CN101998028B - 载波追踪系统与其方法 - Google Patents

Abstract

一种载波追踪系统与其方法，用以在一预定频率范围内追踪一音调(载波)。该载波追踪系统包含有一降频器、一波形产生器、一坐标转换器、一控制电路。该降频器混合一输入信号、一正弦信号与一余弦信号来产生一笛卡尔坐标信号。该波形产生器基于一频率偏压信号来产生该正弦信号与该余弦信号。该坐标转换器将该笛卡尔坐标信号转换为具有一向量强度信号与一相位信号的一极坐标信号。该控制电路则基于该向量强度信号与一估计频率偏移值，选出一候选频率，并产生该频率偏压信号，其中该估计频率偏移值基于该相位信号产生且对应于该候选频率。

Description

载波追踪系统与其方法

技术领域

本发明涉及在一频率范围内追踪一音调信号的机制，尤其涉及一种用以在一预定频率范围内追踪具有最大功率的一音调信号的载波追踪系统及其相关方法。

背景技术

在传统模拟电视广播系统(如：NTSC、PAL或是SECAM)或是数字电视广播系统(如：ATSC、DVB-T或是SVB-TH)当中，图像与声音的基频(baseband)信号会先依据各自对应的调制机制(如：AM、FM、QPSK或是OFDM)与频宽，经过转换而成为调制后的中频(intermediate frequency，IF)信号，之后，这些调制后的中频信号再依据各自对应的规格经过滤波、升频以及放大等处理后而成为调制后的射频(radio frequency，RF)信号，最后，这些调制后的射频信号再经过天线耦合到空气中或是被引导至同轴传输线上。

举例来说，在一个NTSC系统中，一个图像基频信号首先会在4.2MHz经过低通滤波，接着再通过振幅调制(Amplitude Modulate，AM)而成为位于42.75MHz的一中频信号，并经过一残边带(Vestigial SideBand，VSB)塑形滤波器来滤波；此外，一个声音基频信号会先经过电视多声道(Multi-channel Television Sound，MTS)系统编码，在100kHz处经过低通滤波，接着再经过调制而成为位于41.25MHz的另一中频信号。于是这两个图像与声音的调制后中频信号便会混合在一起，经过一中心频率为44MHz且频宽为6MHz的带通滤波器的滤波，接着再经过升频并放大而产生一射频信号。

该射频信号经过天线耦合到空气中或是被引导至同轴传输线上，再传送到接收端的一电视调谐器(TV tuner)加以处理。由于这些已接收的射频信号为宽频信号(如：50MHz～1GHz)，该电视调谐器便以一特定射频频率来处理解调这些已接收的射频信号来恢复成其所原先承载的原始图像与声音信号。一般来说，为了促进与该接收端之间的载波同步，射频信号会使用一个具有一预定频宽且相对高功率的类音调(tone-like)信号，例如NTSC系统中的一个图像载波。然而，为了避开带有许多干扰源的频带，每个频道的频率有时须刻意地调整(通常是位移1～2MHz)以得到一较佳的收发效果。而该接收端往往未能事先得知这些频率上的调整，因此在频道扫描(sweeping or scanning)或频道转换时，该接收端需要迅速且正确地与该重新调整后的频道频率同步。于是，一个精确且快速的载波同步机制为必要的。

此外，在某些需要作型样验证(pattern identification)的应用当中，例如：音频处理以及图像辨识，这些应用皆需要在一输入的宽频信号里搜寻出一个具有相对高功率的特定信号，于是，一个精确且快速的搜寻同步机制为必要的。

在先前的技术领域里，锁相回路(phase locked loop，PLL)经常被用来在一特定频率范围内搜寻并同步化一个具有相对高功率的载波或是类音调信号，然而，已知的锁相回路却因为有着较长的稳定时间(settling time)或本身搜寻同步能力不足，故往往无法满足上述的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种在一预定频率范围内迅速且准确地搜寻具有最大功率的一类音调信号(或载波)的载波追踪系统及其相关方法。

