CN103701731A

CN103701731A - 符号率估计方法及装置

Info

Publication number: CN103701731A
Application number: CN201310753616.1A
Authority: CN
Inventors: 郭焕丽; 戴永清; 郭继经; 柯仙胜; 黄戈; 梁伟强
Original assignee: SHANGHAI HIGH DEFINITION DIGITAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI HIGH DEFINITION DIGITAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103701731B

Abstract

本发明提供符号率估计装置及方法，其至少包括：AD转换器，其将接收端的模拟信号转换成数字信号；直流偏置消除器，消除信号频谱中的直流量，供符号率粗估计模块使用；符号率粗估计模块，将直流量消除后的信号进行固定点的DFT变换，粗略得出符号率和载波频率偏差；定时误差提取模块，提取定时误差信息；符号率细扫描模块，在符号率粗估计模块的基础上小范围内扫描符号率，根据定时误差信息提取精细的符号率；本发明的符号率估计方法及装置，具有以下有益效果：不管符号率范围有多广，符号率粗估计时间一致，只计算某些频点的DFT，例如8个点，而不是所有的频点，且多轮迭代，精度逐渐加大，符号率细扫描从定时误差的角度提取符号率，精度更高；因而本发明方法及装置可以不依赖任何门限做判决，更加鲁棒，能快速且精度更高的检测到符号率。

Description

符号率估计方法及装置

技术领域

本发明涉及数字电视的符号率识别，尤其是涉及精确估计调制信号的符号率的方法及装置。

背景技术

近年来，数字电视在世界范围内得到了广泛发展，国际上出现了多种电视标准，其中DVB_C、DVB-S/S2、ABS支持多种符号率，特别是DVB-S2，信号的符号率可能出现在1M～45M中的任意实数点上。如此，接收端必须自适应地识别发端信道的符号率才能实现对信号的正确解调。

现有技术的符号率估计方法和技术虽然很多，例如，专利文献：美国专利第7,376,204和专利文献：中国专利CN201210045517.3中都使用了FFT对信号进行频谱分析得出信号符号率的方法，但是，中国专利CN201210045517.3中采用了依赖于门限的符号率估计方法，且其采用的FFT运算点数过多，例如1024个点，上述这种现有的专利方法不仅耗时长，计算量大，而且符号率估计精度也非常受限；而专利文献：中国专利CN201050032317.3中虽然不使用FFT做符号率估计，而改为使用扫描方案实现，但是，这种专利方法也有缺陷：即当符号率范围很广时，这种扫描方案实现方法需要的扫描时间太长。

综上所述，为了避免上述问题，一种新的、有效的符号率估计方法及装置的发明是势在必行的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种快速、精确估计信号的符号率的方法即装置，同时该方法也能粗略的估计出信号的载波频率偏差。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明的具体技术方案是：

一种符号率估计装置，其至少包括：

AD转换器，其将接收端的模拟信号转换成数字信号；

直流偏置消除器，消除数字信号频谱中的直流量，供符号率粗估计模块使用；

符号率粗估计模块，将直流量消除后的数字信号进行固定点的DFT，采用多轮迭代粗略得出符号率和载波频率偏差；

定时误差提取模块，提取定时误差信息；

符号率细扫描模块，在符号率粗估计模块的基础上扫描得出的符号率，根据定时误差信息提取精细的符号率。

所述的符号率估计装置，其符号率粗估计模块包括：固定点的DFT计算模块，计算固定点的DFT，采用多轮迭代，DFT的精度逐步增大；

峰值平均模块，对固定频点的DFT的计算结果做统计平均，以产生精确的频谱；

功率差计算模块，对峰值平均模块的结果计算相邻频点的功率差；

上升沿和下降沿判断模块，根据功率差找到功率突变最大的位置，以确认上升沿和下降沿；以及，

符号率计算和起始点控制模块，根据上升沿和下降沿对应的频点计算符号率和载波偏差，且控制下一轮迭代的起始点，所述下一轮迭代是在上一轮的上升沿和下降沿左右几个点进行，DFT精度增大，频率分辨率加大。

所述的符号率估计装置，其是根据系统采样率和符号率细估计的要求确定迭代轮数，迭代结束后，根据上升沿和下降沿对应的频点算出最终的粗符号率和粗频偏。

所述的符号率估计装置，其还包括有:

载波恢复模块，将系统的粗频偏消除，使得信号的中心频率在零频附近；

可变滤波器组模块，是降采样模块，由滤波器组成，其实现对载波恢复后的信号降采样，对采样频率进行分频；所述可变滤波器组模块输出的符号时钟接近于真实符号率的两倍；内插器，在可变滤波器组模块输出的符号时钟基础上能精确地内插出两倍符号时钟；

匹配滤波器，可与发端的成型滤波器形成对应，实现无码间串扰传输。

所述的符号率估计装置，其所述的固定点的DFT是指多轮迭代中首轮采用8个点，之后在上升沿和下降沿处各4个点。

所述的符号率估计装置，其所述符号率细扫描模块包括：

DFT单元,用以分析定时误差的频谱；

峰值累计平均单元，用以对DFT的结果做平均得到精确的频谱；

峰值检测单元，用以检测定时误差的频谱中的最大值及其位置；以及，

扫描控制计算单元，用以控制扫描符号率，且扫描结束后对每次扫描的峰值进行排序，根据最大和次大峰值位置得出精确的符号率。

所述的符号率估计装置，其所述符号率细扫描模块输出的符号率反馈给可变滤波器组模块和内插器，每扫描一次，对应的可变滤波器要重新计算分频比，内插器生成新的符号时钟，定时误差提取模块在新的符号时钟下计算，符号率细扫描模块对对定时误差信息进行频谱分析。

所述的符号率估计装置的估计方法，其包括如下步骤：其首先将接收到的信号进行AD变换，消除直流偏置，采用多轮迭代，每轮只计算固定点的DFT，以粗略估计信号的符号率和载波偏差，提取定时误差信息后，在符号率粗估计模块的基础上扫描符号率，根据定时误差信息提取精细的符号率。

所述的符号率估计方法，其还包括计算固定点的DFT，采用多轮迭代，DFT的精度逐步增大；对固定频点的DFT的计算结果做统计平均，以产生精确的频谱；对峰值平均模块的结果计算相邻频点的功率差；根据功率差找到功率突变最大的位置，以确认上升沿和下降沿；以及，根据上升沿和下降沿对应的频点计算符号率和载波偏差，且控制下一轮迭代的起始点，所述下一轮迭代是在上一轮的上升沿和下降沿左右几个点进行，DFT的精度增大，频率分辨率加大；

所述的符号率估计方法，其根据系统采样率和符号率细估计的要求确定迭代轮数，迭代结束后，根据上升沿和下降沿对应的频点算出最终的粗符号率和粗频偏。

所述的符号率估计方法，其所述的固定点的DFT是指多轮迭代中首轮采用8个点，之后在上升沿和下降沿处各4个点。

所述的符号率估计方法，其所述提取精细的符号率的方法包括：分析定时误差的频谱；对DFT的结果做平均得到精确的频谱；检测定时误差的频谱中的最大值及其位置；以及，控制扫描符号率，且扫描结束后对每次扫描的峰值进行排序，根据最大和次大峰值位置得出精确的符号率。

所述的符号率估计方法，其扫描步进决定了要计算的DFT点的个数，粗符号率估计误差决定了扫描的范围。

如上所述，本发明的符号率估计方法及装置，具有以下有益效果：不管符号率范围有多广，符号率粗估计时间一致，只计算某些频点的DFT，例如8个点，而不是所有的频点，且多轮迭代，精度逐渐加大，符号率细扫描从定时误差的角度提取符号率，精度更高；因而本发明方法及装置可以不依赖任何门限做判决，更加鲁棒，且能快速且精度更高的检测到符号率。

