首 页 本刊概况 出 版 人 发行统计 在线订阅 欢迎投稿 市场分析 1 组织交流 1 关于我们
 
1
   通信短波
1
   新品之窗
1
   优秀论文
1
   通信趋势
1
   特别企划
1
   运营商动态
1
   技术前沿
1
   市场聚焦
1
   通信视点
1
   信息化论坛
1
当前位置:首页 > 优秀论文
一种新的OFDM系统的相噪消除算法
作者:李功 钟洪声 电子科技大学 成都 610054
来源:不详
更新时间:2009/9/19 19:21:00
正文:

Ⅰ.引言
OFDM是一种多载波传输的技术,目前已经在无线接入领域得到了广泛的应用。相对于单载波,OFDM能有效的抵抗多径衰落对系统造成的影响,同时还有频谱利用率高等优点,这使得它在未来高速多媒体通信中显得尤为引人注目。但是,OFDM的缺点在于对频率偏移和相位噪声尤为敏感,它们会破坏OFDM子载波间的正交性,导致DFT的泄漏,使得系统性能恶化。
目前国内外很多技术文献就相位噪声对OFDM系统的影响作了大量的分析研究[1]-[5]。相噪会产生两种影响,一个是产生公共相位偏差(CPE),它使得所有子载波同时旋转一个相同的角度;另一个是产生子载波间干扰(ICI),它会破坏子载波间的正交性。如果不加以消除,就会造成系统性能的严重恶化。目前,已经提出了很多基于导频消除相位噪声的技术方法。这些方法大致可以分为三类:自消除算法[6][7],时域方法[8],频域方法[9]-[11]。
自消除算法实现起来最简单,它把同一个数据加权后调制到两个子载波上面,在高斯白噪声信道和瑞利衰落信道下都很有效,但是频谱利用率下降了一半。
时域相噪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。
相位噪声在频域可以分解为CPE和ICI,所以无论在何种导频插入模式下频域消除都要比时域方法更为简单,因此很多方法都是基于频域提出的。频域消除法包括CPE消除和ICI消除。由于CPE是对所有子载波都产生了个角度的旋转,所以消除起来比较简单,在文献[5],在相位噪声较小的情况下,采用最小平方准则(LS),可以将CPE估计出来,但是它忽略了ICI对相位噪声造成的影响。当相噪较大的情况下,该方法不是很有效。在[9][10],提出了一种新的相位噪声消除(PNS)方法,把ICI近似为高斯随机噪声,得到了CPE和白噪声估计,然后用最小均方误差(MMSE)准则去补偿。除了同时消除CPE和ICI,该方法比传统方法有更好的误码率性能。在[11],提出了一种利用Turbo码编码的迭代相噪消除方法,利用输出的软Turbo码对频域相噪进行迭代估计,然后用圆周卷积来补偿相噪,通过迭代几次可以取得一定的效果。但是Turbo码解码和卷积运算量比较大。
本文提出了一种新的迭代相噪消除算法,直接利用FFT之前的频域输出信号对相噪CPE进行估计,然后对CPE纠正后的信号对相噪进行迭代估计,最后用乘积来补偿相噪,仿真结果表明该算法十分有效,而且复杂度低于[11]。
Ⅱ.系统模型
OFDM系统的子载波个数为N,符号周期为T,循环前缀长度为Ng。
A、相噪模型
相位噪声 ,是由于发射端与接收端本振之间的相位不同步而产生,目前主要有两种相位噪声模型,一个是基于自激振荡器的发生模型,可以用维纳过程来表示[2][4],另一个是基于锁相环(PLL)振荡器产生的相位噪声,可以用高斯色噪声来建模[13]。下面对维纳噪声模型作详细分析:
维纳过程用公式表示如下:
(1)
其中 是个均值为0的高斯随机过程,由式(1)可以看出 是一个功率无限的非平稳随机过程。若以Ts为周期对其采样,上式表示如下:
(2)
其中 是一个均值为0,方差为 的高斯随机变量, 为其双边带功率谱的3dB线宽。虽然 是一非平稳随机过程,但是 是一宽平稳随机过程,其自相关函数如下:


(3)
从式(3)可以看出, 只与 有关,而与 无关,所以 是一宽平稳随机过程。
B、OFDM信号模型
OFDM原理是把输入的高速串行数据码流转变为并行的低速数据流,然后把它们调制到相互正交的子载波上,相当于进行离散傅立叶反变换(IDFT),从而得到时域信号。最后加上循环前缀作保护间隔来消除由于多径衰落造成的符号间干扰(ISI)。
(4)
假设频率和定时同步,本文只考虑相位噪声。第m个OFDM符号的第n个子载波上接收到的时域信号可以表示为:
(5)
其中 , 和 表示发射信号,信道频率响应和相位噪声,而 表示均值为0,方差为 的高斯白噪声。移去保护间隔后对接收信号作离散傅立叶变换(DFT),可以得到频域信号:
(6)
, 分别是 , 的频域响应, (7)
仍然是高斯随机变量,0均值,方差 。 是 的函数,
(8)
, 分别代表相位噪声引入的CPE和ICI,如果是相位完全同步,则 ,那么(6)式就可以简化为
(9)
即无载波间干扰,除了高斯白噪声,接收信号只是发射信号的一个信道加权,进一步验证了OFDM的抗多径能力。
Ⅲ、相噪消除
接收信号 可以进一步表示为:
(10)
令 ,则 可以简化为 (11)
上式可以进一步表示成矩阵形式:
(12)
其中 ,
,


