关键词:
信噪比
估计
深度学习
功率谱
特征值
摘要:
在通信系统中,信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)是评估信道质量的主要参数之一,也是实现包括功率控制、Turbo解码、自适应调制解调等所需的参量,因此准确估计SNR是十分必要的。
深度学习(Deep Learning,DL)可以直接提取输入信号已知的以及可能隐藏的特征,在各个领域均取得优异成果。传统SNR估计方法依赖外部特征提取,现有基于DL的SNR估计算法采用深层次的卷积神经网络(Convolutional Neutral Network,CNN),提高了在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)下的估计性能,但其复杂度有待降低,在非理想环境下性能有待提高。对此本文从数据预处理方式和神经网络架构的简化入手展开本文研究工作。
首先,介绍了研究背景和意义,分析了国内外研究现状,介绍了信噪比估计的数学模型以及CNN的基础知识。
然后,研究了信号的时频量作为网络输入的SNR估计方法。采用接收信号的同相分量(In-phase)和正交分量(Quadrature)组成IQ矩阵、接收信号功率谱的周期图(Periodogram,PG)和平均周期图(Average Periodogram,APG)的预处理方式,提出了基于残差网络(Residual Network,ResNet)分类模型SNR估计方法(分别称为IQ-ResNetC,PG-ResNet-C和APG-ResNet-C方法)和基于ResNet回归模型SNR估计方法(分别称为IQ-ResNet-R,PG-ResNet-R和APG-ResNet-R方法)。分析了所提方法的计算复杂度,本文所提出的SNR估计方法的时间复杂度和空间复杂度低于其它方法,其中APG-ResNet-C方法和APG-ResNet-R方法的复杂度最低。计算机仿真信号和实际采集信号的测试实验结果表明,本文提出的SNR估计方法均优于传统的SNR估计方法(M2M4和SVR)和现有的基于DL的SNR估计方法(IQ-CNN-LSTM和CDG-Google Net);综合考虑各种情况下的估计性能,由IQ矩阵、PG和APG输入构成的算法性能依次递减,但后两者适用范围更广。
最后,为了进一步降低算法复杂度,研究信号的统计量作为网络输入的SNR估计方法(称为EM-LwNet)。由于信号协方差矩阵(Covariance Matrix,CM)的特征值包含了有效信号功率和噪声功率信息,因此构成特征值矩阵(Eigenvector Matrix,EM)作为网络输入,并设计了轻量级(Light-weight Network,LwNet)分类网络和LwNet回归网络,提出了SNR估计方法EM-LwNet-C和EM-LwNet-R。计算机仿真信号和实际采集信号的测试结果均表明,与ResNet-C方法和ResNet-R方法相比,EM-LwNet-C-8和EM-LwNet-R-8方法能够在降低计算复杂度的同时在中高信噪比范围内提升估计性能。