附图说明

图1显示为本发明符号率估计装置的结构示意框图。

图2是本发明符号率粗估计的详细实现框架示意图；

图3是本发明符号率粗估计第一轮迭代的范例示意图；

图4是本发明符号率粗估计第二轮迭代的范例示意图。

图5是本发明定时误差峰值和符号率细估计关系的范例示意图。

图6是本发明符号率细扫一次扫描的详细框架示意图。

图7为本发明的符号率检测方法的流程示意图。

主要元件符号说明：

11：模拟数字转换器、12：直流消除器、13：符号率粗估计模块、13A：DFT、13B：峰值平均模块、13C：功率差计算模块、13D：上升沿和下降沿判断模块、13E：符号率计算和起始点控制模块、14：载波恢复模块、15：可变滤波器组、16：内插器、17：匹配滤波器、18：定时误差提取模块、19：符号率细扫描模块、19A：DFT单元、19B：峰值累计求平均、19C：峰值检测模块、19D：扫描控制计算模块。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图7。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明符号率估计装置可用于ABS、DVB－C、DVB－S和DVB－S2系统中，其主要包括：AD(Analog to Digtal)转换器11、直流消除器12、粗符号率估计器13、载波恢复模块14，可变滤波器组15，内插器16、匹配滤波器17、定时误差提取模块18、符号率细扫描模块19。其中，所述的AD(Analog to Digtal)转换器11负责将接收到信号数字化，采样频率Fsample至少大于信号的带宽的2倍。所述直流消除器12则分别求出AD后的数据的实部、虚部的均值，将其减掉产生Data，消除了频谱中的直流分量，供符号率粗估计模块使用。所述符号率粗估计模块13则是分析直流消除器12的频谱得出大致的符号率Fsym_coarse和粗频偏估计Fbias_coarse。上述的粗频偏估计送往载波恢复模块14，粗符号率提供给符号率细扫模块19使用。此外，符号率粗估计模块13包含固定点的DFT计算模块13A、峰值平均模块13B、功率差计算模块13C、上升沿和下降沿判断模块13D以及符号率计算和起始点控制模块13E。

图3和以一实例说明粗符号率估计的第一轮和第二轮计算的全过程，后面几轮迭代的计算流程和第二轮相同，本文中不再额外赘述。

假设AD采样Fsample=90M，符号率为39.375M。第一轮使用8个点的DFT，即，DFT_N=8,由于信号存在波动性，特别是在低信噪比下，单次的DFT结果并不能真实反映信号的频谱，需要多次累计平均才能准确计算每个频点的能量DFT_Ave,计算相邻频点的差值得到DFT_Ave_diff，找到DFT_Ave_diff的最大值(上升最快的部分)和最小值（下降最快的地方），分别对应着频谱的上升沿和下降沿，第一轮结束时计算符号率F_{sym_coarse_1st}=3/8*F_sample=33.75M；第二轮计算（具体如图4所示）增大DFT_N，使得DFT_N=16，提高频域分辨率，计算第一轮上升沿附近4个频点的DFT和下降沿附近4个频点的DFT，多次平均后得到第二轮8个频点的能量DFT_Ave，再计算相邻频点的差值得到DFT_Ave_diff，F_{sym_coarse_2nd}=7/16*F_sample=39.375M。后面几轮运算，逐次增大变换区间长度DFT_N,每轮只计算8个点的DFT，计算上一轮上升沿位置处4个点的DFT和下降沿处4个点的DFT；符号率粗估计控制模块13C要向DFT模块13A提供DFT_N和上升沿DFT_k_L和下降沿DFT_k_R。每轮频率分辨率为F_sample/DFT_N，要估计出0～1M的符号率DFT_N至少为128。根据系统采样率和符号率细估计的要求确定迭代轮数。迭代结束后，根据上升沿和下降沿的位置算出最终的粗符号率F_{sym_coarse}和粗频偏F_{bias_coarse}。后面迭代的起始点受制于前级迭代结果的影响，为了保证鲁棒性计算8个频点功率时前几轮的平均次数可以大于后面几轮的平均次数。

