相位噪声对QPSK解调性能的影响

相位噪声对QPSK解调性能的影响

朱良彬

【摘要】QPSK modulation technology is widely applied for its many merits such as ideal bit error rate and higher spectrum efficiency.But the phase noise brought by the complicated signal processing can affect the performance of QPSK demodulation.In this paper,the model of QPSK influenced by phase noise is given.Based on the analysis of the phase noise effect on QPSK demodulation,the result is presented that the phase noise can result in the constellation diagram point shift, which worsens the performance of QPSK system.A simulation is done to validate the effect of phase noise on the bit error rate(BER)performance.Finally,the paper finds out that the Low Density Parity Check Codes(LDPC)can reduce the influence of the phase noise on QPSK demodulation,improving the BER performance,and through the simulation shows the applicable condition of the LDPC code to improve the BER performance.%QPSK具有误码性能好、带宽利用率高等优点, 但工程应用中复杂的信号处理带来的相位噪声直接影响了其性能. 建立了相位噪声的QPSK模型, 从理论上分析了相位噪声对QPSK解调性能的影响. 指出相位噪声会导致QPSK调制信号星座图的旋转, 导致系统解调性能的下降, 并对相位噪声干扰下QPSK解调误码率性能进行了仿真和分析. 最后指出选择合适的低密度奇偶校验 ( LDPC) 码可以有效减小相位噪声对QPSK解调性能的影响, 提高误码性能, 并且通过仿真研究了LDPC编码改善误码特性的适用条件.【期刊名称】《无线电工程》

【年(卷),期】2015(045)010

【总页数】3页(P38-40)

【关键词】QPSK;相位噪声;星座图;LDPC

【作者】朱良彬

【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄050081

【正文语种】中文

【中图分类】TN911.2

QPSK调制具有抗干扰能力强、误码率低、频谱利用率高以及易于实现等优点［1，2］，被广泛应用数字微波通信系统、移动通信系统以及各种测控系统数据链当中。QPSK解调一般采用超外差接收的形式实现，即在QPSK解调之前使用一个或者

多个本振将接收到的射频信号变换到中频［3，4］。但是，由于本振信号的不理想，在信号处理过程中会引入相位噪声。相位噪声是指在某一频率处，单位Hz内的噪声功率和信号总功率的比值。它不同于热噪声对系统的影响，相位噪声是一个非加性过程，而且相对于信号带宽是一个典型的窄带干扰［5］。相位噪声是使通信系统性能恶化一个非常重要的原因。文献［6，7］研究分析了相位噪声对Coherent-QPSK以及DPSK解调系统的影响，并且给出了相位噪声影响下的理论误码率计算公式。

本文分析了相位噪声对QPSK解调性能的影响，给出了相位噪声影响下QPSK解

调误码率性能曲线。最后提出了一种可以消除相位噪声影响的方法，在系统中加入LDPC编码，并对其进行了仿真和分析。

理想情况下，QPSK调制信号可以表示为：

式中，

当系统同时存在相位噪声和高斯热噪声时，QPSK调制信号可以表示为：

式中，φ（t）为相位噪声；n（t）为带宽受限的高斯白噪声。文献［6，7］指出，在电子系统中，相位噪声以及热噪声一般是具有零均值正态分布的平稳随机过程。相位噪声的功率谱密度可以表示为：

基于上述模型建立仿真系统，设定QPSK中频信号为140 MHz，符号速率为2 Mbps。带有相位噪声的调制载波信号如图1所示。

如图2所示，对于π／4的QPSK调制系统，信号在星座图上分别位于4个像限

的S1、S2、S3和S4处。在接收机进行解调符号判决时，第1像限S1处的星座

图点判决域为0＜θ≤π／2，其中θ为星座图点顺时针偏离X坐标轴的角度。同样可以得到其他3个像限星座图点判决域分别为：π／2＜θ≤π、π＜θ≤3π／2和

3π／2＜θ＜2π。

在理想情况下，星座图点分布在4个像限的判决域内。当存在相位噪声时，调制

信号星座图会发生旋转，旋转轨迹如图2中虚线所示，旋转角度的大小和相位噪

声的大小有关，这里假定系统不受热噪声的影响以及接收机定时同步是理想的。

S1（a，b）受相位噪声的影响，旋转到当星座图点旋转到判决域之外时，解调会

出现误码。以第1像限为例计算，根据式（3）可以计算符号出现错误的概率为：同理，其他3个像限符号出现错误的概率也为2Q［π／（2φ）］。

通过以上分析，在仿真系统中对相位噪声影响下的QPSK解调误码率进行了仿真。误码率曲线如图3所示。

从图3中可以看出，相位噪声可以导致系统解调出现误码，这是由相位噪声引起

信号星座图旋转造成的，相位噪声越大，误码率越高。

在实际应用中，系统同时受到相位噪声和热噪声的影响，信号星座图不仅会出现旋转，还会出现径向的扩散，引起解调性能的进一步恶化。假设系统信噪比为Eb／