CN101056300B - 相关性间隔同步装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相关性间隔同步装置及方法。首先,针对接收数据进行相关性运算;再根据相关性运算所得到的相关性数值搜寻并判定出多个峰值。接着,根据该多个峰值得到多个峰值间隔,并根据该多个峰值间隔的长度以判定得到同步位置所在的峰值间隔;最后,根据同步位置所在的峰值间隔,以确认得到同步位置。本发明所述的相关性间隔同步装置及方法,取代传统方法的繁复运算,减少运算所需时间,且可以实施于专用集成电路,以利实时运算。
Description
技术领域
本发明是有关一种相关性间隔(correlation interval)的同步装置及方法,特别是一种应用于正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)***的同步装置及方法。
背景技术
正交频分复用技术(OFDM)是一种频分复用且使用多个载波的通信技术,近年来被普遍应用于各种数字通信***中,例如数字多媒体广播***(Digital Multimedia Broadcasting,DMB)或数字音频广播***(Digital Audio Broadcasting,DAB)。DMB为一种建立于DAB规格的数字无线电通信***,用以将多媒体数据传送至移动装置(例如移动电话)。在此***中,帧(frame)的同步时间偏移量(time offset)控制是攸关接收端效益的决定因素之一。传统的***,例如Jaehee Cho,“PC-based receiver for Eureka-147 digital audio broadcasting”,IEEE.Trans.on Broadcasting,vol.47,No.2,June 2001所揭露的,是以诸如下式(1)的功率演算法(power algorithm)来估算同步时间偏移量:
其中,W为功率运算时的运算窗口;iqi为解调(例如I/Q解调)的第i个输出;Energy[a,b]代表a、b区间内的总能量。
传统方法需要使用大量费时的运算,例如使用上式(1)时,均需要对每一个接收到的采样数据进行费时的除法运算,因此 无法有效快速的进行帧的同步。有鉴于此,亟需提出一种同步方法,可简化运算逻辑以进行实时(real time)运算,以便实施于专用集成电路(ASIC),且可以增进同步的准确度。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种相关性间隔同步装置及方法,用以得到传输帧的同步端位置,以利接收端进行帧的同步。
本发明的另一目的在于提出窗口移位方法(window shiftmethod),取代传统方法的繁复运算,可以减少运算所需时间,还可以实施于专用集成电路,以利实时运算。
本发明的另一目的在于提出一种准确度增进方法(accuracy enhanced method),用以增进同步的准确度。
根据上述的目的,本发明提供一种相关性间隔(correlationinterval)同步装置及方法。在一个相关性间隔同步方法的实施例中,首先,针对接收数据进行相关性运算;再根据相关性运算所得到的相关性数值搜寻并判定出多个峰值。接着,根据该多个峰值得到多个峰值间隔,并根据该多个峰值间隔的长度以判定得到同步位置所在的峰值间隔;最后,根据同步位置所在的峰值间隔,以确认得到同步位置。
在一个相关性间隔同步装置的实施例中,包括一相关性装置、一峰值搜寻装置、一峰值间隔判定装置与一同步位置确认装置。首先,相关性装置针对接收数据进行相关性运算。峰值搜寻装置根据该相关性运算所得到的相关性数值判定出多个峰值。峰值间隔判定装置根据该多个峰值得到多个峰值间隔,并根据该多个峰值间隔的长度以判定得到同步位置所在的峰值间隔。同步位置确认装置,根据该同步位置所在的峰值间隔,以得到该同步位置。
本发明所述的相关性间隔同步装置及方法,取代传统方法的繁复运算,减少运算所需时间,且可以实施于专用集成电路,以利实时运算。
附图说明
图1显示DAB/TDMB***的传输帧。
图2显示根据本发明实施例的相关性间隔(correlationinterval)装置及方法。
图3显示利用本发明实施例的相关性间隔方法于多个传输帧的示意图。
图4显示窗口移位方法的例子。
图5显示准确度增进方法的例子。
具体实施方式
