CN112260980A - 一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统及其实现方法 - Google Patents

一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统及其实现方法，包括用于控制所有计算模块和存储模块的核心控制模块；用于存储计算出的导频相位角和调制后信号的初始相位角结果数据的存取模块；用于计算定点复数信号的相位角结果的计算模块；以及运用导频点的相位角信息进行均值计算，并对调制后信号的初始相位角结果进行超前相位噪声补偿的超前预测相位噪声补偿模块。本发明在硬件上采用超前预测相位噪声的方式对调制信号的相位进行相位补偿，确保通信硬件实现中的性能和精度要求，降低硬件资源消耗，降低硬件的功耗，全流水地执行硬件计算，能够符合通信系统中的传输特征，适合各个场景下的通信系统中硬件实现相位噪声补偿过程。

Description

一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统及其实现 方法
技术领域
本发明涉及一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统及其实现方法，涉及通信领域。
背景技术
随着信息时代的到来，人们对于信息数据的带宽及传输速度的不断提升，近年来，光纤通信技术得到了快速发展。这种以光纤作为介质，光波为载波的通信方式，从诞生至今，便是能够满足网络带宽增长的主流技术手段，且在未来仍有良好的发展及应用前景。数字通信系统中，传输信号常常会在信道中受到损伤和噪声的影响而产生相位偏移，为保证相干接收机性能，在接收端通常需要进行载波相位的恢复。目前，常用的载波相位恢复方式包括传统软/硬查分译码、导频（polit）辅助法、Turbo差分译码等，其中，导频辅助法是通过在发射端插入已知导频符号作为参考，在接收端对相位噪声进行模拟消除的方式，达到相位补偿的效果，如何在保证性能的情况下减小插入导频开销成为该方案的主要优化方向。
同时，集成专用电路（ASIC）是为特定用户和电子系统的需求而设计和制造的集成电路，与通用的集成电路相比具有可靠性高、高性能、低成本、硬件开销小的优势。自1981年首个载于ZX81个人电脑中的ASIC芯片推出至今，ASIC在特定需求情况下的电路实现中占据着相当核心的地位，并在可以预见的未来仍有较好的发展前景。但当ASIC芯片设计完毕，其所适应的算法就是固定的，这将一定程度上降低算法的灵活性。在光传输领域，光数字处理（DSP）芯片是算法硬件电路实现的关键，这种芯片通常采用ASIC实现。
由于通信算法中信号的连续性和及时性，因此流水结构是通信算法硬件实现的重要方向，如何在保证算法性能与硬件可靠性的条件下具有较好的算法适应性、提高算法运行并行度、减少复杂计算模块的使用是通信算法硬件实现的重要方向。
发明内容
发明目的：一个目的是提出一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，以解决现有技术存在的上述问题。进一步目的是提出一种基于上述系统的方法。
技术方案：一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，包括用于控制所有计算模块和存储模块的核心控制模块；用于导频相位角和调制后信号的初始相位角的存取模块；用于计算信号相位角的CORDIC计算模块；以及用于超前预测进行相位噪声补偿的计算模块。
在进一步的实施例中，所述核心控制模块进行任务的调度和连接，所述核心控制模块将调制后的复数信号送入CORDIC相位角计算模块，并控制中间结果数据的存取，将对应的中间结果分别送入到超前预测相位补偿模块，计算出最终相位补偿结果。
在进一步的实施例中，所述CORDIC相位角计算模块用于计算经过QAM调制后的复数信号的相位角，其基本运算单元只包含乘法器和加法器模块，相位角的基本计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
表示经过QAM调制的复数信号，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为实部，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为虚部，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为虚数单位，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
表示相位角。
在进一步的实施例中，所述导频相位角和调制后信号的初始相位角的存储模块包含两个区域，分别用于存储从CORDIC计算模块送出的导频相位角结果和调制后信号的初始相位角结果，其存取方式通过控制地址信号Address来访问对应位置。
基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方案的具体计算流程如下：
步骤1、对于输入的经过QAM调制的复数信号
Figure 534878DEST_PATH_IMAGE004
，将其按时间序列送入信号相位角CORDIC计算模块中，计算出复数信号中对应的相位信息
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤2、通过核心控制模块将相位信息
Figure 875861DEST_PATH_IMAGE014
