TWI279097B - Procedure for reduction of the variance of the estimation of the signal to noise ratio of a signal with phase differential amplitude coherent modulation - Google Patents

Description

1279097 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 如此說明書之標題中所陳述，本發明指一種用以減少具 有相位差異振幅同調調變的信號之信號雜訊比之估計變異 的方法。 本發明之方法可應用於與通信使用的實體媒體無關之通 信系統。 此方法允許減少估計變異，並等化每符號奇數及偶數位 元之最佳星象圖當中的變異。以此方法，可將系統調適為 由通道提供的最大資料傳輸速率。 【先前技術】 在經由通信通道發送資訊的電信系統中，需要調變資 訊；換言之，需要調適資訊並使之與通道匹配。 數位通信之接收器遇到的某些主要問題係等化，其導致 必需估計通道，以及關於發射器的接收器時脈之頻率偏 差。當使用平方振幅調變（square amplitude modulati〇n; QAM)之同調調變時，在由發送信號之振幅及相位決定星象 圖的點之情況下，必須使調變器更複雜以便解決以上陳述 的問題。一解決辦法係由採用差異振幅或相位差異調變 (amplitude and phase differential modulation ; DAPSK)組 成，其中採用振幅及相位增量來編碼資訊。此差異編碼無 需估計通道接收，並在較大程度上最小化時脈之間頻率偏 差的衫響。但是當採用完全差異調變時，此接收器之複雜 性的減少係與同QAM調變之性能相比的相同信號雜訊比 93561.doc 1279097 (signal to noise ratio ; SNR)數值之位元誤差機率的增加相 關 ADPSK 5周變（phase differential amplitude coherent modulation ;相位差異振幅同調調變）在最新技術中已為人 所知’其出現在以下文獻中：「衰減通道上差異編碼發射之 比較及最佳化」，L. Lampe及R. Fischer，ISPLC，99論文集； 「電源線路上非同調發射之性能評估」，L. Lampe、R. Fischer及R· Schober，ISPLC，00論文集；「衰減通道上發射 之差異編碼策略」，R. Fischer、L· Lampe及s Calabr0，世 界電子與通信雜誌；ADPSK調變係作為以上二者之間的混 合调變，而且其代表兩者之間接收器之性能及複雜性方面 的中間點。換言之，其最小化由數位通信系統中發射器與 接收器的時脈之間的頻率偏差所暗含的問題，並降低通道 估计的複雜性，因為僅需估計通道振幅。因此，對於實際 實施而言，ADPSK調變代表接收器的性能與複雜性之間的 最佳權宜措施。 而且為一直獲得最大資料傳輸速率，需要將每調變載子 位元調適為由通道提供的容量。換言之，在給定目標位元 誤差機率的情況下，目的係使用每載子最大數量的位元， $保誤差機率等於或小於該數值。而且在點對多點或多 點對多點的多使用者通信中，一發射器可在單一資料訊框 中利用該發射器與各接收器之間的不同通道來發送資訊給 數個接收器。因此，不同星象圖將用於相同訊框中。因此， 有必要估計由接收器感覺的信號雜訊比（SNR)，以便選擇每 載子位元的數量來使用。 93561.doc 1279097 用以達到最大資料傳輸速率的另_重要因素係最小化附 加為釩（正確接收資料所必需的系統之控制資訊，其與資料 一起發送）。若根據多載子的使用來使用發射策略，則此附 加資訊更為重要，該等多載子如正交頻分多工（orthogonal frequency division multiplexing ; 〇FDM)，其中與使用單一 貝吼載子頻率的數位通信相比，符號時序更大並包含更多 資訊。 ADPSK調變具有二重要要求。第—要求係，因為採用相 位增量來編碼資訊之部分的事實，所以先前需要發送的符 號構成接收器之相位參考。而且，採用已接收符號之振幅 的數值來編碼資訊的其餘部分。因此，第二要求意味著估 计自通道的回應之振幅的數值，以便校正其對接收器的影 響。而且，實際通道顯示其特徵隨時間的某一變化，其迫 使接收器對該最初估計進行監視並更新。此外，此時間變 化亦需要連續更新SNR之估計。 以上所述文獻說明ADPSK調變器與解調變器的功能及其 性能，而不考量在單一資料訊框内採用不同星象圖之可能 性。西班牙專利申請案第！^2〇〇3〇112〇號（未公佈）考量並解 決此可能性，該申請案指「多使用者通信用之標準化相位 差異振幅同調調變的方法」，其允許在訊框開始時發送單一 相位參考，並方便低複雜性調變器的實際實施。 而且，此方法允許將資料符號插入訊框，以使未向其引 導自星象圖的資料之使用者，以及不了解調變使用的星象 圖之使用者，可監視通道並跟蹤其在振幅及SNR方面的變 93561.doc 1279097

