专利名称：Hf/vhf突发通信的信噪比估计方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及无线通信技术，具体涉及信噪比估计方法，可用于 HF/VHF突发通信中实现信噪比估计。
背景技术：
现代通信中，短波/超短波HF/VHF突发通信系统广泛用于地面、海洋和空中通信， 具有覆盖范围大、电子对抗能力强、抗毁性强和保密性高等显著特点，是最低限度应急通信 保障的重要组成部分。利用电离层散射、离散E层反射、流星余迹和大气波导等多种信道进 行无线传输，频率范围20MHz 80MHz的HF/VHF通信覆盖范围可达2000公里以上，在遭遇 恶劣自然灾害、军事打击、社会技术故障和恐怖袭击所导致的通信基础设施大面积中断和 损坏的情况下，提供国家最低限度的预警和应急通信保障。当常规的通信方式受到诸如电子干扰、地震、海啸及核爆炸等影响而失效时，突发 通信在这关键时刻就能发挥通信保障作用，因此在通信领域中具有特殊的重要地位。在HF/VHF频段中，流星余迹通信MBC是利用流星电离余迹对HF/VHF的反射和散 射作用进行的一种突发通信方式，具有好的隐蔽性、强的抗干扰能力、低截获概率及抗毁 性。但是由于流星信道的快衰落特性，其数据通过量较低。与此同时，HF/VHF通信由于电 离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，且无线电波在远距离传播过程中 衰落比较严重，所以也容易出现数据通过量较低的情况。为了提高数据通过量，需要根据信道质量自适应地改变传输速率。而信噪比估计 是决定自适应变速率能否有效应用的关键技术，如果信噪比估计的不准，将直接影响自适 应变速率的性能。通常在突发通信系统需要根据接收信噪比自适应地改变调制方式和编码 效率。这就要求突发通信的信噪比估计方法具有较高的可靠性。如图1所示的是现有HF/ VHF突发通信系统框图，首先由发送端对选择的比特流进行编码处理，接着对信息流进行调 制和数/模转换，最后经过上变频后将信号发送出去。经过HF/VHF突发信道传输后，在接 收端信号首先经过下变频和模/数转换，然后选择相应的解调方式对其进行解调，最后对 解调后的信号通过解码恢复为原始信息数据。与此同时，在解调前需对接收信号进行信噪 比估计，并根据估计的信噪比动态地改变下一步数据的发送速率和调制方式，从而实现自 适应变速突发通信，有效提高突发信道的利用率，实现数据的可靠传输。信噪比是衡量通信质量的指标之一，是接收信号的关键参数。信噪比估计是信道 估计的一个重要组成部分，对于流星余迹自适应变速通信系统来说，它是确定瞬间传输速 率的依据。在无线通信的许多场合，如调制信号的识别、Turbo码的迭代译码、移动通信中 的功率控制、自适应变速率、自适应调制方式切换、自适应越区切换等，都需要知道信噪比 的数值，以获得最佳的性能。目前，信噪比估计方法通常分为两种一种是利用未知数据和接收信号进行的信 噪比估计，称为盲估计，也叫自适应估计，包括分割符号矩的估计SSME、二阶-四阶矩M2M4 估计、基于特征值分析和信号子空间SB分解的估计和信号_变换比SVR估计。盲估计方法的优点是不需要发送训练序列，但实现复杂、性能较差且对硬件要求高；另一种是利用传输 数据的先验知识和接收信号进行的信噪比估计，称为数据辅助估计，包括最大似然ML估计 和平方信噪方差SNV估计。其中平方信噪方差SNV估计方法基于中频最优采样输出的一阶 矩和二阶矩，是最简单最直接的信噪比估计方法，该方法通常需要发送端发送一组训练序 列，然后接收端利用接收到的训练序列进行信噪比估计。该平方信噪方差SNV估计方法由 于没有考虑到相偏对其估计准确度的影响，因而其估计性能较差，不能满足突发通信系统 对信噪比估计准确度的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，对现有平方信噪方差SNV估计方法 进行改进，提出一种HF/VHF突发通信的信噪比估计方法，以有效减小相偏对信噪比估计性 能的影响，提高自适应变速率突发通信系统的性能。为实现上述目的，本发明提出的HF/VHF突发通信的信噪比估计方法，包括如下步 骤(1)接收端对受突发信道相偏影响的长度为Nsym的训练序列yn，按如下公式计算其 总功率P
1 Ns^l
syn
