專利名稱：估算接收到的數(shù)字信號的信噪比的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于估算由無線電通信接收機所接收到的數(shù)字信號的信噪比的一種方法的。
它更多地涉及到估算這樣一種信噪比，即在無線電通信系統(tǒng)中通信資源由多種代碼共享。
眾所周知，在數(shù)字型電信系統(tǒng)中許多不同的通信能夠被同時地傳輸。這種同時性傳輸依賴于不同的代碼和/或頻率和/或時隙。
在此通過例子來考慮一個電信系統(tǒng)，在此通信系統(tǒng)中多個終端與一個控制站通信，值得注意的是該通信過程利用星載轉(zhuǎn)發(fā)裝置實現(xiàn)。因此，后者同時地與一組終端通信。正是這種繁多的同時的通信使得依賴于共享代碼和/或頻率和/或時隙資源成為必然。
在該系統(tǒng)中，這些資源受到衛(wèi)星上的設(shè)備的重傳能力的限制。因此必須給每個發(fā)射機分配足以滿足通信要求的功率，也就是說允許比特誤碼率總是低于被要求的誤碼率的功率。為了滿足這種要求，它被保證在任何時刻，被接收的信號的信噪比要大于預(yù)先給定的值。
由于傳播條件可能變化，特別是由于氣候條件的變化的結(jié)果，因此信噪比的這種測試方法需要連續(xù)地被執(zhí)行。例如，與在晴朗的天氣中傳輸相比，雨天會造成被接收到的信號的大的衰減。還應(yīng)該指出的是傳輸條件能夠被在多個信號路徑上加和減組合產(chǎn)生的抖動而下降，也能夠由于當(dāng)天線正在跟著移動源(衛(wèi)星)并且障礙物正處在被傳輸信號的路徑上產(chǎn)生的屏蔽而降低。
信噪比的測量的精確性是非常重要的，因為低精確性的測量將導(dǎo)致給每個發(fā)射機分配更多的功率，這將會降低通信的能力。另一方面，如果測量是精確的，那么將會給每個發(fā)射機分配它所必需的功率，這使得通信資源能夠達到最大。
到目前為止，測量信噪比所使用的各種方法提供了相對低的精確性.。
估算提供最佳結(jié)果的信噪比的方法是在數(shù)字信號的情況下，一方面采用相關(guān)法，另一方面采用被接收信號的直接測量的方法。
第一種方法(相關(guān)法)是將被接收到的二進制信號與被解碼的信號進行相關(guān)，然后重新編碼。這是因為眾所周知，被傳輸?shù)亩M制信號包含了冗余信息，以便允許該信息的魯棒性傳輸。例如，一個包含424比特的ATM信元被以848比特傳輸。解碼是將424比特的有用信息抽取出來，而編碼是將424比特的有用信息轉(zhuǎn)換成將被傳輸?shù)?48比特。因此，被接收到的二進制信號和編碼器中輸出的信號具有相同的格式和相同的比特數(shù)。
相關(guān)法是將被接收到的信號S和編碼器中輸出的信號X相乘。信噪比
取決于對于N個樣本序列測量的乘積Z＝X·S的均值和方差。此時該信噪比是均值的平方與兩倍方差的比值。該方法受到解碼器的性能的限制。此鏈路質(zhì)量低時，解碼器提供了錯誤的結(jié)果，此時所提供的測量是不可靠的。因此，僅當(dāng)信噪比的值是足夠大時，被估算的信噪比才具有正確的值。
第二種方法(對被接收到的信號S進行直接的測量)在于確定樣本的絕對值|s|和根據(jù)樣本的絕對值的均值和方差估算信噪比，例如，利用下列公式μ^|S|=1NΣi|Si|-----(1)]]>σ^|S|2=1N-3Σi(|Si|-μ^|S|)2-----(2)]]>γ^=μ^|S|22σ^|S|2---(3)]]>
在這些公式中，
是均值，
是方差，
是信噪比。
由于信噪比取決于絕對值，因此僅當(dāng)該信噪比具有足夠大的值時，這些結(jié)果才是令人滿意的。這是因為，當(dāng)僅考慮該絕對值時，負值疊加到正值上，并且如果信噪比接近零，那么該疊加導(dǎo)致原始信號的統(tǒng)計特性的下降，而且均值(1)和方差(2)的估算不再適用于結(jié)果信號。
本發(fā)明提供了估算噪聲的一種方法，當(dāng)被接收到的信號由一些代碼組成時，該方法在很大程度上降低了估算方差。
為達到那個目的，按照本發(fā)明，對所有的被接收到的代碼估算噪聲功率并且確定該噪聲的平均值，該均值被用來估算每個代碼的信噪比。
本發(fā)明來源于觀測，因為盡管噪聲來自于相同的隨機過程，但是對于每個代碼所觀測到的噪聲是不相關(guān)的。
如果M是傳播因子，或代碼數(shù)，那么與分別地對每個代碼執(zhí)行噪聲估算而不考慮其它的代碼這種情況相比，該噪聲估算方差被M相除。
