（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中相位噪声消除技术研究.pdf

摘要 由于o f d m 技术可以克服高速率数据传输时码间干扰增大的问题，并且 具有频谱利用率高，硬件实现简单等优点，已成为继c d m a 后的又一核心技 术，在许多无线通信系统中得到了广泛的应用，并有望应用于4 g 移动通信 系统中。但由于其各子载波间严格正交，所以对相位噪声、载波频率偏移和 信道多普勒频移非常敏感。它们都会破坏其子载波间正交性，引入载波间干 扰i c i ，产生错误地板，严重降低系统性能。论文主要针对o f d m 系统中的 相位噪声影响及其相位噪声消除算法进行了研究，并分析探讨了载波频率偏 移和时变信道下的o f d m 系统性能。 论文首先对o f d m 系统中的相位噪声影响进行研究。分别研究了相位噪 声所产生的共同相位误差和载波间干扰的有关性质，并深入分析了系统参数 ( 如系统带宽、载波间隔、子载波数等) 对0 f 【) m 系统性能的影响，从而为 o f d m 系统中相位噪声消除技术的研究及优化系统参数设置提供参考。然 后，论文分别基于t u r b oc o d e do f d m 系统和i e 髓8 0 2 1 l a 无线局域网物理 层规范，提出了两种频域迭代相位噪声消除算法。基于t u r b oc o d e do f d m 系统所提出的算法其主要思想是利用t u r b o 码输出软信息对o f d m 符号进行 重构，根据重构符号采用线性最小均方误差倍计方法( l m m s e ) 对相位嗓 声进行估计，最后通过频域卷积的方法消除相位噪声。仿真结果表明，所提 出的算法经过少数次迭代就可以消除i c i 所产生的错误地板。基于i e e e 8 0 2 1l a 标准所提出的算法和基于t u r b oc o d e do f d m 系统的算法实现过程相 似。该算法与其他算法的主要区别是不需要任何附加的导频信息，仅利用 i e e e8 0 2 1 l a 中所含的四个导频信息来对共同相位误差进行估计，而且算法 中进行了矩阵运算优化。仿真结果表明，该算法通过少数次迭代也可以有效 消除i c i 所造成的错误地板，但其实现复杂度大大降低，且同时适用于维纳 相位噪声和p l l 相位噪声。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 论文针对o f d m 系统中数字取反和数字共轭两种i c i 自消除算法进行了 研究，分别对这两种算法在相位噪声、载波频率偏移和时变信道下的有效性 进行探讨。最后基于这两种算法提出一种新的相位噪声消除算法。仿真结果 表明，所提出的算法可以同时消除相位噪声所引入的共同相位误差和载波间 干扰，因此可以获得比自消除算法更优异的误码率性能。 关键词：o f d m ；相位噪声：迭代相位噪声消除；i c i 自消除 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o f d mi sa n t h e rk e yt e c h n o l o g ya f t e rc d m ad u et oi t sa b i l i t yt oo v e r c o m e t h ep r o b l e mo fi n c r e a s i n gi s ia st h ed a t ar a t ei n c r e a s e sa n di t sa d v a n t a g e so fh i g h b a n d w i d t he f f l c i e n c ya n ds i m p l eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n i th a sb e e nu s e di n m a n yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n di ss u p p o s e dt ob ea d o p t e di nt h e f o u r t hm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e r , 0 f d m s y s t e m s a r e v e r y s e n s i t i v et o p h a s en o i s e , c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dd o p p l e rf r e q u e n c yo f t i m e v a r y i n gc h a n n e l t h e yd e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e ns u b - c a r r i e r s ，a n d t h u si n t r o d u c ei n t e r - c a r t i e r i n t e r f e r e n c e ，w h i e h c a u s e sa nc