專利名稱：信噪比估計方法和系統(tǒng)以及信道補償方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域信道編碼的信噪比估計和信道補償，尤其涉及一種信噪比估計方法和系統(tǒng)，以及利用上述的信噪比估計方法對信道進行補償?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)。
背景技術(shù)：
Nakagami-m分布能夠很好地描述無線信道的統(tǒng)計特性[8，9]，并且由于其公式的簡單性和普遍的適用性得到了廣泛的關(guān)注，因而成為無線信道仿真的公認的較好的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)m為1時，Nakagami信道成為瑞利(Rayleigh)信道。而當(dāng)m趨于無窮時，Nakagami信道成為加性白高斯信道(Additive White Gaussian Noise)。這些都是在實際通信環(huán)境中的信道。Nakagami衰落信道下的信噪比算法是一個很有趣的富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)。對于Nakagami衰落參數(shù)m的估計，已經(jīng)在文獻[8][10]中有報道。在實踐中，信噪比的估值算法在很多最優(yōu)化的信號處理技術(shù)中都是必需的。例如目前已知的turbo碼的最優(yōu)譯碼算法-MAP或者Log_MAP算法都需要知道信噪比，否則會帶來一定的信噪比損失。當(dāng)然對于Max_Log_MAP和SOVA這樣的次優(yōu)譯碼算法不需知道信道狀態(tài)，但是它們比MAP算法有0.5dB的信噪比損失。
Summers在文獻[1]中基于低階統(tǒng)計量的分析，定義Z≡E(r2)E2(|r|)]]>.在AWGN信道下，可以推導(dǎo)出Z=f(β)=1+β{2πexp(-β2)+βerf(β2)}2]]>要由Z值求得β值，由于上式過于繁瑣，無法求得解析解，所以[1]中提出了一個基于二項式擬合的經(jīng)驗性公式β≈-34.0516z2+65.9548z-23.6184同時，[1]指出有效預(yù)測的β的范圍是0到6dB，從而它的預(yù)測范圍存在著很大的局限性。
Ramesh在文獻[2]中同樣基于低階統(tǒng)計量的分析，進一步推導(dǎo)了Nakagami信道下的z和信噪比γ(等同于本文中的β)關(guān)系式z=1+2γ(2π(mm+γ)m+2γmΓ(m+12)Γ(m)(1-2I(m)π))2]]>可見上式也十分繁雜，無法得到以Z值為因變量的β的解析函數(shù)，因而Ramesh在文獻[2]中也是用多項式擬合的方法得到信噪比估值的近似解，不僅方法繁瑣，而且它的預(yù)測范圍存在著很大的局限性，在高信噪比和低信噪比都有較大誤差。
Ramesh給出了Rayleigh信道(m＝1)下的估值公式zrayleigh=π21+2γ[1+γ(π2-cos-1(γ1+γ))]2]]>
上式無法得到γ函數(shù)的解析解，所以Ramesh用四項式來近似γ＝10971.3670Z-64731.6368Z3+143212.2372Z2-140825.8014Z+51838.6459文獻[8][10]基于高階統(tǒng)計量得到了對Nakagami信道衰落參數(shù)m的估計方法，但沒有推導(dǎo)Nakagami信道下的信噪比估計方法。
m^=μ^22μ^4-μ^22]]>其中，用 表示其k階距的樣本估值。
專利方面尚未見到有關(guān)在Nakagami信道下的信噪比估計方面的報道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種實時可靠的對無線信道的信噪比進行估計的方法和系統(tǒng)，以及對信道進行補償?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)，使得能夠在諸如turbo碼這樣的糾錯編碼中，提高糾錯性能。
在本發(fā)明的一個方面，提出了一種信噪比估計方法，包括步驟從信道接收包括多個比特的信號；計算所述信號的均方值和四次方均值，以及所述四次方均值和所述均方值的平方之間的比值；測量信道參數(shù)值；以及根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算所述信號的信噪比。
在本發(fā)明的另一方面，提出了一種信噪比估計系統(tǒng)，包括輸入部分，用于從信道接收包括多個比特的信號；統(tǒng)計量計算部分，用于計算所述信號的四次方均值、均方值和所述四次方均值與均方值的平方之間的比值；信道參數(shù)測量部分，用于從所述信道測量信道參數(shù)；信噪比計算部分，用于根據(jù)所述比值和所述信道參數(shù)計算所述信號的信噪比。
本發(fā)明的又一方面是一種信道補償方法，包括步驟從信道接收包括多個比特的信號；計算所述信號的均方值和四次方均值，以及所述四次方均值和所述均方值的平方之間的比值；測量信道參數(shù)值；根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算所述信號的信噪比；根據(jù)所述信噪比和所述均方值計算信道補償值；利用所述信道補償值對所述信道進行補償。