分别存放入存储模块中，根据输入的导频插入步长Step信息，导频相位角信号在时间序列中为等间隔步长分布，即每次间隔Step之后将相位角计算模块计算出的中间数据存放入导频点相位角存储区，其他均存放入初始信号相位角存储区；
步骤3、当相位角计算模块输出结果有效信号使能时，通过核心控制模块将导频点相位角数据和初始信号的相位角数据取出，送入到超前预测相位补偿计算模块进行计算补偿相位；
步骤4、当超前预测相位补偿计算模块输入数据使能信号有效时，对输入调制信号的初始相位角进行补偿，计算过程如下：
计数器单元对输入的导频点相位角数据有效信号进行计数；当计数值cnt_i为1时，补偿后的相位角信号
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
等于输入调制信号的初始相位角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
减去初始预测相位角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
，其中初始预测相位角根据通信中的信号特性得出，并依次输出结果；当计数值cnt_i不为1时，补偿后的相位角信号
Figure 541329DEST_PATH_IMAGE016
等于输入调制信号的初始相位角
Figure 702183DEST_PATH_IMAGE018
减去两个导频点相位数据计算出的均值相位结果
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
；对输入数据进行流水计算，将计算出的补偿后的相位数据输出，最后对全局所有的计数器进行清0。
在进一步的实施例中，步骤2中输入的导频插入步长Step信号，用于计数控制存储数据的类型，分别对应存储模块的不同区域。
在进一步的实施例中，步骤4中当计数值cnt_i不为1时所述的两个导频点相位数据计算出的均值相位结果
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
计算方式如下，通过寄存器保存上一次导频相位角数据有效信号时的数据，将其与当前导频相位角数据有效信号时的数据进行相加，并右移一位得到均值结果，具体的计算公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
)>>1 (i> 1)
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
对应上一次导频点相位参数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
对应本次导频点相位参数，i值需要大于1，当i等于1时，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
。
在进一步的实施例中，所述超前预测相位噪声补偿，对于输入调制信号的初始相位角
Figure 514893DEST_PATH_IMAGE018
对应的预测相位噪声的相位角应该为
Figure 444803DEST_PATH_IMAGE024
,结合相位噪声的相位角特性，当前的初始相位角
Figure 405806DEST_PATH_IMAGE018
对应的为前一次计算出的相位噪声的相位角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
,实现硬件全流水操作。
有益效果：本发明的基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方案采用定点型数据格式，通过合理化建模分析后得出，通过两两点之间均值查找的方式能够满足相位噪声预测精度要求，映射到硬件上，即只采用基本的加法模块和乘法模块就可以实现，具有较小硬件资源损耗。采用超前预测的方式对相位噪声信号进行预测和补偿，对输入的复数信号进行操作，实现全流水对数据进行计算处理，对比当前存在的硬件实现方案，极大减小硬件复杂度，同时pipeline结构对信号的连续性也具有较好的适应能力，能够达到最终实现的相位角的精确度要求。
附图说明
图1是本发明基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方案的模块示意图。
图2是实现超前预测实现相位噪声补偿的计算流程图。
图3是超前预测相位补偿模块的实现架构图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明提出一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，该系统包括用于控制所有计算模块和存储模块的核心控制模块；用于导频相位角和调制后信号的初始相位角的存取模块；用于计算信号相位角的CORDIC计算模块；以及用于超前预测进行相位噪声补偿的计算模块。
本实施例所述的核心控制模块，主要进行任务的调度和连接，将调制后的复数信号送入CORDIC相位角计算模块，并控制中间结果数据的存取，将对应的中间结果分别送入到超前预测相位补偿模块，计算出最终相位补偿结果。
本实施例所述CORDIC相位角计算模块，用于计算经过QAM调制后的复数信号的相位角，其基本运算单元只包含乘法器和加法器模块，相位角的基本计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
本实施例所述导频相位角和调制后信号的初始相位角的存储模块包含两个区域，分别用于存储从CORDIC计算模块送出的导频相位角结果和调制后信号的初始相位角结果，其存取方式通过控制地址信号Address来访问对应位置。
