正交频分复用系统中相位噪声的影响与抑制
光纤通信系统中的噪声抑制技术
光纤通信系统中的噪声抑制技术随着人们对网络带宽的需求不断增加，光纤通信系统的应用越来越广泛。
对于高速率的光纤通信系统，噪声引入可能会显著地影响其可靠性和质量。
因此，噪声抑制技术是保证光纤通信系统性能的关键因素之一。
一、噪声的来源在光纤通信系统中，噪声来源主要包括以下两种：1. 内部噪声光纤通信系统的内部噪声主要来自于光信号在光纤中的传输和光电元器件的噪声。
由于光纤传输环境中存在多种非线性和色散效应，这些效应会产生光信号的失真和频率偏移，从而使得信号变得更加复杂和难以处理。
此外，光电元器件中的热噪声和放大噪声也会影响系统性能。
2. 外部噪声光纤通信系统还会受到外部噪声的干扰，例如来自天气和环境的噪声、周围电磁场放射的干扰以及其他电子设备的影响。
二、噪声的影响在光纤通信系统中，噪声会通过多种途径影响系统性能，导致以下问题：1. 信号失真光信号在传输过程中受到的噪声会导致信号变得失真，从而降低接收端的解调效率和准确性。
2. 信号衰减噪声会使光信号在传输过程中经过残余能量损失，从而导致信号衰减；同时，噪声也会随着信号的传输而增大，这种噪声的增加速率常常会超过信号的增加速率。
3. 环境噪声干扰光纤通信系统运行过程中会受到来自环境的噪声干扰，这些干扰会影响信号的传输质量，损害系统的稳定性和性能。
三、噪声抑制技术为了缓解噪声对光纤通信系统的影响，一些噪声抑制技术被广泛地应用。
下面介绍几种比较常见的噪声抑制技术。
1. 正交频分复用技术正交频分复用技术（OFDM）是一种广泛应用于宽带通信的多载波传输技术。
通过采用多个低速数据流传输形式，这种技术可以抵消强烈干扰条件下的信道色散和传输带宽限制。
同时，OFDM技术还可以实现自适应数据传输和稳健的信号调节。
2. 自适应数字信号处理技术自适应数字信号处理技术（ADSP）使用数字信号处理器（DSP）来识别噪声干扰，调整信号的传输和接收参数，从而抑制噪声干扰。
这种技术具有优异的抗噪声性能和可靠性，而且可以根据环境噪声的变化实现自适应的调节。
OFDM系统中的相位噪声抑制算法研究
Ｓ ｉ ｉ ｔｅ ｉ ａｔｒ ｏ ｅｅｉｒｔ ｇ ｓｓｅ ｐｒｏｍａ ｃ．Ｗｅ ｊｉｔ ｓｍａｅ ｈ ｎ ｅ ａ ｄ ｐ ａｅ ｎ ｉ ，ｆ ｓ ｕｅ ｉｓｒ ｄ ｐｌｔ Ｏ ｔ ｓ ｈ ｍａｎ ｆｃ ｆｄ ｔ ｏａｉ ｙｔｍ ｅｆｒ ｎ ｅ ｏ ｒ ｎ ｏｎｌ ｅｔ ｔ ａ ｎｌ ｎ ｈｓ ｏｓ ｉ ｔ ｓ ｎ ｅ ｅ ｉ ｙ ｉ ｃ ｅ ｒ ｔ ｏ
Ａｂｔａｔ ｈ ｓ ｏｓ ｅｅｅ ｆｅｔ ｔｅｐ ｒ ｒ ｎｅ ｏ Ｆ ｓｒｃ ：Ｐ ａｅ ｎ ｉｅ ｓｖ ｒｌ ａ ｃｓ ｈ ｅｆ ｍａ ｃ ｆ Ｏ ＤＭ （ｒ ｏ ｏ ａ ｆｅｕｎ ｙ ｄｖｓ ｎ ｍｕｔ ｌ ｉｇ ｙｔｍ，ｉ ｇｖ ｓｒ ｅ ｙ ｏ ｏｔ ｇ ｎ ｌｒ ｑ ｅ ｃ ｉｉｏ ｌｐｅ ｎ ）ｓｓ ｈ ｉ ｉ ｘ ｅ ｔ ｉｅ ｉ ｓ ｔ Ｅ （ｏ ｏ ＣＰ ｃ ｍｍｏ ｈ ｓ ｒｏ）ａ ｄ Ｉ Ｉ（ ｔｒｃｒ ｅ ｎｅｆｒｎ ｅ．Ｔ ｅ Ｃ Ｅ ｃｕｅ ｈ ｃｅｔｃ ｒｔｔ ｎ ｏ ｌ ｓ ｎ ｌｃｎｔｌ ｔ ｎ ， ｎ ｐ ａｅ ｅｒｒ ｎ Ｃ ｉ ｅ ａｒ ｒｉｔｒ ｅｃ） ｈ Ｐ ａｓｓｔｅ ｅｃｎｒ ｏａｉ ｆａｌ ｉ ａ ｏ ｓ ｌｉ ｓ ｎ ｉ ｅ ｉ ｏ ｇ ｅａｏ
计 算机 时代 ２ １ 年 第 ３ ０ １ 期
・ ・ ７
ＯＦ 系统 中的相位 噪声抑 制算 法研 究 Ｄ Ｍ
李正 皇
（ 重庆大学通信工程学院，重庆 ４０ ４） ０ ０４
摘 要 ：相位 噪 声 Ｐ Ｎ（ｈ ｓ ｏｓ） 严 重影响 正 交频 分复 用 Ｏ ＤＭ（ｒ ｏ ｏａ ｆ ｑ ｅｃ ｉｉ ｏ ｌｐｅｉｇ 系统 Ｈ ｐ ａｅ ｎ ｉ 会 ｅ Ｆ ｏｔ ｇ ｎ ｌ ｒ ｕ ｎｙ ｄｖｓ ｎ ｍｕｔ ｌ ｎ ） ｈ ｅ ｉ ｉ ｘ
相干光OFDM系统中激光器相位噪声抑制技术
相干光OFDM系统中激光器相位噪声抑制技术
王利君
【期刊名称】《电光系统》
【年(卷),期】2011(000)003
【摘要】相干光正交频分复用传输系统可以有效抑制光纤颜色色散和偏振模色散，是下一代光网络研究的热点。
激光器相位噪声是相干光正交频分复用系统主要噪声源，为了抑制激光器相位噪声影响，本文提出联合LS信道估值和ICI自消除技术
分别抑制激光器相位噪声产生的公共相位误差干扰和子载波间干扰，通过OptiSystem光仿真软件证实了该方案的有效性，降低了对激光器线宽的要求。
【总页数】5页(P30-34)
【作者】王利君
【作者单位】重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.11
【相关文献】
1.CO-OFDM系统中基于线性预处理的新相位噪声抑制算法 [J], 李玲香;李季碧
2.相干光OFDM系统中的相位估计分析 [J], 郝耀鸿;王荣;李玉权
3.MIMO-OFDM系统中各天线独立相位噪声的影响 [J], 彭聪;许鹏;陈翔;赵明
4.相干光OFDM中基于包络检测的相位噪声消除 [J], 余骏;邹垚昭;王旺;宋英雄
5.F-OFDM系统中的自适应EM相位噪声抑制算法 [J], 陈大爽;李英善;吴虹
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正交频分复用的抗噪性能分析
正交频分复用的抗噪性能分析【摘要】正交频分复用在现代通信中得到了广泛的关注，并为众多无线通信标准所采纳，也被用于有线环境的各种高速PSTN接入以抗脉冲干扰、防止串话。
而数字信号处理和大规模集成电路的发展解决了大量复杂运算和高速存储问题，促进了该技术的实用化。
在介绍了正交频分复用的基本原理并仿真实现了无噪环境下信号的传输和接收之后，通过仿真，实现了在噪声干扰下正交频分复用的接收，从接收到的离散复包络来看，正交频分复用对随机干扰具有较强的抗噪声能力。
【关键词】正交频分复用;快速傅立叶变换;频谱;随机噪声1.引言现代通信系统运行在包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线信道在内的多种通信信道上。
所有实际的信道都会引入某些失真、噪声和干扰。
通过合理地选择调制、编码和其它信号处理方法，可以减轻信道带来的性能恶化。
同时，在功率、带宽、复杂度和成本受约束的前提下，应尽可能提供满足吞吐量和服务质量目标的通信系统。
因此，在通信中，一个核心任务就是利用数字信号处理的方法对通信系统进行建模和仿真，以建立合适的信道模型，并在此基础上进行设计。
正交频分复用（OFDM）的思想可以追溯到20世纪60年代，1970年有关OFDM的专利被首次公开发表。
