一种频偏估计方法及装置、电子设备、计算机可读介质
阅读说明：本技术 一种频偏估计方法及装置、电子设备、计算机可读介质 (Frequency offset estimation method and device, electronic equipment and computer readable medium ) 是由 李双喜 姚扬中 曹南山 李运鹏 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种频偏估计方法,其包括：按照设定间隔从输入信号中抽取样点,获得多个样点组,而且每个所述样点组的设定间隔不同；对当前样点与每个所述样点组内的抽取样点分别进行处理,获得所述设定间隔对应的复数角度数据；利用所述设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。该频偏估计方法不需要在频偏估计过程中切换频偏估计,可实现了大范围、高精度的频偏估计。本公开还提供了一种频偏估计装置、电子设备及计算机可读介质。(The present disclosure provides a frequency offset estimation method, which includes: sampling points are extracted from an input signal according to a set interval to obtain a plurality of sampling point groups, and the set interval of each sampling point group is different; respectively processing the current sampling point and the extracted sampling points in each sampling point group to obtain a plurality of angle data corresponding to the set intervals; and determining the frequency offset estimation value of the current input signal by using the complex angle data corresponding to the set interval. The frequency offset estimation method does not need to switch frequency offset estimation in the frequency offset estimation process, and can realize large-range and high-precision frequency offset estimation. The disclosure also provides a frequency offset estimation device, an electronic device and a computer readable medium.)
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图对本公开提供的一种频偏估计方法及装置、电子设备、计算机可读介质进行详细描述。
在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本公开的范围。
在不冲突的情况下，本公开各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由……制成”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本公开的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。
400Gb/s PM-16QAM(偏振复用－四相相移键控)相干光通信接收机，在均衡和偏振解复用后，获得两路信号，即X偏振信号和Y偏振信号。由于相干光通信发射机中激光器的频率与相干光通信接收机中激光器的频率不完全一致，均衡器输出的两路偏振信号存在频偏。需要对频偏进行估计获得频偏估计信号，以补偿相干光通信接收机的频率，从而提高光通信系统的信号质量。
本公开实施例频偏估计方法可以对X偏振信号和Y偏振信号中任意一路偏振信号进行频偏估计，然后将频偏估计结果应用于另一路偏振信号；或者，对X偏振信号和Y偏振信号同时进行频偏估计。为了方便描述，以下实施例是对X偏振信号和Y偏振信号同时进行频偏估计进行介绍。
第一方面，本公开实施例提供一种频偏估计方法，该频偏估计方法应用于相干光通信接收机，估计相干光通信发射机中激光器的频率与相干光通信接收机中激光器的频率频偏，以对相干光通信接收机的频率进行补偿或修正。
图2为本公开实施例提供的一种频偏估计方法的流程图。参照图2，频偏估计方法包括：
