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CN115580356B - 一种相位噪声抑制方法和设备 - Google Patents

一种相位噪声抑制方法和设备 Download PDF

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CN115580356B
CN115580356B CN202211546240.2A CN202211546240A CN115580356B CN 115580356 B CN115580356 B CN 115580356B CN 202211546240 A CN202211546240 A CN 202211546240A CN 115580356 B CN115580356 B CN 115580356B
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潘云强
周榆涵
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Beijing Rongwei Technology Co ltd
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Beijing Rongwei Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种相位噪声抑制方法和设备，该方法包括：获取接收符号，将接收符号的共轭值和接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；若接收符号和硬判决值满足预设条件，将计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；在预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各已存储计算角度的平均值；基于平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；其中，硬判决值为距离接收符号最近的星座点，目标接收符号是通过将接收符号延时保持预设时长后得到的，预设时长为预设缓存区的缓存长度的一半，由于没有导频开销，实现了更加高效的进行相位噪声抑制。

Description

一种相位噪声抑制方法和设备
技术领域
本申请涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种相位噪声抑制方法和设备。
背景技术
在激光通信中，光从激光器中射出，激光起振后，会有一个或多个纵模产生，每个纵模的频率不是单频点的，而是有一定的范围，即激光线宽。激光器线宽决定激光器的相位噪声的大小，线宽越宽，相位噪声越大。激光器的相位噪声近似为维纳过程，相位噪声不仅增加系统误码率，而且影响载频跟踪精度。尽管窄线宽激光器可以降低相位噪声对于系统的影响，但是由于激光器成本、激光器老化等原因，激光器相位噪声依旧是光通信系统损伤的主要来源之一，因此载波相位噪声的估计与补偿算法是数字相干接收机中的重要组成部分。早期采用光学锁相环技术追踪激光器相位噪声并进行补偿，但是其结构复杂并且难以实现长时间稳定工作。随着数字信号处理技术的发展，利用数字信号处理技术实现激光器相位噪声估计与补偿是相干光通信发展趋势。
现有技术中在进行相位噪声抑制时，多采用导频辅助的算法。但加入导频后，会使得信号的等效传输速率变低。且在两个导频信号之间认为相位噪声是稳定变化的，这种相位噪声抑制算法受导频信号间隔影响，时效性较差。
因此，如何更加高效的进行相位噪声抑制，是目前有待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种相位噪声抑制方法和设备，用以更加高效的进行相位噪声抑制。
第一方面，提供一种相位噪声抑制方法，所述方法包括：
获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；
若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；
在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；
基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；
其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半。
在一些实施例中，在对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度之后，所述方法还包括：
确定所述接收符号和所述硬判决值之间的欧式距离，其中，所述预设条件包括所述欧式距离小于门限值。
在一些实施例中，基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号，具体为：
通过公式一得到所述目标信号，所述公式一为：
Figure 630672DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 639079DEST_PATH_IMAGE002
为所述目标信号，
Figure 692486DEST_PATH_IMAGE003
为所述目标接收符号，
Figure 469949DEST_PATH_IMAGE004
为所述平均值，e为自然 常数，j为虚部单位。
在一些实施例中，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区，具体为：
基于移位存储使能信号将所述计算角度存入所述预设缓存区，其中，所述移位存储使能信号是在所述接收符号和所述硬判决值满足所述预设条件时触发的。
第二方面，提供一种相位噪声抑制设备，所述设备包括：
计算模块，用于获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；
存入模块，用于若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；
