本发明涉及光通信技术领域，更具体地，涉及一种QAM信号盲载波相位估计方法及系统。
背景技术：
近年来，随着数字信号处理技术(DSP)的飞速发展，100G/200G速率的相干系统已被广泛部署。迈入下一代更高速率的弹性光传输系统，DSP技术需要在降低复杂度和能耗、提升损伤补偿性能、增强灵活通用性等方面有更多创新和改进，以实现未来具有自适应波特率、灵活调制格式和高频谱效率的超高速弹性光传输网络。正交幅度调制(QAM)具有频谱效率高、易于实现的优点，被认为是很有潜力的调制格式。然而，随着QAM调制阶数升高，激光器线宽引入的相位噪声对系统性能的影响愈加凸显，严重限制着系统性能。
目前，高速相干光通信系统中常用的两大类前馈型盲载波相位估计方法，一是基于四次方Viterbi-Viterbi的QPSK分割法，并级联最大似然估计(ML)或星座坐标变换等第二级估计算法；二是盲相位搜索(BPS)及其改进的多级BPS算法两大类。然而，QPSK分割类算法的相位变化跟踪能力较差，对收发端激光器线宽要求较高，不利于降低系统成本；BPS算法需采用大量测试相位才能完成相位估计，导致算法复杂度很高，不易于实现。
因此，现在亟须一种QAM信号盲载波相位估计方法，既能保证有较高的激光器线宽容忍度又能有较低的实现复杂度。
技术实现要素：
针对现有技术中线宽容忍度低与算法复杂度高的问题，本发明实施例提供一种QAM信号盲载波相位估计方法及系统。
根据本发明的一个方面，提供一种QAM信号盲载波相位估计方法，对QAM信号进行第一级估计，所述第一级估计包括：
步骤S1、基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；
步骤S2、将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；
步骤S3、基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
其中，步骤S1包括：
基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块；
基于每个信号数据块中数据的信号幅度，将每个信号数据块中数据分为：调制相位等于的QPSK信号、
调制相位接近的准QPSK信号、
旋转后相位等于或接近的旋转QPSK信号、以及除此以外的非QPSK信号；
将所述QPSK信号、所述准QPSK信号以及旋转后的所述旋转QPSK信号作为所述目标QPSK信号。
其中，步骤S2包括：
将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，其中，所述三个第一预设角度中有一个所述第一预设角度为0；
基于预设的第一误差函数，分别计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离以及相应的误差距离总和。
其中，步骤S3包括：
以旋转角度为横坐标，所述信号数据误差总和为纵坐标建立直角坐标系；
在所述直角坐标系中，确定其中三个旋转角度对应的三个坐标位置；
基于所述其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计。
其中，所述在所述直角坐标系中，确定其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，包括：
在所述直角坐标系中，确定所述信号数据误差最小时对应的第一预设角度；
以所述信号数据误差最小时对应的第一预设角度为中心，确定另外两个旋转角度以及所述另外两个旋转角度对应的坐标位置。
其中，步骤S3后所述方法还包括：对所述QAM信号进行第二级估计，所述第二级估计包括：
对各信号数据块分别进行分块，并将分块后的各信号数据块进行多个第二预设角度的旋转，所述多个第二预设角度基于所述第一级估计的结果设置；
基于预设的第二误差函数，分别计算每个第二预设角度对应的信号数据误差；
在所述直角坐标系中选择其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计。
其中，所述在所述直角坐标系中选择其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计，包括：
在所述直角坐标系中，确定所述信号数据误差最小时对应的第二预设角度；
若所述信号数据误差最小时对应的第二预设角度是所有第二预设角度的最小值或最大值，则新增第三预设角度，并确定所述第三预设角度对应的坐标位置；
选择第二预设角度中误差最小点及其相邻预设角度对应的坐标位置与第三预设角度对应的坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计。
根据本发明实施例提供的第二方面，本发明实施例提供了一种QAM信号盲载波相位估计系统，包括：第一级估计模块，所述第一级估计模块包括：
分块提取单元，用于基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；
误差计算单元，用于将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；
相位估计单元，用于基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
