TW472467B - A method of estimating the signal-to-noise ratio in a telecommunications receiver and an application of the method to controlling a transmitter - Google Patents

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6 4 2 7 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7___五、發明說明（1 ) 本發明是關於一種經由無線電通信接收器預測所接收 ·· 、 * - 到的信號之信號雜訊比的方法。它同時涉及一種輔助此方 法的接收器，以及在控制發射器功率上的一種應用。 一個電信系統通常同時傳送出好幾種不同的傳呼。 例如，電信系統在此被當作是終端機與控制站或連接 站的一種聯繫，特別是經由利用衛星上的轉射裝置^每一 個在終端機間的傳呼都是受到控制站的影響。因此，控制 站同時與好幾個終端機互相通信。 在上述的電信系統中，能夠同時被傳送的傳呼數，取 決於衛星上有多少可利用的轉射功率。爲了使系統有最大 的容量，換句話說，爲了使同時能被傳送的傳呼總數達到 、 、.、 、 最多，則必須使分配到每一個發射器的功率減到最小，因 爲轉射器的功率須受到限制。然而，此種限制卻很難達到 最佳傳呼品質的要求，因爲這需要有足夠的發射功率。如 同一般的規定，這些傳呼都是數位的，而且其發射品質是 與最大允許誤差比値是相互矛盾的。如果此接收到的信號 之雜訊比的比値高於一設定好的限制値’，則此最大允許誤 差比値將可以達到。 因此，發射器的功率一般取決於與其相連的接收器之 信號雜訊比，而且此信號雜訊比一般都是連續測量出來的 ，特別是在衛星發射系統，由於氣象條件變化的緣故，因 此傳播的情形會不一樣。例如，雨天所接收到的信號和晴 天所接收到的信號比較起來將會有較大的衰減。傳播的條 件也會因由好幾個信號路徑產生信號相加減所造成的閃爍 I-------------裝-----r---訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -4 * 472467 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

A7 B7 ___五、發明說明（2 ) 而變差。傳播的條件也會因爲當天線追蹤移動的信號源（ 這裡指衛星）被遮住時，以及當傳送信號的路徑被擋住時 · 而變差。 此接收信號之信號雜訊比的測量値本身是受制於雜訊 的預測値、，而此測量値一般能被濾波器校平’，例如經由低 通濾波器，來減少雜訊的預測値。 此測量的信號雜訊比之準確度可由電信系統的容量來 決定。如果此測量値夠精確的話，每一個發射器則只分配 到剛好足夠的功率，因而使得通信資源發揮到極限；然而 如果此測量値不夠精確，則將導致每一個發射器分配到過 多的功率，因而無法達到通信資源發揮到極限的目的。 本發明改善此測量之信號雜訊比的精確度’並供應一 .. .…... .. ...... ... - .. 組連接到發射器的信號，以減少傳輸功率。 I t. 本發明的方法是分別預測信號與雜訊’而且在將信號 除以雜訊前已經將信號與雜訊分別濾波。結果發現此方法 確實減少雜訊預測値。 於一實施例中，信號與雜訊以不同的方式濾波，分別 得到較令人滿意的號與雜訊。此信號與雜訊有各種不问 的値，特別是因爲各種不同的起源"例如’ 一個在這種形 式過程中得到的信號與雜訊，不見得適用在其他的過程， , t 因爲每一個信號與雜訊的振幅及頻寬通常都不一樣。 同時，當通信量並不多時’雖然雜訊能夠連續測得’ 但信號的功率只能當信號出現時測得t 在信號與雜訊相除前/一般常用的方法是利用一個低 V (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----r---訂---------線' 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5- 472467 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（3 ) 通濾波器先濾波此想要的信號，一方面顯著的降低信號雜 訊的預測値外，另一方面得到一個較短的控制迴路響應時 間 '爲了達到此目的，一般不是利用一個有限脈衝響應濾 波器，例如平均濾波器，就是利用一個無窮脈衝響應濾波 器，例如一階濾波器。一個一階無窮脈衝響應濾波器比較 常被用在當通信量並不多時，因爲它在新的資料上給予的 加權指數比舊的資料還要多。 ' .- 能夠允許具有隨機本質的雜訊之統計平滑濾波器是比 較常被用在濾波或平滑預測的雜訊。爲了達到此目的’此 . '+> I 雜訊功率測量値的統計分配是在一段足以收集大量的測量 値的時間內被觀察，但在此時間內，此雜訊仍維持靜態狀 態。一個高出平均値標準的雜訊之後被選擇來組成一個限 制標準値，若高出此標準値，於此觀察期間中預測的雜訊 功率，其超過此限制標準値的機率是低於一個低門限値ε W-〆 〇 換句話說，爲了預測雜訊値與其計算雜訊的平均値 ，一般考慮用雜訊位準圖及雜訊準位分布來做決定。. 最簡單的方式是，在一個夠長的觀察期間內、取一個最 大的雜訊準位：例如大槪約一秒鐘順序的期間。