IQ不平衡在OFDM系统中的估计与补偿算法研究

摘要

下一代无线通信系统对通信性能，传输速率等提出了更高的要求，正交频分复用(OFDM)技术因其较高的频谱利用率，并能有效地对抗多径衰落等优势，已成为宽带移动通信系统中的关键技术之一。另外，在实际的无线传输系统中，直接变频收发机因其体积小、能耗低等优点逐渐成为移动终端的主流发展趋势，但是直接变频收发机中由模拟器件的非理想特性引起的同相正交(In-phase and Quadrature—phase，IQ)支路不平衡现象很严重。OFDM系统对子载波间的正交性要求很高，而IQ不平衡会在其子载波间产生严重的镜像干扰，从而破坏掉子载波间的正交性，极大地损害系统性能，因此基于OFDM技术的移动通信系统对IQ不平衡十分敏感。当系统存在载波频偏时，IQ不平衡还会引起载波频偏的镜像，从而增加了载波频偏估计的难度。另外，载波频偏会引起OFDM系统中各子载波上的幅度衰减和子载波间的干扰，这将与由IQ不平衡引起的子载波间的镜像干扰叠加在一起，从而也会增大IQ不平衡估计的难度。考虑到实际系统中的多径干扰会引起频率选择性衰落，这会与由频偏和IQ不平衡引起的子载波间干扰串扰在一起，从而进一步降低系统性能。因此研究如何在系统存在载波频偏和多径干扰的情况下准确地估计和补偿IQ不平衡具有很重要的现实意义。本文先介绍了多径衰落信道中同时存在IQ不平衡和载波频偏时的OFDM系统模型，在此基础上研究了如何准确地估计并补偿多径信道中的IQ不平衡和载波频偏。具体内容如下所示:
　　(1)推导了存在IQ不平衡时的OFDM系统模型，对比了与频率相关和与频率无关的IQ不平衡之间的差别，并分析了IQ不平衡对OFDM系统的影响。研究了IQ不平衡对载波频偏的影响，分析了IQ不平衡和载波频偏共同存在时对OFDM系统的影响。
　　(2)针对只存在与频率无关的IQ不平衡的系统，本文首先研究了将接收端IQ不平衡和信道影响分开估计的方法，利用“IQ不平衡会破坏信道的平滑性”这个特点提出了一个能准确地估计接收端IQ不平衡和信道参数的方法。仿真结果表明该方法只需要很少的训练序列就能接近理想情况下系统不存在IQ不平衡时的性能。针对系统同时存在IQ不平衡和载波频偏的情况，本文提出了利用训练序列的时域信息估计IQ不平衡和载波频偏，利用训练序列的频域信息估计信道参数的方案。仿真结果证明了本文提出的方案的可行性和有效性。
　　(3)针对同时存在与频率无关和与频率相关的IQ不平衡的系统，本文考虑了实际系统中很常见但目前研究成果较少的情况，即同时存在发送端IQ不平衡、接收端IQ不平衡、载波频偏以及多径干扰的情况。根据以上干扰的特点，本文提出了一个利用训练序列来将这些干扰分开估计的方案。本文在设计训练序列时充分利用了其时域和频域的信息，训练序列的时域结构特点是既能估计接收端IQ不平衡和载波频偏，又不会被发送端IQ不平衡和信道破坏其结构，频域结构的特点是能分离发送端IQ不平衡和信道参数的影响。仿真结果表明本文提出的方案不仅成功地分离了IQ不平衡、载波频偏和信道的影响，而且性能还与IQ不平衡参数已知情况下的性能接近。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 OFDM的发展历史

1．1．2 IQ不平衡简介

1．2 国内外研究现状

1．3 研究动机及意义

1．4 论文主要内容和结构安排

第2章 IQ不平衡和载波频偏对系统性能的影响

2．1 引言

2．2 频率无关的IQ不平衡对系统的影响

2．2．1 接收端存在频率无关的IQ不平衡时的情况

2．2．2 发送端和接收端同时存在频率无关的IQ不平衡时的情况

2．3 频率相关的IQ不平衡对系统的影响

2．3．1 接收端存在与频率相关的IQ不平衡时的情况

2．3．2 收发端同时存在与频率相关的IQ不平衡时的情况

2．4 与频率相关和与频率无关IQ不平衡同时存在时对系统的影响

2．4．1 接收端同时存在两种IQ不平衡时的情况

2．4．2 收发端同时存在两种IQ不平衡时的情况

2．5 频偏与IQ不平衡同时存在时的情况

2．5．1 频偏对OFDM系统的影响

2．5．2 频偏与IQ不平衡同时存在时的系统模型

2．6 本章小结

第3章 OFDM系统中接收端与频率无关的IQ不平衡的估计和补偿方案

3．1 引言

3．2 与频率无关IQ不平衡对OFDM系统性能的影响

3．3 接收端IQ不平衡的估计与补偿

3．3．1 利用信道平滑性估计IQ不平衡的原理

3．3．2 利用信道平滑性估计IQ不平衡的具体算法

3．3．3 利用信道平滑性估计IQ不平衡算法的仿真结果

3．4 接收端同时存在IQ不平衡和载波频偏时的估计和补偿

3．4．1 接收端IQ不平衡和载波频偏估计原理及算法

3．4．2 信道的估计方法

3．4．3 IQ不平衡和载波频偏的估计和补偿方法的仿真结果

3．5 本章小结

第4章 收发端同时存在IQ不平衡时的估计与补偿方案研究

4．1 引言

4．2 技术方案总图

4．3 训练序列的时域和频域结构

4．4 接收端IQ不平衡和载波频偏的估计

4．4．1 接收端IQ不平衡估计原理和方法

4．4．2 载波频偏估计原理和方法

4．5 发送端IQ不平衡和信道参数估计

4．5．1 用训练序列结构1估计发送端IQ不平衡和信道参数

4．5．2 用训练序列结构2估计发送端IQ不平衡和信道参数

4．6 发送端IQ不平衡补偿结构

4．6．1 发送端IQ不平衡频域补偿结构

4．6．2 发送端IQ不平衡时域补偿结构

4．7 仿真结果

4．8 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

个人简历、攻读硕士学位期间主要的研究成果