依据本发明的一实施例，其提供了一种用以在一频率范围内追踪具有最大功率的一音调信号(或载波)的载波追踪系统。该载波追踪系统包含有一降频器、一波形产生器、一坐标转换器以及一控制电路。该降频器混合一输入信号、一正弦信号与一余弦信号来产生一笛卡尔坐标信号。该波形产生器则基于一频率偏压信号来产生该正弦信号与该余弦信号。该坐标转换器将该笛卡尔坐标信号转换为具有一向量强度信号与一相位信号的一极坐标信号。该控制电路以基于该向量强度信号与一估计频率偏移值，在一预定频率范围内选出一候选频率，并基于该候选信号、该估计频率偏移值以及由该相位信号所决定的一回路误差来产生该频率偏压信号，其中该估计频率偏移值基于该相位信号产生且对应于该候选频率。

依据本发明的另一实施例，其提供了一种在一预定频率范围内追踪一类音调信号或是载波的方法。该方法包含有：混合一输入信号、一正弦信号与一余弦信号来产生一笛卡尔坐标信号；基于一频率偏压信号来产生该正弦信号与该余弦信号；将该笛卡尔坐标信号转换为具有一向量强度信号与一相位信号的一极坐标信号；基于该向量强度信号与一估计频率偏移值，在一预定频率范围内选出一候选频率，并基于该候选信号、该估计频率偏移值以及由该相位信号所决定的一回路误差来产生该频率偏压信号，其中该估计频率偏移值基于该相位信号产生且对应于该候选频率。

附图说明

图1为依据本发明的一实施例在一预定频率范围内追踪具有最大功率的类音调信号的载波追踪系统的方块图。

图2为依据本发明的一实施例的控制电路的运作流程图。

图3为依据本发明的一实施例的频率辨别器的范例电路图。

图4为依据本发明的一实施例的音调仲裁器的运作示意图。

图5绘示了一干扰错误信号以及一输入信号散布在多个候选频率上的示意图。

图6为依据本发明的一实施例的粗略频率估计程序的一范例流程图。

图7为用以求得一频率偏移的一均值以及该频率偏移的一方差的一电路实施例的示意图。

图8为用以检验一频率偏移的一电路实施例的示意图。

图9为用以检验一功率的一电路实施例的示意图。

图10为图1所示的回路滤波器的一实作范例的示意图。

图11为图1所示的音调仲裁器选取其所输出的信号的一电路实施例的示意图。

【主要元件符号说明】

100    载波追踪系统

110    复数降频器

120    波形产生器

130    坐标转换器

140    控制电路

1401   音调仲裁器

1402   功率检测器

1403          频率辨别器

1404          回路滤波器

S_IN          输入信号

S_I           实部信号

S_Q           虚部信号

CLK_I         同相信号

CLK_Q         正交相信号

S_Norm        向量强度信号

S_Phase       相位信号

PV            功率

Freq_Dev      频率偏移

Loop_Err      回路误差

Freq_Bias     频率偏压信号

S201～S209    步骤

Freq_Dev_Mean 偏移均值

Freq_Dev_Var  方差

WinTone_Power 功率门限

WinTone_Freq  特定候选频率

Freq_Hop      目标候选频率

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。本领域技术人员应可理解，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。在通篇说明书及所附的权利要求书当中所提及的「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。

请参照图1，图1为依据本发明的一实施例在一预定频率范围内追踪具有最大功率的一类音调信号的载波追踪系统100的方块图。载波追踪系统100包含有(但不限于)：一复数降频器(complex frequencydown-converter)110、一波形产生器120、一坐标转换器130以及一控制电路140。请注意，为了扼要地叙述本发明，图1中仅显示与本发明的技术内容相关的元件。复数降频器110用来分别混合一输入信号S_IN与一同相(in-phase)信号CLK_I(例如：一余弦波信号)来产生一实部信号S_I，以及混合输入信号S_IN与一正交相(quadrature phase)信号CLK_Q(例如：一正弦波信号)来产生一虚部信号S_Q(请注意，实部信号S_I与虚部信号S_Q在相位上互为正交)。举例来说，在实作上，复数降频器110可应用已知复数混波器以及已知复数低通滤波器来加以实现。波形产生器120耦接于复数降频器110，用来接收一频率偏压信号Freq_Bias并依频率偏压信号Freq_Bias来产生同相信号CLK_I与正交相信号CLK_Q。如同复数降频器110，波形产生器120也可用许多已知的方式来实现，进一步的细节便不再赘述。此外，波形产生器120可用一数值控制震荡器(Numerically ControlledOscillator，NCO)来实现。