进入20世纪90年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。
现在OFDM已经在欧洲的数字音视频广播（如DAB和DVB）、欧洲和北美洲的高速无线局域网、高比特数字用户线以及电力线载通信中得到了广泛的应用。
2.OFDM基本原理OFDM是一种多载波调制技术，其原理是用N个子载波把整个信道分割成N个子信道，即将频率上等间隔的N个子载波信号调制并相加后同时发送，实现N个子信道并行传输信息。
虽然是多个子载波相加并同时发送，但是在每个子载波频谱最大值处，所有其它子载波的频谱值恰好为零，即各个子载波之间是正交的。
在接收端，通过计算这些点上所对应的每个子载波频谱的最大值，就可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每个子信道符号，而不会受到其它子信道的干扰。
OFDM系统中相位噪声消除技术研究
正交频分复用是第四代移动通信的核心技术,它最大的优点是有很好的对抗无线信道多径传播的能力,并且提高了频谱的利用率。它可以提高系统容
量,满足人们对下一代无线通信系统高数据传输速率和高的用户移动速度的要求。
相比其他单载波通信系统而言,OFDM系统对频率偏移和相位噪声非常敏感,因为频率偏移会破坏多载波系统各子载波之间的正交性,引入子载波间干扰,对系统性能造成很大的影响。所以同步技术是OFDM首先要解决的关键技术之一,本文的主要工作为OFDM系统同步技术的研究,包括同步算法和同步实现。 本文从OFDM系统模型入手,首先介绍OFDM的基本原理,接着分析了OFDM技术的优缺点,着重探讨了OFDM技术的同步问题:分析了两种同步误差(定时偏差和频率偏差)对OFDM解调性能的影响,然后对定时同步及频率同步算法进行了深入研究,在AWGN信道以及频率选择性信道下,对各种算法做了仿真,分析并比较了多种同步的性能及各种算法的适用范围和优缺点,并提出了改进的定时估计算法和频率同步算法,改进算法利用相关性可以找到准确的定时位置和频率偏移量,仿真结果表明改进的定时算法在正确位置有一个尖锐的峰值,且定时误差明显降低。利用定时同步的结果,重新设置差分系数,从而确定频率偏移量的大小,仿真结果表明改进的频率同步算法具有更小的均方误差。
OFDM系统要求子载波间具有严格的正交性,而且其符号周期较长,因此对本振相位噪声较为敏感。相位噪声是频率源非理想因素引入的一种随机相位干扰,对解调的OFDM信号产生两种影响:公共相位误差(CPE)和载波间干扰(ICI)。对于相噪的补偿问题,传统的方法都是对CPE进行纠正,而把ICI近似为高斯白噪声,这样的处理方法不总能满足系统性能要求。
(2)提出一个相位噪声校正系统方案,消除系统中CPE和ICI的干扰,仿真并实现。该系统需要借助OFDM系统的连续导频信息和信道估计信息。有三个关键模块:CHE、CPE消除、ICI抑制等模块。这三个模块的算法都在频域完成,而且在信道估计和均衡完成之后,先消除CPE的干扰,再抑制ICI的干扰。
相位噪声的产生原因和影响
相位噪声的产生原因和影响相位噪声（Phase Noise）是指信号频率中相位差的随机变化引起的频率不稳定性。
它主要由以下几个因素引起：1.器件非线性：电子器件在非线性工作状态下，会引起频率混叠，导致相位噪声的增加。
例如，放大器的工作点偏差、非线性传感器、杂散回路等都会引起相位噪声。
2.温度变化：温度的变化会导致电子器件参数的变化，进而引起相位噪声的产生。
例如，晶体振荡器（OCXO）受温度影响较大，温度变化会导致晶体振荡器的共振频率发生变化，进而引起相位噪声。
3.时钟漂移：时钟信号的漂移会引起相位噪声的产生。
时钟漂移是指时钟信号的频率不稳定性，例如，由于时基器件的稳定性差，时钟信号可能会因为温度变化、器件老化等原因，导致频率漂移，进而引起相位噪声。
相位噪声对通信系统和雷达系统等有着很大的影响：1.信号质量下降：相位噪声会引起信号频率的随机变化，导致频谱扩展，从而使得信号质量下降。
在通信系统中，相位噪声会导致信号幅度和相位的抖动，从而降低信号的传输性能。
2.谱勾股耦合：相位噪声会引起信号谱的不规则变化，导致信号谱出现峰谷不平等现象，即谱勾股耦合。
这种谱勾股耦合会导致接收机对周围环境中其他信号的干扰增大，降低系统的抗干扰能力。
3.符号定时误差：相位噪声会引起符号定时误差，即接收机判断数据位的时间点出现错误。
这会导致误比特率的增加，从而降低系统的传输可靠性。
4.频率漂移：相位噪声会引起本振频率的随机漂移，导致频率与接收机中本地振荡器不匹配，使得解调和解调过程中的频率合成出错，从而导致错误率的增加。
为了减小相位噪声对系统的影响1.优化器件设计：在器件设计中，应尽量减小器件的非线性和温度漂移，以降低相位噪声的产生。
2.增加反馈环路：通过增加反馈环路，可以在一定程度上抑制相位噪声的增长。
例如，在放大器中引入负反馈，可以降低相位噪声的影响。
3.使用稳定的时基器件：选择稳定性好的时基器件，例如，使用高品质的晶体振荡器（OCXO）作为时钟源，可以降低相位噪声的影响。
一种高频段正交频分复用系统中相位噪声消除算法
第45卷第7期 2011年7月上海交通大学学报JO U RN A L OF SH A N GH AI JIA O T O NG U N IV ERSIT YVol.45No.7 J ul.2011收稿日期:2010 06 27基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2009AA011505),国家自然科学基金资助项目(60772100)作者简介:杜 文(1986 ),男,湖北省仙桃市人,硕士生,主要研究方向为M IM O OFDM 系统中信道估计和相位噪声消除.蒋铃鸽(联系人),女,教授,博士生导师,电话(T el.):021 ********;E mail:linggejiang@.文章编号:1006 2467(2011)07 1058 05一种高频段正交频分复用系统中相位噪声消除算法杜 文, 蒋铃鸽, 何 晨(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240)摘 要:针对高频段正交频分复用(OFDM )无线通信中相位噪声功率增加导致系统性能降低,提出了一种低导频开销的相位噪声消除算法.通过分析高频段OFDM 系统信道传递函数和相位噪声特性,在OFDM 导频时隙上同时估计信道传递函数与相位噪声;在导频子载波假定信道不变,连续估计相位噪声以抑制相位噪声引起的载波间干扰.仿真结果表明,在大相位噪声下,该算法降低了导频开销,同时有效消除相位噪声,提高了信道传递函数估计的准确度.