一种正交幅度调制信号相位恢复方法及装置与流程

本发明涉及光通信技术领域，更具体地，涉及一种正交幅度调制信号相位恢复方法及装置。

背景技术：

目前，随着互联网、云计算、LTE以及物联网的飞速发展，各种新型应用不断涌现且用户数目持续增长，客户业务需求不断变化，数据流量不断攀升，对网络的带宽、业务快速提供、网络灵活性等方面都提出了更高的需求。这就迫切要求作为流量承载主体的光传输网络数据速率更加可变、调制格式更加多样以及频谱资源分配更加灵活，以实现综合动态连接带宽、频谱效率和功率效率等多需求最佳适配，灵活适应业务和网络性能变化。

为了实现上述具有自适应波特率、可调带宽、灵活调制格式和高频谱效率的超高速灵活光传输，目前最为理想的解决方式是采用高阶偏振复用正交幅度调制(PM-mQAM)格式的相干光纤通信技术，并在系统的接收端采用数字信号处理技术来补偿各种损伤。然而，随着调制阶数升高，激光器线宽引入的相位噪声对系统性能的影响愈加凸显，严重限制着系统性能。现有技术中，一般采用盲相位搜索(BPS)及其改进的多级BPS算法进行相位恢复，BPS算法采用大量测试相位对原始信号进行相位估计，以选择出最佳测试相位作为信号相位估计结果。

由于BPS算法需采用大量测试相位来保证相位估计精度，因此引入的复乘运算导致算法复杂度很高，不易于实现；并且BPS算法需要针对不同的调制格式进行硬判决，进一步增加了计算复杂度和处理时延，不利于其在超高速灵活光传输系统中的应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的算法复杂度高的问题，本发明实施例提供一种信号相位恢复方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种正交幅度调制信号相位恢复方法，包括：

对正交幅度调制信号进行相位搜索，其中，所述相位搜索包括：S1、基于预设的分块规则，将正交幅度调制信号分成多个信号数据块并对每个信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；S2、计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

根据所述目标预设角度，计算每个信号数据块的相位估计值；

根据所述相位估计值恢复正交幅度调制信号相位。

其中，所述对正交幅度调制信号进行相位搜索包括：

对正交幅度调制信号进行多次相位搜索，直至达到预设相位搜索次数。

其中，所述对正交幅度调制信号进行多次相位搜索，直至达到预设相位搜索次数包括：

S1至S2，且在S2之后，还包括S3至S6：

S3、基于预设的分块规则，对各信号数据块分别进行分块；

S4、对分块后得到的各信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；

S5、计算分块后得到的各信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

S6、重复执行S3至S5，直至达到预设相位搜索次数。

其中，S5中预设角度的个数小于S1中预设角度的个数；且每次重复执行S3至S6时，S5中新增预设角度的个数小于前一次执行时预设角度的个数。

其中，所述预设的分块规则为：将正交幅度调制信号按连续N个为一块分为K块，N为预设正整数；所述多个信号数据块为K个信号数据块，且每个信号数据块包含的信号数据的个数相同为N。

其中，所述计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度包括：

根据预设角度旋转后每个信号数据块中的各信号数据的实部和虚部，计算得到所述各信号数据相对于预设理想星座点的实部误差和虚部误差；

在各预设角度下，将每个信号数据块的各信号数据相对于预设理想星座点的实部误差和虚部误差相加，得到经各预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和；

确定误差值总和最小时对应的目标预设角度。

其中，所述根据所述目标预设角度计算每个信号数据块的相位估计值包括：

以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立坐标系；

根据所述目标预设角度，选定所述坐标系内所述目标预设角度对应的点以及所述坐标系下另两个不同的预设角度对应的点；

根据所述坐标系内所述目标预设角度对应的点分别与所述坐标系下另两个不同的预设角度对应的点的线性关系，计算相位估计值。

其中，所述根据所述相位估计值恢复正交幅度调制信号相位包括：

对每个信号数据块的相位估计值进行解卷绕得到每个信号数据块的相位估计结果；

根据所述相位估计结果对所述每个信号数据块进行相位补偿，恢复所述正交幅度调制信号相位。

另一方面，本发明实施例提供了一种正交幅度调制信号相位恢复装置，包括：

搜索模块，用于对正交幅度调制信号进行相位搜索，其中，所述搜索模块包括：调整子模块，用于基于预设的分块规则，将正交幅度调制信号分成多个信号数据块并对每个信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；处理子模块，用于计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