i t o rf l o o ra n d s i g n i f i c a n t l yd e g r a d e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e t l l i st h e s i sm a i n l yc o n c e n t r a t e so n t h ea n a l y s i so fp h a s en o i s ei n f l u e n c eo no f d m s y s t e m sa n di t sc o r r e s p o n d i n g m i t i g a t i o nm e t h o d s ，a n ds i m p l yi n v e s t i g a t e st h ep e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e m s u n d e rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dt i m e - v a r y i n gc h a n n e la sw e l l f i r s t l y , t h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ep h a s en o i s ei n f l u e n c eo no f d ms y s t e m s i s p r e s e n t e d p r o p e r t i e so fp h a s e - n o i s e - c a u s e dc o m n t o np h a s e e r r o ra n d i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea l ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h ee f f e c to fs y s t e m p a r a m e t e r st os y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rp h a s en o i s ei sd i s c u s s e da sw e l l ，t o p r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e t op h a s en o i s em i t i g a t i o nr e s e a r c ha n do p t i m u m s y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n g n e x t ，t w oi t e r a f i v ep h a s en o i s em i t i g a t i o na l g o r i t h m s b a s e do nt u r b oc o d e do f d ms y s t e ma n di e e e8 0 2 1 1p h ys t a n d a r da r e s e p a r a t e l yp r o p o s e d a l g o r i t h mp r o p o s e db a s e do nt h et u r b oc o d e do f d m m a k e sf u l lu s eo ft h es o f to u t p u to ft u r b od e c o d e rt or e c o n s t r u c tt h eo f d m s y m b o l s w h i c ha r et h e nu s e dt oe s t i m a t e st h ep h a s en o i s eb yl m m s em e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ne l i m i n a t et h ee l l o rf l o o r c a u s e db yi c it h r o u g hf e wt i m e so fi t e r a t i o n h o w e v e r , s i n c et h el m m s em e t h o d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i su s e di nt h ea l g o r i t h m ，i th a sv e r yh i g hc o m p l e x i t ya n di so n l ya p p l i c a b l et o w i e n e rp h a s en o i s e a l g o r i t h mb a s e do nt h ei e e e8 0 2 1 l ap h yi ss i m i l a rt ot h e a l g o r