专利名称:估算接收信号大小、噪声功率及信号噪声比的方法
技术领域:
本发明系大体上关于利用正交幅振调制(QAM)的通讯系统及技术。更特定言之,本发明系关于正确解调在接收器M-进位QAM信号的技术。
背景技术:
现今,M-进位QAM(M-QAM)被用于与数种移动数据通讯装置共同提供高速数据传送,然而,M-QAM的主要缺点为其计算复杂性。一个强调此缺点的先前技艺方法包括使用平方M-QAM群的使用,如16QAM、64QAM、及256QAM。平方群可被概念化为包括两个独立q-进位幅移键控(q-ASK)调变信号做为实数及虚数部分(经调变载波的同相及正交成份),其中q=M.]]>例如,16-QAM信号包括两个独立实数及虚数4-ASK信号。q-ASK信号采用由组{±12,±32,...,±q-12}]]>所选出的值。以q-ASK格式表示平方群M-QAM信号一般为较佳的因为处理q-ASK信号的复杂性显著少于处理通用M-QAM信号的复杂性。
一种经接收M-QAM信号(rk)可由下列表示式表示rk=A*dk+nk;方程式(1)其中A为信号振幅;dk表示一组编码为经传送M-QAM或q-ASK信号的数据符元;及nk表示噪声。虽然对M-QAM信号,dk及nk为多个量,对q-ASK信号它们皆为纯实数。
为解调M-QAM及q-ASK信号,必须决定在接收器的一或更多信号参数的值,例如振幅、噪声功率、及信号噪声比(SNR)。即使在q-ASK信号表示的情况下,相对于M-QAM表示,其提供加强的计算简化性,估算这些信号参数的现有技术为效率低的及计算复杂的。
需要估算在接收器的信号参数的改良技术以提供M-QAM及q-ASK信号的有效解调。
发明内容
本发明提供一种估算经接收M-QAM或q-ASK信号的一或更多参数的改良系统及方法,例如振幅及SNR。本发明第一具体实施例系基于关于许多经传送符元的已知或可确定相位数据估算M-QAM信号的振幅。对应于该许多经传送符元的个别经接收符元组被回复。将该许多经接收符元的每一个乘以具在符号上与该多个经传送数据符元相反的相位的多个单位向量以产生一组乘积,相加该组乘积,及接着决定乘积和的实数部分。该已知经传送符元的绝对值被相加以产生总大小值。乘积和的实数部分除以经传送大小值的和以产生该M-QAM信号大小的估算值。
本发明第二具体实施例系基于关于许多经传送符元的已知或可确大小数据估算在接收器q-ASK信号的振幅。对应于该经传送符元的N个经接收样品的个别组被回复。对该N个样品的每一个,将样品乘以经传送符元的相对应符号以产生一组乘积,接着相加该组乘积以产生第一和。经传送符元的绝对值接着被相加以产生第二和,第一和除以第二和以产生该q-ASK信号的估算大小值。
本发明第三具体实施例估算M-QAM或q-ASK信号的振幅且无该特定经传送数据符元的假设认识,仅该经传送数据符元的的振幅的统计认识被假设。对应于该经传送符元的经接收样品的个别组被回复。该经接收样品的绝对值被决定及相加以产生第一和,该经传送符元的振幅的绝对值的平均值被决定及接着乘以经接收符元的总数以产生乘积,该第一和除以该乘积以产生该M-QAM或q-ASK信号的经估算振幅。
本发明的其它具体实施例利用经接收样品的二级及四级动差、最大相似搜寻方法、或Kurtosis估算方法以估算经接收信号的振幅、噪声功率、及信号噪声比。
图1为根据本发明第一具体实施例基于关于许多经传送符元的已知或可确定相位数据估算M-QAM信号的振幅的步骤的流程图。
图2为根据本发明第二具体实施例基于关于许多经传送符元的已知或可确定值大小数据估算在接收器q-ASK信号的振幅的方法的流程图。
图3为根据本发明第三具体实施例使用经接收样品的绝对值估算M-QAM或q-ASK信号的振幅的步骤的流程图。
图4为根据本发明第四具体实施例使用经接收样品的二级及四级动差以估算包括经传送符元组的M-QAM信号的振幅、噪声功率、及信号噪声比的步骤的流程图。
图5为根据本发明第五具体实施例使用经接收样品的二级及四级动差以估算包括经传送符元组的q-ASK信号的振幅、噪声功率、及信号噪声比的步骤的流程图。
