CN101616120A - 一种子载波信噪比估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种子载波信噪比估计方法及系统，属于数字通信技术领域。该方法包括：接收机将接收到的时域序列yⁱ(n)进行FFT或DFT，得到频域序列Yⁱ(k)；利用当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)，对频域序列Yⁱ(k)进行均衡，得到频域序列Sⁱ(k)；并进行信息符号解调，得到判决后的二进制序列Bⁱ(m)；随后进行信息符号调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)；将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)；估计子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)；将不同时刻得到的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行标量平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)；并最终估计得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。本发明不仅能够同时得到信道响应估计值和子载波信噪比估计值，而且进一步提高了子载波信噪比估计精度。

Description

一种子载波信噪比估计方法及系统

技术领域

本发明属于数字通信领域，具体涉及一种用于OFDM系统中的子载波信噪比估计方法及系统。

背景技术

传统的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统对频带内的所有子载波采用固定的调制方式。由于信道的频率选择性衰落导致各个子载波上的信道响应不同，如果以处于深衰落的子载波上的信道响应为基准，各个子载波采用低阶调制方式，将降低系统的传输效率；如果各个子载波均采用高阶调制方式，将降低系统的误码特性。因此，各个子载波根据信道状况灵活选择调制方式是一种很好的选择，即采用自适应调制技术。该技术能够兼顾OFDM系统的传输效率和误码特性，从而显著提高系统性能。

自适应调制技术一般包括信道估计、自适应调制方式选择和信息交互三个步骤。为了进行自适应调制方式选择，系统需要估计信道状况以及各个子载波上的信噪比，进而根据各个子载波上的信噪比，选出满足误码率要求的最高阶调制方式作为各个子载波采用的调制方式。因此，子载波信噪比估计的准确性直接影响系统的传输效率和误码特性，是自适应调制技术的一个重要环节。传统的子载波信噪比估计方法采用单个帧进行信噪比估计，在时变特性不显著的信道条件下(如同轴电缆有线信道)，该方法忽视了不同时刻发送帧的联合估计信噪比的可能性，因此通常需要进行较为复杂的操作才能得到精确的估计结果。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于OFDM系统中的子载波信噪比估计方法及系统，具有较高的估计精度和较低的实现复杂度。

本发明的子载波信噪比估计方法的技术方案如下：

一种子载波信噪比估计方法，其步骤包括：

a)接收机将接收到的时域序列yⁱ(n)进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)或DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)，得到接收的频域序列Yⁱ(k)。

b)利用当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)，对频域序列Yⁱ(k)进行均衡，得到频域序列Sⁱ(k)。这里的均衡为除法运算，可以利用Hⁱ(k)对Yⁱ(k)进行复数均衡，也可以利用Hⁱ(k)的幅度对Yⁱ(k)进行幅度均衡。

c)将频域序列Sⁱ(k)进行信息符号解调，得到判决后的二进制序列Bⁱ(m)。

d)将二进制序列Bⁱ(m)进行信息符号调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)。

e)将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)。

f)根据去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)，估计子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)。

g)将不同时刻得到的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行标量平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)。这里的标量平均是指标量的加权平均，也可以是指数滤波、移动平均以及其他平均方法。指数滤波的系数和移动平均的长度可以调节。

h)根据噪声功率序列ρⁱ(k)，估计得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。

进一步，上述步骤b)中，当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)由如下步骤得到：

1)将不同时刻得到的频域序列H₀ ¹(k)、H₀ ²(k)、...、H₀ ^i-1(k)进行标量平均，得到平均后的频域序列H₁ ^i-1(k)。

2)利用该频域序列H₁ ^i-1(k)，对上一时刻得到的信道响应估计值H^i-1(k)进行信道更新。该信道更新方法如下：若第i时刻前均对Yⁱ(k)进行复数均衡，则根据公式(1)可以得到当前时刻的信道响应估计值Hⁱ(k)；若第i时刻前均对Yⁱ(k)进行幅度均衡，则根据公式(2)可以得到当前时刻的信道响应估计值Hⁱ(k)。