关键词:高频段;正交频分复用;相位噪声;载波间干扰中图分类号:T N 911.4 文献标志码:AAn Algorithm for Phase Noise Mitigation in High Frequency OFDMD U Wen, J I A N G L ing ge, HE Chen(School of Electro nic,Infor matio n and Electrical Eng ineer ing,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)Abstract:The increasing o f phase no ise in high frequency or thog onal frequency div ision multiplexing w ire less co mmunicatio n system deg rades the system perform ance.A joint channel transfer function and phase noise estimation algo rithm w ith low pilot co nsum ption w as proposed to reso lve the conflict.By analyzing the characteristics of channel transfer function and phase noise,the algorithm is divided into tw o steps:o n OFDM pilot tim e slo t,estimate channel transfer function and phase no ise;o n pilo t sub carrier s,estimate phase no ise continuously to eliminate inter carrier interference caused by it,assuming the channel is con stant.T he simulation results show that the proposed alg orithm can elim inate phase noise effectively in a heav y phase noise conditio n.Key words:high frequency;orthogo nal frequency division multiplexing (OFDM );phase noise (PH N );inter carrier interference正交频分复用(Ortho gonal Frequency Div ision M ultiplex ing ,OFDM )技术[1]由于其高频谱效率,利用FFT(Fast Fourier T ransfo rm)、IFFT (Inv er se Fast Fourier Tr ansform )模块易实现,抗窄带干扰等特性,已被广泛应用于现有无线通信系统中,如宽带无线接入(IEEE802.16)、无线局域网等.同时OFDM 技术成为4G(the four th Generatio n)关键技术之一,以满足日益增长的无线多媒体业务需求.目前,不同制式的无线通信系统拥挤在6GH z 以下的频段上,导致该频段频谱资源日益匮乏,频谱拥挤成为制约通信技术发展的难题之一.将系统调制到6~15GH z 频段并采用OFDM 技术,可以有效解决较低频段频谱拥挤问题.相对单载波通信系统,OFDM 技术采用正交载波提升频谱效率,但其性能受信道估计误差、载频偏移、相位噪声等因素较大.虽然提升工作频段能获得较多的频谱资源,但压控振荡器(Voltage Co ntrolled Oscillato r,VCO)相位噪声增加,严重降低系统有效信噪比(Sig nal to Noise Rotio,SNR),影响OFDM 系统通信容量[2].文献[3]中分析了OFDM 系统来自收发两端本地振荡器的相位噪声对系统性能的不同影响,但未给出估计和消除方案;文献[4]中在没有考虑相位噪声时频特性情况下估计OFDM 信道;文献[5]中给出了OFDM 系统在瑞利衰落信道下的公共相位误差(Comm on Phase Er ror,CPE)补偿算法,但并没给出ICI 消除措施;文献[6]中给出了OFDM 系统载频偏差、相位噪声和信道的联合估计算法,并非针对高频段相位噪声增加的情况;文献[7]中基于线性最小均方误差(Linear Minim um M ean Squar e Er ror,LMM SE )、最大似然(M aximum Likelihood,M L)准则,在频域消除相位噪声,但算法复杂度较高且没有考虑信道估计.因此,这些算法都不能恰当处理高频段OFDM 系统对相位噪声敏感和相位噪声增加之间的矛盾.本文通过分析相位噪声与信道特性,设计合理的导频图样,提出了一种适用于高频段OFDM 的相位噪声消除算法.1 高频段O FDM 系统模型1.1 系统模型OFDM 通信系统一般包括串/并(Serial to Parallel,S/P)、并/串(Parallel to Ser ial,P/S)、IF FT 、FFT 等过程.其系统框图如图1所示.图中,虚线部分为高频段主要研究内容.图1 高频段O FDM 系统框图Fig.1 Block diagr am of hig h f requency OF DM system由高频段OFDM 系统框图,有: r (t)={s(t)ejT X(t)h(t)+n(t)}ejRX(t)(1) s(t)=1NN-1k=0X k e j 2T kt , 0 t <T(2)式中:r(t)为接收信号;s(t)为OFDM 基带信号;X k 表示经过星座映射、S/P 转换后的信源符号,k 为子载波序号;N 为OFDM 系统子载波数;T 为OFDM 符号周期;h(t)为信道脉冲响应(Channel Im pulse Response,CIR );n(t)为复加性高斯白噪声(Addi tive White Gaussian Noise,AWGN ); TX (t )和 RX (t)分别为发送端和接收端相位噪声.令 (t)= T X (t)+ RX (t),信宿符号可表示为 Y k =1NN-1m=0r[m]e-j 2 Tkm=1NN-1m=0(s[m] h[m]e j [m]+n[m]e j RX [m])e -j 2T km(3)式中:m 为接收信号采样值序号,假设信道长度L (L <N )已知,并对h[m](L <m N )作补零操作.