在本發(fā)明的又一方面，提出了一種信道補償系統(tǒng)，包括輸入部分，用于從信道接收包括多個比特的信號；統(tǒng)計量計算部分，用于計算所述信號的四次方均值、均方值和所述四次方均值與均方值的平方之間的比值；信道參數(shù)測量部分，用于從所述信道測量信道參數(shù)；信噪比計算部分，用于根據(jù)所述比值和所述信道參數(shù)計算所述信號的信噪比；信道補償值計算部分，用于根據(jù)所述信噪比和所述均方值計算信道補償值；信道補償部分，利用所述信道補償值對所述信道進行補償。
利用上述方法和系統(tǒng)，使得能夠在諸如turbo碼這樣的糾錯編碼中，改善接收的信號的信噪比，從而提高糾錯性能。
圖1示出了本發(fā)明的方法所采用的模型；圖2是一組m不同時的Z-β曲線；圖3是函數(shù)g(m)的曲線；圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的信噪比估計系統(tǒng)的方框圖；圖5是圖4所示的信噪比估計系統(tǒng)中的統(tǒng)計量計算部分的具體構(gòu)成框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的信道補償值估計系統(tǒng)的方框圖圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的信道補償系統(tǒng)的方框圖；圖8是用來說明本發(fā)明第一實施例的信噪比估計系統(tǒng)的工作過程的流程圖；圖9是用來說明本發(fā)明第三實施例的信道補償系統(tǒng)的工作過程的流程圖；圖10是高斯信道下的信噪比估值仿真測試結(jié)果圖；以及圖11是瑞利信道下的信噪比估值仿真測試結(jié)果圖。
具體實施例方式
首先本專利提出并證明了Nakagami衰落隨機變量的兩個定理，原點階定理和概率密度分布定理。以這兩個定理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，本專利首次根據(jù)高階統(tǒng)計量的分析得出了信噪比估值的準確的解析表達式，能準確預(yù)測的范圍大大擴展了，同時進行了信噪比估值對譯碼精度的靈敏性仿真對比測試，證明了新算法的有效性。
首先，我們對Nakagami信道的若干特性進行了研究，在此基礎(chǔ)上，通過一定的數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)得出了在Nakagami信道下的準確的信噪比分析公式，并且結(jié)合turbo譯碼，對信道補償提出了具體的實現(xiàn)方案。
為了表示的方便，我們首先定義如下符號u經(jīng)過編碼和BPSK調(diào)制的雙極性的發(fā)送比特，u∈{-1，+1}，μ大尺度乘性干擾，常數(shù)
a小尺度乘性干擾，均方歸一化的Nakagami隨機變量mNakagami分布的參數(shù)Es接收比特的能量，Es＝μ2n加性高斯白噪聲σ加性高斯白噪聲n的標(biāo)準差，E(n2)＝σ2r從Nakagami衰落信道下輸出的接收序列，復(fù)合隨機變量(文中稱為Nakagami衰落隨機變量)Lc信道補償值β估測的信噪比，本文定義β≡μ22σ2]]>Z高階統(tǒng)計量的比值，本文定義Z≡E(r4)E2(r2)]]>pdf概率密度分布函數(shù)如圖1所示，我們首先假設(shè)u序列是信道編碼后經(jīng)過BPSK調(diào)制的等概獨立的雙極性比特(u∈{-1，+1))，它經(jīng)歷了大尺度的乘性干擾μ和小尺度的乘性干擾a，還有加性干擾n；假設(shè)信道是經(jīng)過充分交織的無記憶的平坦的Nakagami衰落信道，μ，a和n之間獨立分布，可知信道特性由三元向量c→=(μ,m,σ)]]>描述；r序列是在接收端采用了精確同步的相干解調(diào)后得到的，對r序列進行統(tǒng)計分析得到信道補償值 并將兩者相乘送入信道譯碼器中，則r＝aμu+n。為簡約起見，文中將r稱為Nakagami衰落隨機變量。μ在相當(dāng)長的統(tǒng)計時間內(nèi)(如一個編碼塊)可以認為是常數(shù)，a是均方歸一化的參量為m的Nakagami分布的隨機變量，n是均值為零標(biāo)準差為σ的高斯分布的隨機變量，則信噪比為
EsNo=μ2E(a2)2σ2=μ22σ2]]>a的概率密度分布函數(shù)為pdf(a)=2m2a2m-1Γ(m)exp(-ma2)---m>0.5,a>0---(1.1)]]>瑞利信道是Nakagami信道在m為1時的特例，而高斯信道是Nakagami信道在m趨于無窮時的特例。
a的k階矩為E(ak)=Γ(m+k2)Γ(m)mk2---(1.2)]]>n的概率密度分布函數(shù)為pdf(n)=exp(-n22σ2)2πσ,n∈R---(1.3)]]>n的k階矩為E(nk)=0k=2t+1σkΠi=1t(2i-1)=σk(k-1)!!k=2t---(1.4)]]>u的概率分布函數(shù)為P(u)=-110.50.5---(1.5)]]>u的k階距為E(uk)=0k=2t+11k=2t---(1.6)]]>由以上基礎(chǔ)，我們提出并證明Nakagami衰落信道下的隨機變量r的k階距定理和概率密度分布函數(shù)定理。
