DE4220524A1 - Separate estimation of power in two superimposed stochastic processes - by sampling and filtering to identify inputs for processing to identify separate signal and noise components - Google Patents
Separate estimation of power in two superimposed stochastic processes - by sampling and filtering to identify inputs for processing to identify separate signal and noise componentsInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur getrennten Schätzung der Einzelleistungen zweier stochastischer Prozesse aus der Beobachung des durch additive Überlagerung entstandenen Summenprozesses finden unter anderem Anwendung bei der Schätzung des Signalstörleistungsverhältnisses (signal-to-noise ratio, SNR) eines gestörten Signals, das ist der Quotient aus der Leistung eines erwünschten Anteils (Signal) und eines unerwünschten Anteils (Störung). In Anlehnung an diese Anwendung wird im folgenden einer der Summandenprozesse als Nutzprozeß mit der zugehörigen Nutzleistung, der andere als Störprozeß mit der zugehörigen Störleistung, und die aus der additiven Überlagerung der beiden Prozesse resultierende Zeitfunktion Signal genannt. Zur weiteren Verarbeitung wird das Signal abgetastet. Die dabei entstehenden Abtastwerte (Samples) bestehen aus der additiven Überlagerung eines zeitdiskreten Nutzprozesses (Nutzsamples) und eines zeitdiskreten Störprozesses (Störsamples).Procedure for the separate estimation of the individual performances of two stochastic processes from the observation of the sum process created by additive superposition are used, among other things, to estimate the signal-to-noise ratio (signal-to-noise ratio, SNR) of a disturbed signal, that is the quotient of the power a desired part (signal) and an undesirable part (disturbance). In Following this application, one of the addendum processes is described below Utility process with the associated useful power, the other as a disturbance process with the associated Interference power, and that from the additive superposition of the two processes resulting time function called signal. The signal is used for further processing scanned. The resulting samples consist of the additive Superposition of a time-discrete usage process (usage samples) and a time-discrete Interference process (interference samples).
Verfahren zur Schätzung des SNR fanden bisher vor allem bei der digitalen Datenübertragung Verwendung. Dabei ist der Nutzprozeß i. a. zyklostationär mit der Symbolschrittgeschwindigkeit als Periode, während der Störprozeß als schwach stationär angenommen werden kann. Neben einfachen, nur sehr beschränkt anwendbaren geometrischen Überlegungen erlangte vor allem ein als Split symbol moments SNR estimation bekanntes Verfahren eine praktische Bedeutung (B. Shah, S. Hinedi, "The split symbol moments SNR estimator in narrow band channels", IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. 26, no. 5, pp. 737-747, September 1990). Eine Schätzung für das SNR wird dabei durch arithmetische Operationen aus den Zeitmitteln erster und zweiter Ordnung des Absolutbetrags der Samples bestimmt. Dieses Verfahren weist allerdings zwei gravierende Nachteile auf: Zum einen ist es nötig, das Signal so abzutasten, daß mehrere Samples pro Symbolschritt zur Verfügung stehen (Überabtastung). Die Qualität der Schätzung hängt unmittelbar von der Höhe der Überabtastung ab. Zum anderen führt gegenseitige Überlagerung der Signalverläufe benachbarter Symbolschritte (Inter-Symbol-Interferenz, IS) zu einer nicht mehr erwartungstreuen, d. h. fehlerbehafteten Schätzung.So far, methods for estimating the SNR have mainly been found in digital data transmission Use. The process is i. a. cyclostationary with the symbol step speed as a period, while the disturbance process is assumed to be weakly stationary can be. In addition to simple geometric shapes that can only be used to a very limited extent One of the main considerations was a split symbol moments SNR estimation Procedures a practical meaning (B. Shah, S. Hinedi, "The split symbol moments SNR estimator in narrow band channels ", IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. 26, no. 5, pp. 737-747, September 1990). An estimate for the SNR is included by arithmetic operations from the first and second order time averages of the Absolute amount of the samples determined. However, this procedure has two serious ones Disadvantages: On the one hand, it is necessary to sample the signal so that several samples are available per symbol step (oversampling). The quality of the estimate depends directly on the amount of oversampling. On the other hand leads mutual Superposition of the signal curves of adjacent symbol steps (inter-symbol interference, IS) to no longer meet expectations, d. H. erroneous estimate.