此外，即使正在執(zhí)行估算的接收機沒有接收到它所需要的任何信號，噪聲功率的估算仍能夠被執(zhí)行。這是因為這種估算方法能夠被用來估算其它接收機所需要的已接收代碼。
為了估算來自被估算的噪聲的信噪比，可以借助已知的估算信號的各種方法。
在調(diào)相信號的情況下，特別是在二相或四相調(diào)相信號的情況下，本發(fā)明根據(jù)調(diào)相信號的另一個方面的內(nèi)容，提供了估算信號X2I和X2Q的均值和方差的方法，或者將其看作一個和相同的隨機變量時估算信號X2I和X2Q的均值和方差的方法。
本發(fā)明提供了一種估算指定代碼的已給定的數(shù)字信號的噪聲功率的方法，該信號與指定不同代碼的許多其它數(shù)字信號同時地被一個接收機所接收，該信號的特征是對每個被接收到的指定代碼的數(shù)字信號估算噪聲功率，對已給定的信號分配平均噪聲功率，該平均噪聲功率是被估算的噪聲功率的總和與被接收到的代碼的總數(shù)M的比值。
這些代碼例如是正交的。
按照一個實施例，除了用于正在估算的噪聲功率的一個數(shù)字信號外，至少有若干個同時地被接收的數(shù)字信號要傳送給接收機。
在這種情況下，噪聲功率取決于被接收機所接收到的被指定代碼的所有的數(shù)字信號，這種估算能夠被連續(xù)地執(zhí)行，甚至在傳送給接收機的代碼不存在的情況下。
本發(fā)明也提供了一種估算指定代碼的數(shù)字信號的信噪比的方法，該信號與指定不同代碼的其它數(shù)字信號同時地被一個接收機所接收，被用來估算該信噪比的噪聲功率就是由前面所描述的噪聲功率估算方法所確定的噪聲功率。
在這種情況下，被接收到的信號的功率的均值被估算出來。
當(dāng)數(shù)字信號是具有n相的調(diào)相信號時，在一個實施例中，這信號的均值和方差的估算根據(jù)對信號X2I和X2Q的均值的估算來實現(xiàn)。
在這種情況下，信噪比
能夠從下列關(guān)系式估算γ^=s24σ2=12μy2-σy2μy-μy2-σy2]]>在此關(guān)系式中，S2＝μ2I+μ2Q，μI和μQ是變量XI和XQ的均值，σ2是這些變量的方差，并且μy＝2σ2+s2σy2=4σ4+4σ2s2]]>.
當(dāng)被接收到的數(shù)字信號是具有n相的調(diào)相信號時，被看作一個相同的隨時變量的變量X2I和X2Q的均值和方差能夠被估算出來。
在后面這種情況下，信噪比
能夠從下列關(guān)系式中確定其中γ^=μ22σ2=12μy2-σy22μy-μy2-σy22]]>μy＝σ2+μ2，σy2=2σ4+4σ2μ2,]]>
μ是變量XI和XQ的共同的均值，σ2是這些變量XI和XQ的方差。
本發(fā)明也提供了一種確定被分配給發(fā)射機的功率的方法，在該發(fā)射機中功率按照某種方式被確定，以便在接收機中，信噪比總是至少等于一個參考值，該參考值的特征是接收機的信噪比是按照前面所描述的方法被估算出來。
本發(fā)明也提供了一種將后面的一種用來確定分配給發(fā)射機的功率的方法應(yīng)用到電信系統(tǒng)中的方法，在該電信系統(tǒng)中，發(fā)射機和接收機利用星載轉(zhuǎn)發(fā)裝置來通信。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將會出現(xiàn)在若干實施例的描述中，該描述配有相關(guān)的圖示，其中

圖1是本發(fā)明所適用的衛(wèi)星電信系統(tǒng)圖，圖2是實際已知的代碼分割裝置圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明給出的噪聲估算原理圖，圖4和圖5是根據(jù)本發(fā)明給出的該方法的實施例。
與這些圖例有關(guān)的現(xiàn)在將被描述的例子是關(guān)于通信系統(tǒng)的，在該通信系統(tǒng)中，地球的表面被劃分成10個區(qū)域(圖1)，圖中只畫出了一個區(qū)域。在每個區(qū)域中，可以找到一個中心控制或連接站20，以及終端或用戶組16，18等等。
終端16，18等利用在低速或中速軌道上的衛(wèi)星14上的轉(zhuǎn)發(fā)裝置相互進行通信。在本例中，衛(wèi)星的高度大約是1500km。該衛(wèi)星14運行在軌道12上運行，該軌道還有其它衛(wèi)星運行。為了覆蓋地球或大部分區(qū)域，提供了12個軌道。
