CN101442365B - 相位偏差估计器、相干接收机和相位偏差估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及相位偏差估计器、相干接收机和相位偏差估计方法。该相位偏差估计器估计输入的基带电信号中的相位偏差,并反馈所述相位偏差,所述相位偏差估计器包括:预判器,所述预判器用于根据反馈的所述相位偏差,判断所述基带电信号中的数据的相位;相位偏差复值提取部,用于根据所述预判器的判断结果提取所述相位偏差的实部和虚部;相位偏差确定部,用于根据所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的实部和虚部,确定所述相位偏差;时延反馈部,用于将所述相位偏差延时N个符号,并将延时后的所述相位偏差反馈给所述预判器,其中,N为大于1的整数。
Description
技术领域
本发明涉及光通信,更具体地,涉及相干接收机。
背景介绍
随着对光通信***的容量要求和灵活性要求的逐步提高,相干光通信技术变得越来越重要。和已在光通信领域得到广泛应用的非相干技术(比如“开-关”键控,on-off key,OOK)或自相干技术(如差分四相相移键控DQPSK)相比,相干技术有如下优点:3dB的光信噪比(OSNR)增益;可以方便地采用均衡技术;可以采用更高效的调制技术(如正交调制QAM)。和电相干技术一样,光相干接收机也需要一个装置来恢复载波相位。随着电子器件技术的发展,光通信采用了越来越多的数字技术以解决在光领域很难解决的问题。Dany-Sebastien Ly-Gagnon等在OFC2005 OTuL4中介绍了使用数字信号处理技术的光相干接收机。他们使用基于数字信号处理的前向相位估计来取代在实际中很难实现的光锁相环。图1示出了现有技术的光相干接收机的示意图。如图所示,光混频器102、本振激光器103、光电检测器104,105和模数转换器(ADC)106,107构成了相干接收机的前端处理部118。它将光输入信号101变成基带数字电信号I+jQ 108(后文也称基带电信号),其中I是同相分量,Q是正交分量。由于没有锁相环,基带电信号108既包含了数据信息,也包含了载波和本振之间的相位偏差。相位偏差估计器109估计上述相位偏差,输出估计值113。取辐角器110用于得到复数输入的辐角,即得到基带电信号108的相位111,相位111是数据相位和相位偏差之和。减法器112将相位偏差113从相位111中减去,得到相位数据119。最后数据恢复部114输出恢复后的数据值。相位偏差估计器109由串接的4次方器116、平均器117、取辐角器115和除以4部120构成。在高速光通信***中,信号的速率很高,比如40GHz。这样高速的信号对接收机中的数字信号处理硬件的运算能力提出了很高的要求。从另一角度说,现有的数字信号处理硬件的运算能力也制约了光数字相干接收机的实现和应用。现有方法的相位偏差估计器包含了对复数的4次方的运算。相对于加减法和逻辑运算,这样的乘法运算的复杂度是相当高的。
基于以上情况,迫切需要一种简化的相位偏差估计方法,尤其是没有乘法运算的方法来降低对数字信号处理硬件的处理能力的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的上述问题作出,以解决现有技术中的一个或更多问题。
根据本发明的第一方面,提供了一种相位偏差估计器,所述相位偏差估计器估计输入的基带电信号中的相位偏差,并反馈所述相位偏差,所述相位偏差估计器包括:预判器,所述预判器用于根据反馈的所述相位偏差,判断所述基带电信号中的数据的相位;相位偏差复值提取部,用于根据所述预判器的输出提取所述相位偏差的实部和虚部;相位偏差确定部,用于根据所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的实部和虚部,确定所述相位偏差;时延反馈部,用于将所述相位偏差延时N个符号,并将延时后的所述相位偏差反馈给所述预判器,其中,N为大于1的整数。
