CN101573875B - 确定信道质量的方法和调制解调器 - Google Patents

Abstract

本发明有关于在遭受窄带干扰信号的传输信道上的正交频分复用(OFDM)数据传输。通过一种基于净背景噪声功率估计来确定该传输信道的多个子信道的信道容量的方法来实现提高的总的位或数据传输速率。净背景噪声功率仅包含类似白噪声的贡献，而在合理程度上排除来自窄带干扰信号的噪声贡献或信号功率。因此，与对总体子信道或连续传输频带估计的背景噪声功率的常规情况相比，降低了净背景噪声功率。基于此，选择OFDM信号码构造或位分配方案，以便提供以逼近或达到单个子信道的更真实的信道容量的数据速率的最优数据传输，从而促成提高的总的位或数据传输速率。

Description

确定信道质量的方法和调制解调器

技术领域

本发明涉及多载波数据传输的领域，具体来说涉及正交频分复用(OFDM)数据传输。其关注遭受窄带干扰信号(interferer)的多载波数据传输的多个子信道的信道质量的确定。

背景技术

对于数字数据的传输来说，基于正交频分复用(OFDM)的多信道数据传输(也称为离散多音(DMT)调制)的多信道数据传输是公认灵活的调制方案。OFDM将要传输的数据分布到传输频带中包括的且由良好定义的频率间隔彼此分开的大量子载波或子信道上。由良好定义的频率间隔彼此分开确保子载波的正交性，并防止子载波之间的串音或载波间干扰，也就是即使没有明确的滤波和它们的频谱重叠，用于一个子载波的解调器也不会受到其他子载波的调制的影响。每个载波上的各个OFDM调制符号表示取决于QAM符号集(alphabet)的选择(即数据或星座点在正交振幅平面中的布置)的位数。例如，通常对于正交相移键控(QPSK)使用2位/符号，或对于16-QAM(正交调幅)使用4位/符号。同时调制和解调数千个载波的复杂过程相当于离散傅立叶变换操作，对此存在有效率的傅立叶变换算法。

适合的OFDM调制解调器架构包括将要传输的数据复用、同步和编码的编码器以及形成离散的多音信号的调制器。编码器将进入的位流转换成对应于多个子信道的每个的同相和正交分量，即编码器输出数量等于可用于该系统的子信道的数量的子符号序列。接收器处的线路监视器例如通过反复地确定每个子信道的噪声水平、增益和相移来检查子信道的线路质量。然后使用传输频带中的全部子信道的背景噪声功率以及每个单个子信道的误码率(BER)和/或信噪比(SNR)来确定该子信道的信道容量，即每个子信道能够支持的信息密度或位传输速率。最优信号码构造过程通过考虑有限信号功率和最大误码率的状况来选择产生接近于子信道容量的适合QAM符号集或位分配方案。

OFDM尤其适合于电力线通信(PLC)。处于高电压或中等电压下的电力线数据信道受到干扰影响，因为传输电力所用的电缆类型是无屏蔽的并由此易受到电磁入侵。由此在电力信道上产生的典型噪声场景包括所说的窄带干扰信号，即例如源自无线电发射的且呈现比去除来自窄带干扰信号的任何贡献的背景噪声水平上升高达40dB的谱振幅的具有小带宽的信号。同样地，常规模拟电视信号本质上对OFDM的表现与窄带干扰信号类似。因此，电力线信道并不呈现加性白高斯噪声(AWGN)环境，而是在从数百千赫到20MHz的频率范围中主要被具有一般在一天时间内变化的接收水平的广播站的入侵导致的窄带干扰以及源自开关电源或其他瞬态现象的脉冲噪声所主导。

国际专利申请WO 97/40609有关于减少宽带多载波传输系统中来自1MHz与12MHz之间的业余无线电爱好者窄频带的射频(RF)干扰。覆盖至远程单元的最后30米或更短的标准无屏蔽双绞线ADSL用户线路的“分支(drop)”部分已发现能够接收和发射RF信号。在包括易受干扰影响的子信道的限制频带中，不使用任何子载波来用于数据传输。此外，可以使用伪音来抑制来自该频带内旁瓣发射的发射功率。

专利申请EP-A1137194提出确定OFDM系统中的子信道的单个SNR，并基于此，对这些子信道重新分配数据传输速率和/或信号功率。根据专利US 6,456,653，在正常操作期间，通过确定不活动的子载波的噪声功率和活动的子载波的信号加噪声功率，并由后者减前者来获得信号功率，以估计OFDM系统的总SNR。