本实施例所述基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方案的具体计算流程如下（如图2）：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
对于输入的经过QAM调制的复数信号
Figure 942704DEST_PATH_IMAGE004
，将其按时间序列送入信号相位角CORDIC计算模块中，计算出复数信号中对应的相位信息
Figure 748986DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
通过核心控制模块将相位信息
Figure 64561DEST_PATH_IMAGE014
分别存放入存储模块中，根据输入的导频插入步长Step信息，导频相位角信号在时间序列中为等间隔步长分布，即每次间隔Step之后将相位角计算模块计算出的中间数据存放入导频点相位角存储区，其他均存放入初始信号相位角存储区；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
当相位角计算模块输出结果有效信号使能时，通过核心控制模块将导频点相位角数据和初始信号的相位角数据取出，送入到超前预测相位补偿计算模块进行计算补偿相位；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
当超前预测相位补偿计算模块输入数据使能信号有效时，对输入调制信号的初始相位角进行补偿，计算过程如下：
计数器单元对输入的导频点相位角数据有效信号进行计数；当计数值cnt_i为1时，补偿后的相位角信号
Figure 275094DEST_PATH_IMAGE016
等于输入调制信号的初始相位角
Figure 410540DEST_PATH_IMAGE018
减去初始预测相位角0，其中初始预测相位角根据通信中的信号特性得出，并依次输出结果；当计数值cnt_i不为1时，补偿后的相位角信号
Figure 20513DEST_PATH_IMAGE016
等于输入调制信号的初始相位角
Figure 925015DEST_PATH_IMAGE018
减去两个导频点相位数据计算出的均值相位结果
Figure 227820DEST_PATH_IMAGE022
；对输入数据进行流水计算，将计算出的补偿后的相位数据输出，最后对全局所有的计数器进行清0。
本实施例所述的导频插入步长Step信号，主要用于计数控制存储数据的类型，分别对应存储模块的不同区域。
本实施例所述的超前预测相位补偿模块中计算均值方案，当其中的计数值cnt_i不为1时所述的两个导频点相位数据计算出的均值相位结果
Figure 582054DEST_PATH_IMAGE024
计算方式如下，通过寄存器保存上一次导频相位角数据有效信号时的数据，将其与当前导频相位角数据有效信号时的数据进行相加，并右移一位得到均值结果，具体的计算公式如下：
Figure 995718DEST_PATH_IMAGE026
)>>1 (i> 1)
其中，
Figure 20305DEST_PATH_IMAGE028
对应上一次导频点相位参数，
Figure 494012DEST_PATH_IMAGE030
对应本次导频点相位参数，i值需要大于1，当i等于1时，
Figure 338471DEST_PATH_IMAGE032
。
本实施例所述的超前预测相位补偿模块中计算均值方案，通过软件建模分析，通过两两点之间均值匹配得到的相位噪声相位角与真实相位噪声相位角的均值均方根误差（MSE）为0.0392，而当前多点线性匹配方案MSE为0.0396，在精度上更加具有优势，同时两点均值映射到硬件上，只采用基本的加法模块和乘法模块就可以实现，使用较小的硬件实现资源，同时满足较好的时序特性。
本实施例所述超前预测相位噪声补偿(如图3)，对于输入调制信号的初始相位角
Figure 290247DEST_PATH_IMAGE018
对应的预测相位噪声的相位角应该为
Figure 169341DEST_PATH_IMAGE024
,结合相位噪声的相位角特性，当前的初始相位角
Figure 813949DEST_PATH_IMAGE018
对应的为前一次计算出的相位噪声的相位角
Figure 145704DEST_PATH_IMAGE034
,实现硬件全流水操作。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，其特征是包括以下步骤：
用于控制所有计算模块和存储模块的核心控制模块；
用于导频相位角和调制后信号的初始相位角的存取模块；
用于计算信号相位角的CORDIC计算模块；
用于超前预测进行相位噪声补偿的计算模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，其特征在于，所述核心控制模块将调制后的复数信号送入CORDIC相位角计算模块，并控制中间结果数据的存取，将对应的中间结果分别送入到超前预测相位补偿模块，计算出最终相位补偿结果。
3.根据权利要求1所述的一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，其特征在于，所述CORDIC相位角计算模块用于计算经过QAM调制后的复数信号的相位角，其基本运算单元只包含乘法器和加法器模块，相位角的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示经过QAM调制的复数信号，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为实部，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为虚部，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为虚数单位，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示相位角。
