一种载波相位估计方法和装置与流程

本发明涉及光通信技术，尤其涉及一种光纤通信中载波相位估计方法和装置。

背景技术：

随着互联网流量的增加，互联网干线系统中的光通信系统需求的容量也越来越大。随着波长比特率的增加，在传输路径上的色度色散、偏振模色散以及各种非线性效应的波形失真，会导致信息质量的严重退化。

数字相干技术被作为高速光通信系统的关键技术，与非相干技术相比，有如下优点：大约3dB的光信噪比(OSNR，Optical Signal Noise Ratio)增益；可以方便地采用电均衡技术来应对信道变化，从而降低成本；另外，数字相干技术还可以采用更高效的调制技术以及偏振复用来提高传输容量；因此，数字相干技术被认为是高速光通信系统的关键技术。

在相干光通信系统中，因为发射端的激光器和接收端的本振激光器都有一定的线宽，因此，要在接收端得到正确的信号就必须进行相位恢复。

但目前相位恢复过程中所涉及的解缠绕(unwrap)方法大多数为串行运算，或较为复杂的并行运算，如目前现有的典型并行解缠绕分为两个步骤实现：第一步，并行段内相偏调整；第二步，并行段间相偏调整；具体实现的解缠绕电路实现结构复杂，且延迟大。

从上述过程可以看出，现有相位估计的串行解缠绕方法效率较低，并行解缠绕的方法实现复杂、电路规模大、延迟大、功耗大。因此，目前亟需一种高效的并行解缠绕实现方法，从而高效的实现载波相位估计。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种载波相位估计方法和装置，解决了现有并行解缠绕方法实现复杂、电路规模大、延迟大、功耗大等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种载波相位估计装置，所述装置包括：信号四次方相角确定单元、累积相角跳变值确定单元、载波相位的补偿角度值确定单元；其中，

所述信号四次方相角确定单元，用于对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角；

所述累积相角跳变值确定单元，用于根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值；

所述载波相位的补偿角度值确定单元，用于根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值。

上述方案中，所述信号四次方相角确定单元具体用于：

对接收到的频偏补偿后的信号取四次方，得到四次方信号；

将所述四次方信号取均值，确定四次方信号相角。

上述方案中，所述累积相角跳变值确定单元包括相角差分子单元、取整子单元、累加子单元，其中：

所述相角差分子单元，用于对所述四次方信号相角进行差分，确定差分相角；

所述取整子单元，用于将所述差分相角取整，确定相角跳变值；

所述累加子单元，用于累加所述相角跳变值，并将所述累加后的相角跳变值模4，确定累积相角跳变值。

上述方案中，所述载波相位的补偿角度值确定单元包括解缠绕载波相位值确定子单元、补偿单元；其中，

所述解缠绕载波相位值确定子单元，用于将所述四次方信号相角与所述累积相角跳变值的和除以4，确定解缠绕载波相位值；

所述补偿单元，用于对所述解缠绕载波相位值进行补偿，确定载波相位的补偿角度值。

上述方案中，所述补偿单元具体用于：将所述解缠绕载波相位值加上1/8转，得到载波相位的补偿角度值。

本发明实施例还提供了一种载波相位估计方法，所述方法包括：

对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角；

根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值；

根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值。

上述方案中，所述对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角包括：

对接收到的频偏补偿后的信号取四次方，得到四次方信号；

将所述四次方信号取均值，确定四次方信号相角。

上述方案中，所述根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值包括：

对所述四次方信号相角进行差分，确定差分相角；

将所述差分相角取整，确定相角跳变值；

累加所述相角跳变值，并将所述累加后的相角跳变值模4，确定累积相角跳变值。

上述方案中，所述根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值包括：

将所述四次方信号相角与所述累积相角跳变值的和除以4，确定解缠绕载波相位值；

对所述解缠绕载波相位值进行补偿，确定载波相位的补偿角度值。

上述方案中，所述对所述解缠绕载波相位值进行补偿，确定载波相位的补偿角度值包括但不限于：将所述解缠绕载波相位值加上1/8转，得到载波相位的补偿角度值。

本发明实施例所提供的载波相位估计方法和装置，先对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角；再根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值；然后根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值。如此，能够解决现有并行解缠绕方法实现时存在的复杂、电路规模大、延迟大、功耗大等问题。

