CN110365416B - 一种载波相位估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种载波相位估计方法和对应的载波相位估计装置，该载波相位估计方法包括：对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及所述第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭；将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号；对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内；对所述功率控制后的信号做M次方运算，所述M为4的正整数倍，得到M次方运算结果信号；对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理，得到第二级相位估计值。本申请实施例提供的载波相位估计方法和装置，在两级估计之间通过功率控制和M次方处理，可以消除第一级相位粗估的跳周影响，从而提升了相位估计性能。

Description

一种载波相位估计方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种载波相位估计方法及装置。

背景技术

随着移动互联网的需求日益增长，4K/8K视频、VR(Virtual Reality,虚拟现实)视频技术的不断发展成熟，运营商迫切需要提供更大容量的光传输网络以满足日益增长的用户需求。信号调制格式从QPSK(正交相移键控Quadrature Phase Shift Keyin)提升到8-QAM(8-Quadrature Amplitude Modulation,8-正交振幅调制)，16-QAM以及更高阶QAM，能提供更高的频谱效率，从而提升整个光纤网络容量，因此高阶QAM调制是提升网络传输速率的必然选择。然而高阶QAM必然导致星座图欧氏距离减小，对光载波的相位噪声容限降低。为了提升高阶QAM的相位噪声容限，需要更好的载波相位估计和补偿方法。

发明内容

本申请实施例提供一种载波相位估计方法和装置，用于提升相位估计的准确度。

第一方面，本申请实施例提供一种载波相位估计方法，该载波相位估计方法包括：对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及所述第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭；将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号；对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内；对所述功率控制后的信号做M次方运算，所述M为4的正整数倍，得到M次方运算结果信号；对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理，得到第二级相位估计值。

可选地，所述输入信号表示为X_k＝A_k·exp{j·(θ_k+φ_k)}+n_k，其中A_k和θ_k分别表示k时刻调制信号的幅度和相位，φ_k为待估计载波相位，n_k为信道噪声。

可选地，所述信号判决值的共轭表示为：

其中

为A_k的估计值，

为θ_k的估计值。

可选地，所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘得到的相乘结果信号表示为：

其中

为k时刻信号幅度与信号幅度估计值的乘积，k·π/2项为判决错误导致的90度整数倍相位旋转，n′_k为所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘后的噪声项。

可选地，对所述相乘结果信号进行功率控制后，所述功率控制后的信号表示为

其中v_k表示功率控制后的噪声项。

可选地，对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到的M次方运算结果信号表示为：

其中w_k是M次方运算结果信号的噪声项。

可选地，对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理包括：

对所述M次方运算结果信号进行滑窗滤除噪声，然后计算相位，得到第二级相位估计值

第二方面，本申请实施例提供一种载波相位估计装置，包括：第一级相位估计模块，第一乘法模块，功率控制模块，M次方模块，第二级相位估计模块，其中：

第一级相位估计模块，用于对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭；

第一乘法模块，用于将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号；

功率控制模块，用于对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内；

M次方模块，用于对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到M次方运算结果信号，所述M为4的正整数倍；

第二级相位估计模块，用于对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理，得到第二级相位估计值。

可选地，第一级相位估计模块，第一乘法模块，功率控制模块，M次方模块，第二级相位估计模块可以通过逻辑门电路实现。

可选地，所述载波相位估计装置还包括：

跳周检测模块，用于对第二级相位估计处理后的信号进行跳周检测，得到跳周估计值；

第二乘法模块，用于对通过第二级相位估计模块获得的第二级相位估计值与输入信号进行相乘，得到第二乘法信号；

跳周纠正模块，用于通过跳周检测模块输出的跳周估计值校正第二乘法信号，得到输出信号。

可选地，所述载波相位估计装置还包括：

第二乘法模块，用于对通过第二级相位估计模块获得的第二级相位估计值与输入信号进行相乘，得到第二乘法信号；

第二功率控制模块，用于对第二乘法模块306输出第二相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值为预设的固定值；