图6A、6B及6C为根据本发明第六具体实施例使用最大相似搜寻方法以估算包括经传送符元组的q-ASK或M-QAM信号的振幅、噪声功率、及信号噪声比的步骤的流程图。
图7A及7B为根据本发明第七具体实施例使用经接收样品的二级及四级动差估算M-QAM或q-ASK信号的信号干扰比的Kurtosis估算方法的流程图。
具体实施例方式
改良系统及方法被揭示以估算经接收M-QAM或q-ASK信号的一或更多参数,例如振幅及信号噪声比。本发明第一具体实施例为方法100,其系基于关于许多经传送符元(dk)的已知或可确定相位数据估算M-QAM信号的振幅。若该接收器具该经传送M-QAM符元dk的认识,例如在使用导频信号的系统中,此数据可依下式用于估算振幅,AA^=Re(Σk=1Nrkexp[-jθ(dk)])Σk=1N|dk|;]]>方程式(2)其中θ(dk)为多个符元dk的相位及N为要被处理的经接收符元的数目。Re()表示实数运算子,注意我们可使用许多其它运算子取代的而不需大体上改变本发明。
更特定言之,参考图1,对应于该许多经传送符元的个别经接收符元(rk)组被回复(步骤101)。该许多经接收符元(rk)的每一个乘以exp[-jθ(dk)]以产生一组乘积(步骤103),其中θ(dk)表示相对应经传送数据符元(dk)的相位,相加该组乘积(步骤105),及接着决定乘积和的实数部分(步骤107)。该经传送符元的绝对值|(dk)|被相加以产生大小值(步骤109)。乘积和的实数部分除以该大小值的和以产生该M-QAM信号的估算振幅(步骤1111)。
本发明第二具体实施例为方法200,其系基于关于许多经传送符元(dk)的已知或可确定大小数据估算在接收器q-ASK信号的振幅。若dk为q-ASK信号,则振幅估算可依据下列方程式进行
A^=Σk=1Nyksign-(dk)Σk=1N|dk|;]]>方程式(3)参考图2,对应于该经传送符元(dk)的个别N个经接收样品(yk)组被回复(步骤201)。对每一个N样品,将该样品(yk)乘以相对应符号(dk)以产生一组乘积(yk)*sign(dk)(步骤203),接着相加此组乘积以产生第一和(步骤205)。接着相加该经传送符元的绝对值|(dk)|以产生第二和(步骤207),该第一和除以该第二和以产生该q-ASK信号的估算大小(步骤209)。
本发明第三具体实施例为方法300,其使用绝对值以估算M-QAM或q-ASK信号(其包括N个经传送符元(dk)的组)的振幅,其中N为大于一的正整数。在许多情况,该接收器缺乏关于该经传送符元dk的数据,例如相位及该符元的大小。因此,该经接收样品的振幅可被使用以由关系式产生M-QAM及q-ASK信号的振幅估算A^=Σk=1N|yk|N*E|dk|;]]>方程式(4)其中E|dk|为信号dk振幅的平均值及可理论地或实验地计算。例如,对具等机率E|dk|=1的具dk∈{±12,±32}]]>的4-ASK调变,该振幅估算为A^=1NΣk=1N|yk|;]]>方程式(5)参考图3,对应于该经传送符元(dk)的个别经接收样品(yk)组被回复(步骤301)。决定经接收样品的绝对值|(yk)|(步骤303)及相加(步骤305)以产生第一和,经传送符元振幅的绝对值的平均值,E|(dk)|,被决定(步骤307)及接着乘以N以产生乘积N*E|(dk)|(步骤309),第一和除以该乘积以产生该M-QAM或q-ASK信号的估算振幅(步骤311)。
经由经接收样品的二级及四级动差的使用,本发明第四具体实施例的方法400估算包括一组经传送符元(dk)的M-QAM信号的振幅、噪声功率、及信号噪声比。在接收器的噪声采用形式,nk=nkR+jnkI,]]>其中nkR及nkI可被近似为两个独立的高斯变量,其具零均值及相同变异数σr2,E|nk|2=2σr2,]]>其常为正确的,或至少为良好的近似方法。该振幅被估算为