计算模块，用于根据所述目标预设角度，计算每个信号数据块的相位估计值；

恢复模块，用于根据所述相位估计值恢复正交幅度调制信号相位。

其中，所述搜索模块具体用体用于：

对正交幅度调制信号进行多次相位搜索，直至达到预设相位搜索次数。

本发明实施例提供的正交幅度调制信号相位恢复方法及装置，通过对正交幅度调制信号进行相位搜索得到相位估计值，再由相位估计值对正交幅度调制信号进行相位恢复，在相位搜索中简化了搜索过程，降低了算法复杂度，使得相位恢复过程更为简便和高效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种信号相位恢复方法流程图；

图2为本发明实施例提供的相位搜索方法流程图；

图3为本发明实施例提供的另一相位搜索方法流程图；

图4为本发明实施例提供的PM-16QAM的BER与OSNR的关系曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的PM-64QAM的BER与OSNR的关系曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的PM-256QAM的BER与OSNR的关系曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的相位估计偏差与误差值的关系曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的一种信号相位恢复装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1、图2为本发明实施例提供的一种信号相位恢复方法流程图，如图1所示，该方法包括：

S101，对正交幅度调制信号进行相位搜索，其中，所述相位搜索包括：S1、基于预设的分块规则，将正交幅度调制信号分成多个信号数据块并对每个信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；S2、计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

S102，根据所述目标预设角度，计算每个信号数据块的相位估计值；

S103，根据所述相位估计值恢复正交幅度调制信号相位。

S101中，所述正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)信号为已经频偏恢复后的QAM信号，可以理解的是，QAM信号在相位恢复之前，需对QAM信号进行正交不平衡补偿、固定色散补偿、时钟同步、均衡与偏振解复用、频偏估计与补偿等预处理。

S101中，所述相位搜索得到相位估计值为按照一定计算规则，从试探角度中选取与实际相位噪声最接近的值作为相位噪声的估计值。

S102中，根据所述目标预设角度，计算每个信号数据块的相位估计值为根据目标预设角度确定目标预设角度对应的点，再由对应的点以及该点附近的左右两点通过线性逼近的方法计算相位估计值。其中，对应的点以及对应的点左右两点的选取是根据以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立的坐标系中选取的。

S103中，根据相位估计值恢复正交幅度调制信号相位为根据S101中计算的相位估计值进行解卷绕，对原QAM信号相位补偿，相位补偿后的QAM信号即为相位恢复后的QAM信号。

如图2所示，S101中相位搜索包括：

S1、基于预设的分块规则，将正交幅度调制信号分成多个信号数据块并对每个信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；

S2、计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

S1中，所述预设的分块规则为在对QAM信号进行处理之前预设的对QAM信号分块的规则，一般的为：总长度为K的数据按连续N个为一块分为K块，N为预设正整数，即将QAM信号分为K份信号数据块，使得每个信号数据块包含N个信号数据，其中K>N，且K、N为预设值。

S1中，所述预设角度为选取的试探角度，所选试探角度其中i表示第几个试探角度，B₁为预设试探角度数量。

S2中，计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和为确定每个信号数据块中经过预设角度旋转后的各信号数据相对于预设理想星座点的实部误差和虚部误差，再将实部误差和虚部误差相加得到总误差，最后再将每个信号数据块中的各信号数据的总误差相加得到每个信号数据块的误差值总和。目标预设角度即为上述误差值总和最小时对应的预设角度。

以下对本发明实施例进行举例说明，但不限制本发明的保护范围。例如对16QAM信号进行相位恢复，其过程包括：对频偏恢复后的16QAM信号进行分块，将16QAM信号分成65536个信号数据块，分成的每个信号数据块中有100个信号数据，对65536个信号数据块的100个信号数据分别做5个预设角度的旋转，预设角度为和

计算每个信号数据块中的100个信号数据经5个角度旋转后的实部误差为e_1,i,k,R，虚部误差为e_1,i,k,I，将实部误差和虚部误差相加得到总误差e_1,i,k＝e_1,i,k,I+e_1,i,k,R，再将每个信号数据块中的100个信号数据的总误差e_1,i,k相加得到误差值总和e_1,i，其中i代表第几个旋转角度，例如1代表2代表3代表4代表5代表对任意某个数据块，比较e_1,i的大小，得到e_1,3最小，即对应的目标预设角度为

以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立坐标系，在坐标系中找出目标预设角度对应的点以及对应的左右两点和根据和通过直线交点法计算每个数据块的相位估计值。

