噪声估计装置与方法
专利名称：噪声估计装置与方法
技术领域：
本发明关于无线通信系统中的噪声估计机制，尤指一种通过调制技术中的星座图 (constellation diagram)以及对应的算术方法来得到高精确率的噪声功率的噪声估计装 置与其方法。
背景技术：
在电子与通信的各门领域上，噪声始终是无法避免的一件事，既然难以完全排除 噪声对信号所造成的干扰，因此如果能事先估计噪声的量值，对于之后的信号处理将会有 很大的帮助。在无线通信系统中常使用到的数字调制(digital modulation)，诸如正交振幅 调制(quadrature amplitude modulation, QAM)或是相位偏移键制调制(phase-shift keying，PSK)，都使用星座图(constellation diagram)来表示信号调制的情形。一般而 言，信号中每一个码元(symbol)在发送端对应到星座图中的一个星座点(constellation point)，但由于噪声的存在，接收端实际上所呈现星座点分布将会偏离理想的星座点位置。更进一步来说，当接收端在接收到一信号时，通过解调过程会将接收的码元映射 成星座图上的星座点以取得该码元所包含的信息，但该码元可能因为各种噪声的干扰，例 如力口性白高其j 噪声(additive white Gaussian noise)及/或相位噪声(phase noise)的 干扰，因而造成该码元映像在星座图的实际星座点位置偏离于原本应该在星座图中对应的 理想的星座点位置。因此，在解调过程中会选择星座图中最接近该码元的映射结果的星座 点来作为该码元的解调结果。通过量测星座图中星座点实际位置与理想位置的偏移关系 (欧式距离，Euclidean distance)，可以估计噪声的量值，进而了解信号中干扰与失真的情 形。但倘若噪声所造成的影响太过严重，如此可能使得该码元在星座图上的映射结果太过 靠近其它星座点，因而被误判成其它星座点所对应的码元，最后便造成解调的错误，而解调 过程中所发生的错误，也将造成噪声估计上的误差。以下将进一步说明发生于噪声估计的误差。请参考图1，图1代表16-QAM的星座图 映射，星座点11代表一码元在星座图上传送端的位置，然而，当传送到接收端之后，该码元 实际上是映像至星座点12的位置，这是噪声所造成的影响，故噪声所引起的偏移是星座点 11到星座点12的欧氏距离，且该值可经由另外的算术程序，进一步求得噪声的功率(noise power)。但因为该码元的映像结果太过靠近星座点13，接收端的切割器(slicer)因此将该 码元判断为星座点13所对应的码元，故造成误判的发生。当需要估计系统中所存在的噪声 时，会使系统错误地以星座点13和星座点12的欧氏距离来计算，而非星座点11和星座点 12的欧氏距离，而这样的误判会使得噪声是相对被低估的。
发明内容
因此本发明的目的之一在于提供一种噪声估计装置与其方法，可减轻由于星座图 上的星座点的误判所造成的噪声估计偏差。
依据本发明的一实施例，其提供一种噪声估计装置。该噪声估计装置包含估测电 路、第一运算电路、第二运算电路以及一平均电路。该估测电路用以判定一无线通信信号中 每一接收码元(symbol)对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估测码元，并输 出一估测信号。该第一运算电路，耦接于该判定电路，用以依据该无线通信信号与该估测信 号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无 线通信信号中复数个接收码元与该估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；该第二运 算电路，耦接于该第一运算电路，用以调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而 输出调整后的该误差输出信号；以及该平均电路，耦接于该第二运算电路，用以依据调整后 的该误差输出信号来进行平均计算以产生一噪声估计结果。
依据本发明的另一实施例，其提供一种噪声估计方法。该噪声估计方法包含判定 一无线通信信号中每一接收码元对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估测码 元，并输出一估测信号；依据该无线通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该 误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无线通信信号中复数个接收码元与该 估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；调整该误差输出信号中至少一部份的误差运 算值而输出调整后的该误差输出信号；以及对调整后的该误差输出信号进行平均计算以产 生一噪声估计结果。
图1是16-QAM的星座图映射情形的示意图。图2是4-PAM的星座图映射情形的示意图。图3是图2中的星座点偏移情形的机率分布图。图4代表对应于本发明的16-QAM的星座图中的星座点的范围界定示意图。图5是本发明噪声估计装置的一实施例的功能方块示意图。图6是本发明噪声估计装置中的第二运算电路的额外实施方式的功能方块示意 图。主要组件符号说明11、12、13、22、24、26、28 星座点500噪声估计装置510 估测电路520 第一运算电路522 加法电路524 平方电路530、600第二运算电路532 放大电路534,610多路复用器536、630选择信号产生电路540 平均电路620 乘法电路
