CN105933257B - 一种频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，所述频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法根据接收信号的广义四阶循环累积量幅度谱的离散谱线所对应的循环频率，估计出时频重叠信号的码元速率；估计出各个分量信号的功率以及分量信号的功率和；估计出接收信号的频带范围，并利用多窗口周期图法对接收信号的功率谱进行估计，得出接收信号的总功率；计算出时频重叠信号的噪声功率，从而估计出underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比。本发明在低信噪比和高频谱重叠率的条件下，对underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比具有良好的估计性能。

Description

一种频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法。
背景技术
在现代无线通信领域，随着通信技术的发展，频谱资源变得越来越紧张。Underlay频谱共享方式能够使主用户和次用户共享同一个频带，是解决频谱资源短缺问题的有效途径。在underlay方式下，只有当授权信道内信号的干扰温度低于信道的干扰温度限的时候，次用户才有被接入的可能。此时，信道内时频重叠信号的功率是计算干扰温度的一个重要参数，而计算信号的功率可以通过估计信号的信噪比得到。因此，研究underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计有一定的意义和价值。Shree等人利用随机矩阵理论，提出了基于接收信号协方差矩阵的最大特征值的信噪比估计方法(Shree KrishnaSharma.Eigenvalue-based sensing and SNR estimation for cognitive radio inpresence of noise correlation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2013,62(8):3671-3684.)，并针对信道相关以及噪声与信道均相关的情况，建立了接收信号协方差矩阵的渐近特征值概率分布函数,从而进行信噪比估计，该方法在信噪比大于3dB时，归一化MSE为0.1％。(Shree Krishna Sharma.SNR estimation for Multi-dimensional cognitive receiver under correlated Channel/Noise[J].IEEETransactions on Wireless Communication,2013,12(12):6392-6405.)。S.Chatzinotas等人针对宽带认知无线电中相关多测量向量和相关噪声两种场景，运用压缩测量的方法有效的对授权用户的信噪比进行估计。(S.Chatzinotas,B.Ottersten.Compressive SNREstimation for Wideband Cognitive Radio under Correlated Scenarios[C].WCNC,2014:713-718.)。Johanna Vartiainen等人提出了一种基于双门限的多个重叠窄带信号信噪比估计，该方法在两个BPSK信号混合且当0dB<SNR<6dB时，估计偏差接近零，但是该方法仅适应于时域重叠而频域不重叠的信号，不适用于实际的underlay频谱共享方式。(Johanna Vartiainen,Harri Saarnisaari,Janne J.Lehtomaki and Markku Juntti.Ablind signal localization and SNR estimation method[C].MilitaryCommunications Conference,2006:1-7)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，旨在解决underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比难以估计的问题。
本发明是这样实现的，一种频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，所述underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法：根据接收信号的广义四阶循环累积量幅度谱的离散谱线所对应的循环频率，估计出时频重叠信号的码元速率；估计出各个分量信号的功率以及分量信号的功率和；估计出接收信号的频带范围，并利用多窗口周期图法对接收信号的功率谱进行估计，得出接收信号的总功率；计算出时频重叠信号的噪声功率，从而估计出underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比。
进一步，所述频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法包括以下步骤：
步骤一，计算接收信号的广义四阶循环累积量通过检测此广义四阶循环累积量幅度谱的离散谱线所对应的循环频率β，估计出时频重叠信号的码元速率，其中广义四阶循环累积量
