專利名稱：確定一個信號的信噪比的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及確定一個具有有用信號部分和噪聲信號部分的信號的信噪比的方法和裝置，并假設噪聲信號部分具有高斯分布。本發(fā)明還涉及用于這種裝置的控制單元。本發(fā)明也涉及用于通信傳輸?shù)慕邮諜C，它具有確定一個具有有用信號部分和噪聲信號部分的接收信號的信噪比的裝置，并假設噪聲信號部分具有高斯分布。
在專業(yè)文獻中信噪比也稱為信號干擾比(SIR)或信號噪聲比(SNR)。在電信部門諸如移動電話和基站中信噪比是評價傳輸質(zhì)量的判據(jù)。
現(xiàn)有技術(shù)中有一系列確定信噪比的方法和裝置。例如Matzner，R，Letsch，K.的文章“采用突出度進行SNR估計和盲均衡(去卷積)”，Proc.1994 IEEE-IMS信息理論和統(tǒng)計學專題討論會，Alexandria，VA，1994.10，P.68，http//Speedy.et.unibwmuenchen.de/forsch/ht/publ/itstat94/paper.html[1]描述了一種借助于突出度確定信噪比的方法。對此出版物作了明確的引用。突出度是被確定信噪比的信號的4階矩與信號的2階矩的平方之商。突出度與信號的功率無關。
這些已有的方法和裝置用時間離散的信號工作。在規(guī)定的測量間隔中一定數(shù)量的信號測量值(樣值)被記錄下來，并且通過借助確定的公式計算這些測量值來對這些測量值確定信噪比。所有這些已有的方法和裝置的共同之處在于為了簡化計算公式在確定信噪比時假設信號的噪聲信號部分具有高斯分布。
然而此假設僅當在每個測量間隔中記錄足夠大的數(shù)量的測量值時才成立。在過于少的測量值情況下未被測量部分嚴重影響測量結(jié)果，并且測量結(jié)果與實際測量值間有相對大的偏差。在[1]所說明的方法中給定測量值的足夠數(shù)量是每個測量間隔從大約20至30。而且上述假設對于信噪比相對小的壞信號是不成立的。對于一個壞信號，此假設不被滿足的概率相對較大，因而在此情況下測量結(jié)果的偏差會相對增大?？傊诂F(xiàn)有方法中采用了一個統(tǒng)計測量方法，在每個測量間隔中所用測量值愈多，其工作就愈可靠和愈精確。
如果信號的噪聲信號部分具有高斯分布這一假設實際上不被滿足，用現(xiàn)有方法求出的信噪比會具有負值或甚至于是復數(shù)值。然而這種值不能進一步用于改善信噪比，例如用于提高有用信號部分的發(fā)送功率或用于補償信號的噪聲信號部分。
US4530076公開了突出度在通信技術(shù)中的應用。在那里通過從信號中消除具有非高斯分布的噪聲信號部分，應用突出度來改善信噪比。
本發(fā)明的任務在于，尤其是在每個測量間隔僅有相對少的測量值，或者在一個具有高的噪聲信號部分的相對壞的信號的情況下也能精確和可靠地計算具有有用信號部分和噪聲信號部分的信號的信噪比。
為了完成上述任務，本發(fā)明從本說明書開始處所述方式的方法出發(fā)建議在確定信噪比之前如此處理此信號，使得噪聲信號部分以更高的概率具有高斯分布。
本發(fā)明的方法使得在按照現(xiàn)有方法確定信噪比時所作的假設通常得以滿足。在任何情況下此假設比在現(xiàn)有技術(shù)的方法明顯更經(jīng)常地被滿足。采用本發(fā)明的方法能顯著精確和可靠地計算具有有用信號部分和噪聲信號部分的信號的信噪比。尤其是在每個測量間隔僅有相對少的測量值的情況下或在一個具有高的噪聲信號部分的相對壞的信號的情況下也是如此。
按照本發(fā)明的一個有優(yōu)點的設計，信號至少處理一輪，直至求出的信噪比沒有虛部并且是正值為止。如果在第一輪處理后求出的信噪比的值還是負值或具有虛部，也就是說如果這個值是不可信的，此信號在另一輪中重新處理。這個循環(huán)被一直進行到求出的信噪比是可信的或者完成了規(guī)定次數(shù)的多輪處理。采用這種方法可以保證在此過程結(jié)束時通常給出一個可信的信噪比值。這樣的一個可信的值然后可進一步用于改善信噪比，例如用于提高有用信號部分的發(fā)射功率或用于補償信號的噪聲信號部分。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)化實施形式，建議在確定信噪比之前加一個已知平均功率的噪聲信號到信號中。通過加入噪聲信號，原來信號和此噪聲信號之和構(gòu)成的和信號的噪聲信號部分具有高斯分布的概率明顯提高了。在每個測量間隔有較少測量值和壞信號的情況下此措施有顯著的正面效果。本發(fā)明的此實施形式使得可以簡單的方法顯著精確和可靠地確定信噪比。平均功率是在噪聲信號的多個噪聲值上計算的，這些測量值在測量間隔中被加到信號的測量值上。
