CN102820929B - 光相干接收装置中的相位估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光相干接收装置中的相位估计方法，包括以下步骤：利用坐标旋转数字计算方法将以复数信息表示的输入信号转换为以相位信息表示的第一信号利用模运算消除第一信号中的γ(i)得到第二信号c(i)；对第二信号c(i)进行相位噪声值动态调整得到第三信号N(i)；利用公式得到第四信号d(i)；计算第四信号d(i)的平均值得到估计相位：利用估计相位对第一信号a(i)进行相位补偿得到输出信号。本发明，进行相位估计计算时所需要的乘法转换为加法，简化了系统运算量；同时动态调整相位估计量的取值区间，克服了传统算法中估计范围约束造成的相位跳变问题，最终实现动态准确的相位估计，提高了整个系统的性能及其可实现性。

Description

光相干接收装置中的相位估计方法

技术领域

本发明涉及光相干接收装置，具体光相干接收装置中的相位估计方法。

背景技术

随着光通信技术的发展，相干光通信逐渐成为新一代光通信的核心技术，其中PM-QPSK作为一种主流调制方法，已经成为OIF标准。对于PM-QPSK接收端DSP（数字信号处理）而言主要分为以下几个模块：定时恢复、线性补偿（色散补偿、偏振补偿）、频偏估计，相位估计等，其中相位估计是其重要组成部分之一。

通常情况下，相位估计算法如下，相位噪声估计过程就是通过估计算法消除传输符号的影响，建立相位噪声估计器的过程，通常情况下采用4次方的方法进行估计。

设输入的信号为Z(i)：

其中c(i)为传输符号，为相位噪声，n(i)为系统加性噪声；

则，将输入信号Z(i)4次方后简化加性噪声的表示得到结果为：

由于传输符号c(i)为QPSK或者4QAM的调制方式（QPSK需加的相差后再进行4次方运算），其4次方后为一常量C，因此不会影响相位噪声的估计；n'(i)为4次方后的加性噪声，得到的最终结果为：

通过4次方运算后的结果估计其复数相角的来得到其相位估计量θ：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{4}\arg \left(Z^4\right)---\left(4\right)$

通常情况下为了减小加性噪声对估计器性能的影响，会采用均值滤波的方法减小噪声，如对L个估计量取均值，因此最终估计量θ＇表示为：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{1}{4}\arg \left({\mathrm{\Σ}}_{k=0}^L{Z}^4\right)---\left(5\right)$

通过上述处理过程可知，这样的方法在计算中将会大量使用4次方运算，对于高速相干光通信系统而言，大量的乘法器资源将被消耗，如果使用例如FPGA这样乘法器有限的硬件系统来实现时会极大的约束其他处理模块的性能，同时降低系统的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决光相干接收装置中的相位估计方法中大量使用4次方运算，从而大量消耗乘法器资源，极大的约束其他处理模块的性能，降低系统稳定性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种光相干接收装置中的相位估计方法，包括以下步骤：

利用坐标旋转数字计算方法将以复数信息表示的输入信号转换为以相位信息表示的第一信号a(i)，

利用模运算消除第一信号中的γ(i)得到第二信号c(i)，第二信号c(i)为待处理的相位噪声信号；

对第二信号c(i)进行相位噪声值动态调整得到第三信号N(i)；

利用公式得到第四信号d(i)；

计算第四信号d(i)的平均值得到估计相位seta：

利用估计相位seta对第一信号a(i)进行相位补偿得到输出信号out，out＝a(i)-seta；

其中：γ(i)为传输信号的角度，为相位噪声的角度，ε(i)为加性噪声的角度；i为正整数，表示在处理的第i个数据。

在上述方法中，设定第一信号a(i)具有M位有效数据，输出范围为[0,2^M]，表示的角度范围为[0,2π]，且数字表示同实际角度值为线性对应关系。

在上述方法中，根据均值滤波需求将多个第一信号a(i)组合成长度为2n+1的一帧待处理数据[a(i-n),…,a(i),…,a(i+n)]，利用模运算处理后的第二信号c(i)组合为[c(i-n),…,c(i)，…,c(i+n)]。

在上述方法中，对于4QAM调制的输入信号，第二信号c(i)的模运算公式为对于QPSK调制的输入信号，第二信号c(i)的模运算公式为 $c\left(i\right)=(a\left(i\right)+\frac{\mathrm{\π}}{4})\mathrm{mod}\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

在上述方法中，相位噪声值动态调制步骤如下：

首先将当前第二信号[c(i-n),…,c(i),…,c(i+n)]与上一个时钟周期产生的第二信号[c_old(i-n),…，c_old(i),…，c_old(i+n)]每个对应位相比较，判断是否出现相位跳变，且设定补偿计数寄存器N(i-n),…,N(i),…,N(i+n)]初始值为0：

当时，对应的补偿计数寄存器-1，即对应的补偿计数寄存器累减

当对应的补偿计数寄存器+1，即对应的补偿计数寄存器即累加

当 $-\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}<c\left(i\right)-c\_\mathrm{old}\left(i\right)<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}$ 时，对应的补偿计数寄存器值保持不变；

