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专利名称：一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210862012.X

专利申请（专利权）人：西安空间无线电技术研究所
权利人地址：陕西省西安市长安区航天基地东长安街504号

专利发明（设计）人：孙晶,任怡,宿美春,郑少林,刘宗伟,郭精忠,汪滴珠

专利摘要：本发明涉及一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，包括对并行采样信号进行归一化正交处理；计算归一化正交处理后的并行采样信号的载波相位预估计值；利用载波相位预估计值，对并行采样信号进行预补偿，得到预补偿后复信号；对预补偿后复信号进行M阶绝对值运算；设计判决函数，针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态；利用更新后的载波相位状态值，计算得到更新后的并行信号载波相位信息；利用载波相位信息对采样信号进行补偿，得到载波恢复处理输出信号。本发明可同步实现频率偏差和相位噪声的补偿，提升了频率偏移估计的实时性。

主权利要求：
1.一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于，包括：对并行采样信号进行归一化正交处理；
计算归一化正交处理后的并行采样信号的载波相位预估计值；
利用载波相位预估计值，对并行采样信号进行预补偿，得到预补偿后复信号；
对预补偿后复信号进行M阶绝对值运算，计算公式为：其中，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号， 分别表示2
取复信号rck,n的实部信息、虚部信息， 分别表示取复信号rck,n的实部4
信息、虚部信息， 分别表示取复信号rck,n的实部信息、虚部信息，|·|为取绝对值处理；
设计判决函数，针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态；
设计针对BPSK调制信号的判决函数，公式为：其中，JBPSK为BPSK调制下的判决函数，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号；
设计针对QPSK调制信号的判决函数，公式为：其中，JQPSK为QPSK调制下的判决函数；
利用更新后的载波相位状态值，计算得到更新后的并行信号载波相位信息；
利用载波相位信息对采样信号进行补偿，得到载波恢复处理输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于：所述对并行采样信号进行归一化正交处理，具体方法为：在第k时钟时刻对外部信号进行采样，并对N路并行采样信号进行归一化正交处理，得到归一化后的信号Rk，表示为：Rk＝{rk,1,rk,2,...,rk,N}其中，rk,n表示第k时刻归一化后的第N路信号，n＝1,2,…,N，N为并行路数。
3.根据权利要求1所述的一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于：所述计算归一化正交处理后的并行采样信号的载波相位预估计值，具体方法为：根据Tk?1时钟时刻更新的状态[φend,k?1wk?1]，得到k时刻N路并行采样信号的载波相位预估计值，计算公式为：其中， 为第k时刻第n路信号的载波相位预估计值，n＝1,2,…,N，φend,k?1为k?1时刻第N路采样信号的载波相位信息，wk?1为k?1时刻频率偏移估计值。
4.根据权利要求1所述的一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于：所述利用载波相位预估计值，对并行采样信号进行预补偿，得到预补偿后复信号，计算公式为：其中，Rck为预补偿后复信号，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号，为载波相位预估计值，{rk,1,rk,2,...,rk,N}为并行采样信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于：所述针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态，具体方法为：利用最小梯度法计算BPSK调制对应的更新载波相位状态 wk，公式为：2
其中， 分别表示取复信号rck,n的实部信息、虚部信息， 为求导操作，μ为更新步长；
或：利用最小梯度法计算QPSK调制对应的更新载波相位状态 wk，公式为：4
其中， 分别表示取复信号rck,n的实部信息、虚部信息。
6.根据权利要求3所述的一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于：所述利用更新后的载波相位状态值，计算得到迭代更新后的并行信号载波相位信息{φk,1,φk,2,...,φk,n}，具体方法为：其中， wk为更新状态，φend,k为k时刻第N路采样信号的载波相位信息。