加到信號中的噪聲信號最好具有高斯分布。嚴格講，加到測量間隔中信號的各個測量值上的噪聲值最好具有高斯分布。噪聲信號或各個噪聲值可以根據(jù)需要用一個隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生或從一個存儲器中讀取。
按照本發(fā)明另一個有優(yōu)點的實施形式，建議借助于突出度估計信噪比，其中突出度是信號的4階矩與信號的2階矩的平方之商。這種估計信噪比的方法被文章[1]公開，它被明確引用。為使信號的噪聲信號部分具有高斯分布而進行的本發(fā)明的信號處理補充了這種方法，得到一種特別簡單地實現(xiàn)，然而精確和可靠的確定信號的信噪比的方法。
在確定了信噪比之后噪聲信號對信號的影響被很好地補償。噪聲信號對信號的影響最好按下列公式在確定了信噪比之后被補償ρ=(1+a)·ρ′a-ρ′------(1)]]>其中ρ′是由信號和噪聲信號之和構(gòu)成的和信號的信噪比，a是信號對噪聲信號的功率比。
在進行多輪處理時，建議功率比a由前一測量間隔的平均的估計信噪比求出。功率比a典型地等于一個小于1的因子乘以前一測量間隔的信噪比。
按照本發(fā)明另一個優(yōu)化實施形式，建議應用此方法確定一個全球移動通信系統(tǒng)(UMTS)信號的信噪比。在UMTS中信噪比的確定或估計具有決定性的影響。在UMTS中大部分基本功能，如功率調(diào)整(功率控制)，接續(xù)傳遞(接續(xù)轉(zhuǎn)交)等都基于良好的信噪比求取。在UMTS中如通話業(yè)務等某些重要的業(yè)務通常在每個測量間隔中僅有相對少的測量值被用來確定信噪比。在UMTS中例如在一個時隙中進行功率調(diào)整時只存在非常短的時間間隔，它具有相應少的測量值。對于從基站至終端的所謂下行接續(xù)，本發(fā)明的方法尤其有優(yōu)點，因為這里從測量間隔到測量間隔噪聲信號部分的功率會明顯起伏，因而必須采用像這里所推薦方法這樣的盲估計測量方法。
尤為有意義的是本發(fā)明方法以一個控制單元的形式的實現(xiàn)，該單元用于確定信噪比的裝置的控制設備。同時在控制單元中存儲一個程序，它在一臺計算機，尤其是在一個微處理器上運行，并且適用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法。在此情況下本發(fā)明通過一個程序?qū)崿F(xiàn)，如同該程序所適于執(zhí)行的方法一樣，本發(fā)明描述了此含有程序的控制單元。尤其是一個電存儲介質(zhì)可用作控制單元，例如一個只讀存儲器或一個閃存器。
作為本發(fā)明任務的另一解決方案，由上面所述方式的裝置出發(fā)，建議此裝置具有在確定信噪比之前處理信號的裝置，并且處理信號的裝置如此進行處理，使得噪聲信號部分以更高的概率具有高斯分布。
此外作為本發(fā)明任務的另一解決方案，從說明書開始處所述方式的接收機出發(fā)，建議此裝置具有在確定信噪比之前處理信號的裝置，并且處理信號的裝置如此進行處理，使得噪聲信號部分以更高的概率具有高斯分布。
本發(fā)明的其它特征，應用可能性和優(yōu)點由下面對附圖中本發(fā)明實施例的說明給出。并且所有被說明的或被描述的特征自身或以任意的組合構(gòu)成本發(fā)明的對象，與它們在權(quán)利要求中的總結(jié)和關系無關，并且與它們在說明書或在附圖中的闡述或表示無關。附圖中

圖1以方框圖形式示出本發(fā)明裝置的一個優(yōu)化實施形式；并且圖2是證實本發(fā)明方法能力的曲線。
圖1中1是用于確定信號y的信噪比ρ的本發(fā)明裝置。信噪比ρ例如在移動電話中是傳輸質(zhì)量的判據(jù)。信號y例如是一個UMTS-信號。在UMTS中信噪比ρ的確定或估計起決定性的作用，因為UMTS中大多數(shù)基本功能，如功率調(diào)整(功率控制)，接續(xù)傳遞(接續(xù)轉(zhuǎn)變)等依賴于求取信噪比ρ的良好功能，即精確和可靠地求取它。信號y具有有用信號部分x和噪聲信號部分n。信號y是時間離散的信號，并且在規(guī)定的測量間隔中提供確定數(shù)量的測量值(樣值)S供使用。裝置1的輸入在功能框2中被限制為每個測量間隔中測量值S的數(shù)目最大為100。這樣為確定信噪比ρ的計算開銷保持在允許的界限內(nèi)。