粗符号率估计模块13给出了频偏值F_{bias_coarse}，载波恢复模块14将系统的粗频偏消除，使得信号的中心频率在零频附近。可变滤波器组15是降采样模块，由几个滤波器组成，实现对载波恢复后的信号降采样，对Fsample进行分频，分频比由公式决定N=log₂(F_sample/2F_sym)，F_sym是符号率细扫描模块的输出。可变滤波器组15可由几个半带滤波器和一低通滤波器组成。可变滤波器组模块输出的符号钟接近于真实符号率的两倍，而内插器16在这个符号时钟基础上内插出两倍符号钟。匹配滤波器17可与发端的成型滤波器形成对应，实现无码间串扰（Inter-Symbol Interference）传输。定时误差提取模块18可以检测匹配滤器输出的两倍符号率是否有偏差，符号率细扫描模块19以小步进微调符号率，根据提取的定时偏差精确找到符号率。定时误差提取可采样gardner鉴相TED(n)=MF_i(n+1)*(MF_i(n+2)-MF_i(n))+MF_q(n+1)*(MF_q(n+2)-MF_q(n))，其中MF_i和MF_q分别代表MF的实部和虚部。定时误差在频域上是一根单音谱线，频谱中最大值的位置对应符号率偏差。以一实例说明：假设符号率粗估计的偏差为5%，即(F_{sym_true}-F_{sym_coarse})/F_{sym_true}=0.05，对应定时误差进行1024点DFT，频域峰值出现在54点上，可以得到F_sym=F_{sym_coarse}*(1+54/1024)=F_{sym_true}*0.9*(1+54/1024)，符号率精确估计的误差在几十个ppm以内。这个误差可以通过定时恢复电路补偿掉。DFT点数影响着符号率细估计的精度，DFT点数越多，精度越高，1024点的DFT可是符号率细估计的误差在500ppm以内。可根据定时恢复能力确定DFT点数。但是如图5所示，峰值位置出现在54，对应正符号率偏差也可以对应负符号率偏差，DFT峰值的位置仅表明了偏差值未表明方向，同时也为了计算DFT的频点尽量少，采用扫描的方式将符号率粗估计的误差限制在很小范围内，通过两个相邻扫描时刻峰值出现的位置可判断符号率偏差的方向。扫描步进决定了要计算DFT频点的个数，粗符号率估计误差决定了扫描范围。扫描符号率输出公式为：F_{sym_sweep}=F_{sym_coarse}*(1+SweepCnt*sweepstep)，其中SweepCnt为扫描计数器，sweepstep为扫描步进。例如，粗符号率估计偏差为10％（F_{sym_coarse}=0.9F_{sym_true}），符号率细扫步进定为5％，那么扫描范围Sweeprange为5，扫描计数器SweepCnt[-2,2]代表在F_{sym_coarse}基础上依次偏移－10％，－5％，0，5％，－5％，符号率残余分别为：19％，14.5％，10％，5.5％，1％，1024点的DFT观察前60各点的DFT峰值，只有残余偏差为5.5％，1％时，0～60个频点内的峰值最大，所以计算定时误差频谱时只计算前60个的DFT。可根据前两个最大峰值出现的位置和对应的扫描计数器，得出精确的符号率。假设最大的峰值位置是max_idx，扫描计数器为max_SweepCnt，次大峰值位置是sub_max_idx，扫描计数器为sub_max_SweepCnt，A1和A2中有一个值是真实的符号率，B1和B2中有一个值是真实的符号率，计算两组的差值A1-B1，A1-B2，A2-B1，A2-B2，比较大小，绝对值最小的那组对应真实的符号率F_sym。

F_{sym_coarse}*(1+max_SweepCnt*sweepstep)*(1+max_idx/DFT_N)A1

F_{sym_coarse}*(1+max_SweepCnt*sweepstep)*(1-max_idx/DFT_N)A2

F_{sym_coarse}*(1+sub_max_SweepCnt*sweepstep)*(1+sub_max_idx/DFT_N)B1

F_{sym_coarse}*(1+sub_max_SweepCnt*sweepstep)*(1-sub_max_idx/DFT_N)B2

符号率细扫描过程如图6所示：扫描过程由19D模块控制，符号率每扫描一次，符号率细扫描模块输出的符号率反馈给可变滤波器组和内插器，对应可变滤波器要重新计算分频比，内插器生成新的符号时钟，定时误差提取模块在新的符号时钟下计算，符号率细扫描模块对定时误差进行DFT运算（19A），运算点数(变换区间长度DFT_N)和频点根据系统要求而定，为保证鲁棒性，运算结果的峰值可以对多次累计求平均（19B），每次扫描记录峰值的位置和值即峰值检测（19C），扫描控制结束（19D）后，选取峰值最大的两组进行符号率判断。13A和19A可以复用，由于只需要某些频点的DFT值，可以用简单的乘法器和查表完成，13B和19B也可以复用。