因此，為最佳化多使用者通信中的資料傳輸，有必要估 計由接收器感覺的SNR。僅在接收器了解調變已接收資料 使用的星象圖之情況下，方可進行此估計。而且，估計Snr 期間的週期可包括採用不同星象圖調變的符號。 因此’要解決的問題係由以下組成：在包括接收某一數 里具有採用不同星象圖對其進行調變之可能性的資料符號 之週期期間，估計具有ADPSK調變的信號之接收器中的 SNR。由D· Pauluzzi及N_ Beaulieu等人於2000年1〇月提出的 IEEE通#學報第48卷第10號之文章「AWGN通道的SNR估 计技術之比較」，揭示用以估計具有同調相位調變（pSK)的 信號之SNR的各種技術。而且，其陳述如何將該等技術擴 充為QAM調變。在兩種情況下，均不考量星象圖可在估計 時間期間發生變化的事實。 若標準化星象圖的功率並等化通道接收之影響，則可瞭 解已發射信號的平均功率。接著為估計接收器中的snr， 僅舄估计已接收星象圖中的雜訊功率。經由平均雜訊功率 之樣本 了輕易地估計此雜訊功率。因此，問題係由計算 接收裔中的該等樣本組成。但是，另—增加問題係ADPSK 。周變中相位的差異特徵；在此情況下接收星象圖係由接收 振幅及相位增量形成的星象圖。若經由計算由振幅中的誤 差及由相位增*中的誤差給定的雜m向量之平方模數，而 無需任何修改來獲得雜訊功率之樣本的數值，則觀察到該 估計揭示每符號奇數位元之星象圖中較大的變異。最佳化 93561.doc 1279097 值。 在接收方面，首先偵測所有振幅及相位增量，接著從已 接收的振幅或相位增量中減去該等數值，反之亦然，換言 之，分別從已接收的振幅及相位增量中減去已偵測振幅及 相位增量；因此採用盲目模式完成計算雜訊樣本的最初形 式，而無需在計算振幅及相位增量誤差中瞭解發射的符號。 獲得雜訊向量之平方模數的另一方法係由以下組成··分 別從接收中先前已知的發射符號之振幅及相位增量中減去 已接收的振幅及相位增量，反之亦然，換言之，分別從已 接收的振幅及相位增量中減去接收中先前已知的發射符號 之振幅及相位增量；因此採用接收中先前已知的一序列符 號計算雜訊之樣本，以計算振輻及相位增量誤差。 為改善最終估計，本發明提供用以組合以上估計的方 法，以使估計信號雜訊比的接收器設備將盲目估計與具有 已知序列的符號之估計組合。 而且’因為此為多使用者通信系統，要平均的雜訊功率 之樣本可屬於不同星象圖。因此，為校正因調變之差異特 徵及各星象圖中不同數值的差異特徵而引起的估計器之偏 離，將對應數值乘以平均的雜訊功率之各樣本。 為方便更好地理解此說明書並形成其整合部分，下文包 括某些圖式，其中已採用解說性而非限制性方式表示本發 明之目的。 【實施方式】 下文提供本發明之範例的說明，其參考圖式中所用的編 93561.doc -11- 1279097 號方式。 如已在本發明之背景技術段落中所提到，ADPSK接收器 必須實行的基本操作係補償通道振幅之衰退效應，並計算 已接收信號中的相位增量。此後，偵測器負責獲得已發送 的資訊。所有該等操作在最新技術中已為人所知，並出現 在上文所述的參考中。

圖1顯示範例，其中採用每符號6位元之星象圖的已接收 信號之等化振幅及相位增量形成星象圖，其具有27.9分貝 (dB)的SNR及5百萬分率（ppm)的頻率誤差。連續放射狀線路 表示相位增量的決策之最佳臨界值。亦觀察到該已接收點 係群集為具有由點組成的橢圓形雲狀物，當環的振幅較大 時’違專雲狀物因調變之差異性質而變得更明顯。該等由 點組成的雲狀物係處於星象圖之各點的中心，而且應歸因 於加入信號的雜訊。但是可以看出，由點組成的雲狀物並 非處於最佳臨界值的中心，而係偏移某一數量的弧度。由 接收器中的頻率誤差決定此固定偏移。 若已知該已發射信號之功率，則SNR估計器僅需估計接 收器所經歷的雜訊功率。因此，取不同符號中雜訊功率之n 個樣本的平均值··

