CN103036830B - 一种自适应的载波相位估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

Description

一种自适应的载波相位估计方法及系统

技术领域

本发明涉及载波相位估计领域，具体来讲是一种自适应的载波相位估计方法及系统。

背景技术

在高速相干光通信系统中，由于激光器相位噪声、链路中非线性因素等带来的相位噪声，已成为通信系统的主要干扰之一。基于DSP的相位估计算法可在接收端恢复接收信号的相位，通过数字处理算法减小相位噪声对传输性能的影响，是目前高速相干光通信系统的重要研究内容之一。由于相位噪声的波动变化迅速，基于接收的信号只能估计出历史相位偏转，已有的各种相位估计算法通常需要对多个相位估计结果进行平均，以避免估计相位的过度波动。以基于M-th Power算法的QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)编码相位估计为例，其相位估计结构如图1所示：包括4次方乘法器101、缓存队列102(T_s)、加法器103、求幅角计算单元104和乘法器105，基于QPSK编码中各星座点幅值相同，相位为的特点，所有数据在4次方后角度都应落在x轴负半轴上，若接收到的数据点x_k在4次方后幅角指向π+φ，则可知x_k实际相位为相位偏差为采样符号进行4次方后，取L个周期的接收数据进行平均，则第i个周期的估计相位为数据缓存长度L是此公式中唯一的参数，受OSNR(Optical Signal Noise Ratio光信噪比)、相位噪声、相位偏转等因素的影响，参数L的最优值存在变化。在低OSNR和低相位噪声条件下，L较大会更好；而在高OSNR、相位噪声严重条件下，L较短更好。实验研究了在非线性效应(入纤功率)增加的情况下，OSNR降低使得BER(bit error ratio，误码率)从10^-3增至10^-2，L最优值的从10变至2。可见在不同传输条件下，需要相应的调节L来取得最优传输性能。

已有研究发现了调整缓存队列长度L对相位估计性能的改善作用，直观的判决方法是寻找L，使得星座图的星云分布更紧凑，当星座点的分布更接近圆形时可认为此时L最优。对于所有对应同一星座点的接收符号A为例，星座点分布的紧凑程度可根据来判断，当取值最小时星座点最紧凑。其中，σ²代表求接收信号的方差，E代表求平均值。

显然，根据上述公式寻找最优L需要对信号的幅值和幅角进行大量的统计运算，过程繁琐且乘法运算量太大，并不适合实际应用。因此，针对相位纠错算法的上述问题，需要寻找更简单的方法确定最优的L，从而自适应的调整相位估计算法的系统参数。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自适应的载波相位估计方法及系统，基于M-PSK(M phase shift keying，M阶相移键控)调制格式，寻找最优的队列缓存取值长度L_opt，进而在接收端自适应的调整参数进行载波相位估计，硬件实现结构简单，运算量小，有利于提高系统传输性能。

为达到以上目的，本发明提供一种自适应的载波相位估计方法，包括如下步骤：S1.对第k个时刻的接收符号x_k进行M次方运算得到结果其中M为相移键控的调制阶数，将结果送入缓存并求第三幅角α_k；S2.从缓存中取L_opt个结果进行求和，得到总和对应的第一幅角其中L_opt为缓存队列的最优取值个数；同时从缓存中取L_scan个结果求和，得到总和对应的第二幅角L_scan为缓存队列的扫描取值个数；S3.统计满足的接收符号的个数，其中β为判决信号相位是否收敛的阀值；S4.重复步骤S1至S3，直至接收符号总数达到sum个，其中sum的范围是1000以上，进入S5；S5.计算S3中满足条件的接收符号的统计个数与S4中全部接收符号总数的比值η_Lsacn，缓存该比值η_Lsacn及其对应的扫描取值个数L_scan，将扫描取值个数L_scan减1后，进入S6；S6.重复步骤S1至S5，直至扫描取值个数L_scan降到2；S7.在S5比值η_Lsacn的缓存队列中，找出缓存队列的最大值及其对应的扫描取值个数L_scan值，并以L_scan值作为新的最优取值个数L_opt值；根据新的最优取值个数L_opt值调整缓存队列的最优取值个数；S8.扫描取值个数L_scan复原到最大值，重复步骤S1至S7。