· 此雜訊準位同時能夠以已知雜訊的參數的函數.來做預 測。例$q，如果已知此雜訊爲高斯雜訊則可求出其分配 平均値//以及變異數σ 2 ’而且其平滑濾波値等於# + η σ ，其中σ是標準誤差，η是一個整數，使得雜訊功率不超 過// + η σ的機率小於此低門限値e。/ ------------------..----訂---------' 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -6- 472467 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4 ) 一般來說’平均値以及變異數也就疋在機率上分配 的要素，是用來預測此雜訊功率。. 預測此統計平滑濾波器在有千擾時是特別有助益的。 « I. 例如在出現熱雜訊時..，也有可能利用低通濾波器或者 無限的脈衝響應濾波器。、 本發明主要應用在預測一個欲得信號之信號雜訊比’ 也就是一個資料信號的信號雜訊比。； 本發明提供一個預測一個欲得信號之信號雜訊比’特 別是一個藉由無線電信接收器接收到的數位信號。此方法 的特點是減少信號雜訊比的雜訊預測値’信號與雜訊是分 別預測的，而且在將信號除以雜訊前已經將信號與雜訊分 別濾波過了。 於一個實施例中，欲得信號的濾波與雜訊信號的濾波 是不同的。 於一個實施例中，爲了要濾波雜訊信號，雜訊功率測 量値的統計分佈是在一段特別的期間觀察V此期間是在當 收集一個測量樣本的統計代表値以及雜訊在一個足夠短的 時間維持在一個特定的靜止狀態下q 於另一個實施例中，被利用的雜訊具有一個準位値， 使得所有雜訊準位超過此値的機率在觀察期間內是小於一 個預先設定的門限値。. 於一個實施例中，可測定出機率中分配的要素。 於一個實施例中，可測定平均値及變異數，而雜訊値 爲# + ησ，其中σ是標準誤差，η是一個根據預先決定 1---—111 — — — — * , I 丨 1 l· 丨 I i 訂 — — — — —----* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） 472467 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___ 五、發明說明（5 ) 的門限値求得的整數° 於一個實施例中’ 一個有限或無窮脈衝響應低通濾波 器是用來濾波雜訊的信號° 於一個實施例中’ 一個有限脈衝響應濾波器是用來濾 波所欲得的信號。 ' 於一個實施例中’ 一個有限脈衝響應濾波器是一個平 均濾波器。 於一個實施例中’發射器在一個特別的準位上以一個 規則的週期傳送參考信號，而且信號雜訊比是由此參考信 號預測得來的。 於一個實施例中’ 一個無窮脈衝響應濾波器是用來濾 波此欲得信號的預測値。 於一個實施例中，利用〜個一階自回復（autoregressive ) 濾波|| ， 其表示 式爲： 1 A -Λ . X/ =(1-α)χ.+αχΜ 其中，i表示在時間i時，欲得信號之瞬間預測値，^ 表不在時間i時，欲得信號之平滑預測値，而a是一個積分 係數。 於一個實施例中，整束或整組的信號是零星的被接收 ’而且每一束或一組接收到的信號都先經過濾波。 本發明同時提供一個預測遠距通信接收器之信號雜訊 比的應用方法，此接收器傳送資料以便控制相對應的發射 器功率。 本發明其他的特點及優點將在閱讀下列實施例的描述 本紙張尺錢财 (CNiuT^ (210 x 297 ^ ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂--------- -8- A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6 ) 後變得更顯著。以下描述是與圖形一起做爲參考，其中： 圖一是利用本發明的方法而成的發射器及接收器。 ®二是應用本發明的方法而成的電信系統圖形。 圖三是解釋在圖一中接收器濾波的圖形。 主要元 件對照表 1 0 發射器 1 2 接收器 1 4 衛星 1 6 區域 1 8 連接站 2 0 1 '2 '- 終端機 2 2 網路 2 8 頻道 3 〇 接收器單元 3 2 信號測量器單元 3 4 雜訊功率測量器單元 3 6 信號濾波器單元 4 0 除法器 4 2 分子輸入 4 4 濾波器 4 6 分母輸入 5 0 決策單元 5 2 參考信號號輸入端 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝-----·—---訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -9- 472467 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) 圖一列出一個發射器1 0及接收器1 2。發射器1 0 \ 的功率Ρ β是藉由接收器1 2所供應的一個集合點信號 占P e所求出。於範例中，發射器及接收器是電信系統中的 一部份，在此系統中，傳呼是經由在地球軌道的低處或中 間處的非幾何靜止的衛星1 4 (如圖二）所傳輸，其高度 大槪在1 4 5 0公里左右。地球本身被分成好幾個直徑爲 700公里的區域（如圖二16)，每一個區域16包含 一個位於中央的控制站或連接站1 8 .，數個終端機2 0 1， 2 0 2，...