X次方模块，用于对第二乘法模块输入的信号进行X次方计算，得到X次方运算结果信号，所述X为4的正整数倍；

第三级相位估计模块，用于对所述X次方运算结果信号进行第三级相位估计处理，得到第三级相位估计值。

本申请实施例提供的载波相位估计方法和装置，在两级估计之间通过功率控制和M次方处理，可以消除第一级相位粗估的跳周影响，从而提升了相位估计性能。

附图说明

图1A为16QAM系统中的信号传输示意图；

图1B为本申请实施例提供的一种载波相位估计方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种载波相位估计装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种载波相位估计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1A为相关技术提供的16QAM系统中的信号传输示意图。如图1A所示，发送端设备将待传输的数据比特依次经过前向纠错(Forward Error Correction，FEC)编码、16QAM编码、软差分编码、数字模拟转换器(Digital to Analog Converter，DAC)以及光发射次模块(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)等处理(当然，还可以包括其它处理，本申请实施例中对此并不作限制)得到传输信号，并通过光纤信道进行传输。进一步地，接收端设备对接收到的传输信号依次经过光接收次模块(Receiver Optical Subassembly，ROSA)、模/数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)、相位恢复、软差分解码、16QAM解码以及FEC解码等处理(当然，还可以包括其它处理，本申请实施例中对此并不作限制)。

本申请实施例以16QAM编码举例，不排除其他编码类型。本申请实施例中涉及的接收端设备中的ROSA、ADC、软差分解码、16QAM解码以及FEC解码等处理的具体实现方式，可以参考相关技术中的实现方式，本申请实施例中对此并不作限制，本申请实施例主要涉及相位恢复中的载波相位估计。

本申请实施例提供一种载波相位估计方法，以图1B中所示的载波相位估计方法为例，包括如下步骤：

S101、对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及所述第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭；

S101的输入信号可以表示为X_k＝A_k·exp{j·(θ_k+φ_k)}+n_k，其中A_k和θ_k分别表示k时刻调制信号的幅度和相位，φ_k为待估计载波相位，n_k为信道噪声。所述信号判决值的共轭表示为：

其中

为A_k的估计值，

为θ_k的估计值。

S102、将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号；

所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘得到的相乘结果信号表示为：

其中

为信号幅度与信号幅度估计值的乘积，k·π/2项为判决错误导致的90度整数倍相位旋转，n′_k为所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘后的噪声项。

S103、对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内；

优选地，功率控制信号的幅度值可以为预设的固定值。对所述相乘结果信号进行功率控制后，所述功率控制后的信号可以表示为

其中v_k表示功率控制后的噪声项。

本申请实施例对功率控制的具体方法不做限定，可以基于第一级相位估计值所对应的信号判决值查表得到衰减系数，如果判决值对应的信号为外圈大功率信号，则衰减系数取较大的值，如果为内圈小功率信号，则衰减系数取较小的值，然后对相乘结果信号进行衰减。可以通过和一个预设的第一基准功率值比较来确定一个判决值对应的信号是外圈大功率信号还是内圈小功率信号，同时，可以设置一个比第一基准功率值更大的第二基准功率值，如果判决值对应的信号的功率值比第二基准功率值大时，可以可直接将判决值对应的信号置为0。通过对判决值对应的信号的功率进行控制，达到对相乘结果信号进行功率控制的目的。

S104、对所述功率控制后的信号做M次方运算，所述M为4的正整数倍，得到M次方运算结果信号；

对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到的M次方运算结果信号表示为：

其中w_k为4次方产生的新的噪声项。可以看到，在对功率控制后的信号做M次方运算后，90度整数倍的相位旋转被完全去除，因此提升了整体性能。

S105、对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理，得到第二级相位估计值；

对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理包括：

对所述M次方运算结果信号进行FIR滤波滤除噪声，然后计算相位，得到第二级相位估计值

在本申请实施例中，滤除噪声采用FIR滤波，FIR滤波公式为

其中p是FIR的滤波器阶数。具体的，可以通过滑窗滤波对M次方运算结果进行滤波以滤除噪声，滑窗本质上是FIR滤波的特例，是各抽头系数为1的FIR。第二级相位估计比第一级相位估计更精确，第二级相位估计处理会在信号中引入90度相位跳周，因此通常会在精确相位估计值以后对第二级相位估计处理后的信号进行跳周检测，并对该信号进行跳周纠正。

