CN114189296B - 一种信噪比获取方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信噪比获取方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡。可见，本申请实现信噪比获取的方式具有极低的计算复杂度及较高的准确率，具有很好的工程实现潜力。

Description

一种信噪比获取方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及移动通信系统技术领域，更具体地说，涉及一种信噪比获取方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
OFDM技术通过将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，使每个子信道的信号带宽小于信道的相关带宽，每个子信道可以看成平坦衰落信道，因此信道均衡易于实现。特别的，OFDM技术易于与MIMO技术结合，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用效率能够成倍增加。目前，OFDM、MIMO-OFDM技术已经取得广泛应用，包括DVB、IEEE 802.11a/n、4G、5G等通信标准。
在OFDM、MIMO-OFDM等高速无线通信系统中，自适应编码调制技术是其中的一项关键技术。它的核心思想是根据接收端反馈的信道状态信息自适应调整调制方式(例如，BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等)和编码效率(例如，1/3、1/2、2/3、4/5等)，实现变速率传输。可以看出，信道状态的高效表征是自适应编码调制技术工程实用的关键，而信噪比又是反映信道状态信息的一个简单、高效指标，因此，如何提供一种能够获取信噪比的技术方案，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种信噪比获取方法、装置、设备及存储介质，具有极低的计算复杂度及较高的准确率，具有很好的工程实现潜力。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种信噪比获取方法，包括：
在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；
确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；
基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡。
优选的，确定所述接收信号的延时自相关函数及所述接收信号延时自相关函数的最大值，包括：
确定重复训练序列的长度为N，确定所述接收信号延时N个采样时刻的延时自相关函数Rd_auto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号延时自相关函数的最大值
其中，P表示重复训练序列的数量，r(k)表示接收信号，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引，spreamble(k)表示重复训练序列，w表示噪声，Psignal表示信号平均功率，且信号与噪声互不相关。
优选的，还包括：
获取部分扩频重复训练序列作为实现接收端及发送端之间的时频同步时的重复训练序列。
优选的，确定所述接收信号的延时自相关函数及所述接收信号延时自相关函数的最大值，包括：
确定重复训练序列的长度为N，确定所述接收信号延时N个采样时刻的延时自相关函数Rd_auto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号延时自相关函数的最大值
其中，重复训练序列的数量为2，r(k)表示接收信号，S(k)表示扩频序列，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引。
优选的，确定所述接收信号的自相关函数，以及所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值，包括：
确定所述接收信号的自相关函数Rauto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值
其中，P表示重复训练序列的数量，r(k)表示接收信号，spreamble(k)表示重复训练序列，S(k)表示扩频序列，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引，w表示噪声，Psignal表示信号平均功率，Pnoise表示噪声功率，信号与噪声互不相关。
优选的，基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，包括：
如果所述接收端通信通道的数量为一个，则按照下列公式计算相应的信噪比SNR：
其中，|.|表示求模运算。
优选的，基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，包括：
如果所述接收端通信通道的数量为至少两个，则将每个所述通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值之和作为分子，将每个所述通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值之和以及每个所述通信通道的接收信号自相关函数值的绝对值之和的差作为分母，计算得到相应的信噪比。
一种信噪比获取装置，包括：
获取模块，用于：在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；
确定模块，用于：确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；
均衡模块，用于：基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡。
