TWI635719B - 載波頻偏估測裝置與載波頻偏估測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種載波頻偏估測裝置，其中包含一M次方電路、一頻譜產生電路、一頻譜調整電路、一峰值頻率判斷電路與一頻偏決定電路。該M次方電路對一輸入信號施以M次方運算，以產生一M次方運算結果。該頻譜產生電路為該M次方運算結果產生一頻譜。該頻譜調整電路自該頻譜找出一局部頻率範圍內之一局部能量峰值，並將該局部能量峰值調高於該頻譜中其他任一能量，藉此產生一調整後頻譜。該峰值頻率判斷電路自該調整後頻譜中找出具有一最高能量峰值之一峰值頻率。該頻偏決定電路根據該峰值頻率決定一載波頻偏估測結果。

Description

載波頻偏估測裝置與載波頻偏估測方法
本發明與電子信號接收裝置相關，並且尤其與電子信號接收裝置中用以估測載波頻率偏移(carrier frequency offset,CFO)的技術相關。
隨著電子領域中相關技術的進步，各種類型的通訊系統愈來愈普及。通訊系統的傳送端與接收端都各自配備有至少一個振盪信號源(例如石英振盪器)，用以提供時脈信號，做為其電路運作的參考。在運作過程中，傳送端與接收端的時脈頻率須有相當程度的一致性，接收端才能正確解讀傳送端發出的信號。若接收端對輸入信號施以降頻轉換時採用的時脈信號頻率不同於傳送端對基頻信號施以升頻轉換的時脈信號頻率，一般稱為接收端存在載波頻率偏移(簡稱載波頻偏)的問題。載波頻偏可能會導致內載波干擾(inter-carrier interference)等減損接收端系統效能的負面作用，嚴重時甚至會使得接收端無法判讀其輸入信號。
由於傳送端與接收端的振盪器要完全匹配極為困難，因此許多接收端針對載波頻偏設計有補償機制。一般來說，接收端必須先正確估計出載波頻偏的大小，始能有效進行頻偏補償。
圖一(A)呈現一種適用於正交相位偏移調變(quadrature phase- shift keying,QPSK)信號的載波頻偏估測裝置之方塊圖。載波頻偏估測裝置100包含四次方電路11、頻譜產生電路12、峰值頻率判斷電路13與頻偏決定電路14。四次方電路11的輸入信號y(t)可為一QPSK基頻信號， 該基頻信號可能是一射頻信號在進入載波頻偏估測裝置100所配合的接收端之後，經過低雜訊放大電路、降頻轉換電路、類比-數位轉換器、低通濾波器...等等電路所產生的基頻信號。四次方電路11對輸入信號y(t)施以四次方運算，以產生一四次方運算結果y 4(t)。頻譜產生電路12利用快速傅立葉轉換(fast Fourier transform,FFT)為四次方電路11輸出的四次方運算結果y 4(t)產生頻譜Z(f)。
峰值頻率判斷電路13負責自頻譜Z(f)中找出能量最高的一個峰值，並且找出該峰值所對應的峰值頻率Ω。基於QPSK信號本身的特性，在輸入信號y(t)係透過單一路徑傳遞至載波頻偏估測裝置100所配合之接收端的情況下，頻譜Z(f)中對應於最高能量的頻率會大致等於四倍的載波頻偏(4△f)。因此，頻偏決定電路14將峰值頻率判斷電路13找出的峰值頻率Ω除以四，即可決定一載波頻偏估測結果△f E ，做為載波頻偏估測裝置100的輸出信號。以圖一(B)呈現的頻譜Z(f)為例，峰值頻率判斷電路13會將能量P0選為最高能量峰值PMAX，並將相對應的頻率選為峰值頻率Ω。
然而，若輸入信號y(t)係透過多重路徑(multipath)傳遞至載波頻偏估測裝置100所配合之接收端，輸入信號y(t)中往往會混合有與實際資料信號之頻段相近的干擾信號，這種干擾信號亦稱為回波(echo)信號。回波信號會對前述頻譜Z(f)中的能量分布造成影響，嚴重時甚至會導致峰值頻率判斷電路13算出的峰值頻率Ω並非載波頻偏的四倍頻率，進而使得頻偏決定電路14產出錯誤的載波頻偏估測結果。圖一(C)呈現一個因回波信號造成能量分布改變的頻譜範例Z’(f)。於此範例中，能量P0所對應的頻率才是四倍的載波頻偏4△f，但峰值頻率判斷電路13會將能量P1選為最高能量峰值P’MAX，並將相對應的頻率選為峰值頻率Ω’，因而造成頻偏決定電路14算出錯誤的載波頻偏估測結果△f E ’。