将式(1),(2)代入式(3),化简可得系统矩阵表达式:Y = +W(4)式中:l 为信道系数序号;X =[X 0 X 1 X N-1]T Y =[Y 0 Y 1 Y N-1]TW =[W 0 W 1 W N-1]TW k =(n[m]e j RX [m])e -j 2T kmH =diag [H 0 H 1 H N-1]H l =N-1m=0h[m]e-j 2 NlmP =P 0P N-1 P 1P 1P 0 P 2 P N-1P N-2P 0P l-k=1NN-1m=0e j [m]e -j 2N (l-k)m1.2 信道特性随着OFDM 系统工作频段的提升,电磁波传播特性变化引起信道模型变化.高频段OFDM 通信系统因终端和散射体移动引起的多普勒频移增加,导致信道快速变化.为区别于低频段信道特性,对高频段OFDM 信道建立如下时变模型.假定第i 个时隙上信道为h (i, ),信道(h )与h (i, )统计特征相同但相互独立,相邻符号间信道相关度为 .第i +1个时隙上信道可表示为h (i +1, )= h (i, )+1- 2(h )1059第7期杜 文,等:一种高频段正交频分复用系统中相位噪声消除算法通过改变信道相关度 大小,可以设定高频段OFDM 信道变化快慢.2 相位噪声消除算法合理的导频图样能在相同的导频密度下取得更小的信道估计最小均方误差(M inimun Square Erro r,M SE ).在信道估计M SE 与高频谱效率约束下,若信道频域相关性强,则连续在若干子载波上插入导频符号;若信道时域相关性强,则在给定的若干时隙中插入导频符号.另外,一般基于块状、梳状信道估计算法、二维散布导频算法都只估计信道,没有考虑相位噪声的影响.在文献[8]基础上,本文给出图2所示导频图样.图中,两相邻导频时域间隔为K 个OFDM 符号,导频子载间隔为M =N/N p ,N p 为导频子载波数,均匀分布在N 个子载波上.图2 高频段O FDM 系统导频图样F ig.2 Pilot scheme fo r O FDM channel est imatio n2.1 预处理矩阵为满足总待估参数个数小于子载波数,保证最优化可以求解.本算法通过预处理矩阵以降低信道和相位噪声待估参数个数.考虑到信道长度L 远小于子载波数N ,采用下面变换矩阵减少待估参数,间接估计信道传递函数(Channel T ransfer Functio n,CT F )矩阵:H =T h h(5)式中:T h =11 11E E L-11E N-1E(L-1)(N -1), E =e-j 2Nh =[h 0 h 1 h L-1]T对H 作去对角化处理后得到其向量形式H =[H 0 H 1 H N -1]T ,利用变化矩阵T h ,将信道待估参数从N 减少到L .取相位噪声矩阵P 的第1列P c1=[P 0 P 1 P N -1]T ,P c1与相位噪声向量p 之间关系为P c1=1N W D FT p 1N W DFT T p p (6)式中:W DFT 为DFT 变换矩阵,W DFT =11 11E E N-11EN-1E(N-1)(N-1), E =e -j 2NT p 为减采样矩阵,T p =R pp (R p p )-1, R pp =pp *, R p p =p p * 在实际计算中,p 和p 可用采样均值代替统计值.通过减采样矩阵T p 间接估计p ,将相位噪声待估参数从N 减少到M.2.2 信道与相位噪声联合估计算法2.2.1 导频时隙估计CTF 矩阵H 最优化问题arg min h ,pY -PHX 2存在2个独立参数h 和p ,可通过迭代获得其闭式解.为准确估计h 、p ,给定p 迭代初值:(p )0=[P0 P0 P0]T其中:P0为CPE [9];()i 表示该变量第i 次迭代结果.算法具体步骤如下:(1)由式(6)可得(P c1)i1NW DFT T p (p )i进而得到(P )i .在LS 准则下求解最优化问题,可得信道向量最优值,(h )i =(T Hh X H(P )Hi (P )i XT h )-1T H h X H (P )Hi Y (7)(2)由式(5)可得(H )i =T h (h )i ,在LS 准则下求解最优化问题可得相位噪声向量最优值,(p )i =N (W H DFT T H p (H )H i X H X (H )i T p W DFT )-1W H DFT T H p (H )H i X HY(8)i =i +1,返回步骤(1).当前后2次迭代结果差别小于设定门限时,停止迭代,得到的H、P即为CTF 矩阵和相位噪声矩阵局部最优值.2.2.2 估计并消除相位噪声 相邻导频时隙内假定信道不变,连续估计P 即可.参照导频时隙估计算法,重新估计相位噪声矩阵P :(p )Ni =N (W HD FT T Hp (H )HN X HX (H )N T p W DFT )-1W H DFT T H p (H )H N X H Y i [1,K -1](9)通过(p )Ni 得到相位噪声向量p ,并利用其倒数对接收信号进行补偿,部分消除相位噪声,残留分量会影响系统性能.1060上 海 交 通 大 学 学 报第45卷3 算法及仿真分析3.1 算法性能分析下面给出算法在不同参数设置下性能分析结果.不失一般性,假设: 导频符号、相位噪声、信道功率、AWGN 相互独立; 不同时隙上导频符号和数据符号服从零均值、均匀分布.假定发送符号能量 2X =E { X k 2},信道能量 2H =E{ H k 2},AWGN 噪声能量 2W =E{ W k 2},相位噪声能量2=E{ k 2}.下面考虑算法对系统有效SNR 的改善.假设P、H分别为CTF 和相位噪声估值矩阵,经算法处理后系统有效SNR 可表示为SNR E =2XE{ Heff 2}N-1l=1E{ P l -Pl 2} 2X E{ Heff 2}+ 2W(10)减采样矩阵和信道时变影响分别为E{ P c1-Pc1 2}= E1NW DFT p -1NW DFT T p p2=4N -M N M2P(11)E{ Heff 2}=2H H ^ 2H (12)经过算法处理后,有效SNR 可表示为SNR E2H H ^ 2X 2H4N -M NM2H H ^ 2 2X 2H + 2W (13)增大导频子载波数M 和减小导频时隙间隔K 可以提高系统有效SNR 和估计精度,但同时也导致计算量增加和频谱效率降低.3.2 仿真分析通过对比M JCPCE 算法[4]、REF Algo rithm [6]及本文算法仿真结果,验证了本文算法在大相位噪声条件下,CT F 估计准确度、导频开销、计算量上的优势.高频段OFDM 通信系统参数设置:子载波数和循环前缀数分别为N =512、CP=32,调制方式为16QAM,多径数为6、衰落因子为5dB 的莱斯信道,相邻符号的信道相关系数为0.98,相位噪声归一化功率为 2P=0.05.3.2.1 SNR 提升分析 图3所示为在相位噪声功率 2P=0.05时算法对高频段OFDM 通信系统有效SNR 提升对比结果.