CN103368891B - 信号处理装置及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号处理装置，包含初始检测模块、混频器、符号率检测模块、判断模块及修正模块。该初始检测模块用以根据一输入信号的频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移。该混频器用以根据该初始载波频率偏移调整该输入信号，以产生一频率补偿后信号。该符号率检测模块用以决定该输入信号的符号率。该判断模块用以根据该频率补偿后信号判断该初始载波频率偏移是否正确。该修正模块依照该判断模块的判断结果而根据该符号率及该频谱选择性地决定一修正后载波频率偏移。其中，该判断模块对该频率补偿后信号施以相位回复，并根据相位回复是否产生一锁定结果判断该初始载波频率偏移是否正确。

Description

信号处理装置及信号处理方法

技术领域

本发明与数字电视广播技术相关，并且尤其与判断数字电视信号的载波频率偏移(carrierfrequencyoffset)的技术相关。

背景技术

随着通讯技术的进步，数字电视广播的发展渐趋成熟。除了经由电缆线路传送之外，数字电视信号也可透过基站或人造卫星等设备以无线信号的型态被传递。第一代数字电视卫星广播(digitalvideobroadcasting-satellite，DVB-S)规范和第二代数字电视卫星广播规范(DVB-S2)都是目前该领域中被广泛采用的标准。

在DVB-S以及DVB-S2规范中，数字电视信号的符号率(symbolrate)可为0到45兆赫兹间的一任意值，而数字电视信号的载波频率可能在950兆赫到2150兆赫之间，两种数值组合后的可能性相当多。对无法预先得知传送端所选择的载波频道和符号率的接收端来说，如何正确判定这两个数值是一个重要的环节；唯有如此，才能地将接收到的信号解码还原。

目前有一种判定载波频率偏移的方法是对输入信号进行快速傅利叶转换，再将所有转换结果的能量平方值迭加起来，产生如图1(A)所示的频谱线；频谱线中高能量区域的中心点C1与横轴座标的中心点R(对应于前述快速傅利叶转换的运算点数的一半)的差异即对应于载波频率偏移的大小。

由于无线信号在传送时会受到通道中的杂讯或邻近频道的信号干扰，并非所有的信号频谱都会如图1(A)所示的范例一般理想。举例而言，输入信号的实际频谱可能会如图1(B)所示，具有两个能量高峰区。这种频谱图形的产生，有可能是因为两能量高峰区之间的频段受到杂讯干扰特别严重。另一种可能性则是邻近频道过于靠近真正欲接收的目标信号所在的频段。若两能量高峰区之一的产生是由邻近频道所贡献，直接根据此频谱所判定的载波频率偏移就会有偏差。然而，现有的数字电视广播接收系统并不能有效判断哪一个或哪几个能量高峰区才代表真正欲接收的目标信号。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种信号处理装置及信号处理方法。藉由利用可信度相对较高的符号率为依据，根据本发明的信号处理装置及信号处理方法可判断频谱中的哪一个或哪几个能量高峰区才代表真正欲接收的目标信号，并找出载波频率偏移。

根据本发明的一具体实施例为一种信号处理装置，其中包含初始检测模块、混频器、符号率检测模块、判断模块及修正模块。该初始检测模块用以根据一输入信号的频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移。该混频器用以根据该初始载波频率偏移调整该输入信号，以产生一频率补偿后信号。该符号率检测模块用以决定该输入信号的符号率。该判断模块用以根据该频率补偿后信号判断该初始载波频率偏移是否正确。该修正模块依照该判断模块的判断结果而根据该符号率及该频谱选择性地决定一修正后载波频率偏移。其中，该判断模块对该频率补偿后信号施以相位回复，并根据相位回复是否产生一锁定结果判断该初始载波频率偏移是否正确。

根据本发明的另一具体实施例为一种信号处理方法。该方法首先执行的步骤为根据一输入信号的一频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移。随后，该方法执行一调整步骤，根据该初始载波频率偏移调整该输入信号，以产生一频率补偿后信号。该方法亦执行一决定步骤，决定该输入信号的一符号率。接着，该方法执行一判断步骤，对该频率补偿后信号施以相位回复并根据相位回复是否产生一锁定结果判断该初始载波频率偏移是否正确。最后，依照该判断步骤的判断结果而根据该符号率及该频谱选择性地决定一修正后载波频率偏移。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1(A)及图1(B)为经快速傅利叶转换产生的信号频谱范例。