為解決上述問題，本發明提出一種新的載波頻偏估測裝置與載波頻偏估測方法。
根據本發明之一實施例為一種載波頻偏估測裝置，其中包含一M次方電路、一頻譜產生電路、一頻譜調整電路、一峰值頻率判斷電路與一頻偏決定電路。該M次方電路係用以對一輸入信號施以M次方運算，以產生一M次方運算結果，其中M為大於一之整數且與施於該輸入信號之一調變方式相關。該頻譜產生電路係用以為該M次方運算結果產生一頻譜。該頻譜調整電路係用以自該頻譜找出一局部頻率範圍內之一局部能量峰值，並將該局部能量峰值調高，藉此產生一調整後頻譜。該局部頻率範圍為-1/2T~1/2T，T代表該輸入信號之一符號長度。該峰值頻率判斷電路係用以自該調整後頻譜中找出具有一最高能量峰值之一峰值頻率。該頻偏決定電路係用以根據該峰值頻率決定一載波頻偏估測結果。
根據本發明之另一實施例為一種載波頻偏估測方法。首先，一輸入信號被施以M次方運算，以產生一M次方運算結果，其中M為大於一之整數且與施於該輸入信號之一調變方式相關。接著，針對該M次方運算結果，一頻譜被產生。一局部頻率範圍內之一局部能量峰值自該頻譜被找出，其中該局部頻率範圍為-1/2T~1/2T，T代表該輸入信號之一符號長度。該局部能量峰值被調高，藉此產生一調整後頻譜。隨後，具有一最高能量峰值之一峰值頻率自該調整後頻譜中被找出。根據該峰值頻率，一載波頻偏估測結果被決定。
關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
100、200‧‧‧載波頻偏估測裝置
11、21‧‧‧四次方電路
12、22‧‧‧頻譜產生電路
13、23‧‧‧峰值頻率判斷電路
14、24‧‧‧頻偏決定電路
25‧‧‧頻譜調整電路
25A、25D‧‧‧搜尋電路
25B、25E‧‧‧加法電路
25C、25F‧‧‧調整電路
S61~S66‧‧‧流程步驟
圖一(A)呈現一種適用於正交相位偏移調變信號的載波頻偏估測裝置 之方塊圖。
圖一(B)與圖一(C)分別呈現透過單一路徑傳遞與透過多重路徑傳遞之信號的頻譜範例。
圖二為根據本發明之一實施例所繪示之載波頻偏估測裝置的方塊圖。
圖三為根據本發明之一實施例所繪示之頻譜調整電路的方塊圖。
圖四(A)為一頻譜範例；圖四(B)呈現利用根據本發明頻譜調整電路之一實施例產生的調整後頻譜的範例。
圖五呈現根據本發明之另一實施例所繪示之頻譜調整電路的方塊圖。
圖六為根據本發明之一實施例所繪示之載波頻偏估測方法的流程圖。
須說明的是，本發明的圖式包含呈現多種彼此關聯之功能性電路的方塊圖。該等圖式並非細部電路圖，且其中的連接線僅用以表示信號流。功能性元件及/或程序間的多種互動關係不一定要透過直接的電性連結始能達成。此外，個別元件的功能不一定要如圖式中繪示的方式分配，且分散式的區塊不一定要以分散式的電子元件實現。
根據本發明之載波頻偏估測裝置與載波頻偏估測方法可配合或被整合於多種需要對載波頻偏進行估測的通訊系統接收端，例如但不限於數位電視衛星廣播(digital video broadcasting-satellite,DVB-S)接收器與數位電視有線廣播(digital video broadcasting-cable,DVB-C)接收器。圖二為根據本發明之一實施例所繪示之載波頻偏估測裝置的方塊圖。
載波頻偏估測裝置200包含一四次方電路21、一頻譜產生電路22、一頻譜調整電路25、一峰值頻率判斷電路23與一頻偏決定電路24。四次方電路21的輸入信號y(t)為一正交相位偏移調變(QPSK)基頻信號。實務上，該基頻信號可以是一射頻信號在進入載波頻偏估測裝置200所配 合的接收端之後，經過低雜訊放大電路、降頻轉換電路、類比-數位轉換器、低通濾波器...等等電路所產生的相對應基頻信號，但不以此為限。四次方電路21係用以對一輸入信號y(t)施以四次方運算，以產生一四次方運算結果y 4(t)。四次方運算電路的詳細實施方式為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，於此不贅述。