根据本发明的第二方面,提供了一种根据本发明第一方面的相位偏差估计器,其中所述相位偏差复值提取部如下地提取所述相位偏差的实部w1和虚部w2:在所述预判器判断出所述数据相位为π/4时,w1=Q-I,w2=I+Q;在所述预判器判断出所述数据相位为3π/4时,w1=-Q-I,w2=Q-I;在所述预判器判断出所述数据相位为5π/4时,w1=I-Q,w2=-I-Q;在所述预判器判断出所述数据相位为7π/4时,w1=Q+I,w2=I-Q;其中,I为所述输入的基带电信号的同相分量,Q为所述输入的基带电信号的正交分量;所述相位偏差确定部包括:第一去噪声装置,用于去除所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的实部中的噪声;第二去噪声装置,用于去除所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的虚部中的噪声;取辐角器,用于获取由经所述第一去噪声装置去除了噪声的实部和经所述第二去噪声装置去除了噪声的虚部所组成的复数信号中的辐角,将所述辐角确定为所述相位偏差。
根据本发明的第三方面,提供了一种根据本发明第二方面的相位偏差估计器,其中,所述第一去噪声装置和所述第二去噪声装置都是平均器,所述平均器用于针对N个符号进行算术平均。
根据本发明的第四方面,提供了一种根据本发明第一方面的相位偏差估计器,所述预判器包括:相位偏差消除部,从所述基带电信号中消除被反馈的所述相位偏差;数据相位确定部,确定经所述相位偏差消除部消除了被反馈的所述相位偏差后的所述基带电信号中的数据相位。
根据本发明的第五方面,提供了一种根据本发明第四方面的相位偏差估计器,所述相位偏差消除部包括:取辐角器,其用于获得所述基带电信号的辐角;和减法器,从所述取辐角器所获得的辐角中去除被反馈的相位偏差;所述数据相位确定部包括2π取模器和求商取整部;所述2π取模器对经所述相位偏差消除部消除了被反馈的所述相位偏差之后的所述基带电信号进行2π取模运算,将其限制在0到2π之间;所述求商取整部将经2π取模器限制在0到2π之间之后的所述基带电信号除以预定值,并获取商的整数部分。
根据本发明的第六方面,提供了一种根据本发明第五方面的相位偏差估计器,其中所述预定值为π/2或2π/5。
根据本发明的第七方面,提供了一种根据本发明第四方面的相位偏差估计器,其中所述相位偏差消除部包括:取辐角器,其用于获得所述基带电信号的辐角;和减法器,从所述取辐角器所获得的辐角中去除被反馈的相位偏差;所述数据相位确定部包括:2π取模器,所述2π取模器对经所述相位偏差消除部消除了被反馈的所述相位偏差之后的所述基带电信号进行2π取模运算,将其限制在0到2π之间;第一判断部,用于将所述2π取模器的输出与第一阈值进行比较;减法部,在所述2π取模器的输出大于所述第一阈值时,将所述2π取模器的输出减去所述第一阈值;第二判断部,将所述减法部的输出与第二阈值进行比较;查表确定部,通过查表,根据所述第一判断部和所述第二判断部的输出确定所述基带电信号中的数据相位。
根据本发明的第八方面,提供了一种根据本发明第四方面的相位偏差估计器,所述相位偏差消除部为复数乘法部,将所述基带电信号向与所述相位偏差相反的方向旋转与所述相位偏差相同的大小;所述数据相位确定部包括:取实部器,用于获取所述复数乘法部的复数输出的实部;第一判决器,用于判断所述取实部器所获取的实部的符号;取虚部器,用于获取所述复数乘法部的复数输出的虚部;第二判决器,用于判断所述取虚部器所获取的虚部的符号;查表确定部,通过查表,根据所述第一判决部和所述第二判决部的输出确定所述基带电信号中的数据相位。
根据本发明的第九方面,提供了一种相干接收机,其特征在于,所述接收机包括根据本发明第一至第八方面中的任一种相位偏差估计器。
根据本发明的第十方面,提供了一种相位偏差估计方法,所述相位偏差估计方法估计基带电信号中的相位偏差,并反馈所述相位偏差,所述相位估计方法包括以下步骤:预判步骤,所述预判步骤用于根据反馈的所述相位偏差,判断所述基带电信号中的数据的相位;相位偏差复值提取步骤,用于根据所述预判步骤的判断结果提取所述相位偏差的实部和虚部;相位偏差确定步骤,用于根据所述相位偏差复值提取步骤所提取出的相位偏差的实部和虚部,确定所述相位偏差;时延反馈步骤,用于将所述相位偏差延时N个符号,并反馈延时后的所述相位偏差,供所述预判步骤使用,其中,N为大于1的整数。