当min(N)＞3，即所有的补偿计数寄存器都大于3时，对应的所有补偿计数寄存器都-4，即减2π；

当min(N)＜-3，即所有的补偿计数寄存器都小于-3时，对应的所有补偿计数寄存器都+4，即加2π；

当-3＜min(N)＜3，所有的寄存器值保持不变；

最终得到所需要的补偿寄存器值N(i-n),…,N(i),…,N(i+n)]。

在上述方法中，对于4QAM调制的输入信号，取第一信号a(i)的数据低M-2位得到第二信号c(i)；对于QPSK调制的输入信号，将第一信号a(i)对应的数据加上2^M-3并取其低M-2位得到第二信号c(i)。

本发明，将现有光相干接收装置中的相位估计所采用的乘法转换为加法，简化了系统运算量，同时动态调整估计量的取值区间，克服算法估计范围约束造成的相位跳变问题，最终实现动态准确的相位估计，从而提高整个系统的性能及其可实现性。总之，本发明提供的方法，克服了原有算法乘法器资源消耗过多的缺点，同时够克服剩余频偏对相位估计的影响，并对相位值本身进行准确的补偿，而且提供了可行的实现方法，从而提高整个系统的性能、可实现性及稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的光相干接收装置中的相位估计方法流程图；

图2估计相位取值区间动态调整过程流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种光相干接收装置中的相位估计方法，基于cordic（坐标旋转数字计算方法）将以复数信息表示的输入信号转换为以相位信息表示的第一信号a(i)，从而将后续进行相位估计计算时所需要的乘法转换为加法，简化了系统运算量；同时动态调整相位估计量的取值区间，克服了传统算法中估计范围约束造成的相位跳变问题，最终实现动态准确的相位估计，提高了整个系统的性能及其可实现性。下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的光相干接收装置中的相位估计方法，包括以下步骤：

步骤1：利用cordic算法将复数信息表示的输入信号转换为以相位信息表示的第一信号a(i)，使输入数据由复数信息转换为其对应的角度信息。其中：γ(i)为传输信号的角度，为相位噪声的角度，ε(i)为加性噪声的角度；i为正整数，表示在处理的第i个数据。

cordic算法即坐标旋转数字计算方法，其基本思想是：用一系列固定角度的不断逼近所需的旋转角度，实现复数的各种运算，非常适合于FPGA的实现，Altera和Xilinx都推出了实现cordic算法的IP核，可根据不同需求选择使用，这里不做cordic算法详细说明。根据信噪比需求将每个输入数据进行cordic编码，输出后每个数据为M位长，输出范围为[0,2^M]，表示的角度范围为[0,2π]，且数字表示同实际角度值为线性对应关系，M的取值大小由系统性能需求决定，M越大精度越高，估计效果越好（实际取值中一般大于10）。

步骤2：利用模运算消除第一信号中的γ(i)得到第二信号c(i)，第二信号c(i)为待处理的相位噪声信号。

DATA为已经cordic编码后输出的数据，根据信噪比需求将其组成长度为2n+1的一帧待处理数据[a(i-n),…,a(i),…,a(i+n)],其每个数据表示的范围都在[0,2π]内。

对于4QAM调制的输入信号，其γ(i)值因此将其模即可消除γ(i)，于是模运算公式为对于实际硬件实现，可取a(i)数据的低M-2位得到c(i)。

对于QPSK调制的输入信号，其γ(i)值因此需将其每个数据加得到数据b(i),再进行模运算得到c(i)。对于实际硬件实现：可将其a(i)对应的数据加上2^M-3并且取其低M-2位（忽略进位信息相当于模2π，对于算法中所有的加减法采用同样的方法）即可得到b(i)，得到b(i)后同样将其模得到c(i)，即第二信号c(i)的模运算公式为

这时得到长度为2n+1的[c(i-n),…,c(i),…,c(i+n)]数据帧为其待处理相位噪声值，由其表示范围可知[c(i-n),…,c(i),…,c(i+n)]都在内。

当信号和本振光源的频率不稳定性时，频偏估计算法不可能完全消除频偏，因此会有附加相位引入，使得相位噪声值超出范围，因此需要将其取值范围调整到正确的区间去。

步骤3：对第二信号c(i)进行相位噪声值动态调制得到第三信号N(i)；

根据相位变换的连续性，假定设定前后输入跨越两个角度分别为和由于相位的连续变换θ1和θ2都是一个正极小量，当进行模运算时，后面输入的相位对应的实际输出为θ2，因此需要根据前后两个相位的差别来判断是否出现相位跳变，因此当两者相差β：

$\mathrm{\&beta;}=\mathrm{\&theta;}2-(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&theta;}1)=\mathrm{\&theta;}2+\mathrm{\&theta;}1-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2};$