一种信噪比获取设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述信噪比获取方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述信噪比获取方法的步骤。
本发明提供了一种信噪比获取方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡。本申请中若系统采用重复训练序列结构实现时频同步，则信噪比确定只需要计算接收信号的自相关函数和延时自相关函数，再寻找延时自相关函数的最大值，然后利用找到的延时自相关最大值以及该时刻的自相关函数值，即可求得系统的信噪比。可见，本申请实现信噪比获取的方式具有极低的计算复杂度及较高的准确率，具有很好的工程实现潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种信噪比获取方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中基于重复训练序列结构的信噪比估计原理图；
图3为本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中基于部分扩频重复训练序列结构的信噪比估计原理图；
图4为本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中MIMO分集系统基于部分扩频重复训练序列结构的信噪比估计原理图；
图5为本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中信噪比估计效果图；
图6为本发明实施例提供的一种信噪比获取装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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，信道均衡是制约接收端性能的关键。目前，MMSE是最为典型的均衡方式之一，MMSE均衡器的基本思想是求解均衡器参数使均衡器输出与期望信号之差的均方值达到最小。以OFDM为例，接收信号r(m)的频域表达式为：
R(k)＝H(k)S(k)+W(k),0≤k≤N-1 (1)
其中，R(k)、H(k)、S(k)和W(k)分别表示接收信号r(m)、信道响应h(m)、发射信号s(m)和噪声w(m)的频域表示。假设均衡系数为C(k)，则均衡后的频域输出为：
根据均方误差(MSE)的定义，可以推导出均衡后的MSE为：
当均方误差MSE取得最小值时，有：
其中，表示信号的平均功率，/>表示噪声的平均功率，SNR表示信噪比。可以看出，信噪比估计是MMSE均衡器充分发挥其优势的关键。
基于此，本申请实施例提供了一种能够实现信噪比准确获取的信噪比获取方法，如图1所示，具体可以包括：
S11：在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号。
需要说明的是，为了使得接收端获知发送端即将开始发送数据的情况，以实现相应的视频同步，通常可以采用重复序列队列来实现，重复训练序列广泛应用于实现OFDM、MIMO-OFDM等系统的时频同步；也即当接收端接收到发送端发送的重复训练序列后，则可以获知发送端即将开始发送数据。本申请实施例在采用重复训练序列实现接收端及发送端的视频数据同步时，可以基于重复训练训练实现信噪比的确定。
S12：确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值。
本申请实施例在接收端接收到重复训练序列后，通过确定该重复训练序列的延时自相关函数及自相关函数，获取延时自相关函数的最大值及该最大值时刻自相关函数的自相关函数值，进而基于该最大值及该自相关函数值即可实现对接收端接收重复训练序列过程中信噪比的有效计算，进而供基于该信噪比实现相应的信道平衡。
S13：基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡。
本申请中若系统采用重复训练序列结构实现时频同步，则信噪比确定只需要计算接收信号的自相关函数和延时自相关函数，再寻找延时自相关函数的最大值，然后利用找到的延时自相关最大值以及该时刻的自相关函数值，即可求得系统的信噪比。可见，本申请实现信噪比获取的方式具有极低的计算复杂度及较高的准确率，具有很好的工程实现潜力。
本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中，确定所述接收信号的延时自相关函数及所述接收信号延时自相关函数的最大值，可以包括：
确定重复训练序列的长度为N，确定所述接收信号延时N个采样时刻的延时自相关函数Rd_auto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号延时自相关函数的最大值
其中，P表示重复训练序列的数量，r(k)表示接收信号，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引，spreamble(k)表示重复训练序列，w表示噪声，Psignal表示信号平均功率，且信号与噪声互不相关。
确定所述接收信号的自相关函数，以及所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值，可以包括：
确定所述接收信号的自相关函数Rauto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值
其中，P表示重复训练序列的数量，r(k)表示接收信号，spreamble(k)表示重复训练序列，S(k)表示扩频序列，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引，w表示噪声，Psignal表示信号平均功率，Pnoise表示噪声功率，信号与噪声互不相关。
基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，可以包括：
如果所述接收端通信通道的数量为一个，则按照下列公式计算相应的信噪比SNR：
其中，|.|表示求模运算。