i t h mp r o p o s e df o rt h et u r b oc o d e do f d ms y s t e m , b u ti t si m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t yi sg r e a t l yr e d u c e da n di ti sa p p l i c a b l eb o t ht ot h ew i e n e rp h a s en o i s e a n dp l l p h a n o i s e i tm a k e sf u l lu s eo f t h ef o u rp i l o ts u b c a m e r st oe s t i m a t et h e c o l n m o np h a s en o i s e ，a n dh e n c en oa d d i t i o n a lp i l o ti n f o r m a t i o ni s r e q u i r e d c e r t a i nm a t h e m a t i c a lm e t h o di su s e dt os i m p l i f yt h em a t r i xc o m p u t a t i o ni nt h e a l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ，t h ep r o p o s e dm g o f i t h mc a r la l s oe l i m i n a t et h e e r r o rf l o o re f f e c t i v e l yt h r o u g hf e wt i m e so f i t e r a t i o n t w oi ( 2 is e l f - c a n c e l l a t i o n a l g o r i t h m s ， i e d a t a - c o n v e r s i o ni c i s e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h ma n dd a t a - c o n j u g a t ei c is e l f - c a n c e l l a t i o na l g o t i t h m , a r e s t u d i e d ，a n dt h e i re f f e c t i v e n e s su n d e rp h a s en o i s e ，c a r r i e r 丘e q u e n c yo f f s e ta n d t i m e - v a r y i n gc h a n n e li si n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , an e wp h a s en o i s e m i t i g a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e s et w oa l g o r i t h m si sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa b l et oe l i m i n a t eb o t hc o m m o np h a s ee r r o ra n d i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，a n d t h u sa c h i e v e sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a n i c i s e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h m s 。 k e yw o r d s ：o f d m ；p h a s en o i s e ；i t e r a t i v ep h a s en o i s em i t i g a t i o n ；i c i s e i f - c a n c e l l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：铀 日期：冲了年1 月 ，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 无线通信和个人通信在短短几十年间经历了从模拟到数字，从第一代频 分多址f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 到第二代时分多址t d m a ( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，再到第三代码分多址c d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 的侠速发展。