根据本发明的又一方面,提供了一种相干接收机,所述相干接收机包括前端处理部、依据所述第五至第七方面中的任一种相位偏差估计器、接收机减法部、数据恢复部,所述接收机减法部将所述相位偏差估计器的预判器中的取辐角器的输出与相位偏差确定部所确定出的相位偏差相减,并将相减结果输出到所述数据恢复部。
根据本发明的又一方面,提供了一种计算机程序,该计算机程序被计算机或逻辑器件执行时,可以使所述计算机或所述逻辑器件实现第一至第八方面所述的相位偏差估计器或第十方面所述的相位偏差估计方法。
本发明还提供了一种计算机存储介质,该计算机存储介质用于存储上述计算机程序。
附图说明
在以下结合附图的详细说明中,本发明的以上及其它特征、优点将变得更加清楚。在附图中:
图1示出了现有技术的光相干接收机;
图2示出了依据本发明的实施方式的相位偏差估计器;
图3示出了本发明的预判器的结构;
图4示出了应用了本发明的相位偏差估计器的一种实施方式的光相干接收机;
图5示出了应用了本发明的相位偏差估计器的另一种实施方式的光相干接收机;
图6示出了利用了本发明的相干接收机的光通信***;以及
图7示出了依据本发明的相位偏差估计方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细的描述。这些描述都是示例性和解释性的,不是对本发明的保护范围的限制。
图2示出了依据本发明的相位偏差估计器的示意结构。其输入是由相干接收机的前端处理部118(参见图1)输出的基带电信号108,即I+jQ=exp(jθd+jθ)。一般情况下,基带电信号108即包含了数据信息θd,也包含了载波与本振之间的相位偏差θ。本发明的相位偏差估计器的作用在于估计出该相位偏差θ。下面的说明以QPSK调制方式,即θd∈π/4,3π/4,5π/4,7π/4,为例。
首先基带电信号108被输入到预判器202。预判器202根据当前的基带电信号108和N(N为大于1的正整数)个符号以前的相位偏差213,对所传输的信息进行大致的判断,输出预判值204(即指明初步估计出的数据相位的信号),其将作为开关控制信号去控制选路开关203。由于相位偏差用的是N个符号以前的,这样的判断只能是大致的判断,而其值也称为预判值。当进行初始判断时,可以将初始相位偏差设为0。预判值可以为0,1,2,3;分别表示θd=π/4,3π/4,5π/4,7π/4。选路开关203根据开关控制信号204将基带电信号108连接到相位偏差复值提取部209的输入端口205、206、207或208。相位偏差复值提取部209得到用复数表示的相位偏差exp(jθ)的实部w2和虚部w1。其原理说明如下:
当数据信息θd=π/4时,预判器的输出204为0,选路开关203将基带电信号1 08(即,I+jQ=exp(jθd+jθ))连接到输入端口205。在相位偏差复值提取部209中,计算w1=Q-I;w2=I+Q,即
w1=sin(π/4+θ)-cos(π/4+θ);w2=sin(π/4+θ)+cos(π/4+θ),即
当数据相位为其他值时,利用图2中所示的算法,根据类似的分析也可得到
然后由去噪声装置去除所估计出的虚部和实部中的噪声。去噪声装置例如可由平均器210实现。平均器210是一个简单的对N个符号进行算术平均的装置,可用于去掉噪声。取辐角器211取得经平均后的复数w2+jw1=(cos(θ)+jsin(θ))=exp(jθ)的辐角θ并输出,即相位偏差113。相位偏差113即作为相位偏差估计器的输出,又经过时延装置212产生N个符号的时延后,送给预判器202供下一次使用。
在上面的说明中,预判器202与控制选路开关203分立地实现,但它们也可集成在一起。另外,控制选路开关203也可以与相位偏差复值提取部209集成在一起。预判器202、控制选路开关203、相位偏差复值提取部209、平均器210、取辐角器211都可以由具有智能编程能力的数字器件实现,如MCU、CPU、可编程逻辑器件等。
