CN105933265B - 一种对qam信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法，提出一种基于改进的M次幂算法，矫正由于相位噪声引起的频率偏移和相位偏移，对于信号中含有的频偏和相偏成分，不依赖其他任何的数据信息，采用幂估计算法，通过逐步校正估计误差得到较为精确的输出信息，对估计过程进行简化，大大降低了计算复杂度；本发明在无需借助信噪比以及辅助数据信息的情况下，表现出良好的估计性能，为高速无线光通信QAM信号相位估计问题提供了一种简单而有效的解决方案。

Description

一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法

技术领域

本发明属于无线光通信领域，涉及高速无线光通信相位噪声估计与补偿问题，尤其涉及一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法。

背景技术

在可见光通信中，由于信道和噪声分布复杂，基本的调制方式性能不够理想，一些高效的调制方式如QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)一直备受关注。

任何数字信号调制的载波信号来说，其传输过程都有一定的载波频段，因此，在发送端，将数模转换后的信号调制到一定的频率上，通过传播媒介到达信号接收端。信号接收端解调时，首先对信号进行下变频从而将接收信号从频带信号下调为基带信号，而这一上变频和下变频的过程就需要晶体振荡器来实现。理论上，晶体振荡器在发送端和接收端产生相同的具有固定频率的振荡信号，然而实际上，收发端的晶体振荡器并不完全匹配，又受到周围环境如温度、湿度等条件的制约，导致在解调过程中产生频率差，即在定时恢复后的信号中仍存在载波频率漂移。

假设数据辅助的前导信息已知或增益已知，那么在高信噪比条件下，可以较容易的估算接近理想值的相位偏移值。但是，额外的辅助数据需要占用频谱资源，降低了***传输的有效性。

非数据辅助同步的相偏估计方面研究主要包括快似然函数估计算法、幂估计算法、直方图算法等。其中文献“Feedback blind phase synchronization for QAM signalsbased on circular harmonic decomposition”中的似然估计算法的均方误差接近理想值，然而此算法没有闭式解，因此计算量较大，难以进行实时处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法，简化了估计过程，减少了运算量，既能保证相位估计有较高的估计精度，又有较好运算效率。

本发明一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法，包括如下步骤：

步骤1、信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复的处理后得到含有载波频偏值f_e、相偏值θ的接收信号r_n，

步骤2、将接收信号r_n分为两路进行计算，一路进行角度计算，并对其4倍值进行4f_c倍补偿，归一化频偏f_cT的范围为[-1/8,1/8]，另外一路求得其幅值，然后进行合并计算；

步骤3、对合并后的数据进行求和运算，并求得求和后的数据集合的最大值，并求其角度值，得到此时估计的频偏值；

步骤4、利用该频偏值对接收信号r_n进行补偿，此时得到消除频率偏移量的样值信号r_nˊ；

步骤5、根据步骤4所得的样值信号r_nˊ计算相偏值，即对样值信号r_nˊ进行四次幂运算，并对幂运算后的样值之和进行求角度运算，得到初始的相偏粗估计值；

步骤6、利用该相偏粗估计值对样值信号r_nˊ进行补偿，对初始补偿后的信号进行八次幂运算，并对幂运算后的样值之和求角度运算，得到相偏细估计值；

步骤7、利用该相偏细估计值对初始相位噪声消除后的信号进行第三次补偿，输出经过相位噪声包括频偏和相偏纠正后的信号。

具体包括如下步骤：

步骤1、信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复的处理后得到含有载波频偏值f_e、相偏值θ的接收信号r_n：

式(1)中，d_n为发送信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，j 表示复信号的虚部，v_n为周期复高斯平稳噪声，θ为相偏值， n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤2、利用四次幂估计算法，将接收信号r_n进行四倍补偿，补偿范围为[-1/8,1/8]，每步步长为Δf，其中△f²≤18/(π²N³SNR),SNR 表示信噪比，N表示接收信号样值总数:

设经过相位的4次幂补偿后的信号模型为：

其中，r_com表示经4次幂补偿后的信号，r_n为接收信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，j表示复信号的虚部，θ为相偏值，f_c为理想频偏补偿值,f_cTn的取值搜索范围为[-1/8,1/8]，n＝1,2,3…N,N表示接收信号样值总数，设每步步长为Δf，根据步长和估计范围，计算步数M，I表示△f所划分的网格点数,为利用网格点数法估计的补偿频偏值，T为符号周期，利用克拉美罗界限制此时估计的方差则得到△f²≤18/(π²N³SNR)，表示克拉美罗界限制的频偏方差估计值，SNR表示信噪比，N表示接收信号样值总数；