图1显示地面数字多媒体广播***(Terrestrial DigitalMultimedia Broadcasting,TDMB)或数字音频广播***(DigitalAudio Broadcasting,DAB)的传输帧(transmission frame,又称为帧或幅),底下简称为DAB/TDMB传输帧,其使用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)。如图所示的每一个传输帧包含有同步波段(synchronization channel)10、快速信息波段(Fast InformationChannel,FIC)12及主服务波段(Main Service Channel,MSC)14。同步波段10含有空符号(null symbol)101及相参考符号(Phase Reference Symbol,PRS)103。其中空符号101的能量较其他部分来得小或者甚至不具能量,因此可用来作为传输帧的同步;相参考符号103是用以作为解调(demodulation)时的参考,例如差分四相相移键控(Differential Quadrature Phase Shift Keying,DQPSK)的解调。快速信息波段12包含有控制信息,用以描述主服务波段14各符号的顺序及长度等信息。主服务波段14包含有多个符号141,用以存放数据。每一个符号141(或快速信息波段12的符号)包含有一保护间隔(guardinterval,GI)1410及符号有用部分(useful part)1412。在DAB/TDMB***中,保护间隔1410的格式为循环前置符元(cyclic prefix,CP),其是复制符号141的后面部分来当作保护间隔;例如于Eureka 147 DAB***中,是使用符号有用部分1412后面四分之一部分来作为保护间隔。然而,在其他***中可能使用其他的循环延伸符元(cyclic extension),例如循环后置符元(cyclic suffix),或者其他的保护间隔格式。图1所示的传输帧仅显示DAB/TDMB***某一模式(mode)下的格式,例如模式一,然于其他模式或其他***下,相对应的传输帧格式将会有些变化。以下将描述的发明实施例虽以DAB/TDMB***为例,然而本发明也可以适用于其他的OFDM***,例如数字视频广播***(Dogital Video Broadcasting,DVB),或者类似的通信规格。
图2显示根据本发明实施例的相关性间隔(correlationinterval)装置及方法,用以得到传输帧的同步端(synchronization head)位置,以利接收端进行帧的同步。图式中的各方块20-26代表执行步骤或功能方块;这些步骤/方块可以使用软件或硬件(或结合两者)方式来实施,而本发明也非常适合实施于专用集成电路(ASIC)中。图3显示利用本发明实施例的相关性间隔方法于多个传输帧(TransmissionFrame,TF)的示意图。以下将以图2配合图3说明本发明实施例的各主要操作步骤/方块及其原理,之后再针对各步骤/方块依序分别详细说明其实施细节。首先,针对所接收到的数据, 执行循环前置符元相关性运算20以得到循环前置符元的相关性数值。此种相关性运算是DAB/TDMB***接收端经常执行的运算之一,例如模式侦测或小数频偏(fractional frequency offset,FFO),因此,本实施例的循环前置符元相关性运算20资源可以和接收端的其他部分共用,而不需额外增加工作量。
接着,根据循环前置符元相关性运算20所得到的结果或数值大小来进行峰值(peak)搜寻22。如图3所示,除了在各个一般符号(如主服务波段14或快速信息波段12的符号)会出现峰值Peak_n,于空符号N的前端会出现峰值Peak_f(以下称为前端峰值(peak forward)),在相参考符号P的后端也会出现峰值Peak_b(以下称为后端峰值(peak backward))。
根据峰值搜寻22所搜寻得到的峰值位置,接着进行峰值间隔判定24。如图3所示,一般符号141两端峰值peak_n之间的间隔距离等于一般符号141的长度Ts(其等于保护间隔长度与符号有用部分长度Tu之和),而空符号N的前端峰值Peak_f与相参考符号P的后端峰值Peak_b之间的间隔长度则等于空符号长度Tnull与相参考符号长度Ts之和(亦即Tnull+Ts)。有鉴于空符号N前端与相参考符号P后端之间的峰值间隔长度(Tnull+Ts)有别于一般符号间的峰值间隔长度(Ts),因此当侦测到峰值间隔等于(Tnull+Ts)时,此时前端峰值Peak_f即判定为空符号N的前端,而后端峰值Peak_b即判定为相参考符号P的后端。
最后,根据前端峰值Peak_f与后端峰值Peak_b,执行步骤/方块26确认出传输帧的同步位置。在本发明实施例中,传输帧的同步位置是设为相参考符号P的前端位置;亦即,从相参考符号P的后端峰值Peak_b位置往前移(Ts-1)位置即得到同步位置,以式子表示为L(Peak_b)-Ts+1,其中L(Peak_b)代表相参考符号P的后端峰值Peak_b位置。