具体实施例方式请参考图2，图2为4-PAM(pulse amplitude modulation)的星座图映射情形的 示意图。假定一码元在传送端的位置为星座点28，因噪声的存在会使该码元传送到接收端 后所映像的星座点的实际位置偏离了星座点28。现将该码元偏移的位置可能落于的区域 为划分zO、zl、z2以及z3等四个区域，且区域zO和区域zl刚好位于星座点26与28的中 心两侧。如此一来，若该码元因噪声造成的偏移使接收端所映像的星座点的位置落于区域 zO时，则该码元会被接收端的切割器判定成星座点26所对应的码元。若是该码元于接收 端映像的实际位置落于zl或z2或z3的区域内，则不会有任何的误判发生，且该码元将会 被接收端正确地判定成传送端所对应的位置，星座点28。相同的现象也发生于传送端的位 置为星座点22的码元，唯有在该码元在接收端的映像位置偏移至四个区域中的区域zO时 才会发生误判。然而，当该码元在传送端的位置位于星座点24与星座点26时，当星座点在 接收端的映像位置偏移时，则由于区域间的相对关系，将使该码元被误判的机会大大提升 (如一传送端位置位于星座点24的码元可能因噪声的影响而发生偏移，以至于在接收端被 误判成传送端位置位于星座点22或星座点26的码元)。因此，若利用星座图的外侧星座点 来估算整个系统的噪声，将会使噪声估计的正确度提高许多(因为排除部分误判的状况)。 但仅使用外侧的星座点来估计势必需要做些许的修正，使得外侧点的噪声估计的量值总和 可以代表全部的噪声估计的量值总和，因此请参考以下的算式(1)<formula>formula see original document page 7</formula>算式(1)代表了一个用于该4-PAM的噪声估计式，其中x(n)代表一码元传送到接 收端后所映像的实际星座点位置的参数值，d(n)代表该码元在接收端被判定的对应星座点 位置的参数值，而两者之差则代表发生于该码元的噪声的估计值，另外，由于噪声特性的关 系，在此作均方运算(mean square)以求得噪声的功率。请再回到图2，本发明仅利用在传送端位于为星座点22与星座点28的码元，与其 在接收端被判定的星座点与实际接收位置的偏移距离来估计噪声，而不利用星座点24与 星座点26的码元所发生的偏离来估计噪声(因为该两点误判机率较高，使得噪声估计值较 不准确)。由于当接收端所映像的实际星座点位置偏移至区域z3时，因为星座点偏移至区 域z3时不会发生误判，此时的噪声估计值的参考价值比较大。又当星座点的偏移位置落于 区域zO时，此时的噪声估计值因为误判而被低估，当假设接收端所映像的星座点位置偏移 至区域zO的机率约等于星座点位置偏移至区域z3的机率时(基于噪声的发生的特性，将 于后详述)，利用星座点位置偏移至区域z3时所计算的噪声估计值来修正星座点偏移至区 域zO时被低估的噪声估计值。而当星座点并非落于区域z3的情形时，则不对噪声估计值做 任何的调整，意即将区域z3的噪声估计值乘以2倍就会近似于区域z3加上区域zO的噪声 估计值。由上述得知，算式(1)所考虑的均方差(mean square error)，仅利用星座点22与 星座点28在接收端所映像的实际星座点位置与接收端判定的星座点位置间的关系来估计 噪声，再将星座点22与星座点28在接收端偏移至区域z3时所计算出的噪声估计值做放大 运算以重建星座点24与26所具有的噪声估计值(作两个两倍的放大)，进而估计出4-PAM 的完整的噪声功率。
请注意，之所以选用星座点偏移至区域z3的情形下所对应的噪声估计值来修正 星座点偏移至区域zO的情形下所对应的噪声估计值，是由于大部份噪声的机率分布呈高 斯分布。如图3所示，图中的曲线代表一星座点偏移至各区域的机率分布，是一高斯机率分 布，故由图可知，由于噪声呈高斯分布，使得星座点偏移至区域z3的机率是近似于偏移至 区域z0的机率。于是，算式(1)可以使用更一般性的计算式来加以表示，以推广至更广泛的数字 调制。参考以下的算式⑵o2 = E[(|x(n)-d(n) |21 x(n) e z) (| x (n)-d (n) |2|x(n)ez,)](2)首先，将算式(1)等号右边的第一项考虑为当在传送端位于外侧星座点偏移至所 有星座点的最外侧区域的情形(类似于前述的4-PAM的区域z3。在算式(2)以z代表所有 星座点的最外侧区域，z'代表最外侧星座点的内侧区域，如图4所示)，再将算式(1)中等 号右边第一项放大4倍的运算考虑成一特定常数K倍(对应不同规格的数字调制)。因此， 通过以上的算式(2)可将本发明的应用推广至更一般的情形，因而完整的阐述了本发明的 主要精神。图5是本发明噪声估计装置的一实施例的功能方块图。噪声估计装置500包含有 (但不限于)一估测电路510、一第一运算电路520、一第二运算电路530以及一平均电路 540。第一运算电路520包含一加法电路522，其耦接于估测电路510，以及另包含一平方电 路524耦接于加法电路522。第二运算电路530包含一放大电路532、一多路复用器534以 及一选择信号产生电路536。继续参考图5，当通信系统中的一接收端接收到一无线通信信号SR，经过解调程 序可将信号中的一接收码元(symbol)x(n)映射至星座图上的一个星座点，以还原信号原 本所欲传递的信息，此时估测电路510 (可运用习知的切割器来加以实施)会将接收码元转 换成星座图上的星座点，因而得到一估测码元(由该接收码元在接收端所映像的星座点位 置最接近哪一个传送端的星座点位置来判断)，然而该码元因受到噪声的干扰，因此接收端 的映射结果会偏离于原本落于的传送端的星座点位置，因此利用加法电路522进行向量相 减来计算该估测码元与该接收码元在星座图上对应的欧氏距离，即可得一噪声估计值。又 因本装置的最终目的为计算噪声功率，故将该噪声估计值传送入平方电路524，以取得该噪 声估计值的平方，而经由平方电路524所处理并输出的值在此称作误差运算值。然后将该误差运算值传送入第二运算电路530，首先利用放大电路532对该误差 运算值进行一常数倍的放大，如同算式(2)中等号右边的第1项，对外侧星座点的实际位置 偏移至所有星座点的最外侧的情形时所求得的误差运算值进行K倍的放大来调整整体的 误差运算值。再者，由算式(2)可知，事实上仅需针对星座点偏移至最外侧的情形来对误差 运算值进行放大运算，然后进行平均处理。故通过多路复用器534来选择传送入平均电路 540的误差运算值是否对应至需要被放大的偏移情形。因此，通过选择信号产生电路536先 对接收码元x(n)进行判断，以得知接收码元x(n)所对应的星座点实际位置落于算式(2) 中所提到的区域z或区域z’，并且依据判断结果来设定多路复用器534的多路复用选择信 号的控制值。若该码元所对应的星座点实际位置偏移至区域z，则多路复用选择信号的控制 值会让已进行K倍放大的误差运算值传送至平均电路540 ；另一方面，若该码元在传送端所映像的星座点实际位置偏移至区域z’，则选择让未被放大的误差运算值直接传送至平均电 路540，以达到本发明的对落于特定范围的码元所产生的误差运算值进行调整以修正整体 误差运算值的精神，进而得到较为准确的噪声功率(均方值)。本发明的第二运算电路530并不限于图5中所述的电路架构，若可大致上获得相 同的结果，其它的实施方式也是可行的。