定理一 Nakagami衰落信道下的隨機變量r的k階距定理E(rk)=]]>0k=2t+1μkΠi=0t-1(1+im)+σk(k-1)!!+Σi=1t-1k!(2i)!(k-2i)!!μ2iσk-2iΠj=0i-1(1+jm)k=2t]]>證明(a)由二項式展開易知E(r2t+1)=Σi=02t+1μiC2t+1iE(ui)E(ai)E(n2t+1-i)]]>因為i與2t+1-i必有一個奇數(shù)，而u與n的奇數(shù)階矩都為零，所以i E(ui)E(n2t+1-i)＝0由此可知E(r2t+1)＝0(b)由二項式展開易知E(r2t)=Σi=02tμiC2tiE(ui)E(n2t-1)E(ai)]]>=Σi=0tμ2iC2t2iE(u2i)E(n2t-2i)E(a2i)+Σi=0t-1μ2i+1C2t2i+1E(u2i+1)E(n2t-2i-1)E(a2i+1)]]>(奇偶裂項)因為u與n的奇數(shù)階矩都為零，所以i E(u2i+1)E(n2t-2i-1)＝0由此推之
E(r2t)=Σi=02tμ2iC2t2iE(u2i)E(n2t-2i)E(a2t)]]>=Σi=0tμ2iC2t2iE(n2t-2i)E(a2i)]]>=μkE(ak)+E(nk)+Σi=0t-1μ2iC2t2iE(u2t-2i)E(a2i)]]>(由1.6)由(1.4)，可知E(n2t-2i)＝σ2t-2i(2t-2i-1)??！E(n2t)＝σk(k-1)??！根據(jù)Γ函數(shù)的性質(zhì)Γ(n+1)＝nΓ(n)和(1.2)，可知E(a2i)=Γ(m+i)Γ(m)mi=Πj=0i(1+jm)]]>C2t2i=k!(2i)!(k-2i)!]]>聯(lián)立以上諸式，可知E(r2t)=]]>μkΠi=0t-1(1+im)+σk(k-1)!!+k!Σi=1t-1(k-2i-1)!!(2i)!(k-2i)!μ2iσk-2iΠj=0t-1(1+jm)]]>=μkΠi=0t-1(1+im)+σk(k-1)!!+Σi=1t-1k!(2i)!(k-2i)!!μ2iσk-2iΠj=0i-1(1+jm)k=2t]]>證畢。
定理2Nakagami衰落信道下的隨機變量r的概率密度分布函數(shù)定理設(shè)定m是 的整數(shù)倍，則pdf(r))＝
mmexp(-m2σ2m+μ2r2)Γ(m){(μr)2m-1(μ2+2mσ2)2m-12]]>+Σi=1[m-12](2m-1)!(2i)!(2m-2i-1)!Πk=0i-1(k+12)(μ2+2mσ2)2m-i-122iσ2i(μr)2m-2i-1)]]>證明令Z＝μa，則pdfz(Z)=pdfa(Zμ)Z′=pdfa(Zμ)μ]]>由(1.1)，可知pdf(Z)=2mmZ2m-1Γ(m)μ2mexp(-mZ2μ2)---m>0.5,Z>0]]>令x＝uZ因為u是對稱的雙極性的貝努利隨機變量，而Z是單邊的正值的nakagami隨機變量，且u與Z獨立分布，所以由對稱性分析可知Z是雙邊的偶對稱的nakagami隨機分布，且其正值部分的概率密度是Z的相應(yīng)的概率密度的一半，亦即Pdf(x)=mmx2m-1Γ(m)μ2mexp(-mx2μ2)---m>0.5,x∈R]]>r＝x+npdfr＝pdfxpdfn(表示卷積)pdfr(r)=∫-∞+∞mmx2m-1Γ(m)μ2mexp(-mx2μ2)exp(-(r-x)22σ2)2πσdx]]>
令c=r(1+2mσ2μ2)---a=mμ2+12σ2---d=m2σ2m+μ2r2]]>并令y＝x-c，則pdfr(r)=]]>mmΓ(m)μ2m2πσexp(-d)∫-∞+∞(y+c)2m-1exp(-a2y2)dy]]>=mmΓ(m)μ2m2πσexp(-d)Σj=02m-1C2m-1iC2m-1-i∫-∞+∞yiexp(-a2y2)dy]]>(二項式展開)因為∀i∫-∞+∞y2i+1exp(-a2y2)dy=0]]>(由奇對稱性)所以pdfr(r)=]]>mmΓ(m)μ2m2πσexp(-d)∫-∞+∞(y+c)2m-1exp(-a2y2)dy]]>=2mmΓ(m)μ2m2πσexp(-d)Σi=0[m-12]C2m-12iC2m-1-i∫-∞+∞yiexp(-a2y2)dy]]>利用公式∫0∞xnexp(-r2x2)dx=Γ[(n+1)/2]2rn+1,]]>易知pdfr(r)=mmΓ(m)μ2m2πσexp(-d)Σi=0[m-12]C2m-12iC2m-1-2iΓ(i+12)a2i+1]]>利用Γ函數(shù)的性質(zhì)Γ(i+12)=πΠk=0i-1(k+12)]]>(i≥1)和Γ(12)=π,]]>易知pdf(r)＝
mmexp(-m2σ2m+μ2r2)2Γ(m)σμ2m{1mμ2+12σ2r2m-1(1+2mσ2μ2)2m-1]]>+Σi=1[m-12](2m-1)!(2i)!(2m-2i-1)!Πk=0i-1(k+12)(mμ2+12σ2)i+12r2m-2i-1(1+2mσ2μ2)2m-2i-1}]]>=mmexp(-m2σ2m+μ2r2)Γ(m){(μr)2m-1(μ2+2mσ2)2m-12.]]>+Σi=1[m-12](2m-1)!(2i)!(2m-2i-1)!Πk=0i-1(k+12)(μ2+2mσ2)2m-i+122iσ2i(μr)2m-2i-1}]]>證畢。