图2为根据本发明的一实施例中的信号处理装置的方块图。

图3、图5、图6(A)及图6(B)为根据本发明实施例的频谱相关图点范例。

图4用以呈现根据本发明实施例的符号率检测模块的一种详细实施范例。

图7及图8为根据本发明的另外两个实施例中的信号处理装置的方块图。

图9为根据本发明的一实施例中的信号处理方法流程图。

主要元件符号说明

具体实施方式

根据本发明的一实施例为图2所示的信号处理装置100，其中包含频谱产生模块11、初始检测模块12、混频器13、符号率检测模块14、判断模块15及修正模块16。在实际应用中，信号处理装置100可被整合在适用DVB-S或DVB-S2规范的数字电视信号接收端之中，但不以此为限。

频谱产生模块11负责接收并分析一输入信号，以产生该输入信号的频谱线。若信号处理装置100位于数字电视信号接收端，该输入信号可能为某一频道的数字电视信号。实务上，频谱产生单元11可将输入信号分为多个区段(例如32段或64段)后个别进行运算点数相同的快速傅利叶转换，再将所有转换结果的能量平方值迭加起来。也就是说，频谱线实际上是由许多对应于不同频率/能量的图点所构成。此外，频谱产生模块11可进一步对该迭加结果施以一平滑化程序(例如利用移动平均电路)，藉此滤除频谱线中的杂讯，减少杂讯造成的误判。

初始检测模块12用以根据频谱产生模块11提供的频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移。在此实施例中，初始检测模块12首先找出该频谱线中的最大能量max和最小能量min，再据此决定一门槛值TH，如图3所示。举例而言，该门槛值TH可为最大能量max及最小能量min的平均值，但不以此为限。随后，初始检测模块12可根据该频谱与门槛值TH的两相交点X、Y决定一初始载波频率偏移CFO，例如采用两相交点X、Y的频率平均值与一中心频率(对应于前述快速傅利叶转换的运算点数的一半)的差异做为该初始载波频率偏移CFO。

混频器13用以根据初始检测模块12产生的初始载波频率偏移CFO调整该输入信号的频率，以产生一频率补偿后信号，使频率补偿后信号的频谱大致对称于直流座标轴。随后，判断模块15即根据该频率补偿后信号判断初始载波频率偏移CFO是否正确。在此实施例中，判断模块15对该频率补偿后信号施以一相位回复(phaserecovery)程序，并根据该相位回复程序是否产生一锁定结果来判断初始载波频率偏移CFO是否正确。若该相位回复程序可产生一锁定结果，判断初始载波频率偏移CFO是正确的；相对地，若该相位回复程序经过一段时间仍无法锁定，则判断初始载波频率偏移CFO是错误的。

在实际应用中，如果图3的两个能量高峰区中有一个能量高峰区是由邻近频道所贡献，初始检测模块12根据此频谱所判定的载波频率偏移就会不正确，进而导致判断模块15中的相位回复程序无法锁定相位。举例而言，假设图3中右侧的能量高峰区为邻近频道所贡献，左侧的能量高峰区才代表真正的目标信号，则由根据该频谱找出其与门槛值TH的两相交点X、Y中，只有相交点X是正确的，相交点Y是错误的，而根据X、Y之频率平均值得出的载波频率偏移显然会有误差。

如图2所示，输入信号也被提供至符号率检测模块14；符号率检测模块14负责决定输入信号的符号率。图4为符号率检测模块14的一种详细实施范例，其中包含功率计算单元14A、快速傅利叶转换单元14B、平方单元14C及符号率决定单元14D。此实施例中的功率计算单元14A用以求得输入信号的信号强度(以功率表现，power)，其进行|r(n)|²运算或r(n)*conj[r(n-d)]运算，r(n)代表该输入信号的信号值，n代表时间指标，d代表不等于零的整数，conj为共轭符号。随后，快速傅利叶转换单元14B对功率计算单元14A产生的功率计算结果施以一快速傅利叶转换程序，以产生一转换结果，也就是产生此信号在频域上的功率频谱(powerspectrum)。平方单元14C用以将该功率频谱取绝对值后平方，以产生一精确频谱并得到一峰值。

平方单元14C所产生的平方结果可被绘示为如图5所示的精确频谱。符号率决定单元14D根据该精确频谱中的一峰值位置决定该输入信号的符号率。假设快速傅利叶转换单元14B所执行的快速傅利叶转换的运算点数为N，则此频谱的横轴座标为0到(N/2-1)。在判定峰值出现位置所对应的横轴座标C后，符号率决定单元14D可根据下列方程式计算符号率SR：