请参考图6，图6为本发明第二运算电路的另一实 施例的功能方块图。此一实施例中，第二运算电路600包含有(但不限于)一多路复用器 610、一乘法电路620以及一选择信号产生电路630。类似于图5所绘的实施例，选择信号产 生电路630依据一接收码元在接收端所映像的星座点实际位置落于的区域来设定多路复 用器610的多路复用选择信号的控制值，若星座点实际位置偏移至区域z，则多路复用选择 信号的控制值会使多路复用器610选择输出常数K，使该误差运算值通过乘法电路620进 行K倍放大运算，再传送至平均电路(未示出)；另一方面，若星座点实际位置偏移至区域 z’，则多路复用选择信号的控制值会使多路复用器610选择输出常数1，使误差运算值通过 乘法电路620进行1倍放大运算，也即不对该误差运算值进行任何调整而直接传送至平均 电路(未示出)。如此一来，便可同样符合本发明修正整体误差运算值的精神，进而得到噪 声估计结果。依据上述，本发明噪声估计装置500所执行的噪声估计方法可简要地归纳如下 判定一无线通信信号中每一接收码元对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估 测码元，并输出一估测信号；依据该无线通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其 中该误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无线通信信号中复数个接收码元 与该估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；调整该误差输出信号中至少一部份的误 差运算值而输出调整后的该误差输出信号；以及对调整后的该误差输出信号进行平均计算 以产生一噪声估计结果。依据该无线通信信号与该估测信号来产生该误差输出信号的步 骤，即代表上述算式(2)中的|X(n)-d(n) |2项，以得到码元所对应的误差运算值。而步骤调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差 输出信号，即代表本发明的主要精神，也即将接收码元与估测码元的误差运算值进行常数 倍的放大，以及当最外侧星座点对应的接收码元的映像结果未偏移至所有星座点的外侧区 域时，不对该误差运算值进行任何调整。通过判断接收码元的在接收端所映像的星座点实 际位置与该码元在传送端的星座点位置之间的偏移情形，选择性地将经放大的误差运算值 的输出以及未经放大的误差运算值的输出做平方运算，因此得到了前述的算式(2)所要的 运算结果。综合上述，本发明精神的主轴主要在于两点第一，仅使用星座图的外侧点来计算 整体的噪声平均功率，而非将对应所有星座点的误差运算值来进行平均运算，如此是为了 排除非外侧点较容易发生估测码元误判而导致噪声估计低估的情形；第二，为了用外侧点 所对应的误差运算值来估计整体平均值以及弥补当外侧点的偏移太过靠近内侧点时所造 成的低估，因此将落于特定范围的偏移情形所对应的误差运算值进行适当放大。通过以上 两点，本发明噪声估计装置与其方法便可提高噪声功率计算的正确率。另外应注意的是，如 何求得对应于不同调制所对误差运算值所进行的放大倍数，并非本发明所欲强调的内容， 故在此不多作赘述。以上所述仅为本发明的实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种噪声估计装置，包含估测电路，用以判定通信信号中每一接收码元对应星座图中哪一星座点而决定出相对应的估测码元，并输出一估测信号；第一运算电路，耦接于该判定电路，用以依据该通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无线通信信号中复数个接收码元与该估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；第二运算电路，耦接于该第一运算电路，用以调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差输出信号；以及平均电路，耦接于该第二运算电路，用以依据调整后的该误差输出信号来进行平均计算以产生一噪声估计结果。
2.如权利要求1所述的噪声估计装置，其中该第一运算电路包含有加法电路，用以将该通信信号中该复数个接收码元与该估测信号中相对应的该复数个 估测码元进行相减运算以分别产生复数个误差值；以及平方电路，耦接于该加法电路，用以分别对该加法电路所输出的该复数个误差值进行 平方运算以产生该复数个误差运算值。
3.如权利要求1所述的噪声估计装置，其中该第二运算电路所输出的该误差输出信号 包含有复数个第一输出值与复数个第二输出值，以及该第二运算电路以该复数个误差运算 值中一第一部份的误差运算值来直接作为该复数个第一输出值以及调整该复数个误差运 算值中一第二部份的误差运算值来产生该复数个第二输出值。
4.如权利要求3所述的噪声估计装置，其中该第二运算电路包含有放大电路，用以放大该复数个误差运算值以产生复数个放大后的误差运算值；多路复用器，具有一第一输入端与一第二输入端分别耦接于该第一运算模块以及该放 大电路，用以依据一多路复用选择信号来选择将该多路复用器的一输出端耦接于该第一输 入端或该第二输入端，其中当该多路复用选择信号具有一第一控制值时，该多路复用器自 该复数个误差运算值中选择该第一部份的误差运算值而输出该复数个第一输出值，以及当 该多路复用选择信号具有一第二控制值时，该多路复用器自该复数个放大后的误差运算值 中选择对应该第二部份的误差运算值的放大后的误差运算值来产生该复数个第二输出值； 以及选择信号产生电路，耦接于该多路复用器，用以依据该通信信号来设定该多路复用选 择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
5.如权利要求4所述的噪声估计装置，其中当该选择信号产生电路判断该无线通信信 号中一接收码元落于该星座图中一特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值，以及当该选择信号产生电路判断该无线通信信号中该接收码元未 落于该星座图中该特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择信号具有该第二 控制值。