本申请实施例采用重复训练序列结构实现收、发端之间的时频同步，为接收端的后续调制解调等模块提供基础。考虑利用重复训练序列结构复用时频同步模块的延时自相关函数、自相关函数等计算单元，实现信噪比的准确实时估计。如图2，给出了一种基于重复训练序列结构的信噪比估计原理图。假设重复训练序列的长度为N，数量为2，则计算接收信号的延时N个采样时刻的自相关可得：
其中，Rd_auto(k)表示接收信号r(k)的延时自相关函数，(.)*表示共轭运算，k表示采样时刻下标，m表示训练序列下标。可以发现，其延时自相关函数会出现峰值(即最大值)，延时自相关函数峰值可以表示为：
其中，spreamble(k)表示重复训练序列，信号与噪声互不相关，Psignal表示信号平均功率。
另一方面，接收信号的自相关函数可以表示为
对应地，延时自相关函数峰值处接收信号的自相关函数可以表示为：
其中，Pnoise表示噪声功率。考虑到频偏等因素的影响，可以进一步得到信噪比SNR的估计值(通信通道仅为一个时)为：
其中，|.|表示求模运算。
上述方法可以方便地推广到P段重复训练序列结构的情形，同样假设每段序列的长度为N个采样点(即长度为N)，则接收信号的延时自相关函数可以表示为
在此基础上，相应调整式(6)至式(8)可以实现信噪比估计；具体来说，可以发现，其延时自相关函数会出现峰值，延时自相关函数峰值可以表示为：
其中，spreamble(k)表示重复训练序列，信号与噪声互不相关，Psignal表示信号平均功率。
另一方面，接收信号的自相关函数可以表示为：
对应地，延时自相关函数峰值处接收信号的自相关函数可以表示为：
本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中，还可以包括：
获取部分扩频重复训练序列作为实现接收端及发送端之间的时频同步时的重复训练序列。
确定所述接收信号的延时自相关函数及所述接收信号延时自相关函数的最大值，可以包括：
确定重复训练序列的长度为N，确定所述接收信号延时N个采样时刻的延时自相关函数Rd_auto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号延时自相关函数的最大值
其中，重复训练序列的数量为2，r(k)表示接收信号，S(k)表示扩频序列，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引。
可知信噪比估计的准确性与延时自相关函数峰值检测的准确性密切相关，为了提升延时自相关函数峰值检测的准确性，本申请实施例提出一种基于部分扩频重复训练序列结构的信噪比获取方法，该方法的训练序列结构如图3所示，如图所示，以2段重复训练序列结构为例，其中一段是另一端与扩频序列的点乘。此时，接收信号的延时自相关函数根据式(5)进行计算，得到：
此时，延时自相关函数的峰值计算公式与上述延时自相关函数的计算公式是相同的；其中，S(k)表示扩频序列。由于特殊重复结构引入了扩频序列，因此接收信号延时自相关函数的幅值会出现尖锐的相关峰值，峰值的尖锐特征会显著提升峰值检测的准确性。同样地，根据式(7)计算接收信号的自相关函数，根据式(8)计算接收信号延时自相关函数峰值处接收信号的自相关函数值，进而利用式(9)可以获得信噪比的估计值。
另外，基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，可以包括：
如果所述接收端通信通道的数量为至少两个，则将每个所述通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值之和作为分子，将每个所述通信通道的接收信号自相关函数值的绝对值之和以及每个所述通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值之和的差作为分母，计算得到相应的信噪比。
其中，如果接收端通信通道的数量为至少两个，则先获取每个通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值以及对应自相关函数值的绝对值，然后将各通道延时自相关函数值最大值的绝对值进行加和，并将加和所得结果作为分子；再将各通道自相关函数值的绝对值进行加和得到被减数，将各通道延时自相关函数的最大值的绝对值进行加和得到减数，并利用被减数减去减数得到的结果作为分母；最终计算出分子除以分母所得的商则为相应的信噪比。以MIMO系统进行具体说明，针对MIMO-OFDM情形，考虑到实际MIMO系统中不同通道之间相互独立，这意味着不同通道具有不同的信噪比。对于空间复用的MIMO系统，一般会根据接收端不同通道的信道状态信息(信噪比)来分配不同的发射功率或者不同的调制编码方式，但是对于空间分集的MIMO系统，则需要提供一个综合的信道状态信息(信噪比)。
以2天线MIMO-SFBC系统为例进行说明，该方法可以直接延伸至更多天线的情形。由于不同通道之间的独立性，每个通道根据式(10)或者式(14)计算各自接收信号的延时自相关函数值，得到2个通道的延时自相关函数峰值分别可以表示为(以采用式(14)进行说明)：
其中，r1(k)和r2(k)分别表示2个通道的接收信号；另一方面，2个通道延时自相关函数峰值处接收信号的自相关函数分别可以分别表示为：
其中，和/>分别表示2个通道的重复训练序列，w1和w2分别表示2个通道的噪声，/>和/>分别表示2个通道的信号平均功率，/>和/>分别表示2个通道的噪声功率。
综合上述分析，可以得到MIMO-SFBC系统的综合信噪比为：
图4给出了MIMO分集系统基于部分扩频重复训练序列结构的信噪比获取原理图，图5给出了2天线MIMO-SFBC系统中，利用本发明的信噪比获取方法估计综合信噪比的效果图。可以看出，本发明所提出的信噪比综合估计方法能够很好的反映系统的信噪比，对于指示系统的信道状态质量具有很好的参考价值。
本发明实施例还提供了一种信噪比获取装置，如图6所示，可以包括：
获取模块11，用于：在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；
确定模块12，用于：确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；
