專利名稱：Hf/vhf突發通信的信噪比估計方法
技術領域：
本發明屬于通信技術領域，涉及無線通信技術，具體涉及信噪比估計方法，可用于 HF/VHF突發通信中實現信噪比估計。
背景技術：
現代通信中，短波/超短波HF/VHF突發通信系統廣泛用于地面、海洋和空中通信， 具有覆蓋范圍大、電子對抗能力強、抗毀性強和保密性高等顯著特點，是最低限度應急通信 保障的重要組成部分。利用電離層散射、離散E層反射、流星余跡和大氣波導等多種信道進 行無線傳輸，頻率范圍20MHz 80MHz的HF/VHF通信覆蓋范圍可達2000公里以上，在遭遇 惡劣自然災害、軍事打擊、社會技術故障和恐怖襲擊所導致的通信基礎設施大面積中斷和 損壞的情況下，提供國家最低限度的預警和應急通信保障。當常規的通信方式受到諸如電子干擾、地震、海嘯及核爆炸等影響而失效時，突發 通信在這關鍵時刻就能發揮通信保障作用，因此在通信領域中具有特殊的重要地位。在HF/VHF頻段中，流星余跡通信MBC是利用流星電離余跡對HF/VHF的反射和散 射作用進行的一種突發通信方式，具有好的隱蔽性、強的抗干擾能力、低截獲概率及抗毀 性。但是由于流星信道的快衰落特性，其數據通過量較低。與此同時，HF/VHF通信由于電 離層的高度和密度容易受晝夜、季節、氣候等因素的影響，且無線電波在遠距離傳播過程中 衰落比較嚴重，所以也容易出現數據通過量較低的情況。為了提高數據通過量，需要根據信道質量自適應地改變傳輸速率。而信噪比估計 是決定自適應變速率能否有效應用的關鍵技術，如果信噪比估計的不準，將直接影響自適 應變速率的性能。通常在突發通信系統需要根據接收信噪比自適應地改變調制方式和編碼 效率。這就要求突發通信的信噪比估計方法具有較高的可靠性。如圖1所示的是現有HF/ VHF突發通信系統框圖，首先由發送端對選擇的比特流進行編碼處理，接著對信息流進行調 制和數/模轉換，最后經過上變頻后將信號發送出去。經過HF/VHF突發信道傳輸后，在接 收端信號首先經過下變頻和模/數轉換，然后選擇相應的解調方式對其進行解調，最后對 解調后的信號通過解碼恢復為原始信息數據。與此同時，在解調前需對接收信號進行信噪 比估計，并根據估計的信噪比動態地改變下一步數據的發送速率和調制方式，從而實現自 適應變速突發通信，有效提高突發信道的利用率，實現數據的可靠傳輸。信噪比是衡量通信質量的指標之一，是接收信號的關鍵參數。信噪比估計是信道 估計的一個重要組成部分，對于流星余跡自適應變速通信系統來說，它是確定瞬間傳輸速 率的依據。在無線通信的許多場合，如調制信號的識別、Turbo碼的迭代譯碼、移動通信中 的功率控制、自適應變速率、自適應調制方式切換、自適應越區切換等，都需要知道信噪比 的數值，以獲得最佳的性能。目前，信噪比估計方法通常分為兩種一種是利用未知數據和接收信號進行的信 噪比估計，稱為盲估計，也叫自適應估計，包括分割符號矩的估計SSME、二階-四階矩M2M4 估計、基于特征值分析和信號子空間SB分解的估計和信號_變換比SVR估計。盲估計方法的優點是不需要發送訓練序列，但實現復雜、性能較差且對硬件要求高；另一種是利用傳輸 數據的先驗知識和接收信號進行的信噪比估計，稱為數據輔助估計，包括最大似然ML估計 和平方信噪方差SNV估計。其中平方信噪方差SNV估計方法基于中頻最優采樣輸出的一階 矩和二階矩，是最簡單最直接的信噪比估計方法，該方法通常需要發送端發送一組訓練序 列，然后接收端利用接收到的訓練序列進行信噪比估計。該平方信噪方差SNV估計方法由 于沒有考慮到相偏對其估計準確度的影響，因而其估計性能較差，不能滿足突發通信系統 對信噪比估計準確度的要求。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，對現有平方信噪方差SNV估計方法 進行改進，提出一種HF/VHF突發通信的信噪比估計方法，以有效減小相偏對信噪比估計性 能的影響，提高自適應變速率突發通信系統的性能。為實現上述目的，本發明提出的HF/VHF突發通信的信噪比估計方法，包括如下步 驟(1)接收端對受突發信道相偏影響的長度為Nsym的訓練序列yn，按如下公式計算其 總功率P
1 Ns^l
syn