对65536个数据块的相位估计值进行解卷绕，再对65536个信号数据块的信号数据进行相位补偿，得到65536个相位恢复后的16QAM复数信号。

本发明实施例通过对正交幅度调制信号进行相位搜索得到相位估计值，再由相位估计值对正交幅度调制信号进行相位恢复，在相位搜索中简化了搜索过程，以较少的试探角度和简便的搜索过程降低了相位搜索的复杂度，适合高速灵活光传输系统中接收端DSP处理应用。

在上述实施例的基础上，对正交幅度调制信号进行相位搜索包括：

对正交幅度调制信号进行多次相位搜索，直至达到预设相位搜索次数。

具体的，对正交幅度调制信号进行相位搜索包括对正交幅度调制信号进行一次相位搜索或多次相位搜索，具体的搜索次数可根据需要进行自由设置。

优选的，对正交幅度调制信号进行两次相位搜索。例如对16QAM信号进行相位恢复过程中，设置相位搜索次数为两次，即按照图2所述实施例的相位搜索过程进行第一次相位搜索后再进行第二次相位搜索，对任意某个数据块，若第一次相位搜索为将16QAM信号分成65536个信号数据块，分成的每个信号数据块中有100个信号数据，对65536个信号数据块的100个信号数据分别做5个预设角度的旋转，预设角度为和相位搜索的结果为对应目标预设角度为对应的点以及左右两点为和则第二次搜索过程中则对16QAM信号重新分块和重新预设试探角度，将16QAM信号分为65536个信号数据块，每个信号数据块中有80个信号数据，对每个数据块中的80个信号数据进行4个预设角度的旋转，预设角度为和

计算每个信号数据块中的80个信号数据经4个角度旋转后的实部误差为e_2,i,k,R，虚部误差为e_2,i,k,I，将实部误差和虚部误差相加得到总误差e_2,i,k＝e_2,i,k,I+e_2,i,k,R，再将80个信号数据的总误差e_2,i,k相加得到误差值总和e_2,i，其中i代表第几个旋转角度，例如1代表2代表3代表和4代表比较e_2,i的大小，得到e_2,3最小，即对应的目标预设角度为

以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立坐标系，在坐标系中找出目标预设角度对应的点以及对应的左右两点和根据和通过直线交点法计算每个数据块的相位估计值。

对65536个数据块的相位估计值进行解卷绕，再对65536个信号数据块的信号数据进行相位补偿，得到65536个相位恢复后的16QAM信号。

本发明实施例通过设置相位搜索次数，能更精确的对QAM信号进行相位恢复，提高相位恢复的准确性。

在图1和图2所述实施例的基础上，所述对正交幅度调制信号进行多次相位搜索，直至达到预设相位搜索次数包括：

S1至S2，且在S2之后，还包括S3至S6，如图3所示：

S3、基于预设的分块规则，对各信号数据块分别进行分块；

S4、对分块后得到的各信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；

S5、计算分块后得到的各信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

S6、重复执行S3至S5，直至达到预设相位搜索次数。

具体的，将预设相位搜索次数设置为两次，并使用两次相位搜索对16QAM信号、64QAM信号和256QAM信号进行相位恢复，如图4、图5和图6所示：

图4为本发明实施例提供的相位恢复方法与现有BPS算法处理16QAM复数信号时的BER与OSNR曲线的对比图。由图4可以看出，本发明实施例提供的相位恢复方法性能上优于现有BPS算法，并且本发明实施例提供的相位恢复方法在相位搜索过程中仅需要7个试探角度就能使得性能优于现有BPS算法，而现有BPS算法需要32个测试相位，即相比于传统BPS算法，本发明所提出的相位恢复算法复杂度大大降低。

图5为本发明实施例提供的相位恢复方法与现有BPS算法处理64QAM信号时的BER与OSNR曲线的对比图。由图5可以看出，本发明实施例提供的相位恢复方法性能上优于现有BPS算法，并且本发明实施例提供的相位恢复方法在相位搜索过程中仅需要9个试探角度就能使得性能优于现有BPS算法，而现有BPS算法需要64个测试相位，即相比于传统BPS算法，本发明所提出的相位恢复算法复杂度大大降低。

图6为本发明实施例提供的相位恢复方法与现有BPS算法处理256QAM信号时的BER与OSNR曲线的对比图。由图5可以看出，本发明实施例提供的相位恢复方法性能上优于现有BPS算法，并且本发明实施例提供的相位恢复方法在相位搜索过程中仅需要11个试探角度就能使得性能优于现有BPS算法，而现有BPS算法需要64个测试相位，即相比于传统BPS算法，本发明所提出的相位恢复算法复杂度大大降低。