6.如权利要求3所述的噪声估计装置，其中该第二运算电路包含有多路复用器，具有一第一输入端与一第二输入端分别耦接于一第一系数与一第二系 数，用以依据一多路复用选择信号来选择将该多路复用器的一输出端耦接于该第一输入端 或该第二输入端，其中当该多路复用选择信号具有一第一控制值时，该多路复用器输出该第一系数，以及当该多路复用选择信号具有一第二控制值时，该多路复用器输出该第二系 数；乘法电路，耦接于该多路复用器的该输出端，用以对该多路复用器所输出的该第一系 数与该第一部份的误差运算值进行乘法运算来产生该复数个第一输出值，以及对该多路复 用器所输出的该第二系数与该第二部份的误差运算值进行乘法运算来产生该复数个第二 输出值；以及选择信号产生电路，耦接于该多路复用器，用以依据该通信信号来设定该多路复用选 择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
7.如权利要求6所述的噪声估计装置，其中当该选择信号产生电路判断该通信信号中 一接收码元落于该星座图中一特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择信号 具有该第一控制值，以及当该选择信号产生电路判断该通信信号中该接收码元未落于该星 座图中该特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择信号具有该第二控制值。
8.—种噪声估计方法，包含判定一通信信号中每一接收码元对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估 测码元，并输出一估测信号；依据该通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复 数个误差运算值，分别对应该通信信号中复数个接收码元与该估测信号中相对应的复数个 估测码元的误差；调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差输出信号；以及对调整后的该误差输出信号进行平均计算以产生一噪声估计结果。
9.如权利要求8所述的噪声估计方法，其中依据该通信信号与该估测信号来产生该误 差输出信号的步骤包含有将该通信信号中该复数个接收码元与该估测信号中相对应的该复数个估测码元进行 相减运算以分别产生复数个误差值；以及对该复数个误差值进行平方运算以产生该复数个误差运算值。
10.如权利要求8所述的噪声估计方法，其中该误差输出信号包含有复数个第一输出 值与复数个第二输出值，以及调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整 后的该误差输出信号的步骤包含有以该复数个误差运算值中一第一部份的误差运算值来直接作为该复数个第一输出值；以及调整该复数个误差运算值中一第二部份的误差运算值来产生该复数个第二输出值。
11.如权利要求10所述的噪声估计方法，其中以该复数个误差运算值中一第一部份的 误差运算值来直接作为该复数个第一输出值以及调整该复数个误差运算值中一第二部份 的误差运算值来产生该复数个第二输出值的步骤包含有放大该复数个误差运算值以产生复数个放大后的误差运算值； 依据一多路复用选择信号来多路复用处理该复数个放大后的误差运算值与该复数个 误差运算值以输出该复数个第一输出值与该复数个第二输出值，其中当该多路复用选择信 号具有一第一控制值时，自该复数个误差运算值中选择该第一部份的误差运算值而输出该复数个第一输出值，以及当该多路复用选择信号具有一第二控制值时，自该复数个放大后 的误差运算值中选择对应该第二部份的误差运算值的放大后的误差运算值来产生该复数 个第二输出值；以及依据该通信信号来设定该多路复用选择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
12.如权利要求11所述的噪声估计方法，其中依据该通信信号来设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值或该第二控制值的步骤包含有当判断该通信信号中一接收码元落于该星座图中一特定范围时，设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值；以及当判断该通信信号中该接收码元未落于该星座图中该特定范围时，设定该多路复用选 择信号具有该第二控制值。
13.如权利要求10所述的噪声估计方法，其中以该复数个误差运算值中一第一部份的 误差运算值来直接作为该复数个第一输出值以及调整该复数个误差运算值中一第二部份 的误差运算值来产生该复数个第二输出值的步骤包含有依据一多路复用选择信号来进行一多路复用处理以选择性地输出一第一系数或一第 二系数，其中当该多路复用选择信号具有一第一控制值时，输出该第一系数，以及当该多路 复用选择信号具有一第二控制值时，输出该第二系数；对该多路复用处理所输出的该第一系数与该第一部份的误差运算值进行乘法运算来 产生该复数个第一输出值，以及对该多路复用处理所输出的该第二系数与该第二部份的误 差运算值进行乘法运算来产生该复数个第二输出值；以及依据该通信信号来设定该多路复用选择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
14.如权利要求13所述的噪声估计方法，其中依据该通信信号来设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值或该第二控制值的步骤包含有当判断该通信信号中一接收码元落于该星座图中一特定范围时，设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值；以及当判断该通信信号中该接收码元未落于该星座图中该特定范围时，设定该多路复用选 择信号具有该第二控制值。
全文摘要
本发明提供一种噪声估计装置及其方法。该噪声估计装置包含估测电路、第一运算电路、第二运算电路以及平均电路。该估测电路判定无线通信信号中每一接收码元其相对应的一估测码元，并输出一估测信号。该第一运算电路依据该无线通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复数个误差运算值。该第二运算电路调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差输出信号。该平均电路依据调整后的该误差输出信号来进行平均计算以产生一噪声估计结果。
