CN102148795A - 一种载波相位估计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种通信技术领域载波相位估计方法及装置，包括：根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P，P为大于零的自然数；对所述信号进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；若Q等于1，则所述信号的相位估计结果为最终载波信号估计结果；若Q大于1，则计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。本发明实施例实现了对非等间隔的高阶调制格式的信号的准确相位估计，在相位估计中有效减小了噪声的影响，以及解决了误码扩散及并行实现困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种载波相位估计方法及装置。
背景技术
正交幅度调制(QAM，quadrature amplitude modulation)技术目前已被广泛应用于各种数字通信领域。在QAM中，对信号调制载波的幅度和相位进行传输，用n表示离散时刻点，T表示离散时间间隔，QAM信号可以被表示为
S(t)＝An·exp(ωt+θn+θ0)
其中An和θn分别表示t＝n·T时刻信号调制的幅度和相位，ω表示载波的频率，θ0表示载波的初始相位。
相干通信***的接收端需要通过相干去除载波信息并进行均衡。理想情况下，均衡后的信号仅存在噪声的干扰，可以表示为
C(t)＝An·exp(θn)+n(t)
对均衡后的信号进行幅度和相位的检测即可进行解调，恢复出原始的发送序列。
然而，在现实情况下，由于信号接收端和发送端的载波不可能采用同源的振荡器，因此相干后的信号相位存在残留频偏和相偏的干扰，同时，信道传输过程也会伴随产生相位噪声。用θc来表示上述原因导致的相位影响，均衡后的信号可以表示为
C(t)＝An·exp(θn+θc)+n(t)
因此，需要对均衡后的信号进行载波相位θc的估计和补偿，去除θc后才能解调恢复出原始发送序列。
与本发明相关的现有技术一采用维特比非线性载波相位估计算法，该维特比非线性载波相位估计算法是一种非判决反馈型载波相位估计算法，如图1中所示，通过非线性的M次方计算，去除信号中的调制信息，然后滑窗平均，再应用函数arg()求相位，应用unwrap去跳周处理，最后除以M次方得到最后相位估计结果。
现有技术一的方案只适用于星座图上相位等间隔的调制方式，比如MPSK，不适用于星座图上相位非等间隔的8QAM、16QAM等调制方式。
与本发明相关的现有技术二如下：
现有技术方案二将16QAM信号分为两类Class I和Class II，如图2中所示，横纵坐标分别表示复信号的实部幅度和虚部的值幅度，其中Class I相位等间隔分布，Class II相位非等间隔分布。在载波相位估计和补偿时，如果信号为Class I，则进行4次方计算去除调制信息，再应用函数arg()求相位，应用unwrap去跳周处理，最后除以M次方作为当前估计的相位，计算当前估计的相位与上一时刻估计的相位的差值，对差值进行累加，累加的和补偿到所述当前估计的相位中对当前信号进行补偿，并作为当前载波相位估计结果输出；如果信号为Class II，则取之前接收到的最后一个Class I的相位估计值作为当前的估计相位，然后计算当前估计相位与上一时刻估计相位的差值，对差值进行累加，累加的和对信号进行相位补偿，并作为当前时刻的相位估计结果输出。
发明人在实现本发明过程中发现，现有技术二至少存在如下缺点：
在相位估计时只用当前信号单独进行估计，受噪声影响大，估计结果不准确；相位估计后对差值进行累加，本质是一个IIR滤波器，会造成***性能的不稳定，带来误码扩散，同时，IIR滤波器会导致并行实现困难。
因此，现有技术载波相位估计方法对于非等间隔的高阶调制格式的信号相位估计不准确，受噪声影响，存在误码扩散及并行实现困难的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种载波相位估计方法及装置，实现了对非等间隔的高阶调制格式的信号的准确相位估计。
本发明实施例是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供一种载波相位估计方法，包括：
根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；
对所述信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；
若Q等于1，则所述信号的相位估计结果为最终载波信号估计结果；若Q大于1，则计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。
本发明实施例还提供一种载波相位估计装置，包括：