在对所述M次方运算结果信号进行FIR滤波滤除噪声，然后计算相位的时候，还可以包括对FIR滤波处理后的信号除以M次方。

S106、根据所述第二级相位估计值对所述输入信号进行相位恢复。

本申请实施例提出的的级联相位估计和恢复方法，在两级估计之间通过功率控制和M次方处理，可以消除第一级相位粗估的跳周影响，从而提升了相位估计性能。

图2是本申请实施例提供的一种载波相位估计装置，包括第一级相位估计模块201，第一乘法模块202，功率控制模块203，M次方模块204，第二级相位估计模块205，跳周检测模块206，第二乘法模块207，跳周纠正模块208。本申请实施例的第一级相位估计模块201，第一乘法模块202，功率控制模块203，M次方模块204，第二级相位估计模块205，跳周检测模块206，第二乘法模块207，跳周纠正模块208可以分别通过逻辑门电路实现。

第一级相位粗估模块201，用于对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及所述第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭。输入信号可以表示为X_k＝A_k·exp{j·(θ_k+φ_k)}+n_k，其中A_k和θ_k分别表示k时刻调制信号的幅度和相位，φ_k为待估计载波相位，n_k为信道噪声。所述信号判决值的共轭表示为：

第一乘法模块202，用于将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号。所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘得到的相乘结果信号表示为：

其中

为信号幅度与信号幅度估计值的乘积，k·π/2项为判决错误导致的90度整数倍相位旋转，n′_k为所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘后的噪声项。

功率控制模块203，用于对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值为预设的固定值。对所述相乘结果信号进行功率控制后，所述功率控制后的信号可以表示为

其中v_k表示功率控制后的噪声项。

本申请实施例对功率控制的具体方法不做限定，可以基于第一级相位估计值所对应的信号判决值查表得到衰减系数，如果判决值对应的信号为外圈大功率信号，则衰减系数取较大的值，如果为内圈小功率信号，则衰减系数取较小的值，然后对相乘结果信号进行衰减。可以通过和一个预设的第一基准功率值比较来确定一个判决值对应的信号是外圈大功率信号还是内圈小功率信号，同时，可以设置一个比第一基准功率值更大的第二基准功率值，如果判决值对应的信号的功率值比第二基准功率值大时，可以可直接将判决值对应的信号置为0。通过对判决值对应的信号的功率进行控制，达到对相乘结果信号进行功率控制的目的。

输入信号如果不进行功率控制，则后续M次方过后，幅度差异被放大，大的更大，小的更小，因此需要对共轭乘结果进行功率限制，降低信号的峰均比。

M次方模块204，用于对信号进行M次方计算，以4次方为例，这时信号表示为对所述功率控制后的信号做M次方运算，所述M为4的正整数倍，得到M次方运算结果信号。

对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到的M次方运算结果信号表示为：

其中w_k为M次方运算结果信号的噪声项。可以看到，在对功率控制后的信号做M次方运算后，90度整数倍的相位旋转被完全去除，因此提升了整体性能。

第二级相位估计模块205，用于对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理，得到第二级相位估计值。

对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理包括：

对所述M次方运算结果信号通过滑窗模块2051进行滑窗滤除噪声，然后通过相位计算模块2052计算相位，得到第二级相位估计值

滤除噪声可以采用FIR滤波，FIR滤波公式为

其中p是FIR的滤波器阶数。滑窗本质上是FIR滤波的特例，是各抽头系数为1的FIR。第二级相位估计比第一级相位估计更精确，第二级相位估计处理会在信号中引入90度相位跳周，因此本申请实施例提供的载波相位估计装置还可以包括对第二级相位估计处理后的信号进行跳周检测的跳周检测模块206，得到跳周估计值。本申请实施例通过第二级相位估计模块205获得的第二级相位估计值与输入信号通过第二乘法模块207相乘后，得到第二乘法信号，跳周检测模块206输出的跳周估计值可以用来通过跳周纠正模块208校正第二乘法信号，最终得到输出信号。

