CN101312440A - 一种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及正交频分复用通信技术领域，公开了一种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，利用正交频分复用信号在频域内存在空闲子载波的特点，通过计算一个OFDM符号转换到频域后空闲子载波上信号能量来估计出接收到信号中高斯白噪声的功率谱密度，并以此为基础来估算出信号的能量值，最后可以得到当前信号近似的信噪比估计值。本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，计算简单，方便快捷，只需要在提取频域数据的同时分别计算有用子载波和空闲子载波对应位置上信号的能量，通过简单的估计算法即可获得较准确的信噪比估计值。

Description

一种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用(OFDM)通信技术领域，尤其涉及一种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法。

背景技术

正交频分复用技术作为一种有效的宽带传输技术，目前在通讯领域备受关注，在无线局域网、数字音频广播、数字视频广播都得到了广泛应用。

信噪比估计在通信系统中是评估信道质量的重要参数，功率控制和码率转换都需要以它为基础，同时在接收系统的设计中有些算法，例如进行载波频偏估计的最大似然估计算法，需要用到当前信号的信噪比估计值作为算法的关键参量。而接收机接收到的信号与噪声混叠在一起，在时域很难将噪声和信号分离出来，所以通常在转化到频域进行处理。

由于时域噪声为高斯白噪声，经过快速傅立叶变换(FFT)线性运算后具有恒定的功率谱密度，所以可以认为在每个子载波上的噪声能量基本一致，因此可以利用正交频分复用系统中频域符号存在空闲子载波的特点，通过计算空闲子载波上能量取平均可以得到噪声能量功率谱密度的估计值，即平均每个子载波所对应的噪声能量。当实际测得的信号能量减去所有子载波对应的噪声能量则可得到有用信号能量的估计值，然后计算信号能量和噪声能量之比得到信噪比的估计值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种简单可靠的用于正交频分复用系统信噪比估计的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，包括对噪声功率谱密度、有用信号频域能量以及信噪比的估计，该方法包括：

A、对当前正交频分复用符号进行离散傅立叶变换(DFT)计算转换到频域；

B、选取n_null个空闲子载波对应位置的频域信息值分别计算模的平方，然后取平均值，得到高斯白噪声在频域的功率谱密度估计值 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{awgn}}=\frac{\underset{1}{\overset{n_{\mathrm{null}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\left(k_{\mathrm{null}}\right)\right|}^2}{n_{\mathrm{null}}},$ 其中，r(k)为当前符号频域内第k个子载波上的信号值，n_null代表所取空闲子载波的个数，k_null代表空闲子载波所在的位置，然后将高斯白噪声在频域的功率谱密度估计值δ_awgn乘以频域所有子载波数目N_all得到频域噪声能量的估计值E_awgn＝δ_awgn×N_all；

C、对接收到的正交频分复用符号频域内全部子载波对应位置的频域信息值分别计算模的平方，然后相加得到当前接收符号在频域的能量值E_all，E_all减去估算得到的频域噪声能量的估计值E_awgn得到有用信号频域能量估计值 $E_{\mathrm{sig}}=\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{all}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\left(k\right)\right|}^2-E_{\mathrm{awgn}},$ 将当前符号中有用信号频域能量估计值E_sig比上噪声频域能量估计值E_awgn得到信噪比的估计值snr＝E_sig/E_awgn；

D、把对L个符号估计得到的信噪比估计值snr_i，用加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)组合起来，得到优化的信噪比估计值 $\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i{\mathrm{snr}}_i}{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i},$ 其中i＝0，1......L-1，L为整数。

上述方案中，步骤D中所述各加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)均选择同一数值a代替，则得到的优化的信噪比估计值为 $\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{snr}}_i}{L}.$

上述方案中，步骤D中所述各加权因子 $G_i=\left\{\begin{array}{cc}0& (i=0,...,M-1,M+1,...,L-1)\\ 1& (i=M)\end{array}\right.,$ 则得到的优化的信噪比估计值为snr＝snr_M。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，计算简单，方便快捷，只需要在提取频域数据的同时分别计算有用子载波和空闲子载波对应位置上信号的能量，通过简单的估计算法即可获得较准确的信噪比估计值。

