CN101431626B - 估计频率偏移的方法及其相关频率偏移估计电路 - Google Patents

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Abstract

一种估计频率偏移的方法及其相关频率偏移估计电路，该估计频率偏移方法包含根据一频率平移方向将一目标信号由第一特定频带平移至第二特定频带，以产生预先偏移信号；对该预先偏移信号执行一特定滤波操作以产生一滤波后预先偏移信号；根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号；以及对该基频信号执行一频率偏移估计。该目标信号符合一特定电视标准，且该特定电视标准为先进电视系统委员会标准或地面/行动数字多媒体广播标准。

Description

估计频率偏移的方法及其相关频率偏移估计电路
技术领域
本发明涉及频率偏移估计，尤其涉及一种在执行特定滤波操作前，根据一频率移动方向将一目标信号由第一特定频带平移至第二特定频带，之后再将滤波后的信号平移至基频频带的频率偏移估计方法及其相关频率偏移估计电路。
背景技术
随着数字时代的来临，电视广播已逐渐由传统的模拟系统转换成数字系统，而数字视频广播系统(digital video broadcasting system)能够克服目前模拟视频广播系统因为地形因素所造成的低劣接收品质以及微弱信号等问题，且能够提供更高品质的电视节目。现有的数字电视广播标准包含美国的先进电视系统委员会标准(advanced television system committee，ATSC)、欧洲的数字视频地面广播标准(Digital VideoBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)以及日本的地面整合式数字广播服务(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)等标准。
请参考图1，图1为已知ATSC电视信号的频谱图。在ATSC标准中，如同NTSC标准，一个频道(channel)需要占用6MHz的频带，如图1所示，ATSC电视信号100位于一中频(intermediate frequency，IF)频带，其中心频率位于6MHz处，且占据频宽为6MHz，ATSC电视信号100另具有一引导(pilot)信号112位于3.31MHz处，此外，ATSC电视信号100的信号特性为频率高于引导信号112的信号强度较频率低于引导信号112的信号强度来的大，如此一来，由频率高于引导信号112的信号所引起的干扰会远大于由频率低于引导信号112的信号所引起的干扰。
请参考图2，图2A与图2B是显示先前技术中将一第一ATSC电视信号210由一中频频带转换至一基频频带的频谱图。在图2A中，第一ATSC电视信号210位于该中频频带且具有一第一频率偏移值Δf，且第一频率偏移值Δf于频率轴上为一正值(亦即Δf＞0)，因此，第一ATSC电视信号210的中心频率位于(6+Δf)MHz处，且第一ATSC电视信号210的引导信号212位于(3.31+Δf)MHz处。接着，将第一ATSC电视信号210从该中频频带平移至该基频频带，如同图2B所示。在图2B中，第一ATSC电视信号210位于该基频频带，且由于第一频率偏移值Δf为一正值，则引导信号212位于Δf MHz处。在移动频率之后，利用一滤波器230对第一ATSC电视信号210进行滤波，而图2B中的斜线区域240则表示经过滤波之后会对引导信号212造成干扰的信号。
请参考图3，图3A与图3B是显示先前技术中将一第二ATSC电视信号310由一中频频带转换至一基频频带的频谱图。在图3A中，第二ATSC电视信号310位于该中频频带且具有一第二频率偏移值(-Δf)，且第二频率偏移值(-Δf)于频率轴上为一负值(亦即(-Δf)＜0)，因此，第二ATSC电视信号310的中心频率位于(6-Δf)MHz处，且第二ATSC电视信号310的引导信号312位于(3.31-Δf)MHz处。接着，将第二ATSC电视信号310从该中频频带平移至该基频频带，在图3B中，第二ATSC电视信号310位于该基频频带，且由于第二频率偏移值(-Δf)为一负值，则引导信号312位于(-Δf)MHz处。在移动频率之后，利用同一滤波器230对第二ATSC电视信号310进行滤波，而图3B中的斜线区域340则表示经过滤波之后会对引导信号312造成干扰的信号。
比较图2与图3可以得知，图2B所示的斜线区域240的面积小于图3B所示的斜线区域340的面积，如此一来，由于ATSC电视信号的解调器对于正的频率偏移值的容忍度比负的频率偏移值的容忍度来得高，假如负的频率偏移值大于一特定值(例如100KHz)时，便很容易造成频率偏移估计错误以及信号同步失败，因此，针对负的频率飘移估计仍有待改进。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提出一种估计频率偏移的方法及其相关频率偏移估计电路，以解决上述的问题。