坐标转换器130则耦接于复数降频器110，用以将以笛卡尔坐标呈现的实部信号S_I与虚部信号S_Q转换为具有一向量强度(norm)信号S_Norm与一相位信号S_Phase的一极坐标信号。举例来说，坐标转换器130将一笛卡尔坐标信号S_I+j*S_Q转换成一极坐标信号S_Norm*e^j*S_Phase。而上述的转换程序可表示为下列的式子：

$S\_I+j*S\_Q\≅\frac{S\_\mathrm{Norm}}{1.64674}*e^{j2\mathrm{\πS}\_\mathrm{Phase}}---\left(1\right)$

在本发明的一实施例中，坐标转换器130依据实部信号S_I与虚部信号S_Q，应用坐标旋转数字计算器(COordinate Rotation DIgital Computer，CORDIC)重复演算法来得到向量强度信号S_Norm与相位信号S_Phase，然而，此实施例仅为说明之用，并非用来作为限制本发明的范围。

控制电路140耦接于坐标转换器130以及波形产生器120，依据转换后的该极坐标信号(即向量强度信号S_Norm与相位信号S_Phase)来决定频率偏压信号Freq_Bias。控制电路140的细部运作可经由一有限状态机(finitestate machine)来说明。请参照图2，图2为依据本发明的一实施例的控制电路的运作流程图。

步骤S201：开始。

步骤S202：开始一第一运作状态S1。因此一锁相回路为关闭状态，并开始一粗略频率估计(rough frequency estimation)程序。

步骤S203：检查第一计时器T1是否计时完毕。如果计时完毕，则执行步骤S204；反之，回到步骤S202。

步骤S204：进入一第二运作状态S2。该锁相回路仍为关闭状态。

步骤S205：检查该粗略频率估计程序是否成功结束。如果成功结束，则执行步骤S206并同时启动一第二计时器T2；反之，回到步骤S202并重新启动第一计时器T1。

步骤S206：进入一第三运作状态S3。该锁相回路为开启状态且该粗略频率估计程序已成功结束。

步骤S207：检查第二计时器T2是否计时完毕。如果计时完毕，则执行步骤S208；反之，回到步骤S206。

步骤S208：检查该锁相回路是否正确锁定至该输入信号。如果已正确锁定，则执行步骤S209；反之，回到步骤S202并重新启动第一计时器T1。

步骤S209：结束。

在起始第一运作状态S1的时候，第一计时器T1亦会被启动而同时开始该粗略频率估计程序。当第一计时器T1计时完毕时，该有限状态机即进入第二运作状态S2。在第二运作状态S2中，控制电路140会决定该粗略频率估计程序是否成功结束，如果该粗略频率估计程序成功结束，该有限状态机则进入第三运作状态S3；反之，则回到第一运作状态S1，并重头再开始一次。在起始第三运作状态S3的时候，第二计时器T2亦被启动，载波追踪系统100会开始如同一锁相回路般运作，并依据在第一运作状态S1中所得到的估计结果，以一起始频率来开始一锁相程序，其中第二计时器T2须被设定为足够长的计时时间以确保载波追踪系统100所形成的锁相回路能在闭路状态下正确地稳定下来。当第二计时器T2计时完毕时，控制电路140会决定载波追踪系统100所形成的锁相回路是否锁定至输入信号S_IN，如果载波追踪系统100正确地锁定至输入信号S_IN，则该有限状态机的运作便到此结束；否则的话，该有限状态机会回到第一运作状态S1并重头再运行一次。

在此实施例当中，控制电路140包含有一音调仲裁器(tone arbitrator)1401、一功率检测器1402、一频率辨别器1403以及一回路滤波器1404。功率检测器1402分别基于输入信号S_IN在该预定频率范围内的多个候选频率上的多个相对应的向量强度信号S_Norm来分别估计出输入信号S_IN在这些多个候选频率上的多个功率值大小；频率辨别器1403则分别估计出输入信号S_IN在这些多个候选频率上的多个相对应的频率偏移Freq_Dev。音调仲裁器1401则依据对应这些多个候选频率的多个向量强度信号S_Norm以及多个频率偏移Freq_Dev来选取一特定候选频率。当音调仲裁器1401选取出在输入信号S_IN具有一最大估计功率PV且具有相对应的估计频率偏移Freq_Dev的该特定候选频率时，回路滤波器1404便基于对应该特定候选频率的相位信号S_Phase来产生一回路误差Loop_Err。接着，音调仲裁器1401基于该特定候选频率、该特定候选频率所对应的频率偏移Freq_Dev以及该特定候选频率对应的回路误差Loop_Err来产生频率偏压信号Freq_Bias。