本发明实施例不但提出一种相关性间隔同步装置及方法,用以得到传输帧的同步端位置,以利接收端进行帧的同步,本发明实施例更提出一些运算方法用以取代传统方法的繁复运算(如式(1)),不但可以减少运算所需时间,更可以实施于专用集成电路,以利实时运算;还提出一些改良方法用以增进同步的准确度,这些将于以下篇幅作详细说明。
循环前置符元相关性运算(20)
其中y为接收数据,*为数学共轭运算,Ng为保护间隔的长度。
上述式(2)可以使用下述式(3)及式(4)的迭代(iterative)法来实施,以得到循环前置符元相关性C(k0)及其信号功率P(k0):
更可以使用下式(5)取代上式(3)、(4),进一步简化运算:
(5)
峰值搜寻(22)
在此步骤/方块中,将根据前面所得到的数值结果来进行峰值搜寻22。于本发明实施例之一,使用以下的演算法(6)来判定峰值及其位置:
if(PA(τ)>normalized_threshold)
else Z(τ)=|CA(τ)|
it is a peak;else it isn′t a peak;(6)
在上述演算法(6)中,于判断峰值之前,先让信号功率值PA(τ)和一预设标准化临界值(normalized_threshold)作比较后,才针对相关性值CA(τ)进行标准化,以得到一标准化相关性数值Z(τ)。与预设标准化临界值作比较的目的在于避免不当的峰值出现;例如,由于空符号N的能量很小,如果直接进行标准化,则会形成不该出现的峰值。于标准化之后,依一预设峰值搜寻临界值(preset_threshold),以判定峰值的有效性。亦即,只有当标准化相关性数值Z(τ)大于预设峰值搜寻临界值时,才被判定为峰值。
有鉴于上述演算法(6)中,于得到标准化相关性数值Z(τ)时需进行费时的除法运算,因此于本发明另一实施例中,使用以下的演算法(7)-(9)来取代(6),用以简化运算。值得 注意的是,式(8)中涉及一种窗口(window)的选择,此也是本发明实施例的特征之一,又称为窗口移位方法(windowshift method),将于后面详细描述。由于所选择窗口的大小为Ts,在这样大小的窗口大小内,信号衰减的变化不会太大,因此就可以省略掉标准化程序。通过此窗口移位方法,可以简化搜寻逻辑,简化运算复杂度及减少所需的存储器大小。
CS(τ)=Real2(CA(τ))+Imag2(CA(τ)),
enter selection in one window,
{
it is a peak;
else
it isn’t a peak;}else it isn’t a peak;(9)
根据本发明又一实施例,以演算法(10)-(12)取代演算法(7)-(9),可以更加简化运算。其中,式(10)以绝对值运算来取代式(7)的平方运算,因而可以省略式(7)中的复数(complex number)乘法运算;以式(12)取代式(9),可以省略实数(real number)的乘法运算。通过演算法(10)-(12),于实施时只要使用一些加法器、乘法器、比较器及暂存器即可达成,因此亟适合实施于硬件电路中,例如专用集成 电路。
CS_M(τ)=|Real(CA(τ))|+|Imag(CA(τ))|,
enter selection in one window,
{
it is a peak; else
it isn’t a peak; } else
it isn’t a peak;(12)
上述演算法(7)-(9)或演算法(10)-(12)中所使用的窗口移位方法,其目的在于调整控制运算窗口的位置,使得峰值能够出现于运算窗口的中央,因而可以避免受到相邻峰值的干扰(interference)。借此,我们就不需要以相关性信号功率来进行标准化运算。例如,式(11)中的CS_M(τ)就不需要如式(6)中除以PA(τ)来进行标准化。
于本发明实施例的窗口移位方法中,为了首先找出第一个峰值所在,因此我们一开始是使用一个大小为(2Ts+Tnull)的窗口1(Window1),以确保可以找到第一个峰值,如图4所示。设第一个峰值的位置为NT0,则接下来的运算窗口(称为窗口2(Window2))的大小均为Ts,窗口2的长度小于窗口1长度,且窗口2的每一峰值大致位于每一该窗口2的中央位置。这些窗口2可以表示为:
其中的调整变量x是用以使得窗口1与窗口2不会造成重叠,以避免存储窗口1中的接收数据。以图4所示为例,由于第一个窗口2(位于start1)至第三个窗口2皆与窗口1重叠,如果我们设定x为3,则可以改由图式中的start2位置开始选取窗口2。调整变量x可以使用下式(13)来决定得到:
其中,index_peak表示窗口中峰值所在位置的数据采样(sample)序号,mod为数学模数运算,ceil为无条件整数进位运算,index_peak为峰值位置,Len_Win1为窗口1的长度。