文档编号H04L27/38GK101808072SQ20091000669
公开日2010年8月18日 申请日期2009年2月13日 优先权日2009年2月13日
发明者何维鸿 申请人:瑞昱半导体股份有限公司
技术领域：
本发明关于无线通信系统中的噪声估计机制，尤指一种通过调制技术中的星座图 (constellation diagram)以及对应的算术方法来得到高精确率的噪声功率的噪声估计装 置与其方法。
背景技术：
在电子与通信的各门领域上，噪声始终是无法避免的一件事，既然难以完全排除 噪声对信号所造成的干扰，因此如果能事先估计噪声的量值，对于之后的信号处理将会有 很大的帮助。在无线通信系统中常使用到的数字调制(digital modulation)，诸如正交振幅 调制(quadrature amplitude modulation, QAM)或是相位偏移键制调制(phase-shift keying，PSK)，都使用星座图(constellation diagram)来表示信号调制的情形。一般而 言，信号中每一个码元(symbol)在发送端对应到星座图中的一个星座点(constellation point)，但由于噪声的存在，接收端实际上所呈现星座点分布将会偏离理想的星座点位置。更进一步来说，当接收端在接收到一信号时，通过解调过程会将接收的码元映射 成星座图上的星座点以取得该码元所包含的信息，但该码元可能因为各种噪声的干扰，例 如力口性白高其j 噪声(additive white Gaussian noise)及/或相位噪声(phase noise)的 干扰，因而造成该码元映像在星座图的实际星座点位置偏离于原本应该在星座图中对应的 理想的星座点位置。因此，在解调过程中会选择星座图中最接近该码元的映射结果的星座 点来作为该码元的解调结果。通过量测星座图中星座点实际位置与理想位置的偏移关系 (欧式距离，Euclidean distance)，可以估计噪声的量值，进而了解信号中干扰与失真的情 形。但倘若噪声所造成的影响太过严重，如此可能使得该码元在星座图上的映射结果太过 靠近其它星座点，因而被误判成其它星座点所对应的码元，最后便造成解调的错误，而解调 过程中所发生的错误，也将造成噪声估计上的误差。以下将进一步说明发生于噪声估计的误差。请参考图1，图1代表16-QAM的星座图 映射，星座点11代表一码元在星座图上传送端的位置，然而，当传送到接收端之后，该码元 实际上是映像至星座点12的位置，这是噪声所造成的影响，故噪声所引起的偏移是星座点 11到星座点12的欧氏距离，且该值可经由另外的算术程序，进一步求得噪声的功率(noise power)。但因为该码元的映像结果太过靠近星座点13，接收端的切割器(slicer)因此将该 码元判断为星座点13所对应的码元，故造成误判的发生。当需要估计系统中所存在的噪声 时，会使系统错误地以星座点13和星座点12的欧氏距离来计算，而非星座点11和星座点 12的欧氏距离，而这样的误判会使得噪声是相对被低估的。
发明内容
因此本发明的目的之一在于提供一种噪声估计装置与其方法，可减轻由于星座图 上的星座点的误判所造成的噪声估计偏差。
依据本发明的一实施例，其提供一种噪声估计装置。该噪声估计装置包含估测电 路、第一运算电路、第二运算电路以及一平均电路。该估测电路用以判定一无线通信信号中 每一接收码元(symbol)对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估测码元，并输 出一估测信号。该第一运算电路，耦接于该判定电路，用以依据该无线通信信号与该估测信 号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无 线通信信号中复数个接收码元与该估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；该第二运 算电路，耦接于该第一运算电路，用以调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而 输出调整后的该误差输出信号；以及该平均电路，耦接于该第二运算电路，用以依据调整后 的该误差输出信号来进行平均计算以产生一噪声估计结果。
依据本发明的另一实施例，其提供一种噪声估计方法。该噪声估计方法包含判定 一无线通信信号中每一接收码元对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估测码 元，并输出一估测信号；依据该无线通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该 误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无线通信信号中复数个接收码元与该 估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；调整该误差输出信号中至少一部份的误差运 算值而输出调整后的该误差输出信号；以及对调整后的该误差输出信号进行平均计算以产 生一噪声估计结果。
图1是16-QAM的星座图映射情形的示意图。图2是4-PAM的星座图映射情形的示意图。图3是图2中的星座点偏移情形的机率分布图。图4代表对应于本发明的16-QAM的星座图中的星座点的范围界定示意图。图5是本发明噪声估计装置的一实施例的功能方块示意图。图6是本发明噪声估计装置中的第二运算电路的额外实施方式的功能方块示意 图。主要组件符号说明11、12、13、22、24、26、28 星座点500噪声估计装置510 估测电路520 第一运算电路522 加法电路524 平方电路530、600第二运算电路532 放大电路534,610多路复用器536、630选择信号产生电路540 平均电路620 乘法电路