7.根据权利要求1所述的一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，其特征在于：所述利用载波相位信息对并行采样信号进行补偿，得到载波恢复处理输出信号，具体方法为：其中，{rk,1,rk,2,...,rk,N}为采样信号，{φk,1,φk,2,...,φk,n}为载波相位信息，{sk,1,sk,2,...,sk,N}为K时刻N路载波恢复处理输出信号。 说明书 : 一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法技术领域[0001] 本发明涉及一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，属于相干光通信技术领域。背景技术[0002] 在频率具有快时变特性的应用场景中，如高速星载相干光通信，快时变多普勒频移、激光器中心频率缓漂移及激光器线宽等存在会使得接收光信号频率相对与本振激光器具有较大的频率偏移及相位噪声。为了正确地恢复传输数据，首先需要通过频率偏移粗估计调节本振激光器中心频率以将频率偏移量拉到一个较小的范围，然后在数字处理模块对相干采样输出信号的残余频率偏移及相位噪声进行精估计与补偿(即载波恢复)。目前已有的载波恢复方法主要分为两类：第一类为通过不同的估计补偿算法依次实现频率偏移补偿与相位噪声的补偿，这类方法存在两个固有的问题，相位噪声的补偿性能往往依赖于频偏补偿的精度，频偏估计过程中的估计误差会作为附加相位误差继续影响信号，并降低后续相位噪声的补偿性能；为了克服第一类载波恢复处理存在的问题，第二类载波恢复处理引入具有出色估计精度和收敛性能的卡尔曼滤波算法，以最小的均方误差为目标可以实现频率偏移补偿与相位噪声的同步补偿，但该类方法算法复杂度高，且面临如何自适应的更新过程噪声协方差以使载波恢复处理具有较高的估计精度和快速跟踪能力的难题。发明内容[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，可以实现频率偏移补偿与相位噪声的同步补偿，实时性好，算法实现简单。本发明首先在载波恢复处理中引入基于最小梯度的最优化自适应估计，提升的频率偏移估计的实时性；其次针对BPSK、QPSK调制，设计了合适的判决函数，确保载波相位迭代估计过程的稳定性及准确性；最后，引入M阶绝对值运算取代M次幂运算，很大程度降低了算法实现的复杂度。[0004] 本发明目的通过以下技术方案予以实现：[0005] 本发明公开了一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，包括以下步骤：[0006] (1)对并行采样信号进行归一化正交处理；[0007] (2)计算归一化正交处理后的并行采样信号的载波相位预估计值；[0008] (3)利用载波相位预估计值，对并行采样信号进行预补偿，得到预补偿后复信号；[0009] (4)对预补偿后复信号进行M阶绝对值运算；[0010] (5)设计判决函数，针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态；[0011] (6)利用更新后的载波相位状态值，计算得到更新后的并行信号载波相位信息；[0012] (7)利用载波相位信息对采样信号进行补偿，得到载波恢复处理输出信号。[0013] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述对并行采样信号进行归一化正交处理，具体方法为：在第k时钟时刻对外部信号进行采样，并对N路并行采样信号进行归一化正交处理，得到归一化后的信号Rk，表示为：[0014] Rk＝{rk,1,rk,2,...,rk,N}[0015] 其中，rk,N表示第k时刻归一化后的第N路信号，N为并行路数。[0016] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述计算归一化正交处理后的并行采样信号T的载波相位预估计值，具体方法为：根据k?1时钟时刻更新的状态[φend,k?1wk?]1 ，得到k时刻N路并行采样信号的载波相位预估计值，计算公式为：[0017][0018] 其中， 为第k时刻第n路信号的载波相位预估计值，n＝1,2,…,N，φend,k?1为k?1时刻第N路采样信号的载波相位信息，wk?1为k?1时刻频率偏移估计值。[0019] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述利用载波相位预估计值，对并行采样信号进行预补偿，得到预补偿后复信号，计算公式为：[0020][0021] 其中，Rck为预补偿后复信号，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号，为载波相位预估计值，{rk,1,rk,2,...,rk,N}为并行采样信号。[0022] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述对预补偿后复信号进行M阶绝对值运算，计算公式为：[0023][0024][0025][0026][0027] 其中，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号， 分别2表示取复信号rck,n的实部信息、虚部信息， 分别表示取复信号rck,n 的4实部信息、虚部信息， 分别表示取复信号rck,n的实部信息、虚部信息，|·|为取绝对值处理。