Die Erfindung beruht auf der Berechnung des SNR aus den Zeitmitteln zweiter und vierter Ordnung des Betrages des abgetasteten (und ggf. digitalisierten) Signals. Wenn das Verfahren in der digitalen Übertragungstechnik zur Bestimmung des Signalstörleistungsverhältnisses eingesetzt wird, genügt die Abtastung des Empfänger-Eingangssignals nach dem Empfangsfilter im Symboltakt. Die Berechnung erfolgt dann durch Lösen eines i.a. quadratischen Systems zweier Gleichungen. Zum Aufstellen dieses Gleichungssystems ist es hinreichend, wenn die Formen der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen (d. h. bis auf die Leistung des Prozesses) der Amplituden von Nutz- und Störsamples bekannt sind. Diese sind z. B. bei der digitalen Übertragung durch das Modulationsverfahren (z. B. Phasenumtastung) und die Art der Störung (z. B. Gaußsches Rauschen oder Nebensprechen durch ein anderes Signal mit Phasenumtastung) gegeben. Die Zeitmittelung und die Berechnung (d. h. Lösen des Gleichungssystems) kann durch integrierte oder diskret aufgebaute Hardware oder durch ein auf einen Prozessor laufendes Programm vorgenommen werden.The invention is based on the calculation of the SNR from the time averages second and fourth order of the amount of the sampled (and possibly digitized) signal. If the method in digital transmission technology for determining the signal-to-interference ratio is used, the sampling of the receiver input signal is sufficient after the receive filter in symbol cycle. The calculation is then carried out by solving an i.a. quadratic system of two equations. To set up this system of equations it is sufficient if the forms of probability density distributions (i.e. up to the performance of the process) the amplitudes of useful and interference samples are known. These are e.g. B. in digital transmission by the modulation method (e.g. phase shift keying) and the type of interference (e.g. Gaussian noise or Crosstalk given by another signal with phase shift keying). The time averaging and the calculation (i.e. solving the system of equations) can be done by integrated or discretely constructed hardware or by running on a processor Program.
Fettgedruckte kursive Buchstaben b bezeichnen nachfolgend stochastische Prozesse, kursive Buchstaben b eine ihrer Mustersequenzen und tiefgestellte, griechische Buchstaben bγ die zeitliche Numerierung der Sequenzen. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) der Zufallsvariablen eines reellwertigen stochastischen Prozesses b wird mit fb(b) bezeichnet und als zeitinvariant vorausgesetzt. Für komplexwertige stochastische Prozesse b∈C wird eine VerbundwahrscheinlichkeitsdichteBold italic letters b subsequently denote stochastic processes, italic letters b one of their pattern sequences and subscripted Greek letters b γ the temporal numbering of the sequences. The probability density function (WDF) of the random variables of a real-valued stochastic process b is denoted by f b (b) and is assumed to be time-invariant. For complex valued stochastic processes b∈C there is a composite probability density
einer komplexen Zufallsvariablen definiert. Der Erwartungswert ist definiert alsa complex random variable. The expected value is defined as
für reelle Prozesse (Ordnung n) bzw.for real processes (order n) or
für komplexe Prozesse (Ordnung n + m). Die Kurtosis kb eines stochastischen Prozesses b ist definiert alsfor complex processes (order n + m). The kurtosis k b of a stochastic process b is defined as
und bleibt bei gegebenener Form der WDF konstant, unabhängig von der Leistung des Prozesses.and remains constant for a given form of WDF, regardless of the performance of the Process.
Im folgenden wird das abgetastete Signal als i. a. komplexwertiger, zeitdiskreter stochastischer Prozeß x aufgefaßt, der aus der additiven Überlagerung eines, als Nutzprozeß bezeichneten, zeitdiskreten stochastischen Prozesses e und eines, als Störprozeß bezeichneten, zeitdiskreten stochastischen Prozesses n hervorgeht, so daß gilt:In the following the sampled signal is called i. a. complex, time-discrete stochastic Process x is understood to be the additive superimposition of a, as a useful process designated discrete-time stochastic process e and a discrete-time discrete stochastic process n, so that:
Es wird vorausgesetzt, daßIt is assumed that
- 1. Nutz- und Störprozeß unkorreliert sind: 1. Usage and disturbance processes are uncorrelated:
- 2. Real- und Imaginärteil mindestens eines der beiden Prozesse, also z. B. des Störprozesses, orthogonal sind: 2. Real and imaginary part of at least one of the two processes. B. the disturbance process, orthogonal are:
- 3. beide Prozesse mittelwertfrei sind: oder erstes und drittes Moment eines der beiden Prozesse verschwinden:3. Both processes are free of mean values: or the first and third moments of one of the two processes disappear:
Bildung der Erwartungswerte zweiter und vierter Ordnung des beobachteten Summenprozesses x liefertFormation of the second and fourth order expected values of the observed summation process x provides
wobeiin which
die gesuchte mittlere Energie des zeitdiskreten Nutzprozesses undthe desired average energy of the discrete-time process and
die ebenfalls zu bestimmende mittlere Energie des zeitdiskreten Störprozesses ist. Für das Moment vierter Ordnung ergibt sichis the mean energy of the discrete-time disruptive process that is also to be determined. For the fourth order moment arises
Unter Anwendung der Voraussetzungen (3) bis (6) verschwinden alle Erwartungswerte, in denen einer der Prozesse in ungerader Potenz auftritt. Unter Verwendung der Abkürzungen (8) und (9) ergibt sich für komplexwertige Prozesse e und n folgendes Gleichungssystem für S und N:Using the requirements (3) to (6), all expected values disappear, in which one of the processes occurs in an odd power. Using the Abbreviations (8) and (9) give the following for complex valued processes e and n System of equations for S and N:
Einsetzen der Kurtosen (1) des Nutz- und Störprozesses führt zuInsertion of the kurtoses (1) of the useful and disruptive process leads to
Für reellwertige Prozesse e und n ergibt sich entsprechend:For real-valued processes e and n, the following results accordingly:
Auflösen dieses Gleichungssystems nach S und N führt aufSolving this system of equations according to S and N leads to
mitWith
Die Lösungen (14) existieren, falls D{x}0, war für viele bekannte digitale Übertragungsverfahren mit Störung durch Rauschen oder Nebensprechen bzw. Nachbarkanalinterferenz gegeben ist.The solutions (14) exist if D {x} 0 was for many known digital transmission methods with noise or crosstalk interference or adjacent channel interference given is.