在上述技术方案的基础上，所述S2中，第一幅角乘以1/M后，得到接收信号的相位估计值φ_est。

在上述技术方案的基础上，所述S3中，β角度的取值范围为[π/4,π/3]。

在上述技术方案的基础上，所述缓存队列的扫描取值个数L_scan和最优取值个数L_opt的取值范围为2至缓存队列的物理长度L_max，扫描取值个数L_scan和最优取值个数L_opt的初始取值都等于所述物理长度L_max；所述物理长度L_max经验取值为15。

在上述技术方案的基础上，所述S1至S6中，最优取值个数L_opt值是上一轮S1至S8循环过程中自适应运算的结果；扫描取值个数L_scan持续递减，并重复步骤S1至S6扫描从缓存队列的物理长度L_max到2的各种取值。

本发明还提供一种自适应的载波相位估计系统，包括3个乘法器、3个加法器、3个幅角计算单元、2个缓存队列、计数器和统计单元，第一乘法器对接收符号进行M次方运算，结果分别输入第一缓存队列和第三幅角计算单元；第二加法器从第一缓存队列取L_scan个结果进行求和，并送入第二幅角计算单元，L_scan为缓存队列的扫描取值个数；第三加法器接收第二幅角计算单元求得的第二幅角及第三幅角计算单元求得的第三幅角α_k，计算计数器统计的符号个数，并将统计值送入第三乘法器；第三乘法器计算满足条件的符号个数与接收符号总数的比值η_Lsacn及其对应的扫描取值个数L_scan，二者均存入第二缓存队列后，再将取值扫描个数L_scan减1；统计单元找出第二缓存队列中所有比值η_Lsacn中最大的一个及其对应的扫描取值个数L_scan，该扫描取值个数L_scan值作为新的最优取值个数L_opt值，用于调整缓存队列的最优取值个数；第一加法器连接第一缓存队列和第一幅角计算器，第一幅角计算器连接第二乘法器。

在上述技术方案的基础上，所述第一加法器按上一轮计算得出的最优取值个数L_opt，从第一缓存队列中取值进行求和计算，第一幅角计算器计算求和结果对应的第一幅角第二乘法器将第一幅角乘以1/M后，输出相位估计值φ_est。

本发明的有益效果在于：可应用于自适应的调整相位估计算法的系统参数，能自适应的寻找并调整相位估计算法的系统参数，达到最优的相位估计效果，提高传输性能。同时，本发明自适应的载波相位估计系统，其硬件实现简单，耗费资源少，利用于实用。

附图说明

图1为背景技术中相位估计结构图；

图2为本发明实施例自适应的载波相位估计方法的流程图；

图3为本发明实施例自适应的载波相位估计系统示意图。

附图标记：

第一乘法器1，第一缓存队列2，第一加法器3，第二加法器4，第一幅角计算器5，第二幅角计算器6，第二乘法器7，第三幅角计算器8，第三加法器9，计数器10，第三乘法器11，第二缓存队列12，统计单元13。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明自适应的载波相位估计方法，包括如下步骤：

S1.对第k个时刻的接收符号x_k进行M次方运算，得出结果其中M为M-PSK的调制阶数，将结果送入缓存并求第三幅角α_k。

S2.在缓存中取分别取L_scan和L_opt个结果进行求和，其中L_scan为缓存队列的扫描取值个数，并取求和后所对应的第二幅角L_opt为缓存队列的最优取值个数，并取求和后所对应的第一幅角将第一幅角乘以1/M后，得到接收信号的相位估计值φ_est。

S3.比较此时第二幅角和第三幅角α_k的值，统计满足的接收符号的个数count，即统计个数count，其中β为判决信号相位是否收敛的阀值，取值范围为[π/4,π/3]。