根据上述的相位恢复对于不同制式的QAM信号的处理效果与现有BPS算法的处理效果对比，本发明实施例提供的相位恢复方法能在大大降低算法复杂度的情况下，提高性能，适合超高速灵活光传输系统中接收端DSP处理算法。

在上述实施例的基础上，S5中所述多个预设角度区别于S1中所述多个预设角度；且每次重复执行S4至S7时，S5中新增所述多个预设角度。

具体的，S1中预设角度的取值根据预设角度个数，一般的设为S5中预设角度的设定为根据第一次搜索计算的目标预设角度和目标预设角度左右两个角度决定的区间中进行选取，一般的，若第一次搜索计算的目标预设角度为φ_1,s，则取值区间为(φ_1,s-1,φ_1,s)和(φ_1,s,φ_1,s+1)。其中，在区间(φ_1,s-1,φ_1,s)内，预设角度一般为区间(φ_1,s,φ_1,s+1)内，预设角度一般为其中，B₁和B₂为预设的试探角度个数，B₂一般设为正偶数。

相对于S1中的预设角度，S5中的预设角度与其不同，并且是在S1其中几个的预设角度区域内新增预设角度，可以理解的是，每增加一次预设角度，搜索范围更窄，搜索精度更高。

在图1和图2所述实施例的基础上，所述预设的分块规则为：总长度为K的数据按连续N个为一块分为K块，N为预设正整数，即将QAM信号分为K份信号数据块，使得每个信号数据块包含N个信号数据，其中K>N。

具体的，根据需要进行相位恢复的QAM数据总长度确定分成的信号数据块个数，根据QAM调制格式确定每个每个数据块的长度，保证分成的每个信号数据块中包含的信号数据的个数适当，本领域技术人员可根据实际情况确定信号数据个数，本实施例不限定每个信号数据块中包含的信号数据个数的具体值。

在图1和图2实施例的基础上，所述计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度包括：

根据预设角度旋转后每个信号数据块中的各信号数据的实部和虚部，计算得到所述各信号数据相对于预设理想星座点的实部误差和虚部误差；

在各预设角度下，将每个信号数据块的各信号数据相对于预设理想星座点的实部误差和虚部误差相加，得到经各预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和；

确定误差值总和最小时对应的目标预设角度。

具体的，设经过预设旋转后的信号实部为虚部为若处理的信号最高阶为256QAM时，根据算得信号数据相对于预设理想星座点的实部误差e_1i,k,，同样的，根据算得信号数据相对于预设理想星座点的虚部误差e_1,i,k,I。

将实部误差e_1,i,k,R和虚部误差e_1,i,k,I相加得到总误差e_1,i,k＝e_1,i,k,I+e_1,i,k,R，再根据公式算得每个信号数据块在此预设角度下的各信号数据误差值总和，其中N为预设每个信号数据块包含的信号数据个数，i代表第几个试探角度。

在误差值总和e_1,i中找出误差值最小的一个值，并根据此时i的取值确定对应的试探角度为多少，即确定误差值总和最小时对应的目标预设角度。

本发明实施例通过在误差计算过程中采用简单的误差计算方法，不需要和调制格式关联的判决操作，不需要乘法操作，降低了复杂度和处理时延，能实现与调制格式无关的盲处理。

在图1和图2的基础上，所述根据所述目标预设角度计算每个信号数据块的相位估计值包括：

以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立坐标系；

根据所述目标预设角度(即误差值总和最小时对应的预设角度)，选定所述坐标系内所述目标预设角度对应的点以及所述坐标系下另两个不同的预设角度对应的点；

根据所述坐标系内所述目标预设角度对应的点分别与所述坐标系下另两个不同的预设角度对应的点的线性关系，计算相位估计值。

需要说明的是，如图7所示，图7为不同QAM调制格式相位估计偏差与误差值的关系曲线，从图中可以看出从QPSK到256QAM，每一种调制格式在零相位估计偏差附近的一定范围内，其相位估计值与误差值总和存在线性关系，因此我们可以通过相位搜索找出落在该线性区间内的且分布在两条直线上的三点，计算出两直线交点对应的角度值即是最终的相位估计值。

具体的，以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立坐标系，将预设角度的取值和对应的经过所述预设角度旋转后数据块的误差值总和在坐标系中以点的形式呈现。

