无线通信中相位噪声研究概述与进展

吴 欢，刘仁金，聂 尧

(1.皖西学院 信息工程学院,安徽 六安 237012；2.北京邮电大学 网络体系构建与融合北京市重点实验室，北京100876)

无线通信中相位噪声研究概述与进展

吴 欢1，2，刘仁金1，聂 尧1，2

(1.皖西学院 信息工程学院,安徽 六安 237012；2.北京邮电大学 网络体系构建与融合北京市重点实验室，北京100876)

相位噪声（Phase Noise,PHN）在高频高速无线通信中对通信系统造成干扰的一种主要的噪声，尤其对OFDM系统造成很严重的影响。该文论述无线通信中相位噪声，简要介绍概念、定义，产生原因和对无线通信系统造成的危害，接着重点分析当前出现的多种相位噪声消除和补偿技术及进展，最后讨论了发展趋势。

无线通信；OFDM；相位噪声

为了满足个人通信多媒体、高速率以及随时随地接入的要求，高速无线通信是当前通信中发展的一个主要的方向，其目的是为了在有限的可用带宽中传输更高速率以满足各种多媒体数据业务对日益增长的数据吞吐量的需求。随着载波频率的提升，通信系统对相位噪声（PHN，Phase Noise）的干扰也更为敏感，原来在低频载波可不考虑的PHN影响，在高频载波处则变成了一个迫切需要解决的问题。同时，为了提升频谱利用率，增加传输速率，在下一代无线通信系统中 （WLAN和4G），OFDM作为一种信道复用方式也已成为物理层的标准。随着OFDM的广泛应用，无线通信很好的解决了高速传输的问题，同时避免了传统无线通信中的码间干扰（InterSymbol Interference，ISI），但其随之也带来一些问题，如高峰均比、以及对相位噪声的高度敏感。因此，在未来高速无线通信发展中，相位噪声已经成为了不可忽略的影响[1]，该文主要就是总结近年来对无线通信中的相位噪声研究。

1 相位噪声概述

相位噪声主要由三个主要来源：一个来自产生信号的信号源[2-3]，信号源中的本地振荡器（Local Oscillator，LO），由于实际使用的振荡器特性不理想，产生的信号会有频率（或相位）的短期随机起伏，这会引起接收端检测数字调制信号时的不确定性，其次是由于无线传输过程中信道特性的不理想，造成无线信号在传输的过程中出现了相位的改变；还有一个来源在接收端，由于接收端的本地振荡器LO在实际中无法做到与发射端振荡器LO严格同频同相，因此会产生频偏（CFO）和相位偏移，对信号造成干扰。

1.1 相位噪声的定义[4]

式中 A0为幅度，f0为信号频率，如图1，图 2，其中图1为PHN的时域表示，图2为频域表示。

图1 理想LO产生的单频信号（时域）

图2 理想LO产生的单频信号（频域）

一般实际的LO在产生信号时，由于自身特性的不理想，会引入相位的随机抖动，

式中E(t)和Φ(t)分别是由于LO不理想造成的幅度和相位的随机抖动，如图3、图4。

图3 实际LO产生信号（时域）

图4 实际LO产生信号（频域）

从图3中可以看出相位的抖动已经造成了信号的失真（注：此图中同时包含了幅度抖动，由于本文研究的重点为相位噪声，故其对信号的影响可忽略不计），从图4可以看出，由于相位抖动即相位噪声的存在，会造成频谱的展宽，已经类似与带有边带的载波频谱。

下面给出相位噪声的定义[4]：相位噪声来自信号频率特定的偏离fm处，一个相位调制边带的单位带宽（1Hz）功率与总信号功率之比，表示为L(fm)，它通常用每Hz带宽内的噪声功率相对于载波功率的分贝数表示（dB/Hz）。

上式给出了单边带相位噪声数学表达，其中Pn为相位噪声在1Hz带宽内的功率，Pc为载波功率。图5给出了相位噪声的典型功率谱密度图。

图5 相位噪声功率谱密度（PSD）

1.2 相位噪声的影响

相位噪声的研究在很长一段时间并没有引起太大的注意，主要的原因是在现阶段通信使用的载波频率主要集中在较低频段，如 3G主要集中在2GHz，WiFi主要在2.4GHz和5.8GHz，在这些频段频率偏移对接收端的接收的影响比相位噪声要大得多，几乎可以对相位噪声造成的衰落忽略不计。近几年学术界开始关注于相位噪声的研究，主要是是因为OFDM的广泛应用和对高频载波的迫切需求。

