基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法技术

一种基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法，通过将接收到的微波信号通过初始混频操作来将载波频偏降低至中频段，再通过直接载波周期估计法进行迭代操作，获取粗频率恢复的频偏值，然后将信号通过包络检测法以进行频率精确恢复，包络检测法同时也能通过计算峰值点出现的位置相对于整个时间窗口的位置来获得载波相位，从而完成了对信号的载波频率及相位的恢复。同时，为了降低计算复杂度，载波频率及相位恢复的过程基于降采样操作实现。本发明专利技术具有大频偏恢复范围，频率偏移较大时，也可成功恢复出载波；本发明专利技术适用于任意调制格式；本发明专利技术基于具备正反馈特性迭代环路，实现更高的频率恢复精度且迭代的复杂度低。

Large frequency offset range carrier recovery method based on carrier periodicity

【技术实现步骤摘要】
基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法
本专利技术涉及的是一种光通信领域的技术，具体涉及一种用于微波光子系统及相干光通信传输系统的基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法。
技术介绍
相干光通信传输系统和基于光外差式拍频的微波光子系统在光通信领域有广阔的应用场景。这两种系统的共同特点是信号光与本振光由两台独立的窄线宽激光器产生，由于实际商用的激光器的频率存在最高±2.5GHz的偏差，这意味着两台激光器拍频产生的射频信号存在最高±5GHz的频率偏差。因此，大频偏范围下的载波频率及相位恢复算法在这两种光通信系统的实际应用中必不可少。现有的载波恢复算法包括用于单载波调制格式的M次方算法、锁相环、频率盲扫描算法、自相干探测技术、基于导符号的算法、基于导频的算法等。基于导频的算法又可分为基于快速傅里叶变换的频域处理法、基于保护频带的载波滤波法和无保护频带的载波滤波法。除了这些单元算法，还有根据单元算法优缺点进行结合的混合载波恢复算法，以实现更高的性能。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的缺陷，提出了一种基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法，通过对信号进行分析来重构载波分量。基本原理是基于包含载波分量的微波信号呈现出一种与均值电平进行周期性交叉的现象，提出直接载波周期估计法，即检测交叉的周期T，则残余频偏Δf＝1/(2T)。基于直接载波周期估计法，并结合载波频偏符号识别、包络检测、计算复杂度降低等方案，本专利技术可以实现-Fs/2～+Fs/2的频偏恢复范围、<1/Tf的频偏恢复精度，其中Fs是数字信号的采样频率，Tf是信号帧持续时间。同时该算法具有调制码型无关特性。该算法可以实现基于两台独立激光器拍频产生的射频信号的载波频率及相位恢复。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法，包括粗频率恢复、细频率恢复及相位恢复，具体为：先将接收到的微波信号通过初始混频操作来将载波频偏降低至中频段，再通过直接载波周期估计法进行迭代操作，获取粗频率恢复的频偏值，然后将信号通过包络检测法以进行频率精确恢复，包络检测法同时也能通过计算峰值点出现的位置相对于整个时间窗口的位置来获得载波相位，从而完成了对信号的载波频率及相位的恢复。同时，为了降低计算复杂度，载波频率及相位恢复的过程基于降采样操作实现。所述的初始混频操作，是将接收到的微波信号与默认载波频率进行混频后经过低通滤波器，使得经过此处理后信号的载波频率减小，从而测量载波周期的精度提高。所述的直接载波周期估计法，是指在系统中保留信号光的载波分量作为导频，从而接收到的微波信号包含载波分量而呈现出周期性，此周期与载波周期相同，因此可以直接测量微波信号波形的周期来确定载波周期。在采样频率有限的数字系统中实现时，需迭代直接载波周期估计法来降低时域波形观测精度造成的测量误差。所述的包络检测法，是在粗频率恢复后，此时残余载波频偏已远小于基带信号波特率，而呈现出基带信号被残余载波调制的状态，即载波分量成为基带信号的包络，此时包络检测才能有效恢复残余载波频偏即载波相位。所述的计算复杂度降低技术是根据残余载波频偏的大小进行不同倍率的降采样操作。当残余载波频偏接近采样频率的一半时，不需要降采样操作；当残余载波频偏小于采样频率的一半时，依据其比例进行相应倍率的降采样操作。本专利技术涉及一种实现上述方法的载波恢复系统，包括：直接载波周期估计模块、用于提升抗噪性能的所测周期可靠性判定模块、残余载波频偏符号判断模块、下变频和循环终止判定模块和包络检测模块，其中：直接载波周期估计模块与所测周期可靠性判定模块相连并传输测得的载波周期信息，所测周期可靠性判定模块对载波周期信息进行可靠性判定并输出残余频偏信息至残余载波频偏符号判断模块，残余载波频偏符号判断模块计算频偏符号从而得到完整的频偏数值，并将频偏大小和符号均传输至下变频和循环终止判定模块；下变频和循环终止判定模块根据频偏大小和符号进行下变频操作并进行频偏判定后将粗恢复频偏值传输至包络检测模块；包络检测模块先根据估计出的粗恢复频偏对信号进行下变频操作，再进行包络检测以实现频率精确恢复及载波相位的恢复。所述的可靠性判定是指：当载波周期信息不可靠时，所测周期可靠性判定模块继续往后选取另一段波形数据，输出至直接载波周期估计模块重新进行测量；否则所测周期可靠性判定模块计算残余频偏大小并将残余频偏信息传输至残余载波频偏符号判断模块。所述的频偏判定是指：比较残余频偏是否小于粗频偏恢复阈值，当不小于时下变频和循环终止判定模块将下变频后的信号传输至直接载波周期估计模块，从而实现闭环迭代以提升频偏恢复精度；否则完成粗频偏恢复，下变频和循环终止判定模块将粗恢复频偏值传输至包络检测模块。