=0式中，Nsym = 1000 10000，η表示训练序列中的码元序号，少/ 和少2 分别表示I 路和Q路的接收训练序列；(2)构建接收训练序列的信号功率S的计算公式(2a)发送端和接收端分别将长度为Nsym的训练序列分为I、Q两路，且发送训 练序列an的I路、Q路分别表示为、aQn，接收训练序列yn的I路、Q路分别表示为 少、、 ·’(2b)分别将所述的与β/ 和与相乘，再将这两个乘积项相加后取统计平 均，再求平方，表示为S1: (2d)分别将所述的3；0!与《/ 和_>；/ 与《0!相乘，再用前者减去后者，再对求得的差值 取统计平均，再求平方，表示为S2 (3)用所述的S1加上所述的S2，得出接收训练序列的信号功率S (4)根据步骤⑴得出的总功率P和步骤(3)中得出的信号功率S，计算突发信道中的噪声功率N:N = P-S;(5)根据步骤(3)中得出的信号功率S和步骤(4)中得出的噪声功率N，计算突发 通信的信噪比P 本发明具有以下优点1、本发明由于构建了接收训练序列的信号功率S的计算公式，因而能够准确估计 出受突发信道相偏影响的接收训练序列的信号功率，避免了突发信道相偏对信噪比估计准 确度的影响，达到在任意相偏下较好的估计性能，实现了突发信道中任意相偏下信噪比的 准确估计；2、仿真结果表明，本发明所提出的信噪比估计方法与现有的平方信噪方差SNV估 计方法相比，具有较小的归一化估计偏差和归一化均方误差MSE，且其归一化均方误差性能 接近估计下界，即克拉美罗界CRB。
图1是现有HF/VHF突发通信系统框图；图2是本发明的实现流程图；图3是本发明与现有SNV方法在四种相偏下的归一化偏差仿真对比图；图4是本发明与现有SNV方法在四种相偏下的归一化均方误差仿真对比图。
具体实施例方式参考图2，本发明的信噪比估计方法包括如下步骤步骤1，计算接收训练序列的总功率P。(1. 1)接收端将接收到的长度为Nsym的训练序列yn分为I、Q两路，分别表示为Jzn 和；(1. 2)对两路训练序列Υ、和^込的平方和求统计平均，得到总功率为 [_]^=TT-1)
1^sym =0式中，Nsym = 1000 10000，η表示训练序列中的码元序号；所述的训练序列yn，表示为 其中，η表示训练序列中的码元序号，η = 0 Nsym_l，j表示虚数单位，Wn表示零 均值，单位方差的复高斯白噪声的采样值，an表示发送训练序列，Δ识为突发信道中的相偏。步骤2，构建接收训练序列的信号功率计算式，并计算训练序列的信号功率S。(2. 1)发送端将长度为Nsym的训练序列an分为I、Q两路，分别表示为β/ 和；(2. 2)将步骤⑴中得到的与步骤(2. 1)所述的相乘，再将步骤⑴中得到的·与步骤(2. 1)所述的相乘，然后将这两个乘积项相加；(2. 3)对步骤(2. 2)中求得的和式取统计平均，再求平方，表示为S1 (2. 4)将步骤⑴中得到的与步骤(2. 1)得到的《/ 相乘，再将步骤(1)中得 到的·^/ 与步骤(2. 1)得到的 相乘，然后用前者减去后者；(2. 5)对步骤(2. 4)中求得的差值取统计平均，再求平方，表示为S2
(2. 6)将步骤(2. 3)中得到的S1与步骤(2. 5)中得到的S2相加，即得到接收训练 序列的信号功率S: 步骤3，计算突发信道中的噪声功率N。用步骤⑴中得到的总功率P减去步骤(2)中得到的信号功率S，得到噪声功率 N N = P-S05)步骤4，计算突发通信的信噪比P。用步骤(2)中得到的信号功率S除以步骤(3)中得到的噪声功率N，得到突发通信 的信噪比P 本发明的效果可以通过下面的仿真进一步证明一、仿真条件系统采用的滤波器是滚降系数为0. 5，抽头个数为127的根升余弦滤波器。信道环 境为复AWGN信道，调制方式使用BPSK调制，采样率为1，训练序列的长度Nsym = 1024，信噪 比SNR变化范围为-10dB 20dB，在每个信噪比下进行10000次仿真。二、仿真内容仿真1:在突发信道相偏分别为0°，5°，15°，30°时，采用现有平方信噪方差 SNV方法进行信噪比估计的归一化偏差。仿真2:在突发信道相偏分别为0°，5°，15°，30°时，采用本发明方法进行信噪 比估计的归一化偏差。仿真3:在突发信道相偏分别为0°，5°，15°，30°时，采用现有平方信噪方差 SNV方法进行信噪比估计的归一化均方误差MSE。仿真4:在突发信道相偏分别为0°，5°，15°，30°时，采用本发明方法进行信噪 比估计的归一化均方误差MSE。