E

ΣΚ^2 k=l ~N~ 其中K02為影響接收器的雜訊功率之第k個樣本。圖2顯 不計算該功率之樣本所涉及的數值<示意表達。啟動資料 將為振巾田误差ek(丨），以及關於已偵測點（8)的星象圖（3)之已 93561.doc -12- 1279097 下： 接收點的相位增量、(4)中的誤差，其係計算如 ek = Ak - \ '、— 偵'則的振幅，义為等化以便補償通道之衰退 的已接收振幅，紙為已偵測的相位增量，而△“已接收的 ==量。藉由計算向量⑺之平方模數，可獲得雜訊功率 之樣本·

W =，32 + (r3 ——2r3L〇s(eJ ’、中r3(7)對於圖2所示的範例為已该測振幅A。因此，公 式將變為： ^表示誤差向量⑺之平方模數。此係最簡單而最直接的 十异雜Λ功率樣本之方法，但是其引起具有每符號奇數與 偶數位^的星象圖之估計器變異之間的差別。如上文所解 釋，當％的振幅較大時，由點組成的雲狀物因此獲得更明 顯的橢圓形。因為與具有每符號偶數位元的最佳星象圖比 較，具有每符號奇數位元的最佳星象圖按比例地呈現出多 於相位的環，所以其以更顯著的方法顯示上述影響。對於 才，同*NR數值而a，已伯測點的振幅越大，則雜訊向量之 平方模數的平均值將越大。因此從具有每符號奇數位元的 星象圖開始計算的雜訊功率之N個樣本，將呈現與從具有每 符號偶數位几的星象圖開始計算的雜訊功率之N個樣本相 比更大的分散。因此，估計器在每符號奇數位元之星象圖 甲呈現的交異會比較大。而且，隨著環的振幅增加，增量 93561.doc -13- 1279097 對由點組成的橢圓形之尺寸的相同影響亦引起給定星象圖 之變異的增加。 因此，目的係使樣本與該已偵測點所屬的環之雜訊功率 無關。 因此，可以考量將誤差向量（2)投影至具有半徑!·〆^的第 一環，為此利用相似三角形原理，採用該半徑可獲得投影 至第一環e’(k)(5)的雜訊功率之第k個樣本。因此，對於圖2 所說明的具體實施例之範例而言，可將雜訊功率之新樣本 計算為： 刚2 但疋採用此方法，無法解決上文提出的任何問題，因為 已將振幅誤差（1)修改為與偵測點所屬的星象圖之環成函數 關係。 所揭示的本發明之方法藉由以下方法解決該等問題：將 相位誤差及振幅誤差轉換為星象圖之第一環的對應點，似 乎該點為已得到偵測的一點。圖3表示其中進行此轉換的具 體實施例之範例。因此，作為新誤差向量（9)之平方模數的 雜訊功率之樣本計算如下： |e，(^)| = r\ + (^1 - ^ )2 - 2r{ (η - ek )cos(^ ) 其中r〗（6)為對應星象圖之第一環的振幅。而且如上文所 解釋，取N個樣本之平均值以採巧相同方法計算雜訊功率： 圖4表示實施所揭示的本發明之方法的接收器之方塊圖 93561.doc •14- 1279097 的範例。由計算雜訊功率之樣本的區塊（12)所需要的啟動 料為振幅誤差ek⑴、相位誤差〜⑷以及星象圖之位元數量 (14)。分別藉由振幅偵測器（1〇)及相位偵測器（1 ”計算振幅 誤差及相位誤差。為計算該等二誤差，需要等化振幅 么（19)、已接收之相位增量M(2〇)、以及星象圖之每符號位 :數量(14)。而且，可採用二方法計算相位誤差⑷及振幅 誤差⑴。第-方法係由以下組成：基於接收的振幅⑽及 相位增量（2〇)之_，計算該等誤差；換纟之，並不瞭解由 發射器發送的符號之序列。此模式係熟知為盲目估計並受 偵測誤差的影響’其妨礙當出現該等誤差時適#地估計 SNR，因為已計算的誤差在數值上將小於已實際發生的數 值’而SNR之估計將大於實際上在影響系統的㈣。計算相 位j振幅誤差的第二方法係基於發射序列的知識，因為該 等誤差將準確地對應於處理中不包括偵測的情況下所產生 的块差。在此具體實施例之範例中，採用兩種方法，因此 藉由區塊（21)’可產生發射的振以(23)及相位增量—2句 之數值。在發射器中必須存在相同區塊，以便發射及接收 中的序列可以相#。信號（22)告知所進行的估計之類型，即 模式或採用已知序列之模式。因此，振幅積測器（i 〇) 及相位_器（U)在此情況下將僅需實行振幅情況下數值 (19)與（23)之間的減法，以及相㈣量情況下數值㈣與⑽ 之間的減法。 統，所以接收器將不會一 象圖。