由于θ1和θ2都是正极小量,因此至少同理当前后两角度跨越0时，据此，本发明提供了如下的相位噪声值动态调制方法，具体步骤如图2所示：

步骤31、将当前第二信号[c(i-n),…,c(i),…,c(i+n)]与上一个时钟周期产生的第二信号[c_old(i-n),…，c_old(i),…，c_old(i+n)]每个对应位相比较，判断是否出现相位跳变，并设定补偿计数寄存器[N(i-n),…,N(i),…,N(i+n)]初始值为0：

步骤32、比较c(i)与c_old(i)的差值是否大于或小于

当时，对应的补偿计数寄存器-1，即对应的补偿计数寄存器累减

当对应的补偿计数寄存器+1，即对应的补偿计数寄存器即累加

当 $-\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}<c\left(i\right)-c\_\mathrm{old}\left(i\right)<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}$ 时，对应的补偿计数寄存器值保持不变。

步骤33、判断所有的补偿计数寄存器的值是否大于3或小于－3。

当min(N)＞3，即所有的补偿计数寄存器都大于3时，对应的所有补偿计数寄存器都-4，即减2π；

当min(N)＜-3，即所有的补偿计数寄存器都小于-3时，对应的所有补偿计数寄存器都+4，即加2π；

当-3＜min(N)＜3，所有的寄存器值保持不变。

步骤34、最终得到所需要的补偿寄存器值N(i-n),…,N(i),…,N(i+n)]。

步骤4：利用公式 $d\left(i\right)=c\left(i\right)+N\left(i\right)\&times;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}$ 得到第四信号d(i)；

步骤5：计算第四信号d(i)的平均值得到估计相位seta， $\mathrm{aeta}=\frac{1}{2n+1}\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}d\left(i\right):$

步骤6：利用估计相位seta对第一信号a(i)进行相位补偿得到输出信号out，out＝a(i)-seta。

当相位变换较快时可以采用上述结构，即每帧数据都给其中一个数据进行补偿，并且可以采用多条流水线结构以保证同时对多个相位进行估计，使得输入和输出数据率保持一致。

当相位变换缓慢时，可以采用每帧数据都给其中一段数据进行补偿，也可以采用流水线的结构。

out＝a(i)-seta;-n＜-m＜i＜m＜n。

m表示小于n一段数据的长度。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.光相干接收装置中的相位估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用坐标旋转数字计算方法将以复数信息表示的输入信号转换为以相位信息表示的第一信号a(i)，

利用模运算消除第一信号中的γ(i)得到第二信号c(i)，第二信号c(i)为待处理的相位噪声信号；对于4QAM调制的输入信号，第二信号c(i)的模运算公式为对于QPSK调制的输入信号，第二信号c(i)的模运算公式为 $c\left(i\right)=(a\left(i\right)+\frac{\mathrm{\&pi;}}{4})\mathrm{mod}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2};$

对第二信号c(i)进行相位噪声值动态调整得到第三信号N(i)；

利用公式得到第四信号d(i)；

计算第四信号d(i)的平均值得到估计相位seta：

利用估计相位seta对第一信号a(i)进行相位补偿得到输出信号out，out＝a(i)-seta；

其中：γ(i)为传输信号的角度，为相位噪声的角度，ε(i)为加性噪声的角度；i为正整数，表示在处理的第i个数据；

相位噪声值动态调制步骤如下：

首先将当前第二信号[c(i-n),…,c(i),…,c(i+n)]与上一个时钟周期产生的第二信号[c_old(i-n),…,c_old(i),…,c_old(i+n)]每个对应位相比较，判断是否出现相位跳变，且设定补偿计数寄存器N(i-n),…,N(i),…,N(i+n)]初始值为0：

当时，对应的补偿计数寄存器-1，即对应的补偿计数寄存器累减

当对应的补偿计数寄存器+1，即对应的补偿计数寄存器即累加

当时，对应的补偿计数寄存器值保持不变；

当min(N)＞3，即所有的补偿计数寄存器都大于3时，对应的所有补偿计数寄存器都-4，即减2π；

当min(N)＜-3，即所有的补偿计数寄存器都小于-3时，对应的所有补偿计数寄存器都+4，即加2π；

当-3＜min(N)＜3，所有的寄存器值保持不变；

最终得到所需要的补偿寄存器值[N(i-n),…,N(i),…,N(i+n)]。

2.如权利要求1所述的光相干接收装置中的相位估计方法，其特征在于，

设定第一信号a(i)具有M位有效数据，输出范围为[0,2^M]，表示的角度范围为[0,2π]，且数字表示同实际角度值为线性对应关系。

3.如权利要求1所述的光相干接收装置中的相位估计方法，其特征在于，根据均值滤波需求将多个第一信号a(i)组合成长度为2n+1的一帧待处理数据[a(i-n),…,a(i),…,a(i+n)]，利用模运算处理后的第二信号c(i)组合为[c(i-n),…,c(i),…,c(i+n)]。

4.如权利要求2所述的光相干接收装置中的相位估计方法，其特征在于，

对于4QAM调制的输入信号，取第一信号a(i)的数据低M-2位得到第二信号c(i)；

对于QPSK调制的输入信号，将第一信号a(i)对应的数据加上2^M-3并取其低M-2位得到第二信号c(i)。