衛(wèi)星信道中基于包絡(luò)的改進(jìn)信噪比估計(jì)算法* 1

游　偉，郭道省，易　旭,牛和昊

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

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衛(wèi)星信道中基于包絡(luò)的改進(jìn)信噪比估計(jì)算法* 1

游偉，郭道省，易旭,牛和昊

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

摘要：衛(wèi)星通信中利用信噪比估計(jì)方法能夠有效提高系統(tǒng)的解調(diào)性能，為信道分配、功率控制等提供重要的信道質(zhì)量信息，具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。首先研究了衛(wèi)星信道下幾種常見的恒模信號(hào)信噪比估計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種有效的信噪比估計(jì)算法。該算法利用信號(hào)包絡(luò)的均值和方差進(jìn)行估計(jì)，不需要提取接收信號(hào)的IQ路信息，具有計(jì)算量小復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明該算法估計(jì)準(zhǔn)確，有很好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星信道；信噪比估計(jì)；恒模信號(hào)；信號(hào)包絡(luò)

0引言

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行信噪比(SNR,signal-to-noiseradio)估計(jì)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中具有重要的作用，如實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM,adaptivecodingandmodulation)、鏈路功率控制(PC,powercontrol)等，通常多使用信噪比作為信道質(zhì)量的主要衡量參數(shù)，控制通信頻率或者調(diào)制方式的切換，信噪比估計(jì)的正確性直接影響著通信系統(tǒng)的性能。

衛(wèi)星信道是典型的AWGN信道， 近年來，在AWGN信道下的信噪比估計(jì)問題得到了廣泛研究。文獻(xiàn)[1]中，作者提出了有導(dǎo)頻輔助的基于最大似然準(zhǔn)則的SNR估計(jì)算法，導(dǎo)頻符號(hào)的存在降低了傳輸效率。文獻(xiàn)[2]中，作者提出了多項(xiàng)式逼近算法，然而該算法只能用于BPSK和QPSK信號(hào)。文獻(xiàn)[3]中，作者提出一種基于判決的估計(jì)算法，判決過程增加了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

文獻(xiàn)[4]提出了利用接受信號(hào)2階和4階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行估計(jì)的算法，通常稱作M2M4算法，該算法具有低復(fù)雜度的特點(diǎn)，但是在低信噪比區(qū)域存在較大誤差。文獻(xiàn)[5]對(duì)4種非數(shù)據(jù)輔助的SNR估計(jì)算法進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了性能最好的估計(jì)算法。文獻(xiàn)[6]針對(duì)BPSK和QPSK信號(hào)提出了一種改進(jìn)的M2M4的估計(jì)算法，其中對(duì)信號(hào)功率的估計(jì)需要提取I/Q路信息，該算法在中高信噪比區(qū)域的性能優(yōu)于M2M4算法，在低信噪比區(qū)域性能相比M2M4算法有所下降。文獻(xiàn)[7]將文獻(xiàn)[6]的算法推廣到8PSK信號(hào)，此時(shí)需要解調(diào)判決，將8PSK信號(hào)分解成兩個(gè)QPSK信號(hào)進(jìn)行，判決處理增加了運(yùn)算量且在低信噪比區(qū)域因?yàn)榕袥Q錯(cuò)誤概率增大使算法估計(jì)誤差增大。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于特征值分解的SNR估計(jì)算法，該算法有較高的估計(jì)精度，然而進(jìn)行特征值分解的矩陣維度與估計(jì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的平方成正比，不適合存儲(chǔ)容量小的系統(tǒng)。

本文首先研究了衛(wèi)星信道下幾種常見的恒模信號(hào)信噪比估計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種有效的信噪比估計(jì)算法。該算法利用信號(hào)包絡(luò)的均值和方差進(jìn)行估計(jì)，不需要提取接收信號(hào)的IQ路信息，能夠有效降低計(jì)算量和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

1系統(tǒng)模型

恒模信號(hào)可表達(dá)為：

s(t)=Aej(2πfct+θm)

(1)

式中,A為信號(hào)幅度，fc為載波頻率，θm=2πm/M(m=0,1,2,…,M-1)為載波相位。其中A和fc固定不變，信息由相位θm表示，因此稱作恒模信號(hào)，MPSK調(diào)制信號(hào)是該類信號(hào)的典型代表。

假設(shè)信號(hào)在傳輸過程中只受加性高斯白噪聲的影響，接收機(jī)的輸入可表示為:

r(t)=s(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)為復(fù)加性高斯白噪聲，服從分布CN(0,2σ2)。

假設(shè)接收端實(shí)現(xiàn)了理想的載波和符號(hào)同步，則接收信號(hào)的I路和Q路分量分別為：

(3)

(4)

(5)

2現(xiàn)有算法

2.1算法1(M2M4算法)

M2M4算法是最常見的SNR估計(jì)算法，該算法利用信號(hào)的2階和4階矩進(jìn)行估計(jì)，因此得名。該算法理論推導(dǎo)如下[4]：

(6)

(7)

對(duì)信號(hào)功率和噪聲功率的估計(jì)值分別為：

(8)

(9)

實(shí)際計(jì)算時(shí)采用：

(10)

