[发明专利]相干光OFDM系统中一种时域容积卡尔曼相位噪声补偿方法

权利要求书

1.相干光OFDM系统中一种时域容积卡尔曼相位噪声补偿方法，其特征在于：在本方法中，首先利用导频信息，通过扩展卡尔曼(Extended Kalman Filter，EKF)和线性插值算法补偿公共相位噪声(Common Phase Error，CPE)，包括如下5个步骤；

1)设置初始条件

其中，是第一个OFDM符号的第一个导频信号的相位噪声估计值，P_1，1是第一个OFDM符号导频信号的协方差值，均设初始条件为0；

2)状态预测和协方差预测

P_m，p|p-1＝P_m，p-1+Q_m，p-1 (7)

其中，是第m个OFDM符号第p个导频子载波的相位噪声一步预测值，P_m，p|p-1是第m个OFDM符号第p个导频子载波的协方差预测值，是相邻导频之间的相位差，满足

3)EKF增益

4)计算测量估计值及残差序列

式(9)是带入状态预测相位噪声的第m个OFDM符号第p个导频子载波的测量估计值，式(10)是其估计值与真实值之间的差值，即残差；

5)状态更新和协方差更新

P_m，p＝[I-K_m，pH_m，p]P_m，p|p-1 (12)

式(11)是第m个OFDM符号第p个导频更新后的相位噪声状态值，式(12)是第m个OFDM符号第p个导频更新后的协方差值；然后返回步骤2直至导频处的相位噪声估计值全部计算完成；经时域EKF滤波后，将导频的相位噪声估计值利用线性插值获得全局的时域估计相位噪声在获得整个OFDM符号的相位噪声估计值之后，直接在时域对接收信号进行补偿，则有：

其次，对相位噪声一阶补偿后的信号进行预判决，然后将预判决后的信号在时域进行次符号处理；再次，结合次符号处理后的时域信号，在时域对判决后的数据进行CKF相位噪声补偿算法实现子载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)相位噪声的精细补偿；具体包括以下步骤：

(1).首先在接收端，经过信道均衡后，信号输入到相位噪声调制模块，利用导频进行时域EKF滤波和LI算法补偿CPE相位噪声，记补偿CPE相位噪声的一阶算法为LI-EKF算法；运用次符号对ICI相位噪声进行预处理，为CKF相位噪声补偿算法做准备；在ICI相位噪声预处理过程中，首先将第一阶处理后的信号进行试探性判决，并将处理后的信号与其试探性判决的结果在时域分别划分为若干个相同数量的次符号，通过对两种信号中相对应的各个次符号进行对比，根据LS准则估计出每个次符号中的CPE来补偿相位噪声，从而达到在时域划分次符号提高相位噪声的时域分辨率进而对ICI相位噪声进行预处理的效果；

对一阶粗补偿后的OFDM符号转化到频域进行试探性判决，预估出发送端发送的数据，其试探性判决的结果为将一阶试探性判决的结果转化为时域信号：

其中，Q(·)表示试探性判决的操作，F^H表示快速傅里叶逆变换，Δξ表示试探性判决的判决误差；将第m个OFDM符号的试探性判决结果在时域上划分为N_b个次符号，然后进行次符号处理，根据LS准则估计出第n个次符号中的平均相位噪声为：

式中，1≤n≤N_b，b＝N/N_b为各个次符号的长度；利用计算得到的对一阶补偿后的OFDM符号进行时域次符号处理：

(2).在经过一阶相位噪声补偿和预处理后，系统的误码率能降低到一个较低的水平，但相位噪声中对ICI相位噪声的补偿程度还不够；本方法采用高密度的CKF相位噪声补偿算法对OFDM符号内的子载波逐个滤波，获得精细补偿的相位噪声估计值，提高对ICI相位噪声的补偿程度；对OFDM符号内所有采样点进行CKF相位噪声补偿算法；将残余的ICI相位噪声作为状态方程，时域信号作为观测方程；将次符号处理后的信号和预判决后的信号带入CKF相位噪声补偿算法中，式(4)和式(5)作为CKF相位噪声补偿算法的状态方程和观测方程；

式中，w_m，k-1是第m个OFDM符号第k-1个时域采样点的状态噪声，满足w_m，k-1～N(0，Q)，其中v_m，k是第m个OFDM符号第k个采样点的观测噪声，满足v_m，k～N(0，R)，其中由三阶球面径向容积准则，计算基本的容积采样点和对应的权值i＝1，2，...，M，M表示基本容积点个数，由三阶球面径向容积准则，容积点数是状态维度数的2倍，[1]是完整全对称点集；

采用次符号处理的CKF(Sub-symbol CKF，SCKF)相位噪声补偿算法具体步骤为：

Step1初始化相位噪声值和CKF方差；

Step2将次符号处理后的值和预判决后的值带入；

Step3时间更新；将上一采样点的方差进行SVD分解，依次计算状态方程容积点、预测状态和预测方差；

Step4测量更新；将预测方差进行SVD分解，依次计算测量方程容积点、测量预测值、新息方差以及协方差估计值；

Step5计算CKF增益；

Step6带入上一时刻相位噪声值和CKF方差、预判决后的值、CKF增益，计算状态值更新和协方差值更新；转入Step3直至遍历所有采样点信号；对精细补偿后的数据进行迭代运算，从而提高其补偿效果；

(3).经(1)、(2)步操作，将CPE相位噪声补偿的线性插值EKF(LinearInterpolationEKF，LI-EKF)算法与ICI相位噪声补偿的SCKF算法相融合后而得到最终的LI-EKF-SCKF相位噪声补偿算法，最终补偿后的信号输出为：