下面介绍预判器的具体实施方式。图3示出了预判器的几种实施方式。图3A所示的预判器202包括取辐角器214、减法器215、Mod 2π器(2π取模器)216和floorπ/2器217。取辐角器214得到基带电信号108的辐角,即θd+θ,减法器21 5从该辐角中减去N个符号前的相位偏差213θ″(如前所述,在初始工作时,可以设θ″=0)。在相位偏差缓变的情况下θ≈θ″,减法器215的输出大致上为数据相位θd。取辐角器214和减法器215对应于本发明的相位偏差消除部。
Mod 2π器216对减法器215的输出进行2π取模运算,将其限制在0到2π之间,输出经限制后的数据相位。floorπ/2器217先将该数据相位除以π/2(应注意,这里π/2只是示例性的,其比较易于实现。但也可采取其它的值,如2π/5等,只要取整后能够得到开关控制信号即可),然后取商的整数部分并输出,得到开关控制信号204。由此,当θd=π/4,3π/4,5π/4,7π/4时,预判器的输出204分别为0,1,2,3,与前文描述一致。
图3B所示的预判器202包括复数乘法部218、取实部器221、取虚部器219、判决器222,220和逻辑转换表223。复数乘法部218将复数基带电信号108(即,I+jQ=exp(jθd+jθ))乘以exp(-jθ),得到去掉相位偏差后的信号(即,exp(jθd)=cos(θd)+jsin(θd))。其中θ是复数乘法部218的另一输入,即星座旋转角度(也即相位偏差,通过反馈得到)。复数乘法部218对应于本发明的相位偏差消除部。取虚部器219得到复数乘法器218的输出的虚部,当该虚部大于等于零时,判决器220输出逻辑1,当该虚部小于零时输出逻辑0。取实部器221和判决器222的结构分别与取虚部器219和判决器220类似。取实部器221得到复数乘法部218的输出信号的实部,当该实部大于等于零时,判决器222输出逻辑1,当该实部小于零时输出逻辑0。该逻辑转换表223将判决器222、220输出的逻辑值转换为开关控制信号204。当判决器222、220的输出逻辑值为1,1时,逻辑转换表223输出0;当判决器222、220的输出逻辑值为0、1时,逻辑转换表223输出1;当判决器222、220的输出逻辑值为0、0时,逻辑转换表223输出2;当判决器222、220的输出逻辑值为1,0时,逻辑转换表223输出3。
图3C所示的预判器202包括取辐角器214、减法器215、Mod 2π器216、第一判断部224、减法器225、第二判断部226以及查表部227。第一判断部224判断Mod 2π器216的输出(即经限制的数据相位)是否小于π。如果小于π,则进入判断部226;如果不小于π,则在部件225中减去π后进入第二判断部226。第二判断部226判断其输入是否小于π/2,并输出判断值。查表部227根据判断部224,226的判断结果,输出开关控制信号204。其转换关系例如如图所示。应注意,此处的π/2和π都只是示例性的,不是对本发明的限制。
此外,在所述相干接收机或相位偏差估计器具有频差估计装置时,在根据图3A和3C所示的预判器中,还可以包括第二减法器或第二复数乘法器,该第二减法器或第二复数乘法器用于消除从所述相干接收机的频差估计装置输入的由频差所导致的相位差。所述频差补偿装置例如可以是C.R.S.Fludge等在2006年提出的频差估计装置(IEEE photonicsTechnology Letters,Volume:19,Issue:6,Page 366-368)。当然,所述第二减法器或所述第二复数乘法器与图3A-3C现在示出的减法器或复数乘法部可以是同一个。也就是说,如图3D-3F所示,可以将频差估计装置估计出的频差导致的相位与反馈的相位也输入到图3A-3C现在示出的减法器或复数乘法部中。在图3D-3F中,213’和θ’即由频差估计装置估计出的频差。在这种情况下,在相位偏差估计器中,在时延装置212之前,可以增加减法器,减去所述频差估计装置估计出的由频差导致的N个符号的相差变化。