在功能框3中按照現(xiàn)有方法的一種估計信噪比ρ。一種現(xiàn)有方法例如是在以下文獻中所說明的Matzner，R.，Letsch，K的“用突出度進行SNR估計和盲均衡(去卷積)”，Proc.1994 IEEE-IMS信息理論和統(tǒng)計學專題討論會，Alexandria，VA，1994.10，P.68，http//speedy.et.unibwmuenchen.de/forsch/ut/Publ/itstat94/paper.html[1]。
下面給出與本發(fā)明方法密切關聯(lián)的頻域復數(shù)方程?？梢岳斫?，表示為實數(shù)方程可實現(xiàn)方程的簡化，并且通過相應的變換方程可直接在時域中表示。
首先從噪聲信號n′＝0，因而y′＝y(tǒng)出發(fā)。在[1]中所說明的現(xiàn)有方法從以下假設出發(fā)信號y的有用信號部分x和噪聲信號部分n相互統(tǒng)計獨立。信號y＝x+n的概率密度函數(shù)(Pdf)fy(y)由有用信號部分x的概率密度函數(shù)fx(y)和噪聲信號部分n的概率密度函數(shù)fn(y)在時域的卷積得到。
概率密度函數(shù)的富氏變換被稱為特征函數(shù)(CF)。時域中的卷積對應于頻域中簡單的乘法φy(ω1，ω2)＝φx(ω1，ω2)φn(ω1，ω2)(2)特征函數(shù)φy(ω1，ω2)可展開為泰勒級數(shù)。泰勒級數(shù)的系數(shù)是概率密度函數(shù)的矩φy(ω1,ω2)=Σp=0∞(-j)pp!Σq=0∞pqmy,p-q,qω1p-qω2q------(3)]]>由于這個關系式，特征函數(shù)的泰勒級數(shù)也稱為矩級數(shù)。對于對稱的概率密度函數(shù)，特征函數(shù)是一個有理函數(shù)，并且不存在所有奇數(shù)階矩。利用方程(3)中表示特征函數(shù)的矩級數(shù)導出下面的表達式my,k,l=Σu=0kΣv=0lkulvmx,k-u,l-vmn,u,v-----(4)]]>這是足夠的利用2階和4階矩工作。2階矩my，2和4階矩my，4由下式得出my，2＝mx，2，0+mx，0，2+mn，2，0+mn，0，2my，4＝mx，4，0+2mx，2，2+mx，0，4+mn，4，0+2mn，2，2+mn，0，4+(5)+4(mx，2，0+mx，0，2)(mn，2，0+mn，0，2)++ 2(mx，2，0-mx，0，2)(mn，2，0-mn，0，2)它們對于導出所謂信號y的突出度Ky是有意義的。突出度Ky的重要性質(zhì)是它不依賴于信號y的功率。這意味著突出度是概率密度函數(shù)的一個形狀因子。Ky=my,4(my,2)2]]>=KxS2+KnN2+4SN+2(Sr-Si)(Nr-Ni)(S+N)2------(6)]]>其中S＝Sr+Si＝mx，2，0+mx，0，2和N＝Nr+Ni＝mn，2，0+mn，0，2有用信號部分x和噪聲信號部分n的4階矩被相應的突出度Kx和Kn代替。經(jīng)過相應的變換得到僅含有2階矩和突出度的方程Ky=KxS2+KnN2+4SN(S+N)2-------(7)]]>這已經(jīng)幾乎接近了估計問題的解Kx和Kn是有用信號部分x和噪聲信號部分n的概率密度函數(shù)的形狀因子，它們是已知的。Ky可通過觀測信號y得到。方程(7)對于解出S/N是足夠的，S/N是被估計的信噪比。
公式(7)中感興趣的項是混合項4SN。方程(7)可用一個量G表示，在復數(shù)情況下G＝K-2。
對于高斯分布G為0，而對于大多數(shù)典型的調(diào)制的和基帶的源G為負值。通過將方程(7)中有用信號部分x和信號y的突出度K用相應的量G替代，并且假設Gn＝0(對具有高斯分布的噪聲信號n成立)得到一個非常清晰的公式Gy=Gx(SS+N)2=Gx(mx,2,0+mx,0,2mx,2,0+mx,0,2+mn,2,0+mn,0,2)2------(8)]]>并且κ=SS+N=mx,2mx,2+mn,2-----(9)]]>公式(8)給出了信噪比的一個簡單表達式。Gy=Gxκ2κ,ρ=κ1-κ------(10)]]>由公式10的推導可見，現(xiàn)有確定信噪比的方法基于以下假設信號y的噪聲信號成分n具有高斯分布。