上世纪7 0 年代末8 0 年代扔发展起来的第一代模 拟移动通信系统以舢艘s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e s ) 和t a c s ( t 0 t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 为代表，只能提供语音服务，不能进行数据传 输：8 0 年代末9 0 年代初发展起来的第二代数字移动通信系统以g s m ( g l o b a l s y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 、d - a m p s ( d i g i t a l - a m p s ) 、c d m a ( c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 和p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) 为代表， 可提供9 6 k b s ，最高3 2 k b s 的数据传输速率：第三代移动通信系统( w c d m a , t d s c d m a , c d m a 2 0 0 0 ) 主要采用宽带c d m a 技术，可提供1 4 4 k b s 、3 8 4 k b s 积2 m b s 的裹速数据传输。 虽然第三代移动通信技术比第一代和第二代强大很多，但所采用的 d s c d m a 技术在高速数据传输时产生的码间干扰增大会严重降低通信质 量，因此很难进一步提高系统传输速率，无法满足日益增长的宽带多媒体业 务需求。目前，国际电信联盟( 1 t u ) 已经开始研究制订第四代移动通信标 准，并已达成共识：把移动通信系统同其他系统( 如无线局域网w - l a n 等) 结合起来，产生4 g ( f o u r t hg e n e r a t i o n ) 技术，2 0 1 0 年之前使数据传输数率 达到1 0 0 m b p s ，以提供更有效的多种业务，最终实现商业无线网络、局域网、 蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接和相互兼容。正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术由于自e 够克服高速率数据 啥尔滨工程大学硕士学位论文 传输时码间干扰增大的问题，并具有频谱利用率高，硬件实现简单等优点， 已被看作是第四代移动通信的核心技术。 o f d m 是一种特殊的多载波技术，它通过串并转换，将高速串行数据调 制到个正交子载波并行传输，从而将频率选择性衰落信道转变为并行的平 坦衰落子信道，消除多径信道所产生的码间干扰i s i ( i n t e r - s y m b o l , i n t e r f e r e n c e ) ，极大地降低了高速数据传输时接收端均衡器的复杂度。同时， 由于其各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频带利用率是常规频分复用系 统的2 倍，具有较高的频带利用率。目前o f d m 已经被应用到多种无线通信系 统中，如d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) ”1 、d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 啪、d v b t ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 册、以及i e e e8 0 2 1 l a 无线 局域网标准”1 和i e e e8 0 2 z 6 a ”无线城域网标准等，并有望被应用到下一代移 动通信中。 虽然o f d m 具有抗干扰能力强，频带利用率高等诸多优点，但是由于其 各子载波间完全正交，对相位噪声和频率偏移都极其敏感。它们会破坏o f d m 各子载波间的正交性，引入载波间干扰i c i ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，从而 产生错误地板，严重降低系统性能。o f d m 系统中i c i 的引入主要有以下三 个因素。一是相位噪声和载波频率偏移：o f d m 系统中，在发送端进行上变 频和在接收端进行下变频时都需要本振l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) ，理想的l o 输 出是一单频信号，即坼如= e i 2 露，而在实际系统中，接收端l o 的输出往往 是一调制信号，会产生频率偏移矽和相位噪声庐f ) ，它们会破坏各子载波间 的正交性，引入i c i 。其次是信道的时变性：当无线终端高速移动时，会使 无线传输信道快速变化，引入多普勒频移，从而破坏各子载波间正交性，引 入i c i 。本论文将结合具体课题主要针对o f d m 系统中的相位噪声影响和相 应的消除算法进行深入研究，并对载波频率偏移和时变信道下的o f d m 系统 性能进行探讨。