李曉晗++姜曉斐++張航

摘要：相位噪聲會(huì)惡化單載波系統(tǒng)的性能，也會(huì)使QAM的星座發(fā)生旋轉(zhuǎn)與模糊，尤其是高階QAM對(duì)載波的相位噪聲非常敏感。結(jié)合SC_FDE系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種先用UW進(jìn)行相位偏移量的估計(jì)和校正，再用判決反饋機(jī)制做進(jìn)一步相噪抑制的方法。經(jīng)MATLAB仿真表明，提高了系統(tǒng)對(duì)相位噪聲的抑制能力。

關(guān)鍵詞：SC_FDE 高階QAM 相位噪聲

中圖分類號(hào)：T911.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)以類似OFDM信號(hào)處理方式，引起了廣泛的關(guān)注[1]。SC_FDE采用低復(fù)雜度頻域均衡技術(shù)，抗多徑能力與OFDM相當(dāng)，但是發(fā)射信號(hào)的峰均功率比低于OFDM，可采用單載波成熟的射頻技術(shù)，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(diào)制（QAM）結(jié)合使用，但是隨著頻譜利用率的增加，QAM調(diào)制星座點(diǎn)階數(shù)也隨之增加，其對(duì)載波相位噪聲的敏感程度也不斷增加，對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的性能有很大影響，需對(duì)相位噪聲進(jìn)行有效抑制。

1 相位噪聲分析

1.1 相位噪聲產(chǎn)生原因

在通信系統(tǒng)中，發(fā)送端與接收端都需要產(chǎn)生相應(yīng)的載波以完成相應(yīng)的射頻與基帶間的頻譜轉(zhuǎn)換。然而產(chǎn)生載波的晶體振蕩器與鎖相環(huán)路存在一定的差異性，造成了載波頻率與目標(biāo)頻率存在短時(shí)的隨機(jī)差異，進(jìn)而造成所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)發(fā)生隨機(jī)相位跳變，表現(xiàn)為相位噪聲。

1.2 相位噪聲對(duì)單載波的影響

載波的相位噪聲會(huì)使信號(hào)的功率譜密度產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致基帶信號(hào)的功率譜被擴(kuò)展。解調(diào)信號(hào)通過帶寬為的帶通濾波器時(shí)，信號(hào)功率將隨載波相噪的惡化而發(fā)生嚴(yán)重的泄漏，降低系統(tǒng)的信噪比，增大系統(tǒng)的誤碼率，對(duì)解調(diào)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需采取有效措施進(jìn)行抑制。

1.3 相位噪聲對(duì)高階QAM的影響

對(duì)于QAM調(diào)制的單載波通信系統(tǒng)，相位噪聲會(huì)引起星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)和模糊，如圖1（a）所示。越靠近星座圖中心的星座點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度越小，越靠近星座圖邊緣的星座點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度越大。

隨著調(diào)制階數(shù)的增高，星載點(diǎn)可旋轉(zhuǎn)的角度變小，對(duì)相位噪聲也越來(lái)越敏感，相位噪聲成為影響系統(tǒng)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(tǒng)常采用插入U(xiǎn)W（Unique Word）的幀結(jié)構(gòu)，UW一方面可以克服因多徑帶來(lái)的符號(hào)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(jì)與校正。