信号分类单元，用于根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上的Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；
相位估计单元，用于所述信号分类单元分类后确定属于Q类中一类的信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；若Q等于1，则所述信号的相位估计结果为最终载波信号估计结果；
平均值计算单元，用于在Q大于1时，计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例实现了对非等间隔的高阶调制格式的信号的准确相位估计，在相位估计中有效减小了噪声的影响，以及解决了误码扩散及并行实现困难的问题。
附图说明
图1为现有技术维特比非线性载波相位估计算法示意图；
图2为现有技术16QAM信号分类示意图；
图3为本发明实施例载波相位估计方法流程图；
图4为本发明实例一星座分类示意图；
图5为本发明实例一非判决反馈的维特比非线性载波相位估计方法示意图；
图6为本发明实例二星座分类示意图；
图7为本发明实例二非判决反馈的维特比非线性载波相位估计方法示意图；
图8为本发明实例三星座分类示意图；
图9为本发明实例三非判决反馈的维特比非线性载波相位估计方法示意图；
图10为本发明实例四星座分类示意图；
图11为本发明实例四非判决反馈的维特比非线性载波相位估计方法示意图；
图12为本发明实施例载波相位估计装置结构示意图；
图13为本发明实施例载波相位估计装置中相位估计单元结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一个实施例提供一种载波相位估计方法，以图3中所示为例，包括如下步骤：
步骤30：根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；
其中，步骤30中，所述信号为载波信号经过混频器和模数转换器(ADC，Analog-to-Digital Conventer)处理后的基带信号，也就是在对载波信号进行相位估计时，先将载波信号经过混频器和模数转换器处理，得到基带信号，再对基带信号进行如上述步骤的处理得到载波相位估计结果。
所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类是指：对于一个***，其QAM星座图是固定的，将所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；
所述根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上Q类中的一类包括：将所述信号的功率或幅度与所述QAM星座图上Q类中各类的功率或幅度相比，若与其中某一类的差值在规定范围内，则确定所述信号属于该某一类。
所述信号的功率可通过将所述信号乘以其共轭得到，所述信号的幅度可通过将乘以共轭后的信号开方得到，本发明实施例对此不做限制。
步骤31：对所述信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；
也就是，对步骤30中确定属于QAM星座图上Q类中的一类的信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移的操作。
其中，步骤31中，所述维特比非线性载波相位估计方法为非判决反馈的维特比非线性载波相位估计方法，该载波相位估计方法包括：
首先，对所述信号进行M次方处理，M取值等于所述信号将所述星座图相位等分数；
其次，对M次方处理后的信号进行FIR滤波处理；该FIR滤波处理相对于IIR可以抑制噪声，避免误码扩散及并行实现困难的问题；
再次，对FIR滤波后的信号求相位及去跳周处理，再除以M次方得到该信号的相位估计结果。
其中，在对所述信号进行M次方处理之后任一步执行减去初始相位偏移的操作，例如，可以在FIR滤波前/后减去初始相位偏移，或在除以M后减去初始相位偏移等等。
若Q等于1，则执行步骤32；若Q大于1，则执行步骤33；
步骤32：所述信号的相位估计结果作为最终载波信号估计结果；
步骤33：计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。
其中，在步骤33中，所述计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果，可实现平均或加权平均后抑制噪声干扰，得到更准确的载波相位估计结果。本发明实施例对计算平均值及加权平均值的方法不做限定。
本发明实施例所述载波相位估计方法适用于8QAM及16QAM等相位非等间隔的高阶调制格式的信号相位估计。
本发明实施例实现了对非等间隔的高阶调制格式的信号的准确相位估计，在相位估计中有效减小了噪声的影响，以及解决了误码扩散及并行实现困难的问题。
为进一步理解本发明，下面以具体实施例对本发明实施例所述的载波相位估计方法进行详细描述。