本发明公开一种估计频率偏移的方法，该方法包含：根据一频率平移方向将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号，其中该目标信号符合一特定电视标准；对该预先偏移信号执行一特定滤波操作以产生一滤波后预先偏移信号；根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号；以及对该基频信号执行一频率偏移估计。其中，该频率平移方向为将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向，因此，该第一特定频带的中心频率大于该第二特定频带的中心频率，且该第二特定频带的中心频率大于该基频频带的中心频率。
在一实施例中，该特定电视标准为一先进电视系统委员会标准(ATSC)。
在一实施例中，该特定电视标准为一地面/行动数字多媒体广播标准(DMB-T/H)。
本发明另公开一种估计频率偏移的方法，该方法包含：根据一频率平移方向将一中频信号由一中频频带移至一特定频带以产生一预先偏移信号；对该预先偏移信号执行一特定滤波操作以产生一滤波后预先偏移信号；根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该特定频带移动至一基频频带以产生一基频信号；以及对该基频信号执行一频率偏移估计。其中，该频率平移方向为将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向，因此，该中频频带的中心频率大于该特定频带的中心频率，且该特定频带的中心频率大于该基频频带的中心频率。
本发明另公开一种频率偏移估计电路，其包含一频率平移器、一滤波器以及一频率偏移估计模块。该频率平移器用来根据一频率平移方向，将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号，以及根据该频率平移方向，将一滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号，其中该目标信号符合一特定电视标准。该滤波器用来对该预先偏移信号执行一特定滤波操作，以产生该滤波后预先偏移信号。该频率偏移估计模块耦接于该频率平移器，用来对该基频信号执行一频率偏移估计。
附图说明
图1为已知ATSC电视信号的频谱图。
图2(包含有图2A与图2B)为先前技术中将一第一ATSC电视信号由一中频频带转换至一基频频带的频谱图。
图3(包含有图3A与图3B)为先前技术中将一第二ATSC电视信号由一中频频带转换至一基频频带的频谱图。
图4为说明本发明估计频率偏移的方法的一实施例的流程图。
图5(包含有图5A、图5B与图5C)为本发明将一第一目标信号由一中频频带转换至一基频频带的第一实施例的频谱图。
图6(包含有图6A、图6B与图6C)为本发明将一第二目标信号由一中频频带转换至一基频频带的第二实施例的频谱图。
图7为本发明频率偏移估计电路的一实施例的方块图。
图8为图7所示的频率偏移估计模块的一范例的示意图。
【主要元件符号说明】
110    ATSC电视信号
210    第一ATSC电视信号
310    第二ATSC电视信号
112、212、312、512、
522、562、612、622、662  引导信号
230、530、720            滤波器
240、340、540、640       斜线区域
Δf     第一频率偏移值
-Δf    第二频率偏移值
402～412步骤
510     第一目标信号
520     第一预先偏移信号
fp      预先偏移频率
550     第一滤波后预先偏移信号
560     第一基频信号
610     第二目标信号
620     第二预先偏移信号
650     第二滤波后预先偏移信号
660     第二基频信号
700     频率偏移估计电路
710     频率平移器
730     频率偏移估计模块
810  第一混波器
820  第二混波器
850  第三混波器
890  第四混波器
830  自动频率控制器
840  限制器
860  自动相位控制器
870  数字控制震荡器
880  相位移位器
S(t) 信号
I(t) 实部信号
Q(t) 虚部信号
具体实施方式
在说明书及所附的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及所附的权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，如果文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参考图4，图4为说明本发明估计频率偏移的方法的一实施例的流程图，其包含(但不局限于)以下的步骤：
步骤402：流程开始。
步骤404：根据一频率平移方向，将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号，其中该目标信号符合一特定电视标准。
步骤406：对该预先偏移信号执行一特定滤波操作，以产生一滤波后预先偏移信号。
步骤408：根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号。