步骤3、然后对公式(2)中求得的补偿后信号r_com进行求和运算,设求和后的值为r_sum：

求得能使r_sum最大的值的角度值，便是所需的频偏值f′_e,式(3)中 n＝1,2,3…N，N表示接收信号样值总数；

步骤4、利用步骤3所得的频偏值f′_e对接收的原始信号r_n进行初次相位补偿，补偿公式如式(2)所示，得到补偿后的信号r′_n:

公式(4)中，d_n为发送信号，j表示复信号的虚部，v_n为周期复高斯平稳噪声，θ为相偏值，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤5、将消除频偏后的信号即公式(4)中求得的r′_n进行四次幂并求其和，然后计算求和后的角度得到载波相偏粗估计值

公式(5)中M表示幂次，为4或8,arg{·} 表示求角度运算，r′_n为步骤4所求得的补偿后的信号，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤6、利用步骤5得到的相偏粗估计值对频偏补偿后信号r′_n进行第二次相位补偿，得到初始相位噪声消除后的信号，然后进行八次幂并求其和，测量和运算后的角度值，即为所求的相偏细估计值；

步骤7、利用该相偏细估计值对初始相位噪声消除后的信号进行第三次补偿，输出经过相位噪声包括频偏和相偏纠正后的信号。

本发明提出一种基于改进的M次幂算法，矫正由于相位噪声引起的频率偏移和相位偏移，对于信号中含有的频偏和相偏成分，不依赖其他任何的数据信息，采用幂估计算法，通过逐步校正估计误差得到较为精确的输出信息，对估计过程进行简化，大大降低了计算复杂度；本发明在无需借助信噪比以及辅助数据信息的情况下，表现出良好的估计性能，为高速无线光通信QAM信号相位估计问题提供了一种简单而有效的解决方案。

附图说明

图1为接收端数字调相信号解调示意图；

图2为本发明的流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

对于QAM信号解调***，接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换以及定时恢复频偏补偿等处理后得到含有载波相位噪声的接收信号r_n：

式(1)中，d_n为发送信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，v_n为周期复高斯平稳噪声，与r_n统计独立，θ为相偏值，n＝1,2,…,N，N 表示接收信号样值总数；式(1)中由于f_e和θ的存在，使得接收信号受到严重影响，导致无法进行判决。为了消除f_e和θ的干扰，必须对这两种参数进行估计，然后根据估计值对信号进行补偿，进而消除该影响。

QAM信号接收端解***况如图1所示，r(t)为发送信号，V(t)为噪声，接收端经过相干解调和下变频后得到基带信号，由于接收端硬件电路的时变特性，引起信号的相位抖动等损害，导致相位误差。因此要经过算法估计频偏值和相偏值，以达到正确解调的目的。

如图2所示，本发明一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法，包括如下步骤：

步骤1、信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复的处理后得到含有载波频偏值f_e、相偏值θ的接收信号r_n：

式(1)中，d_n为发送信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，j 表示复信号的虚部，v_n为周期复高斯平稳噪声，θ为相偏值， n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤2、利用四次幂估计算法，将接收信号r_n进行四倍补偿，补偿范围为[-1/8,1/8]，每步步长为Δf，其中△f²≤18/(π²N³SNR),SNR 表示信噪比，N表示接收信号样值总数:

设经过相位的4次幂补偿后的信号模型为：

其中，r_com表示经4次幂补偿后的信号，r_n为接收信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，j表示复信号的虚部，θ为相偏值，f_c为理想频偏补偿值，f_cTn的取值搜索范围为[-1/8,1/8]，n＝1,2,3…N，N 表示接收信号样值总数，设每步步长为Δf，根据步长和估计范围，计算步数M，I表示△f所划分的网格点数,为利用网格点数法估计的补偿频偏值,T为符号周期，利用克拉美罗界限制此时估计的方差则得到△f²≤18/(π²N³SNR)，表示克拉美罗界限制的频偏方差估计值，SNR表示信噪比，N表示接收信号样值总数；

步骤3、然后对公式(2)中求得的补偿后信号r_com进行求和运算, 设求和后的值为r_sum：

求得能使r_sum最大的值的角度值，便是所需的频偏值f′_e；公式(3) 中n＝1,2,3…N，N表示接收信号样值总数；

步骤4、利用步骤3所得的该频偏值f′_e对接收的原始信号r_n进行初次相位f′_e补偿，补偿公式如式(2)所示，得到补偿后的信号r′_n:

公式(4)中，d_n为发送信号，j表示复信号的虚部，v_n为周期复高斯平稳噪声，θ为相偏值，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤5、将消除频偏后的信号即公式(4)中求得的r′_n进行四次幂并求其和，然后计算求和后的角度得到载波相偏粗估计值

公式(5)中，M表示幂次，为4或8；arg{·}表示求角度运算，r′_n为步骤4所求得的补偿后的信号，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤6、利用步骤5得到的相偏粗估计值对频偏补偿后信号r′_n进行第二次相位补偿，得到初始相位噪声消除后的信号，然后进行八次幂并求其和，测量和运算后的角度值，即为所求的相偏细估计值；

步骤7、利用该相偏细估计值对初始相位噪声消除后的信号进行第三次补偿，输出经过相位噪声包括频偏和相偏纠正后的信号。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复的处理后得到含有载波频偏值f_e、相偏值θ的接收信号r_n，

步骤2、将接收信号r_n分为两路进行计算，一路进行角度计算，并对其4倍值进行4f_c倍补偿，归一化频偏f_cT的范围为[-1/8,1/8]，另外一路求得其幅值，然后进行合并计算；

步骤3、对合并后的数据进行求和运算，并求得求和后的数据集合的最大值，并求其角度值，得到此时估计的频偏值；

步骤4、利用该频偏值对接收信号r_n进行补偿，此时得到消除频率偏移量的样值信号r_nˊ；

步骤5、根据步骤4所得的样值信号r_nˊ计算相偏值，即对样值信号r_nˊ进行四次幂运算，并对幂运算后的样值之和进行求角度运算，得到初始的相偏粗估计值；

步骤6、利用该相偏粗估计值对样值信号r_nˊ进行补偿，对初始补偿后的信号进行八次幂运算，并对幂运算后的样值之和求角度运算，得到相偏细估计值；

步骤7、利用该相偏细估计值对初始相位噪声消除后的信号进行第三次补偿，输出经过相位噪声包括频偏和相偏纠正后的信号。

2.根据权利要求1所述的一种对QAM信号进行非数据辅助的相位噪声盲估计方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤1、信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复的处理后得到含有载波频偏值f_e、相偏值θ的接收信号r_n：

式(1)中，d_n为发送信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，j表示复信号的虚部，v_n为周期复高斯平稳噪声，θ为相偏值，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤2、利用四次幂估计算法，将接收信号r_n进行四倍补偿，补偿范围为[-1/8,1/8]，每步步长为Δf，其中△f²≤18/(π²N³SNR),SNR表示信噪比，N表示接收信号样值总数:

设经过相位的4次幂补偿后的信号模型为：

其中，r_com表示经4次幂补偿后的信号，r_n为接收信号，f_e为载波频偏值，T为符号周期，j表示复信号的虚部，θ为相偏值，f_c为理想频偏补偿值,f_cTn的取值搜索范围为[-1/8,1/8]，n＝1,2,3…N,N表示接收信号样值总数，设每步步长为Δf，根据步长和估计范围，计算步数M，I表示△f所划分的网格点数,为利用网格点数法估计的补偿频偏值，T为符号周期，利用克拉美罗界限制此时估计的方差则得到△f²≤18/(π²N³SNR)，表示克拉美罗界限制的频偏方差估计值，SNR表示信噪比，N表示接收信号样值总数；

步骤3、然后对公式(2)中求得的补偿后信号r_com进行求和运算,设求和后的值为r_sum：

求得能使r_sum最大的值的角度值，便是所需的频偏值f′_e,式(3)中n＝1,2,3…N，N表示接收信号样值总数；

步骤4、利用步骤3所得的频偏值f′_e对接收的原始信号r_n进行初次相位补偿，补偿公式如式(2)所示，得到补偿后的信号r′_n:

r′_n＝d_ne^jθ+v_n (4)；

公式(4)中，d_n为发送信号，j表示复信号的虚部，v_n为周期复高斯平稳噪声，θ为相偏值，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤5、将消除频偏后的信号即公式(4)中求得的r′_n进行四次幂并求其和，然后计算求和后的角度得到载波相偏粗估计值 公式(5)中M表示幂次，为4或8,arg{·}表示求角度运算，r′_n为步骤4所求得的补偿后的信号，n＝1,2,3,…,N，N表示接收信号样值总数；

步骤6、利用步骤5得到的相偏粗估计值对频偏补偿后信号r′_n进行第二次相位补偿，得到初始相位噪声消除后的信号，然后进行八次幂并求其和，测量和运算后的角度值，即为所求的相偏细估计值；

步骤7、利用该相偏细估计值对初始相位噪声消除后的信号进行第三次补偿，输出经过相位噪声包括频偏和相偏纠正后的信号。