图3 不同参数设置下算法对系统有效SN R 提升Fig.3 SN R per for mance w ith different par ameters由图3可见,在高信噪比情况下,本文算法相比只消除CPE 的情况,能够至少提升4dB 系统有效SNR,并且随着OFDM 系统信噪比的提高,算法提升效果也随之增加.图中理想情况指 2P =0时SNR 变化,以此作为参考.同时,降低导频符号在时域和频域间隔可以提升算法性能.3.2.2 信道估计MSE 分析 图4所示为在[M ,K ]=[64,10]仿真条件下,从信道估计M SE 角度衡量不同算法对相位噪声抑制和信道估计准确度.图4 不同算法下CT F 估计归一化M SE Fig.4 Channel M SE w ith different alg or ithms由图4可见,若不消除相位噪声,则信道估计存在严重的误差平底,提高系统SNR 不能提升信道估计准确度.本文算法主要针对高频段大相位噪声情况下的信道估计,在抑制相位噪声及信道估计准确度上优于REF 算法,略优于MJCPCE.在与MJCPCE 性能接近同时,导频消耗比MJCPCE 算法少20%左右.4 结 语本文分析了相位噪声和线性时变信道的特性,在6~15GH z 频段上OFDM 系统中提出了一种低复杂度相位噪声消除算法.通过在导频时隙联合估计信道信息和相位噪声,并在导频载波上连续跟踪相位噪声,以此消除相位噪声带来的ICI 干扰.理论和仿真结果表明,本文算法能降低OFDM 系统对相1061第7期杜 文,等:一种高频段正交频分复用系统中相位噪声消除算法位噪声敏感度,等效降低相位噪声功率大约4dB,本算法降低了该频段上OFDM系统硬件设计难度和成本,利于系统的实现.参考文献:[1] L i Y,Stuber G.Or tho go nal frequency divisio n multiplex ing fo r w ir eless communications[M].N ew Y ork:Spr ing er P ress,2006:8 28.[2] Piazzo L,M andar ini P.Analysis of phase no ise effectsin O FDM modems[J].IEEE Transaction on Comm unications,2002,50(10):1696 1705.[3] L iu P,Bar N ess Y,Zhu J M.Effects o f phase noise atbot h t ransm itter and r eceiv er on the perfo rmance o f O FDM systems[C] The40th Annual C onference on Information Sciences and Systems.Pr inceto n,N ewJer sey U SA:IEEE Press,2006:312 316.[4] L in D D,Pacheco R A,L im T J,et al.Jo int estimation of channel respo nse,fr equency o ffset,and phase no ise in OF DM[J].IEEE Transaction on Signal Processing,2006,54(9):3542 3554.[5] W u S P,Bar N ess Y.A phase noise suppression alg orit hm for O FDM based W LA N s[J].IEEE C ommunications Letters,2002,6(12):535 537.[6] T ao J,Wu J X,X iao C S.Est imatio n o f channeltr ansfer functio n and carr ier frequency offset fo rOF DM systems w ith phase noise[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,2009,58(8):4380 4387. [7] Wu S P,L iu P,Bar N ess Y.P hase no ise estimationand mit igat ion fo r O FD M systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2006,5(12):36163625.[8] Gao F F,Nallanathan A.Identifiability o f tr ainingbased CF O estimation over fr equency selectiv e channels[C] IEEE International C onference on C om munication.I stanbul:I EEE Pr ess,2006,3:1421 1426. [9] N or oozi M,Zahedi A,Bakhshi pensation ofphase no ise in OF DM sy stems using a CP E and channelestimatio n scheme[C] International Symposium on Perf ormance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems.Edinburg h,U K:IEEE Pr ess,2008:197 201.下期发表论文摘要预报基于改进最小二乘SVM方法的短期风速预测张广明, 袁宇浩, 龚松建(南京工业大学自动化与电气工程学院,南京210009)摘 要:为了进一步提高短期风速预测的精度,分析了一种改进的风速预测方法.该方法考虑风速发生变化的极值点对总体预测误差的影响,以及预测曲线较实际曲线产生的滞后,分别对预测数据进行了极值点修正和偏移量处理.在对未来1h风速进行预测时,相比P SO优化的最小二乘支持向量机模型、未经优化的最小二乘支持向量机模型及BP神经网络模型,所提出的模型具有较高的预测精度和运算速度.算例结果表明,改进的最小二乘支持向量机算法是进行短期风速预测的有效方法.一种数据驱动的预测控制器性能监控方法张光明, 李 柠, 李少远(上海交通大学自动化系,系统控制与信息处理教育部重点实验室,上海200240)摘 要:提出一种数据驱动的预测控制器性能监控方法.基于马氏距离的综合性能指标,推导了性能指标的基准,以实现对预测控制器性能下降的及时检测.考虑导致预测控制器性能下降的4种常见原因,提出了基于马氏距离性能指标的性能诊断方法,即通过提取过程变量中主元和误差子空间的马氏统计量作为性能特征,利用支持向量机构造分类器,实现了预测控制器的性能诊断.最后,通过W ood Ber ry过程仿真,验证了所提方法在预测控制器性能监控中的有效性.1062上 海 交 通 大 学 学 报第45卷。