图3是本申请实施例提供的一种载波相位估计装置，包括第一级相位估计模块301，第一乘法模块302，第一功率控制模块303，第一M次方模块304，第二级相位估计模块305，第二乘法模块306，第二功率控制模块307，第二M次方模块308，第三级相位估计模块309，第三乘法模块310。

本申请实施例的第一级相位估计模块301，第一乘法模块302，第一功率控制模块303，第一M次方模块304，第二级相位估计模块305，第二乘法模块306，第二功率控制模块307，第二M次方模块308，第三级相位估计模块309，第三乘法模块310可以分别通过逻辑门电路实现。

第一级相位粗估模块301，用于对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭。输入信号可以表示为X_k＝A_k·exp{j·(θ_k+φ_k)}+n_k，其中A_k和θ_k分别表示k时刻调制信号的幅度和相位，φ_k为待估计载波相位，n_k为信道噪声。所述信号判决值的共轭表示为：

第一乘法模块302，用于将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号。所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘得到的相乘结果信号表示为：

其中

为信号幅度与信号幅度估计值的乘积，k·π/2项为判决错误导致的90度整数倍相位旋转，n′_k为所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘后的噪声项。

第一功率控制模块303，用于对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内。优选地，功率控制后的信号的幅度值为预设的固定值。

对所述相乘结果信号进行功率控制后，所述功率控制后的信号可以表示为

其中v_k表示功率控制后的噪声项。

本申请实施例对功率控制的具体方法不做限定，可以基于第一级相位估计值所对应的信号判决值查表得到衰减系数，如果判决值对应的信号为外圈大功率信号，则衰减系数取较大的值，如果为内圈小功率信号，则衰减系数取较小的值，然后对相乘结果信号进行衰减。可以通过和一个预设的第一基准功率值比较来确定一个判决值对应的信号是外圈大功率信号还是内圈小功率信号，同时，可以设置一个比第一基准功率值更大的第二基准功率值，如果判决值对应的信号的功率值比第二基准功率值大时，可以可直接将判决值对应的信号置为0。通过对判决值对应的信号的功率进行控制，达到对相乘结果信号进行功率控制的目的。

输入信号如果不进行功率控制，则后续M次方过后，幅度差异被放大，大的更大，小的更小，因此需要对共轭乘结果进行功率限制，降低信号的峰均比。

M次方模块304，用于对信号进行M次方计算，这时信号表示为对所述功率控制后的信号做M次方运算，所述M为4的正整数倍，得到M次方运算结果信号。

对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到的M次方运算结果信号表示为：

其中w_k为M次方运算结果信号的噪声项。可以看到，在对功率控制后的信号做M次方运算后，90度整数倍的相位旋转被完全去除，因此提升了整体性能。

第二级相位估计模块305，用于对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理，得到第二级相位估计值。

对所述M次方运算结果信号进行第二级相位估计处理包括：

对所述M次方运算结果信号进行滑窗滤除噪声，然后计算相位，得到第二级相位估计值

滤除噪声可以采用FIR滤波，FIR滤波公式为

其中p是FIR的滤波器阶数。滑窗本质上是FIR滤波的特例，是各抽头系数为1的FIR。

第二级相位估计模块305输出的相位估计值与输入信号通过第二乘法模块306相乘，输入第二功率控制模块307，第二功率控制模块用于对第二乘法模块306输出的相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内。优选地，功率控制后的信号的幅度值为预设的固定值。

