本發明涉及一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，屬于信號處理。

背景技術：

1、未來空間活動對數據傳輸速率和安全性的要求不斷提高。衛星相干光通信具有通信容量大和接收靈敏度高的特點，在高階調制方式下具有較高頻譜效率。然而激光器的相位噪聲和由衛星相對運動造成的多普勒頻偏會導致傳輸數據恢復性能的下降，因此需要對多普勒頻偏與相位噪聲進行估計與補償。

2、頻偏估計分為頻域估計與時域估計。頻域估計是通過對信號進行傅里葉變換得到其頻率信息從而估計頻偏，稱之為基于快速傅里葉變換的頻偏估計(fft-foe)，但是高速通信場景中的計算復雜度過高，不適用于資源受限的衛星載荷。時域估計利用相鄰符號之間的相位差信息來估計頻偏，稱之為差分頻偏估計(diff-foe)，采用塊估計平滑估計差分相位以減小噪聲影響。diff-foe的計算量較小，但在較低信噪比下會出現嚴重的突發錯誤。

3、相位估計方法主要包含盲估計和數據輔助估計方法。盲估計方法不依賴導頻信息，具有頻譜效率和資源利用率高的特點，且由于不涉及數據輔助方法需要進行的概率計算，其計算復雜度更小。盲估計方法主要包括viterbi-viterbi估計算法(vv-pe)、盲相位搜索(blind?phase?search,bps)。bps將相位空間量化為相位測試集，對每個測試相位進行相同計算搜索使代價函數最小的相位，相位估計精度與計算量成正比。vv-pe通過消除調制信號實現對載波相位的估計，具有實現結構簡單、計算量小的優勢。

4、目前衛星激光通信主要采用二進制相移鍵控(binary?phase?shift?keying,bpsk)、正交相移鍵控(quadrature?phase?shift?keying，qpsk)調制方式，受星載資源約束，傳統載波恢復技術采用diff-foe結合vv-pe(diff-4th)實現對載波頻偏及相位的估計，但二者均為前饋方法，級聯后在較低信噪比時系統性能損失嚴重。

技術實現思路

1、為了解決較低信噪比時系統性能損失嚴重的問題，本發明的目的是提供一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，該方法能夠消除星間相干光通信系統中殘余多普勒頻偏和相位噪聲造成的星座圖旋轉，實現低復雜度的容噪激光相位恢復。本發明還具有計算復雜度低、降低對硬件性能的要求、節省乘法器資源等優點。

2、本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

3、本發明公開的一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，通過反饋階段相位估計和前饋階段相位估計實現對信號載波的頻偏與相位的聯合估計，包括如下步驟：

4、步驟一、對激光信號進行相位檢測，相位表示為：

5、

6、步驟二、步驟一的相位和鑒相器增益kd相乘為鑒相誤差kdθin，二階環路濾波器對kdθin進行降噪處理，得到平滑信號θloop_0；

7、θloop_0的z域表示y(z)為：

8、y(z)＝h(z)x(z)

9、其中，x(z)是kdθin的z域表示；h(z)為二階環路濾波器的傳遞函數，表示為：

10、

11、其中，k1,k2為環路濾波器的增益因子，影響環路的響應速度與對噪聲的濾除能力；

12、步驟三、數控振蕩器根據步驟二的γloop_0計算得到載波相位估計值

13、的z域表示y1(z)為：

14、y1(z)＝h1(z)y(z)

15、其中，h1(z)為數控振蕩器的傳遞函數，表示為：

16、

17、步驟四、步驟一的相位減去步驟三輸出的估計得到誤差值θd，鑒相器增益kd和誤差值θd相乘為鑒相誤差kdθd；二階環路濾波器對kdθd進行降噪處理，得到平滑信號θloop；

18、θloop的z域表示y′(z)為：

19、y′(z)＝h(z)x′(z)

20、其中，x′(z)是kdθd的z域表示；

21、步驟五、根據步驟四的θloop計算得到載波相位估計值

22、的z域表示y1′(z)為：

23、y1′(z)＝h1(z)y′(z)

24、步驟六、鑒相器、環路濾波器和數控振蕩器構成反饋環路，重復步驟四和五，即采用步驟五輸出替換步驟四的進行迭代更新，輸出每一時刻載波相位估計值沒有信號輸入鑒相器時迭代停止；

25、步驟七、根據步驟四的鑒相誤差kdθd，通過塊估計的方法計算得到當前時刻前饋階段相位估計值

26、

27、其中，k表示信號采樣點序號，n表示相位估計窗長；

28、步驟八、將步驟六當前迭代時刻的相位估計值和步驟七當前時刻的前饋階段相位估計值相加得到當前時刻的載波相位估計值

29、步驟九、通過重復步驟六～步驟八迭代實時計算信號的載波相位估計值。

30、進一步地，步驟六所述反饋環路的傳輸函數表示為：

31、

32、其中kd、k1和k2與反饋環路的特征頻率ωn、阻尼因子ξ參數相關，當特征頻率與符號周期t的乘積遠小于1時，即ωnt＜＜1，三變量kd、k1、k2與ωn,ξ的關系表示為：

33、

34、

35、其中，符號周期t由系統設計確定，ξ的經驗取值為k1和k2的值取決于kd和特征頻率ωn，ωn的經驗條件為：

36、

37、有益效果：

38、1、本發明公開的一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，通過反饋階段相位估計和前饋階段相位估計實現對信號載波的頻偏與相位的聯合估計，解決傳統diff-4th算法在低信噪比時相位跳變的問題，提升載波相位恢復性能。

39、2、本發明公開的一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，基于數字鎖相環和viterbi-viterbi相位估計，減少低信噪比下相位恢復過程中出現的突發錯誤，相比傳統diff-4th方法，降低計算復雜度，減少計算資源。

40、3、本發明公開的一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，鑒相器、環路濾波器和數控振蕩器構成反饋環路，結合前饋機制和反饋機制，實現載波相位估計快速調整，持續實時跟蹤因衛星相對運動引起的多普勒頻移，能夠消除星間相干光通信系統中殘余多普勒頻偏和相位噪聲造成的星座圖旋轉，相比傳統diff-4th方法，提高通信的穩定性和可靠性。

技術特征：

1.一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，其特征在于：通過反饋階段相位估計和前饋階段相位估計實現對信號載波的頻偏與相位的聯合估計，包括如下步驟：

2.如權利要求1所述一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，其特征在于：步驟六所述反饋環路的傳輸函數表示為：

技術總結
一種低復雜度的容噪激光相位恢復方法，屬于信號處理技術領域。本發明使用兩級結構聯合估計，通過反饋階段相位估計和前饋階段相位估計實現對信號載波的頻偏與相位的聯合估計，解決傳統Diff?4th算法在低信噪比時相位跳變的問題，提升載波相位恢復性能。基于數字鎖相環和Viterbi?Viterbi相位估計，相比傳統Diff?4th方法，降低計算復雜度，減少計算資源。鑒相器、環路濾波器和數控振蕩器構成反饋環路，結合前饋機制和反饋機制，載波相位估計快速調整，持續實時跟蹤因衛星相對運動引起的多普勒頻移，能夠消除星間相干光通信系統中殘余多普勒頻偏和相位噪聲造成的星座圖旋轉，相比傳統Diff?4th方法，提高通信的穩定性和可靠性。

技術研發人員：楊凱,趙思驍,安建平,胡春源,林玉潔
受保護的技術使用者：北京理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28