僅當其在單點廣播 因為此關係到多使用者通信系 直識別調變已接收資料所用的星 93561.doc -15- 1279097 中係星象圖已發达資料之目的地’或當進行多播通信時將 其包括在接收者之群組或廣播中_，接收器才瞭解星象 圖’因此’平均的雜訊功率個樣本可屬於不同星象圖。 信號(15)指示已知星象圖，並可計算雜訊功率之樣本。 經由模擬’可確定本發明方法中迄今說明的估計器得到 受一符號之雜訊的影塑，光丨、/ dr 丄， ^ 並在以下表格中詳述為與星象圖 位元 偏離（dB) 校正因數：K 2 -1.9 0.645654290 3 _ -0.6 0.87096359 4 -0.95 0.8035261 29? 5 0.03 1.00693 丨 6 Ό.25 0.9440608763 區塊（12)必須將此校正因數K應用於雜訊功率之樣本，以 便經由以下等式校正估計器之偏離性質·· :離。此偏離係因調變之差異特徵而引起，因為相位增量 成函數關係： \e(k)\ =(r, +(^-e*)2-2r,(^-eJc〇s(e^ )).^： 每符號位元數量（14)用以決M於計算之r,(6)的數值以 及校正因數K的數值。必須對逐個樣本進行此校正，因為該 等樣本可屬於不同星象圖。因為取樣本之平輕，所以需 要記憶體（13)以健存上文揭示的總和之部分數值。因此，由 區塊（12)實行的操作係如下： E {k)^{rx +(η-β,)2^2η(η -ek)cos(ejy K+ /=1 其中，-旦已計算出數值]5，⑻（18)，則將其儲存在記憶 9356 丨.doc 1279097 汁算數值之前，區塊（i2)必須從記憶體（i3) 項取項¥增1 7)。在k的數值等於N(其為系統之可配置參數 並且其在一可能的估計模式中可以不同）的情況下，區塊（12) 產生扣不存在可用雜訊功率之估計的信號（16)。信號（22) 再·^曰盲目或採用已知序列的估計模式，其將決定要累 積的樣本之數罝N。當信號（16)如此指示時，讀取記憶體並 將讀取數值除以對應數值N。 雖然知用已知序列的估計模式具有不允許將資料發送給 接收器的缺點，但是該模式比盲目模式更可靠。而且，需 要，視通道之SNR以便系統可調適要使用的每符號之位元 數量。而且’亦有必要偵測通道的突然變化並且只要可能 則改k星象圖，以便損失最小數量的訊包。該等考量在其 中各符號包含許多資訊的多使用者〇醜通信系統中更為 重要。因此，組合兩種估計。 此外，N的數值越大，則估計的變異將越小。但是在如以 上系統之系統中，此數值無法為任意大，因為各⑽腿符號 可視載子之數量及調變各載子所採用的位元而包含大量資 料°因此’採用已知序列的估計意味著發送N個無資訊的符 號（因為已知序列，所以其不包含資訊），並增加附加資訊； 而採用盲目模式的估計需要由發射器發送給接收器的資訊 應佔有多於N個的0FDM符號，此並非一直都有可能。因 此’在此具體實施例之範例中，在盲目模式中選擇N = 16 而在已知序列模式中選擇N = 32。 作為最初估計，可進行採用已知序列的估計。此後，採 93561.doc -17- 1279097 用數秒之週期進行採用已知序列的新估計。在該等估計之 間’可進行盲目模式之估計（視資料流量而定广將該估計用 以決定是否已發生任何突然的通道變化。若通道之變化引 起貫際SNR之重大惡化，則將需要採用已知序列進行估 4 ’以便防止誤差出現在上文所說明的盲目估計中。 【圖式簡單說明】 圖ί表示由每符號6位元之ADPSK星象圖的振幅及相位增 量形成的星象圖。 圖2示意性表示計算雜訊功率之樣本中涉及的數值。 圖3示意性表示計算雜訊功率之樣本中涉及的數值及其 至第一環之轉換。 圖4表示實施本發明之方法的接收器之方塊圖的範例。 【主要元件符號說明】 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 93561.doc 振幅誤差 誤差向量 星象圖 相位誤差 第一環 第一環 偵測振幅 偵測點 誤差向量 振幅偵測器 相位偵測器 1279097 12 區塊 13 記憶體 14 每符號位元數量 15 信號 16 信號 17 項 18 數值 19 等化振幅 20 相位增量 21 區塊 22 信號 23 振幅 24 相位增量 93561.doc - 19 -

