一種基于正交極化傳輸?shù)膐fdm系統(tǒng)相位噪聲消除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明設(shè)計(jì)了OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端，將傳統(tǒng)調(diào)制后信號(hào)分為兩路，其中一路做共軛，并由天線賦予兩路信號(hào)正交的極化狀態(tài)后，通過正交極化天線發(fā)射；在接收端通過正交極化天線接收信號(hào)，并將共軛信號(hào)再次共軛后，令兩路信號(hào)相同且相位噪聲共軛，兩路信號(hào)進(jìn)行相加，進(jìn)而消除相位噪聲的虛部，可使乘性干擾的相位噪聲項(xiàng)近似為1，消除相位噪聲對(duì)接收信號(hào)的影響，獲得期望信號(hào)，最后通過相應(yīng)的傳統(tǒng)解調(diào)方法即可解調(diào)出發(fā)射數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明解決了自消除方案的頻譜效率低、重新設(shè)計(jì)低相位噪聲本地振蕩器所帶來的高投入、終端成本價(jià)格增加的問題。
【專利說明】一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及正交極化傳輸技術(shù)和OFDM系統(tǒng)中的相 位噪聲。具體地說，是指一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線寬帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，正交頻分復(fù)用（orthogonalfrequencydivision multiplexing，OFDM)技術(shù)作為一種高效的多載波技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其具有高頻譜利用 率，對(duì)碼間干擾（inter-symbolinterference，ISI)有較好的抑制性能，對(duì)多載波造成的多 徑效應(yīng)有較好的魯棒性。但OFDM系統(tǒng)中本地振蕩器由于受到噪聲和擾動(dòng)導(dǎo)致輸出不理想， 會(huì)產(chǎn)生相位噪聲（phasenoise,PHN)，造成OFDM系統(tǒng)接收信號(hào)子載波星座發(fā)生公共相位誤 差（commonphaseerror，CPE)和子載波間干擾（inter-channelinterference，ICI)，導(dǎo) 致誤比特率（biterrorratio,BER)的上升。
[0003] 現(xiàn)有解決CPE對(duì)接收信號(hào)影響的技術(shù)主要有：本地振蕩器（localoscillator， L0)硬件設(shè)計(jì)、基于導(dǎo)頻估計(jì)補(bǔ)償法、自消除法、面向判決補(bǔ)償法等。這些抑制CPE的方法 中各自有不足之處，如L0硬件設(shè)計(jì)需要更多的資金支持，會(huì)使設(shè)備變的更加昂貴；基于導(dǎo) 頻估計(jì)補(bǔ)償法，需要對(duì)導(dǎo)頻額外設(shè)計(jì)，并在接收端需要額外的開銷對(duì)導(dǎo)頻中攜帶的信息進(jìn) 行提取和處理，時(shí)延較大，在高速通信中實(shí)用性差；面向判決補(bǔ)償法依賴于碼元間的相關(guān) 性，對(duì)判決誤差較敏感，如碼元間變化較大時(shí)，會(huì)造成很大誤差，且復(fù)雜度較高；自消除法的 頻譜只有采用傳統(tǒng)調(diào)制的OFDM系統(tǒng)的一半，存在頻譜效率極低的問題。因此，目前現(xiàn)有的 OFDM系統(tǒng)中PHN抑制消除的技術(shù)普遍存在消耗大，復(fù)雜度高等問題，在實(shí)際應(yīng)用中存在明 顯缺陷，不具有普遍適用性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了降低相位噪聲對(duì)接收信號(hào)BER的影響，本發(fā)明提供了一種采用正交極化信號(hào) 傳輸技術(shù)的相位噪聲消除方法，應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中。
[0005] 隨著無線通信系統(tǒng)中雙極化天線的普遍應(yīng)用，使用極化調(diào)制來傳輸無線信號(hào)也變 得可能。但目前傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)都是使用載波的幅度、相位或頻率來承載調(diào)制信號(hào)的信息，而 同樣能反映信號(hào)本質(zhì)屬性的矢量信息一一極化信息卻未被利用，這造成了對(duì)信號(hào)固有信息 利用的重大損失。本發(fā)明利用信號(hào)的極化域，在發(fā)射端采用兩條支路傳輸相互共軛的支路 信號(hào)數(shù)據(jù)，并通過正交雙極化天線賦予兩條支路信號(hào)數(shù)據(jù)正交的極化狀態(tài)，令兩條支路信 號(hào)數(shù)據(jù)可在同一子載波信道中傳輸，獲得相同的子信道信息。