OFDM系統中的相位噪聲抑制算法研究
導讀：系統由于各子載波相互正交。帶相位噪聲的OFDM系統模型。并提出了一些CPE的補償算法。用空導頻估計ICI和噪聲能量之和。在接收端用鎖相環提取導頻并對相噪進行補償。OFDM系統中的相位噪聲抑制算法研究。
關鍵詞：OFDM，相位噪聲，CPE，ICI，導頻
0引言
正交頻分復用(OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，既可以看成是一種調制技術，也可以當作一種復用技術。OFDM技術由于其較高的頻譜利用率和良好的抗窄帶干擾能力而在高速數據傳輸業務與寬帶無線接入系統中得到廣泛的應用[1][2]，比如在數字視頻/音頻廣播(DVB/DAB)系統,IEEE802.11無線局域網(WLAN)，多媒體移動接入通信(MMAC)，非對稱數字用戶環路(ADSL)，數字多媒體廣播(DMB)，高清晰度電視(HDTV)和多帶OFDM超帶寬系統(MB-OFDM UWB)等都用到了OFDM技術。，CPE。同時，OFDM技術已被認為是下一代移動通信系統中的核心技術之一。
OFDM系統由于各子載波相互正交，對相
位噪聲比較敏感，即接收端振蕩器非理想因素對輸出載波形成隨機的相位調制，使各子載波之間的正交性遭到破壞[3]，導致系統性能下降。相位噪聲對OFDM系統的影響包括共同相位誤差(CPE)和子載波間干擾(ICI)，其中CPE對整個信號星座產生了偏轉，而ICI對接收符號產生非對稱的隨機誤差，由于CPE是對整個信號的旋轉，故影響也最為嚴重，因此對CPE的抑制對于提高OFDM系統的性能就顯的尤為重要。科技，CPE。如果子載波數目較大且各子載波調制信息相互獨立，由極限中心定理可知ICI對OFDM的影響與高斯白噪聲類似。
目前，已有不少文獻致力于OFDM系統的相位噪聲抑制研究，并提出了一些CPE的補償算法。文獻[4]和文獻[5]用CPE自適應跟蹤的方法，用判決反饋對CPE估計的結果進行一階濾波，該方法對相鄰OFDM符號之間CPE相關性很強的維納模型的相位噪聲有一定效果，但是對高斯色噪聲特性的相噪其抑制效果不是很理想，而且該方法中對信道估計的要求很高，不適合實際運用。文獻[6]在OFDM信號的中心位置插入一個功率加大的載波恢復導頻，并在導頻兩邊插入若干子載波間隔的頻率保護帶，在接收端用鎖相環提取導頻并對相噪進行補償。該方法的頻率保護帶占用了大量的帶寬，且如果載波恢復導頻落入信道深衰處，其性能受到很大影響。同樣是基于導頻和頻率保護間隔的補償方法，文獻[7]所提的方法在一定程度上改善了性能，但運用了大量的矩陣運算，使復雜度大大增加。文獻[8]中提出一種低復雜度的基于確定點的TPS算法，但該方法的運用是在相位噪聲頻帶比較窄的假設下，限制了其運用。文獻[9]用MMSE方法得到相噪的估計值，用空導頻估計ICI和噪聲能量之和，該方法在算法復雜度方面以及在AWGN信道條件下的性能還有待提高。
本文做如下安排：第一部分對相位噪聲對OFDM系統的影響做具體分析，第二部分介紹本文算法，第三部分對算法性能進行仿真和分析，第四部分是結論。
1帶相位噪聲的OFDM系統模型
如下圖1所示，高速隨機數據流經過QAM星座映射，串并變換并加入導頻后，第m個OFDM符號的第k個子載波上的調制信號為
，
;
為IFFT變換后信號，并串變換后加入一定長度的循環前綴(CP)，經過模/數轉換后發送到信道。
圖1 帶相位噪聲的OFDM系統框圖
接收端接收的時域信號為
,經過FFT變換(已去除CP)得到的信號用
表示。科技，CPE。則接收端的時域信號為：
(1)
對其進行FFT可得接收端的頻域信號:
(2) 右邊第一項的
表示相噪引入的共同相位誤差(CPE)，可見CPE同一個OFDM符號的所有子載波都產生相同的干擾，導致整個信號的星座旋轉。第二項
表示相噪引入的子載波間干擾(ICI)，是隨機的，對不同的子載波作用不同。
是均值為零，方差為
的高斯白噪聲，
表示信道沖擊響應。相位噪聲的模型將在下面進行詳細說明。
2算法描述
本文算法具體分為三個步驟：首先通過插入的導頻符號對信道與CPE的值進行估計，得到數據符號的初步估計值;然后將這個數據符號估計值運用到線性最小二乘估計法(LLSE)中，進一步得到CPE和數據的估計值;第三步是將CPE和數據的估計值反饋到LLSE方法中，得到更為精確的符號值。
假設在發送端插入的導頻符號為
，
為插入的導頻數。由(2)式可知接收端收到的導頻符號為：
(3)上式中的第二部分代表相位噪聲產生的ICI，可被認為是零均值，方差為
[10]的高斯分布，這個變量很小，本文中將它看作一個系統噪聲，因此(3)式可以寫為：
(4) 其中
表示的是ICI分量，
看成是總的系統噪聲，該系統噪聲服從零均值，方差為
的高斯分布。科技，CPE。
首先在接收端分離出發送的導頻符號，由下式得到CPE-信道初始估計值：
(5) (5)式得到的是第m個OFDM符號導頻上的CPE-信道初始估計值，由線性插值的方法進一步得到該OFDM符號其它子載波上的CPE-信道初始估計值：
(6)其中
，
通過這個估計值結合(4)式得到傳輸信號其它所有數據子載波的初始估計：
，k=0,1,…,N-1 (7)
將(7)式得到的傳輸符號的初始估計值代入以下代價函數進行LS估計：
(8)
其中k=0,1,…,N-1,這樣可以得到符號子載波
的CPE-信道二次估計值，即：
(9)
將此二次估計值代替(7)式中的CPE-信道初始估計值，即可進一步得到更精確的符號估計值：
,k=0,1,…,N-1(10)
通過將(10)式得到的數據符號值代入(9)式我們可以得到更新的CPE-信道估計值，通過此估計值再反饋到(10)式就可得到更新的符號估計值，這樣，可以用(10)式和(9)式一直反饋更新，直到得到最好的抑制效果。科技，CPE。
3算法性能仿真與分析
