CN101414827A - 用于估算采样频偏的方法和装置,及其采样定时恢复回路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估算采样频偏的方法和装置，及其采样定时恢复回路。一种用于估算采样频偏的装置，包括波形特征提取单元、变化量计算单元和SFO(采样频偏)估算器。波形特征提取单元提取在采样数据信号的一个帧周期中的训练序列周期的波形特征，并输出相应于该训练序列周期的波形特征的波形特征值。变化量计算单元基于第m帧的波形特征值和第(m－k)帧的波形特征值计算波形特征变化量，其表示在第m帧和第(m－k)帧之间波形特征的变化量，其中m和k是相互独立的1或更大的整数。SFO估算器基于该波形特征变化量来估算该采样数据信号的SFO。

Description

用于估算采样频偏的方法和装置，及其采样定时恢复回路

相关申请的交叉引用

对申请号为10-2007-0071279，于2007年7月16日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请做出优先权声明，其公开的内容通过引用的方式全部合并于此。

技术领域

本发明一般涉及用于估算采样频偏的方法和装置，以及具有相同装置的采样定时恢复回路，更具体地，涉及用于基于各帧中的波形特征变化量来估算采样频偏的技术。

背景技术

模拟数据信号转换为数字数据信号必需进行采样操作。例如，在广播和通信系统的接收机中，通过对经由有线和/或无线信道接收的模拟数据信号进行采样而获得数字数据信号。对模拟数据信号进行采样的定时(即采样定时)对该数字数据信号的精确性有重要影响。

图1示出可以用于通过对模拟数据信号进行采样获得数字数据信号的过程。

接收到的模拟数据信号S_in经由模拟处理器110输入到采样器120。采样器120基于从振荡器130输入的采样时钟CK将模拟数据信号转换为离散数据信号。数字处理器140通过对来自采样器120的离散数据信号进行处理而输出数字数据信号D_out。

振荡器130被设计为产生具有固定频率的采样时钟CK。然而，采样时钟CK的频率可以因为振荡器130的特征或来自周围环境的影响而有稍许变化。在实际采样时钟CK和设计的采样时钟CK之间的频率差称作采样频偏，其可能是采样定时误差的来源。采样定时误差指在正确的采样定时(即，产生精确结果的采样定时)和实际采样定时之间的差。

而且，即使当采样频偏为零时，也可能发生一种情况，其中实际采样定时在相位上全部向前或向后偏移，导致采样定时误差。实际采样定时和正确采样定时之间的偏移度称为采样相移。这种采样相移至少可以部分地由包含在广播通信系统接收机中的信道均衡器进行校正。

如果在采样定时误差期间输出采样结果，那么数字数据信号D_in的准确性可能严重恶化。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于估算采样频偏的装置。该装置包括波形特征提取单元、变化量计算单元和SFO(采样频偏)估算器。波形特征提取单元在提取采样数据信号一个帧周期中训练序列周期的波形特征，并输出相应于该训练序列周期波形特征的波形特征值。变化量计算单元基于第m帧的波形特征值和第(m-k)帧的波形特征值计算波形特征变化量，其表示第m帧和第(m-k)帧之间波形特征变化量，其中m和k是相互独立的、1或更大的整数。SFO估算器基于该波形特征变化量估算该采样数据信号的SFO。

根据本发明的另一方面，提供一种采样定时恢复回路，其包括内插器、波形特征提取单元、变化量计算单元、SFO(采样频偏)估算器、回路滤波器和控制器。内插器对离散数据信号进行内插并输出采样数据信号。波形特征提取单元输出波形特征值，其相应于该采样数据信号一个帧周期中训练序列周期的波形特征。变化量计算单元基于第m帧的波形特征值和第(m-k)帧的波形特征值计算波形特征变化量，其中m和k是相互独立的、1或更大的整数。SFO估算器基于该波形特征变化量估算该采样数据信号的SFO。回路滤波器对由SFO估算器输出的采样频偏进行滤波并输出偏置信息信号。控制器输出相应于该偏置信息信号的偏置控制信号给内插器，以校正该采样数据信号的采样定时误差。