Claims (1)

1. ^ 1110 ^ 1110 月日修(恚)正替換買 1279¾¾^4932號專利申請案 中文申凊專利範圍替換本(95年I〗月）丨 十、申請專利範圍： 1. -種用以減少具有相位差異振幅同調調變的信號之信號 雜訊比之估計變異的方法，其可應用於其中使用相位差異 振幅同調調變（ADPSK)的多組使用者設備之雙向通信，其 需要在發送-資訊之前發送一相位參考符號，並且其中估 計該信號雜訊比以便使用具有每符號最大數量的位元之 調變，從而將接收中的-位元誤差機率保持在某給定限度 二其特徵在於，從對應於一星象圖之一已接收點的一振 巾田决差及一相位增量中的誤差開始，對該等誤差實行轉 換，將其轉換為該星象圖之第一環的一對應點，如同此點 已成為得以發射而無經歷任何修改的該等誤差之一點，並 、後來# # #差向量之平方模數；以便計算雜訊樣本、 減少所獲得的數值之變異、並等化每符號奇數及偶數位元 之最佳星象圖當中的變異。 长員1之用以減；具有相位差異振幅同言周調變的信號 之信號雜訊比之估計變異的方法，其特徵在於取該等雜訊 U 樣本之平方模數的一平均值，以便估計該雜訊功率之平均 數值，要平均的樣本之數量為u之—可配置數值。 3.如請求们之用以減少具有相位差異振幅同調調變的信號 之信號雜訊比之估計變異的方法，其特徵在於在接收中傾 測該振幅及該相位增量，而且其特徵在於分別從所接收之 =t及相位增置中選擇性地減去該已偵測振幅及該相位 立曰里，或分別從該已偵測的振幅及該相位增量中選擇性地 減去該已接收振幅及該相位增量；以便採用 93561-951110.doc ㈡ θ 异 -1 _ 1279097 雜訊功率之該等樣本〇 ' '— % ★ „月求項1之用以減少具有相位差異振幅同調調變的信號 之信號雜訊比之估計變異的方法，其特徵係發送接收中已 知的:序列符號，並分別從先前發射而且在接收中已知的 该等信號之振幅及相位增量中選擇性地減去該已接收振 幅及該相位增量；或分別從該已接收的振幅及該相位增量 中選擇性地減去先前發射而且在接收中已知的該等信號 之振幅及相位增量，以便計算該等振幅及相位增量誤差， 並根據該等誤差計算該等功率雜訊樣本。 5.如請求項2、3或4之用以減少具有相位差異振幅同調調變 的㈣之信號雜訊比之估計變異的方法，其特徵在於在接 收中進行該信號雜訊比之估計時，組合採用盲目模式的估 计以及採用已知序列符號的估計，以便改善該最終估計。 .如清求項2之用以減少具有相位^異振㈣調調變的信號 訊比之估計變異的方法，其特徵在於要平均的該 雜況功率之該等樣本屬於不同星象圖。 “項6之用以減少具有相位差異振幅同調調 之信號雜訊比之估計變里的太本甘扯 说 及各f金闻士其特徵在於，因該調變 象圖中不㈤數值之該差異特徵而5 f起的_ d 之偏離’係在經平均的該雜訊功率之該等樣本的各樣 加以獨立校正，其用該對應數值乘以各樣本。’ 9356l-95ll]〇.doc -2 - 1279097 9W日修(更)正替換頁 第093114932號專利申請案 中文圖式替換頁(95年11月）