S4.判断接收符号总数是否达到sum个，其中sum的范围是1000以上；若是，进入S5；若否，重复步骤S1至S3。

S5.计算S3中满足条件的接收符号的统计个数count与全部接收符号总数sum的比值η_Lsacn，缓存该比值η_Lsacn及其对应的扫描取值个数L_scan值，将扫描取值个数L_scan值减1后，进入S6。

S6.重复步骤S1至S5，判断该扫描取值个数L_scan值是否降到最小值2，若是，进入S7；若否，进入S1。

S7.在S5比值η_Lsacn的缓存队列中，找出缓存队列的最大值及其对应的扫描取值个数L_scan值，并以L_scan值作为新的最优取值个数L_opt值；根据新的最优取值个数L_opt值L_opt调整缓存队列的最优取值个数。

S8.扫描取值个数L_scan复原到最大值，重复步骤S1至S7。

在上述步骤中，所述缓存队列的扫描取值个数L_scan和最优取值个数L_opt的取值范围为2至缓存队列的物理长度L_max，扫描取值个数L_scan和最优取值个数L_opt的初始取值都等于所述物理长度L_max；物理长度L_max经验取值为15。步骤S1至S6中，最优取值个数L_opt值是上一轮S1至S8循环过程中自适应运算的结果；扫描取值个数L_scan持续递减，并重复步骤S1至S6扫描从缓存队列的物理长度L_max到2的各种取值。

如图3所示，本发明自适应的载波相位估计系统包括3个乘法器、3个加法器、3个幅角计算单元、2个缓存队列、计数器和统计单元。第一乘法器1连接第一缓存队列2，第一缓存队列2分别连接第一加法器3和第二加法器4，第一加法器3依次连接第一幅角计算器5、第二乘法器7；第二加法器4连接第二幅角计算器6，第二幅角计算器6连接第三加法器9，第三加法器9分别连接第三幅角计算器8和计数器10，第三幅角计算器8连接第一乘法器1，计数器依次连接第三乘法器11、第二缓存队列12和统计单元13，统计单元13还连接第一缓存队列2。

第一乘法器1为M次方乘法器，其中M为M-PSK的调制阶数，对接收符号x_k进行M次方运算，运算结果输入第一缓存队列2和第三幅角计算器8。第一缓存队列2对结果进行缓存，内容被读取至第一加法器3和第二加法器4中，第一缓存队列2的物理长度为L_max。

第二加法器4从第一缓存队列2最近缓存的历史结果中，取L_scan个结果进行求和运算，得到求和结果送入第二幅角计算器6，其中L_scan为算法对第一缓存队列2的扫描取值个数。第二幅角计算器6得出结果的第二幅角并将第二幅角送入第三加法器9。同时，第三幅角计算器8得到将接收信号x_k取M次方后的第三幅角α_k，也输入第三加法器9。第三加法器9计算第三幅角α_k减去第二幅角并将结果输入计数器10。计数器10统计接收符号中的符号个数count，即统计个数count；β为判决信号相位是否收敛的阀值，取值范围为[π/4,π/3]；当接收共计sum个接收符号后，将统计个数count送入第三乘法器11，计数重新开始，其中sum的范围是1000以上。第三乘法器11计算统计个数count与接受符号sum的比值η_Lsacn，比值η_Lsacn衡量缓存长度为扫描取值个数L_scan时星座点分布的紧凑程度，将结果送入第二缓存队列12。第二缓存队列12缓存在取值范围[2,L_max]内的扫描取值个数L_scan及其对应的不同比值η_Lsacn。统计单元13查找第二缓存队列12中η_Lsacn的最大值及其对应的扫描取值个数L_scan，将此扫描取值个数L_scan作为本轮自适应计算得出的最优缓存队列长度取值长度L_opt，输出到第一加法器3中，下一轮自适应计算中第一加法器3将从第一缓存队列2中读取L_opt个值。