在误差值总和最小时确定出对应的目标角度为φ_2,i，那么所述目标预设角度在所述坐标系上对应的点为(φ_2,s,e_2,s)，选定该点以及同一坐标系下的另外两点，一般的，在选取该点的左右各取一点，如(φ_2,s-1,e_2,s-1)和(φ_2,s+1,e_2,s+1)，其中φ_2,s-1＜φ_2,s＜φ_2,s+1。

那么根据选取的(φ_2,s,e_2,s)、(φ_2,s-1,e_2,s-1)和(φ_2,s+1,e_2,s+1)三点通过相位逼近的方法可求得最终的相位估计值。

若则求得最终的相位估计值为若则相位估计值

本发明实施例通过找到误差值总和最小时确定出对应的目标角度，从而选定分布在线性区间上的三点，再通过简单直线交点法计算相位估计值，计算方法简便、快捷并且估计精度高。

在上述实施例的基础上，根据所述相位估计值恢复正交幅度调制信号相位包括：

对每个信号数据块的相位估计值进行解卷绕得到每个信号数据块的相位；

按解卷绕得到的每个信号数据块的相位对信号进行相位补偿，恢复正交幅度调制信号相位。

其中，所述解卷绕为传统解卷绕操作，目的是克服跳周，所述相位补偿为根据相位估计值对原信号数据进行相位修正。具体的，对每个信号数据块的相位估计值进行解卷绕，再按解卷绕后的相位估计值进行相位补偿，得到相位恢复后的QAM信号，实现相位恢复。

可理解的是，在具体实施时，对信号数据进行相位估计之后，还可以对输出信号数据进行符号判决等处理，最终得到发端原始比特序列。

图8是本发明实施例提供的一种信号相位恢复装置，包括搜索模块1、计算模块2和恢复模块3，其中：

搜索模块1用于对正交幅度调制信号进行相位搜索，其中，所述搜索模块1包括：调整子模块11用于基于预设的分块规则，将正交幅度调制信号分成多个信号数据块并对每个信号数据块中的各信号数据进行多个预设角度的旋转；处理子模块12用于计算每个信号数据块中经过多个预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部误差值的总和，确定最小总和对应的目标预设角度；

计算模块2用于根据所述目标预设角度，计算每个信号数据块的相位估计值；

恢复模块3用于根据所述相位估计值恢复正交幅度调制信号相位。

具体的，调整子模块11对频偏恢复后QAM信号按照预设分块规则进行分块，使得分成的每个信号数据块中包含N个信号数据，再将每个信号数据块内的各信号数据作预设多个角度的旋转，得到旋转后各信号数据的实部和虚部。

处理子模块12将按照预设角度旋转后的各信号数据的实部和虚部与预设理想星座点进行比较，得到按照预设角度旋转后实部和虚部的误差值，将各个信号数据的实部和虚部误差相加得到各个信号数据的总误差，再将每个信号数据块内的各个信号数据总误差相加，得到每个信号数据块的总误差和，并确定总误差和最小时对应的目标预设角度。

计算模块2将目标预设角度代入以预设角度为横坐标，误差值总和为纵坐标建立的坐标系中，计算每个信号数据块的相位估计值。

恢复模块3再对每个信号数据块的相位估计值进行解卷绕，得到每个信号数据块的相位；再按解卷绕后的相位估计值进行相位补偿，得到相位恢复后的QAM信号，实现相位恢复。

本发明实施例提供的信号相位恢复装置通过搜索模块对正交幅度调制信号进行相位搜索得到相位估计值，再由恢复模块将相位估计值对正交幅度调制信号进行相位恢复，在相位搜索中简化了搜索过程，以较少的试探角度和简便的搜索过程降低了相位搜索的复杂度，适合高速灵活光传输系统中接收端DSP处理应用。

在图8所述实施例的基础上，所述搜索模块具体用体用于：

对正交幅度调制信号进行多次相位搜索，直至达到预设相位搜索次数。

搜索模块1可预设搜索次数达到对QAM信号进行多次相位搜索的目的，具体的搜索方法可参见上述实施例，此处不再赘述。

本发明实施例提供的搜索模块1通过设置相位搜索次数，能更精确的对QAM信号进行相位恢复，提高相位恢复的准确性。

需要说明的是，实施例公开的信号相位恢复装置与实施例公开的信号相位恢复方法相对应，本文不再详述信号相位恢复装置的效果及各模块的具体限定。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。