根据本发明的又一方面，提供一种估算采样频偏的方法。该方法包括：检测在采样数据信号一个帧周期中训练序列周期波形的波峰，提取相应于检测到的波峰的波形特征的波形特征值，将第(m-k)帧中的波形特征值延迟k个帧并输出经延迟的波形特征值，基于第m帧的波形特征值和第(m-k)帧的波形特征值计算波形特征变化量，以及基于该波形特征变化量估算该采样数据信号的采样频偏。该方法可以进一步包括通过将训练序列中包含的PN(伪噪声)序列与产生的本地PN序列相关来放大训练序列周期的波形的峰值。

附图说明

根据下述参考附图的详细描述，本发明的上述和其他方面和特征将变得更加清楚，其中：

图1是示出通过对模拟数据信号采样获得数字数据信号的过程的框图；

图2示出采样定时恢复回路；

图3示出根据本发明的示例实施例的采样定时恢复回路；

图4示出从图3的波形放大器输出的信号波形的示例；

图5示出采样定时误差的设定值与采样定时误差的检测值之间的关系；

图6示出根据本发明的示例实施例的通过使用用于估算采样频偏的装置获得的仿真结果。

具体实施方式

下面将描述本发明示例但非限制性的实施例。首先，不管怎样，将参考在图2中示出的采样定时恢复回路示意性地描述采样定时恢复操作。

图2的采样定时恢复回路包括采样器220、振荡器230、数据滤波器250、内插器260、检测器和估算器270、回路滤波器280和控制器290。更准确地，在图2中，内插器260、检测器和估算器270、回路滤波器280和控制器组成采样定时恢复回路。

采样器220基于从振荡器230输入的采样时钟CK将模拟数据信号转换为离散数据信号。从采样器220输出的离散数据信号经由数据滤波器250输入到内插器260。内插器260对该离散数据信号进行内插以输出采样数据信号DATA_smpl。采样数据信号DATA_smpl经过数据处理的下一个过程，并最后获得合成的数字数据信号。

当出现采样定时误差时，采样定时恢复回路用于校正采样数据信号DATA_smpl。也就是，检测器和估算器270检测来自于采样数据信号DATA_smpl的采样定时误差，并从检测到的采样定时误差中估算采样频偏。当估算结果经由回路滤波器280和控制器290反馈回内插器260时，内插器260通过调整内插器260的参数校正该采样数据信号DATA_smpl。

由于多种原因，检测器和估算器270的采样频偏的估算范围是受限的。如果实际的采样频偏超过了检测器和估算器270的可能估算范围，由于难以准确估算该采样频偏，所以难于期望可靠的采样定时恢复。从而，需要具有更宽估算范围的用于估算采样频偏的装置。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。按照本发明所属领域的惯例，这些实施例以功能框图的形式示出。容易理解，这些功能块可以是以不可编程和/或是可编程电子电路的形式物理实现的。而且，两个或多个功能块可以物理合并为更复杂的电子电路。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的采样定时恢复回路。

图3所示的采样定时恢复回路包括内插器360、用于估算采样频偏的装置370、回路滤波器380和控制器390。

用于估算采样频偏的装置370包括波形特征提取单元372、变化量计算单元375和采样频偏(SFO)估算器378。而且，如图3所示，用于估算采样频偏的装置370还可以包括波形放大器371。

内插器360对该离散数据信号进行内插以输出采样数据信号DATA_smpl。离散数据信号是通过基于采样时钟(例如见图2)对模拟数据信号进行采样而获得的。当在采样操作过程中由采样频偏导致了采样定时误差时，需要对采样数据信号DATA_smpl进行校正。

波形放大器371接收从内插器360输出的采样数据信号DATA_smpl。波形放大器371对包含在采样数据信号DATA_smpl的一个帧周期中的训练序列周期的波形进行放大，并将放大的波形输出到波形特征提取单元372。训练序列周期的波形将参考图4进行描述。

图4示出了从图3的波形放大器371输出的信号波形的一个示例。

如图4所示，采样数据信号DATA_smpl的一个帧周期Tf包括训练序列周期T_PN和数据符号周期T_DS。在正交频分复用(OFDM)系统，诸如时域同步-正交频分复用(TDS-OFDM)系统中，在邻近的数据符号之间插入训练序列以防止符号间干扰(ISI)。训练序列包括伪噪声(PN)序列。OFDM系统中的接收机被装备为基于该PN序列执行同步处理。