步骤二，根据时频重叠信号的二阶循环累积量循环频率是码元速率整数倍时尖峰特性，估计出各个分量信号的功率以及分量信号的功率和其中 和分别为信号分量码元速率和载波频率，q(t)为升余弦滚降滤波函数，ε为滚降系数，为信号的二阶循环累积量；
步骤三，由码元速率和带宽频宽的关系估计出接收信号的频带范围[fh,fl]，并利用多窗口周期图法对接收信号的功率谱进行估计，得出接收信号的总功率
步骤四，计算出时频重叠信号的噪声功率并根据信噪比的定义估计出underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比。
进一步，所述步骤一中时频重叠信号的码元速率估计方法为：
接收信号的信号模型表示为：
其中si(t)(i＝1,...,N)是时频重叠的用户信号分量，N为用户信号分量的个数，t为时间；n(t)为加性高斯白噪声；Ai为用户信号分量si(t)的幅度；aik为调制信号；pi(t)(i＝1,...,N)为滚降系数ε的升余弦成形滤波函数，且Tsi为码元速率；fi为载波频率；j为虚数的表示形式，且满足j2＝-1；用户信号分量之间以及用户信号分量和噪声之间相互独立；
时频重叠双信号的广义四阶循环累积量的幅度谱表示为：
其中，对于不同类型的信号分量则K(m)不同，Y为非零值；当循环频率为β＝k/T1b或β＝k/T2b，k＝±1时，在其广义四阶循环累积量幅度谱的循环频率处出现离散的谱线，通过检测此幅度谱的离散谱线所对应的循环频率，估计出时频重叠信号分量的码元速率
进一步，所述步骤二中分量信号的功率和的估计方法为：
时频重叠的MPSK信号二阶循环累积量表示为：
由上式可知，循环累积量在循环频率为整数倍码元速率处具有尖峰特性，且信号分量的则：
根据信号分量在取定非零循环频率处的循环累积量值计算出此信号分量的功率即每个分量信号的码速率不相同且不存在整数倍关系，每个分量循环谱的峰值点对应的循环频率不会造成重叠，即时频重叠信号的循环累积量的谱线具有可分性，从而得到每个信号分量的功率总和为
进一步，所述步骤三中的接收信号的频带范围的估计和时频重叠信号的总功率的估计方法为：
根据每个信号分量的码元速率估计值和无码间串扰时码元速率与带宽之间的关系，即得到每个信号分量的带宽宽度Bi；
然后由信号分量的载频估计值，结合各个信号分量的带宽，得到每个信号分量的频带范围[fLi，fHi]，i＝1,2...m；
最后分别比较分量频带上下界，将作为时频重叠信号的频带下界，将作为时频重叠信号的频带上界，从而可得到整个接收信号的频带范围[fL,fH]；利用多窗口周期图法对接收的信号进行谱估计，得到含有噪声的时频重叠信号的功率谱密度为并根据信号所在的频带范围[fL，fH]，可得到总接收时频重叠信号的总功率
本发明提供的频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，当信噪比大于0dB时，信噪比估计的归一化均方误差小于1。由此可见，本发明在低信噪比和高频谱重叠率的条件下，对underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比具有良好的估计性能；利用该发明技术可以便于测量出干扰温度，并且在干扰温度以下使主用户和次用户共存，从而提高频谱利用率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的本发明对不同调制类型的时频重叠信号在不同信噪比下的估计正确率示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明为在underlay频谱共享方式下，一种具有低信噪比和高频谱重叠率的时频重叠信号信噪比估计方法，所述方法包括以下步骤：
S1计算接收信号的广义四阶循环累积量并通过检测此广义四阶循环累积量幅度谱的离散谱线所对应的循环频率β，估计出时频重叠信号的码元速率，其中广义四阶循环累积量
需要说明的是，步骤S1中时频重叠信号的码元速率估计原理为：
接收信号的信号模型表示为：
其中si(t)(i＝1,...,N)是时频重叠的用户信号分量，N为用户信号分量的个数，t为时间；n(t)为加性高斯白噪声；Ai为用户信号分量si(t)的幅度；aik为调制信号；pi(t)(i＝1,...,N)为滚降系数ε的升余弦成形滤波函数，且Tsi为码元速率；fi为载波频率；j为虚数的表示形式，且满足j2＝-1；用户信号分量之间以及用户信号分量和噪声之间相互独立；
有限多个互为独立的循环平稳信号的有限次和(差)仍为循环平稳信号，以时频重叠双信号为例,且假设信号s1(t)和s2(t)互相独立，码元速率各不相同且互不为整数倍，则该时频重叠双信号的广义四阶循环累积量的幅度谱可表示为：
其中，对于不同类型的信号分量则K(m)不同，Y为非零值。广义四阶循环累积量中的非线性变换仅将信号的幅度|Aa(m)|变换成了|ln|Aa(m)||，并未改变其相位信息，因此广义四阶循环累积量和传统的四阶循环累积量具有相同的循环频率。由上式可知：当循环频率为β＝k/T1b或β＝k/T2b，k＝±1时，在其广义四阶循环累积量幅度谱的循环频率处出现离散的谱线，因此可以通过检测此幅度谱的离散谱线所对应的循环频率，可以估计出时频重叠信号分量的码元速率
S2根据时频重叠信号的二阶循环累积量循环频率是码元速率整数倍时尖峰特性，估计出各个分量信号的功率以及分量信号的功率和其中 和分别为信号分量码元速率和载波频率，q(t)为升余弦滚降滤波函数，ε为滚降系数，为信号的二阶循环累积量；