相位噪声对QAM系统的影响及消除方法分析
相位噪声对QAM系统的影响及消除方法分析相位噪声是指在数字通信系统中，由于各种环境干扰和系统本身缺陷导致接收到的信号的相位发生随机偏移的现象。
相位噪声会对QAM （Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）系统的性能产生负面影响。
本文将对相位噪声对QAM系统的影响以及相位噪声的消除方法进行分析。
首先，相位噪声对QAM系统的影响主要表现在两个方面：幅度损失和错误率增加。
相位噪声会导致接收信号的相位发生随机变化，这会造成信号的幅度发生波动。
由于QAM调制是通过改变信号的幅度和相位来传输信息的，相位噪声会导致接收到的信号的幅度受到损失。
对于16QAM等高阶QAM调制方式，幅度损失会更加严重。
另外，相位噪声还会导致接收信号的相位误差，从而增加误码率。
在QAM调制中，接收端需要通过判决器来判断每个符号所代表的信息。
相位噪声会导致接收到的信号的相位偏离正常值，从而导致误判，进而增加误码率。
然后，相位噪声的消除方法可以从传输过程和接收端两个方面进行考虑。
在传输过程中，可以采用以下方法来减小相位噪声对QAM系统的影响：1.降低噪声：在设计通信系统时，可以采用低噪声放大器、滤波器等器件来降低系统中的噪声水平，从而减小相位噪声。
2.加大信号功率：由于相位噪声是以信号功率的形式嵌入到信号中的，增大信号功率可以相对减小相位噪声的影响。
但是需要注意，增大信号功率也会增加功耗和信号传输的成本。
在接收端，可以采取以下方法来消除相位噪声对QAM系统的影响：1.相位恢复算法：可以通过相位恢复算法来估计和补偿接收信号中的相位噪声。
常用的算法包括最小均方误差（MMSE）相位估计算法、最大似然估计（MLE）算法等。
这些算法可以通过对信号进行适当处理来降低相位噪声的影响，从而提高系统的性能。
2.群时延补偿：在传输过程中，由于不同频率的信号传播速度不同，会导致信号的群时延。
群时延会引入相位噪声，影响调制信号的相位准确性。
正交频分复用(OFDM)技术多径噪音降解
Ｄｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ ｘபைடு நூலகம்ｉ ｎ ｇ ） 的缩 写 ， Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 是 基 于 多 路 载 波 的新
型信 号 调 制 传 输 技 术 ，具 体 是 将 信 号 数 据 分 解 成 多个 相 互 独 立 的子 信 号 流 ，各 子 信 号 流 将 以相 对 低 很 多 的流 量
抵抗无线信道 的干扰 ， 在无线通 信高速传输技术 中 ， 频 率 响 应 曲线 一般 不 是 平 坦 的 ， ＯＦ ＤＭ 的 主 要 想 法 是 将 给 定 信
道 在 频 域 内分 解 成 相 互 正 交 的子 信 道 ，每 个 子 信 道 用 一 个子载波调制 ， 各子 载 波 并 行 传 输 。即使 总信 道 不 是 平 坦 的， 但 能 保 证 每个 子 信 道 的相 对 平 坦 性 ， 由于 子 信 道 窄 带
传输 ， 信 号 带 宽显 著 小 于 信 道 带 宽 ， 大 大 消 除 了子 信 号 间
的干扰。
多 年 内 ，虽 然 人 们 深 入 研 究 了 如 何 在 移 动 通 信 领 域 运 用 多 载 波 调 制 技 术 ，但 由于 当 时数 字 信 号 处 理 技 术 及 高 效 信 号 调 制 技 术 没 有 跟 上 ，多 载 波 传 输 技 术 并 没 有 被 广 泛
应 用 。 这 一 情 况 直 到 上 世 纪 九 十 年 代 才 被 改 观 ，从 此 Ｏ Ｆ ＤＭ 技 术受 到 重 视并 被 广 泛 应 用 开 来 。
将 高速 率 、高 容 量 的 数 据 流分 解 为多 子 路 径 低 速 率 、 低 容量 数 据 流 ， 各 子 信 号 流数 据采 用 相 互 独 立 调 制 并 迭 加 在一起构成发送 信号 ， 由 于信 道 速 率 及 容 量 降 低 ， 同 时 码 元 周期增大 ， 多径 干 扰 将 较 少 地 遗 传 到 下 一 码 元 ， 这 样 就
正交频分复用系统中相位噪声的影响与抑制
收稿日期:2004-06-07;修回日期:2004-12-05。
基金项目:韩国三星公司项目基金资助课题(HO4010201WO20340)作者简介:刘光辉(1976-),男,博士研究生,主要研究方向为OFDM 系统中的相噪抑制和信道估计与均衡技术。
E 2mail :uestclgh @正交频分复用系统中相位噪声的影响与抑制刘光辉,朱维乐(电子科技大学电子工程学院,四川成都610054) 摘 要:在分析本振相位噪声对正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing ,OFDM )系统性能影响的基础上,建立了一种新的相噪频域模型,并基于该模型提出了加入相噪估计导频来跟踪相噪的方法。
由于导频与数据子载波之间有空子载波作为保护间隔,该方法可以估计出相噪的高阶频谱分量,从而有效地抑制相噪引入的共同相位误差(common phase error ,CPE )和载波间干扰(inter 2carrier interference ,ICI )。
仿真结果表明方法的有效性。
