CN1305240C - 产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扩频数字通讯***中产生一定归一化信噪比要求的基带信号的仿真，特别涉及一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法及装置，包括：给定带宽噪声模块、功率系数计算模块、功率修正模块，其中给定带宽噪声模块包括白噪声模块、滤波器模块、功率归一化模块，白噪声模块中产生的白噪声，输入滤波器模块进行滤波，输出信号功率输入功率归一化模块进行归一化；功率系数计算模块计算出需要的噪声功率系数；该功率噪声功率系数与归一化模块归一化的白噪声经过功率修正模块，输出符合功率谱密度要求的白噪声。本方法适用于利用常规平台进行IS-95、cdma2000、WCDMA等扩频通讯***的仿真。

Description

产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法及装置

技术领域

本发明属于通讯信号处理领域，涉及扩频数字通讯***中产生一定归一化信噪比要求的基带信号的仿真，特别涉及一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法及装置。

背景技术

在扩频通讯***仿真中，需要产生满足一定归一化信噪比E_b/N₀的数据源。E_b为信号比特能量，N₀为噪声功率谱密度。信号为确知信号，归一化信噪比要求实际是确定噪声的参数。噪声一般指白噪声。在常规仿真软件中，提供了白噪声的产生模块，其功率为1。实际信道中经过前端滤波器后，噪声的带宽已经发生变化。在扩频通讯***中，基带信号带宽是扩频码带宽的2倍以上。这时，就需要产生给定带宽和功率谱密度的噪声源。直接采用白噪声模块产生的白噪声的带宽和所对应的功率谱密度无法满足要求。

在扩频通讯***仿真时，往往采用随机、重复实验来保证仿真结果的普遍性，这一点要求仿真数据源能够灵活、方便的产生，力求遍历多种有代表意义的情况。目前，常规仿真软件中提供的白噪声模块的带宽和功率谱密度不能直接根据自己的需要同时进行设定。替***法可以采用一些软件直接提供满足归一化信噪比的基带数据，如COSSAP等。除了软件本身价格昂贵以外，还存在同时和Matlab双平台协同仿真的问题，不论是采用数据共享，还是模块调用，两个不同平台之间的共享总是不如一个平台显得灵活、自如。另外一种办法采用仪器产生，除了仪器价格昂贵以外，数据样本长度由于存储设备受到较大限制，尤其是带宽较大的情况下，存储设备无法完成高速、长时间的数据采集。还有直接编写算法程序来实现一定带宽和功率谱密度的白噪声，这种方式没有充分利用现有模块，需要额外的开销来开发同样的模块，开发效率低。

发明内容

本发明的目的是公开一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法及装置，在常规软件环境下，如C语言、Matlab语言，利用其自带的白噪声模块产生给定带宽和功率谱密度的噪声。

本发明公开一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法，包括如下步骤：

步骤一：白噪声模块产生白噪声样本；

步骤二：根据带宽要求，设计滤波器，该滤波器可以根据需要设计，只要带宽满足要求即可；

步骤三：将白噪声样本输入滤波器，并将滤波器输出信号功率归一化；

步骤四：根据归一化信噪比的要求，求出所需白噪声功率，确定功率系数。功率系数计算模块根据扩频因子、带宽、基带数字信号的功率、归一化信噪比确定需要的噪声功率。具体计算如下：

码片周期：T_c；码片幅度：A；采样率：f_s；

噪声功率谱密度：N₀

扩频因子：SF

信号比特能量：E_b。

因为，

$\frac{E_b}{N_0}=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{{2\mathrm{\σ}}^2}$

所以，功率系数

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{2(E_b/N_0)}$

步骤五：根据功率系数对给定带宽白噪声进行功率修正，将步骤三的输出乘以σ即可。

本发明还公开了一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的装置，所述装置由3个模块组成：给定带宽噪声模块、功率系数计算模块、功率修正模块，其中给定带宽噪声模块包括白噪声模块、滤波器模块、功率归一化模块，白噪声模块中产生的白噪声，输入滤波器模块进行滤波，输出信号功率输入功率归一化模块进行归一化；功率系数计算模块计算出需要的噪声功率系数；该功率噪声功率系数与归一化模块归一化的白噪声经过功率修正模块，输出符合功率谱密度要求的白噪声。

所述滤波器模块在WCDMA***仿真中，采用位于基站端的根升余弦滤波器。

所述功率系数计算模块根据扩频因子、带宽、基带数字信号的功率、归一化信噪比计算出需要的噪声功率系数σ：

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{2(E_b/N_0)}$

其中：T_c--码片周期、A--码片幅度、f_s--采样率、

N₀--噪声功率谱密度、SF--扩频因子，信号比特能量：E_b。

所述功率修正模块是将归一化模块输出的归一化的白噪声乘以σ即可。

本发明的方法独特、新颖，在目前的专利和相关文献中未检索到。该方法具有以下特点：

第一，采用常规仿真软件平台，利用现有模块进行改造，避免重新设计算法，大大提高了仿真效率。

第二，程序采用模块化设计，输入参数设定灵活。

第三，适用于信号处理领域中所有产生给定带宽和功率谱密度的噪声过程。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1说明了本发明应用于WCDMA***上行链路仿真的实施框图；