X次方模块，用于对第二乘法模块306输入的信号进行X次方计算，这时信号表示为对所述功率控制后的信号做X次方运算，所述X为4的正整数倍，得到X次方运算结果信号。

第三级相位估计模块309，用于对所述X次方运算结果信号进行第三级相位估计处理，得到第三级相位估计值。

对所述X次方运算结果信号进行第三级相位估计处理包括：

对所述X次方运算结果信号进行滑窗滤除噪声，然后计算相位，得到第三级相位估计值

滤除噪声可以采用FIR滤波，FIR滤波公式为

其中p是FIR的滤波器阶数。滑窗本质上是FIR滤波的特例，是各抽头系数为1的FIR。

第三级相位估计模块309输出的相位估计值与输入信号通过第三乘法模块310相乘，得到输出信号。

本申请实施例提供的的载波相位估计装置，在两级估计之间通过功率控制和M次方处理，可以消除第一级相位粗估的跳周影响，从而提升了相位估计性能。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一计算机可读存储介质中，例如只读存储器(简称ROM)、随机存取存储器(简称RAM)、磁盘、光盘等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种载波相位估计方法，其特征在于，包括：

对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及所述第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭；

将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号；

对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内；

对所述功率控制后的信号做M次方运算，所述M为4的正整数倍，得到M次方运算结果信号；

对所述M次方运算结果信号进行滑窗滤除噪声，计算相位得到第二级相位估计值

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述输入信号表示为X_k＝A_k·exp{j·(θ_k+φ_k)}+n_k，其中A_k和θ_k分别表示k时刻调制信号的幅度和相位，φ_k为待估计载波相位，n_k为信道噪声。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述信号判决值的共轭表示为：

其中

为A_k的估计值，

为θ_k的估计值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘得到的相乘结果信号表示为：

其中

为k时刻信号幅度与信号幅度估计值的乘积，k·π/2项为判决错误导致的90度整数倍相位旋转，n′_k为所述输入信号和所述信号判决值的共轭相乘后的噪声项。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述相乘结果信号进行功率控制后，所述功率控制后的信号表示为

其中v_k表示功率控制后的噪声项。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到的M次方运算结果信号表示为：

其中w_k是M次方运算结果信号的噪声项。

7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述第二级相位估计值对所述输入信号进行相位恢复。

8.如权利要求1-6中任一权利要求所述的方法,其特征在于,对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内包括：

对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值为预设的固定值。

9.一种载波相位估计装置，其特征在于，包括第一级相位估计模块，第一乘法模块，功率控制模块，M次方模块，第二级相位估计模块，其中：

所述第一级相位估计模块，用于对输入信号进行第一级相位估计处理，得到第一级相位估计值，以及第一级相位估计值所对应的信号判决值的共轭；

所述第一乘法模块，用于将输入信号与所述信号判决值的共轭相乘，得到相乘结果信号；

所述功率控制模块，用于对所述相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值在预设的范围内；

所述M次方模块，用于对所述功率控制后的信号做M次方运算，得到M次方运算结果信号，所述M为4的正整数倍；

所述第二级相位估计模块，用于对所述M次方运算结果信号进行滑窗滤除噪声，计算相位得到第二级相位估计值

10.如权利要求9所述的载波相位估计装置，其特征在于，所述载波相位估计装置还包括：

跳周检测模块，用于对第二级相位估计处理后的信号进行跳周检测，得到跳周估计值；

第二乘法模块，用于对通过第二级相位估计模块获得的第二级相位估计值与输入信号进行相乘，得到第二乘法信号；

跳周纠正模块，用于通过跳周检测模块输出的跳周估计值校正第二乘法信号，得到输出信号。

11.如权利要求9所述的载波相位估计装置，还包括：

第二乘法模块，用于对通过第二级相位估计模块获得的第二级相位估计值与输入信号进行相乘，得到第二乘法信号；

第二功率控制模块，用于对第二乘法模块306输出第二相乘结果信号进行功率控制，使功率控制后的信号的幅度值为预设的固定值；

X次方模块，用于对第二乘法模块输入的信号进行X次方计算，得到X次方运算结果信号，所述X为4的正整数倍；

第三级相位估计模块，用于对所述X次方运算结果信号进行第三级相位估计处理，得到第三级相位估计值。

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