实例一：如图4中所示为16QAM星座图，被分为2类，实线标明的内圈和外圈共8个星座点组成类型一，中间虚线标明的一圈星座点组成类型二。其中类型一的8个星座点含有4种相位，即M为4，分别是pi/4，3*pi/4，5*pi/4，7*pi/4，满足等间隔分布条件，初始相位偏移为pi/4，类型二的8个星座点不满足等间隔分布条件，不参与相位估计计算。如图5所示为图4所述16QAM载波相位估计实现结构示意图，本实施例以按照信号的功率进行分类进行说明，首先对信号进行共轭处理，得到该信号的功率，之后比较器比较该信号的功率与图4所示星座图中的类型一星座点的功率的差值，本实施例采用一个比较器，则该比较器可以确定一个差值范围，当所述信号的功率与类型一星座点的功率的差值在该确定的范围内时，则可确定该信号属于类型一，例如与类型一的外圈或内圈功率差值在该确定的范围内，则比较器的比较值得到正值，后续对该信号按照该比较器对应的一路的等间隔分布处理方法处理，即对该信号4次方处理后去除调制信号，然后采用FIR滤波器滤波，对FIR滤波后的信号求相位及去跳周处理，再除以4次方，并减去初始相位偏移pi/4，得到该信号的相位估计结果。若该信号与类型一星座点的功率差值不在该确定的范围内，则可确定该信号不属于等间隔分布信号，不对该信号进行处理，即对于非等间隔分布的信号不参与载波相位估计过程。本实施例中由于等间隔分布的只有一类，因此不需要执行平均或加权平均过程，上述过程得到的相位估计结果即为载波相位估计结果。
实例二：如图6中所示的星座图，16QAM被分为3类，实线标明的外圈4个星座点组成类型一，实线标明的内圈4个星座点组成类型二，中间虚线标明的一圈星座点组成类型三非等间隔分布。类型一的4个星座点和类型二的4个星座点分别含有4种相位，M取值为4，分别是pi/4，3*pi/4，5*pi/4，7*pi/4，满足等间隔分布条件，且两路的初始相位偏移均为pi4。因此，如图7中所示为图6所述16QAM载波相位估计实现结构示意图，对类型一和类型二分为两路，采用实例一中的按功率分类方法，确定信号所属类别，本实例中采用两个比较器，对于接收的信号，两个比较器均进行比较，其中第一个比较器对应的支路为对归属于类型一信号的处理过程；第二比较器对应的支路为对归属于类型二信号的处理过程；若第一比较器比较后确定属于类型一，则该第一比较器得到正值，执行其对应的支路的操作，此时第二比较器的比较结果必然是负值，则不执行第二比较器对应的支路的操作。若两个比较器比较值均为负值，则说明该信号属于类型三的非等间隔信号，不参与相位估计处理。对两路信号均采用等间隔分布处理方法处理，对类型一及类型二两路的处理方法均为4次方后去除调制信号，然后采用FIR滤波器滤波，对FIR滤波后的信号求相位及去跳周处理，再分别除以4次方，并减去初始相位偏移pi/4，得到该信号的相位估计结果，最后然后计算两路加权平均值得到最终的相位估计结果，例如，来一个信号后按功率确定属于类型一，则采用维特比非线性载波相位估计方法进行相位估计，并减去初始相位偏移，由于存在两路等间隔分布处理过程，因此需要计算两路结果的加权平均值，得到最终载波相位估计结果。
实例三：如图8中所示的星座图，8QAM被分为2类，实线标明的外圈4个星座点组成类型一，虚线标明的内圈4个星座点组成类型二。类型一的4个星座点含有4种相位，M取值为4，分别是0，pi/2，pi，3*pi/2，满足等间隔分布条件，初始相位偏移为0。类型二的4个星座点含有4种相位，M取值也为4，分别是pi/4，3*pi/4，5*pi/4，7*pi/4，也满足等间隔分布条件，初始相位偏移位pi/4。因此，如图9中所示为图8所述8QAM载波相位估计实现结构示意图，采用实例二中的按功率分类方法，确定信号所属类别，对两路信号均采用等间隔分布处理方法处理，类型二所在的一路减去初始相位偏移pi/4，类型一初始相位偏移为0，由于存在两路等间隔分布处理过程，因此在输出相位估计结果前，需要计算两路结果的加权平均值得到最终的载波相位估计结果。
实例四：如图10中所示的星座图，16APSK被分为2类，实线标明的外圈12个星座点组成类型一，虚线标明的内圈4个星座点组成类型二。类型一的12个星座点含有12种相位，分别是pi/12，3*pi/12，5*pi/12，7*pi/12，9*pi/12，11*pi/12，13*pi/12，15*pi/12，17*pi/12，19*pi/12，21*pi/12，23*pi/12，满足等间隔分布条件，初始相位偏移为pi/12。类型二的4个星座点含有4种相位，分别是pi/4，3*pi/4，5*pi/4，7*pi/4，也满足等间隔分布条件，初始相位偏移位pi/4。因此，如图11中所示为图10所述8QAM载波相位估计实现结构示意图，采用实例二中的按功率分类方法，确定信号所属类别，对两路信号均采用等间隔分布处理方法处理，类型一对应的M取值为12，类型二对应的M取值为4，类型一减去初始相位偏移pi/12，类型二减去初始相位偏移pi/4，然后计算两路结果的加权平均值得到最终的载波相位估计结果。
本发明实施例还提供一种载波相位估计装置，如图12中所示，该载波相位估计装置包括：
