OFDM中聯合IQ不平衡和相位噪聲估計補償新算法*

徐湘藝，朱 江

(國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410000)

OFDM中聯合IQ不平衡和相位噪聲估計補償新算法*

徐湘藝，朱 江

(國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410000)

正交頻分復用(OFDM)系統中的非理想特性對系統性能影響很大，針對非理想特性中的兩個主要部分：同相支路和正交支路(IQ)間的不平衡及相位噪聲，提出了一種新的相位噪聲和IQ不平衡聯合估計算法。該算法首先由一個訓練符號利用簡單的最小二乘(LS)準則在頻域估計出IQ不平衡和相位噪聲的復合參數，并從中分離得到IQ不平衡估計值，然后利用估計出的IQ不平衡參數在時域對數據符號做IQ不平衡補償，最后對IQ不平衡補償后的數據在頻域做相位噪聲公共相位誤差(CPE)和子載波間干擾(ICI)的估計和補償。理論分析和仿真結果表明，該算法能簡單有效的補償IQ不平衡和相位噪聲帶來的性能損失。

OFDM；IQ不平衡；相位噪聲

0 引 言

OFDM因其高頻譜利用率和抗多徑衰落能力在數字視頻廣播(DVB)、無線局域網(WLAN)、第四代移動通信[1](4G)等眾多領域中得到廣泛應用。IQ不平衡和相位噪聲是OFDM的兩個主要非理想因素，嚴重降低系統性能。文獻[2]針對IQ不平衡提出了多種補償算法，但沒有考慮相位噪聲的影響。文獻[3]詳細分析了相位噪聲對OFDM的影響，并提出了相應的補償算法，然而沒有考慮IQ不平衡。文獻[4-6]綜合考慮了IQ不平衡和相位噪聲的影響，但文獻[4]中算法只對相位噪聲的CPE進行了補償，忽略了相位噪聲的ICI部分，文獻[5]是在時域估計相位噪聲的部分樣值，完整的相位噪聲估計靠插值來完成，估計精度有限，且算法所需迭代次數較多，復雜度較大，文獻[6]則通過對相鄰符號間的CPE估計值進行插值來補償相位噪聲，并不能有效消除相位噪聲帶來的ICI。本文提出一種在頻域對相位噪聲和IQ不平衡進行聯合估計的算法，首先由訓練符號在頻域估計出IQ不平衡和相位噪聲的復合參數，并從中分離得到IQ不平衡估計值，然后利用估計出的IQ不平衡參數在時域對數據符號做IQ不平衡補償，最后對IQ不平衡補償后的數據在頻域做相位噪聲的估計和補償。該算法無需迭代，只需一個訓練符號，基于簡單的LS準則就可估計出IQ不平衡參數及相位噪聲的CPE和ICI，是一種簡單有效的相位噪聲和IQ不平衡聯合補償算法。

本文結構安排如下：第1部分簡要分析了IQ不平衡和相位噪聲同時存在時對OFDM的影響。第2部分介紹了本文提出的新的聯合補償算法。第3部分給出了仿真結果和分析。結語部分對全文做了總結。

1 系統模型

圖1 受相位噪聲和IQ不平衡影響的OFDM系統框

(1)

(2)

yd(n)=αy(n)+βy*(n)

(3)

式中，*表示復數共軛，α,β為IQ不平衡參數，它們是幅度不平衡參數ε和相位不平衡參數Δφ的函數[2]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

至此，受相位噪聲和IQ不平衡影響的頻域接收信號可寫為：

(9)

式中：

(10)

2 新的聯合估計算法

2.1 IQ不平衡和相位噪聲聯合估計

依據大多數文獻中的做法，我們假定IQ不平衡參數在一個OFDM符號幀內保持不變，由于相位噪聲在時域隨機變化，需要逐符號對相位噪聲進行估計。相位噪聲的低通特性使得我們可以利用少數幾階相噪頻域系數來近似相位噪聲。由此式(9)又可以寫為：

(11)

將式(11)寫成式(12)中的矩陣形式，再將式(12)中的矩陣形式做一個變形得到式(13)，其用矢量形式可以表示為：

(12)

(13)

由LS準則，利用訓練符號即可得到αQ,βQ*的估計，待估參數的個數為4u+2個。

2.2IQ不平衡和相位噪聲聯合補償

(14)

(15)

頻域補償時，將式(9)寫成如下形式：

(16)

(17)

可以看出，由于相噪逐符號變化，直接時域或頻域補償時，數據幀中的訓練符號和數據符號都需估計4u+2個參數。時域補償較為簡單，但需要對估計參數進行附加的IFFT操作，還需存儲待補償的時域符號。頻域補償則需矩陣求逆運算，且矩陣維數很大，計算復雜度很高，雖然通過分次解卷積可以降低計算復雜度，但在實際應用中，這種方式依然太過復雜。