图3的波形放大器371放大在训练序列周期T_PN的波形中的峰值(下文中称为“PN峰值”)并输出该放大的峰值。图4示出了在训练序列周期T_PN的波形中有3个PN峰值的情况下的示例。在本实施例中，基于多个帧中PN峰值的波形特征的变化量估算采样频偏，这样通过对PN峰值进行放大而增加PN峰值的信噪比(SNR)，从而可能提高估算采样频偏的准确性。

具体地，当PN峰值的SNR小于预定的参考值时，波形放大器371放大PN峰值并将放大的PN峰值输出到波形特征提取单元372。另一方面，当PN峰值的SNR大于预定的参考值时，不必须放大该PN峰值。因此，在本实施例中，当PN峰值的SNR大于预定的参考值时，波形放大器371将未放大的PN峰值输出到波形特征提取单元372。为了放大该PN峰值，波形放大器371可以包括PN相关器。该PN相关器将包含在接收的训练序列中的伪噪声(PN)序列和由该PN相关器产生的本地PN序列相关，并输出相关后的PN序列，从而放大该PN峰值。

图3的波形特征提取单元372输出相应于训练序列周期T_PN的波形特征(例如，PN峰值的波形特征)的波形特征值Cm。图3所示的波形特征提取单元372包括峰值检测器373和特征值提取器374。

峰值检测器373检测训练序列周期T_PN的波形中的PN峰值，并输出波形特征向量Pm，用于表示所检测的PN峰值的波形特征。如图4所示，当训练序列周期T_PN的波形中有两个或更多的PN峰值时，峰值检测器373可以输出波形特征向量Pm，用于表示在该两个或更多的PN峰值中幅度最高的PN峰值的波形特征。当PN峰值的幅度增加时，PN峰值的SNR也增加。因此，从SNR高的PN峰值中提取波形特征向量Pm，以便准确估算采样频偏。本领域技术人员可用理解，当在第一帧的训练序列周期T_PN的波形中选取第三PN峰值时，不管PN峰值的幅度如何，在第二帧的训练序列周期T_PN的波形中都选取第三PN峰值。

特征值提取器374从由峰值检测器373输入的波形特征向量Pm提取波形特征值Cm。波形特征值Cm表示训练序列周期T_PN的波形中PN峰值的波形特征。也就是，波形特征值Cm包括指示PN峰值的幅度、PN峰值的位置和/或PN峰值的失真度的信息。如图3所示，可以由特征值提取器374执行的函数由等式1表示。

等式1

Cm＝f_wc(Pm)

在等式1中，函数f_wc通常代表用于表示波形特征向量Pm和波形特征值Cm之间的数学关系的各种函数中的任意一个。该实施例不限定任何特定的函数f_wc。

基于第m帧的波形特征值Cm和第(m-k)帧的波形特征值Cm-k，图3的变化量计算单元375计算波形特征变化量ΔCm，其用于表示在第m帧和第(m-k)帧之间波形特征的变化量。图3的示例所示的变化量计算单元375包括延迟器376和减法器377。

延迟器376将从波形特征提取单元372输出的第(m-k)帧的波形特征值Cm-k延迟k个帧，并将经延迟的值输出给减法器377。减法器377计算在从波形特征提取单元372输出的第m帧的波形特征值Cm和从延迟器376输出的第(m-k)帧的波形特征值Cm-k之间的差，并输出波形特征变化量ΔCm。波形特征变化量ΔCm可以由等式2表示。

等式2

ΔCm＝Cm-Cm-k

考虑估算采样频偏的准确性和复杂性(例如，计算的复杂性和硬件实现的复杂性)来确定帧的数量，输入到延迟器376的波形特征值被延迟该数量的帧。随着延迟的帧的数量k增加，估算采样频偏的准确性也增加。但是，估算采样频偏的复杂性也增加。作为非限制性的示例，延迟的帧的数量k可以设置为1或2。在延迟的帧的数量k设置为1时，如图4所示，波形特征变化量ΔCm是根据第(m-1)帧中的波形特征值Cm-1和第m帧中的波形特征值Cm之间的差来计算的。