附图说明

图1为典型的四次方相位估计方法流程示意图；

图2为实施例载波相位估计装置结构示意图；

图3为本发明实施例解缠绕载波相位值确定子单元算法结构示意图；

图4为本发明实施例解缠绕载波相位值确定子单元二进制算法结构示意图；

图5为本发明实施例载波相位估计方法流程示意图；

图6为本发明实施例确定累积相角跳变值方法流程示意图。

具体实施方式

对接收系统经过均衡和偏振解复用以及频偏补偿之后的信号进行四次方后，第k个符号的四次方信号的相位可以表示为4θ_s(k)+4θ_n+4θ_ASE，4θ_s(k)模上2π之后的值为π，所以，进行四次方运算可以去掉符号调制相位。为了减小噪声影响，可将四次方信号进行滑动平均滤波，再求平均滤波后信号的复数相位，之后进行角度解缠绕，以及除以4，最终得到估计的相位值。图1为典型的四次方相位估计方法流程示意图。

目前的相干光通信系统大多采用QPSK作为调制格式，为了进一步提高传输容量，可以采用更高阶的调制格式，如16正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)，基本步骤为：先进行对符号进行四次方，然后根据幅值对该符号进行分组，例如分为三组；去掉分在第II组的四次方信号，保留第I、III组点，进行滑动平均；之后求复数相角，解决缠绕等。但是，现有解缠绕方式大多数为串行运算，或较为复杂的并行运算，如现有的典型并行解缠绕分为两个步骤实现：第一步，并行段内相偏调整；第二步，并行段间相偏调整；具体实现的解缠绕电路实现结构复杂，且延迟大。

针对上述问题，本发明实施例中提供了一种载波相位估计装置，所述装置包括：信号四次方相角确定单元、累积相角跳变值确定单元、载波相位的补偿角度值确定单元；其中，所述信号四次方相角确定单元，用于对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角；所述累积相角跳变值确定单元，用于根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值；所述载波相位的补偿角度值确定单元，用于根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值。

在实际应用中，由于128Gb/s偏振复用－四相相移键控(PM-QPSK)相干光通信接收机在均衡和偏振解复用后，有x偏振和y偏振两路信号，对x偏振信号和y偏振信号进行频偏补偿之后，还存在激光器线宽造成的相位误差分量，需要估计出相位误差，即需要计算载波相位的补偿角度值，并进行补偿。x偏振和y偏振两路信号需要分别进行相位估计，本发明实施例所述载波相位估计装置，输入信号为完成均衡和偏振解复用以及频偏补偿后的信号。对于偏振复用相干光通信系统，有x偏振和y偏振两个偏振信号的情况下，需要对每路信号独立地进行载波相位估计，因此，需要两个所述载波相位估计装置。

下面结合附图及具体实施例，对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述。图2为本发明实施例载波相位估计装置结构示意图，如图2所示，本发明实施例载波相位估计装置包括以下结构：信号四次方相角确定单元21、累积相角跳变值确定单元22、载波相位的补偿角度值确定单元23；其中，

所述信号四次方相角确定单元21，用于对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角；

本发明实施例中，所述接收到的信号为频偏补偿后的信号；所述信号四次方相角确定单元21具体用于：对接收到的频偏补偿后的信号取四次方，得到四次方信号；将所述四次方信号取均值，确定四次方信号相角，并将确定的四次方信号相角发送到累积相角跳变值确定单元22。

常用的角度单位包括：弧度(Radians)、度(Degrees)、转(Turns)等，各角度单位换算关系为：2π弧度＝360度＝1转。大多数通信系统中为了定点化实现方便，角度一般是采用转(Turns)为单位。本发明实施例中，角度同样采用转(Turns)为单位。

所述信号四次方相角确定单元21确定的四次方信号相角值范围为[0，1)转。本发明实施例中，设第k段符号四次方信号相角为θ_Nk+1,......,θ_Nk+N，其中N为并行度；

所述信号四次方相角确定单元21对四次方信号取均值时，对于QPSK/DQPSK调制系统，可以将四次方信号直接进行平均运算，对于16QAM调制信号，需要应用现有的一些改进四次方平均方法，比如去掉中等大小幅度的四次方信号，再进行平均运算。