确定模块，用于在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；
抑制模块，用于基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；
其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半。
在一些实施例中，所述计算模块，还用于：
确定所述接收符号和所述硬判决值之间的欧式距离，其中，所述预设条件包括所述欧式距离小于门限值。
在一些实施例中，所述抑制模块，具体用于：
通过公式一得到所述目标信号，所述公式一为：
Figure 950609DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 180733DEST_PATH_IMAGE002
为所述目标信号，
Figure 37830DEST_PATH_IMAGE003
为所述目标接收符号，
Figure 669800DEST_PATH_IMAGE006
为所述平均值，e为自 然常数，j为虚部单位。
在一些实施例中，所述存入模块，具体用于：
基于移位存储使能信号将所述计算角度存入所述预设缓存区，其中，所述移位存储使能信号是在所述接收符号和所述硬判决值满足所述预设条件时触发的。
通过应用以上技术方案，获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半，由于没有导频开销，实现了更加高效的进行相位噪声抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提出的一种相位噪声抑制方法的流程示意图；
图2示出了本发明另一实施例提出的一种相位噪声抑制方法的原理示意图；
图3示出了本发明实施例中接收符号的信号星座图；
图4示出了本发明实施例中的仿真分析结果示意图；
图5示出了本发明实施例中进行相位噪声抑制之前的信号星座图；
图6示出了本发明实施例中进行相位噪声抑制之后的信号星座图；
图7示出了本发明实施例提出的一种相位噪声抑制设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供一种相位噪声抑制方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度。
本实施例中，接收符号可以是信号接收端从信号发送端获取的，接收符号按预设速率进行传输。获取接收符号后，确定接收符号的共轭值和硬判决值，该硬判决值为距离接收符号最近的星座点，然后将共轭值和硬判决值相乘，并求角度后得到计算角度。
举例来说，若接收符号为
Figure 321361DEST_PATH_IMAGE007
，硬判决值为
Figure 366678DEST_PATH_IMAGE008
，以QPSK为例，星座图共分为4个象 限，每个象限有一个星座点，分别为：
Figure 699570DEST_PATH_IMAGE009
每个时刻发送信号为四个星座点之一。硬判决值
Figure 248363DEST_PATH_IMAGE008
为：
Figure 274088DEST_PATH_IMAGE010
以接收符号
Figure 541121DEST_PATH_IMAGE011
为例，因为
Figure 677704DEST_PATH_IMAGE012
，所以
Figure 81004DEST_PATH_IMAGE013
。
计算角度
Figure 339947DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 31959DEST_PATH_IMAGE015
表示共轭运算，
Figure 768971DEST_PATH_IMAGE016
表示求角度运算。
步骤S102，若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区。
本实施例中，由于高斯白噪声的影响，接收符号会偏离星座点。当噪声过大时，接收符号可能会落到相邻象限，导致硬判决出错。因此，为了提高相位噪声估计的准确性，需要在接收符号和硬判决值满足预设条件时，才将计算角度存入预设缓存区，用于进行相位噪声估计，以减小高斯白噪声的影响。
其中，预设缓存区包括多个数据位，移位存储方式是指，每个要填充到各数据位内的数据，都先存入预设缓存区的最低数据位或最高数据位内，预设缓存区内已填充的数据依次移动一位。
在本申请具体的应用场景中，预设缓存区为
Figure 230040DEST_PATH_IMAGE017
，L为预设缓存区 的缓存长度。
为了提高相位噪声估计的精度，在本申请一些实施例中，在对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度之后，所述方法还包括：
确定所述接收符号和所述硬判决值之间的欧式距离，其中，所述预设条件包括所述欧式距离小于门限值。
本实施例中，欧式距离：
Figure 659884DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 573613DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 114316DEST_PATH_IMAGE020
分别为接收信号
Figure 757787DEST_PATH_IMAGE007
的实部和虚部，即
Figure 30636DEST_PATH_IMAGE021
，同 理，
Figure 759558DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 776056DEST_PATH_IMAGE023
分别为硬判决值
Figure 274033DEST_PATH_IMAGE008
的实部和虚部。
如图3所示，若门限值为0.6，圈中的点表示距离
Figure 780101DEST_PATH_IMAGE024