图7是依据本发明优选实例的符号率检测方法流程示意图。开始步骤S51对输入信号进行AD变换，随后进行符号率粗估计的迭代步骤S52，每轮迭代分为S52分为A-E5个步骤，S52A为N1个频点的DFT单元，产生频谱，S52B为频谱平均单元，S52C对相邻两点的频点求功率差，判断上升沿和下降沿，给出下一轮DFT的起点位置，接着加大DFT－N，进行下一轮迭代直到结束。随后S53根据前面给出的载波偏差粗估计进行载波恢复，接着S54根据符号率粗估计的结果对信号下采样，S55在下采样的基础上进行内插，恢复出标准的符号率，内插结束后，信号经过S56匹配滤波器。S57根据定时误差提取原则，提取定时信息，S58是符号率细扫描过程，每扫描一次符号率，S58A～S59E对定时误差进行频谱分析，扫描结束后根据公式判断符号率偏差的值和方向。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种符号率估计装置，其特征在于，至少包括：

AD转换器，其将接收端的模拟信号转换成数字信号；

定时误差提取模块，提取定时误差信息；

2.根据权利要求1所述的符号率估计装置，其特征在于，所述符号率粗估计模块包括：固定点的DFT计算模块，计算固定点的DFT，采用多轮迭代，DFT的精度逐步增大；

符号率计算和起始点控制模块，根据上升沿和下降沿对应的频点计算符号率和载波偏差，且控制下一轮迭代的起始点，所述下一轮迭代是在上一轮的上升沿和下降沿左右几个点进行，DFT的精度增大，频率分辨率加大。

3.根据权利要求1所述的符号率估计装置，其特征在于，迭代轮数是根据系统采样率和符号率细估计的要求确定，迭代结束后，根据上升沿和下降沿对应的频点算出最终的粗符号率和粗频偏。

4.根据权利要求1所述的符号率估计装置，其特征在于，其还包括有:

5.根据权利要求2所述的符号率估计装置，其特征在于，所述的固定点的DFT是指多轮迭代中首轮采用8个点，之后在上升沿和下降沿处各4个点。

6.根据权利要求1所述的符号率估计装置，其特征在于，所述符号率细扫描模块包括：DFT单元,用以分析定时误差的频谱；

7.根据权利要求4所述的符号率估计装置，其特征在于，所述符号率细扫描模块输出的符号率反馈给可变滤波器组模块和内插器，每扫描一次，对应的可变滤波器要重新计算分频比，内插器生成新的符号时钟，定时误差提取模块在新的符号时钟下计算，符号率细扫描模块对对定时误差信息进行频谱分析。

8.根据权利要求1所述的符号率估计装置的估计方法，其特征在于，其包括如下步骤：首先将接收到的信号进行AD变换，消除直流偏置，采用多轮迭代，每轮只计算固定点的DFT，以粗略估计信号的符号率和载波偏差，提取定时误差信息后，在符号率粗估计模块的基础上扫描符号率，根据定时误差信息提取精细的符号率。

9.根据权利要求8所述的符号率估计方法，其特征在于，还包括计算固定点的DFT，采用多轮迭代，DFT的精度逐步增大；对固定频点的DFT的计算结果做统计平均，以产生精确的频谱；对峰值平均模块的结果计算相邻频点的功率差；根据功率差找到功率突变最大的位置，以确认上升沿和下降沿；以及，根据上升沿和下降沿对应的频点计算符号率和载波偏差，且控制下一轮迭代的起始点，所述下一轮迭代是在上一轮的上升沿和下降沿左右几个点进行，DFT的精度增大，频率分辨率加大。

10.根据权利要求9所述的符号率估计方法，其特征在于，根据系统采样率和符号率细估计的要求确定迭代轮数，迭代结束后，根据上升沿和下降沿对应的频点算出最终的粗符号率和粗频偏。

11.根据权利要求9所述的符号率估计方法，其特征在于，所述的固定点的DFT是指多轮迭代中首轮采用8个点，之后在上升沿和下降沿处各4个点。

12.根据权利要求9所述的符号率估计方法，其特征在于，所述提取精细的符号率的方法包括：分析定时误差的频谱；对DFT的结果做平均得到精确的频谱；检测定时误差的频谱中的最大值及其位置；以及，控制扫描符号率，且扫描结束后对每次扫描的峰值进行排序，根据最大和次大峰值位置得出精确的符号率。

13.如权利要求9所述的符号率估计方法，其特征在于，扫描步进决定了要计算的DFT点的个数，粗符号率估计误差决定了扫描的范围。