這兩個定理是對Nakagami衰落隨機變量進行高階統(tǒng)計量分析的有力的數(shù)學(xué)分析工具和理論基礎(chǔ)。
信噪比估值算法的主要目的是通過對一定長度的接收比特r序列的統(tǒng)計特性的分析，得到估測的信噪比β，進而求出信道補償值Lc。上文已講過Nakagami衰落信道特性由三元向量c→=(μ,m,σ)]]>描述，本文是在假設(shè)m已知的條件下估值μ，σ，采用經(jīng)典概率論中的矩估計方法，兩個未知參量需要聯(lián)立兩個距方程，為簡便起見，本專利以2階距和4階矩方程聯(lián)立求解。以上文中的Nakagami衰落隨機變量定理為基礎(chǔ)，本專利首次提出并證明基于高階矩分析的Nakagami信道下SNR信噪比估值定理。
定理3 Nakagami信道下SNR信噪比估值定理
定義β為估測的信噪比，β≡μ22σ2;]]>Z為高階統(tǒng)計量的比值，z≡E(r4)E2(r2)]]>則z=4(1+1m)β2+12β+34β2+4β+1β>0β=c2(1-c)c=3-z2-1mz∈(1-1m,3)]]>證明由定理1易知E(r4)=(1+1m)μ4+6μ2σ2+3σ4E(r2)=μ2+σ2]]>由此可知z≡E(r4)E2(r2)=(1+1m)μ4+6μ2σ2+3σ4μ4+2μ2σ2+σ4=(1+1m)(μσ)4+6(μσ)2+3(μσ)4+2(μσ)2+1]]>=4(1+1m)β2+12β+34β2+4β+1]]>β＞03E2(r2)-E(r4)=(2-1m)μ4⇒μ2=3E2(r2)-E(r4)2-1m]]>⇒σ2=E(r2)-μ2=E(r2)-3E2(r2)-E(r4)2-1m]]>⇒β≡μ22σ2=c2(1-c)---c=3-z2-1m]]>證畢。
對Nakagami信道下SNR信噪比估值定理的討論推論1z是β的減函數(shù)，且limβ→0Z=3,]]>limβ→∞Z=1+1m]]>證明令f(β)=4(1+1m)β2+12β+3,]]>g(β)＝4β2+4β+1由定理3可知z=f(β)g(β)⇒z′=gf′-fg′g2=8β(1m-2)(2β+1)g2(β)]]>∵m＞0.5∴1m-2<0]]>∴z′＜0∴z是β的減函數(shù)limβ→0Z=limβ→0f(β)limβ→0g(β)=31=3]]>limβ→∞Z=limβ→∞f(β)β-2limβ→∞g(β)β-2=4(1+1m)4=1+1m]]>證畢。
推論2當(dāng)m=12]]>時，Nakagami衰落隨機變量r退化成正態(tài)分布的隨機變量，因而信道參數(shù)μ，σ不可估值。
證明由定理2，可知
當(dāng)m=12]]>時，pdf(r)=exp(-r22(σ2+μ2))2π(σ2+μ2)]]>所以r是均值為零方差為σ2+μ2的正態(tài)分布的隨機變量。只要方差一定，r的概率密度分布函數(shù)也就確定，其各階矩也隨之確定，而滿足方差一定的(σ2，μ2)顯然有無窮組解，因而信道參數(shù)μ，σ不可估值。定理3中β的解析表達式中當(dāng)m=12]]>時出現(xiàn)奇異解和由Z的表達式得到Z恒等于3，都反映了這一問題。
證畢。
推論3由定理三易知對于AWGN信道(m＝∞)，Z和β存在如下關(guān)系式z=4β2+12β+34β2+4β+1β>0β=c2(1-c)c=3-z2z∈(1,3)]]>推論4由定理三易知對于充分交織的平坦瑞利信道(m＝1)，Z和β存在如下關(guān)系式z=8β2+12β+34β2+4β+1β>0β=c2(1-c)c=3-zz∈(2,3)]]>為了獲得感性認識，圖2繪出了一組m不同時的Z-β曲線。
我們知道Turbo譯碼的最佳譯碼算法-MAP算法，需要知道信道信息，下面研究如何利用信噪比估計算法來改善Turbo譯碼的性能。首先假設(shè)在k時刻turbo編碼器輸出的雙極性碼字是Ck≡(uk,xkp)]]>(uk是系統(tǒng)位，xkp是校驗位)，經(jīng)過Nakagami衰落信道后的接收碼字是Yk≡(yks,ykp)]]>(yks是接收到的系統(tǒng)位，ykp是接收到的校驗位)，則yks=aksμuk+nks]]>ykp=akpμxkp+nkp]]>其中，aks，akp分別是系統(tǒng)位和校驗位經(jīng)歷的Nakagami分布的乘性干擾，nks，nkp是分別是系統(tǒng)位和校驗位經(jīng)歷的正態(tài)分布的加性干擾，這些干擾相互獨立。現(xiàn)在，我們定義由k-1時刻的s′狀態(tài)轉(zhuǎn)移到k時刻的S狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率γk(s′，s)≡P(Yk，Sk＝S/Sk-1＝s′)，則γk(s′,s)≡P(Yk,Sk=S/Sk-1=s′)]]>=P(s/S′)P(Yk/s,S′)]]>=P(uk)P(Yk/Ck)]]>(鏈式分解)將uk的先驗似然比定義為L(uk)≡lnP(uk=1)P(uk=-1),]]>則P(uk)∝exp(ukL(uk)/2)P(Yk/Ck)=P(yks/uk)P(ykp/xkp)]]>(由信道的無記憶性和獨立性)假設(shè)aks，akp已知，則P(yks/uk)P(ykp/xkp)=P(yks/(uk,aks))P(ykp/(xkp,akp))]]>=12πσexp(-(yks-aksμuk)2σ2)12πσexp(-(ykp-akpμxkp)2σ2)⇒]]>P(Yk/Ck)∝exp(μ(ukaks+xkpakp)σ2)]]>