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 目前国外学者与部分国内学者针对o f d m 系统中相位噪声、载波频率偏 移和多普勒频移的影响进行了深入的分析，并提出了相应的消除方案，不过 大部分研究对上述三种影响因素都是分别考虑的。 相位噪声对o f d m 系统会产生两方面的影响：一方面会让信号产生一个 随机旋转，引入共同相位误差c p e ( c o m m o np h a s ee r r o r ) ；另一方面会破坏 各子载波闯正交性，产生载波间干扰i c i ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 。这两者 在不同情况下都会对o f d m 造成不同程度的影响，因此，正确认识其相关性 质，并进一步消除其影响，具有重要的意义。目前对o f d m 系统中相位噪声 的研究主要基于两种模型：一种是自激振荡器( f r e e r u n n i n go s c i l l a t o r ) 产生 的相位噪声，因为在一个o f d m 符号周期内变化很小，通常用一均值为零， 非平稳，功率无限的维纳过程来表示”；另一种是锁相环合成器( p l l s y n t h e s i z e r ) 产生的相位噪声，通常用一零均值，平稳，功率有限的随机过 程来表示，具有特定的功率谱密度”1 。 对o f m d 系统中相位噪声影响的研究主要集中在不同信道环境下相位 噪声对系统性能的影响，以及共同相位误差和载波间干扰的相关性质。文献 8 】基于维纳相位噪声模型，在高斯白噪声信道环境下对引入载波频率偏移和 相位噪声的o f d m 系统信噪比损失进行了理论分析和计算机仿真。结果表 明，和单载波系统相比，o f d m 系统对载波频率偏移和相位噪声更为敏感， 因为其符号长度是单载波系统的倍，且引入了载波间干扰i c i 。文献 6 】进 步推导了高斯白噪声信道环境下有相位噪声0 f d m 系统的误码率精确表 达式，并在几种不同的调制方式下进行了验证。分析结果表明，o f d m 系统 中b p s k 调制方式具有最强的抗相位噪声能力。文献【9 】研究表明，在频率选 择性和非选择性衰落信道下，o f d m 系统中的相位噪声都会降低系统性能， 引入错误地板，而通过一定的相位补偿，可以极大地提高系统性能，并进一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 步推导出了高斯白噪声信道环境下m q a m 调制o f d m 系统引入相位噪声后 的误码率表达式。文献【l o 】进一步给出了相位噪声下o f d m 系统在频率选择 性衰落信道下的误码率上、下限。文献【儿】研究表明，当相位噪声变化缓慢 时，相位噪声所产生的共同相位误差c p e 影响大于载波间干扰i c i ，由于c p e 估计和消除都比较简单，所以此时相位噪声消除比较容易；而当相位噪声变 化较快时，i c i 较大，相位噪声消除比较困难，会产生错误地板。文献 1 2 】 迸一步研究表明，当子载波数很大时，c p e 和i c i 都可近似为一高斯变量， 此时系统的误码率性能最好，并且可以进行可靠估计；而当较小时，相位 噪声变化比较缓慢，c p e 和i c i 都不是高斯分布，系统误码率性能最差，且 无法进行可靠估计。文献 1 3 】重点分析了有相位噪声时子载波个数对o f d m 系统性能的影响及共同相位误差的相关性质。文献 1 4 1 对o f d m 系统中相位 噪声所引入i c i 的相关性质进行了详尽的分析，给出了维纳相位噪声和p l l 相位噪声模型下i c i 功率的统一计算方法，并进一步指出，在大部分情况下 i c i 都不是高斯分布的，不能做高斯处理。 相位噪声引入的共同相位误差由于对所有子载波是一定值，所以估计和 消除相对比较简单。文献 1 5 1 基于i e e e8 0 2 1 l a 无线局域网物理层规范，利 用其中的4 个导频载波来对c p e 迸行估计，未采用任何的附加导频信息就获得 较为准确的估计信息。文献 1 6 】基于维纳相位噪声，提出了一种基于导频的 卡尔曼滤波c p e 估计方法。该方法可以获得更为准确的c p e 估计值，但是实 现复杂度较高。 相位噪声引入的载波闯干扰由于是一随机变量，消除起来比较困难，但 如果不消除，将会导致系统产生错误地板，严重降低系统性能。为此，许多 文章提出了o f d m 系统相位噪声消除算法，同时消除c p e 和i c i 。算法主要可 分为三大类：i c i 自消除算法”。，时域相位噪声消除算法”喇和频域消除算法 m q 。 一 实现起来最为简单的是i c i 自消除算法。i c i 自消除算法在文献【3 0 】中被用 来消除o f d m 系统中载波频率偏移和时变信道所产生的i c ，其原理是将各个 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信息符号通过加权后调制到个相邻子载波上，因为引入了一定的冗余，因 此也被称作多项式抵消编码p c c ( p o l y n o m i a lc a n c e l l a t i o nc o d i n g ) 。