CN105099978B - 一种用于移除相位调制信息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于相干通信系统中,移除相位调制信息的数字信号处理(DSP)方法，解决目前采用传统M次方法复杂度高的问题。在相干通信系统中，在做频偏估计和相位估计之前一般需要去除相位调制信息，传统的方法为M次方法，即对接收到的复数信号作M次幂操作。但该方法需要多次复数乘法，复杂度高。本发明提出了一种方法，采用实数的绝对值操作来实现对相位的M倍操作。首先将接收到的复数信号分为实部信号和虚部信号，然后分别对实部信号和虚部信号作加减运算和绝对值运算，最后再将运算的结果构成复数信号，就实现了相位中调制信息的移除。该方法复杂度低，适用于所有调制格式的相干通信系统。

Description

一种用于移除相位调制信息的方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种用于移除相位调制信息的方法。
背景技术
随着数字信号处理(digital signal processing，DSP)技术的发展，具有高阶调制格式的相干通信系统可以实现非常高的频谱利用率。数字信号处理技术主要是在相干通信系统中的接收端，对接收到的信号进行模数转换，变为数字信号，然后采用各种算法对得到的数字信号作一定的处理，恢复出原始发射信号。其中，频偏估计算法是对本地载波与发射端载波的频率之差做出估计，然后进行补偿；相位估计是对接收信号的相位噪声进行估计并移除。在相干通信系统中，经典的频偏估计算法主要有两类，第一类是相位差法，即对相邻符号点作相位差，并取其均值，来得到频偏估计值；第二类是基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)法，即搜寻频谱的最大值，来得到频偏估计值。其他算法主要是在这两类算法的基础上做进一步改进得到的。
在做频偏估计和相位估计之前，一般都需要对相位调制信息进行移除。传统的方法是采用M次方法，即对接收到的复数信号作M次幂运算，来实现对信号幅角的M倍操作，利用幅角的2pi周期性去除相位调制信息。然而，这种对复数的M次幂操作复杂度高，对每个符号点都至少需要进行4log2(M)次的实数乘法，尤其是对于高阶调制格式的信号，其复杂度非常高。
发明内容
本发明提供了一种用于移除相位调制信息的方法，用于具有多进制正交幅度(M-aryquadrature amplitude modulation，MQAM)和多进制相移键控(M-ary phase-shiftkeying，MPSK)调制格式的相干通信系统，以降低M次方运算带来的复杂度。其主要步骤包括：
(1)对接收到的长度为N的复数信号Sk,(k＝1,2…N)，取其实部和虚部，得到：X＝real(Sk)和Y＝imag(Sk)。
(2)用实部的绝对值减去虚部的绝对值，并乘以系数得到：其中，乘以的目的是平衡幅值，使I1的幅值与下面Q1的幅值相等。
(3)用实部加上虚部，并取模值，得|X+Y|；用实部减去虚部，并取模值，得|X-Y|；然后作差，得到：Q1＝|X+Y|-|X-Y|。
(4)重新构成复数的形式为：S2,k＝I1+jQ1，该过程实现了对接收复数信号幅角的二倍操作，也即对于二进制相移键控(binary phase shift keying，BPSK)信号，实现了移除相位调制信息。
(5)若对接收复数信号的幅角做四倍操作，则在上述所得的结果上，需继续做如下计算：I2＝|I1|-|Q1|，Q2＝|I1+Q1|-|I1-Q1|，则得到四倍幅角操作的复数信号为：S4,k＝I2+jQ2，也即对于正交相移键控(quadrature phase shift keying，QPSK)信号，实现了移除相位调制信息。
(6)以此类推，对于接收复数信号的幅角作M倍操作，有：IM＝|IM/2|-|QM/2|，QM＝|IM/2+QM/2|-|IM/2-QM/2|，则得到复数信号幅角的M倍操作结果：SM,k＝IM/2+jQM/2，也即对于MPSK信号，实现了移除相位调制信息。
需要说明的是，本方法只在实现二倍幅角操作时，需要与做一次相乘运算，在后面的操作中都不需要做相乘运算。对于MQAM信号，和传统的M次方运算类似，本发明只需要做到四倍幅角操作即可，剩余的幅角信息可以视为噪声。
在DSP中，对实数的绝对值操作非常简单。符号位上“0”代表正数，“1”代表负数。对实数的绝对值操作，只需要将符号位上的“1”值全部置零即可。操作中只需要简单的逻辑运算，不需要复杂的乘法运算。
本方法主要用到了实数的绝对值运算，只用到了一次实数乘法运算，所以与M次方法相比，复杂度被降低了。
附图说明
图1为本发明用于移除相位调制信息的方法对于MPSK信号的流程示意图；
图2为本发明用于移除相位调制信息的方法对于MQAM或QPSK信号的流程示意图；
图3展示了在20-Gbaud QPSK相干光通信系统下，本发明和M次方法分别用于频偏估计算法中的归一化均方误差与信噪比(SNR)的关系曲线图；
图4展示了在20-Gbaud QPSK相干光通信系统下，将本发明和M次方法分别用于频偏估计算法中所得频偏估计范围对比图；
图5展示了在20-Gbaud 8PSK相干光通信系统下，本发明和M次方法分别用于频偏估计算法中的归一化均方误差与SNR的关系曲线图；
图6展示了在20-Gbaud 8PSK相干光通信系统下，本发明和M次方法分别用于频偏估计算法中的所得频偏估计范围对比图；