A^=2(E|rk|2)2-E|rk|42(E|dk|2)2-E|dk|44;]]>方程式(6)该噪声功率被估算为σ^n2=E|rk|2-A^2E|dk|2;]]>方程式(7)使用以上两个方程式(6)及(7),该SNR被估算为SNR=A^2E|dk|2/σ^n2;]]>方程式(8)现在参考图4,当对应于该经传送符元(dk)的个别经接收样品(rk)组被回复(步骤401)时方法400开始。该经传送符元振幅的绝对值的平均值,E|(dk)|,及该经接收样品振幅的绝对值的平均值,E|(rk)|,被决定(步骤403)。该经估算振幅 系使用方程式6决定(步骤405)。经估算噪声功率σ2n系使用方程式7由经估算振幅 决定(步骤407)。选择性地,经估算SNR接着使用方程式8决定(步骤409)。
经由经接收样品的二级及四级动差的使用,本发明第五具体实施例的方法500估算包括一组经传送符元(dk)的q-ASK信号的振幅、噪声功率、及SNR。当真实q-ASK信号被传送时,该二级及四级动差可被使用以依据下式估算信号振幅及功率A^=3(E(rk2))2-E(rk4)3(E(dk2))2-E(dk4)4;]]>方程式(9)及A^2=3(E(rk2))2-E(rk4)3(E(dk2))2-E(dk4);]]>方程式(10)该噪声功率被估算为σ^n2=E(rk2)-A^2E(dk2);]]>方程式(11)使用方程式(10)及(11),该SNR被估算为SNR=A^2E(dk2)/σ^n2;]]>方程式(12)包含dk的期望值可理论地或实验地计算。例如,对4-ASK调变E(dk2)=1.25及E(dk4)=2.5625。该信号振幅及功率可由以经决定值如A^=3(E(rk2))2-E(rk4)2.1254]]>及A^2=3(E(rk2))2-E(rk4)2.125]]>取代分别估算的。该SNR由使用方程式(12)估算。可使用产生包含rk的期望值的估算的各种方法。
参考图5,当对应于该经传送符元(dk)的个别经接收样品(rk)组被回复(步骤501)时方法500开始。该经传送符元振幅的平均值,E(dk),及该经接收样品振幅的平均值,E(rk),被决定(步骤503)。经估算振幅 系使用方程式9决定(步骤505)。选择性地,经估算功率系使用方程式10决定(步骤507),经估算噪声功率σ2n系使用方程式11由经估算振幅 决定(步骤509)。选择性地,经估算SNR接着使用方程式12决定(步骤511)。
使用最大相似搜寻方法,本发明第六具体实施例的方法600估算包括经传送符元(dk)组的q-ASK或M-QAM信号的振幅、噪声功率、及信号噪声比的至少其中一个。假设经接收样品为足够独立的,r1、r2、…、rN的联合概率密度函数可被假设为rk的边际分配的乘积,亦即f(A,σn;r1,r2,...,rN)=Πk=1Nf(A,σn;rk);]]>方程式(13)其中f(A,σn;rk)为rk的密度估算值。最大相似振幅估算器的目的为发现振幅,其最大化如由方程式(13)所示的联合概率密度函数,亦即A^=argmaxAf(A,σn;r1,r2,...,rN);]]>方程式(14)下列搜寻算法发现振幅,及选择性地噪声功率与SNR的最大相似估算首先,经接收向量rk被正常化使得其平均功率为一,(亦即1NΣk=1N|rk|2=1]]>)Amin及Amax系根据所搜寻最小或最大SNR所选择如下Amin=SNRmin1+SNRmin;]]>及方程式(15)Amax=SNRmax1+SNRmax.]]>方程式(16)振幅搜寻步阶Δ被选择使得其达到所欲振幅分辨率,接着,Ak=Amin+kΔ被决定,其中0≤k≤K及K=Amax-AminΔ.]]>对每一个振幅Ak,相对应噪声功率被决定为σn2=1-E|dk|2Ak2]]>方程式(17)联合概率密度函数f(Ak,σn;r1,r2,...rN)对每一个Ak计算,对应于最大联合PDF的值Ak,(亦即,A^=argmaxAk;k∈{1,2,...,K}f(Ak,σn;r1,r2,...,rN)]]>),被搜寻,及接着 为经估算振幅。
