OFDM中联合IQ不平衡和相位噪声估计补偿新算法*

徐湘艺，朱 江

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 410000)

OFDM中联合IQ不平衡和相位噪声估计补偿新算法*

徐湘艺，朱 江

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 410000)

正交频分复用(OFDM)系统中的非理想特性对系统性能影响很大，针对非理想特性中的两个主要部分：同相支路和正交支路(IQ)间的不平衡及相位噪声，提出了一种新的相位噪声和IQ不平衡联合估计算法。该算法首先由一个训练符号利用简单的最小二乘(LS)准则在频域估计出IQ不平衡和相位噪声的复合参数，并从中分离得到IQ不平衡估计值，然后利用估计出的IQ不平衡参数在时域对数据符号做IQ不平衡补偿，最后对IQ不平衡补偿后的数据在频域做相位噪声公共相位误差(CPE)和子载波间干扰(ICI)的估计和补偿。理论分析和仿真结果表明，该算法能简单有效的补偿IQ不平衡和相位噪声带来的性能损失。

OFDM；IQ不平衡；相位噪声

0 引 言

OFDM因其高频谱利用率和抗多径衰落能力在数字视频广播(DVB)、无线局域网(WLAN)、第四代移动通信[1](4G)等众多领域中得到广泛应用。IQ不平衡和相位噪声是OFDM的两个主要非理想因素，严重降低系统性能。文献[2]针对IQ不平衡提出了多种补偿算法，但没有考虑相位噪声的影响。文献[3]详细分析了相位噪声对OFDM的影响，并提出了相应的补偿算法，然而没有考虑IQ不平衡。文献[4-6]综合考虑了IQ不平衡和相位噪声的影响，但文献[4]中算法只对相位噪声的CPE进行了补偿，忽略了相位噪声的ICI部分，文献[5]是在时域估计相位噪声的部分样值，完整的相位噪声估计靠插值来完成，估计精度有限，且算法所需迭代次数较多，复杂度较大，文献[6]则通过对相邻符号间的CPE估计值进行插值来补偿相位噪声，并不能有效消除相位噪声带来的ICI。本文提出一种在频域对相位噪声和IQ不平衡进行联合估计的算法，首先由训练符号在频域估计出IQ不平衡和相位噪声的复合参数，并从中分离得到IQ不平衡估计值，然后利用估计出的IQ不平衡参数在时域对数据符号做IQ不平衡补偿，最后对IQ不平衡补偿后的数据在频域做相位噪声的估计和补偿。该算法无需迭代，只需一个训练符号，基于简单的LS准则就可估计出IQ不平衡参数及相位噪声的CPE和ICI，是一种简单有效的相位噪声和IQ不平衡联合补偿算法。

本文结构安排如下：第1部分简要分析了IQ不平衡和相位噪声同时存在时对OFDM的影响。第2部分介绍了本文提出的新的联合补偿算法。第3部分给出了仿真结果和分析。结语部分对全文做了总结。

1 系统模型

图1 受相位噪声和IQ不平衡影响的OFDM系统框

(1)

(2)

yd(n)=αy(n)+βy*(n)

(3)

式中，*表示复数共轭，α,β为IQ不平衡参数，它们是幅度不平衡参数ε和相位不平衡参数Δφ的函数[2]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

至此，受相位噪声和IQ不平衡影响的频域接收信号可写为：

(9)

式中：

(10)

2 新的联合估计算法

2.1 IQ不平衡和相位噪声联合估计

依据大多数文献中的做法，我们假定IQ不平衡参数在一个OFDM符号帧内保持不变，由于相位噪声在时域随机变化，需要逐符号对相位噪声进行估计。相位噪声的低通特性使得我们可以利用少数几阶相噪频域系数来近似相位噪声。由此式(9)又可以写为：

(11)

将式(11)写成式(12)中的矩阵形式，再将式(12)中的矩阵形式做一个变形得到式(13)，其用矢量形式可以表示为：

(12)

(13)

由LS准则，利用训练符号即可得到αQ,βQ*的估计，待估参数的个数为4u+2个。

2.2IQ不平衡和相位噪声联合补偿

(14)

(15)

频域补偿时，将式(9)写成如下形式：

(16)

(17)

可以看出，由于相噪逐符号变化，直接时域或频域补偿时，数据帧中的训练符号和数据符号都需估计4u+2个参数。时域补偿较为简单，但需要对估计参数进行附加的IFFT操作，还需存储待补偿的时域符号。频域补偿则需矩阵求逆运算，且矩阵维数很大，计算复杂度很高，虽然通过分次解卷积可以降低计算复杂度，但在实际应用中，这种方式依然太过复杂。

为进一步降低算法的计算复杂度，可以将IQ不平衡参数和相位噪声参数分离开来，对数据先做时域IQ不平衡补偿，补偿后的数据则只需做相噪估计和补偿。

(18)

由上式可得：

(19)

(20)

IQ不平衡补偿后的数据只留下相位噪声，可用任意相噪补偿方法做补偿。

3 仿真结果和分析

仿真基于OFDM卫星高速数传系统，一个OFDM符号含子载波数N=1024，循环前缀长度CP=32，采样率为R=3.2Gsps，子载波间隔Δf=3.03MHz，每帧数据由20个OFDM符号组成，第一个用作训练符号，数据符号中导频子载波个数为30，导频两端各放置2u+1个0子载波，数据子载波用来传输64APSK数据。 信道为AWGN信道。

相位噪声和IQ不平衡是影响OFDM接收性能的两个主要因素。图2给出了OFDM受相噪或IQ不平衡单独影响时系统的BER性能，图中相对带宽g=β/Δf，β为相位噪声3dB带宽，Δf为OFDM子载波间隔。0.4dB,10°则分别对应幅度不平衡ε和相位不平衡Δφ。可以看出相位噪声或IQ不平衡的存在都会使系统性能急剧下降，必须对其进行补偿。

图2 相位噪声及IQ不平衡对OFDM系统性能的影响

图3 不同估计参数个数时3阶相噪补偿的BER性能

4 结 语

本文提出了一种新的相位噪声和IQ不平衡联合估计算法，该算法不需要迭代，只需一个训练符号基于简单的LS准则即可分离出IQ不平衡参数估计值，对后续数据进行u阶相噪频域系数估计并对相噪进行补偿，可有效抑制ICI干扰。在训练符号部分即使只估计两个参数也能获得较好的估计效果，是一种计算复杂度低，性能较好的联合补偿算法。

[1] 张雷，许飞，隋天宇. 4G移动通信技术在战术通信中的应用研究[J]. 通信技术，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

国家自然科学基金(No.61201166)

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

TN92

A

1002-0802(2015)10-1120-05

徐湘艺(1990—)，女，硕士，主要研究方向为现代通信技术；

朱 江(1973—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为无线通信。