在本相位偏差估计器中,主要进行加减法运算或逻辑运算,大大简化了运算复杂度,实现了本发明的主要目的。即便在预判器中使用复数乘法器,也比现有技术的技术方案要简单得多。
此外,本相位偏差估计器可以处理0到2π之间的相位偏差,即取辐角器211的输出113的范围达到0到2π,避免了90度模糊的问题;而图1所示的公知方法由于除以4部的存在,只能估计0到π/2。
图4给出了应用本相位偏差估计器的光相干接收机。其结构和图1所示的结构没有什么大的区别,只是用本发明的相位偏差估计器301取代以往的估计器109。
图5给出了另一个应用本相位偏差估计器的光相干接收机结构。和图3所给的结构相比,图3中的取辐角器110和相位偏差估计器301内预判器202中的取辐角器214被合并成一个取辐角器214,其他没有区别。
图6给出了利用本发明的光相干接收机的光通信***。该***包括发射机501、光纤链路506和接收机505。光纤链路506可以包含一个或多个节点502,光纤503,放大器504。除本发明的光相干接收机505外,以上各部分均可由公知技术构成。如“Optical Differential QuadraturePhase-Shift Key(oDQPSK)for High Capacity Optical Transmission”R.A.Griffin等,OFC 2002,所公开的发射机技术。
图7示出了依据本发明的相位偏差估计方法的一个实施例。如图7所示,依据本发明的相位偏差估计方法包括预判步骤,所述预判步骤用于根据反馈的所述相位偏差,判断所述基带电信号中的数据的相位;相位偏差复值提取步骤,用于根据所述预判器的输出提取所述相位偏差的实部和虚部;相位偏差确定步骤,用于根据所述相位偏差复值提取步骤所提取出的相位偏差的实部和虚部,确定所述相位偏差;时延反馈步骤,用于将所述相位偏差延时N个符号,并反馈延时后的所述相位偏差,供所述预判步骤使用,其中,N为大于1的整数。
所述预判步骤例如可以由图3A-图3F中的预判器来实现。所述相位偏差复值提取步骤例如可以由相位偏差复值提取部209利用图2所示的公式来计算完成。所述相位偏差确定步骤例如可以通过本发明图2所示的平均器210和取辐角器211来实现。时延反馈步骤例如可以通过图2所示的时延装置212来完成。
本发明的上述装置也可以由计算机软件实现,该计算机软件可以使计算机实现上述的装置的功能,或使计算机执行上述方法中的步骤。所述计算机例如可以是包括CPU、ROM、输入输出装置、硬盘、RAM等的通用计算机,也可以是专用的计算机。所述计算机程序可以是单个计算机程序,也可是由多个计算机程序组成的程序组。
所述计算机程序或计算机程序组可保存在计算机可读存储介质上。所述计算机可读存储介质例如可以是CD、DVD、软盘、闪存、磁带等本领域技术人员所知的各种介质。
本领域的技术人员应该能够意识到,可以根据需要对本发明进行各种修改和变型。只要这些修改和变型落入了所附权利要求书的范围之内,就为本发明所覆盖。
Claims (10)
1.一种相位偏差估计器,所述相位偏差估计器估计输入的基带电信号中的相位偏差,并反馈所述相位偏差,所述相位偏差估计器包括:
预判器,所述预判器用于根据反馈的所述相位偏差,判断所述基带电信号中的数据的相位;
相位偏差复值提取部,用于根据所述预判器的判断结果提取所述相位偏差的实部和虚部;
相位偏差确定部,用于根据所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的实部和虚部,确定所述相位偏差;
时延反馈部,用于将所述相位偏差延时N个符号,并将延时后的所述相位偏差反馈给所述预判器,其中,N为大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的相位偏差估计器,其中所述相位偏差复值提取部如下地提取所述相位偏差的虚部w1和实部w2:
在所述预判器判断出所述数据相位为π/4时,w1=Q-I,w2=I+Q;