第一加法器3按上一轮计算得出的最优取值个数，从第一缓存队列2中取L_opt个结果进行求和运算，得到求和结果送入第一幅角计算器5，其中L_opt为系统确定的缓存队列的最优取值个数，初始值为L_max。第一幅角计算器5计算求和结果对应的第一幅角并送入第二乘法器7；第二乘法器7将第一幅角乘以1/M，输出角度φ_est，φ_est为接收信号的相位估计值，即为待纠偏相位。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种自适应的载波相位估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对第k个时刻的接收符号x_k进行M次方运算得到结果其中M为相移键控的调制阶数，将结果送入缓存并求第三幅角α_k；

S2.从缓存中取L_opt个结果进行求和，得到总和对应的第一幅角其中L_opt为缓存队列的最优取值个数；同时从缓存中取L_scan个结果求和，得到总和对应的第二幅角L_scan为缓存队列的扫描取值个数；

S3.统计满足的接收符号的个数，其中β为判决信号相位是否收敛的阀值；

S4.重复步骤S1至S3，直至接收符号总数达到sum个，其中sum的范围是1000以上，进入S5；

S5.计算S3中满足条件的接收符号的统计个数与S4中全部接收符号总数的比值η_Lsacn，缓存该比值η_Lsacn及其对应的扫描取值个数L_scan，将扫描取值个数L_scan减1后，进入S6；

S6.重复步骤S1至S5，直至扫描取值个数L_scan降到2；

S7.在S5比值η_Lsacn的缓存队列中，找出缓存队列的最大值及其对应的扫描取值个数L_scan值，并以L_scan值作为新的最优取值个数L_opt值，根据新的最优取值个数L_opt值调整缓存队列的最优取值个数；

S8.扫描取值个数L_scan复原到最大值，重复步骤S1至S7。

2.如权利要求1所述的自适应的载波相位估计方法，其特征在于：所述S2中，第一幅角乘以1/M后，得到接收信号的相位估计值φ_est。

3.如权利要求1所述的自适应的载波相位估计方法，其特征在于：所述S3中，β角度的取值范围为[π/4,π/3]。

4.如权利要求1所述的自适应的载波相位估计方法，其特征在于：所述缓存队列的扫描取值个数L_scan和最优取值个数L_opt的取值范围为2至缓存队列的物理长度L_max，扫描取值个数L_scan和最优取值个数L_opt的初始取值都等于所述物理长度L_max；所述物理长度L_max经验取值为15。

5.如权利要求4所述的自适应的载波相位估计方法，其特征在于：所述S1至S6中，最优取值个数L_opt值是上一轮S1至S8循环过程中自适应运算的结果；扫描取值个数L_scan持续递减，并重复步骤S1至S6扫描从缓存队列的物理长度L_max到2的各种取值。

6.一种基于权利要求1方法的自适应的载波相位估计系统，其特征在于：包括3个乘法器、3个加法器、3个幅角计算单元、2个缓存队列、计数器和统计单元，第一乘法器对接收符号进行M次方运算，结果分别输入第一缓存队列和第三幅角计算单元；第二加法器从第一缓存队列取L_scan个结果进行求和，并送入第二幅角计算单元，L_scan为缓存队列的扫描取值个数；第三加法器接收第二幅角计算单元求得的第二幅角及第三幅角计算单元求得的第三幅角α_k，计算计数器统计的符号个数，并将统计值送入第三乘法器；第三乘法器计算满足条件的符号个数与接收符号总数的比值η_Lsacn及其对应的扫描取值个数L_scan，二者均存入第二缓存队列后，再将取值扫描个数L_scan减1；统计单元找出第二缓存队列中所有比值η_Lsacn中最大的一个及其对应的扫描取值个数L_scan，该扫描取值个数L_scan值作为新的最优取值个数L_opt值，用于调整缓存队列的最优取值个数；第一加法器连接第一缓存队列和第一幅角计算器，第一幅角计算器连接第二乘法器。

7.如权利要求6所述的自适应的载波相位估计系统，其特征在于：所述第一加法器按上一轮计算得出的最优取值个数L_opt，从第一缓存队列中取值进行求和计算，第一幅角计算器计算求和结果对应的第一幅角第二乘法器将第一幅角乘以1/M后，输出相位估计值φ_est。