一种用于移除相位调制信息的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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41og 2(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】
[0004] 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-shift keying，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：
[0005] (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) 〇
[0006] (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λ/?的目的是平衡幅值，使I1的幅值与下面Q i的幅值相等。
[0007] (3)用实部加上虚部，并取模值，得IX+YI ;用实部减去虚部，并取模值，得Ix-Yl ; 然后作差，得到=Q1= I χ+γ I -1 χ-γ I。
[0008] (4)重新构成复数的形式为：S2,k= I JjQ1，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。
[0009] (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：I 2= 11 i I -1 Q11，Q2= 11 ^Q11 -111-Q11，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。
[0010] (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 ，则得到复数信号幅角的M倍操作结果：Sku= I M/2+jQM/2，也即对于 MPSK信号，实现了移除相位调制信息。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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】
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 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】
[0022] 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。
[0023] 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：
[0024] (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 ;
[0025] (2)用实部的绝对值减去虚部的绝对值，并乘以系数，得到：
[0026] (3)用实部加上虚部，并取模值，即I X+Y I ;用实部减去虚部，并取模值，即|Χ-Υ| ; 然后作差，得到=Q1= |χ+γ|-|χ-γ| ;
[0027] (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= I I M/2 H Qm/2 I，Qm= I I M/2+Qm/2 H Im/2_Qm/2 I，M 为 2 的整数次幂。
[0028] 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：S 4k= I 2+jQ2。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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，I. 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。
[0032] 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。
[0033] 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 尚了 I dB。
[0034] 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。
[0035] 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。
【主权项】
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; (2) 用实部的绝对值减去虚部的绝对值，并乘以系数^，得到：不=; (3)用实部加上虚部，并取模值，S卩|X+Y|;用实部减去虚部，并取模值，S卩|X-Y|;然后 将两个模值结果作差值，得到：Qi=|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：SMik=IM/2+jQM/2，其中IM =IIm/2I_IQm/2I，Qm=IIM/2+Qm/2I_IIm/2_Qm/2I，M为 2 的整数次舉。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=Ii+jQi。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S4ik=I2+jQ2,其中12= 11i|-|Qi|，Q2= Ii+QiHI「QiI。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H04L27/34, H04L27/20
【公开号】CN105099978
【申请号】CN201510413411
【发明人】李蔚, 韩纪龙
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月14日