$\mathrm{SR}=\frac{C}{N}\×F,$

其中F代表输入信号被接收时的取样频率。须说明的是，符号率检测模块14产生符号率的程序可与初始检测模块12、混频器13、判断模块15等电路的运作同时进行。

如图2所示，频谱产生模块11产生的频谱、判断模块15产生的判断结果，以及符号率检测模块14产生的符号率都会被提供至修正模块16。若判断模块15的判断结果为否，修正模块16将会根据符号率SR及频谱决定一修正后载波频率偏移CFO’。

以图6(A)所绘示的频谱为例，若判断模块15的判断结果为否，表示频谱中的两个能量高峰区中有一个能量高峰区很可能是由邻近频道的另一信号所贡献。理论上，若门槛值TH为同一信号的最大能量max及最小能量min的平均值，当判断模块15的判断结果为是，两相交点X、Y的频率差异会大致等于符号率SR。若判断模块15的判断结果为否，修正模块16可先采用左侧的能量高峰区所属的信号作为真正的目标信号，并以相交点X为起始点，自该频谱中选择宽度对应于符号率SR的频率区段B1，如图6(A)所示。在找出频率区段B1的中心点C1后，修正模块16可采用中心点C1所对应的频率与一参考频率(对应于频谱产生模块11所进行的快速傅利叶转换运算点数的一半)的差异做为修正后载波频率偏移CFO’，并将此修正后载波频率偏移CFO’回传至混频器13。

混频器13会根据修正后载波频率偏移CFO’重新产生另一个频率补偿后信号，并将此频率补偿后信号提供给判断模块15。判断模块15可再次对这个新的频率补偿后信号施以相位回复，并根据该相位回复是否产生一锁定结果来判断修正后载波频率偏移CFO’是否正确。若该相位回复程序可产生一锁定结果，判定修正后载波频率偏移CFO’是正确的；相对地，若该相位回复程序经过一段时间仍无法锁定，则判定修正后载波频率偏移CFO’仍然是错误的。

如果判断模块15这次的判断结果为否，修正模块16则采取右侧的能量高峰区所属的信号作为真正的目标信号，并以相交点Y为起始点，自该频谱中选择宽度对应于符号率SR的频率区段B2，如图6(B)所示。在找出频率区段B2的中心点C2后，修正模块16可采用中心点C2所对应的频率与参考频率(对应于频谱产生模块11所进行的快速傅利叶转换运算点数的一半)的差异做为修正后载波频率偏移CFO”，并将修正后载波频率偏移CFO”回传至混频器13。同样地，判断模块15可再次对混频器13重新产生的频率补偿后信号施以相位回复程序，并据此判断修正后载波频率偏移CFO”是否正确。

换句话说，若图6(A)或图6(B)中左侧的能量高峰区所属的信号确实代表真正的目标信号，修正后载波频率偏移CFO’就能使判断模块15的判断结果为是。相对地，若图6(A)或图6(B)中右侧的能量高峰区所属的信号代表真正的目标信号，则修正后载波频率偏移CFO”才能使判断模块15的判断结果为是。须说明的是，修正模块16不一定要选择相交点X、Y为频率区段B1、B2的起始点来选择宽度对应于符号率SR的频率区段。

综上所述，藉由利用可信度相对较高的符号率为依据，根据本发明的信号处理装置100可有效判断频谱中的哪一个或哪几个能量高峰区才代表真正欲接收的目标信号，并找出正确的载波频率偏移。

根据本发明的另一实施例为图7所示的信号处理装置200。信号处理装置200与信号处理装置100的差别之一在于，此实施例中的符号率检测模块14根据混频器13产生的频率补偿后信号来决定符号率SR。实务上，无论初始检测模块12产生的初始载波频率偏移CFO是否正确，符号率检测模块14利用前述方式都可以找到正确的符号率SR。因此，符号率检测模块14根据针对第一次产生的频率补偿后信号即可决定符号率SR。易言之，即使后来混频器13重新产生频率补偿后信号，符号率检测模块14亦可以无需重新计算符号率SR。

此外，在频率补偿后信号进入信号处理装置200中的符号率检测模块14之前，会先通过低通滤波器17。这种做法的好处在于，低通滤波器17可先滤除其他邻近频道的干扰，进一步提高符号率检测模块14所产生的符号率SR的正确性。