此外,(及选择性地),该经估算噪声功率的值可由该经估算振幅 决定做为总功率减去振幅估算值的平方及预期数据符元功率的乘积,(亦即,σ2n=E(rk)2-2E(dk)2)。选择性地,该经估算SNR的值可由该经估算信号功率及该经估算噪声功率的比值决定(亦即,由关系式SNR=[2*E(dk)2]/σ2n)。
参考图6A、6B及6C,简略叙述于先前段落的方法600更详细地被叙述。对应于该经传送符元(dk)的个别经接收样品(rk)组被回复(步骤601)。N个经接收样品(rk)被正常化,(N为大于一的正整数),使得1NΣk=1N|rk|2=1]]>(步骤603)。Amin及Amax的试验值系根据所搜寻最小及最大SNRs使用方程式15及16选择(步骤605)。
振幅搜寻步阶Δ被选择以达到所欲或预先决定的振幅分辨率(步骤607),接着,Ak=Amin+kΔ的值被决定,其中0≤k≤K及K=Amax-AminΔ]]>(步骤609)。对每一个振幅Ak,相对应噪声功率接着使用方程式17估算(步骤611)。
接着对每一个Ak决定计算联合概率密度函数f(Ak,σn;r1,r2,...,rN)(步骤613)。
对M-QAM及q-ASK信号,最大相似搜寻方法的主要目的为发现经估算振幅,A,的值,其使用方程式14最大化联合概率密度函数(步骤615)。在步骤617,进行搜寻以发现Ak的值,其对应于最大联合概率密度函数。此Ak的值被取代于方程式A^=argmaxAk;k∈{1,2,...,K}f(Ak,σn;r1,r2,...,rN)]]>以得到 的值,其表示经估算振幅值(步骤619)。
选择性地,经估算噪声功率的值可由该经估算振幅 决定做为经估算总功率减去振幅估算值的平方及预期数据符元功率的乘积,(亦即,σ2n=E(rk)2-2E(dk)2(步骤621))。额外地,(及选择性地),经估算SNR的值可由该经估算信号功率及该经估算噪声功率的比值决定(亦即,SNR=[2*E(dk)2]/σ2n(步骤623)。
根据本发明第七具体实施例的方法700,Kurtosis估算方法使用经接收样品(rk)的二级及四级动差估算M-QAM或q-ASK信号的信号噪声比。做为第一步骤,所存在仅该噪声(KCG)及仅信号(Ksig)的Kurtosis被计算。在此实例中,多个高斯噪声被用于说明用途。然而,其它噪声分布可被假设及基本上不偏离此发明。包含dk及nk的期望值可理论地或实验地计算,如Kurtosis值依据下式决定KCG≡E{|nk|4}E{|nk|2}2=2;]]>及 方程式(18)
Ksig≡E{|dk|4}E{|dk|2}2;]]>方程式(19)于此假设为多个、圆形对称高斯噪声。例如,使用QPSK数据,Ksig=KQPSK=1,对平方16QAM数据,Ksig=K16QAM=1.32。可容易地得到任何信号群的Ksig参数。
四边形及‘十字’QAM群的Kurtosis亦可以此方法使用及依据如上所列出决定。
该Kurtosis可以关于SNR写出及以下式解出SNRSNR=(2-Kurt(r))+(4-2KM-QAM)-(2-KM-QAM)Kurt(r)(Kurt(r)-KM-QAM)]]>方程式(20)任何各种Kurtosis估算值及近似值可被使用。
参考图7A及7B,先前Kurtosis方法的细节的流程图被示出,做为初步事项,该二级动差被定义为E{|rk|2}=E{|nk|2}+E{|dk|2},及该四级动差被定义为E{|rk|4}=E{|nk|4}+E{|dk|4}+4E{|nk|2}E{|dk|2},于此dk表示经传送符元及nk表示以经接收样品rk回复的噪声组件(步骤701)。在步骤703,该四级动差除以该二级动差以如下进行Kutosis运算Kurt(r)≡E{|rk|4}E{|rk|2}2=E{|dk|4}+E{|nk|4}+4E{|dk|2}E{|nk|2}E{|dk|2}2+E{|nk|2}2+2E{|dk|2}E{|nk|2}]]>方程式(21)为估算该SNR,必须决定仅贡献至噪声的Kurtosis(步骤705)。例如,假设多个圆形对称高斯噪声,仅该噪声的Kurtosis使用方程式18决定。可仅贡献至信号的Kurtosis,(Ksig),使用方程式19决定的(步骤707)。例如,使用QPSK数据,Ksig=KQPSK=1可被使用,对平方16QAM数据,Ksig=K16QAM=1.32可被使用数据对高阶调变,平方M-QAM、信号Kurtosis Ksig接近该平方多个均匀分布linM→∞(KM-QAM)=1.4.]]>然而,平方群的使用不为必要的,因为四边形及‘十字’QAM群的Kurtosis亦可以此方法使用及以相同方式预先计算。