令Lc≡2μσ2]]>則γ(s′,s)∝exp(ukL(uk)/2)exp(Lc2(ukaks+xkpakp))]]>定義轉(zhuǎn)移度量C(s′，s)＝Inγ(s′，s)，則在已知Nakagami分布的乘性干擾aks，akp的條件下，C(s′,s,aks,akp)∝ukL(uk)/2+Lc2(ukaks+xkpakp)]]>此時Lc≡2μσ2,]]>又由E(r2)＝μ2+σ2，易知Lc=22β(1+2β)E(r2)]]>在未知Nakagami分布的乘性干擾aks，akp的條件下C(s′,s)∝∫∫C(s′,s,aks,akp)pdf(aks)pdf(akp)d(aks)d(akp)]]>=ukL(uk)/2+μukσ2∫akspdf(aks)d(aks)+μxkpσ2∫akppdf(akp)d(akp)]]>=ukL(uk)/2+μE(a)σ2(uk+xkp)]]>=ukL(uk)/2+μg(m)σ2(uk+xkp)]]>此處，g(m)=Γ(m+0.5)mΓ(m)]]>，其函數(shù)曲線見于圖3，可見g(m)是單調(diào)遞增的有界函數(shù)，且limm→∞g(m)=1,]]>(證明從略)。
所以，在未知Nakagami分布的乘性干擾aks，akp的條件下，Lc=2g(m)2β(1+2β)E(r2)]]>綜上，有以下的信道補償定理
定理4 turbo碼在Nakagami衰落信道下的信道補償定理 以上述的數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，本發(fā)明提出了信噪比估計和信道補償?shù)募夹g(shù)方案。下面結(jié)合圖4-9具體說明其過程。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的信噪比估計系統(tǒng)的方框圖。圖5是圖4所示的信噪比估計系統(tǒng)中的統(tǒng)計量計算部分的具體構(gòu)成框圖。
輸入部分110首先從信道接收數(shù)據(jù)，以每個編碼塊為單位放入到一個緩存區(qū)(未示出)中。假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)是準確同步和經(jīng)過相干解調(diào)的，設(shè)每個編碼塊包括N比特，用{r1，r2，...，rN}表示。
然后，統(tǒng)計量計算部分120用來估計{r1，r2，...，rN}的高階統(tǒng)計量的比值z。如圖5所示，統(tǒng)計量計算部分120包括四次方均值計算單元1201，用于計算輸入信號{r1，r2，...，rN}的四次方均值，r4‾=Σi=1Nri4N;]]>均方值計算單元1202，用于計算輸入信號{r1，r2，...，rN}的均方值，r2‾=Σi=1Nri2N;]]>和比值計算單元1203，用于把來自四次方均值計算單元1201的四次方均值與來自均方值計算單元1202的均方值的平方相比，求出比值，z=r4‾r2‾2.]]>信道參數(shù)估計部分140從具體應(yīng)用的信道環(huán)境中測得相應(yīng)的m值，具體測量m值的方法有很多，參見參考文獻[8]、[9]和[10]，上述參考文獻通過參考在此引入。然后，信噪比計算單元130根據(jù)信道參數(shù)測量部分140測量的m值和統(tǒng)計量計算部分120計算的比值z，求解信噪比β=3-z2-1m2(1-3-z2-1m),]]>為防止計算溢出，當(dāng)z不小于3時，β取門限值0.1。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的信道補償值估計系統(tǒng)的方框圖。
圖6所示的信道補償值估計系統(tǒng)采用來根據(jù)本發(fā)明第一實施例的信噪比估計系統(tǒng)，其與第一實施例的區(qū)別在于增加了一個設(shè)置在信噪比計算部分130下游的信道補償值計算部分150，其根據(jù)信噪比β和和信號的均方值 計算信道補償值，具體操作如下在衰落幅值ai已知的情況下，Lc=22β(1+β)r2‾.]]>這種情況適用于前端接收機已經(jīng)有Rake接收機或者均衡器能夠準確估計信道衰落的場合；在衰落幅值al未知的情況下，Lc=2g(m)2β(1+β)r2‾,g(m)=Γ(m)mΓ(m),]]>這種情況適用于盲估計的場合。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的信道補償系統(tǒng)的方框圖。
圖7的信道補償系統(tǒng)與本發(fā)明第二實施例的信道補償值估計系統(tǒng)的區(qū)別在于增加了信道補償部分160和可選的衰落幅度估計部分170。因此，下面僅僅對上述的兩個部分進行詳細說明，省略了與第一和第二實施例重復(fù)的部分。