三、仿真结果图3对比了所述仿真1和仿真2在0°，5°，15°，30°四种相偏下的归一化偏差， 图4对比了所述仿真3和仿真4在0°，5°，15°，30°四种相偏下的归一化均方误差MSE。由图3可见，本发明方法在四种相偏下的归一化偏差与现有SNV方法在没有相偏 时的归一化偏差都接近于零。在同一信噪比下，现有SNV方法相偏较大时，归一化偏差也较 大，例如在SNR = 5dB，相偏为15°时归一化偏差约为0. 24，而相偏为30°时归一化偏差约 为0.6。对于同一相偏下的归一化偏差而言，信噪比越高，其归一化偏差越大，例如相偏为 30°时，对于SNR = OdB的归一化偏差为0. 4，而SNR = IOdB的归一化偏差将趋近0. 8。由图4可见，本发明方法在四种相偏下的归一化均方误差MSE与现有SNV方法在 没有相偏下的归一化MSE接近，而且也都与克拉美罗界CRB接近。在有相偏的情况下，本 发明方法随着信噪比的增加，归一化MSE逐渐减小；而现有SNV方法在高信噪比下随着信 噪比的增力口，归一化MSE也增大，例如相偏为5°，SNR = 5dB时的归一化MSE为0. 0025，而 SNR = 15dB时的归一化MSE增加到0. 04。在同一信噪比下，现有SNV方法相偏较大时，归 一化MSE也较大，例如对于SNR = 5dB,相偏分别为5°，15°，30°时的归一化MSE依次为 0. 0025,0. 05,0. 3。综合上述仿真结果和分析，在系统存在相偏的情况下，本发明方法与现有SNV方 法相比，它能不受相偏的影响，在任意相偏下性能都趋近CRB。因此本发明方法对在有相偏 存在的系统中实现可靠信噪比估计具有重要意义。本发明的具体实现可利用FPGA或DSP或专用芯片及其他可编程逻辑器件来完成。 所述实例为本发明在实际应用中的一种实现方式，但是实现方式不限于此，可以根据实际 系统的性能指标要求进行相应的调整。
权利要求
一种HF/VHF突发通信的信噪比估计方法，包括如下步骤(1)接收端对受突发信道相偏影响的长度为Nsym的训练序列yn，按如下公式计算其总功率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表示训练序列中的码元序号，和分别表示I路和Q路的接收训练序列；(2)构建接收训练序列的信号功率S的计算公式(2a)发送端和接收端分别将长度为Nsym的训练序列分为I、Q两路，且发送训练序列an的I路、Q路分别表示为接收训练序列yn的I路、Q路分别表示为(2b)分别将所述的与和与相乘，再将这两个乘积项相加后取统计平均，再求平方，表示为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)分别将所述的与和与相乘，再用前者减去后者，再对求得的差值取统计平均，再求平方，表示为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，得出接收训练序列的信号功率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)根据步骤(1)得出的总功率P和步骤(3)中得出的信号功率S，计算突发信道中的噪声功率NN＝P S；(5)根据步骤(3)中得出的信号功率S和步骤(4)中得出的噪声功率N，计算突发通信的信噪比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.根据权利要求1所述的HF/VHF突发通信的信噪比估计方法，其中步骤(1)所述的受 突发信道相偏影响的长度为Nsym的训练序列yn，表示为 其中，η表示训练序列中的码元序号，η = 0 Nsym-1，j表示虚数单位，Wn表示零均值， 单位方差的复高斯白噪声的采样值，an表示发送训练序列，Δ识为突发信道中的相偏。
全文摘要
本发明公开了一种HF/VHF突发通信的信噪比估计方法，主要解决突发通信中，现有平方信噪方差SNV估计方法在突发信道相偏影响下对信噪比估计偏差较大的问题。其方法是(1)接收端对受突发信道相偏影响的训练序列计算总功率；(2)构建接收训练序列的信号功率的计算公式，并计算训练序列的信号功率；(3)用步骤(1)得出的总功率减去步骤(2)得出的信号功率，得到突发信道中的噪声功率；(4)用步骤(2)得出的信号功率除以步骤(3)得出的噪声功率，得到突发通信的信噪比。本发明在突发信道的任意相偏影响下，仍能保证信噪比的准确估计，提高了自适应变速率突发通信系统的性能，可用于具有显著突发性和不确定性的突发通信。
文档编号H04L25/03GK101895313SQ20101022522
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者刘坤, 司江勃, 吴利平, 姚磊, 张文博, 李赞, 赵晋宇, 郝本健, 陈小军 申请人:西安电子科技大学