[0028] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述设计判决函数，具体方法为：[0029] 设计针对BPSK调制信号的判决函数，公式为：[0030][0031] 其中，JBPSK为BPSK调制下的判决函数，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号；[0032] 设计针对QPSK调制信号的判决函数，公式为：[0033][0034] 其中，JQPSK为QPSK调制下的判决函数。[0035] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态，具体方法为：[0036] 针对BPSK光通信系统，利用最小梯度法计算BPSK调制对应的更新状态 wk，公式为：[0037][0038]2[0039] 其中， 分别表示取复信号rck,n 的实部信息、虚部信息，为求导操作，μ为更新步长；[0040] 针对QPSK光通信系统，利用最小梯度法计算QPSK调制对应的更新状态 wk，公式为：[0041]4[0042] 其中， 分别表示取复信号rck,n 的实部信息、虚部信息。[0043] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述利用更新后的载波相位状态值，计算得到迭代更新后的并行信号载波相位信息{φk,1,φk,2,...,φk,n}，具体方法为：[0044][0045][0046] 其中， wk为更新状态，φend,k为k时刻第N路采样信号的载波相位信息。[0047] 在上述相干光通信载波恢复方法中，所述利用载波相位信息{φk,1,φk,2,...,φk,n}对并行采样信号进行补偿，得到载波恢复处理输出信号，具体方法为：[0048][0049] 其中，{rk,1,rk,2,...,rk,N}为采样信号，{φk,1,φk,2,...,φk,n}为载波相位信息，{sk,1,sk,2,...,sk,N}为K时刻N路载波恢复处理输出信号。[0050] 本发明与现有技术的有益效果在于：[0051] (1)本发明可同步实现频率偏差和相位噪声的补偿，引入基于最小梯度的最优化自适应估计，可提升频率偏移估计的实时性。[0052] (2)本发明与传统基于FFT的频差估计、V?V相位噪声估计相比，估计精度不依赖于算法处理数据长度，可同时实现载波相位估计的高精度与高实时性。[0053] (3)本发明针对BPSK、QPSK调制系统，设计了合适的判决函数，与基于卡尔曼滤波的载波恢复算法相比，无需判决反馈操作可实现算法的快速收敛。[0054] (4)本发明引入M阶绝对值运算取代M次幂运算，给出了推导化简后的判决函数梯度表述，大大简化了算法实现复杂度。附图说明[0055] 图1为本发明方法的实施原理框图；[0056] 图2为本发明载波相位计算示意图；[0057] 图3为本发明频偏估计收敛图；[0058] 图4为本发明相位偏移估计结果；[0059] 图5为本发明BPSK载波相位恢复后星座图；[0060] 图6为本发明QPSK载波相位恢复后星座图。具体实施方式[0061] 下面结合附图及具体实施方式对本发明专利做进一步详细说明。[0062] 为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图，对本发明进一步详细说明。[0063] 本发明公开了一种基于最小梯度算法的相干光通信载波恢复方法，包括以下步骤：[0064] 步骤1、对并行采样信号进行归一化正交处理；具体方法为：在第k时钟时刻对外部信号进行采样，并对N路并行采样信号进行归一化正交处理，得到归一化后的信号Rk，表示为：[0065] Rk＝{rk,1,rk,2,...,rk,N}[0066] 其中，rk,N表示第k时刻归一化后的第N路信号，N为并行路数。[0067] 步骤2、计算归一化正交处理后的并行采样信号的载波相位预估计值；具体方法T为：根据k?1时钟时刻更新的状态[φend,k?1wk?1]，得到k时刻N路并行采样信号的载波相位预估计值，计算公式为：[0068][0069] 其中， 为第k时刻第n路信号的载波相位预估计值，n＝1,2,…,N，φend,k?1为k?1时刻第N路采样信号的载波相位信息，wk?1为k?1时刻频率偏移估计值。[0070] 步骤3、利用载波相位预估计值，对并行采样信号进行预补偿，得到预补偿后复信号；计算公式为：[0071][0072] 其中，Rck为预补偿后复信号，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号，为载波相位预估计值，{rk,1,rk,2,...,rk,N}为并行采样信号。[0073] 步骤4、对预补偿后复信号进行M阶绝对值运算；计算公式为：[0074][0075][0076][0077][0078] 其中，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号， 分别2表示取复信号rck,n的实部信息、虚部信息， 分别表示取复信号rck,n 的4实部信息、虚部信息， 分别表示取复信号rck,n 的实部信息、虚部信息，|·|为取绝对值处理。[0079] 步骤5、设计判决函数，针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态；[0080] 设计判决函数，具体方法为：[0081] 设计针对BPSK调制信号的判决函数，公式为：[0082][0083] 其中，JBPSK为BPSK调制下的判决函数，rck,N为k时刻第N路信号的载波相位预补偿复信号；[0084] 设计针对QPSK调制信号的判决函数，公式为：[0085][0086] 其中，JQPSK为QPSK调制下的判决函数。