步骤410：对该基频信号执行一频率偏移估计。
步骤412：流程结束。
请参考图5，图5A、图5B与图5C是显示本发明将一第一目标信号510由一中频频带转换至一基频频带的第一实施例的频谱图。在本实施例中，第一目标信号510符合一先进电视系统委员会标准(advanced televisionsystem committee，ATSC)。在图5A中，第一目标信号510位于该中频频带且具有一第一频率偏移值Δf，且第一频率偏移值Δf于频率轴上为一正值(亦即Δf＞0)，因此，第一目标信号510的中心频率位于(6+Δf)MHz处，且第一目标信号510的引导信号512位于(3.31+Δf)MHz处。接着，将第一目标信号510由一第一特定频带(即该中频频带)平移至一第二特定频带以产生一第一预先偏移信号520，如图5B所示，第一预先偏移信号520的一引导信号522位于(fp+Δf)MHz处，其中fp代表一预先偏移频率且为一正值。在经过第一次频率移动之后，利用一滤波器530对第一预先偏移信号520进行滤波以产生一第一滤波后预先偏移信号550，而图5B中的斜线区域540则表示经过滤波之后会对引导信号522造成干扰的信号。最后，将第一滤波后预先偏移信号550由一第二特定频带平移至该基频频带以产生一第一基频信号560，请注意，本实施例中的频率平移方向是指将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向。在图5C中，第一基频信号560的引导信号562位于Δf MHz处。换句话说，首先将第一目标信号510由该中频频带平移至该第二特定频带(亦即将该引导信号由(3.31+Δf)MHz移动至(fp+Δf)MHz)，接着利用滤波器530进行滤波，最后再从该第二特定频带平移至该基频频带(亦即将该引导信号由(fp+Δf)MHz移动至Δf MHz)。
请参考图6，图6A、图6B与图6C是显示本发明将一第二目标信号610由一中频频带转换至一基频频带的第二实施例的频谱图。在本实施例中，第二目标信号610符合一先进电视系统委员会标准(ATSC)。在图6A中，第二目标信号610位于该中频频带且具有一第二频率偏移值(-Δf)，且第二频率偏移值(-Δf)于频率轴上为一负值(亦即(-Δf)＜0)，因此，第二目标信号610的中心频率位于(6-Δf)MHz处，且第二目标信号610的引导信号612位于(3.31-Δf)MHz处。接着，将第二目标信号610由一第一特定频带(即该中频频带)平移至一第二特定频带以产生一第二预先偏移信号620，如图6B所示，第二预先偏移信号620的一引导信号622位于(fp-Δf)MHz处，其中fp代表一预先偏移频率且为一正值。在经过第一次频率移动之后，利用同一滤波器530对第二预先偏移信号620进行滤波以产生一第二滤波后预先偏移信号650，而图6B中的斜线区域640则表示经过滤波之后会对引导信号622造成干扰的信号。最后，将第二滤波后预先偏移信号650由该第二特定频带平移至该基频频带以产生一第二基频信号660，请注意，本实施例中的频率平移方向是指将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向。在图6C中，第二基频信号660的引导信号662位于(-Δf)MHz处。换句话说，首先将第二目标信号610由该中频频带平移至该第二特定频带(亦即将该引导信号由(3.31-Δf)MHz移动至(fp-Δf)MHz)，接着利用滤波器530进行滤波，最后再从该第二特定频带平移至该基频频带(亦即将该引导信号由(fp-Δf)MHz移动至(-Δf)MHz)。
请注意，在傅立叶分析(Fourier analysis)中，负频率仅具有数学意义而不具有任何的物理意义，事实上，正频率与负频率的概念可简单视为一轮子以一方向或者另一方向转动，而频率的数值则表示转动的速率以及方向，通常正频率表示逆时针方向，而负频率则表示顺时针方向。
在下列的叙述中，将配合图4所示的各步骤以及图5、图6所示的各频谱图来做进一步说明。
在步骤404中，根据一频率平移方向，将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号，举例而言，将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率，假如该目标信号具有正的频率偏移值(例如第一频率偏移值Δf)，请参照图5中的图5A与图5B；假如该目标信号具有负的频率偏移值(例如第二频率偏移值(-Δf))，请参考图6中的图6A与图6B。在步骤406中，对该预先偏移信号执行一特定滤波操作以产生一滤波后预先偏移信号(例如图5B与图6B所示的滤波器530)，接着根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至该基频频带以产生一基频信号(步骤408)，此步骤可参考图5C与图6C。在步骤410中，对该基频信号执行一频率偏移估计，关于此步骤将于后面的实施例再做更详细的说明。