发明内容

本发明的目的在于在遭受窄带干扰信号的传输信道上增加多载波数据传输以及具体为正交频分复用(OFDM)数据传输的总的位或数据传输速率。此目的通过分别如权利要求1和8所述的一种确定传输信道的多个子信道的信道质量(具体为信道容量)的方法以及调制解调器来实现。从专利的从属权利要求，可见到优选实施例，其中权利要求的从属性不应视为排斥其他有意义的权利要求组合。

根据本发明，估计净背景噪声功率是为了确定单个子信道或子载波的信道质量(例如，信道容量)，然后可以基于此，为该子信道指定适合的位分配方案或将其掩蔽以免受窄带干扰信号的影响。净背景噪声功率基于仅包含类似白噪声的贡献的至少两个选定子信道的频谱噪声值，并在合理程度上排除来自窄带干扰信号的噪声贡献或信号功率。因此，与对总体子信道或连续传输频带估计的背景噪声功率的常规情况相比，降低了净背景噪声功率。因此，对单个子信道的信道质量确定获得比前一种情况更高且更真实或不保守的结果。基于此，选择位分配方案或OFDM信号码构造，以便提供以逼近或达到单个子信道的更真实的信道质量的数据速率的最优数据传输，从而促成提高的总的位或数据传输速率。

在本发明的有利实施例中，记录噪声谱密度。对构成频谱的频谱噪声值排序，并从对净背景噪声功率的后续估计中忽略频谱中包含较高频谱噪声值的部分或第一部分。只要用于划分频谱的适合标准可用，该方法不像识别窄带干扰信号或受影响的子信道的位置那样繁琐，该方法通过重复地筛检频谱以查找最大频谱噪声值并估计对应的子信道来实现。

在第一优选变化中，将排序的噪声谱相对于频谱的中心或中间处的值而非平均频谱噪声值来归一化，平均频谱噪声值会受到具有意外高的频谱噪声值的几个子信道以不可预测的方式影响或因此被偏移。因此，将所述归一化的频谱与固定的预定第一阈值的后续比较表示前述意义上的第一适合标准。

在第二优选变化中，通过忽略子信道的第一部分的贡献来估计净背景噪声功率，子信道的第一部分是借助于作为上述意义的适合标准或第二阈值的临界归一化导数来定义的。为此，通过对两个或两个以上的连续归一化的频谱噪声值取均值(即根据排序的噪声谱相邻或邻近的值)来预先执行平滑操作。

在有利实施例中，在估计净背景噪声功率之前，通过忽略频谱的其余部分或第二部分两端的子信道，即通过去除第二部分内的最高和最低频谱噪声值来进一步提高净背景噪声功率的统计置信度。

附图说明

下文中将参考附图所示的优选示范实施例来更详细地解释本发明的主题，其中：

图1以图示方式示出OFDM调制解调器的组件；

图2示出净背景噪声功率估计过程的流程图；以及

图3表示归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}和导数{S′(l)}。

在引用符号的列表中以汇总形式列出附图中使用的引用符号及其意义。原则上，完全相同的部件在这些附图中具有相同的引用符号。

具体实施方式

图1示出正交频分复用(OFDM)调制方法的数字实现。在OFDM基调制器10中，QAM矢量化器11根据来自数字输入信号D的并行化数字输入位生成频率系数的矢量。根据例如2^MQAM(正交调幅)或其特殊情况2^MDPSK(差分相移键控)调制的映射方案，这些频率系数一般是复数2^M-阶(2^M-ary)符号D_k。从频率系数的矢量，反向快速傅立叶变换(IFFT)12生成离散多音信号的同相分量I和正交的正交分量Q。在框13中，对所述分量的每个填充以循环前缀，从而以I/T₀的采样率产生两个实数值的序列，即调制的数字信号的同相分量o_I(n)和正交分量o_Q(n)。

为了为频移准备OFDM信号，在上采样器(upsampler)14中，按系数m₁₀对分量上采样，其中必须满足m₁₀＞(2f₀+B₀)T₀才能实现采样定理，其中B₀是OFDM传输频带的带宽，f₀是其中心或频率偏移量。在下一个调制步骤中，在OFDM调制器移频器16中，最终将o_I和o_Q的频谱的中间频率移动到±f₀。在加法器16中将所得到的信号相加以构建传输的信号，然后在调制器D/A转换器17中将其转换成模拟信号Y以用于放大和传输。

