衛星信道中基于包絡的改進信噪比估計算法* 1

游　偉，郭道省，易　旭,牛和昊

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

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衛星信道中基于包絡的改進信噪比估計算法* 1

游偉，郭道省，易旭,牛和昊

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

摘要：衛星通信中利用信噪比估計方法能夠有效提高系統的解調性能，為信道分配、功率控制等提供重要的信道質量信息，具有重要的研究價值和意義。首先研究了衛星信道下幾種常見的恒模信號信噪比估計方法，并在此基礎上提出了一種有效的信噪比估計算法。該算法利用信號包絡的均值和方差進行估計，不需要提取接收信號的IQ路信息，具有計算量小復雜度低的優點。仿真結果表明該算法估計準確，有很好的應用價值。

關鍵詞：衛星信道；信噪比估計；恒模信號；信號包絡

0引言

對接收信號進行信噪比(SNR,signal-to-noiseradio)估計在衛星通信系統中具有重要的作用，如實現自適應編碼調制(ACM,adaptivecodingandmodulation)、鏈路功率控制(PC,powercontrol)等，通常多使用信噪比作為信道質量的主要衡量參數，控制通信頻率或者調制方式的切換，信噪比估計的正確性直接影響著通信系統的性能。

衛星信道是典型的AWGN信道， 近年來，在AWGN信道下的信噪比估計問題得到了廣泛研究。文獻[1]中，作者提出了有導頻輔助的基于最大似然準則的SNR估計算法，導頻符號的存在降低了傳輸效率。文獻[2]中，作者提出了多項式逼近算法，然而該算法只能用于BPSK和QPSK信號。文獻[3]中，作者提出一種基于判決的估計算法，判決過程增加了實現復雜度。

文獻[4]提出了利用接受信號2階和4階統計量進行估計的算法，通常稱作M2M4算法，該算法具有低復雜度的特點，但是在低信噪比區域存在較大誤差。文獻[5]對4種非數據輔助的SNR估計算法進行了對比分析，指出了性能最好的估計算法。文獻[6]針對BPSK和QPSK信號提出了一種改進的M2M4的估計算法，其中對信號功率的估計需要提取I/Q路信息，該算法在中高信噪比區域的性能優于M2M4算法，在低信噪比區域性能相比M2M4算法有所下降。文獻[7]將文獻[6]的算法推廣到8PSK信號，此時需要解調判決，將8PSK信號分解成兩個QPSK信號進行，判決處理增加了運算量且在低信噪比區域因為判決錯誤概率增大使算法估計誤差增大。文獻[8]提出了一種基于特征值分解的SNR估計算法，該算法有較高的估計精度，然而進行特征值分解的矩陣維度與估計數據長度的平方成正比，不適合存儲容量小的系統。

本文首先研究了衛星信道下幾種常見的恒模信號信噪比估計方法，并在此基礎上提出了一種有效的信噪比估計算法。該算法利用信號包絡的均值和方差進行估計，不需要提取接收信號的IQ路信息，能夠有效降低計算量和實現復雜度。

1系統模型

恒模信號可表達為：

s(t)=Aej(2πfct+θm)

(1)

式中,A為信號幅度，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，MPSK調制信號是該類信號的典型代表。

假設信號在傳輸過程中只受加性高斯白噪聲的影響，接收機的輸入可表示為:

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

(2)

式中，n(t)為復加性高斯白噪聲，服從分布CN(0,2σ2)。

假設接收端實現了理想的載波和符號同步，則接收信號的I路和Q路分量分別為：

(3)

(4)

(5)

2現有算法

2.1算法1(M2M4算法)

M2M4算法是最常見的SNR估計算法，該算法利用信號的2階和4階矩進行估計，因此得名。該算法理論推導如下[4]：

(6)

(7)

對信號功率和噪聲功率的估計值分別為：

(8)

(9)

實際計算時采用：

(10)

(11)

代替M2和M4，其中N為數據長度。

2.2算法2

文獻[5]中，作者分析比較了4種信噪比估計算法，估計方式分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

其中第二種算法估計性能最好，本文將該算法記作算法2。

2.3算法3

文獻[6]中，作者提出了一種類似M2M4的估計算法，其中對信號功率的估計為：

(16)

3基于信號包絡的估計方法

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

(17)

對于復基帶信號時，信號包絡為：

(18)

其中：

（2）優化商品的營銷策略，通過對用戶對電子商務平臺Web頁面的訪問，采集用戶各類評價數據，進行挖掘分析。可以充分了解用戶在使用商品后的真切感受，從而優化商品營銷的策略。針對不同的產品進行制定不同的營銷策略，利用數據挖掘技術實現不同的產品優惠、各類型促銷活動的策略方針，實現商品銷售利潤的最大化。

(19)

(20)

(21)

方差：

(22)

定義z=η/μ2，則有：

(23)

若以dB為單位則上式變為：

(24)

表1　幾種算法的運算對比

由表1可知，本文算法的運算量比算法1和2有所降低，實數乘法的運算量高于算法3，但是本文算法比算法3有更好的估計性能，該特性將在仿真部分得到驗證。

4仿真分析

以下將本文算法與上述幾種算法作仿真比較，仿真對象為BPSK、QPSK和8PSK信號，SNR估計算法[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　算法估計值(BPSK信號)

圖2　算法NMSE(BPSK信號)

圖3　算法估計值(QPSK信號)

圖4　算法NMSE(QPSK信號)

圖5　算法估計值(8PSK信號)

圖6　算法NMSE(8PSK信號)

由圖1～圖6可知，本文算法對恒模信號有很好的估計性能，估計誤差與M2M4算法相當，優于算法2和算法3。在高信噪比區域，幾種算法估計性能基本相同，低信噪比區域算法2和算法3有較大的估計誤差，而本文算法和M2M4算法估計性能較好。從圖5和圖6易知算法3對8PSK信號無法進行信噪比估計，而本文算法無此缺陷，對恒模信號有良好的適應能力。

5結語

本文首先研究了衛星信道下幾種常見的恒模信號信噪比估計方法，并在此基礎上提出了一種有效的信噪比估計算法。該算法利用信號包絡的均值和方差進行估計，不需要提取接收信號的IQ路信息，具有計算量小復雜度低的優點。仿真結果表明該算法估計準確，適用于很寬的信噪比范圍,并且對信號的調制階數不敏感，有很好的應用價值。

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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：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0529-04

作者簡介：

游偉(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為信噪比估計、功放預失真；

郭道省(1973—)，男，教授，主要研究方向為衛星通信；

易旭(1990—)，男，碩士，主要研究方向為信道編碼。