根据式(12),可以用线性最小均方误差(LMMSE)估计方法对频域相位噪声 进行估计[12]:
(13)
是高斯白噪声的协方差矩阵, ,对 进行估计后,可以直接用乘积的方法来消除相位噪声,即接收到的无相噪估计信号 表示为
(14)
本文提出的简化的迭代相噪消除算法具体实现如下:
① 利用导频信号对 ,即CPE进行估计,得出发射信号的估计值 。
根据迫零准则,即最小平方(LS)准则,可以得到CPE的估计值 :
(15)
其中 为导频符号集,将接收数据除以 和频域信道响应后就可以得到发射信号的估计值 :
(16)
② 根据估计得出的 ,用式(13)对相噪频域响应 做估计,并根据式(14)消除相位噪声的影响。
③ 对相噪消除后的接收信号 进行信道频域均衡,解调,得到原始的发射码流。
④ 对③得到的发射码流进行调制,信号重构,重新加入导频信号,得到 。
⑤ 返回②,以完成要求的迭代次数。
Ⅳ、仿真结果及分析
OFDM发射信号按照IEEE802.11a无线局域网的标准,采用16QAM星座调制,维纳相位噪声,在高斯白噪声信道环境下,仿真IPNS算法并与传统CPE消除算法[5]和MMSE算法[9]的性能进行比较。仿真结果如下图:
图1 迭代算法与其他算法性能比较(相噪 =10-2)
从图1可以看出,相位噪声造成了严重的错误地板现象,极大地影响了系统性能。本文的方法可以较好地补偿相噪造成的影响,其性能要比传统CPE消除方法和MMSE方法优越。

图2 不同PN下的迭代算法的误码率
从图2可以看出,在Eb/No为13dB,不同相噪方差下,该方法都比上述两种方法要好,在相噪较小的情况下,三次迭代几乎可以完全弥补相噪造成的影响。
Ⅴ、总结
本文提出了一种基于IEEE802.11a标准的简化IPNS算法,它能很好地解决OFDM系统中的相噪问题。这种算法利用了导频估计,判决反馈,成功地抑制了相位噪声。相比别的算法,它的性能要好,而且复杂度低,具有一定的应用价值。
参考文献
[1]S.Wu and Y. Bar-Ness, “OFDM systems in the presence of phase noise: consequences and solutions,”IEEE Trans. Commun., vol. 52, pp.1988–
1996, Nov. 2004.
[2]L. Tomba, “On the effect of Wiener phase noise in OFDM systems,”IEEE Trans. Commun., vol. 46, pp. 580–583, May 1998.
[3]A. Armada, "Understanding the effects of phase noise in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)", IEEE Trans. Broadcast, vol. 47, pp.153-159, Jun.2001
[4]M.M.Rahman, M.D.Hossain, “Performance analysis of OFDM systems with phase noise,”ICIS.2007
[5]P. Robertson and S. Kaiser, “Analysis of the effects of phase noise in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems,” in Proc. ICC’95, pp. 1652–1657.
[6]Sh.T, Ke.Gong, J.Song, “Intercarrier interference cancellation with frequency diversity for OFDM systems", IEEE Trans. Broadcast, vol.53, pp.132-137, Mar.2007.
[7]H. G. Ryu, Y. Li, "An improved ICI reduction method in OFDM communication system", IEEE Trans. Broadcast, vol. 51, pp. 395-400, Sep. 2005.
[8]R. A. Casas, S. L. Biracree, A. E. Youtz "Time domain phase noise correction for OFDM signals", IEEE Trans. Broadcast, vol.48, pp.230-236, Sep. 2002.
[9]S.Wu and Y. Bar-Ness, “A phase noise suppression algorithm for OFDM based WLANs,” IEEE Commun.Lett, vol. 6, pp. 535–537, Dec. 2002.
[10]H.K.Kim, Kyung.S.A, “Phase noise suppression algorithm for OFDM-based 60GHz WLANs,”IEEE 2006
[11]Li.Yue, D.Zhao, “Iterative Phase Noise Mitigation for Turbo Coded OFDM System,”IEEE pp.1197-1201, 2006
[12] S.Wu P.Liu and Y. Bar-Ness, “Phase noise estimation and mitigation for OFDM systems,” IEEE Trans.Commun., vol. 5, pp. 3616–3625, Dec. 2006.
[13]D.Petrovic, W.Rave, G.Fettweis, “Effects of phase noise on OFDM systems with and without PLL: characterization and compensation,” IEEE Trans.
Commun., vol.55, pp.1607–1616, Aug. 2007.


作者简介:李功(1984-),男(汉),电子科技大学,硕士研究生,电路与系统专业,主要从事无线通信OFDM系统相关技术方面的研究。

 
 
   
《通信市场》 中国·北京·复兴路49号通信市场(100036) 点击查看具体位置
电话:86-10-6820 7724, 6820 7726
京ICP备05037146号-8
建议使用 Microsoft IE4.0 以上版本 800*600浏览 如果您有什么建议和意见请与管理员联系