由于空符号长度Tnull与一般符号长度Ts的大小并不相同(在本实施例中,Tnull稍微大于Ts),因此当窗口通过空符号之后,后续的峰值将会从窗口的中央位置向右漂移(Tnull-Ts)的大小。为了改善此情形,需要周期性(例如每经过一个帧的时间)针对窗口2进行调整设定(preset),亦即让窗口2等候大约(Tnull-Ts)的时间。
经过了上述峰值搜寻步骤/方块22之后,将会如图3所示,于各个一般符号处得到峰值Peak_n,于空符号N的前端会出现有前端峰值Peak_f,在相参考符号P的后端也会出现后端峰值Peak_b。
峰值间隔判定(24)
根据前述峰值搜寻22所搜寻得到的峰值位置,接着进行峰值间隔判定24。如图3所示,当峰值间隔等于(Tnull+Ts±容忍误差值(Tolerance_sample))时,此时前端峰值Peak_f即判定为空符号N的前端,而后端峰值Peak_b即判定为相参考符号P的后端;其中,容忍误差值(Tolerance_sample)是为同步准确度的容忍误差值(或称为冗余(redundancy)),在本实施例的DAB/TDMB***中,容忍误差值(Tolerance_sample)是设定为40个采样值的长度,采样频率为2.048MHz。
同步位置确认(26)
根据前端峰值Peak_f与后端峰值Peak_b,确认出传输帧的同步位置为相参考符号P的前端位置;亦即,从相参考符号P的后端峰值Peak_b位置往前移(Ts-1)位置,以式子表示为L(Peak_b)-Ts+1,其中L(Peak_b)代表相参考符号P的后端峰值Peak_b位置。本实施例虽以相参考符号P的前端位置作为同步位置,然而,也可以作其他的变化,例如也可以设空符号N的前端位置作为同步位置。
为了更增进同步准确度,本发明另一实施例提出一种准确度增进方法(accuracy enhanced method)。当侦测到连续多个峰值间隔均为Ts时,则记录下最后一个峰值的序号(Num1)及其位置(L1),则同步位置即等于L1+[(前端峰值Peak_f的序号Num_Peak_f)-Num1]×Ts+Tnull。
但是当连续多个等间隔峰出现以后,如果在后续的峰值检测中,出现了漏检的情况,那么准确度增进方法就不能被应用,此时需要以下式(14)来作判别,在此称为间隔临界(intervalthreshold)判别:peak interval>Tnull+TS+Tolerance_sample‖(peak interval>1.5Ts&&peakinterval<Tnull+TS-Tolerance_sample) (14)
其中,peak interval为该峰值间隔,Tnull为该空符号的长 度,Ts为该一般符号的长度,Tolerance_sample为容忍误差值,‖为逻辑或(OR)运算,&&为逻辑与(AND)运算。
当式(14)满足时,上述的准确度增进方法就不能使用。反之,如果式(14)不满足时,则可以使用准确度增进方法以增进同步的准确度。在本发明实施例中,如果式(14)满足时,则设定一个标志(flag)为1,当侦测到连续峰值时,将标志改设为0。在检测到后端峰值Peak_b以后,当且仅当标志(flag)为0时,才可以进行上述的准确度增进方法。
以图5所示为例,当侦测到连续四个峰值间隔均为Ts且前端峰值Peak_f的序号为n-1时,则第四个(最后一个)峰值的序号为4(Num1=4),如果在第四个峰值到第n个峰值的检测过程中,没有发生峰值漏检的现象,那么同步位置即等于:L1+(n-1-4)×Ts+Tnull,其中L1为第四个峰值位置。但是图5中,第k-1个和第k个峰值之间出现了漏检,则此时不能应用准确度增进方法,而是使用常规做法,同步位置即等于:L(Peak_b)-Ts+l。
根据上述本发明实施例的相关性间隔同步装置及方法,可以得到传输帧的同步端位置,以利接收端进行帧的同步。再者,本发明实施例取代传统方法的繁复运算,减少运算所需时间,而可以实施于专用集成电路,以利实时运算。此外,还可用以增进同步的准确度。使用本发明实施例可以在DAB/TDMB***中,对于所有模式一至四及TU(Urban)、RA(Rural)、SFN(SingleFrequency Networks)信道中,让帧同步成功比例超过99.9%。
以上所述仅为本发明较佳实施例,然其并非用以限定本发明的范围,任何熟悉本项技术的人员,在不脱离本发明的精神和范围内,可在此基础上做进一步的改进和变化,因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下:
10:同步波段
12:快速信息波段(FIC)
14:主服务波段(MSC)
20:循环前置符元(CP)相关性运算
22:峰值搜寻
24:峰值间隔判定
26:同步位置确认