信号分类单元120，用于根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上的Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；本发明一种实施例所述信号分类单元130可以为比较器，该比较器将所述信号的功率或幅度与所述QAM星座图上Q类中各类的功率或幅度相比，若与其中某一类的差值在规定范围内，则确定所述信号属于该某一类。
相位估计单元121，用于所述信号分类单元分类后确定属于Q类中一类的信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；若Q等于1，则所述信号的相位估计结果为最终载波信号估计结果；
平均值计算单元122，用于在Q大于1时，计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。
如图13中所示，可选地，本发明实施例所述相位估计单元121可以进一步包括：
幂次方处理子单元1211，用于信号进行M次方处理，M取值等于所述信号将所述星座图相位等分数；
FIR滤波器1212，用于对M次方处理后的信号进行FIR滤波处理；应用该FIR滤波器能够抑制噪声，减小噪声干扰，避免误码扩散及并行实现困难的问题。
相位估计子单元1213，用于对FIR滤波后的信号求相位及去跳周处理，再除以M次方；
初始相位偏移处理子单元1214，用于在所述信号进行M次方处理后的任一步骤减去初始相位偏移。
本发明实施例实现了对非等间隔的高阶调制格式的信号的准确相位估计，在相位估计中有效减小了噪声的影响，以及解决了误码扩散及并行实现困难的问题。
综上所述，本发明实施例实现了对非等间隔的高阶调制格式的信号的准确相位估计，在相位估计中有效减小了噪声的影响，以及解决了误码扩散及并行实现困难的问题。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一计算机可读存储介质中，例如只读存储器(简称ROM)、随机存取存储器(简称RAM)、磁盘、光盘等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种载波相位估计方法，其特征在于，包括：
根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；
对所述信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；
若Q等于1，则所述信号的相位估计结果为最终载波信号估计结果；若Q大于1，则计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上Q类中的一类包括：
将所述信号的功率或幅度与所述QAM星座图上Q类中各类的功率或幅度相比，若与其中某一类的差值在规定范围内，则确定所述信号属于所述某一类。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计包括：
对所述信号进行M次方处理，M取值等于所述信号将所述星座图相位等分数；
对M次方处理后的信号进行FIR滤波处理；
对FIR滤波后的信号求相位及去跳周处理，再除以M次方。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适用于8QAM及16QAM信号。
5.一种载波相位估计装置，其特征在于，包括：
信号分类单元，用于根据信号的功率或幅度确定所述信号属于QAM星座图上的Q类中的一类，所述QAM星座图上的信号按功率或幅度大小分为P类，其中P类中的Q类符合相位等间隔分布，Q小于等于P大于等于1，P为大于零的自然数；
相位估计单元，用于所述信号分类单元分类后确定属于Q类中一类的信号采用维特比非线性载波相位估计方法进行载波相位估计以及减去初始相位偏移，得到所述信号的相位估计结果；若Q等于1，则所述信号的相位估计结果为最终载波信号估计结果；
平均值计算单元，用于在Q大于1时，计算Q类所述信号的相位估计结果的平均值或加权平均值作为最终载波相位估计结果。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号分类单元为比较器，用于将所述信号的功率或幅度与所述QAM星座图上Q类中各类的功率或幅度相比，若与其中某一类的差值在规定范围内，则确定所述信号属于所述某一类。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述相位估计单元包括：
幂次方处理子单元，用于信号进行M次方处理，M取值等于所述信号将所述星座图相位等分数；
FIR滤波器，用于对M次方处理后的信号进行FIR滤波处理；
相位估计子单元，用于对FIR滤波后的信号求相位及去跳周处理，再除以M次方；
初始相位偏移处理子单元，用于在所述信号进行M次方处理后的任一步骤减去初始相位偏移。
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