均衡模块13，用于：基于所述接收信号自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡。
本发明实施例还提供了一种信噪比获取设备，可以包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述信噪比获取方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可以实现如上任一项所述信噪比获取方法的步骤。
需要说明的是，本发明实施例提供的一种信噪比获取装置、设备及存储介质中相关部分的说明请参见本发明实施例提供的一种信噪比获取方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种信噪比获取方法，其特征在于，包括：
在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；
确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；
基于所述接收信号延时自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡；
基于所述接收信号延时自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，包括：
如果所述接收端通信通道的数量为一个，则按照下列公式计算相应的信噪比SNR：
其中，|.|表示求模运算，表示所述接收信号延时自相关函数的最大值，表示所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述接收信号的延时自相关函数及所述接收信号延时自相关函数的最大值，包括：
确定重复训练序列的长度为N，确定所述接收信号延时N个采样时刻的延时自相关函数Rd_auto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号延时自相关函数的最大值
其中，P表示重复训练序列的数量，r(k)表示接收信号，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引，spreamble(k)表示重复训练序列，w表示噪声，Psignal表示信号平均功率，且信号与噪声互不相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取部分扩频重复训练序列作为实现接收端及发送端之间的时频同步时的重复训练序列。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述接收信号的延时自相关函数及所述接收信号延时自相关函数的最大值，包括：
确定重复训练序列的长度为N，确定所述接收信号延时N个采样时刻的延时自相关函数Rd_auto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号延时自相关函数的最大值
其中，重复训练序列的数量为2，r(k)表示接收信号，S(k)表示扩频序列，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引。
5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，确定所述接收信号的自相关函数，以及所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值，包括：
确定所述接收信号的自相关函数Rauto(k)为：
按照下列公式计算所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值
其中，P表示重复训练序列的数量，r(k)表示接收信号，spreamble(k)表示重复训练序列，S(k)表示扩频序列，(.)*表示共轭运算，m和k分别表示相应的下标索引，w表示噪声，Psignal表示信号平均功率，Pnoise表示噪声功率，信号与噪声互不相关。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述接收信号延时自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，包括：
如果所述接收端通信通道的数量为至少两个，则将每个所述通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值之和作为分子，将每个所述通信通道的接收信号延时自相关函数最大值的绝对值之和以及每个所述通信通道的接收信号自相关函数值的绝对值之和的差作为分母，计算得到相应的信噪比。
7.一种信噪比获取装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于：在采用重复训练序列实现接收端及发送端之间的时频同步时，获取所述接收端接收的重复训练序列为接收信号；
确定模块，用于：确定所述接收信号的延时自相关函数及自相关函数，确定所述接收信号的延时自相关函数的最大值，并确定所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值；
均衡模块，用于：基于所述接收信号延时自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，并基于该信噪比实现信道均衡；
所述均衡模块中基于所述接收信号延时自相关函数的最大值及相应时刻的自相关函数值，确定相应的信噪比，包括：
如果所述接收端通信通道的数量为一个，则按照下列公式计算相应的信噪比SNR：
其中，|.|表示求模运算，表示所述接收信号延时自相关函数的最大值，/>表示所述接收信号在所述延时自相关函数最大值的时刻对应的自相关函数值。
8.一种信噪比获取设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述信噪比获取方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述信噪比获取方法的步骤。
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