等。連接站1 8被連接到一個或好幾個其他的網 路上2 2，例如，地球的網路上。 一個介於兩終端機2 0 :及2 0 2的傳呼是藉由衛星 1 4與連接站1 8產生作用。更正確的說，當終端機2 0 i ，終端機2 0 2相互聯繫時.，由終端機2 0 I所發射的信號 經由衛星1 4傳送到連接站1 8，再由連接站1 8經由衛 星1 4轉送此信號到終端機2 0 2 ,。藉由 '' 衛星〃當然是指 在衛星上轉發射的裝置。 同樣的，一個介於終端機2 0 1及網路2 2的用戶的傳 呼是經由連接站1 8產生作用。換句話說，當網路2 2的 用戶傳呼終端機2 0 1的用戶，，信號發射到連接站1 8再經 由衛星1 4傳送到終端機2 0 !，。 每一個終端機同時也是一具發射器一具接收器’而 且連接站1 8也是同時具備發射及接收的功能.。因此在圖 一中，發射器1 0也許是在終端機中或是連接站1 8中’ 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------^裝-----r---訂·--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -10- 6 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 2 7 4 A7 ____B7_ .. 五、發明說明（8 ) 而且接收器1 2同樣的也是在連接站1 8或終端機2 0 ^中 0 —個由發射器1 0傳送的信號傳播在空間中’其組成 一個將信號衰減並引進雜訊的頻道2 8 ° : 在傳統的方法中，，接收器1 2包含一個接收器單元， 3 0，一個用來預測信號功率E b的單元3 2 ’以及一個預 測訊功率N。的單元3 4。 在傳統的方法中，信號測量器單元3 2是緊接在除法 器4 0的下游 '信號濾波器單元3 6之後。換句話說’信 號濾波器單元3 6的輸出是連接到除法器4 0的分子輸入 4 2。 雜訊功率N。測量器單元3 4是緊接在除法器4 0的下 游、濾波器4 4之後，其輸出是連接到除法器4 0的分母 輸入4 6。 除法器4 0提供一個信號雜訊比到決策單元5 0，其 具有一個加上參考信號又^^^的輸入端5 2。由除法器 4 0提供的信號以及加入到輸入端5 2的參考信號相比較 後，產生一個集合點<5 ?6用來調整發射器1 0之功率。 一個替代的方法是（圖未示），決策單元是在發射器 及接收器中傳送信號雜訊比（除法器4 0的輸出）到發射 器的控制輸入處。 先考慮一種情形，發射器1 0連接到連接站1 8，並 且接收器1 2是在一個終端機2 0 >中。在這種情形下，測 量信號雜訊比將因爲連接站1 8到終端機2 0 i中的週期參 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） ---- - - - — I 丨 l· I I I 訂 — — — — — — — 丨 ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -11 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 472467 A7 B7 五、發明說明（9 ) 考信號的傳輸而變的容易。這是一個特殊準位及已知週期 的同步化信號。因此’在這種情況下，接收器1 2可以利 用同步化信號來測量信號雜訊比，而不必利用通信量稀疏 的信號。（ 在這種情況下，應用在欲得到信號的濾波器3 6可以 是一個能夠完成下列功能之簡單的平均電路：

其中，A表示在時間i時信號功率E b之瞬間預測値， i表示在時間i時信號功率E b之平滑預測値，而L是一個 積分路徑的長度。 在本範例中，濾波器4 4在短短幾秒鐘的週期內，以 1 . 5毫秒的週期取樣雜訊信號N。，並且在此觀察期間內 取出最大値。 一個替代的方法是，在一個特別的區間中，取一個足 夠長的時間來收集足夠的測量値，、但也要使時間短到能保 證雜訊的靜止性，此與信號取樣分配相關的參數是經過計 算之後來降低的一個雜訊準位β N Q + △ N ◦ ’使得所有雜訊、 準位超過此値的機率是小於ε,.，換句話說： P(Vie[0,r],yV〇(〇>//wo + Awo)<£' 在上述的方程式中’义。(0表示在時間t !時，取樣雜訊 分配的値，T爲觀察期間，A。爲雜訊信號的平均値。 上述的方程式是以圖三來表示’其中瞬間的雜訊準位 力。是標示在橫座標上，機率値P(义〇)在縱座標上。- 此被採用的値μ N Q + Δ N。可以用機率中的平均値及變 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------I--- I — 丨 l· I I I 訂---------' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12·" 472467 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1〇) 異數來求出。當於後者的情形下，例如平滑濾波値是/i + η σ，其中σ是標準誤差，η是根據採用的ε的値來決定 的整數。 再來，考慮發射器1 0是在終端機中以及接收器是在 連接站1 8的情形。在此情況下，終端機並沒有送出任何 週期性的參考信號到連接站，只有零星的資料是以整束或 整組的形成.