小于门限值0.6的接收符号。 圈外的点由其他象限星座点受噪声影响落过来的概率较大，即出现硬判决错误的概率较 大。如果一个接收符号的硬判决出错，则计算角度也是错误的，会影响相位噪声估计的准确 性。本实施例通过在欧式距离小于门限值时才将计算角度存入预设缓存区，进行噪声估计， 提高了计算角度可靠性，进而可提高相位噪声估计精度，本领域技术人员可根据实际需要 灵活设置不同的门限值。
可选的，在将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区之前，还可基于预设相关性分析算法计算接收符号和硬判决值的相关系数，预设条件也可以为相关系数大于预设阈值。
为了更加可靠的将计算角度存入预设缓存区，在本申请一些实施例中，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区，具体为：
基于移位存储使能信号将所述计算角度存入所述预设缓存区，其中，所述移位存储使能信号是在所述接收符号和所述硬判决值满足所述预设条件时触发的。
在本申请具体的应用场景中，当
Figure 928142DEST_PATH_IMAGE024
小于门限值时，产生移位存储使能信号，并 将计算角度进行移位存储，即
Figure 810647DEST_PATH_IMAGE025
。
本实施例中，在接收符号和硬判决值满足预设条件时触发移位存储使能信号，通过该移位存储使能信号可将计算角度存入预设缓存区。
步骤S103，在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值。
本实施例中，持续获取接收信号，并将相应的计算角度存入预设缓存区，在预设缓 存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各已存储计算角度的平均值。高斯白噪声 带来的符号扰动导致了计算角度
Figure 100815DEST_PATH_IMAGE026
与真正的相位噪声之间有很大差异，由于高斯白噪 声均值为0，而相位噪声在一段时间内是接近线性变化的，L为缓存长度，因此，各已存储计 算角度的平均值为在当前接收符号之前L/2时刻的相位噪声估计值。
在本申请具体的应用场景中，每获取一个接收符号，对预设缓存区c（k）求平均，该平均值（也即相位噪声估计值）为：
Figure 43363DEST_PATH_IMAGE027
假设时刻
Figure 418980DEST_PATH_IMAGE028
计算得到的
Figure 777281DEST_PATH_IMAGE026
分别为
Figure 249850DEST_PATH_IMAGE029
，再假设缓存长度
Figure 35404DEST_PATH_IMAGE030
，那么在时刻 3有
Figure 960634DEST_PATH_IMAGE031
；同理，在时刻5有
Figure 122625DEST_PATH_IMAGE032
。
步骤S104，基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号。
本实施例中，由于平均值为在当前接收符号之前L/2时刻的相位噪声估计值，因此将接收符号延时保持预设时长后得到目标接收符号，该预设时长为预设缓存区的缓存长度的一半，即L/2。该平均值为当前时刻获取的目标接收符号的相位噪声估计值，基于该平均值对该目标接收符号进行相位噪声抑制，并得到相位噪声抑制后的目标信号，然后可将该目标信号作为输出信号进行输出。
为了准确的进行相位噪声抑制，在本申请一些实施例中，基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号，具体为：
通过公式一得到所述目标信号，所述公式一为：
Figure 449701DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 734052DEST_PATH_IMAGE002
为所述目标信号，
Figure 84262DEST_PATH_IMAGE003
为所述目标接收符号，
Figure 846682DEST_PATH_IMAGE004
为所述平均值，e为自 然常数，j为虚部单位。
通过应用以上技术方案，获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半，由于没有导频开销，实现了更加高效的进行相位噪声抑制。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。
本申请实施例提供一种相位噪声抑制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一，获取接收符号，将接收符号的共轭值和硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度。
步骤二，确定接收符号和硬判决值之间的欧式距离d(n)。
步骤三，若欧式距离d(n)小于门限值，将计算角度存入预设缓存区，在预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各已存储计算角度的平均值，并在之后每获取一个接收符号，确定一次平均值，即进行图2中的滑动平均。
步骤四，基于平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号，其中，将接收符号延时保持L/2后得到该目标接收符号。
为了评估该相位噪声抑制方法的误码率性能，进行了仿真分析，信号采用QPSK调 制，激光器线宽为30KHz，符号速率为1Gsps，距离
Figure 965948DEST_PATH_IMAGE024
的门限值为0.6，缓存长度为64。通过 大量符号数据的仿真，得到了采用相位噪声抑制、无相位噪声抑制对信号解调的误码率 （BER）与信噪比（EbN0）的关系曲线与理论误码率的比较。如图4所示，可以看出，采用了本申 请实施例的相位噪声抑制方法以后，信号的解调误码率明显降低，更加接近理论值，例如在 误码率
Figure 421200DEST_PATH_IMAGE033
处，有大约0.5dB的增益。
如图5所示为本发明实施例中进行相位噪声抑制之前的信号星座图，如图6所示为本发明实施例中进行相位噪声抑制之后的信号星座图，相比于图5信号星座图，图6的信号星座图有效抑制了相位噪声。