根据本发明的另一实施例为图8所示的信号处理装置300。信号处理装置300与信号处理装置200的差别之一在于，除了初始载波频率偏移CFO之外，此实施例中的初始检测模块12亦根据初始检测模块11产生的频谱决定输入信号的一初始符号率SR0，并将初始符号率SR0提供至符号率检测模块14。如图8所示，相较于图2中的符号率检测模块14，此实施例中的符号率检测模块14进一步包含一降低取样单元14E。

假设输入信号在进入信号处理装置300时是以一原始取样频率F0被取样。如先前所述，数位电视信号的符号率(symbolrate)的可能范围在0到45兆赫间。举例而言，用于数字电视信号的原始取样频率F0可能为96兆赫，略高于其最大符号率的两倍，但不以此为限。降低取样单元14E用以根据原始取样频率F0及初始检测模块11产生的初始符号率SR0决定一降低取样比例d，并根据降低取样比例d降低取样该频率补偿后信号，以产生一降低取样后信号。举例而言，降低取样单元14E可根据下列方程式决定降低取样比例d：

$d=\frac{F0}{\mathrm{SR}0\×m},$

其中m代表一取样倍率，其较佳范围在2到4之间，例如等于2.5。易言之，降低后的取样频率的下限被设定为概略符号率SR0的两倍；在符合取样定理的条件下，取样倍率m愈小愈好。根据上述原则，降低取样模块14即可决定降低取样比例d，并据此为频率补偿后信号降低取样。实务上，降低取样单元14E可利用一个四阶去频迭滤波器(anti-aliasingfilter)来实现，但不以此为限。如图8所示，此实施例中的计算单元14A根据该降低取样后信号产生计算结果。电路区块14A～14D的运作方式可参考先前的介绍。

实施降低取样的一个原因在于，由于符号率的变动范围相当广(例如DVB-S以及DVB-S2规范中符号率的范围为0到45兆赫)，要求得精确的符号率，理论上进行快速傅利叶转换的运算单元要具有极大的运算点数方能适用。然而，极大的运算点数会造成相对大的成本负担。因此，一个选择性的作法就是实施降低取样，以使一个适中的傅利叶转换单元可对所有符号率的信号进行运算。

根据本发明的另一实施例为一信号处理方法，其流程图如图9所示。首先，步骤S91为根据一输入信号的一频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移。接着，步骤S92为根据该初始载波频率偏移调整该输入信号，以产生一频率补偿后信号。步骤S93为根据该频率补偿后信号判断该初始载波频率偏移是否正确。步骤S94为决定该输入信号的一符号率。若步骤S93的判断结果为否，步骤S95被执行，以根据该符号率及该频谱决定一修正后载波频率偏移。若步骤S93的判断结果为是，则如步骤S96所示，该信号处理程序结束。实务上，若该符号率的产生依据是输入信号本身，步骤S94可与步骤S91～S92同时进行。相对地，若该符号率系根据频率补偿后信号所产生，步骤S94的执行时间被安排在步骤S92之后。

须说明的是，先前在介绍信号处理装置100～300时描述的数种电路操作流程变化，亦可应用至图9所绘示的符号率检测方法中，其细节不再赘述。

如上所述，藉由可信度较高的符号率，根据本发明上述数个实施例的信号处理装置及信号处理方法可有效判断频谱中的哪一个或哪几个能量高峰区才代表真正欲接收的目标信号，并找出正确的载波频率偏移。

藉由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本案所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (10)

1.一种信号处理装置，包含：

一初始检测模块，用以根据一输入信号的一频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移；

一混频器，用以根据该初始载波频率偏移调整该输入信号，以产生一频率补偿后信号；

一符号率检测模块，用以决定该输入信号的一符号率；

一判断模块，用以根据该频率补偿后信号判断该初始载波频率偏移是否正确以产生一判断结果；以及

一修正模块，耦接于该混频器，依照该判断结果而根据该符号率及该频谱选择性地决定一修正后载波频率偏移给该混频器；

其中，该判断模块对该频率补偿后信号施以相位回复，并根据相位回复是否成功锁定判断该初始载波频率偏移是否正确；

若该判断模块的判断结果为否，该修正模块自该频谱中选择宽度对应于该符号率的一频率区段，并以该频率区段的一中心频率与一参考频率的差异为该修正后载波频率偏移。

2.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，该初始检测模块判断该频谱中的一最大能量及一最小能量并据以决定一门槛值，以该频谱与该门槛值的两相交点所对应的一频率平均值与一参考频率的差异为该初始载波频率偏移；该修正模块于该两相交点之间选择该频率区段。

