CN112491753B - 一种信噪比估计算法的高效实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信噪比估计算法的高效实现方法，基于最大似然估计的信噪比估计算法由于计算量巨大，采用传统的实现结构会耗用大量的逻辑资源，同时产生较大的时间延迟。基于零中频接收机硬件架构，本文提出一种利用ROM查找表高效实现信噪比估计算法的设计结构，充分利用IQ两路数据信息，并综合考虑复杂度、估计精度和处理延迟等因素，通过合理设计符号样本长度和高效调用FPGA片内的乘法器、累加器、移位寄存器和ROM表等资源，以较小的硬件代价实现了信噪比估计算法，在保证估计精度的同时兼顾了处理延迟，具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种信噪比估计算法的高效实现方法。
背景技术
信道的信噪比估计对于卫星通信系统来说是非常重要的，一方面通过信噪比估计可以自适应的采用更有效的解调算法来提高解调性能，另一方面在移动通信中，系统使用信噪比作为通信质量的衡量标准，提供越区切换、功率控制和信道分配等所需的信道质量信息。在卫星通信中，大部分通信为协作通信，因此常常利用先验已知序列进行信噪比估计，其中经典的最大似然估计算法在实际工程应用中最为常见。在数据辅助条件下，最大似然估计算法是最优的，其估计效果接近克拉米罗下限(CRLB)，因此通过该算法估计的信噪比具有较高的精度，同时在低信噪比条件下仍然估计较为准确。
在DVB-S2广播系统中，信噪比估计的作用通常是辅助完成载波频率粗同步，同时为上层发布ACM指令提供参考。在实际工程应用中，通常采用经典的最大似然估计算法进行信噪比估计。为配合基带的帧同步和数据解调，信噪比估计算法通常在FPGA芯片内部实现。基于最大似然估计的信噪比估计算法由于计算量巨大，采用传统的实现结构会耗用大量的逻辑资源，同时产生较大的时间延迟。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种信噪比估计算法的高效实现方法，耗用少量的逻辑资源同时延迟较小，而且进一步降低了芯片功耗，解决了上述问题的不足。
本发明采用的技术方案如下：
一种信噪比估计算法的高效实现方法，包括以下步骤，
步骤1：根据最大似然估计算法和信噪比估计的带通系统等效模型得出，复信号的最大似然信噪比估计表达式为：
其中
zk为经取样的复高斯噪声，具有零均值，方差为N/2，S为信号功率因子，N为噪声功率因子，K＝NsymNss，Nss为每个符号的采样点数，Nsym为符号的样本个数；rk*表示rk的共轭，Re{}表示取实部，mk为已知发送信号，Ik为接收信号的实部，Qk为接收信号的虚部；
步骤2：在DVB-S2广播系统中，FPGA会接收到IQ两路数据信息，分别设为yIn和yQn；将信噪比估计模块放置在基带解调器的后端，每个符号仅有一个采样点数，即Nss数值为1；
步骤3：假设K为65536，DVB-S2广播系统中信噪比估计表达式为：
上面支路通过调用FPGA片内的累加器、乘法器和移位寄存器资源、右移32位，得到信号功率；同样，下面支路通过调用FPGA片内的累加器、乘法器和移位寄存器资源、右移16位，得到噪声功率；
步骤4：通过Matlab将功率P转换为对数10log10P，并存储固化在ROM表内，然后根据公式信噪比计算公式
将得到的噪声功率和信号功率映射到ROM所对应的地址，完成信号和噪声的对数转换功能，最后通过减法运算，即可得到最终的信噪比SNR。
进一步地：还包括用于构建信号和噪声功率的ROM查找表。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
基于最大似然估计的信噪比估计算法由于计算量巨大，采用传统的实现结构会耗用大量的逻辑资源，同时产生较大的时间延迟。基于零中频接收机硬件架构，本文提出一种利用ROM查找表高效实现信噪比估计算法(最大似然估计算法)的设计结构，充分利用IQ两路数据信息，并综合考虑复杂度、估计精度和处理延迟等因素，通过合理设计符号样本长度和高效调用FPGA片内的乘法器、累加器、移位寄存器和ROM表等资源，以较小的硬件代价实现了信噪比估计算法，在保证估计精度的同时兼顾了处理延迟，具有较高的工程应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是信噪比估计的带通系统等效模型示意图；
图2是信噪比估计的实现结构示意图；
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
本发明较佳实施例提供的一种信噪比估计算法的高效实现方法，图1为信噪比估计的带通系统等效模型、图2为信噪比估计的实现结构；