文献【1 7 】 提出将= 2 的自消除算法用来消除相位噪声所产生的i c i ，并推导了系统载 波干扰比c i r ( c a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t i o ) 的理论表达式。论文的仿真结果 表明，i c i 自消除算法可以显著消除相位噪声所产生的i c i 。因为i c i 自消除算 法和信道编码一样，会引入一定的冗余，所以，论文进一步将i c i 自消除算法 与码率同为1 2 的卷积码性能进行了计算机仿真比较，卷积码可以获得更好的 性能，但是实现复杂度远远高于自消除算法。文献【1 8 】提出了另一种i c i 自消 除算法用来消除相位噪声引入的i c i 。文献【l7 】中是将信息符号取反调制到两 个相邻子载波，因此也叫数字取反i c i 自消除算法( d a m - c o n v e r s i o ni c i s e l f - c a n c e l l a t i o n ) ，而文献( 1 8 】中所提出的自消除算法是将信息符号取反再取 共轭后调制到两个相邻子载波，因此也叫数字共轭i c i 自消除算法 ( d a t a - c o n j u g a t ei c is e l f - c a n c e l l a t i o n ) 。数字共轭算法因为可以消除共同相位 误差c p e ，因此获得了比数字取反算法更好的性能和更低的峰均功率e l p a r 。 i c i 自消除算法由于不受信道特征的限制，不需要已知信道信息，与其它许多 相位噪声消除算法相比，具有一定的优势，但频谱利用率低，且当相位噪声 较大时，对系统改进不明显。 时域相位噪声消除主要是通过插入一定的导频信息在时域对相位噪声进 行估计，进一步消除。文献 1 9 】提出的时域相位噪声纠错方法，把相位噪声 分解为一系列变频正弦波之和，从而利用导频信息来对正弦波的幅度和相位 进行估计，再利用估计所得信息来重构相位噪声，进一步消除相位噪声的影 响。文献 2 0 】提出的时域相位噪声消除方法和文献【1 9 中所提出的方法近似， 把相位噪声分解为一系列线性离散时域分量，进而在时域用最小二乘估计方 法来对传输符号进行估计。该方法对线性相位噪声非常有效，但是对于随机 相位噪声，要获得较好的性能往往需要大量的导频信息，因此频带利用率低， 且在衰落信道中有效性较差。 相位噪声在频域可以分解为共同相位噪声和载波间干扰。这两种干扰无 哈尔滨工程大学硕士学位论文 论在何种导频插入模式和信道环境下分析和消除起来都比在时域更为简单， 因此大部分相位噪声消除算法都是基于频域提出的。文i t 2 1 先用导频信息 对c p e 进行估计，再基于c p e 纠错后的判决信息采用最大似然估计方法在频 域对相位噪声进行估计，最后采用i c i 抵消方法消除相位噪声的影响。所提出 的方法可以同时消除c p e 和i c i ，但由于是用c p e g q 错后的判决信息对相位噪 声进行估计，精确度不够，而且算法中有矩阵求逆，复杂度较高。文献 2 2 】 进一步对文献 2 l 】中的算法进行了简化，在保证算法性能的同时，极大地降 低了算法实现复杂度。文献 2 3 】对频域相位噪声消除算法进行了较为详尽的 分析，分别采用了两种方法m l e 和删s e 来对相位噪声进行估计，再基于 估计所得信息，采用解相关和干扰抵消技术来消除相位噪声。文章对两种估 计方法的复杂度进行了计算分析，并用计算机仿真对算法性能进行了仿真验 证。分析和仿真结果表明，m l e 估计方法性能略低于l m m s e 方法，但实现 复杂度却远远低于工m m s e 方法，而解相关和干扰抵消技术，两者性能一致。 由于文献中对相位噪声的估计都是基于c p e 纠错后的判决输出因此只适用 于小相位噪声。文献【2 5 】中提出的相位噪声消除算法在时域用若干个正弦波 来对相位嗓声进行近似，从而在频域将相位噪声表示为一线性参数模型。通 过在信息子载波外加入隔离子载波后再加入导频信息来对模型中的线性参数 进行估计，从而获得相位噪声的频域信息。所提出的方法在高斯自噪声信道 下具有较好的性能，但在衰落信道下，由于不同子载波所经历的衰落不同， 要想获得良好的信息就需要对更多的频率信息进行估计，因此需要大量的导 频信息，频带利用率很低。文献 2 4 】探讨了6 0 g h z 无线局域网中相位噪声的影 响，并提出了一种相应的相位噪声消除方法，先通过导频信息对c p e 进行估 计，再将接收信号通过- - l m m s e 均衡器。 从上述相位噪声消除算法可以看出，所提出算法往往需要大量的导频信 息或引入一定的冗余，会严重降低系统频带利用率，而o f d m 系统优势之一 就在于具有较高的频带利用率。因此，文献【2 6 】提出了一种迭代的相位噪声 消除算法，先对接收信息进行c p e 2 q 错，进行解调、译码后，利用卷积码输 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出软信息对信息符号进行重构。选择可靠的重构信息符号采用m m s e 方法来 对部分相位噪声频谱进行估计，再进一步消除。随着迭代次数的增多，可靠 重构信息数量增大，因此估计相位噪声可靠性提高。由于系统所采用的编码 方式为卷积码，译码输出可靠性有限，只能选择部分可靠信息进行符号重构， 往往需要迭代多次。