3.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，该混频器还根据该修正后载波频率偏移重新调整该输入信号，以产生另一频率补偿后信号，该判断模块还根据该另一频率补偿后信号判断该修正后载波频率偏移是否正确；若否，该修正模块更根据该符号率及该频谱决定又一修正后载波频率偏移。

4.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，该符号率检测模块包含：

一功率计算单元，用以根据该输入信号或该频率补偿后信号产生一功率计算结果，其中该计算结果为|r(n)|²或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表该输入信号或该频率补偿后信号中的一信号值，n代表一时间指标，d代表不等于零的整数，conj为共轭符号；

一快速傅利叶转换单元，用以对该功率计算结果施以快速傅利叶转换，以产生一功率频谱；

一平方单元，用以将该功率频谱取绝对值后平方，以产生一平方结果；以及

一符号率决定单元，用以根据该平方结果所对应的一精确频谱中的一峰值位置决定该符号率。

5.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，该初始检测模块还根据该频谱决定该输入信号的一初始符号率，并提供至该符号率检测模块；该输入信号以一原始取样频率被取样；该符号率检测模块包含：

一降低取样单元，用以根据该初始符号率及该原始取样频率决定一降低取样比例，并根据该降低取样比例降低取样该频率补偿后信号，以产生一降低取样后信号；

一功率计算单元，用以根据该降低取样后信号产生一功率计算结果，其中该功率计算结果为|r(n)|²或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表该降低取样后信号中之一信号值，n代表一时间指标，d代表不等于零的整数，conj为共轭符号；

一快速傅利叶转换单元，用以对该功率计算结果施以快速傅利叶转换，以产生一功率频谱；

一平方单元，用以将该功率频谱取绝对值后平方，以产生一平方结果；以及

一符号率决定单元，用以根据该平方结果所对应的一精确频谱中的一峰值位置决定该符号率。

6.一种信号处理方法，包含：

(a)根据一输入信号的一频谱决定该输入信号的一初始载波频率偏移；

(b)根据该初始载波频率偏移调整该输入信号，以产生一频率补偿后信号；

(c)决定该输入信号的一符号率；

(d)对该频率补偿后信号施以相位回复；

(e)根据相位回复是否成功锁定判断该初始载波频率偏移是否正确，以及

(f)依照该判断步骤的判断结果而根据该符号率及该频谱选择性地决定一修正后载波频率偏移

若判断结果为否，自该频谱中选择宽度对应于该符号率的一频率区段，并以该频率区段的一中心频率与一参考频率的差异为该修正后载波频率偏移。

7.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，步骤(a)包含：

判断该频谱中的一最大能量及一最小能量；

根据该最大能量及该最小能量决定一门槛值；以及

以该频谱与该门槛值的两相交点所对应的一频率平均值与一参考频率的差异为该初始载波频率偏移；

并且步骤(f)包含：

以该两相交点的一为起始点，在该两相交点之间选择该频率区段。

8.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，进一步包含：

判断该修正后载波频率偏移是否正确；若否，根据该符号率及该频谱决定另一修正后载波频率偏移。

9.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，步骤(c)包含：

根据该输入信号或该频率补偿后信号产生一功率计算结果，其中该功率计算结果为|r(n)|²或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表该输入信号或该频率补偿后信号中的一信号值，n代表一时间指标，d代表不等于零的整数，conj为共轭符号；

对该功率计算结果施以快速傅利叶转换，以产生一功率频谱；

将该功率频谱取绝对值后平方，以产生一平方结果；以及

根据该平方结果所对应的一精确频谱中的一峰值位置决定该符号率。

10.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，该输入信号以一原始取样频率被取样，步骤(a)还包含根据该频谱决定该输入信号的一初始符号率，且步骤(c)包含：

根据该初始符号率及该原始取样频率决定一降低取样比例，并根据该降低取样比例降低取样该频率补偿后信号，以产生一降低取样后信号；

根据该降低取样后信号产生一功率计算结果，其中该计算结果为|r(n)|²或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表该降低取样后信号中的一信号值，n代表一时间指标，d代表不等于零的整数，conj为共轭符号；

对该功率计算结果施以快速傅利叶转换，以产生一功率频谱；

将该功率频谱取绝对值后平方，以产生一平方结果；以及

根据该平方结果所对应的一精确频谱中的一峰值位置决定该符号率。