在所述预判器判断出所述数据相位为3π/4时,w1=-Q-I,w2=Q-I;
在所述预判器判断出所述数据相位为5π/4时,w1=I-Q,w2=-I-Q;
在所述预判器判断出所述数据相位为7π/4时,w1=Q+I,w2=I-Q;
其中,I为所述输入的基带电信号的同相分量,Q为所述输入的基带电信号的正交分量;
所述相位偏差确定部包括:
第一去噪声装置,用于去除所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的实部中的噪声;
第二去噪声装置,用于去除所述相位偏差复值提取部所提取出的相位偏差的虚部中的噪声;
取辐角器,用于获取由经所述第一去噪声装置去除了噪声的实部和经所述第二去噪声装置去除了噪声的虚部所组成的复数信号中的辐角,将所述辐角确定为所述相位偏差。
3.根据权利要求2所述的相位偏差估计器,其特征在于,所述第一去噪声装置和所述第二去噪声装置都是平均器,所述平均器用于针对N个符号进行算术平均。
4.根据权利要求1所述的相位偏差估计器,所述预判器包括:
相位偏差消除部,从所述基带电信号中消除被反馈的所述相位偏差;
数据相位确定部,确定经所述相位偏差消除部消除了被反馈的所述相位偏差后的所述基带电信号中的数据相位。
5.根据权利要求4所述的相位偏差估计器,其特征在于,
所述相位偏差消除部包括:
取辐角器,其用于获得所述基带电信号的辐角;和
减法器,从所述取辐角器所获得的辐角中去除被反馈的相位偏差;
所述数据相位确定部包括2π取模器和求商取整部;所述2π取模器对经所述相位偏差消除部消除了被反馈的所述相位偏差之后的所述基带电信号进行2π取模运算,将其限制在0到2π之间;所述求商取整部将经2π取模器限制在0到2π之间之后的所述基带电信号除以预定值,并获取商的整数部分。
6.根据权利要求5所述的相位偏差估计器,其特征在于,所述预定值为π/2或2π/5。
7.根据权利要求4所述的相位偏差估计器,其特征在于,
所述相位偏差消除部包括:
取辐角器,其用于获得所述基带电信号的辐角;和
减法器,从所述取辐角器所获得的辐角中去除被反馈的相位偏差;
所述数据相位确定部包括:
2π取模器,所述2π取模器对经所述相位偏差消除部消除了被反馈的所述相位偏差之后的所述基带电信号进行2π取模运算,将其限制在0到2π之间;
第一判断部,用于将所述2π取模器的输出与第一阈值进行比较;
减法部,在所述2π取模器的输出大于所述第一阈值时,将所述2π取模器的输出减去所述第一阈值;
第二判断部,将所述减法部的输出与第二阈值进行比较;
查表确定部,通过查表,根据所述第一判断部和所述第二判断部的输出确定所述基带电信号中的数据相位。
8.根据权利要求4所述的相位偏差估计器,其特征在于,
所述相位偏差消除部为复数乘法部,将所述基带电信号向与所述相位偏差相反的方向旋转与所述相位偏差相同的大小;
所述数据相位确定部包括:
取实部器,用于获取所述复数乘法部的复数输出的实部;
第一判决器,用于判断所述取实部器所获取的实部的符号;
取虚部器,用于获取所述复数乘法部的复数输出的虚部;
第二判决器,用于判断所述取虚部器所获取的虚部的符号;
查表确定部,通过查表,根据所述第一判决部和所述第二判决部的输出确定所述基带电信号中的数据相位。
9.一种相干接收机,其特征在于,所述接收机包括权利要求1-8任一项所述的相位偏差估计器。
10.一种相位偏差估计方法,所述相位偏差估计方法估计基带电信号中的相位偏差,并反馈所述相位偏差,所述相位估计方法包括以下步骤:
预判步骤,所述预判步骤用于根据反馈的所述相位偏差,判断所述基带电信号中的数据的相位;
相位偏差复值提取步骤,用于根据所述预判步骤的判断结果提取所述相位偏差的实部和虚部;
相位偏差确定步骤,用于根据所述相位偏差复值提取步骤所提取出的相位偏差的实部和虚部,确定所述相位偏差;
时延反馈步骤,用于将所述相位偏差延时N个符号,并反馈延时后的所述相位偏差,供所述预判步骤使用,其中,N为大于1的整数。
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