接著，頻譜產生電路22負責為四次方運算結果y 4(t)產生一頻譜Z(f)。實務上，頻譜產生電路22可利用但不限於快速傅立葉轉換(FFT)產生頻譜。須說明的是，產生頻譜的詳細方式為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，亦於此不贅述。
頻譜調整電路25的工作之一是自頻譜Z(f)找出一局部能量峰值P SEL，局部能量峰值P SEL係為局部頻率範圍-1/2T~1/2T內能量最高的一個峰值，其中T代表輸入信號y(t)之符號長度(symbol duration)，符號長度T可由載波頻偏估測裝置200所配合之接收端中的其他電路解析輸入信號y(t)而得知，亦可能為一個由傳送端與接收端預先約定的固定值。接著，頻譜調整電路25根據局部能量峰值P SEL找出一局部峰值頻率f SEL，局部峰值頻率f SEL為局部能量峰值P SEL所對應之頻率。據經驗，載波頻偏△f並不會太大，四倍載波頻偏4△f通常會落在上述局部頻率範圍-1/2T~1/2T內。因此，頻譜調整電路25找出的局部能量峰值P SEL所對應之頻率(亦即局部峰值頻率f SEL)通常便是四倍載波頻偏4△f。最後，頻譜調整電路25會將局部峰值頻率f SEL所對應之能量調高，藉此產生一調整後頻譜C(f)。圖三與圖五呈現兩種範例，說明頻譜調整電路25可如何調整局部峰值頻率f SEL所對應之能量。
於圖三的範例中，頻譜調整電路25包含一搜尋電路25A、一加法電路25B與一調整電路25C。搜尋電路25A負責自頻譜Z(f)中找出局部能量峰值P SEL，並根據局部能量峰值P SEL找出其所對應之局部峰值頻率f SEL。此外，搜尋電路25A亦負責找出複數個能量增額P ADD，其中能量 增額P ADD為與局部峰值頻率f SEL和輸入信號之符號長度T相關之複數個頻率於頻譜Z(f)中對應的能量。據觀察，基於QPSK信號的特性，在與局部峰值頻率f SEL間隔1/T之整數倍的頻率上也會存在相對的能量峰值。也就是說，頻譜Z(f)在(f SEL±1/T)、(f SEL±2/T)、(f SEL±3/T)、...等頻率位置都會存在相對的能量峰值。此外，輸入信號y(t)的取樣頻率FS會限制載波頻偏估測裝置200的頻率範圍。舉例而言，頻譜Z(f)所涵蓋的頻率範圍可能限於-FS/2~FS/2之間。因此，在一範例中，搜尋電路25A可找出與局部峰值頻率f SEL間隔1/T之整數倍的複數個頻率(f SEL+n/T)所對應的能量作為能量增額P ADD，其中n為在一特定範圍內之一整數索引值，其使複數個頻率(f SEL+n/T)落在頻率範圍-FS/2~FS/2中。
圖四(A)為透過多重路徑傳遞之信號的頻譜範例。在圖四(A)中，落在頻率範圍-FS/2~FS/2且與局部峰值頻率f SEL間隔1/T之整數倍的的頻率(f SEL+n/T)共有七個，搜尋電路25A可選擇該些頻率所對應的能量(P-4~P-1與P+1~P+3)做為能量增額P ADD。
加法電路25B負責將搜尋電路25A找出的該些能量增額P ADD與局部能量峰值P SEL加總，以產生一調整後能量P SUM。接著，調整電路25C負責根據局部峰值頻率f SEL與調整後能量P SUM調整頻譜Z(f)，以產生一調整後頻譜C(f)，於調整後頻譜C(f)中，局部峰值頻率f SEL所對應之能量等於調整後能量P SUM。於一實施例中，除了局部峰值頻率f SEL所對應的能量之外，調整電路25C不改變頻譜Z(f)中其他頻率所對應的能量，也就是調整後頻譜C(f)與頻譜Z(f)在其他頻率所對應的能量皆相同。以圖四(A)的為例，圖四(B)之調整後頻譜C(f)為頻譜Z(f)經調整電路25C調整後之一範例加法電路。由圖四(B)可看出，在調整後頻譜C(f)中，局部峰值頻率f SEL所對應的一調整後能量P SUM為頻譜Z(f)中的八個能量P-4~P+3之加總結果，而調整後頻譜C(f)的其他部分與頻譜Z(f)相同。
實務上，頻譜Z(f)中各個頻率所對應的能量可能是被頻譜產 生電路22分別儲存在多個暫存器中。調整電路25C只要重新設定對應於欲調整頻率之暫存器的內容即可達到調整頻譜的效果。