4.根据权利要求1所述的一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件系统，其特征在于，所述导频相位角和调制后信号的初始相位角的存储模块包含两个区域，分别用于存储从CORDIC计算模块送出的导频相位角结果和调制后信号的初始相位角结果，其存取方式通过控制地址信号Address来访问对应位置。
5.一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对于输入的经过QAM调制的复数信号
Figure 334896DEST_PATH_IMAGE004
，将其按时间序列送入信号相位角CORDIC计算模块中，利用CORDIC模块计算反正切函数的计算特性，计算出复数信号中对应的相位信息
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤2、通过核心控制模块将相位信息
Figure 921211DEST_PATH_IMAGE014
分别存放入存储模块中，根据输入的导频插入步长Step信息，导频相位角信号在时间序列中为等间隔步长分布，即每次间隔Step之后将相位角计算模块计算出的中间数据存放入导频点相位角存储区，其他均存放入初始信号相位角存储区；
步骤3、当相位角计算模块输出结果有效信号使能时，通过核心控制模块将导频点相位角数据和初始信号的相位角数据取出，送入到超前预测相位补偿计算模块进行计算补偿相位；
步骤4、当超前预测相位补偿计算模块输入数据使能信号有效时，对输入调制信号的初始相位角进行补偿，计算过程如下：
步骤4-1、计数器单元对输入的导频点相位角数据有效信号进行计数；当计数值cnt_i为1时：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示补偿后的相位角信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示输入调制信号的初始相位角，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示初始预测相位角，其中初始预测相位角根据通信中的信号特性得出；
步骤4-2、根据步骤4-1依次输出结果；
当计数值cnt_i不为1时：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
式中，
Figure 186101DEST_PATH_IMAGE018
表示表示补偿后的相位角信号，
Figure 987835DEST_PATH_IMAGE020
表示输入调制信号的初始相位角，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表示两个导频点相位数据计算出的均值相位结果；
步骤4-3、对输入数据进行流水计算，将计算出的补偿后的相位数据输出，最后对全局所有的计数器进行清0。
6.根据权利要求5所述的一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方法，其特征在于，步骤2中输入的导频插入步长Step信号，用于计数控制存储数据的类型，分别对应存储模块的不同区域。
7.根据权利要求5所述的一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方法，其特征在于，步骤4中当计数值cnt_i不为1时所述的两个导频点相位数据计算出的均值相位结果
Figure 739891DEST_PATH_IMAGE026
计算方式如下，通过寄存器保存上一次导频相位角数据有效信号时的数据，将其与当前导频相位角数据有效信号时的数据进行相加，并右移一位得到均值结果,具体的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
)>>1 (i > 1)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
对应上一次导频点相位参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
对应本次导频点相位参数，i值需要大于1，当i等于1时，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
。
8.根据权利要求5所述的一种基于超前预测实现相位噪声补偿的硬件实现方法，其特征在于，所述超前预测相位噪声补偿，对于输入调制信号的初始相位角
Figure 903631DEST_PATH_IMAGE020
对应的预测相位噪声的相位角原本应该为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，结合相位噪声的相位角特性，当前的初始相位角
Figure 842768DEST_PATH_IMAGE020
对应的为前一次计算出的相位噪声的相位角
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，实现硬件全流水操作。
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