文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.027
中文引用格式： 王非一，辜方林，王杉. OFDM系統(tǒng)中存在IQ不平衡時的時域頻偏估計算法[J].電子技術應用，2016，42(11)：102-105.
英文引用格式： Wang Feiyi，Gu Fanglin，Wang Shan. Time domain carrier frequency offset estimation in the presence of IQ imbalance for OFDM systems[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：102-105.
0 引言
正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術因其具有無線較高的頻譜利用率，并能有效地對抗多徑衰落等優(yōu)勢，已成為寬帶通信系統(tǒng)中關鍵的技術之一[1]。另一方面，隨著通信技術的發(fā)展，對移動終端的小型化、低功耗、低成本等方面提出了更高的要求，直接變頻接收機因這些方面的優(yōu)勢而成為移動終端的主流發(fā)展趨勢，現(xiàn)已廣泛應用于OFDM系統(tǒng)的射頻前端[2]。盡管OFDM技術在高速傳輸方面具有明顯優(yōu)勢，但其優(yōu)越的性能都是以子載波間嚴格的正交為前提的，而載波頻偏（Carrier Frequency Offset，CFO）和射頻模擬前端的非理想特性，比如IQ不平衡，均會破壞OFDM子載波間的正交性，從而影響系統(tǒng)性能。其中CFO主要是由于收發(fā)設備晶振的頻率偏差和多普勒頻移產(chǎn)生的。IQ不平衡則是由于在直接變頻接收發(fā)信機中，上下變頻受到模擬器件性能的局限性，使得信號在I路和Q路產(chǎn)生幅度和相位的不匹配。
本文重點考慮在數(shù)字域?qū)FDM系統(tǒng)中的CFO進行估計和補償。存在IQ不平衡時的CFO估計算法可分為時域和頻域兩大類。文獻[3-4]提供了兩種頻域CFO估計算法。文獻[3]的算法對CFO的估計范圍比較小，且估計精度不高。文獻[4]則是在頻域上先估計IQ不平衡再估計CFO，CFO估計范圍在（-0.5，0.5）。時域估計算法相較頻域估計算法復雜度一般更低，文獻[5-6]均利用訓練序列的三段重復結(jié)構(gòu)，得到在IQ不平衡影響情況下能夠獨立估計CFO的算法，且算法復雜度不高，獲得了比較好的性能，但訓練序列過長，降低了數(shù)據(jù)的有效傳輸速率。
針對上述問題，本文提出了一種存在IQ不平衡情況下能夠獨立估計CFO的算法，該算法表現(xiàn)出來很好的估計性能。
1 頻偏和IQ不平衡模型
通過化簡合并，可以將接收信號表示為：
2 頻偏估計算法
2.1 訓練序列的設計
本文所采用的訓練序列占用一個OFDM符號長度，為兩段重復的PN序列p(n)，每段長為NFFT/2，采用QPSK星座映射，具有良好的自相關性，即滿足下式：
2.2 頻偏的估計
2.2.1 QAM信號的正則性
根據(jù)文獻[8]，對于復隨機變量x=xr+jxi，其期望E(x)定義為：
同樣，為了表示復信號的二階統(tǒng)計特性，定義協(xié)方差（covariance）為：
此外，復信號x和其共軛x*的協(xié)方差定義為復信號的偽方差（pseudo-variance），具體為：
2.2.2 頻偏估計
根據(jù)式（5），可以將式（10）進一步簡化為：
至此，由式（13）得到CFO的估計值為：
為了解決這一問題，文獻[5]中又對該算法加以改進，具體做法就是在發(fā)送端對3段重復序列人為加入相位偏移，得到改進后的算法如下式：
在下一節(jié)中，會通過仿真實驗，對這幾種算法與本算法進行性能的比較和分析。
3 仿真結(jié)果分析
本節(jié)利用蒙特卡洛仿真，對比算法的性能。主要參數(shù)設置為調(diào)制方式采用QPSK，F(xiàn)FT點數(shù)為1 024，1/4的CP，信道模型為ITU-VA，移動速度為60 km/h。
3.1 CFO估計范圍對比
首先，對比不同算法的頻偏估計范圍。圖3給出了信噪比為20 dB，IQ不平衡的幅度和相位不平衡因子分別為ε=0.05和θ＝5°的情況下，不同CFO估計算法的估計均值和真實值的對比曲線。從圖3中能夠看出，文獻[5]的算法1和文獻[6]的算法存在相位模糊問題。此外，文獻[6]中的算法無法對小頻偏（絕對值小于0.1的頻偏）進行有效估計，該算法的估計值和真實值在頻偏附近出現(xiàn)了很大的偏差。另一方面，文獻[5]的算法2盡管克服了相位模糊，但估計范圍卻只能在(-0.5，0.5)，而本文的頻偏估計算法則用更少的數(shù)據(jù)得到了更大的頻偏估計范圍，估計范圍則是在(-1，1)，明顯優(yōu)于文獻[5-6]中的3種算法。
3.2 算法性能分析
圖4顯示了本文CFO估計算法對IQ不平衡的魯棒性，頻偏ξ設為0.3。通過對比發(fā)現(xiàn)，在信噪比低于20 dB時，4條仿真曲線幾乎重合在一起，這說明在較低信噪比下，IQ不平衡的影響對本文所提出的CFO估計算法性能沒有明顯影響。在高信噪比下，幅度不平衡對CFO估計算法的影響明顯大于相位不平衡，且本文所提CFO估計算法的估計精度都已經(jīng)很高，均達到了10-6數(shù)量級甚至10-7的數(shù)量級。
圖5是在IQ不平衡的幅度和相位不平衡因子分別為ε=0.05和θ＝5°時，4種算法在不同信噪比下的頻偏估計性能曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，本文所提算法的估計性能在綜合考慮訓練序列的長度和結(jié)構(gòu)復雜程度、頻偏的估計范圍后，相對于現(xiàn)有算法具有明顯的優(yōu)勢。
4 結(jié)論
本文研究了在OFDM系統(tǒng)中，接收端存在IQ不平衡時的CFO估計問題，提出了一種能夠獨立于IQ不平衡的CFO估計算法。該算法利用接收信號與本地訓練序列的互相關性來進行CFO估計，其中訓練序列采用具有正則特性的QAM調(diào)制的PN序列。充分利用PN序列的自相關性和QAM信號的正則特性，從而使該算法的CFO估計不受IQ不平衡的影響。仿真結(jié)果表明，本文所提算法的CFO估計精度在不同程度的IQ不平衡下沒有明顯改變。此外，與現(xiàn)有能夠存在IQ不平衡的CFO估計算法相比，本算法也具有更好的性能。
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