為了驗證算法的有效性，本文用MATLAB軟件對算法進行仿真，仿真參數設置如下：信號模型按照IEEE802.11a標準設計，數據符號采用16QAM調制，基帶采樣速率為20MHz，相位噪聲由高斯隨機變量通過3dB帶寬為100kHz的單極點巴特沃斯濾波器產生[11]。其大小由高斯隨機變量的標準差RMS決定。每個OFDM符號中插入8個導頻。為了更好的對比本文算法，對文獻[9]中的提出的算法也進行了仿真。
圖2表示的是仿真200個符號得到的相位噪聲抑制前后的16QAM OFDM信號星座圖，由(a)可以清楚的看到相位噪聲引入的CPE和ICI對系統的影響很大，從(b)中可以看出經過算法抑制后信號星座圖得到校正，系統性能得到明顯改善，說明了算法的有效性。
(a) 相噪未抑制 (b)抑制相噪后
圖2相噪抑制前后16QAM信號星座圖比較
圖3給出了算法在AWGN信道條件下的BER性能仿真比較圖，其中相位噪聲的RMS為6。從圖可以看出，在低信噪比時，本文算法抑制性能與文獻[9]的方法相比性能提高不是很明顯，但隨著信噪比逐漸增大，本文算法的良好抑制性能逐漸體現，能獲得2dB左右的性能增益。
圖3 算法性能仿真比較圖
4結論
本文主要考慮正交頻分復用系統中的相位噪聲的影響與抑制問題。在分析相位噪聲對系統性能影響的基礎上，將相位噪聲中的共同相位誤差與信道響應聯合估計，利用LLSE方法不斷更新相噪與數據符號的估計值，從而達到抑制相噪影響的目的。該方法的有效性能從計算機仿真的結果中得到了驗證。科技，CPE。本文只討論了算法在AWGN信道條件下抑制相噪的性能，沒有涉及多徑衰落信道，這是在下一階段需要進一步研究的方向。
參考文獻：
[1]IEEE Standard 802.11a-1999(R2003), part 11:Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer specificati-ons[S].IEEE,2003:15-33.
[2]Moghadam,N.M,Falahati,A.An Improved ICI Reduction Method in OFDM Communication System in Presence ofPhase Noise[C]. IEEE ICSPC.,Nov.2007,pp:740.
[3]Yu Gong,Xia Hong. ANew Algorithm for O-FDM Joint Data Detection and Phase Noise Cancellation[C].IEEE Conference on Commu-nications. May 2008,pp:636.
[4]P Robertson,S Kaiser.Ayalysis of the effects of phase-noise in orthogonal frequency divisionmultiplex(OFDM)sys-tems[J].In Proc.ICC’95,Seattle,WA, June 1995,Vol.3,pp:18-22.
[5]T Onizawa,MMizoguchi,T Sakata etal. A newsimple adaptive phase tracking shenme empl-oyingphase noise estimation for OFDM sign-als[J].In Proc.VTC’02,Vol.3,pp:1252-1256
[6]M S El-Tanany,Y Wu andL Hazy.Analytical.modeling and simulation of phase noise inter-ference inOFDM-basedigital televison terrest-rial broadcasting systems[J].IEEE Trans.Broadcast.,Mar2001,Vol.47,pp:20-31.
[7]劉光輝,朱維樂.正交頻分復用系統中相位噪聲的影響與抑制[J]. 系統工程與電子技術.2005,27(8).(Guanghui Liu,Weile Zhu.Eff-ects and suppression of phase noise inOFDM systems[J].Systems Engineering and Electronics.2005,Vol.27,No.8.)
[8]陳赟,曾曉洋,陳琛等.一種低復雜度的消除相位噪聲的方法[J]. 中國圖像圖形學報.2009,14(10).(Yun Cheng,Xiaoyang Zen,Chen Chen,etal.ALow-complexity Phase Noise Ca-ncellation Scheme for OFDM System[J]. Journalof Image and Graphics.2009,Vol.14,No.10.)
[9]S Wu,Y Bar-Ness, Aphase noise suppression algorithm for OFDM based WLANs[J]. IEEE Comm. Letters,Dec.2002,Vol.6,pp:535-537.
[10]E.Costa andS.Pupolin. M-QAM-OFDM Syst-em Performance in the Presence of a Nonlin-earAmplifier and Phase Noise[J].IEEE Trans.Commum,2002,Vol.50,No.3,pp:462-472.
[11]D.D.Lin,R.A.Pacheco,T.J.Lim,etal.Joint Estim-ation of Channel Re-sponse,Frequency Offesetand Phase Noise inOFDM[J]. IEEE Transac-tionson Signal Processing, Sept.2006,Vol.54, No.9,pp:3542-3554.
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