SC_FDE系统中相位噪声抑制算法研究

李晓晗++姜晓斐++张航

摘要：相位噪声会恶化单载波系统的性能，也会使QAM的星座发生旋转与模糊，尤其是高阶QAM对载波的相位噪声非常敏感。结合SC_FDE系统的特点，设计一种先用UW进行相位偏移量的估计和校正，再用判决反馈机制做进一步相噪抑制的方法。经MATLAB仿真表明，提高了系统对相位噪声的抑制能力。

关键词：SC_FDE 高阶QAM 相位噪声

中图分类号：T911.23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0130-02

在宽带高速通信中，单载波频域均衡（SC_FDE）技术以类似OFDM信号处理方式，引起了广泛的关注[1]。SC_FDE采用低复杂度频域均衡技术，抗多径能力与OFDM相当，但是发射信号的峰均功率比低于OFDM，可采用单载波成熟的射频技术，降低功率放大器等模拟器件的成本。为提高频谱利用率，SC_FDE常与正交幅度调制（QAM）结合使用，但是随着频谱利用率的增加，QAM调制星座点阶数也随之增加，其对载波相位噪声的敏感程度也不断增加，对解调系统的性能有很大影响，需对相位噪声进行有效抑制。

1 相位噪声分析

1.1 相位噪声产生原因

在通信系统中，发送端与接收端都需要产生相应的载波以完成相应的射频与基带间的频谱转换。然而产生载波的晶体振荡器与锁相环路存在一定的差异性，造成了载波频率与目标频率存在短时的随机差异，进而造成所产生的正弦波信号发生随机相位跳变，表现为相位噪声。

1.2 相位噪声对单载波的影响

载波的相位噪声会使信号的功率谱密度产生畸变，导致基带信号的功率谱被扩展。解调信号通过带宽为的带通滤波器时，信号功率将随载波相噪的恶化而发生严重的泄漏，降低系统的信噪比，增大系统的误码率，对解调性能产生严重影响，需采取有效措施进行抑制。

1.3 相位噪声对高阶QAM的影响

对于QAM调制的单载波通信系统，相位噪声会引起星座点的旋转和模糊，如图1（a）所示。越靠近星座图中心的星座点，旋转的角度越小，越靠近星座图边缘的星座点，旋转的角度越大。

随着调制阶数的增高，星载点可旋转的角度变小，对相位噪声也越来越敏感，相位噪声成为影响系统性能的重要因素，需要加以抑制。

2 SC_FDE中的相位噪声抑制

SC_FDE系统常采用插入UW（Unique Word）的帧结构，UW一方面可以克服因多径带来的符号间干扰，另一面由于UW是接收端的已知信息，可辅助完成相位偏移量的估计与校正。

SC_FDE系统中的相位噪声抑制可分为两个阶段，首先用UW得到相位偏移量的估计，并对DataBlock中的数据符号进行校正；再利用判决反馈机制，分别对各个DataBlock中的后续符号做进一步的相噪估计和补偿。算法示意图如图2所示。

2.1 利用UW跟踪校正相位偏移

利用本地UW与接收UW的互相关值估计本FFT块的相位偏移量，然后用相位旋转校正相位偏移，实现起来较为简单。但是在每个FFT块内，靠近UW的前半个DataBlock符号相位偏转较小，远离UW的地方相位偏转较大，如图1（b）所示。这是因为靠近UW的符号估计值的可信度较高，可以补偿相位噪声带来的影响，远离UW的地方由于相位噪声的特性已经发生了变化，估计值可信度较低，需做进一步的处理。

2.2 用判决反馈方法抑制相噪

判决反馈算法抑制相噪效果较好，但是直接采用判决反馈值作为相位噪声的估计值，出现判决错误后会将错误传递给下一个预测符号，这种差错传播现象会严重地影响到高阶QAM的性能。结合SC_FDE系统的特点，由于首个符号离UW较近，可认为用UW校正相位偏移时已消除首个符号的相噪，只需对DataBlock中的后续数据做进一步处理即可。后续数据符号序列较短，符号间判决反馈差错传播的概率较小。

通用判决反馈算法中需预先通过训练符号估计得到相位噪声的自相关矩阵R和互相关向量p，考虑到获取R和p的复杂度和系统处理的实时性问题，判决反馈方法可简化为只采用前一个符号的相位噪声估计值。图3为简化后的判决反馈算法框图。其中，、为前一个接收的的符号（复坐标）和对应的相位角度值，为前一个相位校正后的符号，经过判决后为（64个星座点中的一个），对应的相位值为；与的差值即为前一个符号的相位偏离值，换算至复坐标后为，将其取反可作为本符号的相位补偿值，经过补偿（相位旋转）后可得经过校正后的符号，用于本符号判决和下一个符号的相位校正。

3 仿真验证

为验证SC_FDE中相位噪声抑制算法的有效性，利用MATLAB进行相应的仿真。SC_FDE系统采用64QAM调制，其中每个FFT块包含16个已知符号组成的UW序列和48个64QAM符号组成的DataBlock，符号速率为10Msps，相位噪声由相互独立同分布的高斯随机变量通过3dB带宽为100kHz的单极点巴特沃斯滤波器产生[3]，均方差为2°，误码率曲线如图4所示。可以看出，若不采用任何相位纠正的相关措施，误码率随信噪比的增加下降缓慢，使用UW进行相位跟踪校正可以使误码率在信噪比增加时显著下降，进一步使用判决反馈的方法进行纠正，可使误码率在10-5时，信噪比优化1dB左右。

4 结语

本设计结合SC_FDE与高阶QAM的特点，先利用UW进行相位噪声的粗略估计和补偿，再用判决反馈机制对相位噪声做进一步的估计和补偿。通过仿真表明，该方法可以有效提高系统的相位噪声抑制能力。同时，该方法简单易用，实际FPGA实现时并不会显著增加系统资源，简化后的判决反馈算法也不会带来较大的处理时延，满足信号解调处理的实时性。

参考文献

[1]党薇，朱婷鸽.SC-FDE技术在未来无线通信中的应用[J].西安邮电学院学报，2007，12（5）：21-29.

[2]柴菁，张文军，管云峰.相位噪声对QAM系统的影响及消除方法分析[J].电视技术，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