专利名称：一种噪声能量估计方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种噪声能量估计方法和装置。
背景技术：
WCDMA(宽带码分多址)系统中，发射端发出的一个信号经过无线信道的传输之后，会混杂有各种干扰和噪声，如其它信号和接收机本身的热噪声等等。WCDMA是扩频系统，用不同的扩频码来区分不同信号，于是，在接收端，用真实信号的扩频码对总的接收信号进行相关运算(也就是通常所说的解扩操作)，使得真实信号能量增大，而其它信号成为噪声，与热噪声一起叠加在真实信号上(如图1所示)。解扩操作使得解扩后的信噪比是解扩前信噪比的固定倍数(扩频因子倍)，解扩后的信噪比能够体现无线信道的质量(也就是信号经过无线信道所受到的干扰和噪声的大小)，于是，接收端常常通过解扩后信噪比的测量来获得信道质量的信息。接收端获得信道质量信息有很多重要的用途，例如，在WCDMA的演进版本HSDPA(High-Speed Downlink PacketAccess，高速下行分组接入)中，使用自适应调制编码技术，该技术需要根据瞬时的信道质量指示选择合适的传输格式，以便有效地利用信道条件。所以，在HSDPA系统中，信道质量估计的准确性要求是比较高的，这里就需要解扩后信噪比估计能够有比较高的准确性。信噪比估计一般是分别对信号能量和噪声能量进行估计，再进行相除即可，本发明就是对其中的噪声能量估计进行优化，提高整个信道质量估计的准确性。
图1所示的解扩后信号可表示为ri＝Si+ni(1)
(i＝1，2，...，N，N是用于噪声估计的符号数)。
其中，Si是真实信号，ni是噪声。通常，进行信噪比估计是利用CPICH(公共导频信道)信道的解扩信号进行，CPICH信道本身的符号值是恒定不变的，于是，解扩后的符号值Si就是信道因子乘以一个常数，Si和Sj具有的相关性只由信道的变化情况决定，如果在N个符号长度内信道不发生变化，则在这个范围内，Si和Sj完全相同(也即完全相关)，否则，相关性会有所降低；ni通常假定服从N(0，σi2)分布，其方差σi2随信道的变化而变化，且当i≠j时，ni和nj互不相关；通常假定真实信号Si与噪声ni不相关。
在现有技术中，进行噪声能量估计，通常采用以下的公式σ^2=1N-1*Σi=1N|ri-(Σj=1Nrj/N)|2]]>=1N-1*(Σi=1N|ri|2-|Σi=1Nri|2N)---(2)]]>这种噪声估计算法的思想是，在真实信号基本不变的估计长度内，解扩信号的方差就是噪声能量。
可以证明，(2)式的噪声能量估计算法，在真实信号基本不变的估计长度内才是无偏估计，如果在估计长度内真实信号发生变化，则不是噪声能量的无偏估计，估计出的噪声能量偏大，下面描述这个问题的简单证明过程(为了简便起见，下面的推导都是在实数域进行，实际的信号和噪声均为复数，但用实数表示和用复数表示进行推导是等效的，不影响最终推导的结果和得出的结论)在(1)中，由于真实信号Si和噪声ni的能量均与信道有关，在N个符号内可能发生变化，所以，假设N个符号内的真实信号平均功率为S2‾=Σi=1NSi2/N,]]>噪声平均功率为σ2‾=Σi=1Nσi2/N.]]>在对噪声能量进行估计时，估计的就是σ2‾=Σi=1Nσi2/N.]]>由于在实数域进行推导，则可将(2)式写为σ^2=1N-1Σi=1N[ri-(Σj=1Nrj/N)]2]]>=1N-1(Σi=1Nri2-(Σi=1Nri)2N)---(3)]]>现在计算这个估计值的均值(该均值越接近于σ2‾=Σi=1Nσi2/N,]]>则噪声估计越准确，如果刚好等于，则是无偏估计)E(σ^2)=1N-1[E(Σi=1Nri2)-E[(Σi=1Nri)2N]---(4)]]>因为E(Σi=1Nri2)=E[Σi=1N(Si+ni)2]=Σi=1NE[(Si+ni)2]=Σi=1NE(Si2)+Σi=1Nσi2---(5)]]>E[(Σi=1Nri)2]=E[(S1+n1+S2+n2+......+SN+nN)2]]]>=E[S1·(Σk=1NSk)+S2·(Σk=1NSk)+......+SN·(Σk=1NSk)]+Σi=1Nσi2,]]>=Σi=1NE[Si·(Σk=1NSk)]+Σi=1Nσi2]]>(6)所以
