，例如利用公式(2)，确定参考点。旋转单元54利用所述参考点，对第II组点(属于第二类的、经4次方后的各符号)进行旋转。根据一种实施方式，该旋转是根据第II组点中的各点与参考点的幅角差进行的，幅角差的计算以及符号如何旋转可以参照上文对步骤404的说明。相位估计单元55根据所述符号块中的属于第I、III组的点以及旋转后的属于第II组的点，进行相位估计(后文将进行说明)。

分类单元52也可以根据4次方之前的符号的幅值对该符号进行分类。图6示出依据本发明另一种实施方式的相位恢复装置。图6所示的相位恢复装置和图5所示的相位恢复装置基本相同，只是分类单元52在4次方器51对各符号求取4次方之前就对符号进行分类。

图7示出了相位估计单元55的示例性实施方式。如图7所示，依据一种实施方式，相位估计单元55可以包括平均器、取幅角器和解缠绕器。平均器用于计算所述第I、III组点和旋转后的第II组点的4次方值的平均。取幅角器用于将平均器所得的平均值取幅角后再除以4，arg( )表示取幅角运算。解缠绕器用于对取幅角器输出的角度值进行解缠绕(unwrap)。

图7示出的相位估计单元55只是示例性的，本发明也可以采用其它方式的相位估计装置。

图8示出了依据本发明一种实施方式的相干光接收机的结构，其中的相位恢复器801采用本发明各种实施方式的相位恢复器。图8所示的相干光接收机的结构只是示例性的，本发明的相位恢复器可以应用于其它形式的相干光接收机。

本发明以上的装置和方法可以由专门的硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件(如现场可编程门阵列、微芯片、CPU等)所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件的功能，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、闪存(flash memory)等。

以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明作出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于16QAM数据调制的相位恢复装置，该相位恢复装置包括：

4次方器，用于求取符号块中的各符号的4次方；

分类单元，用于按幅值对所述符号块中的各符号进行分类，从而将所述符号块中的各符号分入幅值较大或较小的第一类以及幅值处于中间的第二类；

参考点确定单元，利用所述符号块中的各符号的分类及所述符号块中的各符号的4次方值，确定参考点；

旋转单元，根据所述参考点，对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转；以及

相位估计单元，用于根据经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号以及经过旋转的、4次方后的所述符号块中的被分入所述第二类的各符号，进行相位估计。

2.根据权利要求1所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置，其特征在于，所述参考点确定单元如下地确定所述参考点：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号的和，即第一和；

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号的和，即第二和；

用所述第一和减去乘以一系数后的所述第二和，其中所述系数大于等于0且小于等于1。

3.根据权利要求2所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置，其中所述系数为0.5。

4.根据权利要求1所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置，其中所述旋转单元如下地对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号与所述参考点之间的幅角差；

如果所述幅角差在0到π之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转-α，α＝π-4×arctan(1/3)；

如果所述幅角差在-π到0之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转α。

5.一种数字相干光接收机，其特征在于，该数字相干光接收机包括权利要求1到4中任一项所述的用于16QAM数据调制的相位恢复装置。

6.一种用于16QAM数据调制的相位恢复方法，该相位恢复方法包括：

求4次方的步骤，用于求取符号块中的各符号的4次方；

分类步骤，用于按幅值对所述符号块中的各符号进行分类，从而将所述符号块中的各符号分入幅值较大或较小的第一类以及幅值处于中间的第二类；

参考点确定步骤，利用所述符号块中的各符号的分类及其4次方值，确定参考点；

旋转步骤，根据所述参考点，对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转；以及

相位估计步骤，用于根据经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号以及经过旋转的、4次方后的所述符号块中的被分入所述第二类的各符号，进行相位估计。

7.根据权利要求6所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其特征在于，所述参考点确定步骤如下地确定所述参考点：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第一类的各符号的和，即第一和；

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号的和，即第二和；

用所述第一和减去乘以一系数后的所述第二和，其中所述系数大于等于0且小于等于1。

8.根据权利要求7所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中所述系数为0.5。

9.根据权利要求6所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中所述旋转步骤如下地对经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号进行旋转：

确定经4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的各符号与所述参考点之间的幅角差；

如果所述幅角差在0到π之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转-α，α＝π-4×arctan(1/3)；

如果所述幅角差在-π到0之间，则将对应的、4次方后的、所述符号块中的被分入所述第二类的符号旋转α。

10.根据权利要求6所述的用于16QAM数据调制的相位恢复方法，其中所述分类步骤首先将4次方之后的各符号的幅值恢复为4次方之前的幅值，然后将各符号的恢复后的幅值与预定阈值T₁和T₃进行比较，如果所述恢复后的幅值在T₁和T₃之间，则分入所述第二类，否则分入所述第一类，

其中

T₁＝(R₁+R₂)/2    T₂＝(R₂+R₃)/2

R₁，R₂，R₃为理想16QAM星座点的幅值。

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