$H^i\left(k\right)=H_1^{i-1}\left(k\right)\·H^{i-1}\left(k\right).---\left(1\right)$

$H^i\left(k\right)=\mathrm{abs}\left(H_1^{i-1}\left(k\right)\right)\·H^{i-1}\left(k\right).---\left(2\right)$

其中，abs(.)表示取幅度运算。

进一步，上述步骤f)中，子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)估计方法为：如公式(3)所示，计算信道响应幅度差的平方与常数1的差，即可得到各个子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)。

${\mathrm{\ρ}}_0^i\left(k\right)={\left(\mathrm{abs}\left(H_0^i\left(k\right)\right)\right)}^2-1.---\left(3\right)$

进一步，上述步骤h)中，各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)估计方法为：如公式(4)所示，对噪声功率序列ρⁱ(k)进行对数运算，即可得到信噪比序列Cⁱ(k)。

Cⁱ(k)＝-10log₁₀(ρⁱ(k)).      (4)。

一种子载波信噪比估计系统，该系统包括：

一傅里叶变换模块，用于将接收到的时域序列yⁱ(n)进行快速傅里叶变换或离散傅里叶变换，得到接收的频域序列Yⁱ(k)；

一均衡模块，用于利用当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)，对频域序列Yⁱ(k)进行均衡，得到频域序列Sⁱ(k)；

一信息符号解调模块，用于将频域序列Sⁱ(k)进行信息符号解调，得到判决后的二进制序列Bⁱ(m)；

一信息符号调制模块，用于将二进制序列Bⁱ(m)进行信息符号调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)；

一去调制信息模块，用于将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)；

一噪声功率估计模块，根据去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)，估计子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)；

一噪声功率平均模块，用于将不同时刻得到的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行标量平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)；

和一信噪比估计模块，根据噪声功率序列ρⁱ(k)，估计得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。

进一步包括，与均衡模块连接的一信道平均模块和一信道更新模块，

信道平均模块，将不同时刻得到的频域序列H₀ ¹(k)、H₀ ²(k)、...、H₀ ^i-1(k)进行标量平均，得到平均后的频域序列H₁ ^i-1(k)；

信道更新模块，利用该频域序列H₁ ^i-1(k)，对上一时刻得到的信道响应估计值H^i-1(k)进行信道更新。

本发明的优点和技术效果在于：

本发明提出在时变特性不显著的信道条件下，发送多个训练帧进行子载波信噪比估计。其利用不同时刻估计得到的信道估计幅度差估计子载波上的噪声功率大小，进而得到各个子载波上的信噪比值。本发明不仅能够同时得到信道响应估计值和子载波信噪比估计值，而且进一步提高子载波信噪比估计精度。

本发明具有如下特点：

1、利用信道估计幅度差，能够同时得到信道响应估计值和子载波信噪比估计值，无需单独进行信道估计和子载波信噪比估计，节约硬件资源。

2、联合使用了不同时刻的信道响应估计值和子载波噪声功率值，估计精度高。

3、对不同时刻得到的噪声功率序列和去除调制信息后的频域序列进行标量平均，实现复杂度低。

4、平均模块中指数滤波的系数或者移动平均的长度可以根据实际需要进行调整。

附图说明

图1本发明提出的子载波信噪比估计系统框图；

图2第50号子载波信噪比估计结果随帧数变化曲线；

图3子载波信噪比估计结果；

图4(a)信道估计的幅度曲线；

图4(b)信道估计的相位曲线。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明所述的适用于时变特性不显著的信道条件下的子载波信噪比估计方法，但不构成对本发明的限制。

