《电子技术应用》

基于频偏和IQ不平衡估计的上行导频设计

2018年电子技术应用第9期
张伽俐,施苑英,王选宏
(西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安710121)
摘要: 针对OFDM系统中IQ不平衡与载波频偏导致误码率急剧增加的问题,提出一种与上行LTE的DMRS信号兼容的导频信号设计。该导频信号可以替换DMRS信号进行信道矩阵估计,并且能够实现频偏估计和IQ不平衡参数估计,在不增加导频开销和系统复杂度的情况下提升了系统对IQ不平衡与载波频偏的容忍度。仿真结果表明,该导频信号不仅可以准确地估计出频率偏移和IQ不平衡参数,而且可以取得良好的频域均衡效果。
中图分类号: TN911.3
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180004
中文引用格式: 张伽俐,施苑英,王选宏. 基于频偏和IQ不平衡估计的上行导频设计[J].电子技术应用,2018,44(9):108-111.
英文引用格式: Zhang Jiali,Shi Yuanyin,Wang Xuanhong. Uplink pilot design based on frequency offset and IQ unbalance estimation[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):108-111.

Uplink pilot design based on frequency offset and IQ unbalance estimation

Zhang Jiali,Shi Yuanyin,Wang Xuanhong
(School of Communication and Information Engineering,Xi′an University of Posts and Telecommunications,Xi′an 710121,China)
Abstract: In order to solve the problem that the IQ imbalance and carrier frequency offset cause a sharp increase of BER in OFDM system, a pilot signal design compatible with DMRS signal of uplink LTE is proposed. The pilot signal can replace the DMRS signal for channel matrix estimation, and also can realize frequency offset estimation and IQ unbalance parameter estimation,which improves the tolerance of the system to IQ imbalance and carrier frequency offset without increasing pilot overhead and system complexity. The simulation results show that the pilot signal can not only accurately estimate the frequency offset and IQ unbalanced parameters, but also achieve a good frequency domain equalization effect.

0 引言

    正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术能够有效地抑制和消除信道多径时延引起的频率选择性衰落,具有较高的频谱利用率和调制解调实现简单等优点,广泛地应用在高速数据传输场合。由于受到载波正交性的严格要求,OFDM容易受到频偏、相位噪声、同相相位和正交相位(In-phase and Quadrature-phase,IQ)不平衡的影响[1-3]。非理想的混频器和上下变频器会使得IQ支路信号幅度和相位出现偏差,是IQ不平衡产生的主要原因[4-5]。IQ不平衡会在子载波间产生严重的镜像干扰,破坏子载波间的正交性,造成OFDM系统的误码性能下降。现有的高速传输系统都采用高阶载波和高阶调制方式,高阶载波和高阶调制方式使得通信系统对IQ不平衡的影响更为敏感[6-7]。多普勒频移和晶振的线性偏移会造成载波偏移(Carrier Frequency Offset,CFO),导致符号间干扰的产生,各个子载波间将失去正交性,严重影响系统的正交性。IQ不平衡和频率偏移问题是保证OFDM系统正常工作的重要前提,值得进行深入的分析和研究。

    现有的文献鲜有对LTE系统中IQ不平衡补偿的研究。并且多数的IQ不平衡补偿算法仅仅研究发射IQ不平衡对系统的影响,极少考虑接收端不平衡参数的估计和补偿[8],仅有少数的文献将IQ不平衡和载波频偏估计综合考虑[9-13]。文献[9]综合考虑了发射端IQ不平衡和CFO的影响,但是没有对接收端的IQ不平衡进行讨论和分析,而且采用频域相关估计的CFO方法,估计结果不精确,存在较大的误差。文献[13]采用PN序列自相关的方法求取载波频偏,PN序列的自相关特性没有Zadoff-Chu(ZC)序列好,易受到频偏和噪声的干扰。本文综合考虑了发射端和接收端IQ不平衡、CFO参数对系统性能的影响,设计了一种LTE上行导频参考信号。该参考信号由ZC序列构成,利用该参考信号可以准确地估计IQ不平衡参数、CFO参数,并且可以进行信道矩阵估计。该导频信号能够有效地替换解调参考信号(Demodulation Reference Signal,DMRS),完成上行传输过程。

