相位噪聲對多天線QAM性能影響分析

王學斌，李會勇，安 琦，何子述

(電子科技大學電子工程學院，四川成都611731)

0 引言

隨著用戶激增、多媒體通信等飛速發展，無線頻譜資源逐漸緊張，由于具有較高的頻譜利用率和良好的性能，多電平正交幅度調制(M-QAM)逐漸受到重視，目前在3G或4G無線通信系統、無線局域網(WLAN)、數字視頻廣播(DVB)等領域獲得了廣泛的應用［1，2］。近年來國內外學者研究了相位噪聲對單發單收系統性能的影響，隨著多電平正交幅度調制(M-QAM)的電平數M的增加，通信系統受相位噪聲影響就越嚴重，甚至可能導致誤碼率基底現象，僅靠提高信噪比(SNR)，系統誤碼率指標無法滿足要求［3］。

多天線通信技術的使用，尤其是近年來發展的收發多天線通信系統，能大幅度提高無線通信系統的頻譜效率、鏈路可靠性及干擾抑制等性能［3－5］。然而對于相位噪聲對多天線QAM系統性能影響目前沒有完善的資料，基于此原因，對相位噪聲對多天線高電平QAM系統性能影響進行了理論分析及仿真驗證，并給出了閉式誤差向量幅度(EVM)表達式。

1 相位噪聲對QAM系統影響數學模型

圖1為多天線QAM通信系統結構框圖，發射端有M根天線，接收端N根天線。發射端各天線輸出的射頻信號相同，經過空間傳播到達接收端，接收端各個通道的加性高斯白噪聲獨立同分布，接收端各個通道的相位噪聲獨立同分布，將各通道的輸出求和(求均值)得到輸出端信號。

圖1 多天線QAM系統結構框圖

對碼元QAM調制后，即得第m根發射天線的基帶信號為:sm(t)= ［smi(t)，smq(t)］Τ，m=1，2，…，M。

經過正交調制得到第m根發射端天線輸出:

上式中，T(t)=2[cos(ω0t)，sin(ω0t)]，對于接收端N根天線來說，第n根天線接收到的信號為:

對接收端的vn(t)進行I，Q正交解調，再進行濾波，考慮相位噪聲αr～N( 0 ，)的影響，I，Q 正交解調函數為:

其中:

由于 αrn～ N( 0)，在 αrms＜＜1的假設下，有:

又因為nrn(t)由信道噪聲nn(t)線性變換得到，所以nrn(t)還是高斯噪聲，它是零均值的，可得到它的自相關矩陣為:

式中，B為低通濾波器LPF的帶寬，N0為信道噪聲nn(t)的單邊功率譜密度。

在采樣時鐘同步的理想情況下，接收到的信號可表示為:

最后，N根天線接收到的信號總和為:

2 相位噪聲對QAM系統EVM影響分析

對于M發N收系統來說，誤差矢量函數可表示為:

另外考慮到信號、相位噪聲及高斯白噪聲互相獨立，所以:

3 仿真結果

單發單收系統，64QAM調制方式，相位噪聲均方差 αrms=0°，0.5°，1.5°，3°，信噪比為5 ～30 dB，以2 dB步進，誤碼率曲線如圖2所示。從圖2可以看出，當相位噪聲均方差為3°時，出現誤碼率基底現象，誤碼率在10－3以上，此時信噪比提高并不能改善誤碼率。

圖2 相噪對單發單收系統SER影響仿真

圖3和圖4分別是一發四收與四發四收64QAM系統受相位噪聲影響SER仿真結果圖，可以看出，接收端天線數量的增加改善了系統性能，在相位噪聲均方差為6°時，仍然會出現誤碼率基底現象。對比圖3與圖4可以發現，發射端天線數量的增加能提高系統信噪比，卻并不能改善因相位噪聲帶來的性能下降。

4 結束語

對ITU-R降雨衰減的推測方法進行了研究，在此基礎上提出了Ku頻段衛星鏈路傳輸特性自動觀測系統的設計方案，在后續工作中將對此設計方案進行實現，對Ku頻段衛星鏈路傳輸特性進行詳細分析，為地球站提供可靠依據。

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