通过应用以上技术方案，相比于现有技术，具有以下有益效果：
适用性强。本申请实施例可适用于存在较大相位噪声、接收信号信噪比低的星地激光通信中，同样也适用于星间激光通信、无线微波通信等。
简单实用。本申请实施例使用的数学公式在工程上易于实现，占用的计算资源较低，因此非常实用。
效率高。相比较于现有技术方法，本申请实施例不采用导频可实现相位噪声估计，提高了系统效率。
性能好。本申请实施例通过选取可靠性高的接收信号进行估计相位噪声，并使用估计值校正接收符号的方法，在高信噪比和低信噪比时均能有效提高解调性能。
时效性强。相比较于现有技术方法，本申请实施例对相位噪声的估计是实时的，可以自适应地跟踪相位噪声的变化。
稳定性强。本申请实施例通过距离判决和滑动平均的处理，尽可能地降低了高斯白噪声对相位噪声估计的影响，保证了结果的稳定性。
本申请实施例还提出了一种相位噪声抑制设备，如图7所示，所述设备包括：
计算模块701，用于获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；
存入模块702，用于若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；
确定模块703，用于在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；
抑制模块704，用于基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；
其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半。
在具体的应用场景中，计算模块701，还用于：
确定所述接收符号和所述硬判决值之间的欧式距离，其中，所述预设条件包括所述欧式距离小于门限值。
在具体的应用场景中，抑制模块704，具体用于：
通过公式一得到所述目标信号，所述公式一为：
Figure 321023DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 824816DEST_PATH_IMAGE002
为所述目标信号，
Figure 860905DEST_PATH_IMAGE003
为所述目标接收符号，
Figure 424742DEST_PATH_IMAGE006
为所述平均值，e为自 然常数，j为虚部单位。
在具体的应用场景中，存入模块702，具体用于：
基于移位存储使能信号将所述计算角度存入所述预设缓存区，其中，所述移位存储使能信号是在所述接收符号和所述硬判决值满足所述预设条件时触发的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种相位噪声抑制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；
若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；
在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；
基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；
其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半；
在对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度之后，所述方法还包括：
确定所述接收符号和所述硬判决值之间的欧式距离，其中，所述预设条件包括所述欧式距离小于门限值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号，具体为：
通过公式一得到所述目标信号，所述公式一为：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
为所述目标信号，
Figure QLYQS_3
为所述目标接收符号，
Figure QLYQS_4
为所述平均值，e为自然常数，j为虚部单位。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区，具体为：
基于移位存储使能信号将所述计算角度存入所述预设缓存区，其中，所述移位存储使能信号是在所述接收符号和所述硬判决值满足所述预设条件时触发的。
4.一种相位噪声抑制设备，其特征在于，所述设备包括：
计算模块，用于获取接收符号，将所述接收符号的共轭值和所述接收符号的硬判决值相乘，并对相乘的结果进行求角度运算后得到计算角度；
存入模块，用于若所述接收符号和所述硬判决值满足预设条件，将所述计算角度存入采用移位存储方式的预设缓存区；
确定模块，用于在所述预设缓存区中各数据位均存在已存储计算角度时，确定各所述已存储计算角度的平均值；
抑制模块，用于基于所述平均值对当前时刻获取的目标接收符号进行相位噪声抑制并得到目标信号；
其中，所述硬判决值为距离所述接收符号最近的星座点，所述目标接收符号是通过将所述接收符号延时保持预设时长后得到的，所述预设时长为所述预设缓存区的缓存长度的一半；
所述计算模块，还用于：
确定所述接收符号和所述硬判决值之间的欧式距离，其中，所述预设条件包括所述欧式距离小于门限值。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述抑制模块，具体用于：
通过公式一得到所述目标信号，所述公式一为：
Figure QLYQS_5
其中，
Figure QLYQS_6
为所述目标信号，
Figure QLYQS_7
为所述目标接收符号，
Figure QLYQS_8
为所述平均值，e为自然常数，j为虚部单位。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述存入模块，具体用于：
基于移位存储使能信号将所述计算角度存入所述预设缓存区，其中，所述移位存储使能信号是在所述接收符号和所述硬判决值满足所述预设条件时触发的。
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