图3的SFO估算器378基于波形特征变化量ΔCm估算采样数据信号DATA_smpl的采样频偏(SFO)。例如，SFO估算器378首先可以根据波形特征变化量ΔCm计算采样定时误差的变化量Δε。采样定时误差的变化量Δε表示第(m-k)帧和第m帧之间采样定时误差的差。采样定时误差的变化量Δε可以根据下述等式3计算。在等式3中，Kd表示采样定时恢复回路的回路增益，其将在稍后参考图5进行讨论。

等式3

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔCm}}{\mathrm{Kd}}$

接下来，在该示例中，SFO估算器根据采样定时误差的变化量Δε估算采样频偏δ。如下面的等式4所示，SFO估算器378通过以延迟帧的数量k平均化采样定时误差的变化量Δε、或者通过以延迟帧的数量k平均化波形特征变化量ΔCm来计算采样频偏δ。随着第(m-k)帧与第m帧之间的间隔增加(即随着延迟的帧的数量k增加)，采样定时误差的变化量Δε增加。因而，通过以延迟帧的数量k平均化采样定时误差的变化量Δε或波形特征变化量ΔCm来计算采样频偏δ。

等式4

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\Δ\ϵ}}{k\×\mathrm{Nf}}=\frac{\mathrm{\ΔCm}}{k\×\mathrm{Nf}\×\mathrm{Kd}}$

这里，Nf表示包括在一个帧周期中的采样数。采样数Nf根据如下的等式5计算。

等式5

$\mathrm{Nf}=\frac{\mathrm{Tf}}{\mathrm{Ts}},$

在等式5中，Tf表示一个帧周期(即帧周期)的长度，Ts表示采样周期。在四重采样处理的情况下，Nf增加4倍。

图5示出采样定时误差的设定值和采样定时误差的检测值之间的关系。

在图5中，示出了在多载波模式下运行的数字陆地电视广播(DTTB)系统的仿真结果。表1公开了具体的仿真条件。

表1

 

系统平台	DTTB的中国标准
		运行模式	多载波模式
帧结构	帧头：420帧体：3780
		采样	4重采样
Nf	16800＝4*(420+3780)
		帧延迟的数量	K＝1

图5中所示的仿真结果涉及采样定时误差的检测。也就是，当在采样器的采样操作过程中出现的采样定时误差被有意地设置为TE_setting时，TE_detected表示由在开环条件下运行的用于估算的采样频偏的装置370所检测的采样定时误差。这里，开环条件是回路滤波器380和控制器390不在采样定时恢复回路下运行的条件。换句话说，开环条件是由不将用于估算采样频偏的装置370所估算的采样频偏δ反馈回内插器360的条件。

如图5所示，关于加性高斯白噪声(AWGN)信道的仿真图基本上关于原点对称。当仿真图关于原点对称时，原点是零交叉点。然而，数字电视陆地广播(DVB-T)F1信道的仿真图关于原点不对称。当仿真图不是关于原点对称时，原点不是零交叉点。

另一方面，在TE_setting＝0的点的仿真图的斜率表示等式3中的回路增益Kd。在图5中，AWGN信道的情况下，在TE_setting＝0的点的仿真图的斜率大约为1.2。在DVB-T F1信道的情况下，在TE_setting＝0的点的仿真图的斜率大约也是1.2。因此，可能用实验方法获得等式3中的回路增益Kd。

图3中的回路滤波器380通过对从SFO估算器378输出的采样频偏δ进行回路滤波而输出偏移信息信号S_δ。为了校正采样数据信号DATA_smpl的采样定时误差，控制器向内插器360输出相应于偏移信息信号S_δ的偏移控制信号Ctrl。内插器360输出采样数据信号DATA_smpl，其采样定时误差通过相应于该偏置控制信号Ctrl调整内插器360的参数来校正。

当由用于估算采样频偏的装置370、回路滤波器380、控制器390和内插器360执行采样定时恢复操作时，可能输出已校正的采样定时误差的采样数据信号DATA_smpl。