步骤201，按照设定间隔从输入信号中抽取样点，获得多个样点组，而且每个样点组的设定间隔不同。
其中，输入信号为将数字基带电信号进行均衡滤波后的时域信号，且该均衡滤波后的信号是并行度为64的信号。
从输入信号抽取样点，可以对先对输入信号进行存储，存储的长度至少满足抽取样点的数量，并加上抽取样点的设定间隔。其中，设定间隔也被称为延时间隔，其可以根据需要任意设定。如设定间隔为4，则每间隔4个样点抽取一个样点。另外，抽取样点的数量也可以根据需要任意设定，如抽取20、50、80个样点。更具体地，当每间隔4个样点抽取一个抽取样点，而且每个样点组包括5个抽取样点，则存储的长度至少应该包含有21个样点。
在本实施例中，每个样点组的设定间隔不同，换言之，每个样点组采用不同的设定间隔抽取。例如，对于第一样点组，设定间隔可以为1，包括32个抽取样点。对于第二样点组，设定间隔可以为4，包括32个抽取样点。对于第三样点组，设定间隔可以为16，包括32个抽取样点。
需要说明的是，本公开实施例每个样点组的抽样对象相同，即不同的样点组是从相同采样周期内的输入信号中抽取。
步骤202，对当前样点与每个样点组内的抽取样点分别进行处理，获得设定间隔对应的复数角度数据。
其中，当前样点是输入信号中任意一个样点，该输入信号与抽取样点组的输入信号为相同采用周期的输入信号。
在步骤202中，对当前样点与样点组内的抽取样点分别进行处理，如四次方运算、求和、滤波和角度计算等处理，获得复数角度数据。
当前样点与每个样点组内的抽取样点进行处理，获得多个复数角度数据，即每个样点组对应一个复数角度数据。例如，当存在三个样点组时，可以获得三个复数角度数据。当然，存在较多数量的样点组时，也可以获得少于样点组的数量的复数角度数据。
步骤203，基于设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。
在步骤203中，利用复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。
在一些实施例中，频偏估计值可以通过设定间隔对应的复数角度数据逐级估计频偏值，每一级的估计范围是上一级的1/4。
图3为本公开实施例提供的频偏估计方法中步骤202的具体流程图。如图3所示，对当前样点与每个样点组内的抽取样点均进行如下处理：
步骤301，将当前样点与样点组内的抽取样点进行共轭相乘、幅度相乘和相位相减，做M次方运算，获得M次方相关值。
在步骤301中，对X偏振信号和Y偏振信号，将当前样点与样点组内的抽取样点进行共轭相乘、幅度相乘和相位相减，并做M次方运算，获得M次方相关值。其中，M为大于2的整数。
当前样点与三个样点组进行共轭相乘、幅度相乘和相位相减，并做四次方处理，获得四次方相关值R1、R2和R3。
例如，利用公式(1)计算四次方相关值R1、R2和R3。
在公式(1)中，R1表示设定间隔为1的四次方相关值，R2表示设定间隔为4的四次方相关值，R3表示设定间隔为16的四次方相关值，表示信号幅度，表示抽取样点的相位，t为抽取样点时间，ej4表示四次方处理，x表示X偏振信号，y表示Y偏振信号，表示当前样点和t+1抽取样点的X偏振信号的信号幅度相乘，表示当前样点和t+1抽取样点的X偏振信号的相位相减。
需要说明的是，本实施例是以4次方处理为例进行说明，实际上，本发明也可以进行其它次方处理。
步骤302，每N拍M次方相关值进行一次相加，获得累加数据。
其中，N为大于2的整数，N拍表示N个M次方相关值，即对连续的N个M次方相关值进行累加。在本实施例中，N可以选择32拍，即每32个连续的M次方相关值进行一次累加。
例如，利用公式(2)对32个四次方相关值进行相加求和，获得累加数据。
在公式(2)中，Rsum,1表示设定间隔为1的样品组对应的累加数据，R1[count]表示设定间隔为1的四次方相关值，Rsum,2表示设定间隔为4的样品组对应的累加数据，R2[count]表示设定间隔为4的四次方相关值，Rsum,3表示设定间隔为4的样品组对应的累加数据，R3[count]表示设定间隔为16的四次方相关值。
步骤303，对累加数据进行滤波，获得滤波数据。
在步骤303中，采用一阶IIR数字滤波器进行低通滤波，以对累加数据进行平滑处理。
例如：利用公式(3)计算滤波数据。
在公式(3)中，α1、α2、α3为配置的滤波系数，Ravg,1表示设定间隔为1的样品组对应的滤波数据，Ravg,2表示设定间隔为4的样品组对应的滤波数据，Ravg,16表示设定间隔为16的样品组对应的滤波数据。
步骤304，根据滤波数据和设定间隔获得设定间隔对应的复数角度数据。
在步骤304中，根据滤波后的滤波数据和设定间隔计算复数角度。
例如，利用公式(4)计算复数角度。
在公式(4)中，F1、F2、F3表示复数角度数据，Arg()表示求复数的角度，单位为圈(turns)，取值范围通常为[-0.5,0.5]turns，4、16和64是与设定间隔相关的数值。
在一些实施例中，对设定间隔对应的复数角度数据逐级估计频偏值，获得当前输入信号的频偏估计值。在逐级估计频偏值时，每一级的估计范围是上一级的1/4。