Für eine konkrete Anwendung muß zunächst festgelegt werden, ob reell- oder komplexwertige Prozesse vorliegen. Entsprechend ist c in (15) zu wählen. Im nächsten Schritt sind die Kurtosen von Nutz- und Störprozeß ke und kn nach (1) zu bestimmen. Einsetzen in (15) liefert C und einen Ausdruck für D{x}. Durch Einsetzen in (14) entsteht je eine Bestimmungsgleichung für S und N.For a specific application, it must first be determined whether real or complex processes are available. Correspondingly, choose c in (15). In the next step, the kurtoses of useful and disruptive processes k e and k n are to be determined according to (1). Inserting in (15) gives C and an expression for D {x}. By inserting in (14), an equation for S and N is created.
Eine technische Realisierung des Verfahrens besteht aus der Implementierung der Erwartungswertbildung und des Rechenwerks für (14). Dies kann im konkreten Fall durch diskrete, digitale Schaltungen, teilweise oder vollständig integrierte Schaltkreise oder durch ein auf einem Prozessor laufendes Programm geschehen. In allen drei Fällen wird die Funktion durch einen Signalflußgraphen vollständig beschrieben.A technical implementation of the method consists of the implementation of the Expected value formation and the arithmetic unit for (14). This can be the case through discrete, digital circuits, partially or fully integrated circuits or by a program running on a processor. In all three cases the function is completely described by a signal flow graph.
Der in obigem Abschnitt verwandte Erwartungswertoperator wird durch eine Zeitmittelung ersetzt. Geeignet ist z. B. ein AR-Filter erster Ordnung, womit sich eine Struktur nach Abb. 3 ergibt. The expected value operator used in the section above is replaced by a time averaging. Is suitable for. B. an AR filter of the first order, resulting in a structure according to Fig. 3.
Weisen die WDFs von Nutz- und Störprozeß Eigenschaften auf, so daß keine Lösung von (14) existiert (z. B. wenn es sich in beiden Fällen um einen Gauß-Prozeß handelt), so kann die WDF eines oder beider Prozesse durch Partitionierung der Wertemenge in Teilmengen und Verwendung nur solcher Abtastwerte, die in einer dieser Teilmengen enthalten sind, so verändert werden, daß (14) lösbar ist. Abb. 4 zeigt als Beispiel einen Empfänger für Datenübertragung im Basisband. Der Entscheider teilt das Alphabet der übertragenen Symbole in zwei Teilmengen A und B, von denen nur eine (Teilmenge B) zur Bestimmung des Signalstörleistungsverhältnisses herangezogen wird.If the WDFs of useful and disturbance process have properties so that no solution to (14) exists (e.g. if it is a Gaussian process in both cases), the WDF can do one or both processes by partitioning the The quantity of values in subsets and the use of only those samples contained in one of these subsets are changed so that (14) can be solved. Fig. 4 shows an example of a receiver for data transmission in the baseband. The decision maker divides the alphabet of the transmitted symbols into two subsets A and B, of which only one (subset B) is used to determine the signal-to-noise ratio.
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DE19924220524 DE4220524A1 (en) | 1992-06-23 | 1992-06-23 | Separate estimation of power in two superimposed stochastic processes - by sampling and filtering to identify inputs for processing to identify separate signal and noise components |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1998008167A1 (en) * | 1996-08-16 | 1998-02-26 | University Of Alberta | Signal processing method using a finite-dimensional filter |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3243231C2 (en) * | 1982-11-23 | 1987-07-02 | Philips Kommunikations Industrie Ag, 8500 Nuernberg, De |
-
1992
- 1992-06-23 DE DE19924220524 patent/DE4220524A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3243231C2 (en) * | 1982-11-23 | 1987-07-02 | Philips Kommunikations Industrie Ag, 8500 Nuernberg, De |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
B. SHAH, S. HINEDI "The split symbol moments SNR estimator in narrow band channels", In: US-Z.: IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems, Sept. 1990, Vol. 26, No. 5, S. 737-747 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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