请继续参考图5与图6，并一并参考图2与图3。在图2与图3中，图2B所示的斜线区域240远小于图3B所示的斜线区域340，这是因为第二频率偏移值(-Δf)使得引导信号312落入频率轴的负值，因此，滤波后的信号会严重受到比引导信号频率高的信号干扰。而另一方面，图5B所示的斜线区域540与图6B所示的斜线区域640大小差不多，这是因为预先偏移频率fp使得引导信号622落入频率轴的正值(或者一极小的负值)，因此，滤波后的信号并不会严重受到比引导信号频率高的信号干扰。
请注意，在上述的范例实施例中，第一目标信号510以及第二目标信号610均符合先进电视系统委员会标准(ATSC)，然而这并非本发明的限制条件，其亦可符合一地面/行动数字多媒体广播标准(DMB-T/H)或者其他的数字广播标准。
在一实施例中，预先偏移频率fp大致上等于300KHz，此为针对先进电视系统委员会标准(ATSC)的最佳数值，在这个例子当中，假使在将该目标信号的引导信号平移至该基频频带之前，先将该目标信号的引导信号从该中频频带平移至预先偏移频率fp(300KHz)处，其频率偏移估计范围(Δf/-Δf)可以扩大为-400KHz～400KHz；假使直接将该目标信号的引导信号从该中频频带平移至该基频频带，其频率偏移估计范围只有-100KHz～700KHz。因此，通过本发明所公开的频率偏移估计方法，可以提升负的频率偏移估计范围，然而，预先偏移频率fp并不局限于300KHz，可依据电路设计者的需求来调整。
此外，图5与图6所示的滤波器530应与图2与图3所示的滤波器230完全相同，而滤波器530以及滤波器230皆具有一截止频率(cut-offfrequency)，用来过滤频率大于该截止频率的信号成份。滤波器530以及滤波器230可为一低通滤波器(low-pass filter)或者一带通滤波器(band-passfilter)或者两者的结合，但本发明并不局限于此，假使可以达到过滤掉不想要的信号成份的相同目的，亦可为其他种类的滤波器。
请参考图7，图7为本发明频率偏移估计电路700的一实施例的方块图。频率偏移估计电路700包含(但不局限于)一频率平移器710、一滤波器720以及一频率偏移估计模块730，其中滤波器720耦接于频率平移器710，且频率偏移估计模块730亦耦接于频率平移器710。
在下列的叙述中，将搭配图4所示的各步骤以及图7所示的各元件来说明每一元件如何运作。首先，频率平移器710根据一频率平移方向，将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号(步骤404)；接着，滤波器720对该预先偏移信号执行一特定滤波操作以产生一滤波后预先偏移信号(步骤406)；然后，频率平移器710在根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号(步骤408)；最后，频率偏移估计模块730对该基频信号执行一频率偏移估计(步骤410)。
请注意，上述的频率平移器710可包含两频率平移单元，其中一个频率平移单元用来将该目标信号由该第一特定频带平移至该第二特定频带，而另一个频率平移单元则用来该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至该基频频带。此外，滤波器720可为一低通滤波器，例如图5所示的滤波器530，但并不局限于此，亦可为其他种类的滤波器。在一实施例中，频率偏移估计模块730可由一数字频率与相位闭锁回路(digital frequencyand phase locked loop，DFPLL)来实施，然而本领域技术人员应可了解，此亦非本发明的限制条件。
请参考图8，图8为图7所示的频率偏移估计模块730的一范例的示意图。在本实施例中，频率偏移估计模块730由一数字频率与相位闭锁回路架构来加以实施。频率偏移估计模块730包含一第一混波器810、一第二混波器820、一第三混波器850、一第四混波器890、一自动频率控制器(automatic frequency controller，AFC)830、一限制器(limiter)840、一自动相位控制器(APC)860、一数字控制震荡器(numerically-controlledoscillator，NCO)870以及一相位移位器880，其中自动频率控制器830用来将信号频率维持在一想要的频率，限制器840用来将信号限制于一设定值以下，自动相位控制器860则用来将信号相位维持在一想要的相位，而数字控制震荡器870为一数字式压控震荡器，其震荡频率随着所提供的直流电压(DC voltage)而改变，此外，相位移位器880用来改变信号的相位，例如90度。在图8中，首先将一信号S(t)分成一实部信号I(t)以及一虚部信号Q(t)，接着利用自动频率控制器830将实部信号I(t)的频率维持在想要的频率，并利用自动相位控制器860将虚部信号Q(t)的相位维持在想要的相位，最后，信号S(t)的频率偏移可经由整个频率偏移估计模块730而得知。