在衰落幅值ai未知的情況下，信道補償部分160對送入Turbo譯碼器的i時刻比特ri進行逐比特補償，xi=Lc2ri,]]>這是逐塊補償；而在衰落幅值ai已知的情況下，也就是衰落幅度估計部分170能夠從具體的信道中測量衰落幅度ai，數(shù)據(jù)塊中的各個比特的衰落幅度不同，對送入Turbo譯碼器的i時刻比特進行補償，得到補償值xi=Lc2airi,]]>此時進行的是逐比特補償。
圖8是用來說明本發(fā)明第一實施例的信噪比估計系統(tǒng)的工作過程的流程圖。
在步驟S10，從信道接收數(shù)據(jù)，以每個編碼塊為單位放入到一個緩存區(qū)(未示出)中。假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)是準確同步和經(jīng)過相干解調(diào)的，設(shè)每個編碼塊包括N比特，用{r1，r2，...，rN}表示。
在步驟S20，估計信號{r1，r2，...，rN}的高階統(tǒng)計量的比值z。具體而言，計算輸入信號{r1，r2，...，rN}的四次方均值，r4‾=Σi=1Nri4N;]]>計算輸入信號{r1，r2，...，rN}的均方值，r2‾=Σi=1Nri2N;]]>以及，把信號的四次方均值與均方值的平方相比，求出比值，z=r4‾r2‾2.]]>在步驟S30，從具體應(yīng)用的信道環(huán)境中測得相應(yīng)的m值。
然后，在步驟S40，從測量的m值和計算的比值z，求解信噪比β=3-z2-1m2(1-3-z2-1m),]]>為防止計算溢出，當(dāng)z不小于3時，β取門限值0.1。最后，整個流程結(jié)束。
圖9是用來說明本發(fā)明第三實施例的信道補償系統(tǒng)的工作過程的流程圖。
圖9的流程圖與圖8的流程圖的區(qū)別在于增加了步驟S50-S70，用于計算信道補償值，并利用該信道補償值對信號進行補償。因此，下面不再對步驟S10-S40進行重復(fù)描述。
在步驟S50，根據(jù)信噪比β和和信號的均方值 計算信道補償值，具體操作如下在衰落幅度al已知的情況下，Lc=22β(1+β)r2‾.]]>這種情況適用于前端接收機已經(jīng)有Rake接收機或者均衡器能夠準確估計信道衰落的場合；在衰落幅值ai未知的情況下，Lc=2g(m)2β(1+β)r2‾,g(m)=ΓmΓ(m),]]>這種情況適用于盲估計的場合。
在衰落幅值al已知的情況下，也就是在步驟S60能夠估計出信道的衰落幅度ai，則在步驟S70對送入Turbo譯碼器的i時刻比特進行補償，得到補償值xi=Lc2airi,]]>這是逐比特補償方法；而在衰落幅值ai未知的情況下，在步驟S70，對送入Turbo譯碼器的i時刻比特進行補償，得到補償值xi=Lc2ri,]]>這是逐塊補償方法。然后，整個流程結(jié)束。
圖10是高斯信道下的信噪比估值仿真測試結(jié)果圖，我們?nèi)L1156和196，分別進行了沒有估值補償(Lc＝1)，本發(fā)明的估值補償和已知信道補償?shù)膶Ρ葴y試。三條實線是短幀長196的測試結(jié)果，而三條虛線是長幀1156的測試結(jié)果。
圖11是瑞利信道下的信噪比估值仿真測試結(jié)果圖，取幀長1156和196，分別進行了沒有估值補償(亦即a＝1和β＝1)，由定理4得出的已知衰落幅度a時的新算法估值補償和未知衰落幅度a時的補償(亦即a＝1)，已知信道補償(亦即已知a，β)的對比測試。需要指出的是已知信道是逐比特補償?shù)姆椒?Lc=2aμσ2),]]>其中每個比特的乘性瑞利衰落值a是已知的。四條實線是幀長1156的測試結(jié)果，而四條虛線是幀長196的測試結(jié)果。
從圖10和圖11，可知已知衰落幅度a的估值補償算法與已知信道狀態(tài)時的誤碼率曲線已經(jīng)相當(dāng)接近，尤其是在幀長較長和m較大的條件下。而經(jīng)過補償?shù)那€與沒有補償?shù)那€相比有0.2到0.5分貝的增益。這些都證明了本發(fā)明的估值和補償方法的有效性。
雖然已經(jīng)參考具體實施例對本發(fā)明做了詳細的說明，但是本發(fā)明可以有其它不脫離其精髓和實質(zhì)特性的特定形式。因此本發(fā)明示例性地，而非限制地考慮了所有的方面，所以想要包括權(quán)利要求確定的、而非上述的說明或者實施例確定的發(fā)明范圍和權(quán)利要求等同意義和范圍之中的所有變化。
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權(quán)利要求
1.一種信噪比估計方法，包括步驟從信道接收包括多個比特的信號；計算所述信號的均方值和四次方均值，以及所述四次方均值和所述均方值的平方之間的比值；測量信道參數(shù)值；以及根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算所述信號的信噪比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信噪比估計方法，其特征在于，根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算信噪比的步驟包括根據(jù)下式計算信噪比ββ=3-z2-1m2(1-3-z2-1m)]]>其中，m是信道參數(shù)值，z是信號的四次方均值和均方值的平方之間的比值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的信噪比估計方法，其特征在于，所述信號包括N個比特r1，r2，...，rN，并根據(jù)下式計算信號的均方值 和四次方均值 r2‾=Σi=1Nri2N]]>r4‾=Σi=1Nri4N.]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的信噪比估計方法，其特征在于，根據(jù)下式計算所述比值zz=r4‾r2‾2.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的信噪比估計方法，其特征在于，比值z不小于3，信噪比β取0.1。