根据本发明实施例提供的第三方面，提供一种计算机程序产品，包括程序代码，所述程序代码用于执行上述所述的一种正交幅度调制信号盲载波相位估计方法。
第四方面发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的一种正交幅度调制信号盲载波相位估计方法。
本发明实施例提供的QAM信号盲载波相位估计方法及系统，通过对QAM信号按照信号幅度进行分类，并提取其中的可用QPSK信号进行误差计算，大幅提升了可用于相位估计的样值数目比率，显著增强了算法跟踪相位变化的能力，从而大大提升了算法线宽容忍度相位搜索得到相位估计值；此外，本发明使用简单的误差距离计算公式计算相位噪声导致的偏移距离，进而实现精确相位估计，算法复杂度低，易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例提供的第一级估计方法流程图；
图2是本发明实施例64QAM信号的分类和旋转示意图；
图3是本发明实施例提供的第一级估计中QAM系统中旋转角度与误差总和的准线性关系曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的第二级估计方法流程图；
图5是本发明实施例提供的第二级估计中QAM系统中旋转角度与误差总和的准线性关系曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的载波相位估计方法与传统BPS及QPSK分割算法处理64QAM信号时的数据块长度N1与线宽码元周期线宽码元周期积的关系曲线图对比图；
图7为本发明实施例提供的一种QAM信号盲载波相位估计算法用于64QAM相位估计所需光信噪比代价与线宽码元周期积的关系曲线对比图；
图8为本发明实施例提供的第一级估计模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种QAM信号盲载波相位估计方法，所述方法包括对QAM信号进行第一级估计，图1是本发明实施例提供的第一级估计方法流程图，如图1所示，所述第一级估计包括：
步骤S1、基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；
步骤S2、将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；
步骤S3、基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
在本发明实施例中，以64QAM信号为例对本发明实施例的方法流程进行说明，但本发明不限定QAM信号的具体调制方式。
可以理解的是，本发明实施例在步骤S1之前，还包括：
对QAM信号依次进行正交不平衡补偿、固定色散补偿、时钟同步、均衡与偏振解复用以及频偏估计与补偿。
可以理解的是，在对QAM信号进行信号处理之前，需要对QAM信号进行预处理，所述预处理过程主要为依次对接收到的原始QAM信号进行正交不平衡补偿、固定色散补偿、时钟同步、均衡与偏振解复用以及频偏估计与补偿等。
对QAM信号进行预处理后，在步骤S1中，本发明实施例将对QAM信号进行分块并提取每个信号数据块中的目标QPSK信号。
具体的，步骤S1包括：
基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块；
基于每个信号数据块中数据的信号幅度，将每个信号数据块中数据分为：调制相位等于的QPSK信号、
调制相位接近的准QPSK信号、
旋转后相位等于或接近的旋转QPSK信号、以及除此以外的非QPSK信号；
将所述QPSK信号、所述准QPSK信号以及旋转后的所述旋转QPSK信号作为所述目标QPSK信号。
所述预设的分块规则为预先设置的分块长度以及分块个数，例如本发明实施例的64QAM信号有10000个符号，设置的分块长度为20，分块个数为10000，那么将64QAM信号可以分为块长度N1＝20的10000个数据块，即：第1～20个符号为第1块、第2～21个符号为第2块、第3～22个符号为第3块，…，第9981～10000个符号为第10000块。
图2是本发明实施例64QAM信号的分类和旋转示意图，如图2所示，那么根据每个信号数据块中信号的幅度，可以将每个信号数据块分为4类信号，第一类是调制相位等于的QPSK信号，例如图2中的C1、C3和C9；
第二类是调制相位接近的准QPSK信号，如图2中的C5和C8；
第三类是旋转后相位接近的旋转QPSK信号，如图2中的C4旋转即称为准QPSK信号，故而C4是旋转QPSK信号；
第四类是本发明实施例中不可利用的非QPSK信号。
那么在本发明实施例中，将第一类信号、第二类信号以及旋转后的第三类信号作为本发明实施例提供的目标QPSK信号。
在上述实施例的基础上，步骤S2包括：
将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，其中，所述三个第一预设角度中有一个所述第一预设角度为0；
基于预设的第一误差函数，计算所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，分别计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离以及相应的误差距离总和。
可以理解的是，对目标QPSK信号进行多个第一预设角度的旋转，优选的，本发明实施例对目标QPSK信号乘以旋转因子使其旋转±30度，加上不旋转时设置的0度，作为三个第一预设角度的设置值。