在接收端采用極化天線接收 極化信息后，對(duì)共軛信號(hào)再次共軛，令兩條支路信號(hào)數(shù)據(jù)受到的相位噪聲共軛，再將兩條支 路信號(hào)數(shù)據(jù)線性相加，消除相位噪聲虛部。由于相位噪聲很小且為乘性干擾，在共軛相加 后，對(duì)接收信號(hào)的乘性干擾部分近似為1，即可大幅降低甚至消除相位噪聲對(duì)接收信號(hào)的影 響。本發(fā)明無需獲取相位噪聲的先驗(yàn)信息，不用復(fù)雜的預(yù)估算法，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于利用兩路 正交極化信號(hào)在同一信道傳輸，采用本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)調(diào)制OFDM系統(tǒng)的頻譜 效率相同，且兩條支路信號(hào)數(shù)據(jù)受其他子載波影響相同，對(duì)于ICI項(xiàng)的消除更為徹底，降低 了系統(tǒng)的BER。
[0006] 本發(fā)明提供的所述的基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法，設(shè)計(jì)了 OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端，通過傳統(tǒng)調(diào)制如正交幅度調(diào)制（quadratureamplitudemodulation， QAM)攜帶發(fā)射數(shù)據(jù)信息，將傳統(tǒng)調(diào)制后信號(hào)分為兩路，其中一路做共軛，并由天線賦予兩路 信號(hào)正交的極化狀態(tài)后，通過正交極化天線發(fā)射；在接收端通過正交極化天線接收信號(hào)，并 將共軛信號(hào)再次共軛后，令兩路信號(hào)相同且相位噪聲共軛，兩路信號(hào)進(jìn)行相加，進(jìn)而消除相 位噪聲的虛部，可使乘性干擾的相位噪聲項(xiàng)近似為1，消除相位噪聲對(duì)接收信號(hào)的影響，獲 得期望信號(hào)，最后通過相應(yīng)的傳統(tǒng)解調(diào)方法即可解調(diào)出發(fā)射數(shù)據(jù)信息。
[0007] 本發(fā)明的有益效果有：
[0008] (1)利用傳輸正交極化信號(hào)，使用一個(gè)子信道中可傳輸正交的兩路信號(hào)，解決了自 消除方案的頻譜效率低的問題；
[0009] (2)利用正交極化信號(hào)在一個(gè)子信道中傳輸，可令接收端兩路信號(hào)的ICI項(xiàng)相同， 在線性相加時(shí)可完全消除ICI對(duì)期望信號(hào)的干擾。
[0010] (3)利用兩路信號(hào)傳輸同一數(shù)據(jù)信息，可降低OFDM已調(diào)信號(hào)在同一數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn) 大功率信號(hào)的概率，降低OFDM系統(tǒng)的峰均比（peak-to-averagepowerratio,PAPR)。
[0011] (4)利用硬件實(shí)現(xiàn)極化調(diào)制和差分極化解調(diào)，解決了現(xiàn)有CPE補(bǔ)償算法的復(fù)雜度 高，時(shí)延大的問題；
[0012] (5)充分利用現(xiàn)有無線通信中普遍使用的雙極化天線，僅對(duì)現(xiàn)有OFDM系統(tǒng)進(jìn)行小 改動(dòng)，能消除相位噪聲帶來的CPE和ICI項(xiàng)的影響，解決了重新設(shè)計(jì)低相位噪聲本地振蕩器 所帶來的高投入、終端成本價(jià)格增加的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1 :本發(fā)明使用基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)圖；
[0014] 圖2 :本發(fā)明采用正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)在有無相位噪聲條件下BER性能對(duì)比 圖（坐標(biāo)圖）；
[0015] 圖3 :本發(fā)明與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)存在相位噪聲和無相位噪聲條件下采用16QAM調(diào)制 時(shí)BER性能對(duì)比圖（坐標(biāo)圖）；
[0016] 圖4 :本發(fā)明與共軛自消除技術(shù)在OFDM系統(tǒng)存在相位噪聲和無相位噪聲條件下采 用16QAM調(diào)制時(shí)BER性能對(duì)比圖（坐標(biāo)圖）。
[0017] 圖5 :本發(fā)明與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)在不同子載波數(shù)條件下PAPR性能對(duì)比圖（坐標(biāo)圖）。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019] 本發(fā)明提供一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法，結(jié)合圖1，
