基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法及系统，为了抑制由激光线宽引起的相位噪声而设计。本发明专利技术方法包括：产生螺旋16‑QAM信号，该螺旋16‑QAM信号的16个星座点位于4个幅度上，并且每个幅度上只有4个星座点，相邻点之间的最小角距离为π/2；通过时钟恢复和信道均衡处理接收的螺旋16‑QAM信号，螺旋16‑QAM信号再经过卡尔曼滤波器处理。本发明专利技术具有高的噪声容限和对激光线宽的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法及系统
本专利技术具体涉及一种基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法及系统。
技术介绍
高阶调制信号是大容量光通信系统解决容量紧缩比较好的选择。然而，随着信号的调制阶数增加，星座图上星座点的数量也增加。因此，星座点的密集容易受到各种噪声的影响。其中一种严重的噪声是由激光线宽引起的，直观的解决方案是利用高成本的窄线宽激光器而不是低成本的宽线宽激光器。另一方面，对于高阶调制信号，数字信号处理(DSP)对于信号精确解调是必不可少的。因此，一种经济有效的方法是开发基于DSP的方法来减轻激光线宽引起的影响，其中卡尔曼滤波是一种有效的方法。此外，开发具有较大欧氏距离的新调制信号对于高噪声容限也是有帮助的。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于网络的实时渲染策略，实现高效的实时显示虚拟仿真环境的基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法及系统。本专利技术基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，包括：产生螺旋16-QAM信号，该螺旋16-QAM信号的16个星座点位于4个幅度上，并且每个幅度上只有4个星座点，相邻点之间的最小角距离为π/2；通过时钟恢复和信道均衡处理接收的螺旋16-QAM信号，螺旋16-QAM信号再经过卡尔曼滤波器处理。进一步地，产生螺旋16-QAM信号的方法具体包括：对QPSK信号的4个星座点进行编号，将4个星座点中的一个指定为点1，沿逆时针方向顺序编号其他星座点分别为点2、点3、点4；完成各条螺旋线，各点后面的三个编号的点分别作为三个圆的中心，并依次使用QPSK信号的最小欧几里德距离r、2r、3r作为各圆的半径绘制π/2弧，三段弧相互连接生成各点的螺旋线；各条螺旋线上星座点定位，两个相邻星座点之间的最小距离大于等于QPSK信号的最小欧几里德距离r。进一步地，卡尔曼滤波器对信号处理方法包括：利用泰勒级数来线性化系统方程S(k)和测量方程F(k)：其中，x是发射信号，y是接收信号；m是测量噪声；φ是相位噪声，其中w是过程噪声；测量噪声和过程噪声均是均值为零的高斯白噪声；给出滤波器的初始值，第一个导频的滤波器的初始值是φ(0)＝0和P(0)＝0，其中P是误差协方差矩阵；第k个导频的子载波的预测滤波值是：p(k)＝p(k-1)+QQ是导频之间的相位噪声协方差矩阵；第k个导频的卡尔曼滤波器增益表示为：R是高斯白噪声的方差；更新第k个导频的和P：p(k)＝(1-K(k)·S(k))·p(k)获得这些导频的相位噪声，通过线性插值来计算每个点处的相位噪声，完成一阶卡尔曼滤波；对获得的信号进行信道估计，将获得的数据用作测量信号，然后根据最小距离判决它们，并将判决后的数据当作已知信号；将测量信号和已知信号进行二阶卡尔曼滤波处理，即在每个数据点处执行与一阶卡尔曼滤波相同的卡尔曼滤波，最终得到最终的相位噪声。本专利技术基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的系统，包括：螺旋16-QAM信号产生模块，用于产生螺旋16-QAM信号，该螺旋16-QAM信号的16个星座点位于4个幅度上，并且每个幅度上只有4个星座点，相邻点之间的最小角距离为π/2；卡尔曼滤波器，对时钟恢复和信道均衡处理后的螺旋16-QAM信号进行处理。进一步地，螺旋16-QAM信号产生模块包括：编号单元，用于对QPSK信号的4个星座点进行编号，将4个星座点中的一个指定为点1，沿逆时针方向顺序编号其他星座点分别为点2、点3、点4；螺旋线生成单元，用于完成各条螺旋线，各点后面的三个编号的点分别作为三个圆的中心，并依次使用QPSK信号的最小欧几里德距离r、2r、3r作为各圆的半径绘制π/2弧，三段弧相互连接生成各点的螺旋线；星座点定位单元，用于各条螺旋线上星座点定位，两个相邻星座点之间的最小距离大于等于QPSK信号的最小欧几里德距离r，并且两个相邻点之间的最小角距应尽可能大。借由上述方案，本专利技术基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法及系统，至少具有以下优点：螺旋16-QAM信号与传统的方形16-QAM信号相比，具有相同的最大调制幅度的螺旋16-QAM信号具有以下优点，例如每个幅度上π/2的相位差比较大，相邻点之间的距离较大。与传统的方形16-QAM信号相比，这些星座特征使得螺旋16-QAM信号有着更高的噪声容限。此外，级联卡尔曼滤波器可以有效地减轻由激光线宽的相位噪声引起的干扰。因此，本专利技术具有高的噪声容限和对激光线宽的鲁棒性。