关键词:正交频分复用;载波间干扰;共同相位误差;相位噪声中图分类号:TN911.72 文献标识码:AE ffects and suppression of phase noise in OFDM systemsL IU Guang 2hui ,ZHU Wei 2le(School of Elect ronic Engineering ,U uiv.of Elect ronic Science and Technology of China ,Chengdu 610054,China )Abstract :Effects of phase noise on OFDM systems are analyzed and a new model of phase noise is created in fre 2quency domain.Based on the model ,phase noise is tracked using the phase 2noise estimation pilots inserted in OFDM transmission band.The pilots are separated from information subcarriers by null subcarriers acting as frequency guard interval (FGI ),and then the higher order spectrum of phase noise can be estimated.Phase noise suppression ,includ 2ing common phase error (CPE )and inter 2carrier interference (ICI ),is also investigated.Simulation results are shown which demonstrated the effectiveness of the proposed algorithm.K ey w ords :orth og onal frequency division multiplexing ;inter 2carrier interference ;comm on phase error ;phase noise1 引 言 正交频分复用(orth og onal frequ en cy d iv is ion m utiplex ing ,OF DM )系统的主要优点是具有较强的抗多径衰落能力和极高的频谱利用率。
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收稿日期:2004-06-07;修回日期:2004-12-05。
基金项目:韩国三星公司项目基金资助课题(HO4010201WO20340)作者简介:刘光辉(1976-),男,博士研究生,主要研究方向为OFDM 系统中的相噪抑制和信道估计与均衡技术。
E 2mail :uestclgh @正交频分复用系统中相位噪声的影响与抑制刘光辉,朱维乐(电子科技大学电子工程学院,四川成都610054) 摘 要:在分析本振相位噪声对正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing ,OFDM )系统性能影响的基础上,建立了一种新的相噪频域模型,并基于该模型提出了加入相噪估计导频来跟踪相噪的方法。
由于导频与数据子载波之间有空子载波作为保护间隔,该方法可以估计出相噪的高阶频谱分量,从而有效地抑制相噪引入的共同相位误差(common phase error ,CPE )和载波间干扰(inter 2carrier interference ,ICI )。
仿真结果表明方法的有效性。
关键词:正交频分复用;载波间干扰;共同相位误差;相位噪声中图分类号:TN911.72 文献标识码:AE ffects and suppression of phase noise in OFDM systemsL IU Guang 2hui ,ZHU Wei 2le(School of Elect ronic Engineering ,U uiv.of Elect ronic Science and Technology of China ,Chengdu 610054,China )Abstract :Effects of phase noise on OFDM systems are analyzed and a new model of phase noise is created in fre 2quency domain.Based on the model ,phase noise is tracked using the phase 2noise estimation pilots inserted in OFDM transmission band.The pilots are separated from information subcarriers by null subcarriers acting as frequency guard interval (FGI ),and then the higher order spectrum of phase noise can be estimated.Phase noise suppression ,includ 2ing common phase error (CPE )and inter 2carrier interference (ICI ),is also investigated.Simulation results are shown which demonstrated the effectiveness of the proposed algorithm.K ey w ords :orth og onal frequency division multiplexing ;inter 2carrier interference ;comm on phase error ;phase noise1 引 言 正交频分复用(orth og onal frequ en cy d iv is ion m utiplex ing ,OF DM )系统的主要优点是具有较强的抗多径衰落能力和极高的频谱利用率。
但由于OF DM 符号周期较长,所以它对本振引入的相位噪声比较敏感,这是OF DM 的主要缺点之一。
相噪对OFDM 系统的影响主要有两方面[1]:共同相位误差(common phase error ,CPE )引起整个信号星座的旋转;相噪高频噪声引入的载波间干扰(inter 2carrier interference ,ICI )。
CPE 的估计方法比较简单,发展也比较成熟。
对ICI 的估计,文献[2]提出了基于分散导频的最小二乘(L S )估计算法,但由于导频附近数据子载波的卷积干扰,这种方法的性能并不十分理想。
Denis Petrovic 等人认为,可以用正弦波拟合相噪波形,进而提出用导频准确估计CPE ,用判决2反馈方法估计ICI [3]。
但该算法由于使用判决2反馈,而存在误码扩散问题。
Florent Munier 等人基于相噪的统计特性提出用MMSE 和ML 方法估计相噪[4]。
该算法需要通过观察几个OFDM 符号来获取相噪统计特性,这无疑增大了系统开销,加之复杂性较高,这使得其实用性大打折扣。