图2示出根据本发明的净背景噪声功率σ_n ²(噪声方差σ_n的平方)估计过程。在步骤1中，执行噪声谱密度的初始估计，并推导归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}。在步骤2中，由此计算导数{S′(l)}的序列。在步骤3中，定义窄带干扰的程度，并根据某个标准(例如将前面提到的导数{S′(l)}与预定的阈值T_WIDTH比较)来识别和选择未受窄带噪声影响的那些子载波。最后，在步骤4中，通过对所选的子载波的频谱噪声值N₀(i)取均值来确定净背景噪声功率σ_n ²。下文将详细地描述各个步骤。

测量信道状况或噪声场景的本发明过程优选地在调制解调器的启动时执行，即在数据传输开始之前执行，但是如果例如信道状况有大的改变，则可以重复本发明的过程。在启动期间，执行前导，包括发送和接收测试信号的序列，该测试信号的序列包含测量噪声场景的静音序列(mute sequence)，下文将对此详细描述。

该过程开始于对考虑中的传输信道的原始噪声谱{N′₀(i)}进行初始估计，其也称为噪声谱密度或背景功率密度谱。为此，在所提到的静音序列期间，记录没有任何信令信息的N_EST个OFDM符号，然后对其取均值，其中通常12＜N_EST＜100。在单个OFDM符号时间内，获取多个的接收信号的N个样本，其中N等于子信道的总数。然后，长度N的傅立叶变换产生频域中的信号S＝(S₀，...，S_N-1)。对N_EST个OFDM符号重复此过程，并将S_i的绝对值平方相加，并通过除以OFDM符号的数量N_EST来对其取均值：

$N_0^{\′}\left(i\right)=\frac{1}{N\_\mathrm{EST}}\·\underset{n=0}{\overset{N\_\mathrm{EST}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|S_i\left(n\right)\right|}^2,i=0,..,N-1.---\left(0.1\right)$

作为通信系统的设计的一部分的复传递函数H_RX(i)表示接收器滤波器的作用。接收器滤波器的传递函数可以是自适应的，且与传输信道的特性相关，但是在任何情况中，H_RX(i)对于接收器是已知的。然后通过如下除法消除其对初始估计的原始噪声谱{N′₀(i)}的影响。

$N_0\left(i\right)=\frac{N_0^{\′}\left(i\right)}{{\left|H_{\mathrm{RY}}\left(i\right)\right|}^2}---\left(0.2\right)$

然后对包含多个频谱噪声值N₀(i)的得到的校正的噪声谱{N₀(i)}排序，即对频谱噪声值N₀(i)重新安排，以便形成升序或降序的频谱噪声值序列。所得到的序列或数组称为排序的噪声谱{N_0，sort(k)}，其中在排序表中存储排序索引i＝Index_Noise(k)。

然后按如下计算仍存在窄带干扰信号的情况下的噪声方差σ_n的常规初步估计：

${\mathrm{\σ}}_N=\sqrt{\frac{1}{M_0}\underset{k=0}{\overset{M_0-1}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{0,\mathrm{sort}}\left(k\right)}---\left(0.3\right)$

M₀是活动子载波的数量，其中M₀≤N，N是传输频带中的子载波的总数。活动子载波的集合包括位于接收器滤波器的通带中的所有子载波，并且该集合相应地取决于滤波器通带的可配置大小。活动子载波的集合还包括用作导频信号的和在下文中被忽略的子载波，剩下M≤M₀个子载波的集合要为窄带干扰信号进行评估。

在该过程的下一步中，相对于中心(即(排序)索引k＝M/2)处的其值将排序的噪声谱{N_0，sort(k)}归一化，从而得到归一化排序的噪声谱{N’_0，sort(k)}。

$N_{0,\mathrm{sort}}^{\′}\left(k\right)=\frac{N_{0,\mathrm{sort}}\left(k\right)}{N_{0,\mathrm{sort}}(M/2)}.---\left(0.4\right)$