=0式中，Nsym = 1000 10000，η表示訓練序列中的碼元序號，少/ 和少2 分別表示I 路和Q路的接收訓練序列；(2)構建接收訓練序列的信號功率S的計算公式(2a)發送端和接收端分別將長度為Nsym的訓練序列分為I、Q兩路，且發送訓 練序列an的I路、Q路分別表示為、aQn，接收訓練序列yn的I路、Q路分別表示為 少、、 ·’(2b)分別將所述的與β/ 和與相乘，再將這兩個乘積項相加后取統計平 均，再求平方，表示為S1: (2d)分別將所述的3；0!與《/ 和_>；/ 與《0!相乘，再用前者減去后者，再對求得的差值 取統計平均，再求平方，表示為S2 (3)用所述的S1加上所述的S2，得出接收訓練序列的信號功率S (4)根據步驟⑴得出的總功率P和步驟(3)中得出的信號功率S，計算突發信道中的噪聲功率N:N = P-S;(5)根據步驟(3)中得出的信號功率S和步驟(4)中得出的噪聲功率N，計算突發 通信的信噪比P 本發明具有以下優點1、本發明由于構建了接收訓練序列的信號功率S的計算公式，因而能夠準確估計 出受突發信道相偏影響的接收訓練序列的信號功率，避免了突發信道相偏對信噪比估計準 確度的影響，達到在任意相偏下較好的估計性能，實現了突發信道中任意相偏下信噪比的 準確估計；2、仿真結果表明，本發明所提出的信噪比估計方法與現有的平方信噪方差SNV估 計方法相比，具有較小的歸一化估計偏差和歸一化均方誤差MSE，且其歸一化均方誤差性能 接近估計下界，即克拉美羅界CRB。
圖1是現有HF/VHF突發通信系統框圖；圖2是本發明的實現流程圖；圖3是本發明與現有SNV方法在四種相偏下的歸一化偏差仿真對比圖；圖4是本發明與現有SNV方法在四種相偏下的歸一化均方誤差仿真對比圖。
具體實施例方式參考圖2，本發明的信噪比估計方法包括如下步驟步驟1，計算接收訓練序列的總功率P。(1. 1)接收端將接收到的長度為Nsym的訓練序列yn分為I、Q兩路，分別表示為Jzn 和；(1. 2)對兩路訓練序列Υ、和^込的平方和求統計平均，得到總功率為 [_]^=TT-1)
1^sym =0式中，Nsym = 1000 10000，η表示訓練序列中的碼元序號；所述的訓練序列yn，表示為 其中，η表示訓練序列中的碼元序號，η = 0 Nsym_l，j表示虛數單位，Wn表示零 均值，單位方差的復高斯白噪聲的采樣值，an表示發送訓練序列，Δ識為突發信道中的相偏。步驟2，構建接收訓練序列的信號功率計算式，并計算訓練序列的信號功率S。(2. 1)發送端將長度為Nsym的訓練序列an分為I、Q兩路，分別表示為β/ 和；(2. 2)將步驟⑴中得到的與步驟(2. 1)所述的相乘，再將步驟⑴中得到的·與步驟(2. 1)所述的相乘，然后將這兩個乘積項相加；(2. 3)對步驟(2. 2)中求得的和式取統計平均，再求平方，表示為S1 (2. 4)將步驟⑴中得到的與步驟(2. 1)得到的《/ 相乘，再將步驟(1)中得 到的·^/ 與步驟(2. 1)得到的 相乘，然后用前者減去后者；(2. 5)對步驟(2. 4)中求得的差值取統計平均，再求平方，表示為S2
(2. 6)將步驟(2. 3)中得到的S1與步驟(2. 5)中得到的S2相加，即得到接收訓練 序列的信號功率S: 步驟3，計算突發信道中的噪聲功率N。用步驟⑴中得到的總功率P減去步驟(2)中得到的信號功率S，得到噪聲功率 N N = P-S05)步驟4，計算突發通信的信噪比P。用步驟(2)中得到的信號功率S除以步驟(3)中得到的噪聲功率N，得到突發通信 的信噪比P 本發明的效果可以通過下面的仿真進一步證明一、仿真條件系統采用的濾波器是滾降系數為0. 5，抽頭個數為127的根升余弦濾波器。信道環 境為復AWGN信道，調制方式使用BPSK調制，采樣率為1，訓練序列的長度Nsym = 1024，信噪 比SNR變化范圍為-10dB 20dB，在每個信噪比下進行10000次仿真。二、仿真內容仿真1:在突發信道相偏分別為0°，5°，15°，30°時，采用現有平方信噪方差 SNV方法進行信噪比估計的歸一化偏差。仿真2:在突發信道相偏分別為0°，5°，15°，30°時，采用本發明方法進行信噪 比估計的歸一化偏差。仿真3:在突發信道相偏分別為0°，5°，15°，30°時，采用現有平方信噪方差 SNV方法進行信噪比估計的歸一化均方誤差MSE。仿真4:在突發信道相偏分別為0°，5°，15°，30°時，采用本發明方法進行信噪 比估計的歸一化均方誤差MSE。