文献[5]提出,用增大发射功率的载波恢复导频及导频两边的频率保护间隔来估计相噪,这种方法在高斯信道中简单有效,但当载波恢复导频落入多径深衰处时,该方法就失效了。
本文在分析相噪影响的基础上,提出一种新的相噪频域模型。
基于这种相噪模型,在发端通带中插入一定数量的相噪估计导频,收端依据导频受收端本振相噪引起的失真,利用解卷积的方法求得影响该符号的相噪,并用解得的信息对本符号的相噪进行有效的抑制。
2 OFDM 系统模型和相噪模型2.1 OFDM 系统描述OFDM 系统的基本组成如图1所示。
随机数据经过映射、串/并转换、N 点快速傅里叶逆变换(IFFT )、并/串、加循环前缀(CP )和数/模转换后进入信道。
x (t )为发端信号,h (t )为信道冲激响应,ξ(t )为信道高斯白噪声2005年8月系统工程与电子技术Aug.2005第27卷 第8期Systems Engineering and Electronics Vol.27 No.8文章编号:10012506X (2005)0821369204(AWGN ),<(t )是3dB 带宽为β的Wiener 过程。
接收信号r (t )经过模/数转换、去循环前缀、串/并转换、N 点快速傅里叶变换(FFT )、并/串转换和解映射,最终恢复发端数据。
为了分析简单,系统假设为一基带传输系统,没有考虑信道纠错编解码(FEC )和同步误差。
不失一般性,分析时只考虑接收机本振引入的相噪。
图1 OFDM 系统框图由图1可知,接收信号r (t )的取样为r (n )=[x (n )3h (n )+ξ(n )]ej <(n )(1)式中:x (n ),h (n ),ξ(n ),<(n )———x (t ),h (t ),ξ(t ),<(t )的取样,3———卷积运算。
对式(1)作离散傅里叶变换(DFT ),可得R m ,l =(S m ,l H m ,l +ζm ,l )3P m (l )=(S m ,l H m ,l )3P m (l )+ηm ,l(2)式中:H m ,l ,ζm ,l ,P m ,l (l =0,1,…,N -1)可以通过h (n ),ξ(n ),ej φ(n )的DFT 分别得到,ηm ,l =ζm ,l 3P m ,l 仍为高斯噪声。
2.2 相噪统计模型本振引入的相噪可以建模为Wiener 2L èvy 过程[6]<(t )=2π∫tv (τ)d τ(3)式中:v (τ)———均值为零且功率谱密度为N 0的高斯白噪声。
可以证明,e j <(t )的功率谱密度为洛伦兹谱[7]R (f )=2πβ11+(2f β)2(4)式中3dB 带宽β=2πN 0,决定了相噪变化的快慢。
假设系统的采样频率为f s ,可以得到β2π=f 3dB f s(5)所以,高斯过程v (τ)的方差为σ2v =N 0=f 3dBf s(6)3dB 带宽虽然是描述相噪非常重要的物理量,但却很不直观。
对相噪比较直观、工程化的描述是其功率谱密度(PSD )。
由文献[8]可以得到本振相位抖动方差与相噪PSD 的关系σ2v =4π2f 2L (f )/f s (7)式中:L (f )———偏移载波f 处的相噪PSD 。
由式(6)和式(7),可以得到f 3dB 更加直观的表示f 3dB =4π2f 2L (f )(8)3 相噪对OFDM 的影响及相噪频域模型3.1 相噪影响分析第m 个符号相噪可以表示为<m (n )=Φm +Δ<m (n )(9)式中:Δ<m (n )———相噪瞬时取样相对于其均值Φm 的偏移量,假设这个偏移量很小,则可以得到相噪频谱P m (i )=1N∑N -1n =0e j <m(n )e -j 2πN ni =e j Φm・1N∑N -1n =0e j Δ<m (n )e -j 2πNni≈ej Φm・1N∑N -1n =0(1+j Δ<m(n ))e -j 2πN ni=e jΦm・[δ(i )+I m (i )](10)式中δ(i )=1,i =00,i ≠0I m (i )=jN∑N -1n =0Δ<m(n )e -j 2πN nii =-N/2,…,N/2-1(11)所以,式(2)可以改写为R m ,l =S m ,l H m ,l P m (0)+∑N -1i =0i ≠l S m ,i H m ,i P m(l -i )+ηm ,l =S m ,l H m ,l ej Φm+ej Φm∑N -1i =0i ≠lS m ,i H m ,i I m(l -i )+ηm ,l (12)由式(12)可知,在一个OFDM 符号周期内,相噪对解调后的OFDM 信号产生两种影响:对每个子载波数据旋转固定的角度Φm (与l 无关),由于对所有子载波产生相同相差,故称为共同相位误差(CPE );由于I m (i )的存在,还有来自其它子载波的载波间干扰(ICI )。
从上面的分析可以看出,CPE 实际上是相噪的零阶频谱分量,即直流分量。
由于CPE 使整个信号星座旋转,故它对OFDM 性能影响更为严重。
ICI 是相噪高阶频谱分量I m (i )引入,如果子载波数目足够大且各子载波调制信息相互独立,由极限中心定理知,ICI 对OFDM 的影响与信道AWGN 类似。
3.2 相噪频域模型相噪是一个缓变过程(与OFDM 信号相比),故只纠正CPE 的影响就可以使得系统性能有较大改观。
这种方法称为CPEC (CPE correction )。
但如果本振质量较差,相噪高阶频谱分量较大,CPEC 就不能满足系统性能要求,必须对相噪引入的ICI 进行抑制。
由于相噪PSD 随着频率上升而急剧下降(-20dBc/Hz/十倍频程),所以只需考虑相噪有限的几阶频谱分量,而没有必要估计整个信号带宽内的相噪,即I m (i )=0,|i |>u ,u <<N/2(13) ・1370 ・系统工程与电子技术2005年 这样,可以将式(12)写成矩阵形式R=XI・e jΦm+Ω(14)式中X=S m,0H m,000…S m,1H m,1S m,0H m,00 0ωS m,N-1H m,N-1S m,N-2H m,N-2S m,N-3H m,N-3…S m,N-2u-1H m,N-2u-1 0S m,N-1H m,N-1S m,N-2H m,N-2…S m,N-2u H m,N-2uω000…S m,N-2H m,N-2000…S m,N-1H m,N-1 R=R m,-uR m,-u+1…R m,0R m,1…R m,N+u-2R m,N+u-1, I=I m(-u)I m(-u+1)…1I m(1)…I m(u-1)I m(u), Ω=ηm,-uηm,-u+1…ηm,0ηm,1…ηm,N+u-2ηm,N+u-1式(14)考虑了相噪频谱对数据的扩散作用,所以R是(N+2u)×1维,X是(N+2u)×(2u+1)维,I和Ω是(2u+1)×1维。