图6示出了根据本发明具体实施例的通过应用用于估算采样频偏的装置获得的仿真结果。

图6所示的用于估算采样频偏的仿真结果涉及这样的情况，其中在采样器的采样操作过程中出现的采样频偏被有意地设置为百万分之(ppm)100。在图6中，横轴表示符号的索引，纵轴表示从用于估算采样频偏的装置(例如图3中的370)输出的采样频偏的估算值SFO_estimated。图6中所示的采样频偏的估算值SFO_estimated由操作在闭环条件下、用于估算采样频偏的装置370输出。在闭环条件下，由于采样定时恢复回路完全运行，所以由用于估算采样频偏的装置370估算的采样频偏δ经由回路滤波器380和控制器390反馈回内插器360。在图6中，示出了SNR为0dB的AWGN信道的仿真结果和SNR为5dB的DVB-T F1信道的仿真结果。

如图6所示，AWGN信道的仿真结果基本上与DVB-T F1信道的仿真结果匹配。在图6所示的仿真结果中，采样频偏的估算值SFO_estimated在20个符号后达到100ppm。如果从第0个符号到第20个符号的时期是跟踪时期，那么第20个符号之后的时期是状态锁定时期。在跟踪时期，通过重复反馈回路而减少估算采样频偏的误差。在状态锁定时期，采样频偏的估算值SFO_estimated基本上固定。

根据传统技术可以由用于估算采样频偏的装置估算的采样频偏的范围达到大约30ppm，而根据本发明实施例的用于估算采样频偏的装置可以估算等于或大于100ppm的采样频偏。

如上所述，根据本发明的具体实施例的用于估算采样频偏的装置基于多个帧中PN峰值的波形特征的变化量来估算采样频偏。因为采样频偏的估算范围相对较宽，所以提高了用于估算采样频偏的装置的性能。

根据示例性实施例的用于估算采样频偏的装置可以应用到包括TDS-OFDM系统及各种广播和通信系统的多种不同的系统中。

在根据本发明具体实施例的估算采样频偏的方法中，检测在采样数据信号DATA_smpl的一个帧周期中训练序列周期T_PN的波形的峰值。在检测该峰值之前，训练序列周期T_PN的波形的峰值可以通过将包含在训练序列中的PN序列和由PN相关器产生的本地PN序列相关来进行放大。其次，提取相应于被检测峰值的波形特征的波形特征值Cm。

在第(m-k)帧中的波形特征值Cm-k被延迟k个帧并输出。基于在第m帧的波形特征值Cm和第(m-k)帧的波形特征值Cm-k计算波形特征变化量ΔCm。基于计算的波形特征变化量ΔCm估算采样数据信号DATA_smpl的采样频偏。

在所述用于估算采样频偏的方法和装置中，能够准确估算具有更宽估算范围的采样频偏。而且，在所述采样定时恢复回路中，即使在出现具有宽范围的采样频偏时，也能够稳定地执行采样定时恢复操作。

尽管参考具体实施例具体示出并描述了本发明，本领域技术人员将可以理解，可以不脱离由所附权利要求书定义的本发明的精神和范围之内在形式和细节上进行各种变化。具体实施例应当被看作仅是描述性的而不是限制性的。因此，本发明的范围不是由本发明的详细描述定义的，而是由所附权利要求书定义，所有在该范围内的变体都认为包括在本发明之内。

Claims (22)

1、一种用于估算采样频偏的装置，所述装置包括：

波形特征提取单元，提取在采样数据信号的一个帧周期中的训练序列周期的波形特征，并输出相应于所述训练序列周期的波形特征的波形特征值；

变化量计算单元，基于第m帧的波形特征值和第(m-k)帧的波形特征值计算波形特征变化量，其表示在第m帧和第(m-k)帧之间的波形特征中的变化量，其中m和k为相互独立的、1或更大的整数；和