在第一运作状态S1当中，音调仲裁器1401分别依据该预定频率范围内多个候选频率来控制频率偏压信号Freq_Bias。功率检测器1402在第一运作状态S1中则依据输入信号S_IN在这些候选频率上各自的向量强度信号S_Norm来估计出各自所对应的功率PV，而该功率PV可用下列的式子来描述：

$\mathrm{PV}=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_{-T/2}^{T/2}{|S\_\mathrm{Norm}\left(t\right)|}^2\mathrm{dt}---\left(2\right)$

功率检测器1402用来寻找出一个大致等于或是接近等式(2)所表示的功率PV的估计值。举例来说，在实作上，功率检测器1402应用了一低通滤波器来对向量强度信号S_Norm进行低通滤波以在第一运作状态S1中找出输入信号S_IN在这些候选频率上各自的估计功率PV；在另一实施例中，功率检测器1402于第一运作状态S1中，在用来估计在功率PV的一预定时间内，找出了所有向量强度信号S_Norm中的最大值。

功率检测器1402在该预定频率范围内的候选频率中选出其中一个候选频率(例如：一特定候选频率)，而在所有候选频率之中，输入信号S_IN在所选取的该特定候选频率上具有一估计功率PV的最大值。频率辨别器1403则依据相位信号S_Phase来估计出输入信号S_IN在这些多个候选频率上的多个频率偏移Freq_Dev。进一步而言，频率偏移Freq_Dev可以下列的式子来描述：

$\mathrm{Freq}\_\mathrm{Dev}=\frac{1}{2*\mathrm{\π}}\×\frac{\∂S\_\mathrm{Phase}\left(t\right)}{\∂t}---\left(3\right)$

频率辨别器1403用来寻找出一个大致等于或是接近等式(3)所表示的频率偏移Freq_Dev的估计值。图3为依据本发明的一实施例的一个频率辨别器1403的范例电路图。对本领域技术人员而言，在阅读了上述段落后，应可轻易知悉图3所示的电路的运作，详细的说明在此便不再赘述。而音调仲裁器1401则依据所选取的该特定候选频率来得到一估计频率偏移Freq_Dev。

请参照图4以进一步了解音调仲裁器1401的运作。图4为依据本发明的一实施例的音调仲裁器1401的运作流程图。在第1运作状态S1中(也就是在粗略频率估计程序中)，音调仲裁器1401依序接收多个散布在该预定频率范围之中的候选频率，其中各个相邻候选频率间均相差一预定的频率步距。举例来说，在图4中，候选频率散布在43MHz到47MHz之间，并具有一100kHz的频率步距。在这个例子当中，音调仲裁器1401会先接收一个43MHz的候选频率，接下来是43.1MHz、43.2MHz，以此类推，直到最后一个候选频率47MHz也被音调仲裁器1401接收。当音调仲裁器1401依序接收着这些候选频率时，功率检测器1402亦依据这些候选频率各自的向量强度信号S_Norm来依序估计其所相对应的估计功率强度PV。在第一运作状态S1将结束时，音调仲裁器1401会依据这些候选频率各自的功率强度PV来得到一目标候选频率以当作频率偏压信号Freq_Bias。

由于本实施例的目的为在一预定频率范围内找出具有最大功率的一音调信号或是一载波，因此，音调仲裁器1401便在这些候选频率中选取出一特定频率，而其中输入信号S_IN在该特定频率所对应的估计功率PV会较其他频率所对应的估计功率PV来得高。进一步来说，该特定频率较其他频率来得更接近具有最大功率的该音调信号或是该载波。