E(σ^2)=1N-1[Σi=1NE(Si2)+Σi=1Nσi2-Σi=1NE[Si·(Σk=1NSk)]N-Σi=1Nσi2N]]>=1N-1{Σi=1N[E(Si2)-E(Si·S1)]+[E(Si2)-E(Si·S2)+···+[E(Si2)-E(Si·SN)]N}+Σi=1Nσi2N]]>(7)①如果信道在N个符号长度内不变(低速情况下)，则S1＝S2＝...＝SN＝S (8)σ12=σ22=...=σN2=σ2---(9)]]>于是E(σ^2)-Σi=1Nσi2N=1N-1{NS2+Nσ2-NS2-σ2}-σ2=0,---(10)]]>也即，此时，这样的噪声估计是无偏估计。
②如果信道在N个符号长度内改变(高速情况下)，此时，E(σ^2)-Σi=1Nσi2N]]>=1N-1{Σi=1N[E(Si2)-E(Si·S1)]+[E(Si2)-E(Si·S2)]+...+[E(Si2)-E(Si·SN)]N},]]>(11)由于在N个符号长度内信道发生变化，所以，E(Si2)＞E(Si·Sj)(i≠j)，于是E(σ^2)-Σi=1Nσi2N>0---(12)]]>由此可见，如果信道在估计长度内发生变化(移动台高速运动的情况下)，则(2)式的这种传统的噪声估计方法使得估计出的噪声能量偏高，导致信噪比估计值偏低。这一点在HSDPA系统中表现得尤为明显，因为，高速情况下，信噪比估计值偏低，则选择的传输格式偏低，导致此时的吞吐率偏低，没有很好地利用HSDPA中自适应调制编码方式的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种噪声能量估计方法和装置，能够较准确地确定噪声能量，对于HSDPA系统，可根据比较准确的信噪比估计值选择传输格式，从而提高系统的吞吐量。
本发明公开了一种噪声能量估计方法，包括获得待估信号，所述的待估信号包括真实信号和目标噪声；从各个待估信号中消除真实信号，以获得中间噪声；根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计。
所述的真实信号具有可被消除的特性。
所述的从各个待估信号中消除真实信号以获得中间噪声的步骤具体包括在一定的估计长度内，从待估信号中选取真实信号可被消除的符号，消除选取的符号中的真实信号，直至估计长度内的所有待估信号中的真实信号消除完毕，以获得中间噪声。
所述的根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计具体包括对获得的中间噪声进行噪声能量估计，以获得中间噪声能量，再根据中间噪声能量获得目标噪声能量。
所述的真实信号具有可被消除的特性包括相邻符号内的真实信号相等。
所述的从各个待估信号中消除真实信号以获得中间噪声的步骤具体包括在一定的估计长度内，从待估信号中选取相邻的两个符号，消除两个符号中的真实信号；依次选取相邻的两个符号进行上述处理，直至估计长度内所有待估信号中的真实信号被消除完为止，以获得中间噪声。
所述的根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计具体包括对获得的中间噪声进行噪声能量估计，以获得中间噪声能量，再将中间噪声能量进行转换以获得目标噪声能量。
本发明还公开了一种噪声能量估计装置，包括获取待估信号单元，用于获取待估信号；
消除真实信号单元，用于从所述的获取待估信号单元获得的待估信号中消除真实信号，以获得中间噪声；噪声能量估计单元，用于根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计。
所述的消除真实信号单元具体包括选择单元，用于从获取待估信号单元获取的待估信号中选择真实信号可被消除的符号；消除单元，用于从选择单元选择的符号中消除真实信号。
根据本发明，通过采用“信号对消”噪声能量估计方法，可以提高噪声的估计精度，对于HSDPA系统，可以选择较合适的传输格式，从而提高中高速情况下的HSDPA吞吐率性能；对于快速功控，可根据瞬时的信道质量指示调整发射功率，从而使调整的发射功率更加适合瞬时通信环境，提高通信系统性能和效率。
图1示出了噪声叠加在真实信号上的解扩信号示意图；图2示出了本发明的噪声能量估计装置的示意图。
具体实施例方式
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图描绘本发明的实施例。