技术效果与现有技术相比，本专利技术具有大频偏恢复范围，频率偏移较大时，也可成功恢复出载波；本专利技术适用于任意调制格式；本专利技术基于具备正反馈特性迭代环路，实现更高的频率恢复精度且迭代的复杂度低。附图说明图1为本专利技术流程图；图2A为所测周期可靠性判定模块，图2B为残余载波频偏符号判断模块；图3为实施例中的实验系统装置示意图；图中：任意信号发生器1、电驱动放大器2、分布反馈激光器3、偏振控制器4、双驱动马赫增德尔调制器5、单模光纤6、掺铒光纤放大器7、带通滤波器8、本振激光器9、可调光衰减器10、耦合器11、光谱分析仪12、光电探测器13、示波器14。具体实施方式如图1所示，本实施例具体包括以下步骤：第一步、粗频率恢复，具体步骤包括：1.1)将接收到的微波信号与默认载波频率进行混频后经过低通滤波器，即初始混频操作，使得经过此处理后信号的载波频率减小，从而测量载波周期的精度提高。对于基于光外差式拍频的微波光子系统，默认载波频率应设为系统采用的通信标准中设定的微波载频；对于基于光零差式拍频的光相干系统，默认载波频率应设为0，则初始混频操作无下变频的效果，则不需要初始混频操作。1.2)迭代直接载波周期估计法，具体为：1.2.1)在每一个单次迭代过程中，取上次迭代后的微波信号的任意一小段波形，寻找该信号波形与信号均值电平交叉的任意相邻两点，确定两点后先经过所测周期可靠性判定模块以判定所取两点的可靠性从而实现抗噪，然后计算两点间距即交叉周期T，进而计算残余载波频率fr＝1/(2T)。此直接载波周期估计法可以实现[0,Fs/2]的频偏估计范围，Fs为采样频率。再通过残余载波频偏符号判断模块判断频偏的正负，从而载波的频偏恢复范围可以从[0,Fs/2]增大到[-Fs/2,Fs/2]；确定残余频偏后，将默认载波频率与该频偏相减，依据差频构建相应的余弦信号作为更新后的载波信号，将该载波信号与接收到的原始微波信号进行混频，经过低通滤波器，得到更新后的微波信号。1.2.2)迭代过程中，更新微波信号后需判断残余频偏是否小于粗频偏恢复临界值条件：若不小于，则将下变频后的信号传输至直接载波周期估计模块，继续迭代以降低残本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法，包括粗频率恢复、细频率恢复及相位恢复，其特征在于，先将接收到的微波信号通过初始混频操作来将载波频偏降低至中频段，再通过直接载波周期估计法进行迭代操作，获取粗频率恢复的频偏值，然后将信号通过包络检测法以进行频率精确恢复，包络检测法同时也能通过计算峰值点出现的位置相对于整个时间窗口的位置来获得载波相位，从而完成了对信号的载波频率及相位的恢复，为了降低计算复杂度，载波频率及相位恢复的过程基于降采样操作实现。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于载波周期性的大频偏范围载波恢复方法，包括粗频率恢复、细频率恢复及相位恢复，其特征在于，先将接收到的微波信号通过初始混频操作来将载波频偏降低至中频段，再通过直接载波周期估计法进行迭代操作，获取粗频率恢复的频偏值，然后将信号通过包络检测法以进行频率精确恢复，包络检测法同时也能通过计算峰值点出现的位置相对于整个时间窗口的位置来获得载波相位，从而完成了对信号的载波频率及相位的恢复，为了降低计算复杂度，载波频率及相位恢复的过程基于降采样操作实现。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的初始混频操作，是将接收到的微波信号与默认载波频率进行混频后经过低通滤波器，使得经过此处理后信号的载波频率减小，从而测量载波周期的精度提高。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的直接载波周期估计法，是指在系统中保留信号光的载波分量作为导频，从而接收到的微波信号包含载波分量而呈现出周期性，此周期与载波周期相同，因此可以直接测量微波信号波形的周期来确定载波周期，在采样频率有限的数字系统中实现时，需迭代直接载波周期估计法来降低时域波形观测精度造成的测量误差。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的迭代直接载波周期估计法，具体为：在每一个单次迭代过程中，取上次迭代后的微波信号的任意一小段波形，寻找该信号波形与信号均值电平交叉的任意相邻两点，确定两点后先经过所测周期可靠性判定模块以判定所取两点的可靠性从而实现抗噪，然后计算两点间距即交叉周期T，进而计算残余载波频率fr＝1/(2T)，此直接载波周期估计法实现[0,Fs/2]的频偏估计范围，Fs为采样频率，再通过残余载波频偏符号判断模块判断频偏的正负，从而载波的频偏恢复范围从[0,Fs/2]增大到[-Fs/2,Fs/2]；确定残余频偏后，将默认载波频率与该频偏相减，依据差频构建相应的余弦信号作为更新后的载波信号，将该载波信号与接收到的原始微波信号进行混频，经过低通滤波器，得到更新后的微波信号。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，当所取的一段波形长度为L，采样频率为Fs，则最大的交叉周期T≤L/Fs，则能将载频最小降低至Fs/(2L)，即粗频偏恢复的恢复能力有确定的临界值，到达临界值继续迭代算法不会继续收敛，因此需要设置临界值条件，让算法从粗恢复过程跳出，进入细恢复过程。


6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的低通滤波器为数字滤波，用于保留载波分量的同时尽可能滤除两种干扰。


7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的包络检测法，是在粗频率恢复后，此时残余载波频偏已远小于基带信号波...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庆明，李靖驰，曹瑞远，安韶华，苏翼凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31