从此归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}，识别由归一化频谱噪声值超过第一阈值的那些子信道构成的第一部分或子频谱。与平均值比较，前述的相对于中心处的值进行的归一化消除了具有异常高的频谱噪声值的几个子信道的任何不可预测的影响。因此，证明与固定的预定第一阈值的比较是合理的，并且该比较提供合理的结果。所述第一部分的子信道或它们相应的谱噪声功率被认为受到窄带干扰信号的影响，因此将其从净背景噪声功率的后续估计中排除。

但是，尽管采用上面介绍的巧妙的归一化，对用于识别第一部分的第一阈值的引用仍产生有关确定所述第一阈值的某种不确定性。因此对连续噪声分布的临界导数的引用、或等效地对离散排序的噪声谱的两个相邻值之间的临界差的引用给出一个可行的替代。鉴于下文详述的此类导数的准备和求值，插入对归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}取均值或平滑。为此，对于每个子信道，计算多个连续值(包括来自子信道本身的值)的平均值。换言之，对于索引为i的特定子信道，通过对至少两个连续归一化频谱噪声值(包括特定子信道l本身的归一化频谱噪声值N′_0，sort(k(l))以及相邻或邻近排序的子信道的至少一个归一化频谱噪声值N′_0，sort(k(l)±1))取均值来计算平均归一化频谱噪声值S(l)。

有利地，对于特定子信道，将较低平均值或归一化整数S(l)推导为等于或低于该特定子信道的归一化频谱噪声值N′_0，sort(l)的所有归一化频谱噪声值N′_0，sort(k≥l)的平均值：

$S\left(l\right)=\frac{1}{M-l}\underset{k=l}{\overset{M-l}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{0,\mathrm{sort}}^{\′}\left(k\right),l=0,...,M-1---\left(0.5\right)$

前者的导数或第一差S′(l)计算为：

S’(l)＝S(l+1)-S(l)，1＝0，...，M-2         (0.6)

图3以示意图形式示出归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}和导数{S′(l)}的序列的典型结果。

现在评估所得到的导数{S′(i)}的序列以将频谱分类并识别频谱中其频谱噪声值N₀(i)大大高于频谱中其余部分或第二部分的部分或第一部分。为此，将S′(i)＜T_WIDTH(其中T_WIDTH表示为此导数、梯度或第一差适当选择的阈值)的所有索引l分配给第一部分。阈值T_WIDTH是预先确定的，例如按经验预先确定的，以便找出噪声谱中或多或少平坦部分的开始作为识别被认为受到源自窄带干扰信号的噪声功率影响的子信道的标准。阈值T_WIDTH的典型值是-0.05。

因此，使用具有排序索引l≥k′_low(其中k′_low是频谱的第二部分或其余部分的最小排序索引)的其余元素来获取净背景噪声方差的第一估计。为了进一步提高估计精确度，跳过第二部分中预定义数量或百分比(通常为10％)的最高和最低频谱噪声值。通过这样，即通过忽略其余部分的低端和高端处的极端值，进一步增加估计的统计置信度。然后在净背景噪声估计部分上执行净背景噪声功率σ_N ²的估计，如图3中括弧所指示，其排序索引包含在下限k_low和上限k_high之间。

${\mathrm{\σ}}_N=\sqrt{\frac{1}{k_{\mathrm{high}}-k_{\mathrm{low}}+1}\underset{k=k_{\mathrm{low}}}{\overset{k_{\mathrm{high}}}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{0,\mathrm{sort}}\left(k\right)}.---\left(0.7\right)$

此估计的净背景噪声σ_n ²用作下文将举例说明的信号码构造的优化过程的输入。

最后，应用费歇尔(Fisher)统计或最大似然定理以生成窄带干扰信号的频谱掩蔽(spectral mask)，即用于明确地识别将不由OFDM传输占用的子信道。为了应用费歇尔统计，将排序的噪声谱{N_0，sort(k)}再分成两个子空间，并计算两个子空间内的信号能量的关系，并将其与阈值比。子空间A由大小为W的移动窗口给出。子空间B等于上文定义的净背景噪声估计部分。子空间B中的能量σ_N ²、(0.7)中σ_N的平方值是已知的。费歇尔统计得到

$F_{\mathrm{NB}}\left(k_W\right)=\frac{\frac{1}{W}\underset{k=W}{\mathrm{\Σ}}{N}_{0,\mathrm{sort}}\left(k\right)}{{\mathrm{\σ}}_N^2}---\left(0.8\right)$