其中，结合图2提供的示意图，所述目标对角线为每个象限中斜率为1或-1的对角线，且距离所述旋转后的目标QPSK信号最近的对角线。
本发明实施例将第b个旋转角度旋转后的目标QPSK信号记为y(k,b)，其实部表示为yr(k,b)，虚部表示为yi(k,b)，再根据预设的第一误差函数：
e(k,b)＝||yr(k,b)|-|yi(k,b)||
再将数据块内各信号误差相加得到相应的误差总和：
那么本发明实施例上述提到的三个第一旋转角度对应的误差总和计算结果可记为：(0，e2)、
本发明实施例使用了简单的误差距离计算公式计算相位噪声导致的偏移距离，进而实现精确相位估计，算法复杂度低，易于实现。
在上述实施例的基础上，步骤S3包括：
以旋转角度为横坐标，所述信号数据误差总和为纵坐标建立直角坐标系；
在所述直角坐标系中，确定其中三个旋转角度对应的三个坐标位置；
基于所述其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计。
所述在所述直角坐标系中，确定其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，包括：
在所述直角坐标系中，确定所述信号数据误差最小时对应的第一预设角度；
以所述信号数据误差最小时对应的第一预设角度为中心，确定另外两个旋转角度以及所述另外两个旋转角度对应的坐标位置。
具体的，基于以旋转角度为横坐标，误差总和为纵坐标建立的直角坐标系，在所述直角坐标系中确定坐标系内最小误差总和对应的旋转角度，即预设的其中一个第一预设角度。
以上述实施例提供的(0，e2)、三个点为例，若误差总和最小点为则将向左平移即该点变为若最小点为则将点向右平移即该点变为若最小点为(0，e2)，则全部点保持不变。经上述调整后，最小点始终为横坐标从小到大排列的中间点，将横坐标从小到大顺序排列的这三点记为(φ1,e1)、(φ2,e2)、(φ3,e3)。
进一步的，图3是本发明实施例提供的第一级估计中QAM系统中旋转角度与误差总和的准线性关系曲线示意图，可以由图3看出，三个旋转角度对应的三个点之间存在准线性关系，那么通过直线交点法可以对相位进行第一级估计。
所述直线交点法是本发明实施例利用坐标之间的准线性关系进行相位估计的方法。
本发明实施例以上述(0，e2)、三个点为例，对所述直线交点法进行具体说明：
比较(0，e2)两点组成直线的斜率以及(0，e2)、两点组成直线的斜率之间的绝对值大小，若则第一级相位粗估计值如果则
可以理解的是，只进行第一级估计已经可以提升可用符号数目比例，并且块长度取得更短，算法跟踪激光器线宽致相位变化的速度更快能力更强，即具有更大的线宽容忍度。
但优选的，通过本发明实施例提供的第二级估计可以进一步提高线宽容忍度，具体的，图4是本发明实施例提供的第二级估计方法流程图，如图4所示，对所述QAM信号进行第二级估计，所述第二级估计包括：
S4、对各信号数据块分别进行分块，并将分块后的各信号数据块进行多个第二预设角度的旋转，所述多个第二预设角度基于所述第一级估计的结果设置；
S5、基于预设的第二误差函数，分别计算每个第二预设角度对应的信号数据误差；
S6、在所述直角坐标系中选择其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计。
具体的，步骤S4中，在第一级估计分块的基础上，再次对信号数据块进行分块，可以理解的是，为进一步增强相位变化的跟踪速度，第二级分块的分块长度要小于第一级分块的分块长度，例如：第一级估计时的分块长度为N1＝20个，那么第二级估计时的分块长度应设为小于20，优选的设置为N2＝10，那么第1～10个符号为第1块、第2～11个符号为第2块、第3～12个符号为第3块，…，第9991～10000个符号为第10000块。
需要说明的是，上述例子只是为了详细解释分块过程，本发明实施例不对分块的具体内容做任何限定。
图5是本发明实施例提供的第二级估计中QAM系统中旋转角度与误差总和的准线性关系曲线示意图，由图5中64QAM的线性关系，可知64QAM的线性区间基于第一级估计结果φ1,est，本发明实施例优选的设置新的4个第二预设角度：
S5中，基于预设的第二误差函数，分别计算四个角度旋转后每个64QAM信号的实部误差dr(k)和虚部误差di(k)：
其中，abs(.)表示对括号内取绝对值，yr(k,0)即是输入信号的实部yr(k)，yi(k,0)即是输入信号的虚部yi(k))。
那么将各信号实部误差相加得到实部误差总和将各信号虚部误差相加得到虚部误差总和再将实部误差总和与虚部误差总和相加得到各信号数据的误差总和d＝dr+di。
基于误差总和的计算结果，步骤S6具体包括：所述在所述直角坐标系中选择其中三个旋转角度对应的三个坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计，包括：
在所述直角坐标系中，确定所述信号数据误差最小时对应的第二预设角度；
若所述信号数据误差最小时对应的第二预设角度是所有第二预设角度的最小值或最大值，则新增第三预设角度，并确定所述第三预设角度对应的坐标位置；
选择第二预设角度中误差最小点及其相邻预设角度对应的坐标位置与第三预设角度对应的坐标位置，利用直线交点法对所述QAM信号进行估计。