具体实施例方式请参考图2，图2为4-PAM(pulse amplitude modulation)的星座图映射情形的 示意图。假定一码元在传送端的位置为星座点28，因噪声的存在会使该码元传送到接收端 后所映像的星座点的实际位置偏离了星座点28。现将该码元偏移的位置可能落于的区域 为划分zO、zl、z2以及z3等四个区域，且区域zO和区域zl刚好位于星座点26与28的中 心两侧。如此一来，若该码元因噪声造成的偏移使接收端所映像的星座点的位置落于区域 zO时，则该码元会被接收端的切割器判定成星座点26所对应的码元。若是该码元于接收 端映像的实际位置落于zl或z2或z3的区域内，则不会有任何的误判发生，且该码元将会 被接收端正确地判定成传送端所对应的位置，星座点28。相同的现象也发生于传送端的位 置为星座点22的码元，唯有在该码元在接收端的映像位置偏移至四个区域中的区域zO时 才会发生误判。然而，当该码元在传送端的位置位于星座点24与星座点26时，当星座点在 接收端的映像位置偏移时，则由于区域间的相对关系，将使该码元被误判的机会大大提升 (如一传送端位置位于星座点24的码元可能因噪声的影响而发生偏移，以至于在接收端被 误判成传送端位置位于星座点22或星座点26的码元)。因此，若利用星座图的外侧星座点 来估算整个系统的噪声，将会使噪声估计的正确度提高许多(因为排除部分误判的状况)。 但仅使用外侧的星座点来估计势必需要做些许的修正，使得外侧点的噪声估计的量值总和 可以代表全部的噪声估计的量值总和，因此请参考以下的算式(1)<formula>formula see original document page 7</formula>算式(1)代表了一个用于该4-PAM的噪声估计式，其中x(n)代表一码元传送到接 收端后所映像的实际星座点位置的参数值，d(n)代表该码元在接收端被判定的对应星座点 位置的参数值，而两者之差则代表发生于该码元的噪声的估计值，另外，由于噪声特性的关 系，在此作均方运算(mean square)以求得噪声的功率。请再回到图2，本发明仅利用在传送端位于为星座点22与星座点28的码元，与其 在接收端被判定的星座点与实际接收位置的偏移距离来估计噪声，而不利用星座点24与 星座点26的码元所发生的偏离来估计噪声(因为该两点误判机率较高，使得噪声估计值较 不准确)。由于当接收端所映像的实际星座点位置偏移至区域z3时，因为星座点偏移至区 域z3时不会发生误判，此时的噪声估计值的参考价值比较大。又当星座点的偏移位置落于 区域zO时，此时的噪声估计值因为误判而被低估，当假设接收端所映像的星座点位置偏移 至区域zO的机率约等于星座点位置偏移至区域z3的机率时(基于噪声的发生的特性，将 于后详述)，利用星座点位置偏移至区域z3时所计算的噪声估计值来修正星座点偏移至区 域zO时被低估的噪声估计值。而当星座点并非落于区域z3的情形时，则不对噪声估计值做 任何的调整，意即将区域z3的噪声估计值乘以2倍就会近似于区域z3加上区域zO的噪声 估计值。由上述得知，算式(1)所考虑的均方差(mean square error)，仅利用星座点22与 星座点28在接收端所映像的实际星座点位置与接收端判定的星座点位置间的关系来估计 噪声，再将星座点22与星座点28在接收端偏移至区域z3时所计算出的噪声估计值做放大 运算以重建星座点24与26所具有的噪声估计值(作两个两倍的放大)，进而估计出4-PAM 的完整的噪声功率。
请注意，之所以选用星座点偏移至区域z3的情形下所对应的噪声估计值来修正 星座点偏移至区域zO的情形下所对应的噪声估计值，是由于大部份噪声的机率分布呈高 斯分布。如图3所示，图中的曲线代表一星座点偏移至各区域的机率分布，是一高斯机率分 布，故由图可知，由于噪声呈高斯分布，使得星座点偏移至区域z3的机率是近似于偏移至 区域z0的机率。于是，算式(1)可以使用更一般性的计算式来加以表示，以推广至更广泛的数字 调制。参考以下的算式⑵o2 = E[(|x(n)-d(n) |21 x(n) e z) (| x (n)-d (n) |2|x(n)ez,)](2)首先，将算式(1)等号右边的第一项考虑为当在传送端位于外侧星座点偏移至所 有星座点的最外侧区域的情形(类似于前述的4-PAM的区域z3。在算式(2)以z代表所有 星座点的最外侧区域，z'代表最外侧星座点的内侧区域，如图4所示)，再将算式(1)中等 号右边第一项放大4倍的运算考虑成一特定常数K倍(对应不同规格的数字调制)。因此， 通过以上的算式(2)可将本发明的应用推广至更一般的情形，因而完整的阐述了本发明的 主要精神。图5是本发明噪声估计装置的一实施例的功能方块图。噪声估计装置500包含有 (但不限于)一估测电路510、一第一运算电路520、一第二运算电路530以及一平均电路 540。第一运算电路520包含一加法电路522，其耦接于估测电路510，以及另包含一平方电 路524耦接于加法电路522。第二运算电路530包含一放大电路532、一多路复用器534以 及一选择信号产生电路536。继续参考图5，当通信系统中的一接收端接收到一无线通信信号SR，经过解调程 序可将信号中的一接收码元(symbol)x(n)映射至星座图上的一个星座点，以还原信号原 本所欲传递的信息，此时估测电路510 (可运用习知的切割器来加以实施)会将接收码元转 换成星座图上的星座点，因而得到一估测码元(由该接收码元在接收端所映像的星座点位 置最接近哪一个传送端的星座点位置来判断)，然而该码元因受到噪声的干扰，因此接收端 的映射结果会偏离于原本落于的传送端的星座点位置，因此利用加法电路522进行向量相 减来计算该估测码元与该接收码元在星座图上对应的欧氏距离，即可得一噪声估计值。又 因本装置的最终目的为计算噪声功率，故将该噪声估计值传送入平方电路524，以取得该噪 声估计值的平方，而经由平方电路524所处理并输出的值在此称作误差运算值。然后将该误差运算值传送入第二运算电路530，首先利用放大电路532对该误差 运算值进行一常数倍的放大，如同算式(2)中等号右边的第1项，对外侧星座点的实际位置 偏移至所有星座点的最外侧的情形时所求得的误差运算值进行K倍的放大来调整整体的 误差运算值。再者，由算式(2)可知，事实上仅需针对星座点偏移至最外侧的情形来对误差 运算值进行放大运算，然后进行平均处理。故通过多路复用器534来选择传送入平均电路 540的误差运算值是否对应至需要被放大的偏移情形。因此，通过选择信号产生电路536先 对接收码元x(n)进行判断，以得知接收码元x(n)所对应的星座点实际位置落于算式(2) 中所提到的区域z或区域z’，并且依据判断结果来设定多路复用器534的多路复用选择信 号的控制值。若该码元所对应的星座点实际位置偏移至区域z，则多路复用选择信号的控制 值会让已进行K倍放大的误差运算值传送至平均电路540 ；另一方面，若该码元在传送端所映像的星座点实际位置偏移至区域z’，则选择让未被放大的误差运算值直接传送至平均电 路540，以达到本发明的对落于特定范围的码元所产生的误差运算值进行调整以修正整体 误差运算值的精神，进而得到较为准确的噪声功率(均方值)。