在頻譜調整電路25產生調整後頻譜C(f)之後，峰值頻率判斷電路23負責自調整後頻譜C(f)中找出一峰值頻率Ω。觀察圖四(B)中的調整後頻譜C(f)可看出，經過頻譜調整電路25之後，峰值頻率判斷電路23會選出調整後能量P SUM做為最高能量峰值，並且會判定對應於調整後能量P SUM的局部峰值頻率f SEL為峰值頻率Ω。接著，頻偏決定電路24根據峰值頻率Ω決定一載波頻偏估測結果△f E 。更明確地說，頻偏決定電路24可將峰值頻率Ω除以四，以產生載波頻偏估測結果△f E 。
如前所述，頻譜調整電路25找出的局部峰值頻率f SEL通常便是四倍載波頻偏4△f。藉由頻譜調整電路25將局部峰值頻率f SEL其所對應之能量調整為複數個能量增額P ADD與局部能量峰值P SEL加總，通常會使得局部峰值頻率f SEL所對應之能量在調整後頻譜C(f)中高於其他頻率所對應之能量，因此即使因回波信號的影響導致原始頻譜Z(f)出現其他頻率所對應之能量高於局部峰值頻率f SEL所對應之能量的情況(例如圖四(A)中的能量P+1高於能量P0)，峰值頻率判斷電路23仍能根據調整後頻譜C(f)找出對應於實際四倍載波頻偏4△f的峰值頻率Ω，供頻偏決定電路24計算載波頻偏估測結果△f E 。
圖五呈現頻譜調整電路25的另一種實施例。此範例中的頻譜調整電路25包含一搜尋電路25D、一加法電路25E與一調整電路25F。與搜尋電路25A相似，搜尋電路25D會自頻譜Z(f)中找出局部能量峰值P SEL，並根據局部能量峰值P SEL找出局部峰值頻率f SEL。與搜尋電路25A不同的是，搜尋電路25D不需要找出與局部峰值頻率f SEL間隔1/T之整數倍的該些頻率對應的能量。加法電路25E藉由將一預設能量增額P DFT與搜尋電路25D找出之局部能量峰值P SEL相加，產生一調整後能量P SUM。實務上，預設能量增額P DFT可根據實際通訊環境被設計為使調整後能量P SUM通常高於 頻譜Z(f)中其他能量，而不以特定數值為限。
與調整電路25C相似，調整電路25F根據局部峰值頻率f SEL與調整後能量P SUM調整頻譜Z(f)，以產生一調整後頻譜C(f)，於調整後頻譜C(f)中，局部峰值頻率f SEL所對應之能量等於調整後能量P SUM。
值得注意的是，在本發明的其他範例中，上述四次方電路21可被替換為一M次方電路，M為大於數值一的整數。在一範例中，整數M與施於輸入信號y(t)的調變方式相關。舉例而言，若傳送端施於輸入信號y(t)的調變方式為正交相位偏移調變(QPSK)，整數M可被設計為等於四或是四的整數倍。依此類推，若傳送端施於輸入信號y(t)的調變方式為八相位偏移調變(eight phase-shift keying,8PSK)時，則整數M可被設計為等於八或是八的整數倍。惟對應於M次方電路，峰值頻率判斷電路23在理想情況下所找出的峰值頻率Ω係對應於M倍的載波頻偏△f。因此，頻偏決定電路24可根據峰值頻率Ω與數值M產生載波頻偏估測結果△f E 。
實務上，前述峰值頻率判斷電路23、頻偏決定電路24與頻譜調整電路25可利用多種控制和處理平台實現，包含固定式的和可程式化的邏輯電路，例如可程式化邏輯閘陣列、針對特定應用的積體電路、微控制器、微處理器、數位信號處理器。此外，峰值頻率判斷電路23、頻偏決定電路24與頻譜調整電路25亦可被設計為透過執行一記憶體(未繪示)中所儲存之處理器指令，來完成多種任務。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，另有多種電路組態和元件可在不背離本發明精神的情況下實現本發明的概念。
根據本發明之另一實施例為一種載波頻偏估測方法，其流程圖係繪示於圖六。首先，步驟S61為對一輸入信號施以M次方運算，以產生一M次方運算結果，其中M為大於一之整數且與施於該輸入信號之一調變方式相關。接著，步驟S62為針對該M次方運算結果產生一頻譜。步驟 S63為自該頻譜找出一局部頻率範圍內之一局部能量峰值，其中該局部頻率範圍大致為-1/2T~1/2T，T代表該輸入信號之一符號長度。步驟S64則是將該局部能量峰值調整為高於該頻譜中其他任一能量，藉此產生一調整後頻譜。隨後，步驟S65為自該調整後頻譜中找出一最高能量峰值所對應之一峰值頻率。在步驟S66中，根據該峰值頻率，一載波頻偏估測結果被決定。