一旦Ksig(如在M-QAM信号的情况下为KM-QAM)的适当值被决定,第7图的方法700前进至步骤709,于此使用方程式20决定信号噪声比(SNR)。
权利要求
1.一种基于自多个传送符元(dk)的相位数据以估算M-QAM信号的振幅的方法,该方法包括步骤回复一个别经接收符元组(rk),其对应于多个传送符元;产生一组乘积;相加该组乘积;决定乘积和的实数部分;相加该传送符元的绝对值|(dk)|以产生一大小值;将该乘积和的实数部分除以该大小值以产生该M-QAM信号的一估算大小值。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,该产生步骤包括将各该多个接收符元(rk)乘以exp[-jθ(dk)],其中θ(dk)表示一相对应传送数据符元(dk)的相位。
3.一种基于关于多个传送符元(dk)的大小数据估算在接收器一q-ASK信号的振幅的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别N接收样品(yk)组;对各该N样品,将该样品(yk)乘以相对应符号(dk)以产生一组乘积(yk)*sign(dk);相加该组乘积以产生一第一和;相加该传送符元的绝对值|(dk)|以产生一第二和;将该第一和除以该第二和以产生该q-ASK信号的一估算振幅。
4.一种估算接收信号(其包括一组N个传送符元(dk))的振幅的方法,其中N为大于一的正整数,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别经接收样品(yk)组;决定该接收样品的绝对值|(yk)|;相加该绝对值以产生一第一和;决定传送符元振幅的绝对值的平均值,E|(dk)|;将该绝对值的平均值乘以N以产生一乘积,N*E|(dk)|;将该第一和除以该乘积以产生该接收信号的一估算振幅。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,该接收信号为一M-QAM信号。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,该接收信号为一q-ASK信号。
7.一种估算包括一组传送符元(dk)的M-QAM信号的振幅的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的绝对值的平均值,E|(dk)|;决定该接收样品振幅的绝对值的平均值,E|(rk)|;及估算振幅为={[2*(E|rk|2)2-E|rk|4]/[2*(E|dk|2)2-E|dk|4]}1/4。
8.一种估算包括一组传送符元(dk)的M-QAM信号的噪声功率的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的绝对值的平均值,E|(dk)|;决定该接收样品振幅的绝对值的平均值,E|(rk)|;估算振幅为={[2*(E|rk|2)2-E|rk|4]/[2*(E|dk|2)2-E|dk|4]}1/4;及估算噪声功率σ2n为σ2n=E|rk|2-2E|dk|2。
9.一种估算包括一组传送符元(dk)的M-QAM信号的信号噪声比(SNR)的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的绝对值的平均值,E|(dk)|;决定该接收样品振幅的绝对值的平均值,E|(rk)|;估算振幅为={[2*(E|rk|2)2-E|rk|4]/[2*(E|dk|2)2-E|dk|4]}1/4;及估算SNR为SNR=[2*E|dk|2]/σ2n。