本发明的第二运算电路530并不限于图5中所述的电路架构，若可大致上获得相 同的结果，其它的实施方式也是可行的。请参考图6，图6为本发明第二运算电路的另一实 施例的功能方块图。此一实施例中，第二运算电路600包含有(但不限于)一多路复用器 610、一乘法电路620以及一选择信号产生电路630。类似于图5所绘的实施例，选择信号产 生电路630依据一接收码元在接收端所映像的星座点实际位置落于的区域来设定多路复 用器610的多路复用选择信号的控制值，若星座点实际位置偏移至区域z，则多路复用选择 信号的控制值会使多路复用器610选择输出常数K，使该误差运算值通过乘法电路620进 行K倍放大运算，再传送至平均电路(未示出)；另一方面，若星座点实际位置偏移至区域 z’，则多路复用选择信号的控制值会使多路复用器610选择输出常数1，使误差运算值通过 乘法电路620进行1倍放大运算，也即不对该误差运算值进行任何调整而直接传送至平均 电路(未示出)。如此一来，便可同样符合本发明修正整体误差运算值的精神，进而得到噪 声估计结果。依据上述，本发明噪声估计装置500所执行的噪声估计方法可简要地归纳如下 判定一无线通信信号中每一接收码元对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估 测码元，并输出一估测信号；依据该无线通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其 中该误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无线通信信号中复数个接收码元 与该估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；调整该误差输出信号中至少一部份的误 差运算值而输出调整后的该误差输出信号；以及对调整后的该误差输出信号进行平均计算 以产生一噪声估计结果。依据该无线通信信号与该估测信号来产生该误差输出信号的步 骤，即代表上述算式(2)中的|X(n)-d(n) |2项，以得到码元所对应的误差运算值。而步骤调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差 输出信号，即代表本发明的主要精神，也即将接收码元与估测码元的误差运算值进行常数 倍的放大，以及当最外侧星座点对应的接收码元的映像结果未偏移至所有星座点的外侧区 域时，不对该误差运算值进行任何调整。通过判断接收码元的在接收端所映像的星座点实 际位置与该码元在传送端的星座点位置之间的偏移情形，选择性地将经放大的误差运算值 的输出以及未经放大的误差运算值的输出做平方运算，因此得到了前述的算式(2)所要的 运算结果。综合上述，本发明精神的主轴主要在于两点第一，仅使用星座图的外侧点来计算 整体的噪声平均功率，而非将对应所有星座点的误差运算值来进行平均运算，如此是为了 排除非外侧点较容易发生估测码元误判而导致噪声估计低估的情形；第二，为了用外侧点 所对应的误差运算值来估计整体平均值以及弥补当外侧点的偏移太过靠近内侧点时所造 成的低估，因此将落于特定范围的偏移情形所对应的误差运算值进行适当放大。通过以上 两点，本发明噪声估计装置与其方法便可提高噪声功率计算的正确率。另外应注意的是，如 何求得对应于不同调制所对误差运算值所进行的放大倍数，并非本发明所欲强调的内容， 故在此不多作赘述。以上所述仅为本发明的实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种噪声估计装置，包含估测电路，用以判定通信信号中每一接收码元对应星座图中哪一星座点而决定出相对应的估测码元，并输出一估测信号；第一运算电路，耦接于该判定电路，用以依据该通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复数个误差运算值，分别对应该无线通信信号中复数个接收码元与该估测信号中相对应的复数个估测码元的误差；第二运算电路，耦接于该第一运算电路，用以调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差输出信号；以及平均电路，耦接于该第二运算电路，用以依据调整后的该误差输出信号来进行平均计算以产生一噪声估计结果。
2.如权利要求1所述的噪声估计装置，其中该第一运算电路包含有加法电路，用以将该通信信号中该复数个接收码元与该估测信号中相对应的该复数个 估测码元进行相减运算以分别产生复数个误差值；以及平方电路，耦接于该加法电路，用以分别对该加法电路所输出的该复数个误差值进行 平方运算以产生该复数个误差运算值。
3.如权利要求1所述的噪声估计装置，其中该第二运算电路所输出的该误差输出信号 包含有复数个第一输出值与复数个第二输出值，以及该第二运算电路以该复数个误差运算 值中一第一部份的误差运算值来直接作为该复数个第一输出值以及调整该复数个误差运 算值中一第二部份的误差运算值来产生该复数个第二输出值。
4.如权利要求3所述的噪声估计装置，其中该第二运算电路包含有放大电路，用以放大该复数个误差运算值以产生复数个放大后的误差运算值；多路复用器，具有一第一输入端与一第二输入端分别耦接于该第一运算模块以及该放 大电路，用以依据一多路复用选择信号来选择将该多路复用器的一输出端耦接于该第一输 入端或该第二输入端，其中当该多路复用选择信号具有一第一控制值时，该多路复用器自 该复数个误差运算值中选择该第一部份的误差运算值而输出该复数个第一输出值，以及当 该多路复用选择信号具有一第二控制值时，该多路复用器自该复数个放大后的误差运算值 中选择对应该第二部份的误差运算值的放大后的误差运算值来产生该复数个第二输出值； 以及选择信号产生电路，耦接于该多路复用器，用以依据该通信信号来设定该多路复用选 择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
5.如权利要求4所述的噪声估计装置，其中当该选择信号产生电路判断该无线通信信 号中一接收码元落于该星座图中一特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值，以及当该选择信号产生电路判断该无线通信信号中该接收码元未 落于该星座图中该特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择信号具有该第二 控制值。