而且由于只对部分相位噪声频谱进行了估计，在高斯白 噪声信道下可以获得良好性能，在衰落信道下，系统性能提高有限，并且采 用了m m s e 估计方法，实现复杂度较高。文献1 2 7 提出了一种基于概率干扰 的迭代盲相位噪声消除算法，通过迭代的方法交替更新相位噪声估计和信息 符号估计。该方法不需要任何的导频信息就可以对相位噪声进行估计并迸一 步消除，频带利用率高，但是算法实现过程中复杂度较高。 目前，有些学者己在探讨m i m o - o f d m 系统中的相位噪声影响，并提出 了相应的消除算法”。 载波频率偏移( f r e q u e n c yo i l s e t ) 和多普勒频移引入的i c i ，和相位噪声引 入的i c i 一样，如果不消除，也会造成错误地板，使o f d m 系统性能无法进 一步得到提高。消除载波频率偏移所引入的i c t 也可以采用频域均衡法、岛 消除算法法和时域窗口法，还可以采取一些频偏估计方法，先估计出频率偏 移，再进行消除删。而消除o f d m 系统中多普勒频移引入的i c i 的方法主 要可分为频域均衡法、时域窗口法、自消除算法、干扰去除法和迭代消除算 法几大类o ”1 。 1 3 课题研究的主要内容 根据上述研究现状分析可知，目前所提出的相位噪声消除算法大多需要 大量的导频信息，会严重降低系统频带利用率。因此，本文将基于黑龙江省 自然科学基金 t u r b o 迭代原理在无线通信系统中的研究”，对只需极少量导频 信息的迭代相位噪声消除算法进行研究，特别是实现比较简单的简化迭代相 位噪声消除算法。再者，由于i c i 自消除算法实现最为简单，而且对消除载 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 波频率偏移和时变信道下i c i 同样有效，因此本文将对i c i 自消除算法的相 关特性进行研究，并对其在相位噪声、载波频率偏移和时变信道下的有效性 进行综合探讨。具体安排如下： 第1 章，介绍谋题研究背景、意义及目前研究现状。 第2 章，介绍相位噪声模型，并基于维纳相位噪声模型，详细分析相位 噪声对o f d m 系统性能影响，分别讨论c p e 和i c i 的影响，并基于i c i 功率 计算，重点分析i c i 的相关性质。最后对相位噪声下o f d m 系统的系统带宽、 载波阃隔、子载波数对系统性能的影响进行分析研究。 第3 章，对频域迭代相位噪声消除算法进行研究，分别基于t u r b oc o d e d o f d m 系统和i e e e8 0 2 1 l a 物理层规范提出两种迭代相位噪声消除算法。 第4 章，对相位噪声自消除算法进行研究。通过对数据取反和数据共轭 自消除算法的研究，提出一种改进的相位噪声消除算法，并对载波频率偏移 和时变信道下o f d m 系统性能及自消除算法的有效性进行探讨。 最后，对理论分析和仿真结果进行讨论和总结。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 el 第2 章相位噪声对o f d m 系统性能影响 o f d m 系统对相位噪声非常敏感，会引入共同相位误差c p e ( c o m m o n p h a s ee r r o r ) 和载波间干扰i c i ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，这将极大地降低 系统性能。本章将首先给出o f d m 系统模型和常见相位噪声模型，并基于其 中的维纳相位噪声模型，分析相位噪声对o f d m 系统性能的影响，分别探讨 c p e 和i c i 的影响，并重点分析i c i 的有关性质。最后对相位噪声下o f d m 系统的系统带宽、载波间隔、子载波数对系统性能的影响进行分析研究，从 而为o f d m 系统中相位噪声消除技术的研究及优化系统参数提供理论参考。 2 1o f d m 基本原理 2 1 1o f d m 系统模型 图2 1o f d m 系统结构图 o f d m 系统框图如图2 1 所示。在发送端，第研帧的信息比特以( f ) 通过 信道编码和基带调制后输出m q a m 调制符号咒，陋) ，k = , 1 , - - - , n - i 。将 x 。忙) 调制到n 个正交子载波上，可得基带发射信号为： 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 舶) ： 嘶巾，一吾) d 胁扣，小鲻”r 协。， 1 0 ，r r + 式中，t 。为系统时延，r 为o f d m 符号周期。各子信道频谱图如图2 2 所示， 从图中可以看出，o f d m 子信道频谱相互重叠，其频带利用率是常规频分复 用系统的2 倍。 图2 2o f d m 系统的子信道频谱 对信号j 。( ) 以玎为周期进行采样，即令厶= n u n 0 ；o ，1 ，n - 1 ) ， 可得： 怕) = 孰k - oq ) d2 1 r 百n k j 2 ) ( 2 - 2 ) 0 ) = 善。( 七) e x 叫万 从式( 2 - 2 ) 可以看出，靠o ) 正好是j 0 忙) 的离散傅立叶反变换i d f t 。而 该过程由于可以用快速傅立叶反变换i f f t 来实现，大大降低了系统实现复杂 度。