SC_FDE系統中相位噪聲抑制算法研究

李曉晗++姜曉斐++張航

摘要：相位噪聲會惡化單載波系統的性能，也會使QAM的星座發生旋轉與模糊，尤其是高階QAM對載波的相位噪聲非常敏感。結合SC_FDE系統的特點，設計一種先用UW進行相位偏移量的估計和校正，再用判決反饋機制做進一步相噪抑制的方法。經MATLAB仿真表明，提高了系統對相位噪聲的抑制能力。

關鍵詞：SC_FDE 高階QAM 相位噪聲

中圖分類號：T911.23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0130-02

在寬帶高速通信中，單載波頻域均衡（SC_FDE）技術以類似OFDM信號處理方式，引起了廣泛的關注[1]。SC_FDE采用低復雜度頻域均衡技術，抗多徑能力與OFDM相當，但是發射信號的峰均功率比低于OFDM，可采用單載波成熟的射頻技術，降低功率放大器等模擬器件的成本。為提高頻譜利用率，SC_FDE常與正交幅度調制（QAM）結合使用，但是隨著頻譜利用率的增加，QAM調制星座點階數也隨之增加，其對載波相位噪聲的敏感程度也不斷增加，對解調系統的性能有很大影響，需對相位噪聲進行有效抑制。

1 相位噪聲分析

1.1 相位噪聲產生原因

在通信系統中，發送端與接收端都需要產生相應的載波以完成相應的射頻與基帶間的頻譜轉換。然而產生載波的晶體振蕩器與鎖相環路存在一定的差異性，造成了載波頻率與目標頻率存在短時的隨機差異，進而造成所產生的正弦波信號發生隨機相位跳變，表現為相位噪聲。

1.2 相位噪聲對單載波的影響

載波的相位噪聲會使信號的功率譜密度產生畸變，導致基帶信號的功率譜被擴展。解調信號通過帶寬為的帶通濾波器時，信號功率將隨載波相噪的惡化而發生嚴重的泄漏，降低系統的信噪比，增大系統的誤碼率，對解調性能產生嚴重影響，需采取有效措施進行抑制。

1.3 相位噪聲對高階QAM的影響

對于QAM調制的單載波通信系統，相位噪聲會引起星座點的旋轉和模糊，如圖1（a）所示。越靠近星座圖中心的星座點，旋轉的角度越小，越靠近星座圖邊緣的星座點，旋轉的角度越大。

隨著調制階數的增高，星載點可旋轉的角度變小，對相位噪聲也越來越敏感，相位噪聲成為影響系統性能的重要因素，需要加以抑制。

2 SC_FDE中的相位噪聲抑制

SC_FDE系統常采用插入UW（Unique Word）的幀結構，UW一方面可以克服因多徑帶來的符號間干擾，另一面由于UW是接收端的已知信息，可輔助完成相位偏移量的估計與校正。

SC_FDE系統中的相位噪聲抑制可分為兩個階段，首先用UW得到相位偏移量的估計，并對DataBlock中的數據符號進行校正；再利用判決反饋機制，分別對各個DataBlock中的后續符號做進一步的相噪估計和補償。算法示意圖如圖2所示。

2.1 利用UW跟蹤校正相位偏移

利用本地UW與接收UW的互相關值估計本FFT塊的相位偏移量，然后用相位旋轉校正相位偏移，實現起來較為簡單。但是在每個FFT塊內，靠近UW的前半個DataBlock符號相位偏轉較小，遠離UW的地方相位偏轉較大，如圖1（b）所示。這是因為靠近UW的符號估計值的可信度較高，可以補償相位噪聲帶來的影響，遠離UW的地方由于相位噪聲的特性已經發生了變化，估計值可信度較低，需做進一步的處理。

2.2 用判決反饋方法抑制相噪

判決反饋算法抑制相噪效果較好，但是直接采用判決反饋值作為相位噪聲的估計值，出現判決錯誤后會將錯誤傳遞給下一個預測符號，這種差錯傳播現象會嚴重地影響到高階QAM的性能。結合SC_FDE系統的特點，由于首個符號離UW較近，可認為用UW校正相位偏移時已消除首個符號的相噪，只需對DataBlock中的后續數據做進一步處理即可。后續數據符號序列較短，符號間判決反饋差錯傳播的概率較小。

通用判決反饋算法中需預先通過訓練符號估計得到相位噪聲的自相關矩陣R和互相關向量p，考慮到獲取R和p的復雜度和系統處理的實時性問題，判決反饋方法可簡化為只采用前一個符號的相位噪聲估計值。圖3為簡化后的判決反饋算法框圖。其中，、為前一個接收的的符號（復坐標）和對應的相位角度值，為前一個相位校正后的符號，經過判決后為（64個星座點中的一個），對應的相位值為；與的差值即為前一個符號的相位偏離值，換算至復坐標后為，將其取反可作為本符號的相位補償值，經過補償（相位旋轉）后可得經過校正后的符號，用于本符號判決和下一個符號的相位校正。

3 仿真驗證

為驗證SC_FDE中相位噪聲抑制算法的有效性，利用MATLAB進行相應的仿真。SC_FDE系統采用64QAM調制，其中每個FFT塊包含16個已知符號組成的UW序列和48個64QAM符號組成的DataBlock，符號速率為10Msps，相位噪聲由相互獨立同分布的高斯隨機變量通過3dB帶寬為100kHz的單極點巴特沃斯濾波器產生[3]，均方差為2°，誤碼率曲線如圖4所示。可以看出，若不采用任何相位糾正的相關措施，誤碼率隨信噪比的增加下降緩慢，使用UW進行相位跟蹤校正可以使誤碼率在信噪比增加時顯著下降，進一步使用判決反饋的方法進行糾正，可使誤碼率在10-5時，信噪比優化1dB左右。

4 結語

本設計結合SC_FDE與高階QAM的特點，先利用UW進行相位噪聲的粗略估計和補償，再用判決反饋機制對相位噪聲做進一步的估計和補償。通過仿真表明，該方法可以有效提高系統的相位噪聲抑制能力。同時，該方法簡單易用，實際FPGA實現時并不會顯著增加系統資源，簡化后的判決反饋算法也不會帶來較大的處理時延，滿足信號解調處理的實時性。

參考文獻

[1]黨薇，朱婷鴿.SC-FDE技術在未來無線通信中的應用[J].西安郵電學院學報，2007，12（5）：21-29.

[2]柴菁，張文軍，管云峰.相位噪聲對QAM系統的影響及消除方法分析[J].電視技術，2006，283（1）：47-50.

[3]Darryl Dexu Lin，Yi Zhao，Teng Joon Lim. OFDM phase noise cancellation via approximate probabilistic inference[C]. Wireless Communications and Networking Conference. IEEE， 2005，1：27-32.endprint