6.如权利要求3所述的噪声估计装置，其中该第二运算电路包含有多路复用器，具有一第一输入端与一第二输入端分别耦接于一第一系数与一第二系 数，用以依据一多路复用选择信号来选择将该多路复用器的一输出端耦接于该第一输入端 或该第二输入端，其中当该多路复用选择信号具有一第一控制值时，该多路复用器输出该第一系数，以及当该多路复用选择信号具有一第二控制值时，该多路复用器输出该第二系 数；乘法电路，耦接于该多路复用器的该输出端，用以对该多路复用器所输出的该第一系 数与该第一部份的误差运算值进行乘法运算来产生该复数个第一输出值，以及对该多路复 用器所输出的该第二系数与该第二部份的误差运算值进行乘法运算来产生该复数个第二 输出值；以及选择信号产生电路，耦接于该多路复用器，用以依据该通信信号来设定该多路复用选 择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
7.如权利要求6所述的噪声估计装置，其中当该选择信号产生电路判断该通信信号中 一接收码元落于该星座图中一特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择信号 具有该第一控制值，以及当该选择信号产生电路判断该通信信号中该接收码元未落于该星 座图中该特定范围时，该选择信号产生电路设定该多路复用选择信号具有该第二控制值。
8.—种噪声估计方法，包含判定一通信信号中每一接收码元对应一星座图中哪一星座点而决定出一相对应的估 测码元，并输出一估测信号；依据该通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复 数个误差运算值，分别对应该通信信号中复数个接收码元与该估测信号中相对应的复数个 估测码元的误差；调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差输出信号；以及对调整后的该误差输出信号进行平均计算以产生一噪声估计结果。
9.如权利要求8所述的噪声估计方法，其中依据该通信信号与该估测信号来产生该误 差输出信号的步骤包含有将该通信信号中该复数个接收码元与该估测信号中相对应的该复数个估测码元进行 相减运算以分别产生复数个误差值；以及对该复数个误差值进行平方运算以产生该复数个误差运算值。
10.如权利要求8所述的噪声估计方法，其中该误差输出信号包含有复数个第一输出 值与复数个第二输出值，以及调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整 后的该误差输出信号的步骤包含有以该复数个误差运算值中一第一部份的误差运算值来直接作为该复数个第一输出值；以及调整该复数个误差运算值中一第二部份的误差运算值来产生该复数个第二输出值。
11.如权利要求10所述的噪声估计方法，其中以该复数个误差运算值中一第一部份的 误差运算值来直接作为该复数个第一输出值以及调整该复数个误差运算值中一第二部份 的误差运算值来产生该复数个第二输出值的步骤包含有放大该复数个误差运算值以产生复数个放大后的误差运算值； 依据一多路复用选择信号来多路复用处理该复数个放大后的误差运算值与该复数个 误差运算值以输出该复数个第一输出值与该复数个第二输出值，其中当该多路复用选择信 号具有一第一控制值时，自该复数个误差运算值中选择该第一部份的误差运算值而输出该复数个第一输出值，以及当该多路复用选择信号具有一第二控制值时，自该复数个放大后 的误差运算值中选择对应该第二部份的误差运算值的放大后的误差运算值来产生该复数 个第二输出值；以及依据该通信信号来设定该多路复用选择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
12.如权利要求11所述的噪声估计方法，其中依据该通信信号来设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值或该第二控制值的步骤包含有当判断该通信信号中一接收码元落于该星座图中一特定范围时，设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值；以及当判断该通信信号中该接收码元未落于该星座图中该特定范围时，设定该多路复用选 择信号具有该第二控制值。
13.如权利要求10所述的噪声估计方法，其中以该复数个误差运算值中一第一部份的 误差运算值来直接作为该复数个第一输出值以及调整该复数个误差运算值中一第二部份 的误差运算值来产生该复数个第二输出值的步骤包含有依据一多路复用选择信号来进行一多路复用处理以选择性地输出一第一系数或一第 二系数，其中当该多路复用选择信号具有一第一控制值时，输出该第一系数，以及当该多路 复用选择信号具有一第二控制值时，输出该第二系数；对该多路复用处理所输出的该第一系数与该第一部份的误差运算值进行乘法运算来 产生该复数个第一输出值，以及对该多路复用处理所输出的该第二系数与该第二部份的误 差运算值进行乘法运算来产生该复数个第二输出值；以及依据该通信信号来设定该多路复用选择信号具有该第一控制值或该第二控制值。
14.如权利要求13所述的噪声估计方法，其中依据该通信信号来设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值或该第二控制值的步骤包含有当判断该通信信号中一接收码元落于该星座图中一特定范围时，设定该多路复用选择 信号具有该第一控制值；以及当判断该通信信号中该接收码元未落于该星座图中该特定范围时，设定该多路复用选 择信号具有该第二控制值。
全文摘要
本发明提供一种噪声估计装置及其方法。该噪声估计装置包含估测电路、第一运算电路、第二运算电路以及平均电路。该估测电路判定无线通信信号中每一接收码元其相对应的一估测码元，并输出一估测信号。该第一运算电路依据该无线通信信号与该估测信号来产生一误差输出信号，其中该误差输出信号包含有复数个误差运算值。该第二运算电路调整该误差输出信号中至少一部份的误差运算值而输出调整后的该误差输出信号。该平均电路依据调整后的该误差输出信号来进行平均计算以产生一噪声估计结果。
文档编号H04L27/38GK101808072SQ20091000669
公开日2010年8月18日 申请日期2009年2月13日 优先权日2009年2月13日
发明者何维鸿 申请人:瑞昱半导体股份有限公司
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