6.一種信噪比估計系統(tǒng)，包括輸入部分，用于從信道接收包括多個比特的信號；統(tǒng)計量計算部分，用于計算所述信號的四次方均值、均方值和所述四次方均值與所述均方值的平方之間的比值；信道參數(shù)測量部分，用于從所述信道測量信道參數(shù)；信噪比計算部分，用于根據(jù)所述比值和所述信道參數(shù)計算所述信號的信噪比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的信噪比估計系統(tǒng)，其特征在于，所述信噪比計算部分根據(jù)下式計算信噪比ββ=3-z2-1m2(1-3-z2-1m)]]>其中，m是信道參數(shù)值，z是信號的四次方均值和均方值的平方之間的比值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的信噪比估計系統(tǒng)，其特征在于，所述統(tǒng)計量計算部分包括四次方均值計算單元，用于計算所述信號的四次方均值；均方值計算單元用于計算所述信號的均方值；和比值計算單元，用于把來自四次方計算單元的四次方均值與來自均方值計算單元的均方值的平方相比，求出比值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的信噪比估計系統(tǒng)，其特征在于，所述信號包括N個比特r1，r2，...，rN，所述四次方均值計算單元根據(jù)下式計算信號的四次方均值r4‾=Σi=1Nri4N]]>所述均方值計算單元根據(jù)下式計算信號的均方值r2‾=Σi=1Nri2N.]]>
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的信噪比估計系統(tǒng)，其特征在于，所述比值計算單元根據(jù)下式計算所述比值z=r4‾r2‾2.]]>
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的信噪比估計系統(tǒng)。其特征在于，比值z不小于3，信噪比β取0.1。
12.一種信道補償方法，包括步驟從信道接收包括多個比特的信號；計算所述信號的均方值和四次方均值，以及所述四次方均值和所述均方值的平方之間的比值；測量信道參數(shù)值；根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算所述信號的信噪比；根據(jù)所述信噪比和所述均方值計算信道補償值；利用所述信道補償值對所述信道進行補償。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的信道補償方法，其特征在于，根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算信噪比的步驟包括根據(jù)下式計算信噪比ββ=3-z2-1m2(1-3-z2-1m)]]>其中，m是信道參數(shù)值，z是信號的四次方均值和均方值的平方之間的比值；在信道衰落幅度已知的情況下，根據(jù)所述信噪比和所述均方值計算信道補償值的步驟包括根據(jù)下式計算信道補償值LcLc=22β(1+β)r2‾.]]>
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的信道補償方法，其特征在于，根據(jù)所述信道參數(shù)值和所述比值計算信噪比的步驟包括根據(jù)下式計算信噪比ββ=3-z2-1m2(1-3-z2-1m)]]>其中，m是信道參數(shù)值，z是信號的四次方均值和均方值的平方之間的比值；在信道衰落幅度未知的情況下，根據(jù)所述信噪比和所述均方值計算信道補償值的步驟包括根據(jù)下式計算信道補償值LcLc=2g(m)2β(1+β)r2‾,g(m)=Γ(m)mΓ(m).]]>
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的信道補償方法，其特征在于，所述信號包括N個比特r1，r2，...，rN，并根據(jù)下式計算信號的均方值 和四次方均值 r2‾=Σi=1Nri2N]]>r4‾=Σi=1Nri4N.]]>
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的信道補償方法，其特征在于，還包括從信道測量信道衰落幅度αi的步驟，并且利用所述信道補償值對所述信道進行補償?shù)牟襟E包括根據(jù)下式對信號的比特進行補償xi=Lc2airi.]]>
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的信道補償方法，其特征在于，利用所述信道補償值對所述信道進行補償?shù)牟襟E包括根據(jù)下式對信號的比特進行補償xi=Lc2ri.]]>