當(dāng)衛(wèi)星14無法覆蓋到區(qū)域10的范圍時，在下一個衛(wèi)星上的設(shè)備(圖中沒有顯示出來)，例如該衛(wèi)星也是在相同的軌道12上運行，接替該通信的任務(wù)。以下為簡單起見，“衛(wèi)星”這個詞有時將被用來指衛(wèi)星上的設(shè)備。
控制和連接站20提供了對終端16，18等之間的通信的管理。特別是它為每個終端分配頻率、功率和代碼資源。為達到那個目的，控制和連接站20也利用衛(wèi)星14與每個終端進行通信。
終端間的通信利用控制和連接站20來實現(xiàn)。換句話說，當(dāng)終端16與終端18進行通信時，終端16利用衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸給控制和連接站20，而控制和連接站20也利用該衛(wèi)星將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端18。
控制和連接站20與地面網(wǎng)絡(luò)22相連接，在本例中該網(wǎng)絡(luò)是ATM型網(wǎng)絡(luò)。因此，該控制和連接站20利用ATM交換機34與寬帶網(wǎng)絡(luò)36，窄帶網(wǎng)絡(luò)38以及服務(wù)器28相連接。窄帶網(wǎng)絡(luò)38支持用戶30和服務(wù)器24的連接。同樣地，寬帶網(wǎng)絡(luò)36支持用戶32和服務(wù)器26的連接。
由于這種傳輸具有大容量和低延時的特征，這種異步傳輸類型的通信系統(tǒng)支持高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。
在異步網(wǎng)絡(luò)中，特別是ATM型的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是以數(shù)字格式并以包或信元方式加以組織，對于ATM標(biāo)準(zhǔn)來說，該數(shù)據(jù)由384比特(或符號)數(shù)據(jù)和40個標(biāo)題比特(符號)組成。
本發(fā)明想要解決的問題是為每個通信鏈路，從控制站20到終端16、18以及從終端16、18到控制站分配功率資源，該功率資源恰好是符合規(guī)定的該信噪比所必需的功率。因此，該通信鏈路將具有所要求的服務(wù)質(zhì)量從而保證在沒有額外的功率消耗的情況下，比特誤碼率低于預(yù)先給定的限制。這是因為已被發(fā)射的功率必須是恰好所需求的，因為在衛(wèi)星上可使用的功率是有限的，如果某個通信鏈路需要較多的功率，那么額外的那部分功率是通過減少分配給其它通信鏈路的功率而獲得的。
此外，由于終端是大批量被銷售的設(shè)備，其價格必須是盡可能的低廉，因此這些終端的功率最好是受到限制的。
為了調(diào)整發(fā)射功率，在接收端確定信噪比，以及調(diào)整發(fā)射功率以便使該信噪比等于某個參考值。本發(fā)明更加詳細地涉及噪聲的估算和信噪比的估算。
在衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)這種情況下，發(fā)射功率的調(diào)整以及由此產(chǎn)生的信噪比的估算具有特別重要的意義，因為接收機所接收到的功率在很大程度上可能發(fā)生變化，特別是由于氣候條件的隨機變化引起的傳輸條件的變化。特別地，在雨天情況下，與晴天相比傳輸條件實質(zhì)上是被降低的。傳輸條件也會由于抖動和屏蔽的結(jié)果而被降低。
傳輸條件也可能產(chǎn)生噪聲，該噪聲源本身可能具有不同的特征。除了熱噪聲以外，噪聲產(chǎn)生的原因主要是由于相鄰區(qū)域間使用相同的傳輸頻率而產(chǎn)生的干擾，或者受到其它傳輸系統(tǒng)的干擾。
按照本發(fā)明的第一方面的內(nèi)容，特別精確的噪聲估算方法被給出，同時這些信元被指定諸如正交碼的代碼。
從控制和連接站20發(fā)送到終端16或從終端16發(fā)送到控制和連接站20的信號S是下列格式的信號S=Σi=1i=80Cicelli-----(4)]]>Ci表示代碼，celli表示一個信元。在本例中，代碼的數(shù)量等于80。
在圖2中所描述的裝置被用于接收時對該信號進行解碼，該設(shè)備由乘法器421，422，…，4280組成，每個乘法器有兩個輸入端，第一個輸入端接收信號S，第二個輸入端接收代碼C1，C2，…或C80。