[0087] 针对预补偿后复信号的M阶绝对值运算结果，利用最小梯度算法更新载波相位状态，具体方法为：[0088] 针对BPSK光通信系统，利用最小梯度法计算BPSK调制对应的更新状态 wk，公式为：[0089][0090][0091] 其中， 分别表示取复信号rck,n2的实部信息、虚部信息，为求导操作，μ为更新步长；[0092] 针对QPSK光通信系统，利用最小梯度法计算QPSK调制对应的更新状态 wk，公式为：[0093][0094][0095] 其中， 分别表示取复信号rck,n4的实部信息、虚部信息。[0096] 步骤6、利用更新后的载波相位状态值，计算得到迭代更新后的并行信号载波相位信息{φk,1,φk,2,...,φk,n}，具体方法为：[0097][0098][0099] 其中， wk为更新状态，φend,k为k时刻第N路采样信号的载波相位信息。[0100] 步骤7、利用载波相位信息{φk,1,φk,2,...,φk,n}对并行采样信号进行补偿，得到载波恢复处理输出信号，具体方法为：[0101][0102] 其中，{rk,1,rk,2,...,rk,N}为采样信号，{φk,1,φk,2,...,φk,n}为载波相位信息，{sk,1,sk,2,...,sk,N}为K时刻N路载波恢复处理输出信号。[0103] 实施例1[0104] 如图1所示为本发明的实施原理框图，在本实施例中，调制方式为BPSK/QPSK，并行路数为N，第k时钟时刻归一化正交处理后的I/Q信号分别为：[0105] dataIk＝{dik,1,dik,2,...,dik,N}[0106] dataQk＝{dqk,1,dqk,2,...,dqk,N}[0107] 即：rk＝dik+j·dqk。[0108] (1)根据k?1时钟时刻更新的状态[φend,k?1wk?1]T，可得到k时刻N路并行采样的载波相位预估计：[0109][0110] (2)利用载波相位估计结果，对k时刻N路并行采样信号进行补偿，计算方法如下：[0111][0112][0113] (3)引入M阶绝对值运算取代M次幂运算，实现(I+jQ)的2次方、4次方处理，计算方法如下：[0114] yi2k,n＝23/16·(|di_estk,n|?|dq_estk,n|),n＝1,2,...,N[0115] yq2k,n＝(|di_estk,n+dq_estk,n|?|di_estk,n?dq_estk,n|),n＝1,2,...,N[0116] yi4k,n＝(|yi2k,n|?|yq2k,n|),n＝1,2,...,N[0117] yq4k,n＝(|yi2k,n+yq2k,n|?yi2k,n?yq2k,n|),n＝1,2,...,N[0118] 其中，yi2k,n、yq2k,n分别为 的实部信息与虚部信息，yi4k,n、yq4k,n分别为 的实部信息与虚部信息，yk,n＝(di_estk,n+jdi_estk,n)为利用k?1时刻信息对k时刻第n个数据载波相位估计补偿后的结果。[0119] (4)设计针对QPSK/BPSK调制的判决函数：[0120][0121][0122] BPSK调制下，计算更新状态 wk，可得到更新公式：[0123][0124][0125] QPSK调制下，计算更新状态 wk，可得到更新公式：[0126][0127][0128] 其中，yQ2k＝[yq2k,1,yq2k,2...,yq2k,N]，yI2k＝[yi2k,1,yi2k,2...,yi2k,N]，yQ4k＝[yq4k,1,yq4k,2...,yq4k,N]，yI4k＝[yi4k,1,yi4k,2...,yi4k,N]。mean(·)为取平均操作，μ为更新步长，.*为向量点乘。[0129] (5)利用更新的 wk，可得到k时刻迭代更新后N路并行采样的载波相位计算，计算方法如下：[0130][0131][0132] (6)基于此对k时刻N路并行采样信号进行补偿，计算方法如下：[0133] di_outk,n＝dik,ncos(φk,n)+dqk,nsin(φk,n),n＝1,2,...,N[0134] dq_outk,n＝dqk,ncos(φk,n)?dik,nsin(φk,n),n＝1,2,...,N[0135] 即：[0136] sk,n＝di_outk,n+j·dq_outk,n,n＝1,2,...,N[0137] 至此，完成第k时刻采样数据的载波恢复处理。N路并行采样的载波相位计算如图2所示，载波恢复处理方法中频偏估计收敛图如图3所示，可以看出本发明方法的频差估计具有快收敛及高精度特性。载波恢复处理方法中相位偏移估计如图4所示，可以看出本发明方法的可在激光器大线宽下实现相位噪声的实时估计。图5、图6分别为BPSK、QPSK调制下载波恢复处理的输出星座图，可以看出本发明方法可实现载波相位的准确估计与补偿。[0138] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

专利地区：陕西

专利申请日期：2022-07-20

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115412176B