本发明的基本思想是，通过采用“信号对消”的噪声能量估计方法，可较好地解决因真实信号的变化而引起的噪声能量估计值偏大的问题。因此，在WCDMA系统中，可以提高中高速情况下的信道估计质量，尤其是可以明显提高HSDPA系统在中高速情况下的吞吐率性能。
由背景技术的分析可知，高速情况下噪声能量估计值偏高的原因是估计出的噪声能量中包含了真实信号成分，由此可以想到，如果能够将解扩信号中的真实信号成分去掉，只剩下噪声，则可以消除这样的偏差。这就是“信号对消”噪声估计方法的思路。这种噪声估计方法的具体实现是对于N个CPICH符号的解扩值，每相邻的2个进行相减，由于信道在2个符号这样短的时间内可以认为不变，相邻2个符号的真实信号成分可以认为相等，这样一减，就只剩下噪声部分。在估计长度内，可以得到N/2(估计长度N取为偶数)个这样的相减值，对这N/2个值直接求模平方均值，即可得到噪声能量估计值。不过，这个噪声能量估计值是所要求的噪声能量的2倍，所以，还要除以2。
接下来，对上面描述的这个过程进行公式推导假定估计长度N是个偶数，令M＝N/2。
将解扩信号ri＝Si+ni(i＝1，2，...，N，N是用于噪声估计的符号数)中每相邻两个进行相减由于可以认为信道在两个符号中不变，所以，可以认为S1＝S2，于是得到，R1＝r2-r1＝S2+n2-S1-n1＝n2-n1，R1的均值为0，方差等于σ12+σ22。
又因为，可以认为n1的能量σ12等于n2的能量σ22(记δ12＝2σ12＝2σ22)，所以，R1就是一个服从N(0，δ12)分布的随机变量。
同理R2＝r4-r3＝n4-n3是服从N(0，δ22)分布的随机变量(δ22＝2σ32＝2σ42)，...
RM＝rN-rN-1＝nN-nN-1是服从N(0，δM2)分布的随机变量(δM2＝2σN-12＝2σN2)。
上面的R1、R2......、RM之间是互相独立的。
对这样得到的R1、R2......、RM这M个值求模平方均值，得到一个估计值δ^2=Σi=1M|Ri|2M---(13)]]>对这个估计值求均值
E(δ^2)=E(Σi=1M|Ri|2)M=Σi=1Mδi2M---(14)]]>由于前面假定M＝N/2，σi2＝σi+12(i＝1，3，5，...，N-1)，容易推导得到2Σi=1Nσi2/N=2·Σi=1,3,5,...,N-12σi2/(2M)=Σi=1Mδi2M---(15)]]>也就是说，这种方法得到的估计值的均值是我们需要估计的噪声能量的2倍。于是，将估计值 再除以2，得到的就是噪声能量σ2‾=Σi=1Nσi2/N]]>的无偏估计。
当估计长度N为奇数时，可舍掉最后一个符号，只取前N-1个符号按上述方法进行噪声估计。
综上所述，“信号对消”噪声能量估计方法的中心思想是通过消除解扩信号中的真实信号成份(如，CPICH解扩信号相邻两个符号值的相减，将其中的真实信号成分去掉)，只留下噪声，这样就可以解决在估计长度内真实信号成分发生变化导致的噪声能量估计值偏大的问题。
除了WCDMA系统之外，对于其它的呈现为“真实信号+噪声”的待估信号，也可以采用本发明的思想来提高信噪比估值的准确性，也就是提高信道质量估计的准确性，其中的关键就是利用真实信号已知的相关性将真实信号消除后再进行噪声能量估计。所述的真实信号已知的相关性是指可通过已知的相关性进行一定的处理来消除真实信号。例如，上述实施例中相邻符号中的真实信号已知是相等的，于是，可以将相邻符号相减，消除真实信号，同时，通过前面的公式推导可知，此时的中间噪声能量与原来待估信号中的目标噪声能量的关系是2倍的关系；如果相邻符号中的真实信号是其它的关系，比如相反、2倍等等，相应的，可以通过相邻符号相加、除以2之后相减来消除真实信号，并通过前面类似的公式推导得到中间噪声能量与原来待估信号中的目标噪声能量的关系。
如图2所示，本发明还公开了一种噪声能量估计装置，包括获取待估信号单元，用于获取待估信号；消除真实信号单元，用于从所述的获取待估信号单元获得的待估信号中消除真实信号，处理后的信号中只剩下中间噪声，且可以通过理论推导得出这个中间噪声能量与原来的待估信号中的目标噪声能量之间的关系；噪声能量估计单元，用于对消除真实信号单元输出的中间噪声进行噪声能量估计，并根据中间噪声能量与原来待估信号中的目标噪声能量之间的关系得到原来待估信号中的噪声能量估计值。