举例来说，在图4中，输入信号S_IN位在44.21MHz的位置，而载波追踪系统100则要在43MHz～47MHz的频率范围中找出具有最大功率的一个音调信号(或是载波)。假设在此使用的频率步距为100kHz，载波追踪系统100中的音调仲裁器1401便会分别依序接收多个分布在43MHz到47MHz的候选频率，而各个相邻的候选频率间的频率步距为100kHz。在第一运作状态S1期间，由于位在44.2MHz的一候选频率是最接近输入信号S_IN所在的44.21MHz，功率检测器1402便估计出输入信号S_IN在44.2MHz有一最大功率，因此选取44.2MHz为该特定候选频率。此外，音调仲裁器1401会依据频率辨别器1403在该特定候选频率(44.2MHz)所决定出的频率偏移Freq_Dev来决定一频率偏差，举例来说，该频率偏差可为输入信号S_IN在44.2MHz的频率偏移Freq_Dev于一预定时间内的一均值。音调仲裁器1401接着便依据该频率偏差以及该特定候选频率44.2MHz来决定出一目标候选频率。如此一来，在粗略频率估计程序成功结束之后，波形产生器120便可输出非常接近输入频率S_IN所在的44.21MHz的信号。值得注意的是，该目标候选频率的精确度仅与所采用的频率步距略有关联，采用较大的频率步距并不会使得所求得的目标候选频率有着较大的误差，而仅会使得电路在设计上需要花费较多的功夫，举例来说，复数降频器110中的滤波器以及坐标转换器130的复杂度需求会较一般电路来得高。

然而，在决定出该目标候选频率前，决定的步骤需要满足几项条件。首先，多普勒效应(Doppler effect)以及多路径衰减(multi-path fading)可能会严重地干扰接收到的信号而导致一个不稳定的连线；而在另一方面，如图5所示，一个带有极大功率的错误信号(比如说：一个噪声或是一个干扰信号)可能在43.91MHz处短暂地出现，此外，该错误信号也可能是一调频信号(例如：一正交相移键(Quadrature Phase-Shift Keying，QPSK)信号)，且该调频信号在44.41MHz具有一极大但是不属于类音调的信号。假设功率检测器1402在粗略频率估计程序中检测出了该错误信号，而音调仲裁器1401也因此决定出该特定候选频率为43.9MHz或是44.4MHz，进而分别决定出该目标频率为43.91MHz或是44.41MHz而不是44.21MHz，接下来，波形产生器120也跟着产生错误的输出信号，进而导致整个机制的运作出现错误。于是，为了确保所决定出的目标频率的精确性，在决定的过程中需要在功率以及相位的检测上加上一些判断的条件。

为了避免检测到错误信号，在决定出输入信号S_IN的各个频率偏移Freq_Dev以及相对应的功率PV过程中，需要加上一些预定条件。在此实施例中，音调仲裁器1401会进一步对频率偏移Freq_Dev进行处理以得到对应频率偏移Freq_Dev的一均值以及一方差。在第一运作状态S1中，对应该特定候选频率的功率PV必须超过一功率门限；在此同时，对应该特定候选频率的一频率偏移Freq_Dev的一均值以及一方差均会经过这些预定条件的检验，举例来说，这些预定条件可为一均值门限以及一方差门限，对应该特定候选频率的该频率偏移Freq_Dev的该均值以及该方差须分别小于该均值门限以及该方差门限。当对应该特定候选频率的功率PV未能超过该功率门限或是对应该特定候选频率的频率偏移Freq_Dev未能满足上述的这些预定条件的检验时，音调仲裁器1401会以一预设频率来设定该目标候选频率；当对应该特定候选频率的功率PV超过该功率门限且对应该特定候选频率的一频率偏移Freq_Dev满足上述的这些预定条件的检验时，音调仲裁器1401则会以一调整后频率(该特定候选频率加上对应该特定候选频率的该频率偏差)来设定该目标候选频率。