2、为了进一步提高性能，本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，还可以对多个符号进行估计并对得到的结果加权平均。

3、本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，可以广泛应用于正交频分复用通信系统的接收机或者测试设备。

附图说明

图1为本发明提供的正交频分复用信号频域结构示意图；

图2为本发明提供的对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用正交频分复用信号在频域内存在空闲子载波的特点，通过计算一个OFDM符号转换到频域后空闲子载波上信号能量，估计出接收到的信号中高斯白噪声的功率谱密度，并以此为基础来估算出信号的能量值，最后可以得到当前信号较准确的信噪比估计值。

下面首先对本发明的实现原理进行详细阐述：

在正交频分复用系统中，发送的数据信息被调制在一定数目的子载波上经过DFT运算后转换成时域符号传输，但是并非频域内所有的子载波都用来承载信息，每个符号都需要频域的直流位置设置空闲子载波抑制直流偏置，同时也需要在正频域和负频域的边缘留出一定量的空闲子载波来防止频谱成型的时候频域边缘的数据信息丢失。

另外，在某些特定系统中的前导符号中会特意的设置更多的空闲子载波，正交频分复用信号频域结构图如图1所示，图1为本发明提供的正交频分复用信号频域结构示意图。当信号经过信道传输以后，会引入一定量的加性高斯白噪声或者等效的高斯白噪声导致信噪比的损失，y(n)＝x(n)+w(n)。

由于高斯白噪声在频域是平坦的，所以可以认为高斯白噪声在各个子载波上的能量一致，接收到的正交频分复用符号频域内空闲子载波上对应的数据均由噪声产生，所以可以通过计算接收到的正交频分复用符号频域内空闲子载波上对应的数据的能量进行平均得到加性高斯白噪声在频域的功率谱密度，然后乘以整个频域的子载波数目即可得到估计的噪声能量。

$\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|Y\left(k\right)\right|}^2=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{DFT}\left(y\left(n\right)\right)\right|}^2$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y\left(n\right)\right|}^2$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|x\left(n\right)+w\left(n\right)|}^2$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w\left(n\right)\right|}^2+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)w^{*}\left(n\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}w\left(n\right)x^{*}\left(n\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w\left(n\right)\right|}^2+2\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{real}\left(x\left(n\right)w^{*}\left(n\right)\right)$

假设信号和噪声不相关则接收到的信号在频域只包含信号项和噪声项，可认为接收到的信号频域能量减去估计得到的噪声频域能量即为有用信号的频域能量，将信号能量比上噪声能量即可得到信噪比。

但实际上总的能量不仅包含信号能量和噪声能量还有一部分噪声和信号相关造成的能量，在大量数据统计情况下由于信号和噪声不相关且高斯白噪声均值为零，认为该项近似为零，但是在估计算法中只是取一个符号长度的当前数据，所以该项为一很小的实数，会对信噪比估计产生一定的影响，但是随着系统子载波数目的增加该项影响会随之减小。同时所取空闲子载波数目的增加可以使对噪声的估计更准确，提高信噪比估计的性能。

基于上述原理，如图2所示，图2为本发明提供的对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法流程图。本发明提供的信噪比估计方法，包括对噪声功率谱密度、有用信号频域能量以及信噪比的估计，该方法包括：

步骤201：对当前正交频分复用符号进行DFT计算转换到频域。

步骤202：选取n_null个空闲子载波对应位置的频域信息值分别计算模的平方，然后取平均值，得到高斯白噪声在频域的功率谱密度估计值 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{awgn}}=\frac{\underset{1}{\overset{n_{\mathrm{null}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\left(k_{\mathrm{null}}\right)\right|}^2}{n_{\mathrm{null}}},$ 其中，r(k)为当前符号频域内第k个子载波上的信号值，n_null代表所取空闲子载波的个数，k_null代表空闲子载波所在的位置，然后将高斯白噪声在频域的功率谱密度估计值δ_awgn乘以频域所有子载波数目N_all得到频域噪声能量的估计值E_awgn＝δ_awgn×N_all。