所述的消除真实信号单元具体包括选择单元，用于从获取待估信号单元的获取的待估信号中选择真实信号可被消除的符号；消除单元，用于从选择单元选择的符号中消除真实信号。
根据本发明，通过采用“信号对消”噪声能量估计方法，可以提高噪声的估计精度，以便选择较合适的传输格式，从而提高中高速情况下的HSDPA吞吐率性能。下面的表格列出了单天线模式下，典型的高速信道(VA120)时，背景技术中的现有技术和本发明的“信号对消”噪声估计方法的HSDPA吞吐率性能比较单天线链路中，VA120信道下两种噪声估计算法的吞吐率性能比较
由上表可知，高速信道下，“信号对消”噪声估计方法可以解决在估计长度内真实信号成分发生变化导致的噪声能量估计值偏大的问题，估计的SNR明显增大，吞吐率提高了约21％。
虽然通过实施例描绘了本发明，但本领域普通技术人员知道，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，就可使本发明有许多变形和变化，本发明的范围由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种噪声能量估计方法，其特征在于，包括获得待估信号，所述的待估信号包括真实信号和目标噪声；从各个待估信号中消除真实信号，以获得中间噪声；根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的真实信号具有可被消除的特性。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的从各个待估信号中消除真实信号以获得中间噪声的步骤具体包括在一定的估计长度内，从待估信号中选取真实信号可被消除的符号，消除选取的符号中的真实信号，直至估计长度内的所有待估信号中的真实信号消除完毕，以获得中间噪声。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计具体包括对获得的中间噪声进行噪声能量估计，以获得中间噪声能量，再根据中间噪声能量获得目标噪声能量。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的真实信号具有可被消除的特性包括相邻符号内的真实信号相等。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的从各个待估信号中消除真实信号以获得中间噪声的步骤具体包括在一定的估计长度内，从待估信号中选取相邻的两个符号，消除两个符号中的真实信号；依次选取相邻的两个符号进行上述处理，直至估计长度内所有待估信号中的真实信号被消除完为止，以获得中间噪声。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计具体包括对获得的中间噪声进行噪声能量估计，以获得中间噪声能量，再将中间噪声能量进行转换以获得目标噪声能量。
8.一种噪声能量估计装置，其特征在于，包括获取待估信号单元，用于获取待估信号；消除真实信号单元，用于从所述的获取待估信号单元获得的待估信号中消除真实信号，以获得中间噪声；噪声能量估计单元，用于根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的消除真实信号单元具体包括选择单元，用于从获取待估信号单元获取的待估信号中选择真实信号可被消除的符号；消除单元，用于从选择单元选择的符号中消除真实信号。
全文摘要
本发明公开了一种噪声能量估计方法，包括获得待估信号，所述的待估信号包括真实信号和目标噪声；从各个待估信号中消除真实信号，以获得中间噪声；根据获得的中间噪声对目标噪声进行噪声能量估计。本发明还公开了一种噪声能量估计装置。根据本发明，通过采用“信号对消”噪声能量估计方法，可以提高噪声估计精度，对于HSDPA系统，可以选择较合适的传输格式，从而提高中高速情况下的HSDPA吞吐率性能；对于快速功控，可根据瞬时的信道质量指示调整发射功率，从而使调整的发射功率更加适合瞬时通信环境，提高通信系统性能和效率。
文档编号H04J11/00GK1901520SQ200610103600
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月27日 优先权日2006年7月27日
发明者葛莉玮 申请人:华为技术有限公司