图7展示了在20-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，将本发明和M次方法分别用于频偏估计算法中的归一化均方误差与SNR的关系曲线图；
图8展示了在20-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，将本发明和M次方法分别用于频偏估计算法中的所得频偏估计范围对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
具体地，如图1所示，为本发明对于MPSK信号用于移除相位调制信息的方法流程图，包括以下几个步骤：
(1)对接收到的长度为N的复数信号Sk,(k＝1,2…N)，分别取其实部X和虚部Y；
(2)用实部的绝对值减去虚部的绝对值，并乘以系数得到：
(3)用实部加上虚部，并取模值，即|X+Y|；用实部减去虚部，并取模值，即|X-Y|；然后作差，得到：Q1＝|X+Y|-|X-Y|；
(4)对于MPSK信号的移除相位调制信息的结果的复数形式为：SM,k＝IM/2+jQM/2，其中IM＝|IM/2|-|QM/2|，QM＝|IM/2+QM/2|-|IM/2-QM/2|，M为2的整数次幂。
如图2所示，为MQAM信号或QPSK信号用于移除相位调制信息的方法流程图，其移除相位调制信息的复数结果均表示为：S4,k＝I2+jQ2。
图3是实施例中本发明和M次方法在20-Gbaud QPSK相干光通信系统下，分别用于频偏估计算法中的比较图。仿真时，激光器线宽设为100kHz，频偏值从[-2.4GHz,2.4GHz]范围内随机选取，每个SNR都进行了2000次仿真，总符号点长度为N＝1024。由图可以看出，在QPSK相干光通信系统中，本发明可以实现频偏估计中对相位调制信息的移除，而且其效果还优于M次方法。
图4是实施例中本发明和M次方法在20-Gbaud QPSK相干光通信系统下，分别用于频偏估计算法中所得频偏估计范围对比图。仿真中，信噪比为10dB，总的符号点个数为N＝1024，每个频偏值都进行了2000次仿真。由图可以看出，在QPSK相干光通信系统中，本发明适用于[-2.4GHz,2.4GHz]范围内的所有频偏估计。
图5是实施例中本发明和M次方法在20-Gbaud 8PSK相干光通信系统下，分别用于频偏估计算法中的归一化均方误差与SNR的关系曲线图。仿真时，激光器线宽设为100kHz，频偏值从[-1.2GHz,1.2GHz]范围内随机选取，每个SNR都进行了2000次仿真，总符号点长度为N＝2048。由图可以看出，在8PSK相干光通信系统中，本发明可以实现频偏估计中对相位调制信息的移除，而且其效果还优于M次方法。
图6是实施例中本发明和M次方法在20-Gbaud 8PSK相干光通信系统下，分别用于频偏估计算法中的所得频偏估计范围对比图。仿真中，信噪比为12dB，总的符号点个数为N＝2048，每个频偏值都进行了2000次仿真。由图可以看出，在8PSK相干光通信系统中，在同一频偏值的情况下，本发明的性能不亚于M次方法。
图7是实施例中本发明和M次方法在20-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，分别用于频偏估计算法中的归一化均方误差与SNR的关系曲线图。仿真时，激光器线宽设为100kHz，频偏值从[-2.4GHz,2.4GHz]范围内随机选取，每个SNR都进行了2000次仿真，总符号点长度为N＝2048。由图可以看出，在16QAM相干光通信系统中，本发明可以实现频偏估计中对相位调制信息的近似移除，其估计精度和M次方法相同，只是SNR门限比M次方法高了1dB。
图8是实施例中本发明和M次方法在20-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，分别用于频偏估计算法中的所得频偏估计范围对比图。仿真中，信噪比为10dB，总的符号点个数为N＝2048，每个频偏值都进行了2000次仿真。由图可以看出，在16QAM相干光通信系统中同一频偏值的情况下，本发明的性能和M次方法相同，都可以实现[-2.4GHz,2.4GHz]范围内的频偏估计。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于移除相位调制信息的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对接收到的复数信号Sk，分别取其实部X和虚部Y，k为信号的序号；
(2)用实部的绝对值减去虚部的绝对值，并乘以系数得到：
(3)用实部加上虚部，并取模值，即|X+Y|；用实部减去虚部，并取模值，即|X-Y|；然后将两个模值结果作差值，得到：Q1＝|X+Y|-|X-Y|；
(4)对于MPSK信号的移除相位调制信息的结果的复数形式为：SM,k＝IM/2+jQM/2，其中IM＝|IM/2|-|QM/2|，QM＝|IM/2+QM/2|-|IM/2-QM/2|，M为2的整数次幂。
2.如权利要求1所述的移除相位调制信息方法，其特征在于，BPSK信号的移除相位调制信息的结果的复数形式为S2,k＝I1+jQ1。
3.如权利要求1所述的移除相位调制信息方法，其特征在于，MQAM信号或QPSK信号的移除相位调制信息的结果的复数形式为S4,k＝I2+jQ2，其中I2＝|I1|-|Q1|，Q2＝|I1+Q1|-|I1-Q1|。
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