可以理解的是，上述实施例中提供了4个第二预设角度，那么可以计算每个第二预设角度对应的信号数据误差，并在坐标系中确定信号数据误差最小时的点的位置。
若所述信号数据误差最小时对应的第二预设角度不是所有第二预设角度的最小值或最大值，那么信号数据误差最小的点为中间两个中某个第二预设角度，那么从四个的第二预设角度中选取数据误差最小时对应的第二预设角度及其相邻的两个第二预设角度，并将其对应的坐标点表示为：(θ1,d1)、(θ2,d2)、(θ3,d3)，由图5可知，三个旋转角度对应的三个点之间存在准线性关系，可以理解的是，采用上述实施例中所述的直线交点法能够对相位进行估计。
具体的，比较绝对值大小，若则第二级相位估计值若则
若信号数据误差总和最小点为所有第二预设角度中最小或最大第二预设角度对应的点，那么本发明实施例将等间隔增加一个第三预设角度，以上述64QAM信号为例，若信号数据误差总和最小点为横坐标值最小点θ1，则增加第三预设角度：若误差总和最小点为横坐标值最大点θ4，则增加第三预设角度：
计算经θ5旋转后的误差总和d5，得到第五个点(θ5,d5)，若(θ5,d5)为信号数据误差总和最小点，则θ5即为第二级相位估计结果；若(θ5,d5)不是信号数据误差总和最小点，则找出最小点及其相邻两点，将这三个点表示为(θ1,d1)、(θ2,d2)、(θ3,d3)。比较绝对值大小，若则第二级相位估计值若则
图6为本发明实施例提供的载波相位估计方法与传统BPS及QPSK分割算法处理64QAM信号时的数据块长度N1与线宽码元周期线宽码元周期积的关系曲线图对比图。由图6可以看出，本发明实施例提供的相位估计方法的单独第一级相比传统QPSK分割算法，在提升可用符号数目比例的情况下，块长度取得更短，算法跟踪激光器线宽致相位变化的速度更快能力更强，即具有更大的线宽容忍度。
图7为本发明实施例提供的一种QAM信号盲载波相位估计算法用于64QAM相位估计所需光信噪比与线宽码元周期积的关系曲线对比图。由图7可以看出，本发明实施例提供的载波相位估计方法线宽容忍性能上优于传统BPS算法，并且本发明实施例提供的相位恢复方法在整个相位估计过程仅需要7个旋转角度就能完成载波相位精确估计，而现有BPS算法处理64QAM信号需要64个测试相位。相比于传统BPS算法，本发明所提出的载波相位估计算法不仅线宽容忍度有较大提升，其复杂度也大大降低，是相干光纤通信系统中接收端DSP处理算法较为理想的一种解决方案。
可理解的是，在上述实施例的基础上，在具体实施时，对每个信号数据块的相位估计值进行解卷绕，再按解卷绕后的相位估计值进行相位补偿，得到相位恢复后的QAM信号，实现相位恢复。对信号数据进行相位恢复之后，还可以对输出信号数据进行符号判决等处理，最终恢复发端原始比特序列。
图8为本发明实施例提供的第一级估计模块结构示意图，如图8所示，所述第一级估计模块包括：分块提取单元1、误差计算单元2以及相位估计单元3，其中：
分块提取单元1用于基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；
误差计算单元2用于将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；
相位估计单元3用于基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
具体的如何利用分块提取单元1、误差计算单元2以及相位估计单元3对正交幅度调制信号盲载波相位估计可参见上述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
本发明实施例提供一种正交幅度调制信号盲载波相位估计系统，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：对正交幅度调制QAM信号依次进行第一级估计，所述第一级估计包括：步骤S1、基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；步骤S2、将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；步骤S3、基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：对正交幅度调制QAM信号依次进行第一级估计，所述第一级估计包括：步骤S1、基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；步骤S2、将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；步骤S3、基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：步骤S1、基于预设的分块规则，将所述QAM信号分为多个信号数据块，并提取每个信号数据块中的目标正交相移键控QPSK信号；步骤S2、将每个信号数据块中所述目标QPSK信号按照三个第一预设角度旋转，基于预设的第一误差函数，计算每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离；步骤S3、基于每个第一预设角度对应的所述目标QPSK信号旋转后与目标对角线之间的误差距离，对所述QAM信号进行载波相位估计。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。