[0020] 在發(fā)射端，信息比特首先根據(jù)調(diào)制方案映射為星座字符，假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)塊有N個(gè) 串行字符u' [k]，k= 0，l，...，N-l。將相同信號(hào)（即數(shù)據(jù)塊中的字符數(shù)據(jù)）送入上下兩 個(gè)支路（稱為x支路和y支路），記為ux[k]和uy[k]，ux[k] =uy[k] =u' [k]，并對(duì)其中 一路信號(hào)進(jìn)行共軛處理（文中以y支路為例）后，將上下兩個(gè)支路的信號(hào)合并寫為u[k]，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法，其特征在于： 在發(fā)射端，信息比特首先根據(jù)調(diào)制方案映射為星座字符，假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)塊有N個(gè)串行 字符V [k]，k = 0, 1，...，N-I，將相同信號(hào)送入上下兩個(gè)支路，稱為X支路和y支路，記為 ux[k] *Uy[k]，ux[k] = uy[k] = u' [k]，并對(duì)其中一路信號(hào)進(jìn)行共軛處理后，將上下兩個(gè) 支路的信號(hào)合并寫為u [k]，
其中，<[幻為共軛信號(hào)，[· ]τ為轉(zhuǎn)置矩陣；兩支路信號(hào)分別經(jīng)過一個(gè)OFDM調(diào)制器后， 得到 OFDM 調(diào)制信號(hào)研〃]=，
OFDM調(diào)制信號(hào)再經(jīng)插入導(dǎo)頻、循環(huán)前綴和上變頻處理后，轉(zhuǎn)換為模擬連續(xù)信號(hào)通過前 端的一對(duì)共放置的正交雙極化天線發(fā)射，雙極化天線的極化狀態(tài)分別為X和y ; 假設(shè)t時(shí)刻的模擬連續(xù)信號(hào)為u(t)，信道的沖激響應(yīng)矩陣為h(t) = [hx(t) hy(t)]，其 中hx(t) *hy(t)分別為兩路極化狀態(tài)為x和y的信號(hào)受到的信道沖激響應(yīng)，在接收端受信 道影響的接收模擬域信號(hào)為： -CO
其中，r(t)為t時(shí)刻的接收模擬域信號(hào)，Φ (t)為接收端相位噪聲，ew(t)為相位噪聲 輸出等效表示，h(t)為信道沖激響應(yīng)矩陣，w (t)為高斯白噪聲，*為卷積運(yùn)算，τ為積分變 量； 在接收端，接收模擬域信號(hào)r (t)由一對(duì)共放置的正交雙極化天線接收，正交雙極化天 線的極化狀態(tài)分別為X和y，兩種極化狀態(tài)的信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收端，由同一LO在同一時(shí)刻接 收，故受到的相位噪聲相同；設(shè)字符持續(xù)時(shí)間為T s，〃(/)以Ts做采樣，在去循環(huán)前綴后，得到 N個(gè)子載波攜帶字符組成的字符塊R[n]，其中每個(gè)字符與調(diào)制信號(hào)U[n]，的關(guān)系為：
式中?為圓周卷積，η = 0, 1，...，N-1，接收信號(hào)字符塊R[n]經(jīng)FFT變換后信號(hào)變?yōu)轭l 域表示r[k]，k = 0, 1，. . .，N-1 ;由傅里葉變換性質(zhì)可知，時(shí)域的卷積在頻域?yàn)槌朔e，而時(shí)域 的乘積在頻域?yàn)榫矸e，因此式（4)變?yōu)椋?br> 式中為傅里葉變換，i = X 〇r y，Wi[k]為極化狀態(tài)i時(shí)第k個(gè)子載波上的高斯白 噪聲，Ui[k]和氏[?分別為極化狀態(tài)為i時(shí)第k個(gè)子載波的信號(hào)的頻域表達(dá)形式和信道頻 域沖激響應(yīng)，1 = 〇，1，·*·，Ν-1 ; 令相位噪聲的頻域表達(dá)形式a[k]為，
則式（5)寫為：
將y支路共軛后，兩支路相加，
r[k]為經(jīng)過解調(diào)判決后得到接收信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法，其特 征在于：頻譜利用率nPMP為，
其中，ldata、為有效數(shù)據(jù)長度、CP長度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于正交極化傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)相位噪聲消除方法，其特 征在于：所述的正交雙極化天線選用水平/垂直極化天線、正負(fù)45°極化天線或左旋/右 旋圓極化天線。
【文檔編號(hào)】H04L27/26GK104519006SQ201410828035
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】馮春燕, 聶堯, 劉芳芳, 郭彩麗 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)