SC_FDE系統(tǒng)中的相位噪聲抑制可分為兩個(gè)階段，首先用UW得到相位偏移量的估計(jì)，并對(duì)DataBlock中的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行校正；再利用判決反饋機(jī)制，分別對(duì)各個(gè)DataBlock中的后續(xù)符號(hào)做進(jìn)一步的相噪估計(jì)和補(bǔ)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(guān)值估計(jì)本FFT塊的相位偏移量，然后用相位旋轉(zhuǎn)校正相位偏移，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單。但是在每個(gè)FFT塊內(nèi)，靠近UW的前半個(gè)DataBlock符號(hào)相位偏轉(zhuǎn)較小，遠(yuǎn)離UW的地方相位偏轉(zhuǎn)較大，如圖1（b）所示。這是因?yàn)榭拷黆W的符號(hào)估計(jì)值的可信度較高，可以補(bǔ)償相位噪聲帶來(lái)的影響，遠(yuǎn)離UW的地方由于相位噪聲的特性已經(jīng)發(fā)生了變化，估計(jì)值可信度較低，需做進(jìn)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(jì)值，出現(xiàn)判決錯(cuò)誤后會(huì)將錯(cuò)誤傳遞給下一個(gè)預(yù)測(cè)符號(hào)，這種差錯(cuò)傳播現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重地影響到高階QAM的性能。結(jié)合SC_FDE系統(tǒng)的特點(diǎn)，由于首個(gè)符號(hào)離UW較近，可認(rèn)為用UW校正相位偏移時(shí)已消除首個(gè)符號(hào)的相噪，只需對(duì)DataBlock中的后續(xù)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理即可。后續(xù)數(shù)據(jù)符號(hào)序列較短，符號(hào)間判決反饋差錯(cuò)傳播的概率較小。

通用判決反饋算法中需預(yù)先通過訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)得到相位噪聲的自相關(guān)矩陣R和互相關(guān)向量p，考慮到獲取R和p的復(fù)雜度和系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性問題，判決反饋方法可簡(jiǎn)化為只采用前一個(gè)符號(hào)的相位噪聲估計(jì)值。圖3為簡(jiǎn)化后的判決反饋算法框圖。其中，、為前一個(gè)接收的的符號(hào)（復(fù)坐標(biāo)）和對(duì)應(yīng)的相位角度值，為前一個(gè)相位校正后的符號(hào)，經(jīng)過判決后為（64個(gè)星座點(diǎn)中的一個(gè)），對(duì)應(yīng)的相位值為；與的差值即為前一個(gè)符號(hào)的相位偏離值，換算至復(fù)坐標(biāo)后為，將其取反可作為本符號(hào)的相位補(bǔ)償值，經(jīng)過補(bǔ)償（相位旋轉(zhuǎn)）后可得經(jīng)過校正后的符號(hào)，用于本符號(hào)判決和下一個(gè)符號(hào)的相位校正。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證SC_FDE中相位噪聲抑制算法的有效性，利用MATLAB進(jìn)行相應(yīng)的仿真。SC_FDE系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制，其中每個(gè)FFT塊包含16個(gè)已知符號(hào)組成的UW序列和48個(gè)64QAM符號(hào)組成的DataBlock，符號(hào)速率為10Msps，相位噪聲由相互獨(dú)立同分布的高斯隨機(jī)變量通過3dB帶寬為100kHz的單極點(diǎn)巴特沃斯濾波器產(chǎn)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(guān)措施，誤碼率隨信噪比的增加下降緩慢，使用UW進(jìn)行相位跟蹤校正可以使誤碼率在信噪比增加時(shí)顯著下降，進(jìn)一步使用判決反饋的方法進(jìn)行糾正，可使誤碼率在10-5時(shí)，信噪比優(yōu)化1dB左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)結(jié)合SC_FDE與高階QAM的特點(diǎn)，先利用UW進(jìn)行相位噪聲的粗略估計(jì)和補(bǔ)償，再用判決反饋機(jī)制對(duì)相位噪聲做進(jìn)一步的估計(jì)和補(bǔ)償。通過仿真表明，該方法可以有效提高系統(tǒng)的相位噪聲抑制能力。同時(shí)，該方法簡(jiǎn)單易用，實(shí)際FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)并不會(huì)顯著增加系統(tǒng)資源，簡(jiǎn)化后的判決反饋算法也不會(huì)帶來(lái)較大的處理時(shí)延，滿足信號(hào)解調(diào)處理的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

[1]黨薇，朱婷鴿.SC-FDE技術(shù)在未來(lái)無(wú)線通信中的應(yīng)用[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，12（5）：21-29.

[2]柴菁，張文軍，管云峰.相位噪聲對(duì)QAM系統(tǒng)的影響及消除方法分析[J].電視技術(shù)，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