在第二运作状态S2中，即使前述的条件均已经满足且该目标候选频率亦经由该调整后频率来设定完成，对应该调整后频率的功率PV以及频率偏移Freq_Dev在此仍然要满足一些条件以确保正确的检测结果。举例来说，图4中的载波追踪系统100接收到了位于44.21MHz的输入信号S_IN，而载波追踪系统100中的音调仲裁器1401会决定出一个与输入信号S_IN仅有极小差异的目标候选频率(也就是调整后频率)。接着，音调仲裁器1401会判断对应该目标候选频率的功率PV是否超过一第二功率门限(该第二功率门限依据对应该特定候选频率的功率PV所得出)并判断对应该目标候选频率的频率偏移Freq_Dev的均值与方差是否符合这些预定条件。如此一来，音调仲裁器1401便可确保粗略频率估计程序成功地结束。请再参照图5，假若图5中的错误信号出现而形成干扰源时，音调仲裁器1401会初步分别决定出该目标频率为接近43.91MHz或是44.41MHz的频率而不是44.21MHz，然而，由于这些错误信号并不稳定或是在相位平面上不停地变化，对应这些错误信号频率(即43.91MHz或44.41MHz)的功率PV以及频率偏移Freq_Dev并无法满足前述的预定条件。因此，音调仲裁器1401会决定粗略频率估计程序失败并重新起始另一个粗略频率估计程序。此外，应用上述的这些预定条件也可帮助避免多普勒效应与多路径衰减对信号的影响，进而提升整体的连线品质。

请参照图6，图6绘示了依据本发明的一实施例的粗略频率估计程序的一范例流程图。本领域技术人员应可在阅读完前述段落后轻易了解图6中所示的流程运作。载波追踪系统100要在43MHz～47MHz的预定频率范围中以一预定的频率步距100kHz找出具有最大功率的一个音调信号(或是载波)。首先，在第一运作状态S1中，音调仲裁器1401接收一位于候选频率43MHz的一弦波信号(由波形产生器120所产生)，接着功率检测器1402估计位于候选频率43MHz的该弦波信号的功率，而频率辨别器1403则进一步地求出位于候选频率43MHz的该弦波信号的频率偏移Freq_Dev的一偏移均值(即图6所示的Freq_Dev_Mean)以及位于候选频率43MHz的该弦波信号的频率偏移Freq_Dev的一方差(即图6所示的Freq_Dev_Var)。由于候选频率43MHz是载波追踪系统100所接收的第一个候选频率，音调仲裁器1401会将对应候选频率43MHz的该功率设定为WinTone_Power(其为一功率门限)，并将对应候选频率43MHz的该偏移均值再加上候选频率43MHz来设定为一特定候选频率WinTone_Freq。

接下来，波形产生器120改为输出另一候选频率43.1MHz的弦波信号，并以候选频率43.1MHz来重复一次上述步骤；功率检测器1402估计位于候选频率43.1MHz的该弦波信号的一功率，音调仲裁器1401则会检查所估计出对应候选频率43.1MHz的该功率是否超过先前所记录的功率门限WinTone_Power。接着，音调仲裁器1401检查对应候选频率43.1MHz频率偏移Freq_Dev的一偏移均值Freq_Dev_Mean以及对应候选频率43.1MHz频率偏移Freq_Dev的一方差Freq_Dev_Var是否满足前述的这些预定条件(举例来说：这些预定条件可为一均值门限以及一方差门限，对应候选频率43.1MHz的频率偏移Freq_Dev的均值Freq_Dev_Mean以及方差Freq_Dev_Var须分别小于该均值门限以及该方差门限)。如果在候选频率43.1MHz上均可满足前述条件，特定候选频率WinTone_Freq将被取代为候选频率43.1MHz加上对应候选频率43.1MHz的频率偏移Freq_Dev的均值Freq_Dev_Mean，而对应候选频率43.1MHz的该功率亦会取代对应候选频率43MHz的该功率成为新的功率门限WinTone_Power。然而，在候选频率43.1MHz上，只要前述条件其中有一项未能满足，功率门限WinTone_Power与特定候选频率WinTone_Freq将维持其在候选频率43MHz时的值。上述的流程会在依序接收不同的候选频率不断地重复，直到预定频率范围43MHz～47MHz中的最后一个候选频率47MHz被接收并处理完毕。