本发明实施例中，以并行度N＝64为例，信号四次方相角确定单元21输入的信号为并行度为64的频偏补偿后信号；所述信号四次方相角确定单元21对输入信号进行四次方运算，并对四次方信号进行滑动平均滤波，所述对四次方信号进行滑动平均滤波为对所述四次方信号取均值。

对于高速符号流来说，相位噪声是慢变信号，在连续若干个符号内可以视为基本保持不变，因此，对于连续输入到算法的若干个符号，视其为一组，最终计算出的载波相位的补偿角度值为这一组的所有符号所共用。一般情况下，相邻几个符号的载波相位的补偿角度值相差不大，因此，为了减少工作量，还可以对对滑动平均滤波后的四次方信号，进行四抽一操作，只输出64/4＝16个平均滤波的四次方信号；四抽一的操作并非必须执行。当进行四抽一操作后，后续处理过程中各处理单元的并行度N为16；然后，对所述平均滤波后的四次方信号，求复数相位角；求复数相位角常可以采用Cordic等算法；最终，信号四次方相角确定单元21输出并行度为16的四次方相角给累积相角跳变值确定单元22。

所述累积相角跳变值确定单元22，用于根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值；

本发明实施例中，所述累积相角跳变值确定单元22包括：相角差分子单元221、取整子单元222、累加子单元223，相应地，所述信号四次方相角确定单元21将确定的四次方信号相角发送到累积相角跳变值确定单元22为：所述信号四次方相角确定单元21将确定的四次方信号相角发送到相角差分子单元221；具体的：

所述相角差分子单元221，用于对所述四次方信号相角进行差分，确定差分相角，并将所述差分相角发送到取整子单元222；

所述相角差分子单元221对所述四次方信号相角进行差分，确定差分相角包括：对相邻的两个四次方信号相角，进行减法运算，即前面四次方信号相角减去后面相邻的四次方信号相角，得到差分相角δ_Nk+i：

δ_Nk+i＝θ_Nk+i-θ_Nk+i-1；i＝1,......N；

其中，所述差分相角的取值范围为(-1，1)转。

仍然以上述例子为例，所述差分相角的第1个元素为：前一拍的四次方信号相角的最后1个元素减去四次方信号相角的第1个元素。当所述信号四次方相角确定单元21对滑动平均滤波后的四次方信号进行四抽一操作后，i的取值范围为：i＝2,…,16，差分相角的第i个元素为：四次方信号相角的第i-1个元素减去四次方信号相角的第i个元素。

所述取整子单元222，用于将所述差分相角取整，确定相角跳变值，并将所述相角跳变值发送到累加单元；

本发明实施例中，所述取整子单元222将差分相角按照四舍五入的方式进行取整。

所述取整子单元222将差分相角按照四舍五入的方式进行取整的具体实现方式为：将差分相角加上0.5，之后使用floor函数向下取整；所述取整子单元222取整后的值可能为-1、1、0，为得到非负整数的相角跳变值，所述取整子单元222将取整后的值模4，得到非负整数的相角跳变值△_Nk+1：

△_Nk+1＝mod(floor(θ_Nk+i+0.5),4)；i＝1,......N；

其中，floor表示下取整，mod(.,4)表示模4运算；所述非负整数的相角跳变值的取值范围为{3,1,0}；具体实现过程可以用2位无符号二进制数表示。

所述累加子单元223，用于累加所述相角跳变值，并将所述累加后的相角跳变值模4，确定累积相角跳变值；然后将所述累积相角跳变值发送到载波相位的补偿角度值确定单元23。

所述累加子单元223，其累加所述相角跳变值时，输入为并行度N的相角跳变值，输出为并行度N的累积相角跳变值。累加子单元223包括一个状态寄存器，和N个加和模块；这里，当所述信号四次方相角确定单元21对滑动平均滤波后的四次方信号进行四抽一操作后，并行度N为原来的1/4；即当N的初始值为64时，进行四抽一操作后，N＝16，所述累加子单元223包括16个加和模块；所述状态寄存器的初始值为0，第i个加和模块将状态寄存器值和相角跳变值第1至第i个元素值共i+1个数相加，得到累积相角跳变值的第i个元素η_Nk+i：