在這些條件下，在乘法器42i的輸出端，信元celli利用這些代碼的正交性能而得出，也就是說如果i！j，那么Ci·Cj＝0，如果i＝j(luò)，那么Ci·Cj＝1。
由此可以看到，每個信號接收機或終端接收在某個給定的時間被發(fā)送的所有的M個代碼。本發(fā)明包含利用M個代碼的同時接收方式大大地減少噪聲估算方差的優(yōu)點。這是因為很明顯盡管這些被觀測到的噪聲雖然來自相同的隨機過程，但是對于每個代碼來說，這些被觀測到的噪聲是相互無關(guān)的。
因此，正如圖3中所描述的，對所有已被接收到的信元進行噪聲估算，也就是說對每個代碼的噪聲功率進行累加并計算出這些噪聲功率的算術(shù)平均值。該平均值正是被用于信元的信噪比的估算。因此，在圖3中可以看到，發(fā)射機50給每個被發(fā)送的信元分配一個代碼，所有這些代碼是正交的。這種代碼分配被稱為擴展(方框52)。
分別被分配了代碼1到M的這M個信元通過信道54(無線傳輸)來傳送，信道54是一個噪聲源。
在接收機56中，非擴展序列58按照圖2中所描述的加以實現(xiàn)，對于每個信元噪聲功率能被確定(方框601到60M)。這些噪聲功率估算值被累加起來，并將其累加和除以M。在圖3中，該操作通過平均值方框62來實現(xiàn)。最后的結(jié)果是被用來為每個信元估算信噪比的噪聲
噪聲功率估算通過確定被接收到的信號的方差來實現(xiàn)。另外，信噪比通過估算信號的均值來獲得。
可以看到即使正在使用的接收機接收到了不是它所需要的信號，仍可以獲得噪聲的精確估算。在這種情況下，該噪聲測量方法能夠被用于該接收機所需要的后續(xù)的信號的噪聲的估算。
在圖4和圖5所描述的本發(fā)明的首選實施例中，被發(fā)送的信號是具有二相或四相的調(diào)相信號。
這里應(yīng)當(dāng)解釋一下這種調(diào)制的原理。相同頻率和相同恒定幅值的兩個信號被同時地傳送。在一個四相的相位調(diào)制系統(tǒng)中，在這兩個信號間的相位可以取4個值，例如
和
，每個不同的相位代表兩個二進制數(shù)00，01，10或11。在二相的相位調(diào)制中，相位可以取分別代表“0”和“1”的兩個值。
相位調(diào)制信號被由兩個實信號XI(N)和XQ(N)所代表的復(fù)合信號X(N)來表示，這兩個實信號是復(fù)合信號分別地沿著坐標(biāo)軸I和Q的投影。
如果傳輸信道54是高斯型的，那么信號XI(N)和XQ(N)是均值為μI和μQ、方差為σ2的高斯型隨機變量。
為了確定信噪比，在第一個實施例中，隨機變量Y(N)為Y(N)＝XI(N)2+XQ(N)2由于變量XI(N)2和XQ(N)2是均值不等于零的高斯型隨機變量，因此隨機變量Y(N)服從自由度為2的非對稱χ2律分布。
根據(jù)這些陳述，相位調(diào)制信號的信噪比能夠通過估算Y(N)的均值和方差來被獲得。為達到此目的，使用下列關(guān)系式μy＝2σ2+s2(6)σy2=4σ4+4σ2s2--(7)]]>其中S2＝μ2I+μ2Q(8)因此，S2和σ2能夠被表示成μy和σy2的函數(shù)。在這些條件下，信噪比
的值為γ^=s24σ2=12μy2-σy2μy-μy2-σy2--(9)]]>在第二個實施例中，信號XI(N)和XQ(N)可被看作是構(gòu)成同一個隨機變量，該隨機變量可以被寫成包含兩個分量XI(N)2和XQ(N)2的矢量Y(N)形式y(tǒng)(N)＝[xI(N)2xQ(N)2] (10)這個隨機變量服從自由度為1的非對稱χ2律分布。因此可出下列關(guān)系式μy＝σ2+μ2(11)σy2=2σ4+4σ2μ2-----(12)]]>在這些公式中，μ是兩個變量XI和XQ的共同的均值。此時信噪比可由下列關(guān)系式表示γ^=μ22σ2=12μy2-σy22μy-μy2-σy22--(13)]]>圖4描述了該方法的各個步驟，其中變量Y是XI和XQ的平方的和。
方框70表示在指定的代碼j下未被調(diào)制的信號。
下一個方框(方框72)是對此信號求平方。信號Y的均值和方差由該被平方后的信號估算出來(方框74)。此代碼j的均值和方差，也就是說前述公式(9)的分子(方框76)和分母(方框78)被計算出來。方差根據(jù)前述圖3中的有關(guān)內(nèi)容加以確定，也就是說計算出每個代碼(方框80)的各個方差的和的均值。
下一步在方框82中估算出信噪比，該信噪比等于方框76給出的均值與四倍的方框80給出的方差
的比值。