101:空符号
103:相参考符号(PRS)
141:符号
1410:保护间隔
1412:符号有用部分
TF:传输帧
N:空符号
P:相参考符号
Peak_n:一般符号峰值
Peak_f:前端峰值
Peak_b:后端峰值
Claims (11)
1.一种相关性间隔同步装置,其特征在于,包括:
一相关性装置,针对接收数据进行相关性运算;
一峰值搜寻装置,根据该相关性运算所得到的相关性数值判定出多个峰值;
一峰值间隔判定装置,根据该多个峰值,得到多个峰值间隔,并根据该多个峰值间隔的长度以判定得到同步位置所在的峰值间隔;及
一同步位置确认装置,根据该同步位置所在的峰值间隔,以得到该同步位置;
其中,上述接收数据包括多个帧,每一个该帧至少包含有一空符号、一相参考符号、多个一般符号,上述峰值搜寻装置所得到的峰值包括:该一般符号的峰值Peak_n、位于该空符号前端的前端峰值Peak_f、位于该相参考符号后端的后端峰值Peak_b,上述空符号的前端峰值Peak_f与该相参考符号的后端峰值Peak_b之间的峰值间隔长度不同于一般符号的峰值间隔长度,借此判定出该前端峰值Peak_f与后端峰值Peak_b之间的峰值间隔即为该同步位置所在的峰值间隔。
2.根据权利要求1所述的相关性间隔同步装置,其特征在于,上述的同步位置是设于该相参考符号的前端位置。
3.根据权利要求2所述的相关性间隔同步装置,其特征在于,上述的同步位置是从该相参考符号的后端峰值Peak_b位置往前移(Ts-1)位置,其中Ts为该相参考符号的长度。
4.根据权利要求1所述的相关性间隔同步装置,其特征在于,上述的峰值搜寻装置执行一窗口移位程序,其包括以下步骤:
使用一第一运算窗口,其大小足以确保可找到第一个峰值;及
使用多个第二运算窗口,其长度小于该第一运算窗口的长度,且使得每一峰值位于每一该第二运算窗口的中央位置;
其中上述的第二运算窗口不与该第一运算窗口重叠,该第二运算窗口的大小均等于该一般符号的长度Ts。
5.根据权利要求1所述的相关性间隔同步装置,其特征在于,当不满足下式时,上述的峰值间隔判定装置执行一准确度增进程序:
peak interval>Tnull+TS+Tolerance_sample||(peak interval>1.5Ts&&peak interval<Tnull+TS-Tolerance_sample),
其中,peak interval为该峰值间隔,Tnul1为该空符号的长度,Ts为该一般符号的长度,Tolerance_sample为容忍误差值,||为逻辑或运算,&&为逻辑与运算;
其中,该准确度增进程序包括以下步骤:
当侦测到连续多个峰值间隔均相等时,记录下最后一个峰值的序号Num1及其位置L1;及
设定同步位置为L1+[(该前端峰值Peak_f的序号Num_Peak_f)-Num1]×Ts+Tnull。
9.根据权利要求4所述的相关性间隔同步装置,其特征在于,上述多个峰值中的第一个峰值的位置为NT0,该第二运算窗口可以表示为 n=0,1,2....,其中x为调整变量,是用以使得该第一运算窗口与该第二运算窗口不会造成重叠,上述的调整变量x依下式得到:
其中,index_peak表示窗口中峰值所在位置的数据采样序号,mod为数学模数运算,ceil为无条件整数进位运算,Len_Win1为该第一运算窗口的长度,Tnull为该空符号的长度。
10.一种相关性间隔同步方法,其特征在于,包括:
针对接收数据进行相关性运算;
根据该相关性运算所得到的相关性数值搜寻并判定出多个峰值;
根据该多个峰值,得到多个峰值间隔,并根据该多个峰值间隔的长度以判定得到同步位置所在的峰值间隔;及
根据该同步位置所在的峰值间隔,以确认得到该同步位置;
其中,上述接收数据包括多个帧,每一个该帧至少包含有一空符号、一相参考符号、多个一般符号,上述的多个峰值包括:该一般符号的峰值Peak_n、位于该空符号前端的前端峰值Peak_f、位于该相参考符号后端的后端峰值Peak_b,上述空符号的前端峰值Peak_f与该相参考符号的后端峰值Peak_b之间的峰值间隔长度不同于一般符号的峰值间隔长度,借此判定出该前端峰值Peak_f与后端峰值Peak_b之间的峰值间隔即为该同步位置所在的峰值间隔。
11.根据权利要求10所述的相关性间隔同步方法,其特征在于,当搜寻该多个峰值时,更包括执行一窗口移位程序,其包括以下步骤:
使用一第一运算窗口,其大小足以确保可找到第一个峰值;及
使用多个第二运算窗口,其长度小于该第一运算窗口的长度,且使得每一峰值位于每一该第二运算窗口的中央位置;
其中上述的第二运算窗口不与该第一运算窗口重叠,该第二运算窗口的大小均等于该一般符号的长度Ts。
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