步骤203：对接收到的正交频分复用符号频域内全部子载波对应位置的频域信息值分别计算模的平方，然后相加得到当前接收符号在频域的能量值E_all，E_all减去估算得到的频域噪声能量的估计值E_awgn得到有用信号频域能量估计值 $E_{\mathrm{sig}}=\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{all}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\left(k\right)\right|}^2-E_{\mathrm{awgn}},$ 将当前符号中有用信号频域能量估计值E_sig比上噪声频域能量估计值E_awgn得到信噪比的估计值snr＝E_sig/E_awgn。

步骤204：把对L个符号估计得到的信噪比估计值snr_i，用加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)组合起来，得到优化的信噪比估计值 $\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i{\mathrm{snr}}_i}{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i},$ 其中i＝0，1......L-1，L为整数。

为了提高估计的性能，本发明还可以把对L个符号估计得到的信噪比估计值snr_i(i＝0，1......L-1)用加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)组合起来，进而得到优化的信噪比估计值 $\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i{\mathrm{snr}}_i}{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i}.$

如果将所述各加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)均选择同一数值a代替，则：

$\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{snr}}_i}{L}$

如果将所述各加权因子按下式选取：

$G_i=\left\{\begin{array}{cc}0& (i=0,...,M-1,M+1,...,L-1)\\ 1& (i=M)\end{array}\right.,$ 此时snr＝snr_M

该方法在MATLAB仿真平台上经过了测试，运行结果证明：该方法简单有效，应用范围广，估计准确度较高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1、一种对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，包括对噪声功率谱密度、有用信号频域能量以及信噪比的估计，其特征在于，该方法包括：

A、对当前正交频分复用符号进行离散傅立叶变换DFT计算转换到频域；

B、选取n_null个空闲子载波对应位置的频域信息值分别计算模的平方，然后取平均值，得到高斯白噪声在频域的功率谱密度估计值 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{awgn}}=\frac{\underset{1}{\overset{n_{\mathrm{null}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\left(k_{\mathrm{null}}\right)\right|}^2}{n_{\mathrm{null}}},$ 其中，r(k)为当前符号频域内第k个子载波上的信号值，n_null代表所取空闲子载波的个数，k_null代表空闲子载波所在的位置，然后将高斯白噪声在频域的功率谱密度估计值δ_awgn乘以频域所有子载波数目N_all得到频域噪声能量的估计值E_awgn＝δ_awgn×N_all；

C、对接收到的正交频分复用符号频域内全部子载波对应位置的频域信息值分别计算模的平方，然后相加得到当前接收符号在频域的能量值E_all，E_all减去估算得到的频域噪声能量的估计值E_awgn得到有用信号频域能量估计值 $E_{\mathrm{sig}}=\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{all}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\left(k\right)\right|}^2-E_{\mathrm{awgn}},$ 将当前符号中有用信号频域能量估计值E_sig比上噪声频域能量估计值E_awgn得到信噪比的估计值snr＝E_sig/E_awgn；

D、把对L个符号估计得到的信噪比估计值snr_i，用加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)组合起来，得到优化的信噪比估计值 $\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i{\mathrm{snr}}_i}{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i},$ 其中i＝0，1......L-1，L为整数。

2、根据权利要求1所述的对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，其特征在于，步骤D中所述各加权因子G_i(i＝0，1，...，L-1)均选择同一数值a代替，则得到的优化的信噪比估计值为 $\mathrm{snr}=\frac{\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{snr}}_i}{L}.$

3、根据权利要求1所述的对正交频分复用通信系统信号信噪比进行估计的方法，其特征在于，步骤D中所述各加权因子 $G_i=\left\{\begin{array}{c}0(i=0,...,M-1,M+1,...,L-1)\\ 1(i=M)\end{array}\right.,$ 则得到的优化的信噪比估计值为snr＝snr_M。

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