图4为本公开实施例提供的频偏估计方法中步骤203的具体流程图。如图4所示，基于设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值，包括：
步骤401，按照设定间隔对复数角度数据进行分级，且设定间隔越小，复数角度数据的等级越低。
例如，当设定间隔为1、4、16时，设定间隔为1的复数数据角度F1为第一级，设定间隔为4的复数数据角度F2为第二级，设定间隔为16的复数数据角度F3分别为第三级。
步骤402，对复数角度数据逐级估计频偏值，获得当前输入信号的频偏估计值。
在一些实施例中，基于相邻两级复数角度数据获得第一级中间频偏估计值；基于上一级中间频偏估计值和下一级复数角度数据获得下一级中间频偏估计值，直至获得最终的当前输入信号的频偏估计值。
将相邻两级复数角度数据进行高位直截，获得角度直截数据；基于角度直截数据和复数角度数据获得第一级中间频偏估计值。
如图5所示，利用复数角度数据通过两个加法器来确定当前输入信号的频偏估计值。其中，减法器的输出位宽同其输入的减数位宽，多余的高端bit被截去。假设复数角度定点化位宽表示为(sign，bit_eff，bit_least)其中，sign表示符号数，bit_eff表示有效位宽，bit_least表示最低位的权重。例如，在定点化位宽(1，12，18)中，“1”表示符号数，“12”表示有效位宽，“18”表示最低位为2-18。
在一些实施例中，利用复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值包括：将相邻的第n-1级Fn-1和第n级Fn复数角度值高位直截，获得直截角度值；将直截角度值与第n-1级复数角度值Fn-1相加，获得第n-1级角度中间值Mn-1；将第n+1级复数角度值与第n-1级角度中间值Mn-1高位直截，获得新的直截角度值；将新的直截角度值和第n-1级角度中间值Mn-1相加，以此类推，直至最后获得当前输入信号的频偏估计值。
下面以三个复数角度值F1、F2、F3为例进行介绍。其中，第一复数角度值F1为(1，12，14)、第二复数角度值F2为(1，12，16)、第三复数角度值F1为(1，12，18)。
将F2-F1高位直截后，获得的第一级直截角度值(1,12,16)；将第一级直截角度值(1,12,16)与F1相加，获得角度中间值M1，该角度中间值M1的定点化位宽为(1，14，16)；F3-M1高位直截后获得的第二级直截角度值(1,12,18)；第二级直截角度值(1,12,18)与M1相加后，获得角度中间值M2，角度中间值M2的定点化位宽为(1,16,18)。当没有其他复数角度值时，M2即为最终频偏估计值。若还有其他复数角度值，则按照图3频偏计算流程继续计算。
图6为本公开实施例提供的另一种频偏估计方法的流程图。如图6所示，频偏估计方法包括：
步骤601，根据设定阈值对输入信号进行预处理，获得有效输入信号。
其中，设定阈值是根据样点特性设定的阈值，即根据输入信号的离散程度设定。
在一些实施例中，预处理对输入信号进行分圈处理。具体地，根据样点特性设置分圈处理的设定阈值，找出适合进行四次方估计的样点。例如，对16QAM输入信号根据样点距离坐标轴的远近把星座图中的内圈4个样点和最外圈4个样点抽取出来，其它样点设置为0。
步骤602，将当前样点与样点组内的抽取样点进行共轭相乘、幅度相乘和相位相减，做M次方运算，获得M次方相关值。
在步骤602中，当前样点和样点组内的抽取样点均是来自于分圈处理后的样点。其它处理方式与上述实施例中步骤301相同，在此不再赘述。
步骤603，每N拍M次方相关值进行一次相加，获得累加数据。
步骤604，对累加数据进行滤波，获得滤波数据。
步骤605，根据滤波数据和设定间隔获得设定间隔对应的复数角度数据。
其中，步骤603至步骤605的具体实施方式与上述实施例中步骤302至步骤304相同，在此不再赘述。
步骤606，基于设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。
步骤606的具体实施方式与步骤203相同，在此不再赘述。
本公开实施例提供的频偏估计方法，按照设定间隔从输入信号中抽取样点，获得多个样点组，而且每个样点组的设定间隔不同；对当前样点与每个样点组内的抽取样点分别进行处理，获得设定间隔对应的复数角度数据；基于设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。该频偏估计方法利用不同设定间隔的样点组同时参与频偏估计值的计算，可预先设定频偏的估计范围和精度，而且计算结构全正向，不需要在频偏估计过程中切换频偏估计，避免了环路引起的频偏估计模糊，从而实现了大范围、高精度的频偏估计。
第二方面，本公开实施例提供一种频偏估计装置，该频偏估计装置可应用于相干光通信接收机，估计相干光通信发射机中激光器的频率与相干光通信接收机中激光器的频率频偏，以对相干光通信接收机的频率进行补偿或修正。
图7为本公开实施例提供的一种频偏估计装置的原理图。如图7所示，频偏估计装置包括：