本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹載波頻偏估測裝置200時描述的各種操作變化(例如局部能量峰值的調整方式)亦可應用至圖六中的載波頻偏估測方法，其細節不再贅述。
藉由以上實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims (6)

  1. 一種載波頻偏估測裝置，包含：一M次方電路，用以對一輸入信號施以M次方運算，以產生一M次方運算結果，其中M為大於一之整數且與施於該輸入信號之一調變方式相關；一頻譜產生電路，用以根據該M次方運算結果產生一頻譜；一頻譜調整電路，用以藉由將該頻譜中一局部頻率範圍內之一局部能量峰值調高以產生一調整後頻譜，其中該局部頻率範圍為-1/2T~1/2T，T代表該輸入信號之一符號長度(symbol duration)；一峰值頻率判斷電路，用以自該調整後頻譜中找出一峰值頻率，其中該峰值頻率在該調整後頻譜中具有一最高能量峰值；以及一頻偏決定電路，用以根據該峰值頻率決定一載波頻偏估測結果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之載波頻偏估測裝置，其中該頻譜調整電路包含：一搜尋電路，用以自該頻譜中找出該局部頻率範圍內之該局部能量峰值、根據該局部能量峰值找出其所對應之一局部峰值頻率，並找出與該局部峰值頻率間隔1/T之整數倍的複數個頻率對應之能量，做為複數個能量增額；一加法電路，用以將該些能量增額與該局部能量峰值相加，以產生一調整後能量；以及一調整電路，用以根據該局部峰值頻率與該調整後能量調整該頻譜，以產生該調整後頻譜，其中該局部峰值頻率於該調整後頻譜中對應於該調整後能量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之載波頻偏估測裝置，其中該頻譜調整電路包含：一搜尋電路，用以自該頻譜中找出該局部頻率範圍內之該局部能量 峰值，並根據該局部能量峰值找出其所對應之一局部峰值頻率；一加法電路，用以將一預設能量增額與該局部能量峰值相加，以產生一調整後能量；以及一調整電路，用以根據該局部峰值頻率與該調整後能量調整該頻譜，以產生該調整後頻譜，其中該局部峰值頻率於該調整後頻譜中對應於該調整後能量。
  4. 一種載波頻偏估測方法，包含：對一輸入信號施以M次方運算，以產生一M次方運算結果，其中M為大於一之整數且與施於該輸入信號之一調變方式相關；根據該M次方運算結果產生一頻譜；自該頻譜找出一局部頻率範圍內之一局部能量峰值，其中該局部頻率範圍為-1/2T~1/2T，T代表該輸入信號之一符號長度；藉由將該局部能量峰值調高，產生一調整後頻譜；自該調整後頻譜中找出一峰值頻率，其中該峰值頻率在該調整後頻譜中具有一最高能量峰值；以及根據該峰值頻率決定一載波頻偏估測結果。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之載波頻偏估測方法，其中調高該局部能量峰值以產生該調整後頻譜包含：根據該局部能量峰值找出其所對應之一局部峰值頻率；找出與該局部峰值頻率間隔1/T之整數倍的複數個頻率對應之能量，做為複數個能量增額；將該等能量增額與該局部能量峰值相加，以產生一調整後能量；以及根據該局部峰值頻率與該調整後能量調整該頻譜，以產生該調整後頻譜，其中該局部峰值頻率於該調整後頻譜中對應於該調整後能量。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之載波頻偏估測方法，其中調整該局部能量峰值以產生該調整後頻譜包含：根據該局部能量峰值找出其所對應之一局部峰值頻率；將一預設能量增額與該局部能量峰值相加，以產生一調整後能量；以及根據該局部峰值頻率與該調整後能量調整該頻譜，以產生該調整後頻譜，其中該局部峰值頻率於該調整後頻譜中對應於該調整後能量。
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