OFDM作为下一代无线通信的主流技术，在很多通信标准中得到了应用，其主要的特点就是能提高信道的利用率，节省有限的频谱资源，对窄带干扰和多径衰落有很强的鲁棒性。OFDM虽然有很多优点，但同时也不能忽视其不足，其中一个研究的重点就是OFDM对相位噪声的高度敏感性。OFDM是多载波正交信道系统，拥有多个正交的子载波，而且输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，更容易受到相位噪声的影响[5]，主要可以分成两部分：CPE（common phase error）和ICI（intercarrier interference）[6]，其中CPE是作用在所有子载波上的相位误差，会造成所有子载波星座图产生相同的相位旋转，而ICI会造成OFDM各子信道的正交性遭到破坏，降低系统的SINR，会严重影响OFDM系统中的性能，因此说相位噪声对使用OFDM技术的无线通信系统来说产生了不可忽略的影响。除了OFDM技术外，无线通信系统的一个发展方向是使用 E-Baud作为 WPAN（Wireless Personal Area Network，无线个域网）的工作频段，其主要特点是使用了高频波 （60-80GHz）作为载波，随着载波的频率的增高，其对相位噪声的敏感程度也在增加。

2 相位噪声研究现状

目前，对相位噪声的研究比较热门，很多学者从不同的方面对相位噪声进行了深入细致的研究，包括相位噪声的数学建模、相位噪声的去除、相位噪声影响的补偿等，在这一系列领域获得的较为丰硕的成果。本文主要从当前相位噪声研究的两个主要方向对其研究现状做阐述和总结：

2.1 硬件设计

发射端和接收端硬件特别是LO的特性不理想是造成相位噪声的最主要原因，因此目前很多对相位噪声的研究集中在本地振荡器上，主要是设计低相位噪声的电路，即对CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 的 VCO （Voltagecontrolled oscillator，压控振荡器）改进从而获得低相位噪声本振，以使产生信号的PHN在容许范围内。

很多文献对LC振荡回路 （LC tank circuit）进行品质因素（quality factor）也就是Q值进行改变，文献[7]中增加Q值,较好的降低了PHN，但同时会带来VCO带宽变窄，因此要在PHN和LO的带宽做出平衡。gm-boosting[8]也是一种较常用的降低LC中PHN的方法，并可增加输出信号的功率，但需要额外的部件来实现，增加了投入和CMOS体积，不利于今后扩展。可调谐LC振荡回路[9]（Harmonic tuned LC tank）通过使用额外的滤波器来抑制二次谐波，也可很好的降低由偏置电路产生的PHN，但也存在电路复杂度和电路大小增加的问题，会导致模块体积变大和花费的增多。宽带VCO中，开关电容和开关电感阵列有着广泛的应用，使用阵列上述电路可以降低Q值进而降低PHN的影响，同时能有效的降低功率消耗和增加LO带宽，是目前应用较多的方法[10-11]。

通过硬件设计的主要优点是不会造成额外的处理时延，这对于高速无线通信来说是非常重要的一点，但主要的缺点是需要额外的器件，更大尺寸的电路，更多的功率消耗，更多资金的花费，这些都会增加发送端和接收端设备的复杂程度，造成通信的投入开销增加，在现实中往往是不能接受的。

2.2 相位噪声补偿算法

相位噪声补偿算法主要是通过估计非理想本振和传播过程中造成的相位噪声，设计出可行的算法来补偿相位噪声（PHN Compensation）的影响。

2.2.1 单载波系统 在单载波系统（SISO）中，虽然有锁相环（PPL），但PPL也不可能是理想器件，无法将相位噪声完全去除，未能消除的这部分相位噪声仍然会对高速无线通信高载频信号造成很大的干扰，很多研究针对这部分相位噪声开展研究。在SISO系统中使用最为成熟和广泛的的方法是Cramér-Rao lower bounds(CRLB)及算法和Kalman滤波器[12]。CRLB主要用于对相位噪声的估计，而Kalman滤波器是先对某一时刻符号的PHN进行估计，得到先验估计误差，再利用观察值对误差进行修正。

2.2.2 OFDM系统 在OFDM系统中，相位噪声对系统的所有的子载波加以乘性干扰，复杂度大大增加。

图6 存在相位噪声的OFDM系统

在OFDM系统中对PHN的补偿算法可以分成两类：一种是对CPE单独进行估计和补偿，称为CPE抑制方法；另一种是对CPE和ICE都进行补偿，称为ICI抑制方法。

（1）CPE抑制方法。由于CPE是对所有子载波造成相同的干扰，因此CPE的抑制主要使用对导频的设计在接收端进行补偿。文献[6]中通过对部分子载波携带已知相位的导频信息，在接收端通过提取导频相位与已知相位进行比较，从而得知星座图旋转程度，进而对所有子载波反向旋转，进行CPE的补偿，方法简单，性能较差。Wu在[13]中使用基于ML准则改进了文献[6]的方法,得到了CPE更为精确的估计，文献[14]中提出使用Kalman滤波器估计导频中的子载波，再对CPE进行补偿的方法。这些基于导频的CPE补偿法都利用子载波来携带导频信息，需要较多子载波，降低了频谱效率。