然而此假設僅當在每個測量間隔中記錄足夠大的數(shù)量的測量值S時才成立。在過于少的測量值情況下未被測量部分嚴重影響測量結(jié)果，并且測量結(jié)果與實際測量值間有相對大的偏差。在上面所述方法中給定測量值的足夠數(shù)量是每個測量間隔中大約從20至30。此外上述假設對于信噪比ρ相對小的壞信號y是不成立的。對于一個壞信號y，此假設不被滿足的概率相對較大，因而在此情況下測量結(jié)果的偏差會相對增大?？傊诂F(xiàn)有方法中采用了一個統(tǒng)計測量方法，在每個測量間隔中所用測量值愈多，其工作就愈可靠和愈精確。
在UMTS中通常在每個測量間隔中只有相對較少的測量值S可用于確定信噪比ρ。在UMTS中按時現(xiàn)有功率調(diào)整技術(shù)一個時隙僅有很短時間，只有相應少的測量值S。在從基站到終端的下行線路中還有以下限制，使得實際上只能應用盲均衡方法來估計信噪比ρ。在下行線路中作為接收機的終端不僅在有用信號部分而且在噪聲信號部分都會有功率起伏。因而噪聲信號成分不像上行線路中那樣能與有用信號部分分開測量。此外，預先知道的導頻比特的數(shù)量對于估計工作也是不夠的。
跟在功能框3后面的采樣框4檢查用現(xiàn)有方法在功能框3中計算出的信噪比ρ是否可信。如它僅含有理部分并且是正值，它是可信的。如果信噪比ρ是可信的，在后一采樣框5中檢查是否此方法還處在第一輪工作。若是此情況，則ρ＝ρ′，并且在功能框3中確定的信噪比ρ被輸出。
然而如果在采樣框4中確認在功能框3中求出的信噪比ρ不可信，則進入本發(fā)明的裝置6對信號y進行處理。裝置6如此處理信號y，使得噪聲信號部分n以更高的概率具有高斯分布。在給出的實施例中裝置6如此構(gòu)成一個噪聲信號n′被加到信號y中。噪聲信號n′有高斯分布。噪聲信號n′由多個噪聲值組成，它們以表格或列表的形式存放在存儲器7中。噪聲值例如事前由一個隨機數(shù)發(fā)生器(未示出)產(chǎn)生并存入存儲器7中。在測量間隔中的每個測量值S上加上相應的噪聲值。借助于一個選擇單元8選出相應的噪聲值。在最簡單的情況下噪聲值從存儲器7的列表中一個跟著一個地讀出。然而也可以隨機地從列表中選出一個噪聲值。
然后在功能框3中計算和信號y′＝y(tǒng)+n′的信噪比ρ′。 變量a是信號y與噪聲信號n′的功率比。功率比a可以由前一測量間隔估計的信噪比ρ相應確定。典型地，功率比a等于一個小于1的因子f乘以前一測量間隔的信噪比。因子f的典型值是f≈0.25。
然后在采樣框4中檢查在功能框3中求出的信噪比ρ′是否可信。如果可信，在后面的采樣框5中檢查是否此方法還處在第一輪工作。因為此方法已經(jīng)處在第二輪，過程轉(zhuǎn)入功能框9，在其中和信號y′的信噪比ρ′被轉(zhuǎn)換為信號y的實際信噪比ρ。存在以下關系ρ=(1+a)ρ′a-ρ′-----(1)]]>然后求出的信噪比ρ的值被輸出，本發(fā)明方法的過程結(jié)束。
如果在采樣框4中給出求出的信噪比ρ′是不可信的，過程再次轉(zhuǎn)入裝置6對信號y的處理，加一個噪聲信號n′到信號y中。通常下一輪選擇的噪聲信號n′不同于前面各輪的噪聲信號n′。此過程一直進行到求出的信噪比ρ′的值是可信的，如果過程進行的輪數(shù)量達到了規(guī)定值仍沒有求出可信的值，此過程中斷。
本發(fā)明的目標在于和信號y′達到高斯分布。為此不要求噪聲信號n′具有高斯分布。然而噪聲信號n′最好具有高斯分布。噪聲信號n′的平均功率是已知的。它或者為0，或者在求出信噪比ρ后被補償。
本發(fā)明方法是對時間離散信號y(k)，k＝0，1，2，3，…說明的。然而也可用于時間連續(xù)信號y(t)。
圖2示出證實本發(fā)明方法能力的曲線。該圖包含所有在第一輪之后不可信的信噪比ρ(具有虛部或是負值)(對應100％)。橫座標是信噪比ρ?？v座標是采用本發(fā)明方法處理信號y得到可信的值的信噪比ρ的百分數(shù)。圖2所示曲線基于一個信號y，它在每個測量間隔中有20個測量值S。輪數(shù)量的最大被限制到30。