三、仿真結果圖3對比了所述仿真1和仿真2在0°，5°，15°，30°四種相偏下的歸一化偏差， 圖4對比了所述仿真3和仿真4在0°，5°，15°，30°四種相偏下的歸一化均方誤差MSE。由圖3可見，本發明方法在四種相偏下的歸一化偏差與現有SNV方法在沒有相偏 時的歸一化偏差都接近于零。在同一信噪比下，現有SNV方法相偏較大時，歸一化偏差也較 大，例如在SNR = 5dB，相偏為15°時歸一化偏差約為0. 24，而相偏為30°時歸一化偏差約 為0.6。對于同一相偏下的歸一化偏差而言，信噪比越高，其歸一化偏差越大，例如相偏為 30°時，對于SNR = OdB的歸一化偏差為0. 4，而SNR = IOdB的歸一化偏差將趨近0. 8。由圖4可見，本發明方法在四種相偏下的歸一化均方誤差MSE與現有SNV方法在 沒有相偏下的歸一化MSE接近，而且也都與克拉美羅界CRB接近。在有相偏的情況下，本 發明方法隨著信噪比的增加，歸一化MSE逐漸減小；而現有SNV方法在高信噪比下隨著信 噪比的增力口，歸一化MSE也增大，例如相偏為5°，SNR = 5dB時的歸一化MSE為0. 0025，而 SNR = 15dB時的歸一化MSE增加到0. 04。在同一信噪比下，現有SNV方法相偏較大時，歸 一化MSE也較大，例如對于SNR = 5dB,相偏分別為5°，15°，30°時的歸一化MSE依次為 0. 0025,0. 05,0. 3。綜合上述仿真結果和分析，在系統存在相偏的情況下，本發明方法與現有SNV方 法相比，它能不受相偏的影響，在任意相偏下性能都趨近CRB。因此本發明方法對在有相偏 存在的系統中實現可靠信噪比估計具有重要意義。本發明的具體實現可利用FPGA或DSP或專用芯片及其他可編程邏輯器件來完成。 所述實例為本發明在實際應用中的一種實現方式，但是實現方式不限于此，可以根據實際 系統的性能指標要求進行相應的調整。
權利要求
一種HF/VHF突發通信的信噪比估計方法，包括如下步驟(1)接收端對受突發信道相偏影響的長度為Nsym的訓練序列yn，按如下公式計算其總功率P <mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>N</mi><mi>sym</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>sym</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>y</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub><mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup><mi>y</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub><mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，Nsym＝1000～10000，n表示訓練序列中的碼元序號，和分別表示I路和Q路的接收訓練序列；(2)構建接收訓練序列的信號功率S的計算公式(2a)發送端和接收端分別將長度為Nsym的訓練序列分為I、Q兩路，且發送訓練序列an的I路、Q路分別表示為接收訓練序列yn的I路、Q路分別表示為(2b)分別將所述的與和與相乘，再將這兩個乘積項相加后取統計平均，再求平方，表示為S1 <mrow><msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>N</mi><mi>sym</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>sym</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>;</mo> </mrow>(2d)分別將所述的與和與相乘，再用前者減去后者，再對求得的差值取統計平均，再求平方，表示為S2 <mrow><msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>N</mi><mi>sym</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>sym</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>;</mo> </mrow>(3)用所述的S1加上所述的S2，得出接收訓練序列的信號功率S <mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>N</mi><mi>sym</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>sym</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>N</mi><mi>sym</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>sym</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <msub><mi>a</mi><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>;</mo> </mrow>(4)根據步驟(1)得出的總功率P和步驟(3)中得出的信號功率S，計算突發信道中的噪聲功率NN＝P S；(5)根據步驟(3)中得出的信號功率S和步驟(4)中得出的噪聲功率N，計算突發通信的信噪比ρ <mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>S</mi> <mi>N</mi></mfrac><mo>.</mo> </mrow>FSA00000186142700012.tif,FSA00000186142700013.tif,FSA00000186142700014.tif,FSA00000186142700015.tif,FSA00000186142700016.tif,FSA00000186142700017.tif,FSA00000186142700018.tif,FSA00000186142700019.tif,FSA000001861427000111.tif,FSA000001861427000112.tif,FSA000001861427000113.tif,FSA000001861427000114.tif
2.根據權利要求1所述的HF/VHF突發通信的信噪比估計方法，其中步驟(1)所述的受 突發信道相偏影響的長度為Nsym的訓練序列yn，表示為 其中，η表示訓練序列中的碼元序號，η = 0 Nsym-1，j表示虛數單位，Wn表示零均值， 單位方差的復高斯白噪聲的采樣值，an表示發送訓練序列，Δ識為突發信道中的相偏。
全文摘要
本發明公開了一種HF/VHF突發通信的信噪比估計方法，主要解決突發通信中，現有平方信噪方差SNV估計方法在突發信道相偏影響下對信噪比估計偏差較大的問題。其方法是(1)接收端對受突發信道相偏影響的訓練序列計算總功率；(2)構建接收訓練序列的信號功率的計算公式，并計算訓練序列的信號功率；(3)用步驟(1)得出的總功率減去步驟(2)得出的信號功率，得到突發信道中的噪聲功率；(4)用步驟(2)得出的信號功率除以步驟(3)得出的噪聲功率，得到突發通信的信噪比。本發明在突發信道的任意相偏影響下，仍能保證信噪比的準確估計，提高了自適應變速率突發通信系統的性能，可用于具有顯著突發性和不確定性的突發通信。
文檔編號H04L25/03GK101895313SQ20101022522
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月12日 優先權日2010年7月12日
發明者劉坤, 司江勃, 吳利平, 姚磊, 張文博, 李贊, 趙晉宇, 郝本健, 陳小軍 申請人:西安電子科技大學