18.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的信道補償方法，其特征在于，其特征在于，根據(jù)下式計算所述比值zz=r4‾r2‾2.]]>
19.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的信道補償方法，其特征在于，比值z不小于3，信噪比β取0.1。
20.一種信道補償系統(tǒng)，包括輸入部分，用于從信道接收包括多個比特的信號；統(tǒng)計量計算部分，用于計算信號的四次方均值、均方值和所述四次方均值與所述均方值的平方之間的比值；信道參數(shù)測量部分，用于從所述信道測量信道參數(shù)；信噪比計算部分，用于根據(jù)所述比值和所述信道參數(shù)計算所述信號的信噪比；信道補償值計算部分，用于根據(jù)所述信噪比和所述均方值計算信道補償值；信道補償部分，利用所述信道補償值對所述信道進行補償。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的信道補償系統(tǒng)，所述信噪比計算部分根據(jù)下式計算信噪比ββ=3-z2-1m2(1-3-z2-1m)]]>其中，m是信道參數(shù)值，z是信號的四次方均值和均方值的平方之間的比值；在信道衰落幅度已知的情況下，所述信道補償值計算部分根據(jù)下式計算信道補償值LcLc=22β(1+β)r2‾.]]>
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的信道補償系統(tǒng)，所述信噪比計算部分根據(jù)下式計算信噪比ββ=3-z2-1m2(1-3-z2-1m)]]>其中，m是信道參數(shù)值，z是信號的四次方均值和均方值的平方之間的比值；在信道衰落幅度未知的情況下，所述信道補償值計算部分根據(jù)下式計算信道補償值LcLc=2g(m)2β(1+β)r2‾,g(m)=Γ(m)mΓ(m).]]>
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的信道補償系統(tǒng)，其特征在于，所述統(tǒng)計量計算部分包括四次方均值計算單元，用于計算所述信號的四次方均值；均方值計算單元用于計算所述信號的均方值；和比值計算單元，用于把來自四次方計算單元的四次方均值與來自均方值計算單元的均方值的平方相比，求出比值。
24.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的信道補償系統(tǒng)，其特征在于，所述信號包括N個比特r1，r2，...，rN，所述四次方均值計算單元根據(jù)下式計算信號的四次方均值r4‾=Σi=1Nri4N]]>所述均方值計算單元根據(jù)下式計算信號的均方值r2‾=Σi=1Nri2N.]]>
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的信道補償系統(tǒng)，其特征在于，還包括衰落幅度估計部分，用于從所述信道估計信道衰落幅度αi，并且利用所述信道補償值對所述信道進行補償?shù)牟襟E包括根據(jù)下式對信號的比特進行補償xi=Lc2airi.]]>
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的信道補償系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)下式對信號的比特進行補償xi=Lc2ri.]]>
27.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的信道補償系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于，比值計算單元根據(jù)下式計算所述比值zz=r4‾r2‾2.]]>
28.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的信道補償系統(tǒng)，其特征在于，比值z不小于3，信噪比β取0.1。
全文摘要
公開了一種信噪比估計方法和系統(tǒng)以及信道補償方法和系統(tǒng)。本發(fā)明利用高階統(tǒng)計量來估值無線信道的信噪比并分情況對Turbo譯碼進行最佳的信道補償。該方法包括步驟從信道接收包括多個比特的信號；計算信號的均方值和四次方均值，以及四次方均值和均方值的平方的比值；測量信道參數(shù)值；以及根據(jù)信道參數(shù)值和比值計算信號的信噪比。并且本發(fā)明在有信道衰落估計和盲估計兩種情況下，充分利用估計出的信噪比，分別提出了用于Turbo譯碼的最優(yōu)的信道補償算法。
文檔編號H04L25/03GK1805414SQ20051000436
公開日2006年7月19日 申請日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者吳湛擊, 李繼峰 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社