，而且信號功率E b是於接收器的每一束或每一 組中預測而得的。雜訊可以像之前的情形一樣，用一個平 常的週期預測出來。 因此，在這種情況下，.雜訊濾波4 4是與先前假設的 情形一般受到影響。另一方面，以這些零星的傳輸來平滑 與濾波信號也是較佳的方式。一個一階自回復濾波器，是 用來完成下列的操作= Λ — Λ χι -{{-α)χ. + αχίΑ 其中，Α表示在時間i時，信號功率Ε b之瞬間預測値 ，i，表示在時間i時,，信號功率E b之平滑預測値，而α是 一個積分係數。 上述的濾波器是更能適用到零星信號的傳f ’因爲如 上述方程式，.它在新的資料上給予的加i指數比舊的資料 還要多。 本發明的方法提供一個預測接收信號的信號雜訊比’ 使得能夠應用一集合點到發射器上。因此’當確定誤差的 比率並沒有超過一個預設的門限値時’便可能可以減少傳 輸功率。 -------------褒-----r---訂---------線' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -13- 4 2 7 4 A7 B7 五、發明說明（11 ) 上述之雜訊統計過程，在當圖二之遠距通信系統有二 個相鄰近的區域1 6利用相同的載波頻率時，是特別有幫 助及有效率的。在此情形下，會出現一種在鄰近或甚至於 非鄰近的部分區域中產生千擾的風險，進而在這些部位產 生不可預測的雜訊。 -------------裝-----·—---訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14-

Claims (1)

1. 472467 Α8 Β8 C8 D8 •、申請專利範圍 1 . 一種預測所欲得到信號之信號雜訊比的方法，特 別是經由無線電信接收器接收之信號，其特徵爲將信號雜 訊比的預測雜訊値減到最小，信號與雜訊是分別預測的， 而且在將信號除以（4 0 )雜訊前已經將信號（E b )與雜 訊（N » )分別濾波過了。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其特徵爲欲得信 號（E b )的濾波（3 6 )與雜訊信號（N。）的濾波（ 4 4 )是不同的。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其特徵爲此雜訊 功率測量値的統計分配是在一段足以收集大量的測量値的 期間（T )內被觀察，但在此時間內此雜訊仍維持靜態狀 態。 4 .如申請專利範圍第3項之方法，其特徵爲此被利 用的雜訊準位其値等於"N 〇 + △ N。，使得當於期間（T ) 內觀察時，所有雜訊準位超過此値的機率是小於預先決定 的門限値ε。 5 .如申請專利範圍第3項之方法，其特徵爲此被利 用的雜訊値於此特殊的期間（Τ )內是最大的。 6 .如申請專利範圍第3項之方法，其特徵爲機率中 分配的要素可測定出來。 7 .如申請專利範圍第6項之方法，其特徵爲可測定 機率中分配的平均値（V )及變異數（σ 2 )，而其雜訊値 爲μ + η σ，其中σ是標準誤差’ η是一個根據預先決定 的門限値求得的整數。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨 4^· ----- I 丨—訂·ίι I — 丨 I - _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- 472467 經濟部智慧財產扃員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 _ 六、申請專利範圍 8 .如申請專利範圍第1項之方法’其特徵爲一個有 限或無窮脈衝響應低通濾波器是用來濾波雜訊信號° 9 .如申請專利範圍第1項之方法’其特徵爲有限脈 衝響應濾波器是用來濾波所欲得的’信號（E b ) ° 1 0 .如申請專利範圍第9項之方法，其特徵爲有限 脈衝響應濾波器是一個平均濾波器。' 1 1 .如申請專利範圍第9項之方法’其特徵爲發射 器在一個特別的準位上以一個規則的週期提供一個參考信 號，而且信號雜訊比是由此參考信號預測得來的。 1 2 .如申請專利範圍第1項之方法’其特徵爲一個 無窮脈衝響應濾波器是用來濾波此欲#信號的預測値。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之方法’其特徵爲利 用一個一階自回復濾波器，其表示式爲： A - Λ Xi =(l-a)x.+axM 其中，力表示在時間i時，欲得信號之瞬間預測値，i 表示在時間i時，欲得信號之平滑預測値，而a是一個積分 係數。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之方法，其特徵爲整 束或整組的信號是零星的被接收，而且每一束或一組接收 到的信號都先經過濾波。 1 5 . —種根據上述任何1項申請專利範圍之方法的 應用，來預測一個傳送資料以便控制相對應的發射器功率 之遠距通信接收器之信號雜訊比。 適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------裝-------—訂---1--I--線I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -16-