OFDM系统中相噪的跟踪与抑制.docVIP

OFDM系统中相噪的跟踪与抑制 摘 要：OFDM系统中，本振相位噪声引入两种影响：共同相位误差(CPE)和载波间干扰(ICI)。如果系统传输速率较高，只对相噪引入的CPE进行校正就很难满足系统性能的要求，为此必须对ICI进行抑制。相噪在时域是乘性噪声，在频域形成对OFDM信号的卷积干扰。本文提出了一种新的降低ICI影响的方法：在OFDM符号中插入若干相噪估计导频，收端依据导频的失真，用LS方法解卷积得该符号的相噪参数，然后对相噪引入的CPE和ICI进行抑制。仿真结果表明，本文方法十分有效。 关键词：载波间干扰；共同相位误差；相位噪声；OFDM 1. 引 言 OFDM系统的主要优点是其较强的抗多径衰落能力和极高的频谱利用率。但由于OFDM符号周期较长，所以它对本振引入的相位噪声比较敏感，这是OFDM的主要缺点之一。 相噪对OFDM系统的影响主要有两方面[1]：共同相位误差(CPE)引起整个信号星座的旋转；相噪高频噪声引入的载波间干扰(ICI)。CPE的估计方法比较简单，发展也比较成熟。对ICI的估计，文献[2]提出了基于分散导频的LS估计算法，但由于导频附近数据子载波的卷积干扰，这种方法的性能并不十分理想。Florent Munier等人基于相噪的统计特性提出用MMSE和ML方法估计相噪[3]。该算法需要通过观察几个OFDM符号来获取相噪统计特性，这无疑增大了系统开销，加之复杂性较高，这使得其实用性大打折扣。文献[4]提出用增大了发射功率的载波恢复导频及导频两边的频率保护间隔来估计相噪，这种方法在高斯信道中简单有效，但当载波恢复导频落入多径深衰处时，该方法就失效了。 本文提出了一种抑制相位噪声的新方法：在发端通带中插入一定数量的相噪估计导频，收端依据导频受收端本振相噪引起的失真，利用解卷积的方法求得影响该符号的相噪，并用解得的信息对本符号的相噪进行有效的抑制。这种方法可以用相噪的频域线性参数模型来解释[5]。最后，仿真了本文方法在DVB-T系统中的性能，并对仿真的结果进行了分析和比较。 2. 相位噪声的跟踪与抑制 相噪对OFDM系统的影响是逐符号的随机值，所以对相噪要逐符号地跟踪、抑制。相噪在时域估计相噪很困难，一般在频域跟踪相噪信息。相噪在时域是乘性噪声，在频域形成对OFDM信号的卷积干扰。因此，OFDM符号中插入的常规分散和连续导频都很难估计出相噪的高阶频谱。本文按照图1方式组织OFDM数据。即在传送的OFDM数据子载波的中心插入Np个相噪估计导频(也可以插入其它位置，如传输通带的两边[5])，导频与数据子载波之间留有2u+1个空导频组成的频率保护间隔(FGI)，其中u是需要估计的相噪频谱的阶数。插入FGI的目的是降低导频和数据子载波之间发生由相噪引入的卷积干扰，给估计相噪高阶频谱带来方便。 分析相噪频谱。将第m个OFDM符号相噪瞬时值表示为均值Φm和相对均值偏移量Δφm(n)之和，由于Δφm(n)一般都很小，所以其复基带形式可作近似。设OFDM系统中IFFT/FFT点数为N，则相噪频谱可以表示为： (1) 其中在i等于零时为1，其余都为零。而纠正相噪直流分量后的高阶频谱可以表示为： (2) 由于相噪PSD随着频率上升而急剧下降，所以只需考虑相噪有限的u阶频谱分量，而没有必要估计整个信号带宽内的相噪，即取。 设发送的导频序列为C=(c0,c1,…,cNp-1)T ，T表示转置运算，则接收的导频序列是C和相噪频谱的卷积。为了讨论方便，这里没有考虑信道的影响。接收的导频序列即观测矢量可以表示为： (3) 从(3)式可以知道，由于相噪的卷积干扰，导频序列的信息“扩散”到两边的FGI中。(3)式可以写成矩阵形式： (4) 其中 由(4)式可以知道R和X都已知，要求解高阶频谱(即矢量I)，必须先估计和校正相噪零阶频谱(即CPE)的影响： (5) 其中angle(·)为取复数的辐角。(4)式纠正CPE后，可得，则用LS方法可以可以求得相噪高阶频谱的最小均方估计： (6) 式中H表示共轭转置，(·)-1表示矩阵求逆。实际上，相噪高阶频谱的正负分量并不独立，即满足关系，利用此关系可以使方程未知数减少一半，大大改善算法的抗噪性能。 本文提出的OFDM系统相噪跟踪与抑制算法归纳如下：1)按图1方式在发送的OFDM数据中插入相噪估计导频；2)从接收数据中提取观测矢量R，注意提取导频因相噪频谱的卷积而扩