如果一胜出音调(也就是对应特定候选频率WinTone_Freq，在预定频率范围43MHz～47MHz中具有最大功率的一音调信号)被成功地搜寻出来，音调仲裁器1401会将特定候选频率WinTone_Freq设定为目标候选频率(也就是图6中的Freq_Hop)，接着再执行一次前述的检查程序。请注意，在找该胜出音调后，由于设计上的考量，这些前述的检查程序中所使用的一些门限值会作出些许的调整。举例来说，考量到信号可能因多普勒效应以及多路径衰减而减弱，因此对应该胜出音调的功率门限WinTone_Power会乘上一个小于1的系数。此外，由于所得出的该胜出音调相当接近输入信号S_IN的频率，对应该胜出音调的特定候选频率WinTone_Freq的频率偏移Freq_Dev会相当小，因此应用一个较严格的门限值来检查。在上述所有的检查程序都执行完毕之后，一个粗略频率估计程序也同时成功地完成了。假若该胜出音调无法成功地搜寻出来时，音调仲裁器1401会将一预设频率设定为该目标候选频率，举例来说，在本实施例中，一中心频率45MHz会被用来设定为该目标候选频率。

图7绘示了用以求得前述的频率偏移Freq_Dev的一均值(即图7中的Freq_Dev_Mean)以及频率偏移Freq_Dev的一方差(即图7中的Freq_Dev_Var)的一范例电路。此外，前述的检查机制可利用图8与图9中的范例电路来实现，其中检查结果Freq_Chk_Pass与Pwr_Chk_Pass分别指出估计功率PV以及频率偏移Freq_Dev是否通过这些条件的检查。在图7、图8以及图9中，Pll_On指出了载波追踪系统100是否以锁相回路的方式运作，而Wintone_Chk则指出了音调仲裁器1401是否正在执行检查程序，而Chk_Mean_TH以及Chk_Var_TH用来设定频率检查程序的门限值，以及Lock_Pwr_TH以及Ratio_TH用来设定功率检查程序的门限值。对本领域技术人员而言，在阅读过上述段落之后，应可轻易理解图7、图8以及图9中所示电路的运作，故详细的说明在此便不再赘述。

如同图1所示，控制电路140当中亦包含有一回路滤波器1404。当该目标候选频率在第一运作状态S1以及第一运作状态S2中被决定时，回路滤波器1404便产生一回路误差Loop_Err来微调频率偏压信号Freq_Bias。而在第三运作状态S3中，音调仲裁器1401依据回路误差Loop_Err来补偿该目标候选频率以修正所输出的频率偏压信号Freq_Bias。详细地来说，回路滤波器1404会由该目标候选频率所启动，并依据相位信号S_Phase来产生回路误差Loop_Err。音调仲裁器1401接着再基于该目标候选频率以及回路误差Loop_Err来产生频率偏压信号Freq_Bias。图10绘示了回路滤波器1404的一实作范例，以及图11则绘示了图1中所示的音调仲裁器选取输出信号的一范例电路。对本领域技术人员而言，在阅读过上述段落之后，应可轻易理解图10以及图11中所示电路的运作，故详细的说明在此便不再赘述。此外，载波追踪系统100此后便如同锁相回路一般而追踪输入信号S_IN。在载波追踪系统100完成追踪搜寻且整个封闭回路趋于稳定后，这些依据回路滤波器1404输出的回路误差Loop_Err所产生的功率PV以及频率误差Freq_Dev，同样地须经过一些如同在第一运作状态S1与第二运作状态S2中所使用的预定条件的检验，以确保输入信号S_IN已正确地被载波追踪系统100所锁定。

基于以上所公开的发明内容，载波追踪系统100用以在一预定频率范围内追踪一音调信号的方法可简单综述如下：混合一输入信号、一正弦信号与一余弦信号来产生一笛卡尔坐标信号；基于一频率偏压信号来产生该正弦信号与该余弦信号；将该笛卡尔坐标信号转换为具有一向量强度信号与一相位信号的一极坐标信号；基于该向量强度信号与一估计频率偏移值，在一预定频率范围内选出该候选频率，其中该估计频率偏移值基于该相位信号且对应该候选频率；以及基于该候选信号、该估计频率偏移值以及由该相位信号所决定的一回路误差来产生该频率偏压信号。

综上所述，本发明公开了一种用以在一预定频率范围内追踪具有最大功率的一音调信号的一载波追踪系统与方法。经由使用一坐标转换器所公开的载波追踪系统可快速地估计出十分接近目标频率(即最大功率的该音调信号频率)的频率，并应用了粗略频率估计程序来避免来自错误信号的误判。如此一来，便可快速且正确地与一预定频率范围内具有最大功率的一类音调信号(一载波或是一音调信号)达到同步化，进而大幅增进整体系统的效能。