10.一种估算包括一组传送符元(dk)的q-ASK信号的振幅的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的绝对值的平均值,E(dk);决定该接收样品振幅的绝对值的平均值,E(rk);及估算振幅为={[3*(E(rk)2)2-E(rk)4]/[3*(E(dk)2)2-E(dk)4]}1/4。
11.一种估算包括一组传送符元(dk)的q-ASK信号的功率的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的平均值,E(dk);决定该接收样品振幅的平均值,E(rk);及估算功率为2={[3*(E(rk)2)2-E(rk)4]/[3*(E(dk)2)2-E(dk)4]}1/2。
12.一种估算包括一组传送符元(dk)的q-ASK信号的噪声功率的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的平均值,E(dk);决定该接收样品振幅的平均值,E(rk);估算振幅为={[3*(E(rk)2)2-E(rk)4]/[3*(E(dk)2)2-E(dk)4]}1/4;及自该估算振幅估算噪声率σ2n为σ2n=E(rk)2-2E(dk)2。
13.一种估算包括一组传送符元(dk)的q-ASK信号的信号噪声比(SNR)的方法,该方法包括步骤回复对应于该传送符元(dk)的一个别接收样品(rk)组;决定该传送符元振幅的平均值,E(dk);决定该接收样品振幅的平均值,E(rk);估算振幅为={[3*(E(rk)2)2-E(rk)4]/[3*(E(dk)2)2-E(dk)4]}1/4;及估算振幅SNR为SNR=[2*E(dk)2]/σ2n。
14.一种由接收样品(rk)的二级及四级动差估算M-QAM或q-ASK信号的信号干扰比的方法,其中该二级动差系定义为E{|rk|2}=E{|nk|2}+E{|dk|2},及该四级动差系定义为E{|rk|4}=E{|nk|4}+E{|dk|4}+4E{|nk|2}E{|dk|2},其中dk表示该传送符元及nk表示以该接收样品rk回复的一噪声组件;该方法包括步骤将该四级动差除以该二级动差以如下进行Kurtosis运算Kurt(r)≡E{|rk|4}E{|rk|2}2=E{|dk|4}+E{|nk|4}+4E{|dk|2}E{|nk|2}E{|d2|2}2+E{|nk|2}2+2E{|dk|2}E{|nk|2},]]>其中Kurtosis的先前表示式包括贡献至接收信号的一第一Kurtosis成分,及对应于接收噪声的一第二Kurtosis成分;决定能够单独贡献至信号的第一Kurtosis成分,(Ksig),为Ksig≡E{|d4|4E{|dk|2}2;]]>估算该信号噪声比(SNR)为SNR=(2-Kurt(r))+(1-2Ksig)-(2-Ksig)Kurt(r)(Kurt(r)-Ksig)]]>
全文摘要
本案揭露一种估算接收信号,如M-QAM或q-ASK信号的一或更多参数例如振幅及信号噪声比的改良系统及方法。本发明第一具体实施例基于关于许多传送符元的已知或可确定相位数据来估算M-QAM信号的振幅,其回复相对于多个传送符元的个别经接收符元组(101),该多个接收符元的每一个乘以具有一相位的多个单位向量以产生一组乘积,其中该相位在符号上与该多个传送数据符元的符号相反,相加该组乘积(105),及接着决定乘积和的实数部分。相加该已知传送符元的绝对值以产生总大小值。乘积和的实数部分除以传送大小值的和以产生该M-QAM信号振幅的估算值(111)。
文档编号H04L5/12GK101032076SQ200480025589
公开日2007年9月5日 申请日期2004年8月24日 优先权日2003年9月9日
发明者黎彬, 葛列格里S·史特恩贝格, 菲利普J·佩特拉斯基 申请人:美商内数位科技公司