因此，先将j 0 ) 进行串并转换，经过i f f t 后再通过并串转换即可得发 射信号靠o ) 。 在发射时域信号靠0 ) 之前需要添加循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 。这样， 只要循环前缀时间露大于信道的最大多径时延，就可以保证在一个符号周期 内，o f d m 符号的延时副本内所包含的各子载波波形的周期个数是整数，从 而傈持各子载波间的正交性，消除由于信道的多径时延所产生的码问干扰i s l 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，如图2 3 所示。 厂弋 、八，小 图2 3 循环前缀效果示意图 将加上循环前缀后的信号通过低通滤波器、上变频后送入到信道中。接 收端的过程和发送端正好相反。然而，在接收端进行下变频时往往会引入一 个随机的时间偏移口o ) ，从而引入相位噪声矿o ) = 2 矾口( r ) ，z 是载波频率。 2 1 2o f d m 技术特点 o f d m 通过串并转换，将频率选择性衰落信道转变为并行的平坦衰落子 信道，消除了由信道的多径效应所产生的码间干扰i s i ( i n t c r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ，极大地降低了高速数据传输时接收端均衡器的复杂度。同时， 由于o f d m 各子载波正交，子信道频谱相互重叠，频带利用率是常规频分复 用系统的2 倍，具有较高的带宽效率。除此之外，o f d m 还具有如下优点： 1 可以通过i d f t 和d f t 实现信息符号到各子载波的调制、解调，因 此可以采用快速傅立时变换( f f t i f f t ) 来实现，系统实现复杂度低； 2 在衰落信道下，可以根据不同的信道环境进行自适应比特装载，从而 达到接近信道容量的传输速率； 3 可以通过使用不同数量的予信道来实现上行和下行链路中不同的传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输速率，从而实现上下链路的非对称数据传输； 4 易于与其它多种接入方式相结合，构成多载波c d m a 系统、跳频 0 f d m a 系统及o f d m t d m a 系统等； 5 由于窄带干扰只能影响部分子载波，因此具有较强的抗窄带干扰能 力。 虽然具有上述诸多优点，但由于o f d m 系统是多个正交的子载波并行传 输，其输出信号是多个子信道的叠加，因此实践中需要克服以下缺点： 1 对时变信道的多普勒频移比较敏感，会破坏各子载波间正交性，引入 载波闻干扰i c i ( 1 a i t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，严重降低系统性能； 2 对载波频率偏移和相位噪声比较敏感，同样会破坏各子载波间正交 性，引入i c i ，因此对同步要求较高； 3 具有较高的峰值平均功率比p a p r ( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ， 会造成信号的非线性失真，破坏各子载波间正交性，同时造成功率放大器的 效率下降。 2 2 相位噪声模型 如图2 1 的o f d m 系统模型所示，系统在接收端进行下变频时往往会引 入一个随机的时间偏移口o ) ，从而引入相位噪声o ) = 2 矾口( f ) 。相位噪声模 型主要可分为两大类：一类是由自激振荡器产生的相位噪声，变化很缓慢， 但是功率不受限，通常用一维纳过程来表示伽：另一类是由锁相环p l l 产生 的相位噪声，相位噪声较小，通常认为是一均值为零的平稳高斯随机过程， 有一特定的功率谱密度”1 。 2 2 1 维纳相位噪声 自激振荡器产生的相位噪声通常用一维纳过程来表示： 必) = 矽e ) ( 2 3 ) 其中，芦( f ) 为一标准维纳过程，因此础) 具有如下特性： ；玺堡三矍奎兰至圭兰堡婆兰； i e 彩( f ) = 0 ； 2 e 移2 ( f ) = c f 。 3 e 移o 枷+ r ) ) = c m i n ( t , t + r ) 。 可见，维纳相位噪声如) 是一功率无限的非平稳随机过程。若以t 为周 期对其进行采样，采样值矿0 ) 可以表示如下： g + 1 ) = 妒0 ) + v 0 ) ( 2 - - 4 ) 式中，v g ) 是一均值为0 ，方差为盯；= c 正的高斯变量。因此，g ) 一沏) 同样为一高斯变量，其均值为0 ，方差为2 ，= c k 一所阢。 虽然妒( f ) 是一非平稳随机过程，o ( 0 - - e 如) 却是一宽平稳随机过程，其自 相关函数为： o ，r ) = e 龇汐+ 0 + r ) ：e 为j ，o ) e 叫( f + f ) ( 2 5 ) = e 知巾( r h o + ” 由于矿( t ) 一( t + r ) 是一均值为0 ，方差为c l i 的高斯变量，( f ，r ) 可以 进一步简化为： d r i r f ( f j r ) = e 2 ( 2 6 ) 从式( 2 6 ) 可以看出，岛( f ，r ) 只与f 有关，而与f 无关，因此口e ) 是一宽 平稳随机过程。将其3 d b