為進一步降低算法的計算復雜度，可以將IQ不平衡參數和相位噪聲參數分離開來，對數據先做時域IQ不平衡補償，補償后的數據則只需做相噪估計和補償。

(18)

由上式可得：

(19)

(20)

IQ不平衡補償后的數據只留下相位噪聲，可用任意相噪補償方法做補償。

3 仿真結果和分析

仿真基于OFDM衛星高速數傳系統，一個OFDM符號含子載波數N=1024，循環前綴長度CP=32，采樣率為R=3.2Gsps，子載波間隔Δf=3.03MHz，每幀數據由20個OFDM符號組成，第一個用作訓練符號，數據符號中導頻子載波個數為30，導頻兩端各放置2u+1個0子載波，數據子載波用來傳輸64APSK數據。 信道為AWGN信道。

相位噪聲和IQ不平衡是影響OFDM接收性能的兩個主要因素。圖2給出了OFDM受相噪或IQ不平衡單獨影響時系統的BER性能，圖中相對帶寬g=β/Δf，β為相位噪聲3dB帶寬，Δf為OFDM子載波間隔。0.4dB,10°則分別對應幅度不平衡ε和相位不平衡Δφ?？梢钥闯鱿辔辉肼暬騃Q不平衡的存在都會使系統性能急劇下降，必須對其進行補償。

圖2 相位噪聲及IQ不平衡對OFDM系統性能的影響

圖3 不同估計參數個數時3階相噪補償的BER性能

4 結 語

本文提出了一種新的相位噪聲和IQ不平衡聯合估計算法，該算法不需要迭代，只需一個訓練符號基于簡單的LS準則即可分離出IQ不平衡參數估計值，對后續數據進行u階相噪頻域系數估計并對相噪進行補償，可有效抑制ICI干擾。在訓練符號部分即使只估計兩個參數也能獲得較好的估計效果，是一種計算復雜度低，性能較好的聯合補償算法。

[1] 張雷，許飛，隋天宇. 4G移動通信技術在戰術通信中的應用研究[J]. 通信技術，2015，48(04)：423-429.

ZHANG Lei, XU Fei, SUI Tian-yu. Application of 4G Mobile Communication Technology in Tactical Communication System[J]. Communications Technology, 2015, 48(04)：423-429.

[2] Alireza Tarighat, Rahim Bagheri, Ali H Sayed. Compensation Schemes and Performance Analysis of IQ Imbalances in OFDM Receivers[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2005,53(8):3257-3268.

[3] Ville Syrjala, Mikko Valkama, Nikolay N Tchamov, et al. Phase Noise Modelling and Mitigation Techniques in OFDM Communications Systems[C]// Proceedings of IEEE Wireless Telecommunications Symposium. Prague: IEEE, 2009:1-7.

[5] ZOU Qi-yue, Alireza Tarighat, Ali H Sayed. Joint Compensation of IQ Imbalance and Phase Noise in OFDM Wireless Systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2009, 57(2): 404-414.

[6] Payam Rabiei, Won Namgoong, Naofal Al-Dhahir. Reduced-Complexity Joint Baseband Compensation of Phase Noise and I/Q Imbalance for MIMO-OFDM Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(11): 3450-3460.

A Novel Compensation Algorithm of Joint IQ Imbalance and Phase Noise Estimation in OFDM Systems

XU Xiang-yi, ZHU Jiang

(Institute of Electronic Science and Engineering, NUDT, Changsha Hunan 410000, China)

The non-ideal character in OFDM systems has a huge impact on system performance, and aiming at the two main parts of non-ideal character, i.e., IQ imbalance and phase noise, a novel phase noise and IQ imbalance joint estimation algorithm is proposed. Firstly, by one training symbol, the compound parameters of IQ imbalance and phase noise are estimated in frequency domain in accordance with LS criteria, and then IQ imbalance parameters are separated to compensate IQ imbalance on data symbols in time domain, and finally phase noise estimation and compensation of CPE and ICI are done on IQ imbalance data after compensation in frequency domain Theoretical analysis and simulation results indicate that this algorithm could effectively compensate the performance loss caused by IQ imbalance and phase noise.

OFDM; IQ imbalance; phase noise

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.005

2015-05-11；

2015-08-30 Received date:2015-05-11；Revised date：2015-08-30

國家自然科學基金(No.61201166)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China (No.61201166)

TN92

A

1002-0802(2015)10-1120-05

徐湘藝(1990—)，女，碩士，主要研究方向為現代通信技術；

朱 江(1973—)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為無線通信。