需要说明的是，步骤S2中分量信号的功率和的估计原理为：
以时频重叠的MPSK信号为例，其二阶循环累积量可表示为：
由上式可知，循环累积量在循环频率为整数倍码元速率处具有尖峰特性，且信号分量的则：
在已估计出信号分量码元速率和载波频率的基础上，当循环频率a取在整数倍码元速率处，且成形脉冲q(t)为含有滚降系数ε的情况下，可根据信号分量在取定非零循环频率处的循环累积量值计算出此信号分量的功率即此外，当每个分量信号的码速率不相同且不存在整数倍关系，每个分量循环谱的峰值点对应的循环频率不会造成重叠，即时频重叠信号的循环累积量的谱线具有可分性，从而得到每个信号分量的功率总和为：
S3由码元速率和带宽频宽的关系估计出接收信号的频带范围[fh,fl]，并利用多窗口周期图法对接收信号的功率谱进行估计，得出接收信号的总功率
需要说明的是，步骤S3中的接收信号的频带范围的估计和时频重叠信号的总功率的估计原理为：
根据每个信号分量的码元速率估计值和无码间串扰时码元速率与带宽之间的关系，即得到每个信号分量的带宽宽度Bi；然后由信号分量的载频估计值，结合各个信号分量的带宽，得到每个信号分量的频带范围[fLi，fHi]，i＝1,2...m；最后分别比较分量频带上下界，将作为时频重叠信号的频带下界，将作为时频重叠信号的频带上界，从而可得到整个接收信号的频带范围[fL，fH]。
利用多窗口周期图法对接收的信号进行谱估计，得到含有噪声的时频重叠信号的功率谱密度为并根据信号所在的频带范围[fL，fH]，可得到总接收时频重叠信号的总功率
S4计算出时频重叠信号的噪声功率并根据信噪比的定义估计出underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比。
下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。
为了评估方法的性能，下面的仿真实验采用信号的类型为BPSK信号和QPSK信号的混合信号，并进行2000次Monte Carlo实验。检测的评估标准为归一化均方误差
为了测试本方法的检验统计量的性能，参数设置如下：升余弦成形滤波函数的滚降系数α＝0.35；采样频率为24000Hz；采样点数15000；码元速率分别为1200Hz和1600Hz；载波频率分别为2700Hz和3300Hz；功率比1：1。仿真结果如图2所示，本发明的信噪比估计方法是有效可行的。由此说明本发明方法在低信噪比和高频谱重叠率条件下，对underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计具有较好的估计性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，其特征在于，所述频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法包括以下步骤：
步骤一，计算接收信号的广义四阶循环累积量通过检测此广义四阶循环累积量幅度谱的离散谱线所对应的循环频率β，估计出时频重叠信号的码元速率；
步骤二，根据时频重叠信号的二阶循环累积量循环频率是码元速率整数倍时的尖峰特性，估计出各个分量信号的功率以及分量信号的功率和其中Ai为分量信号的幅度且 和分别为信号分量码元速率和载波频率，q(t)为升余弦滚降滤波函数，ε为滚降系数，为信号的二阶循环累积量，α为循环频率；
步骤三，由码元速率和带宽的关系估计出接收信号的频带范围[fL,fH]，并利用多窗口周期图法对接收信号的功率谱进行估计，得出接收信号的总功率
步骤四，计算出时频重叠信号的噪声功率并根据信噪比的定义估计出underlay频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比。
2.如权利要求1所述的频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，其特征在于，所述步骤二中分量信号的功率和的估计方法为：
时频重叠的MPSK信号二阶循环累积量表示为：
由上式可知，循环累积量在循环频率为整数倍码元速率处具有尖峰特性，且信号分量的Cα(2,1)＝1，则：
根据信号分量在取定非零循环频率处的循环累积量值计算出此信号分量的功率即每个分量信号的码元速率不相同且不存在整数倍关系，每个分量循环谱的峰值点对应的循环频率不会造成重叠，即时频重叠信号的循环累积量的谱线具有可分性，从而得到每个信号分量的功率总和为
3.如权利要求1所述的频谱共享方式下时频重叠信号的信噪比估计方法，其特征在于，所述步骤三中的接收信号的频带范围的估计和时频重叠信号的总功率的估计方法为：
根据每个信号分量的码元速率估计值和无码间串扰时码元速率与带宽之间的关系，即得到每个信号分量的带宽Bi；
然后由信号分量的载频估计值，结合各个信号分量的带宽，得到每个信号分量的频带范围[fLi,fHi]，i＝1,2...m；
最后分别比较分量频带上下界，将作为时频重叠信号的频带下界，将作为时频重叠信号的频带上界，从而可得到整个接收信号的频带范围[fL,fH]；利用多窗口周期图法对接收的信号进行谱估计，得到含有噪声的时频重叠信号的功率谱密度为并根据信号所在的频带范围[fL,fH]，可得到总接收时频重叠信号的总功率
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