图1给出了本发明提出的子载波信噪比估计系统框图，具体描述如下：

傅里叶变换模块--接收机将接收到的时域序列yⁱ(n)进行FFT(Fast FourierTransformation，快速傅里叶变换)或DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)，得到接收的频域序列Yⁱ(k)。

均衡模块--利用当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)，对频域序列Yⁱ(k)进行均衡，得到频域序列Sⁱ(k)。这里的均衡为除法运算，可以利用Hⁱ(k)对Yⁱ(k)进行复数均衡，也可以利用Hⁱ(k)的幅度对Yⁱ(k)进行幅度均衡。其中，信道响应估计值Hⁱ(k)由如下模块得到：

信道平均模块--将不同时刻得到的频域序列H₀ ¹(k)、H₀ ²(k)、...、H₀ ^i-1(k)进行标量平均，得到平均后的频域序列H₁ ^i-1(k)；

信道更新模块--利用该频域序列H₁ ^i-1(k)，对上一时刻得到的信道响应估计值H^i-1(k)进行如下信道更新：若第i时刻前均对Yⁱ(k)进行复数均衡，则根据公式(1)可以得到当前时刻的信道响应估计值Hⁱ(k)；若第i时刻前均对Yⁱ(k)进行幅度均衡，则根据公式(2)可以得到当前时刻的信道响应估计值Hⁱ(k)。

信息符号解调模块--将频域序列Sⁱ(k)进行信息符号解调，得到判决后的二进制序列Bⁱ(m)。

信息符号调制模块--将二进制序列Bⁱ(m)进行信息符号调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)。

去调制信息模块--将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)。

噪声功率估计模块--根据去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)，按照公式(3)，估计子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)。

噪声功率平均模块--将不同时刻得到的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行标量平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)。这里的标量平均是指标量的加权平均，也可以是指数滤波、移动平均以及其他平均方法。指数滤波的系数和移动平均的长度可以调节。

信噪比估计模块--根据噪声功率序列ρⁱ(k)，按照公式(4)，估计得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。

下面列举个具体的实施例来说明本发明提出的子载波信噪比估计方法。设OFDM系统的总子载波数目为256，有效子载波数目为210。系统采用QPSK调制方式，间隔发送训练帧。接收机将接收到的第i号帧的时域序列yⁱ(n)进行256点的FFT，得到频域序列Yⁱ(k)。然后，利用Hⁱ(k)的幅度对Yⁱ(k)进行幅度均衡，得到频域序列Sⁱ(k)。其中，信道响应估计值Hⁱ(k)由如下步骤得到：

首先，将不同时刻得到的频域序列H₀ ¹(k)、H₀ ²(k)、...、H₀ ^i-1(k)进行如下指数滤波平均，得到平均后的频域序列H₁ ^i-1(k)：

$H_1^{i-1}\left(k\right)=(1-\mathrm{\β})H_1^{i-2}\left(k\right)+\mathrm{\β}{H}_0^{i-1}\left(k\right),k=\mathrm{1,2},...,210.$

其中，β为指数滤波系数，取值为0.3。

然后，利用该频域序列H₁ ^i-1(k)，按照公式(2)，对上一时刻得到的信道响应估计值H^i-1(k)进行信道更新，得到当前时刻的信道响应估计值Hⁱ(k)。

对频域序列Sⁱ(k)依次进行QPSK解调、QPSK调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)。将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)。按照公式(3)，可以得到各个有效子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)。将不同时刻发送的训练帧的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行如下指数滤波平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)：

${\mathrm{\ρ}}^i\left(k\right)=(1-\mathrm{\λ}){\mathrm{\ρ}}^{i-1}\left(k\right)+\mathrm{\λ}{\mathrm{\ρ}}_0^i\left(k\right),k=\mathrm{1,2},...,210.$