(11)

代替M2和M4，其中N為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

2.2算法2

文獻(xiàn)[5]中，作者分析比較了4種信噪比估計(jì)算法，估計(jì)方式分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

其中第二種算法估計(jì)性能最好，本文將該算法記作算法2。

2.3算法3

文獻(xiàn)[6]中，作者提出了一種類似M2M4的估計(jì)算法，其中對(duì)信號(hào)功率的估計(jì)為：

(16)

3基于信號(hào)包絡(luò)的估計(jì)方法

本文方法的基本原理是在AWGN信道條件下，可將接收信號(hào)包絡(luò)a(n)的均值和方差分別當(dāng)作信號(hào)功率和噪聲功率，利用下式進(jìn)行SNR估計(jì)[8]。

(17)

對(duì)于復(fù)基帶信號(hào)時(shí)，信號(hào)包絡(luò)為：

(18)

其中：

（2）優(yōu)化商品的營(yíng)銷策略，通過對(duì)用戶對(duì)電子商務(wù)平臺(tái)Web頁(yè)面的訪問，采集用戶各類評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，進(jìn)行挖掘分析?？梢猿浞至私庥脩粼谑褂蒙唐泛蟮恼媲懈惺?，從而優(yōu)化商品營(yíng)銷的策略。針對(duì)不同的產(chǎn)品進(jìn)行制定不同的營(yíng)銷策略，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的產(chǎn)品優(yōu)惠、各類型促銷活動(dòng)的策略方針，實(shí)現(xiàn)商品銷售利潤(rùn)的最大化。

(19)

(20)

(21)

方差：

(22)

定義z=η/μ2，則有：

(23)

若以dB為單位則上式變?yōu)椋?/p>

(24)

表1　幾種算法的運(yùn)算對(duì)比

由表1可知，本文算法的運(yùn)算量比算法1和2有所降低，實(shí)數(shù)乘法的運(yùn)算量高于算法3，但是本文算法比算法3有更好的估計(jì)性能，該特性將在仿真部分得到驗(yàn)證。

4仿真分析

以下將本文算法與上述幾種算法作仿真比較，仿真對(duì)象為BPSK、QPSK和8PSK信號(hào)，SNR估計(jì)算法[9-10]的性能通常用歸一化均方誤差(NMSE,NormalizedMeanSquareError)來表示，公式為：

(25)

圖1　算法估計(jì)值(BPSK信號(hào))

圖2　算法NMSE(BPSK信號(hào))

圖3　算法估計(jì)值(QPSK信號(hào))

圖4　算法NMSE(QPSK信號(hào))

圖5　算法估計(jì)值(8PSK信號(hào))

圖6　算法NMSE(8PSK信號(hào))

由圖1～圖6可知，本文算法對(duì)恒模信號(hào)有很好的估計(jì)性能，估計(jì)誤差與M2M4算法相當(dāng)，優(yōu)于算法2和算法3。在高信噪比區(qū)域，幾種算法估計(jì)性能基本相同，低信噪比區(qū)域算法2和算法3有較大的估計(jì)誤差，而本文算法和M2M4算法估計(jì)性能較好。從圖5和圖6易知算法3對(duì)8PSK信號(hào)無法進(jìn)行信噪比估計(jì)，而本文算法無此缺陷，對(duì)恒模信號(hào)有良好的適應(yīng)能力。

5結(jié)語

本文首先研究了衛(wèi)星信道下幾種常見的恒模信號(hào)信噪比估計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種有效的信噪比估計(jì)算法。該算法利用信號(hào)包絡(luò)的均值和方差進(jìn)行估計(jì)，不需要提取接收信號(hào)的IQ路信息，具有計(jì)算量小復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明該算法估計(jì)準(zhǔn)確，適用于很寬的信噪比范圍,并且對(duì)信號(hào)的調(diào)制階數(shù)不敏感，有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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AnImprovedSNREstimationAlgorithmbasedonSignalEnvelopinSatelliteChannel

YOUWei,GUODao-xing,YIXu,NIUHe-min

(CollegeofCommunicationEngineering,PLAUniversityofScience&Technology,NanjingJiangsu210007,China)

Abstract：The estimation of SNR (Signal-to-Noise Ratio) in satellite communication system, as a fundamental technology, could effectively enhance demodulation performance of the system and provides key channel quality information for channel allocation and power control as well. This paper firstly discusses several SNR estimations for constant- module signals in satellite communication channel, and then an efficient estimation algorithm based on signal envelop is proposed. The proposed algorithm exploits the mean and variance of the signal envelope for estimation, with no extraction of I/Q branch information, and thus significantly reducing the computational complexity. Simulation results indicate that the proposed algorithm could estimate the signals accurately and is of excellent application value.

Key words：satellite communication; SNR estimation; constant module; signal envelope

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.004

* 收稿日期：2015-12-20；修回日期：2016-04-02Received date:2015-12-20；Revised date：2016-04-02

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)05-0529-04

作者簡(jiǎn)介：

游偉(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾旁氡裙烙?jì)、功放預(yù)失真；

郭道省(1973—)，男，教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

易旭(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樾诺谰幋a。