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为传统方形16-QAM信号(a)，螺旋16-QAM信号(b)；图2为本专利技术QPSK信号(a)，螺旋16-QAM信号的星座图(b)；图3为本专利技术BER与激光线宽(KHz)；图4为本专利技术没有任何算法的螺旋16-QAM信号的星座图(a)，应用二阶卡尔曼滤波器的螺旋16-QAM信号(b)，没有任何算法的传统方形16-QAM信号(c)应用二阶卡尔曼滤波器的传统方形16-QAM信号(d)；图5为本专利技术BER与SNR(dB)。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术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专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1本实施例基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，包括：产生螺旋16-QAM信号，该螺旋16-QAM信号的16个星座点位于4个幅度上，并且每个幅度上只有4个星座点，相邻点之间的最小角距离为π/2；通过时钟恢复和信道均衡处理接收的螺旋16-QAM信号，螺旋16-QAM信号再经过卡尔曼滤波器处理。本实施例中，螺旋16-QAM信号比传统方形16-QAM信号具有更大的欧几里德距离和最小的角距离。级联卡尔曼滤波器能够在很大程度上抑制由激光线宽引起的相位噪声。这些优点增强了所提出系统的噪声容限。实施例2本实施例基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，在实施例1的基础上，产生螺旋16-QAM信号的方法具体包括：首先，将4个星座点中的左上一个指定为点1，并且沿逆时针方向顺序编号其他星座点。接下来，将点2用作圆的中心，并使用QPSK信号的最小欧几里德距离r作为从点1绘制π/2弧的半径，如图2中的所示(一个)。然后将点3和2r用作圆的中心和半径，接着画π/2弧，如图2(a)中所示。最后，点4和3r用作圆的中心和半径，接着绘制π/2弧，如图2(a)中的所示。因此，完成了第一条螺旋线。其他3条螺旋线可以类似地绘制。第2步是如何定位螺旋线中的星座点。星座点布置有两个规则，即两个相邻星座点之间的最小距离大于等于QPSK信号的最小欧几里德距离r，并且两个相邻点之间的最小角距应尽可能大。因为每条螺旋线中的第一点是已知的，所以首先根据上述规则排列和调整每条线的第二点。之后，每行的第三和第四点被类似地分配。螺旋16-QAM信号的完整星座图如图2(b)所示。在接收器部分，首先通过时钟恢复和信道均衡处理接收信号，然后再经过卡尔曼滤波器处理。传统的卡尔曼滤波器用于线性系统，不适用于相位噪声的非线性模型。因此，利用泰勒级数来线性化系统方程S(k)和测量方程F(k)：其中，x是发射信号，y是接收信号。m是测量噪声。φ是相位噪声，其中w是过程噪声。测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，其特征在于，包括：产生螺旋16‑QAM信号，该螺旋16‑QAM信号的16个星座点位于4个幅度上，并且每个幅度上只有4个星座点，相邻点之间的最小角距离为π/2；通过时钟恢复和信道均衡处理接收的螺旋16‑QAM信号，螺旋16‑QAM信号再经过卡尔曼滤波器处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，其特征在于，包括：产生螺旋16-QAM信号，该螺旋16-QAM信号的16个星座点位于4个幅度上，并且每个幅度上只有4个星座点，相邻点之间的最小角距离为π/2；通过时钟恢复和信道均衡处理接收的螺旋16-QAM信号，螺旋16-QAM信号再经过卡尔曼滤波器处理。2.根据权利要求1所述的基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，其特征在于，产生螺旋16-QAM信号的方法具体包括：对QPSK信号的4个星座点进行编号，将4个星座点中的一个指定为点1，沿逆时针方向顺序编号其他星座点分别为点2、点3、点4；完成各条螺旋线，各点后面的三个编号的点分别作为三个圆的中心，并依次使用QPSK信号的最小欧几里德距离r、2r、3r作为各圆的半径绘制π/2弧，三段弧相互连接生成各点的螺旋线；各条螺旋线上星座点定位，两个相邻星座点之间的最小距离大于等于QPSK信号的最小欧几里德距离r。3.根据权利要求1所述的基于级联卡尔曼滤波器减少噪声干扰的方法，其特征在于，卡尔曼滤波器对信号处理方法包括：利用泰勒级数来线性化系统方程S(k)和测量方程F(k)：其中，x是发射信号，y是接收信号；m是测量噪声；φ是相位噪声，其中w是过程噪声；测量噪声和过程噪声均是均值为零的高斯白噪声；给出滤波器的初始值，第一个导频的滤波器的初始值是φ(0)＝0和P(0)＝0，其中P是误差协方差矩阵；第k个导频的子载波的预测滤波值是：p(k)＝p(k-1)+QQ是导频之间的相位噪声协方差矩阵；第k个导频的卡尔曼滤波器增...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明义，马媛媛，叶阳，
申请(专利权)人：苏州大学张家港工业技术研究院，苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32