由圖2明顯可見，尤其在壞信號y，即小信噪比ρ時，尤其是ρ＜3的情況下，本發(fā)明方法明顯提高了可信的信噪比ρ值的數(shù)量，因為只有可信的值可繼續(xù)處理，用本發(fā)明方法的數(shù)據(jù)傳輸可顯著地被優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.在假設噪聲信號部分(n)具有高斯分布的條件下確定具有有用信號部分(x)和噪聲信號部分(n)的信號(y)的信噪比(ρ)的方法，其特征在于，在確定信噪比(ρ)之前信號(y)被如此處理，使得噪聲信號部分(n)以更高的概率具有高斯分布。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，信號至少被處理一輪，并一直處理到求出的信噪比(ρ)沒有虛部，并且為正值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在確定信噪比(ρ)之前，一個具有已知功率的噪聲信號(n′)被加到信號(y)上。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，噪聲信號(n′)具有高斯分布。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，借助于突出度(Ky)估計信噪比(ρ)，并且突出度(Ky)是信號(y)的4階矩(my，4)和信號(y)的2階矩(my，2)的平方之商。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法，其特征在于，在確定信噪比(ρ)之后，噪聲信號(n′)對信號(y)的作用被補償。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在確定信噪比(ρ)之后按以下公式補償噪聲信號(n′)對信號(y)的影響ρ=(1+a)·ρ′a-ρ′------(1)]]>其中ρ′是由信號(y)與噪聲信號(n′)的和構(gòu)成的和信號(y′)的信噪比，a是信號(y)與噪聲信號(n′)的功率比。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，由此方法前一輪的平均估計信噪比(ρ)確定a。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，此方法被應用于確定全球移動通信系統(tǒng)(UMTS)的信號(y)的信噪比(ρ)。
10.用于確定信號(y)的信噪比(ρ)的裝置中的控制設備的控制單元，尤其是只讀存儲器或閃存器，其中存儲一個程序，此程序在一臺計算機，尤其是在一個微處理器上運行，并且適用于完成前面各項權(quán)利要求中任一項所述的方法。
11.用于在假設噪聲信號部分(n)具有高斯分布這一條件下確定具有有用信號部分(x)和噪聲信號部分(n)的信號(y)的信噪比(ρ)的裝置，其特征在于，該裝置具有用于在確定信噪比(ρ)之前處理信號(y)的裝置，并且該裝置如此處理信號(y)，使得噪聲信號部分(n)以更高的概率具有正態(tài)分布。
12.具有一個用于在假設噪聲信號(n)具有高斯分布這一條件下確定具有有用信號部分(x)和噪聲信號部分(n)的接收信號(y)的信噪比(ρ)的裝置的通信傳輸線路接收機，其特征在于，該裝置具有用于在確定信噪比(ρ)之前處理信號(y)的裝置，并且該裝置如此處理信號(y)，使得噪聲信號部分(n)以更高的概率具有高斯分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在假設噪聲信號部分(n)具有高斯分布這一條件下確定一個具有有用信號部分(x)和噪聲信號部分(n)的信號(y)的信噪比(ρ)的方法。為了在每個測量間隔中僅有相對少的測量值(S)或在一個具有強的噪聲信號部分(n)的相對壞的信號(y)的情況下也能精確和可靠地計算信噪比(ρ),本發(fā)明建議:在確定信噪比(ρ)之前如此處理信號(y),使得噪聲信號部分(n)以更高的概率具有高斯分布。一個已知功率的噪聲信號(n′)被加到信號(y)上。此噪聲信號(n′)最好具有高斯分布。
文檔編號G01R29/26GK1324146SQ0111778
公開日2001年11月28日 申請日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月17日
發(fā)明者康陸, 羅爾夫·瑪茲納, 維塔亞·潘亞沃拉巖 申請人:阿爾卡塔爾公司