其中，λ为指数滤波系数，取值为0.3。

根据噪声功率序列ρⁱ(k)，按照公式(4)，可以得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。

图2所示为在高斯信道下，信噪比为31dB，第50号子载波信噪比估计结果随帧数变化曲线。可以看到，在系统发送150帧后，第50号子载波信噪比估计值逐渐收敛为31dB左右。图3所示为系统发送150帧后，按照本发明给出的子载波信噪比估计方法得到的210个有效子载波上的信噪比估计值。图4给出了采用本发明给出的子载波信噪比估计方法同时得到的信道估计的幅度和相位曲线。考虑到系统中发端和收端低通滤波器的影响，信道估计的幅度和相位曲线与高斯信道的理论曲线近似一致。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施方法和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1、一种子载波信噪比估计方法，其步骤包括：

a)接收机将接收到的时域序列yⁱ(n)进行快速傅里叶变换或离散傅里叶变换，得到接收的频域序列Yⁱ(k)；

b)利用当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)，对频域序列Yⁱ(k)进行均衡，得到频域序列Sⁱ(k)；

c)将频域序列Sⁱ(k)进行信息符号解调，得到判决后的二进制序列Bⁱ(m)；

d)将二进制序列Bⁱ(m)进行信息符号调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)；

e)将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)；

f)根据去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)，估计子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)；

g)将不同时刻得到的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行标量平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)；

h)根据噪声功率序列ρⁱ(k)，估计得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)中，利用Hⁱ(k)对Yⁱ(k)进行复数均衡，或利用Hⁱ(k)的幅度对Yⁱ(k)进行幅度均衡。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述步骤b)中，当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)由如下步骤得到：

1)将不同时刻得到的频域序列H₀ ¹(k)、H₀ ²(k)、...、H₀ ^i-1(k)进行标量平均，得到平均后的频域序列H₁ ^i-1(k)；

2)利用该频域序列H₁ ^i-1(k)，对上一时刻得到的信道响应估计值H^i-1(k)进行信道更新。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤f)中，计算信道响应幅度差的平方与常数1的差，得到各个子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)。

5、如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤g)中，所述标量平均是指标量的加权平均，或指数滤波、移动平均。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，上述步骤h)中，对噪声功率序列ρⁱ(k)进行对数运算，得到信噪比序列Cⁱ(k)。

7、一种子载波信噪比估计系统，该系统包括：

一傅里叶变换模块，用于将接收到的时域序列yⁱ(n)进行快速傅里叶变换或离散傅里叶变换，得到接收的频域序列Yⁱ(k)；

一均衡模块，用于利用当前时刻存储的信道响应估计值Hⁱ(k)，对频域序列Yⁱ(k)进行均衡，得到频域序列Sⁱ(k)；

一信息符号解调模块，用于将频域序列Sⁱ(k)进行信息符号解调，得到判决后的二进制序列Bⁱ(m)；

一信息符号调制模块，用于将二进制序列Bⁱ(m)进行信息符号调制，得到判决的频域符号序列Xⁱ(k)；

一去调制信息模块，用于将频域序列Sⁱ(k)除以判决序列Xⁱ(k)，得到去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)；

一噪声功率估计模块，根据去除调制信息后的频域序列H₀ ⁱ(k)，估计子载波上的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)；

一噪声功率平均模块，用于将不同时刻得到的噪声功率序列ρ₀ ⁱ(k)进行标量平均，得到平均后的噪声功率序列ρⁱ(k)；

和一信噪比估计模块，根据噪声功率序列ρⁱ(k)，估计得到各个子载波上的信噪比序列Cⁱ(k)。

8、如权利要求7所述系统，其特征在于，进一步包括，与均衡模块连接的一信道平均模块和一信道更新模块，

信道平均模块，将不同时刻得到的频域序列H₀ ¹(k)、H₀ ²(k)、...、H₀ ^i-1(k)进行标量平均，得到平均后的频域序列H₁ ^i-1(k)；

信道更新模块，利用该频域序列H₁ ^i-1(k)，对上一时刻得到的信道响应估计值H^i-1(k)进行信道更新。

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