这里，i为1,2,…,N；mod(.,4)表示模4运算。在具体实现过程中，所述加和模块输入是一些2位无符号二进制数，输出也是2位无符号二进制数；所述加和模块的结果只保留低端2位，加和溢出部分舍弃，并将积相角跳变值的最后一个元素，即相角跳变值的第N个元素的值赋值给状态寄存器。

所述载波相位的补偿角度值确定单元23，用于根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值。

具体的，所述载波相位的补偿角度值确定单元23包括解缠绕载波相位值子单元231、补偿单元232，其中，

所述解缠绕载波相位值确定子单元231，用于将所述四次方信号相角与所述累积相角跳变值的和除以4，确定解缠绕载波相位值；

图3为本发明实施例解缠绕载波相位值确定子单元231算法结构示意图，如图3所示，所述解缠绕载波相位值确定子单元231将所述四次方信号相角θ_Nk+i与所述累积相角跳变值η_Nk+i的和除以4，确定解缠绕载波相位值；

图4为本发明实施例解缠绕载波相位值确定子单元231二进制算法结构示意图，如图4所示：θ_Nk+i为M位二进制数，η_Nk+i为二位二进制数，所述解缠绕载波相位值确定子单元231将二位的累积相角跳变值和M位四次方信号相角值进行合并，合并为M+2位二进制数，所述M+2位二进制数的高端2位为累积相角跳变值，其余的低端位为四次方信号相角值；本发明实施例中，所述将二位的累积相角跳变值和M位四次方信号相角进行合并实质上为将累积相角跳变值与四次方信号相角进行比特合并，累积相角作为高端比特，四次方信号相角作为低端比特。

所述补偿单元232，用于对所述解缠绕载波相位值进行补偿，确定载波相位的补偿角度值；包括：将所述解缠绕载波相位值加上1/8转，得到载波相位的补偿角度值。

本发明实施例中，为了保证最终确定的载波相位的补偿角度值位于四个象限之间，而不是位于四个坐标轴上，需要将所述解缠绕载波相位值加上1/8转，得到最终的载波相位的补偿角度值。

本发明实施例还提供了一种载波相位估计方法，图5为本发明实施例载波相位估计方法流程示意图，如图5所示，本发明实施例所述载波相位估计方法包括以下步骤：

步骤501：对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角；

本发明实施例中，所述用于对接收到的信号进行四次方运算，确定四次方信号相角包括：对接收到的频偏补偿后的信号取四次方，得到四次方信号；将所述四次方信号取均值，确定四次方信号相角。

常用的角度单位包括：弧度(Radians)、度(Degrees)、转(Turns)等，各角度单位换算关系为2π弧度＝360度＝1转。大多数通信系统中为了定点化实现方便，角度一般是采用转(Turns)为单位。本发明实施例中，角度同样采用转(Turns)为单位。

本发明实施例中，确定的四次方信号相角值范围为[0，1)转。这里，设第k段符号四次方信号相角为θ_Nk+1,......,θ_Nk+N，其中N为并行度；

本步骤中，对四次方信号取均值时，对于QPSK/DQPSK调制系统，可以将四次方信号直接进行平均运算，对于16QAM调制信号，需要应用现有的一些改进四次方平均方法，比如去掉中等大小幅度的四次方信号，再进行平均运算。

本发明实施例中，以并行度N＝64为例，首先对输入信号进行四次方运算，再对四次方信号进行滑动平均滤波，所述对四次方信号进行滑动平均滤波为对所述四次方信号取均值。

对于高速符号流来说，相位噪声是慢变信号，在连续若干个符号内可以视为基本保持不变，因此，对于连续输入到算法的若干个符号，视其为一组，最终计算出的载波相位的补偿角度值为这一组的所有符号所共用。一般情况下，相邻几个符号的载波相位的补偿角度值相差不大，因此，为了减少工作量，还可以对对滑动平均滤波后的四次方信号，进行四抽一操作，只输出64/4＝16个平均滤波的四次方信号；四抽一的操作并非必须执行。当进行四抽一操作后，后续处理过程中的并行度N为16；然后，对所述平均滤波后的四次方信号，进行求复数相位角；求复数相位角常可以采用Cordic等算法；最终，输出并行度为16的四次方相角。