抽样模块701，用于按照设定间隔从输入信号中抽取样点，获得多个样点组，而且每个样点组的设定间隔不同。
抽样模块701的具体实施例方式与上述实施例中步骤201相同，在此不再赘述。
角度数据获得模块702，用于对当前样点与每个样点组内的抽取样点分别进行处理，获得设定间隔对应的复数角度数据。
角度数据获得模块702的具体实施例方式与上述实施例中步骤202相同，在此不再赘述。
频偏估计模块703，用于基于设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。
在一些实施例中，频偏估计模块703是对设定间隔对应的复数角度数据逐级估计频偏值，获得当前输入信号的频偏估计值。
频偏估计模块703的具体实施方式与上述实施例中步骤203相同，在此不再赘述。
如图8所示，角度数据获得模块包括：
四次方计算单元801，用于将当前样点与样点组内的抽取样点进行共轭相乘、幅度相乘和相位相减，并做M次方运算，获得M次方相关值；其中，M为大于2的整数；
求和单元802，用于对每N拍M次方相关值进行一次相加，获得累加数据；其中，N为大于2的整数；
滤波单元803，用于对累加数据进行滤波，获得滤波数据；
复数角度计算单元804，用于根据滤波数据和设定间隔获得设定间隔对应的复数角度数据。
在一些实施例中，角度数据获得模块还包括预处理单元，用于根据设定阈值对输入信号进行预处理，获得有效输入信号。
在一些实施例中，如图9所示，在频偏估计装置中，角度数据获得模块包括多个四次方计算单元、求和单元、滤波单元和复数角度计算单元，每个样点组对应一个四次方计算单元、求和单元、滤波单元和复数角度计算单元。例如，当有三个样点组时，角度数据获得模块包括一个预处理单元901，三个四次方计算单元902、求和单元903、滤波单元904和复数角度计算单元905，以及一个频偏估计模块906。根据一个样品组内的抽取样点依据四次方计算单元902、求和单元903、滤波单元904和复数角度计算单元905获得一个设定间隔的复数角度数据，然后将复数角度数据发送至频偏估计模块906计算频偏估计值。
需要说明的是，上述实施例提供的频偏估计方法和装置不需要训练序列，也不依赖于系统的同步状态，异步状态也可应用。
本公开实施例提供的频偏估计装置，抽样模块按照设定间隔从输入信号中抽取样点，获得多个样点组，而且每个样点组的设定间隔不同；角度数据获得模块对当前样点与每个样点组内的抽取样点分别进行处理，获得设定间隔对应的复数角度数据；频偏估计模块基于设定间隔对应的复数角度数据确定当前输入信号的频偏估计值。该频偏估计装置利用不同设定间隔的样点组同时参与频偏估计值的计算，可预先设定频偏的估计范围和精度，而且计算结构全正向，不需要在频偏估计过程中切换频偏估计，避免了环路引起的频偏估计模糊，从而实现了大范围、高精度的频偏估计。
第三方面，参照图10，本公开实施例提供一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器1001；
存储器1002，其上存储有一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现上述任意一项的频偏估计方法；
一个或多个I/O接口1003，连接在处理器与存储器之间，配置为实现处理器与存储器的信息交互。
其中，处理器1001为具有数据处理能力的器件，其包括但不限于中央处理器(CPU)等；存储器1002为具有数据存储能力的器件，其包括但不限于随机存取存储器(RAM，更具体如SDRAM、DDR等)、只读存储器(ROM)、带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存(FLASH)；I/O接口(读写接口)1003连接在处理器1001与存储器1002间，能实现处理器1001与存储器1002的信息交互，其包括但不限于数据总线(Bus)等。
在一些实施例中，处理器1001、存储器1002和I/O接口1003通过总线相互连接，进而与计算设备的其它组件连接。
第四方面，本公开实施例提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述任意一种频偏估计方法。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其它的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其它传输机制之类的调制数据信号中的其它数据，并且可包括任何信息递送介质。
本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些实例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施例相结合描述的特征、特性和/或元素，或可与其它实施例相结合描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐明的本公开的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。