为了解决导频占用子载波的问题，很多学者提出了不用导频的 CPE补偿方法。嵌入式导频(Embedded Pilots)的 CPE估计方法[15]就是其中一种，该方法不需要插入导频,而是通过将导频隐含在数据子载波中来达到CPE估计的目的,提高了频谱利用率,但该方法受隐含导频功率较低的影响,估计误差较大,且降低了发送数据的有效功率。

（2）ICI抑制方法。ICI抑制方法在CPE抑制方法的基础上，对PHN引起的ICI进行估计和补偿。ICI干扰体现出的是某一信道受所有其他子信道相位噪声的影响，体现出的是一种加性干扰。已有的ICI抑制方法可分为两类,一类是基于导频的抑制方法,另一类是面向判决的抑制方法。

在基于导频的抑制方法中，GholamiM.R.较早提出了基于分散导频的ICI抑制算法[16],但由于导频附近数据子载波的卷积干扰,这种方法的性能并不十分理想。前期基于导频的ICI抑制方法仅考虑了相位噪声对OFDM系统的干扰，而没有考虑非理想信道的影响。近年来，越来越多的文献将信道和相位噪声联合考虑，更符合实际。文献[17]提出了使用两个阶段对相位噪声及信道干扰进行补偿：第一阶段使用块状导频（block-type pilot）对信道和相位噪声联合估计，得到更精确的信道响应，第二阶段为传输数据阶段，传输包含梳状导频 （comb-type pilot）的数据对传输的数据和相位噪声进行估计，并对ICI和CPE进行补偿。插入导频法需要较多的导频，降低了带宽效率。为了克服导频法降低频谱效率的问题，有学者提出了面向判决的方法，这类方法可利用所有的子载波对ICI进行估计,在提高了频谱利用率的同时具备更高的PHN抑制性能,是目前受到较多关注的ICI抑制方法。Wu在文献[7]利用判决数据给出ICI的ML估计并在频域对ICI进行补偿,但较CPE抑制方法性能改善不明显。文献[18]采用最小均方误差准则(MMSE)对ICI进行估计,性能较好,但该方法需要多个OFDM符号,复杂度较高。面向判决的ICI抑制方法对判决误差比较敏感,大都使用前一符号与当前符号进行比较估计出PHN，再进行补偿，由于OFDM信道中符号改变较快，得到结果误差较大。

相位噪声补偿算法可以减少资金的投入，但主要问题是在高速同步通信中对系统的时延要求较为严格，而补偿算法会产生额外的时间开销，所以在设计补偿算法的时候往往需要考虑算法的有效性和精确度。

3 相位噪声研究发展趋势

3.1 硬件研究

对于电路方面的设计主要集中在使电路的功耗降低、集成电路的小型化。PMOS能够实现电路的低功耗，并能拥有更低的PHN和宽调谐范围，近年来受到了更多的关注和研究。

3.2 OFDM-M IMO系统相位噪声研究

OFDM与MIMO系统的结合是目前一个研究的热点，它结合了OFDM和MIMO的优点，其相位噪声的研究主要的问题就是既要考虑OFDM相位噪声的特点又要考虑MIMO中多天线系统带来的多个相位噪声，大大增加了相位噪声建模和补偿的难度。

3.3 时变信道相位噪声研究

时变信道是更符合实际应用的移动信道模型，通过研究时变信道中相位噪声的规律和补偿方法，能让相位噪声补偿更贴近实用。但由于信道为时变的，导致相位噪声的特性也变的更为复杂。

4 结论

从目前移动通信发展的高速率、高载频的趋势来看，相位噪声自身理论及补偿方案的研究与完善已成为今后通信系统中不可忽略的一部分，尽管相位噪声的抑制技术的相关文献为数众多，但仍不能完全理想的去除相位噪声的影响，复杂度较高，抑制效果不尽如人意，在复杂通信系统中的抑制方法欠缺，更具实用化的方法尚待进一步探索。随着第三代移动通信技术的广泛应用和第四代移动通信技术的即将投入运营，以及无线局域网的普及，相关高速通信技术的普遍应用，科学技术的飞速进步和应用需求的无限扩展，相位噪声抑制技术将与时俱进，不断推陈出新，面向实际应用，为人类的通信事业的发展，通信质量的提升做出应有的贡献。

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[责任编辑：桂传友]

TN929

A

1674-1104(2013)06-0066-04

2013-07-14

国家自然基金面上项目 （612711772）；安徽省自然科学基金面上项目 （1208085MF95）；安徽省教育厅自然科学基金重点项目（KJ2012A273）；安徽省教育厅自然科学基金重点项目（KJ2012A274）；六安市重点项目（2011LWA005）。

吴欢(1983－)，女，陕西咸阳人，皖西学院信息工程学院助教，博士，研究方向为先进移动通信技术、基站协同。