步骤502：根据所述四次方相角，确定累积相角跳变值；

图6本发明实施例确定累积相角跳变值方法流程示意图，如图6所示，包括以下步骤：

步骤502A：对所述四次方信号相角进行差分，确定差分相角；

具体的，对相邻的两个四次方信号相角，进行减法运算，即前面四次方信号相角减去后面相邻的四次方信号相角，得到差分相角δ_Nk+i：

δ_Nk+i＝θ_Nk+i-θ_Nk+i-1；i＝1,......N；

其中，所述差分相角的取值范围为(-1，1)转。

仍然以上述例子为例，所述差分相角的第1个元素为：前一拍的四次方信号相角的最后1个元素减去四次方信号相角的第1个元素。当所述信号四次方相角确定单元21对滑动平均滤波后的四次方信号进行四抽一操作后，i的取值范围为：i＝2,…,16，差分相角的第i个元素为：四次方信号相角的第i-1个元素减去四次方信号相角的第i个元素。

步骤502B：将所述差分相角取整，确定相角跳变值；

具体的，将差分相角按照四舍五入的方式进行取整。具体实现方式为：将差分相角加上0.5，之后使用floor函数向下取整；所述取整子单元222取整后的值可能为-1、1、0，为得到非负整数的相角跳变值，所述取整子单元222将取整后的值模4，得到非负整数的相角跳变值△_Nk+1：

△_Nk+1＝mod(floor(θ_Nk+i+0.5),4)；i＝1,......N；

其中，floor表示下取整，mod(.,4)表示模4运算；所述非负整数的相角跳变值的取值范围为{3,1,0}；具体实现过程可以用2位无符号二进制数表示。

步骤502C：累加所述相角跳变值，并将所述累加后的相角跳变值模4，确定累积相角跳变值；

具体的，累加所述相角跳变值时，输入为并行度N的相角跳变值，输出为并行度N的累积相角跳变值。这里，当所述信号四次方相角确定单元21对滑动平均滤波后的四次方信号进行四抽一操作后，并行度N为原来的1/4；即当N的初始值为64时，进行四抽一操作后，N＝16，从而需要16个加和模块；所述状态寄存器的初始值为0，第i个加和模块将状态寄存器值和相角跳变值第1至第i个元素值共i+1个数相加，得到累积相角跳变值的第i个元素η_Nk+i：

这里，i为1,2,…,N；mod(.,4)表示模4运算。在具体实现过程中，所述加和模块输入是一些2位无符号二进制数，输出也是2位无符号二进制数；所述加和模块的结果只保留低端2位，加和溢出部分舍弃，并将积相角跳变值的最后一个元素，即相角跳变值的第N个元素的值赋值给状态寄存器。

步骤503：根据所述四次方信号相角以及所述累积相角跳变值，确定载波相位的补偿角度值；

具体的，首先将所述四次方信号相角与所述累积相角跳变值的和除以4，确定解缠绕载波相位值；然后对所述解缠绕载波相位值进行补偿，确定载波相位的补偿角度值。

所述将所述四次方信号相角与所述累积相角跳变值的和除以4，确定解缠绕载波相位值的二进制算法为：将二位的累积相角跳变值和M位四次方信号相角值进行合并，合并为M+2位二进制数，所述M+2位二进制数的高端2位为累积相角跳变值，其余的低端位为四次方信号相角值。本发明实施例中，所述将二位的累积相角跳变值和M位四次方信号相角进行合并实质上为将累积相角跳变值与四次方信号相角进行比特合并，累积相角作为高端比特，四次方信号相角作为低端比特。

所述对所述解缠绕载波相位值进行补偿，确定载波相位的补偿角度值包括：将所述解缠绕载波相位值加上1/8转，得到载波相位的补偿角度值。

本发明实施例中，为了保证最终确定的载波相位的补偿角度值位于四个象限之间，而不是位于四个坐标轴上，需要将所述解缠绕载波相位值加上1/8转，得到最终的载波相位的补偿角度值。

图2中所示的载波相位估计装置中的各处理单元的实现功能，可参照载波相位估计方法的相关描述而理解。本领域技术人员应当理解，图2所示的载波相位估计装置中各处理单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现，比如：可由中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)实现；所述存储单元也可以由各种存储器、或存储介质实现。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法、装置，可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其他形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

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：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明实施例上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的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，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明是实例中记载的载波相位估计方法、装置和系统只以上述实施例为例，但不仅限于此，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。