1 频域模型

    假定发射端OFDM信号在频域表示为X,经过信道传输,受到频偏和IQ不平衡、CFO影响后,接收的频域OFDM信号为Y。在接收端去除掉循环前缀后,其频域模型可以表述为[9-10]

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    假设该序列以N为周期,则N是子载波数目。 

2 导频结构设计

    导频结构设计如图1所示。

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    本文设计的导频结构和LTE上行的DMRS导频结构兼容,放置在LTE时隙结构的符号4和符号11的有效子载波位置上。由于ZC序列具有良好的自相关性和恒幅特性,本文和DMRS信号一样也采用ZC序列。ZC序列的生成公式为:

    tx3-gs7.gif

    S序列为P序列和P序列的共轭序列的顺序组合,可以表示为:

tx3-gs8-9.gif

3 频偏、IQ不平衡和信道联合估计

    根据傅里叶变换性质可知,频域的循环移位可以表述为时域的相位偏移。本文设计的2个序列在频域存在循环移位关系,因此可以在时域进行相位补偿。经过相位补偿后,可以认为两个序列近似相等,从而进行时域频偏估计。此时假设收到的两组导频信号分别为Y1和Y2,则有:

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4 仿真与分析

    本文使用20 MHz的LTE上行PUSCH信道仿真链路,用设计的参考信号替换DMRS参考信号进行仿真。采用16QAM的调制方式,在发射端和接收端设置相同的IQ不平衡参数。

    仿真对比了IQ不平衡参数补偿前后的星座图,如图2和图3所示。从补偿前的星座图可以看出,IQ参数的不平衡,导致了星座图的旋转和模糊,容易发生符号数据的误判。通过IQ不平衡参数的补偿,星座点能够聚拢,具有明显的区分界限,确保了解调的正确性。

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    设置不同的IQ不平衡参数,幅度不平衡参数为0.1和0.2,角度不平衡参数为2.5°、5°和10°,频偏设置为300 Hz,得到的误码率曲线如图4所示。其中,tx表示仅存在发射IQ不平衡,tx&rx表示既存在发射IQ不平衡也存在接收IQ不平衡。从仿真结果可以看出,随着角度的增大,误码率特性曲线越差。接收和发送都存在IQ不平衡的误码率曲线要比仅存在发射不平衡的误码率曲线差。当偏转角度为5°和10°的发射IQ不平衡条件下,曲线能够收敛,解调门限分别为25 dB和30 dB。当偏转角度比较小的情况下,误码率均可以达到10-5,取得了良好的补偿效果。

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    在300 Hz的CFO影响下,估计了不同SNR下的IQ不平衡参数的均方误差曲线,如图5所示。从图中可以看出随着信噪比的提升,误差会逐渐减小,均方误差最小可达0.05。值得注意的是,幅度MSE曲线在0~15 dB收敛速度较快,随后趋于平缓。相对地,角度MSE曲线的收敛速度几乎恒定,随SNR的逐渐增大,均方误差逐步减小。

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    设置IQ不平衡参数为(0.1,5°),对不同CFO情况下的平均频率偏差进行统计,结果如表1所示。从表1中可以看出,频偏估计精确度高,最大估计误差不超过0.5 Hz,取得了良好的估计效果。

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5 结论

    本文使用较少的导频开销,合理利用导频的特殊结构和性质,估计了OFDM系统中的CFO、收发IQ不平衡以及信道矩阵等多项参数。从仿真结果可以看出,该导频结构可以准确估计出相关参数,确保了OFDM信号载波间的正交性。此外,该导频与现有的DMRS导频兼容,可以方便地使用到LTE上行传输过程中。

参考文献

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[10] LIN K M,DENG J H,FENG K T.Time-frequency multiplex estimator and low complexity equalizer design for multi-carrier systems with TX/RX IQ imbalance,CFO and multipath fading channels[C].Vehicular Technology Conference.IEEE,2016:1-5.

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[13] WANG F,GU F,WANG S.Carrier frequency offset estimation based on ESPRIT for OFDM direct conversion receivers[C].IEEE International Conference on Computer and Communications.IEEE,2017:1580-1584.



作者信息:

张伽俐,施苑英,王选宏

(西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安710121)

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