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 (13)

1.一种载波追踪系统，包含有：

一降频器，用以混合一输入信号、一正弦信号与一余弦信号来产生一笛卡尔坐标信号(Cartesian Signal)；

一波形产生器，用以基于一频率偏压信号来产生该正弦信号与该余弦信号；

一坐标转换器，用以将该笛卡尔坐标信号转换为具有一向量强度(norm)信号与一相位信号的一极坐标信号；以及

一控制电路，包括一音调仲裁器(tone arbitrator)和一频率辨别器，该音调仲裁器用以基于该向量强度信号与一估计频率偏移值，在一预定频率范围内选出一候选频率，并基于该候选频率、该估计频率偏移值以及由该相位信号所决定的一回路误差(loop error)来产生该频率偏压信号，其中该频率辨别器用以基于该相位信号产生对应于该候选频率的该估计频率偏移值。

2.如权利要求1所述的载波追踪系统，其中该控制电路还包含有：

一功率检测器，用以在该预定频率范围内基于该向量强度信号来估计该输入信号在多个候选频率上的功率；

其中该频率辨别器用以估计该输入信号在这些多个候选频率上的频率偏移(frequency deviation)；以及

该音调仲裁器(tone arbitrator)用以选择该输入信号中具有一最大估计功率的一候选频率以及对应该候选频率的一频率偏移。

3.如权利要求2所述的载波追踪系统，其中该控制电路还包含有：

一回路滤波器，用以在选择出该输入信号中具有该最大估计功率的该候选频率以及对应该候选频率的该频率偏移时，基于该相位信号来产生该回路误差。

4.如权利要求2所述的载波追踪系统，其中该音调仲裁器仅在该最大估计功率超过一功率门限且该频率偏移满足预定条件时才会确定该候选频率的选择。

5.如权利要求4所述的载波追踪系统，其中该频率偏移须满足的这些预定条件包含有：

该频率偏移在一预定时间内的一均值不大于一偏移均值门限；以及

该频率偏移在一预定时间内的一方差(variance)不大于一偏移方差门限。

6.如权利要求2所述的载波追踪系统，其中该音调仲裁器仅在该最大估计功率超过一功率门限时才会确定该候选频率的选择。

7.如权利要求1所述的载波追踪系统，其中该波形产生器为一数值控制震荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)。

8.一种用以在一预定频率范围内追踪一载波(carrier)或是一类音调(tone-like)信号的方法，包含有：

混合一输入信号、一正弦信号与一余弦信号来产生一笛卡尔坐标信号(Cartesian Signal)；

基于一频率偏压信号来产生该正弦信号与该余弦信号；

将该笛卡尔坐标信号转换为具有一向量强度(norm)信号与一相位信号的一极坐标信号；以及

基于该向量强度信号与一估计频率偏移值，通过一音调仲裁器在一预定频率范围内选出一候选频率，并基于该候选频率、该估计频率偏移值以及由该相位信号所决定的一回路误差，通过该音调仲裁器产生该频率偏压信号，其中该估计频率偏移值系基于该相位信号通过一频率辨别器而产生且对应于该候选频率。

9.如权利要求8所述的方法，其中在该预定频率范围内选出该候选频率的步骤包含有：

在该预定频率范围内基于该向量强度信号来估计该输入信号在多个候选频率上的功率；

估计该输入信号在这些多个候选频率上的频率偏移(frequencydeviation)；以及

选择该输入信号中具有一最大估计功率的一候选频率以及对应该候选频率的一频率偏移。

10.如权利要求9所述的方法，其还包含有：

在选择出该输入信号中具有该最大估计功率的该候选频率以及对应该候选频率的该频率偏移时，基于该相位信号来产生该回路误差。

11.如权利要求9所述的方法，其中该候选频率的选择仅在该最大估计功率超过一功率门限且该频率偏移满足预定条件时才会被确定。

12.如权利要求11所述的方法，其中该频率偏移在一预定时间内的一均值不大于一偏移均值门限，且该频率偏移在一预定时间内的一方差(variance)不大于一偏移方差门限。

13.如权利要求9所述的方法，其中该候选频率的选择仅在该最大估计功率超过一功率门限且该频率偏移满足预定条件时才会被确定。

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