对于下面选择为大小W＝1的窗口，窗口位置索引k_w等于数组索引k。

现在如果下面的两个条件为真，则将信道索引i和对应的噪声索引k标识的子信道i＝Index_Noise(k)掩蔽为受到窄带干扰信号影响的：

1.费歇尔统计的结果超过阈值F_NB(k)＞T_NB

2.频谱噪声值N₀(i)超过阈值N₀(i)＞T_Noise

因为第一个条件评估仅与净背景噪声功率相关的窄带干扰信号的功率，所以干扰信号的绝对功率，即它的频谱噪声值N₀(i)可能小得不会影响或损坏数据传输质量。因此，第二个条件防止将具有相对高和绝对低的噪声水平的子信道从数据传输中排除。

附图标号列表

10  OFDM调制器

11  QAM矢量化器

12  反向快速傅立叶变换

13  循环前缀

14  上采样器

15  移频器

16  加法器

17  D/A转换器

Claims (11)

1.一种确定遭受窄带干扰的多载波数据传输的多个子信道的信道质量的方法，其特征在于，所述方法包括：

-提供排序的噪声谱{N_0，sort(k)}，所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}包括按升序或降序次序的所述多个子信道的频谱噪声值N₀(i)，

-将所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}划分成具有来自遭受窄带干扰的子信道的较高频谱噪声功率的第一部分和具有较低频谱噪声值的第二部分，

-基于来自所述第二部分的频谱噪声值来估计净背景噪声功率σ_n ²，以及

-基于所估计的净背景噪声功率来确定所述信道质量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述净背景噪声功率σ_n ²的估计包括：

-由所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}计算归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}，

-将所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}划分成具有比第一阈值高的归一化频谱噪声值的第一部分和具有比所述第一阈值低的归一化频谱噪声值的第二部分。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述净背景噪声功率σ_n ²的估计包括：

-由所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}计算归一化排序的噪声谱{N′_0，sort(k)}，

-对所述多个子信道的每一个子信道，通过将所述子信道的归一化频谱噪声值N′_0，sort(l)和至少一个连续的归一化频谱噪声值N′_0，sort(l±1)取均值来计算平均的归一化频谱噪声值S(l)，

-通过计算两个连续的平均的归一化频谱噪声值S(l)、S(l+1)之间的差来计算导数S′(l)，以及

-将所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}划分成具有比第二阈值T_WIDTH高的导数S′的第一部分和具有比所述第二阈值T_WIDTH低的导数S′的第二部分。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对于所述多个子信道的每一个子信道计算所述平均的归一化频谱噪声值S(l)包括：

-对不高于所述子信道的归一化频谱噪声值N′_0，sort(l)的所有归一化频谱噪声值N′_0，sort(k≥l)取均值。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述净背景噪声功率的估计包括：

-将所述第二部分减少预定数量的具有最高和最低频谱噪声值的子信道，并将所述净背景噪声功率计算为所减少的第二部分中包含的子信道的频谱噪声值N₀(i)之和。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，它包括：

-将所述频谱噪声值N₀(i)与所述净背景噪声功率σ_n ²之比超过第三阈值T_NB且所述频谱噪声值N₀(i)超过第四阈值T_Noise的子信道从数据传输中排除。

7.一种用于多载波数据传输的调制解调器，包括用于确定遭受窄带干扰的传输信道的多个子信道的信道质量的部件，其特征在于，所述调制解调器包括：

-用于提供排序的噪声谱{N_0，sort(k)}的部件，所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}包括按升序或降序次序的所述多个子信道的频谱噪声值N₀(i)，

-用于将所述排序的噪声谱{N_0，sort(k)}划分成具有来自遭受窄带干扰的子信道的较高频谱噪声功率的第一部分和具有较低频谱噪声值的第二部分的部件，

-用于基于来自所述第二部分的频谱噪声值来估计净背景噪声功率σ_n ²的部件，以及

-用于基于所估计的净背景噪声功率来确定所述信道质量的部件。

8.将如权利要求1至6中任一项所述的方法应用于通过高电压或中等电压电力线的电力线通信数据传输。

9.将如权利要求7所述的调制解调器应用于通过高电压或中等电压电力线的电力线通信数据传输。

10.将如权利要求1至6中任一项所述的方法应用于正交频分复用(OFDM)数据传输。

11.将如权利要求7所述的调制解调器应用于正交频分复用(OFDM)数据传输。

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