以上所述的实施例仅用来说明本发明的技术特征，并非用来局限本发明的范围。上述的第一目标信号510以及第二目标信号610可符合先进电视系统委员会标准(ATSC)，然而这并非本发明的限制条件，其亦可符合一地面/行动数字多媒体广播标准(DMB-T/H)或者其他的数字广播标准。请注意，预先偏移频率fp并不局限于300KHz，可依据实际需求而调整，此外，图5与图6所示的滤波器530应与图2与图3所示的滤波器230完全相同，滤波器530以及滤波器230可为一低通滤波器(low-pass filter)或者一带通滤波器(band-pass filter)或者两者的结合，但并不局限于此，亦可为其他种类的滤波器。在一实施例中，频率偏移估计模块730可由一数字频率与相位闭锁回路来实施，然而本领域技术人员应可了解，此亦非本发明的限制条件。
由上可知，本发明提供一种估计频率偏移的方法及其相关频率偏移估计电路。由于ATSC电视信号的信号特性为频率高于引导信号的信号强度较频率低于引导信号的信号强度来的大，因此，由频率高于引导信号的信号所引起的干扰会远大于由频率低于引导信号的信号所引起的干扰，通过在将该目标信号的引导信号平移至该基频频带之前，先将该目标信号的引导信号从该中频频带平移至预先偏移频率fp(例如300KHz)处，便可以扩大负的频率偏移估计范围(-Δf)，这是因为预先偏移频率fp是一个正值且可以使得引导信号落入频率轴的正值或者一极小的负值(fp-Δf)，如此一来，滤波后的信号并不会严重受到比引导信号频率高的信号干扰，也不会发生造成频率偏移估计错误以及信号同步失败等问题，特别是针对负的频率偏移估计。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种估计频率偏移的方法，包含有：
根据一频率平移方向，将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号，其中该目标信号符合一特定电视标准；
对该预先偏移信号执行一特定滤波操作，以产生一滤波后预先偏移信号；
根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号；以及
对该基频信号执行一频率偏移估计，
其中该频率平移方向为将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向；该第一特定频带的中心频率大于该第二特定频带的中心频率；以及该第二特定频带的中心频率大于该基频频带的中心频率，
其中该特定滤波操作包含过滤频率大于一截止频率的信号成份；该目标信号包含符合先进电视系统委员会标准ATSC的一引导信号；以及位于该预先偏移信号中的该引导信号的频率小于该截止频率。
2.如权利要求1所述的方法，其中该特定滤波操作执行一低通滤波或者一带通滤波。
3.如权利要求1所述的方法，其中位于该预先偏移信号中的该引导信号的频率大致上等于300KHz。
4.如权利要求1所述的方法，其中该特定电视标准为一先进电视系统委员会标准ATSC。
5.一种估计频率偏移的方法，包含有：
根据一频率平移方向，将一中频信号由一中频频带平移至一特定频带以产生一预先偏移信号；
对该预先偏移信号执行一特定滤波操作，以产生一滤波后预先偏移信号；
根据该频率平移方向，将该滤波后预先偏移信号由该特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号；以及
对该基频信号执行一频率偏移估计，
其中该频率平移方向为将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向；该中频频带的中心频率大于该特定频带的中心频率；以及该特定频带的中心频率大于该基频频带的中心频率，
其中该特定滤波操作包含过滤频率大于一截止频率的信号成份；该中频信号包含符合先进电视系统委员会标准ATSC的一引导信号；以及位于该预先偏移信号中的该引导信号的频率小于该截止频率。
6.如权利要求5所述的方法，其中该特定滤波操作执行一低通滤波或者一带通滤波。
7.一种频率偏移估计电路，包含有：
一频率平移器，用来根据一频率平移方向，将一目标信号由一第一特定频带平移至一第二特定频带以产生一预先偏移信号，以及根据该频率平移方向，将一滤波后预先偏移信号由该第二特定频带平移至一基频频带以产生一基频信号，其中该目标信号符合一特定电视标准；
一滤波器，耦接于该频率平移器，用来对该预先偏移信号执行一特定滤波操作，以产生该滤波后预先偏移信号；以及
一频率偏移估计模块，耦接于该频率平移器，用来对该基频信号执行一频率偏移估计，
其中该频率平移方向为将信号由频率轴上的较高频率移动至较低频率的方向；该第一特定频带的中心频率大于该第二特定频带的中心频率；以及该第二特定频带的中心频率大于该基频频带的中心频率，
其中该滤波器用来过滤频率大于一截止频率的信号成份；该目标信号包含符合先进电视系统委员会标准ATSC的一引导信号；以及位于该预先偏移信号中的该引导信号的频率小于该截止频率。
8.如权利要求7所述的频率偏移估计电路，其中该滤波器为一低通滤波器或者一带通滤波器。
9.如权利要求7所述的频率偏移估计电路，其中位于该预先偏移信号中的该引导信号的频率大致上等于300KHz。
10.如权利要求7所述的频率偏移估计电路，其中该频率偏移估计模块包含一数字频率与相位闭锁回路。
11.如权利要求7所述的频率偏移估计电路，其中该特定电视标准为一先进电视系统委员会标准ATSC。
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