图2说明了本发明的结构框图。

具体实施方式

在该实例中，WCDMA上行链路仿真按照功能分为四部分：上行接收仿真数据源11、射频子***等效模型12、基带信号处理模块13、算法验证14。符合WCDMA协议的数据源由3GPP数据源模块1111产生，首先进入码成型滤波器1112，这里码成型滤波器的传递函数符合根升余弦特性，模拟移动台侧的处理过程，输出的信号经过信道模型模块1113，模拟信号的空间传输过程，信号到达基站侧首先进入阵列天线接收，由阵列模型模块1114处理得到矢量数据，再经过码成型滤波器1115输出，模拟基站侧的处理过程，两个码成型滤波器的传输特性合成有一个升余弦滤波器。多个上行接收仿真数据源11产生的信号模拟多用户数据。进入射频子***等效模型12的多用户数据首先经过多用户合成模块121进行多用户合成，再加入由信道噪声模块126产生的符合信噪比要求的噪声数据，求和模块122输出的合成信号进入模拟实际信道特性的信道特性模块123，再进入自动增益控制模块124和采样模块125，完成基站侧的射频信道接收处理。至此得到了仿真基带信号。该信号经过基带信号处理模块13和算法验证14完成对空时算法的仿真和评估。

信道噪声模块126就是产生一定带宽和功率谱密度的噪声模块。该模块就是采用了本发明的模块，下面详细介绍，如图二所示。

本发明提供的方法由3个模块组成：给定带宽噪声模块21、功率系数计算模块22、功率修正模块23。

步骤一利用白噪声模块211产生白噪声，Matlab中的randn；

步骤二根据带宽要求，设计给定带宽的滤波器212，采用实际信道中的滤波器，在WCDMA***仿真中该滤波器采用位于基站端的根升余弦滤波器，参数满足协议要求；

步骤三求出输出信号功率，然后作功率归一化213；

步骤四根据扩频因子、带宽、基带数字信号的功率、归一化信噪比由功率系数计算模块22确定需要的噪声功率；

具体计算如下：

码片周期：T_c；码片幅度：A；采样率：f_s；

噪声功率谱密度：N₀

扩频因子：SF

信号比特能量：E_b，噪声功率谱密度N₀。

因为，

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{2(E_b/N_0)}$

所以，功率系数

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{2(E_b/N_0)}$

步骤五根据步骤四的结果对步骤三产生的噪声进行处理，功率修正模块23对规一化噪声进行修正，将步骤三的输出乘以σ即可。产生符合功率谱密度要求的白噪声。

总之，采用本发明提供的方法可以根据扩频通讯中带宽和功率谱密度需要在常规平台(C语言、Matlab语言)上实现噪声产生，方法简单易行，采用现成模块搭建而成，大大的减少算法的复杂度，提高运算效率；采用常规仿真软件平台，节约了***成本，提高了算法适用性，使***构成简单化，技术难度降低，是一个非常有实用价值的算法。本方法适用于利用常规平台(如Matlab、C等)进行IS-95、cdma2000、WCDMA等扩频通讯***的仿真。

Claims (4)

1.一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：白噪声模块产生白噪声样本；

步骤2：根据带宽要求，设计滤波器；

步骤3：将白噪声样本输入滤波器，并将滤波器输出信号功率归一化；

步骤4：根据归一化信噪比的要求，求出所需白噪声功率，确定功率系数σ；

所述噪声功率系数σ根据扩频因子、带宽、基带数字信号的功率、归一化信噪比计算得到：

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{2\left({E_b/N}_0\right)}$

其中：T_c--码片周期、A--码片幅度、f_s--采样率、

N₀--噪声功率谱密度、SF--扩频因子、E_b为信号比特能量；

步骤5：通过将步骤3的输出数值乘以功率系数σ来对给定带宽白噪声进行功率修正，产生符合功率谱密度要求的白噪声。

2.如权利要求1所述的产生给定带宽和功率谱密度噪声的方法，其特征在于，所述滤波器在WCDMA***仿真中，采用位于基站端的根升余弦滤波器。

3.一种产生给定带宽和功率谱密度噪声的装置，其特征在于，所述装置包括：给定带宽噪声模块、功率系数计算模块、功率修正模块，其中给定带宽噪声模块包括白噪声模块、滤波器模块、功率归一化模块，白噪声模块中产生的白噪声，输入滤波器模块进行滤波，输出功率信号输入功率归一化模块进行归一化；功率系数计算模块计算出需要的噪声功率系数，该噪声功率系数与所述归一化模块输出归一化的白噪声经过所述功率修正模块，将归一化模块输出的归一化的白噪声乘以功率系数σ，从而输出符合功率谱密度要求的白噪声；

所述功率系数计算模块根据扩频因子、带宽、基带数字信号的功率、归一化信噪比计算出需要的噪声功率系数σ：

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\mathrm{SFA}}^2{T}_c{f}_s}{2(E_b/N_0)}$

其中：T_c--码片周期、A--码片幅度、f_s--采样率、

N₀--噪声功率谱密度、SF--扩频因子、E_b为信号比特能量。

4.如权利要求3所述的产生给定带宽和功率谱密度噪声的装置，其特征在于，所述滤波器模块在WCDMA***仿真中，采用位于基站端的根升余弦滤波器。

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