SFO(采样频偏)估算器，基于所述波形特征变化量估算所述采样数据信号的SFO。

2、权利要求1的装置，其中所述训练序列包括PN(伪噪声)序列。

3、权利要求2的装置，其中所述采样数据信号的一个帧周期包括所述训练序列周期和数据符号周期，和

其中将所述PN序列插入到相邻数据符号之间以防止ISI(符号间干扰)。

4、权利要求1的装置，其中所述波形特征值表示在所述训练序列周期的波形中的峰值的波形特征。

5、权利要求4的装置，其中所述峰值的所述波形特征包括表示所述峰值的幅度、所述峰值的位置和所述峰值的失真度中至少一个的信息。

6、权利要求1的装置，还包括波形放大器，其放大所述训练序列周期的波形并将放大的波形输出到所述波形特征提取单元。

7、权利要求6的装置，其中当所述训练序列周期的波形中的峰值的SNR(信噪比)大于参考值时，所述波形放大器输出所述训练序列周期的波形而不对其进行放大，和

其中当所述训练序列周期的波形中的峰值的SNR小于参考值时，所述波形放大器放大所述训练序列周期的波形并输出经放大的波形。

8、权利要求6的装置，其中所述波形放大器包含PN相关器，其将包括在所述训练序列内的PN(伪噪声)序列和由所述PN相关器产生的本地PN序列相关，并输出相关结果。

9、权利要求1的装置，其中所述波形特征提取单元包括：

峰值检测器，其检测所述训练序列周期的波形中的峰值，并输出用于表示所检测的峰值的波形特征的波形特征向量；和

特征值提取器，其从所述波形特征向量中提取所述波形特征值。

10、权利要求9的装置，其中当在所述训练序列周期的波形中有两个或更多的峰值时，所述峰值检测器输出波形特征向量，其用于表示在所述两个或更多的峰值中具有最高幅度的峰值的波形特征。

11、权利要求1的装置，其中所述变化量计算单元包括：

延迟器，其将第(m-k)帧中的波形特征值延迟k个帧，并输出经延迟的波形特征值；和

减法器，其计算从所述波形特征提取单元输出的第m帧中的波形特征值与从所述延迟器输出的第(m-k)帧中的波形特征值之间的差，并输出波形特征变化量。

12、权利要求1的装置，其中k是1或2。

13、权利要求1的装置，其中所述SFO估算器通过用k平均化所述波形特征变化量来计算所述采样频偏。

14、一种采样定时恢复回路，包括：

内插器，其内差离散数据信号并输出采样数据信号；

波形特征提取单元，其输出相应于在所述采样数据信号的一个帧周期中的训练序列周期的波形特征的波形特征值；

变化量计算单元，其基于第m帧的波形特征值和第(m-k)帧的波形特征值计算波形特征变化量，其中m和k是相互独立的、1或更大的整数；

SFO(采样频偏)估算器，其基于所述波形特征变化量估算所述采样数据信号的SFO；

回路滤波器，其对从所述SFO估算器输出的采样频偏进行滤波，并输出偏置信息信号；和

控制器，其向所述内插器输出相应于所述偏置信息信号的偏置控制信号，以便校正所述采样数据信号的采样定时误差。

15、权利要求14的采样定时恢复回路，其中所述内插器输出所述采样数据信号，其采样定时误差通过相应于所述偏置控制信号调整所述内插器的参数而进行校正。

16、权利要求14的采样定时恢复回路，其中所述离散数据信号是通过基于采样时钟对模拟数据信号进行采样而获得的。

17、权利要求14的采样定时恢复回路，其中所述波形特征值表示所述训练序列周期的波形中峰值的波形特征。

18、权利要求14的采样定时恢复回路，还包括波形放大器，其放大所述训练序列周期的波形中的峰值，并将放大的波形输出到所述波形特征提取单元。

19、权利要求18的采样定时恢复回路，其中所述波形放大器包括PN相关器，其将包括在所述训练序列内的PN(伪噪声)序列和由所述PN相关器产生的本地PN序列相关，并输出相关结果。

20、权利要求14的采样定时恢复回路，其中所述波形特征提取单元包括：

峰值检测器，其检测所述训练序列周期的波形中的峰值，并输出表示所检测的峰值的波形特征的波形特征向量；和

特征值提取器，其从所述波形特征向量中提取波形特征值。

21、权利要求14的采样定时恢复回路，其中所述变化量计算单元包括：

延迟器，其将第(m-k)帧中的波形特征值延迟k个帧，并输出经延迟的波形特征值；和

减法器，其计算从所述波形特征提取单元输出的第m帧中的波形特征值与从所述延迟器输出的第(m-k)帧中的波形特征值之间的差，并输出波形特征变化量。

22、权利要求14的采样定时恢复回路，其中所述采样定时恢复回路包含在TDS-OFDM(时域同步-正交频分复用)系统中。

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