必須說明的是估算指定代碼的信號的噪聲功率的方法與估算前面所描述的相位調(diào)制信號的信噪比的方法能夠被獨立地使用。特別地，能夠利用前述在本發(fā)明的序言中所描述的現(xiàn)有技術(shù)中的估算信噪比的方法。當(dāng)然，該方法不僅僅局限于相位調(diào)制。
同樣地，估算調(diào)相數(shù)字信號的信噪比的方法與估算在圖3中所描述的噪聲功率的方法能夠被獨立使用。
權(quán)利要求
1.一種估算指定代碼的給定數(shù)字信號(cell1)的噪聲功率的方法，該信號與指定不同代碼的許多其它數(shù)字信號(cell1，cell2，…，cellM，)同時地被一個接收機所接收，其特征在于對每個被接收到的指定代碼的數(shù)字信號估算噪聲功率，對給定的信號分配平均噪聲功率(62；80)，該平均噪聲功率是被估算的噪聲功率的總和與被接收到的代碼的總數(shù)M的比值。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于這些代碼是正交的。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于除了為其估算噪聲功率的一個外，至少有若干個同時地被接收的數(shù)字信號要傳送給接收機。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于噪聲功率取決于被接收機所接收到的指定代碼的所有的數(shù)字信號，這種估算能夠被連續(xù)地執(zhí)行，甚至在傳送給接收機的代碼不存在的情況下。
5.一種估算指定代碼的數(shù)字信號的信噪比的方法，該信號與指定不同代碼的其它數(shù)字信號同時地被一個接收機所接收，被用來估算該信噪比的噪聲功率就是按照權(quán)利要求1到權(quán)利要求4的任意一種方法所確定的噪聲功率。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于被接收到的信號的功率的均值被估算出來。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其特征在于這些數(shù)字信號是具有n相的調(diào)相號，該信號的均值和方差的估算根據(jù)對信號x2I+X2Q的均值的估算來實現(xiàn)。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于信噪比
能夠從下列關(guān)系式估算γ^=s24σ2=12μy2-σy2μy-μy2-σy2]]>在關(guān)系式S2＝μ2I+μ2Q中，μI和μQ是變量XI和XQ的均值，σ2是這些變量的方差，并且μy＝2σ2+s2σy2=4σ4+4σ2s2]]>
9.按照權(quán)利要求6的方法，其特征在于被接收到的數(shù)字信號是具有n相的調(diào)相信號，被看作一個相同的隨機變量的變量X2I和X2Q的均值和方差被估算出來。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其特征在于信噪比
由下列關(guān)系式確定γ^=μ22σ2=12μy2-σy2μy-μy2-σy22]]>其中μy＝σ2+μ2，σy2=2σ4+4σ2μ2,]]>μ是變量XI和XQ的共同的均值，σ2是這些變量XI和XQ的方差。
11.一種確定被分配給發(fā)射機的功率的方法，在該發(fā)射機中功率按照某種方式被確定，以便在接收機中，信噪比總是至少等于一個參考值，其特征在于接收機的信噪比是按照權(quán)利要求6到權(quán)利要求10的任意的一種方法被估算出來。
12.一種將權(quán)利要求11的方法適用于電信系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中發(fā)射機和接收機是利用正在軌道上運行著的衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)裝置來通信的。
全文摘要
本發(fā)明涉及估算指定代碼的給定的數(shù)字信號(cell
文檔編號H04J13/16GK1263387SQ0010199
公開日2000年8月16日 申請日期2000年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月4日
發(fā)明者塞德里克·拉帕耶, 吉勞梅·卡羅特 申請人:阿爾卡塔爾公司