信噪比SNR定义为接收判决输入时离散信号功率与离散噪声功率之比，它与符号信噪比Es/N0有关，当在实信道中SNR＝2Es/N0，在复信道中SNR＝Es/N0。对应的通信模型如图1所示：
最大似然估计算法是利用若干个观测值来估计参数实际值的方法。根据最大似然估计算法理论，结合图1，复信号的最大似然信噪比估计表达式为
其中
zk为经取样的复高斯噪声，具有零均值，方差为N/2，S为信号功率因子，N为噪声功率因子，K＝NsymNss，Nss为每个符号的采样点数，Nsym为符号的样本个数。结合DVB-S2广播系统，大部分卫星接收机采用零中频的硬件架构，因此FPGA会接收到IQ两路数据信息，不妨分别设为yIn和yQn。为简化实现复杂度，将信噪比估计模块放置在基带解调器的后端，每个符号仅有一个采样点数，即Nss数值为1，从而K取值即为符号的样本个数Nsym。在DVB-S2广播系统中，接收信号为连续信号，因此符号的样本个数Nsym理论上没有具体限制要求。但是在FPGA定点实现时需要充分考虑复杂度、估计精度和处理延迟等因素。首先Nsym的数值优先考虑为2M(M为大于0的正整数)，方便FPGA内部做移位运算，可大大节省资源；Nsym的数值应当尽量大，只有统计足够多的符号样本才能精确的表征信号的特征信息，从而提高信噪比估计精度；Nsym的数值又应当尽量小，以减小信号处理的时间延迟，实时为上层发布ACM指令提供参考。
具体实施时：针对复信道，复信道的计算方法SNR＝20lg(Ps/Pn)中，Ps指的是信号功率，Pn指的是噪声功率，取对数后再乘以20，最终得到的单位是dB，方案中SNR＝Es/N0，其含义与其相同，Es表征信号功率，N0表征噪声功率，在行业内信噪比大都采用方案中的表述方法，其默认单位就是dB。综合考虑各种因素后将样本值设置为65536。
因此，根据最大似然估计表达式，最终本系统信噪比估计可采用如下表达式进行描述：
其中K＝65536，yIn和yQn分别为IQ两路采样数据(一个符号一个样本点)，具体实现结构如图2所示。图中上面支路计算信号功率，下面支路计算总功率，最后两个支路相减得到噪声功率，信噪比通过查表的方式输出。上面支路通过调用FPGA片内的累加器、乘法器和移位寄存器资源(右移32位)，得到信号功率；同样，下面支路通过调用FPGA片内的累加器、乘法器和移位寄存器资源(右移16位)，得到噪声功率。而ROM查找表的作用是构建信号和噪声功率的查找表，首先通过Matlab等工具将功率P转换为对数10log10P，并存储固化在ROM表内，然后根据公式信噪比计算公式：
最后，将得到的噪声功率和信号功率映射到ROM所对应的地址，完成信号和噪声的对数转换功能，最后通过减法运算，即可得到最终的信噪比SNR。
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的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员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 (2)
1.一种信噪比估计算法的高效实现方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1：根据最大似然估计算法和信噪比估计的带通系统等效模型得出，复信号的最大似然信噪比估计表达式为：
其中
zk为经取样的复高斯噪声，具有零均值，方差为N/2，S为信号功率因子，N为噪声功率因子，K＝NsymNss，Nss为每个符号的采样点数，Nsym为符号的样本个数；rk*表示rk的共轭，Re{}表示取实部，mk为已知发送信号，Ik为接收信号的实部，Qk为接收信号的虚部；
步骤2：在DVB-S2广播系统中，FPGA会接收到IQ两路数据信息，分别设为yIn和yQn；将信噪比估计模块放置在基带解调器的后端，每个符号仅有一个采样点数，即Nss数值为1；
步骤3：假设K为65536，DVB-S2广播系统中信噪比估计表达式为：
上面支路通过调用FPGA片内的累加器、乘法器和移位寄存器资源、右移32位，得到信号功率；同样，下面支路通过调用FPGA片内的累加器、乘法器和移位寄存器资源、右移16位，得到噪声功率；
步骤4：通过Matlab将功率P转换为对数10log10P，并存储固化在ROM表内，然后根据公式信噪比计算公式
将得到的噪声功率和信号功率映射到ROM所对应的地址，完成信号和噪声的对数转换功能，最后通过减法运算，即可得到最终的信噪比SNR。
2.根据权利要求1所述的一种信噪比估计算法的高效实现方法，其特征在于：还包括用于构建信号和噪声功率的ROM查找表。
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