CN103780527B - 多载波通信系统的频率偏补估计方法与相关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多载波通信系统的频率估计方法，包括下列步骤：将一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；计算二个符元的一相关性，并获得多个子载波相对应的相关性复数值；根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组；根据M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及，根据M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补。
Description
技术领域
本发明是有关于一种多载波通信系统的频率偏补估计方法与相关装置，且特别是一种通用于地面数字视讯广播(Digital Video Broadcasting Terrestrial，以下简称DVB-T)与地面整合数字服务广播(Integrated Services Digital Broadcasting，以下简称ISDB-T)系统的频率偏补估计方法与相关装置。
背景技术
应用正交分频多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下简称OFDM)技术的多载波通信系统，可应用于DVB-T系统、以及ISDB-T系统。一般来说，OFDM技术对于载波频率(carrier frequency)的偏补(offset)非常敏感。由于传输器与接收器的振荡器不匹配(mismatch)，因此在接收器端需要先估计频率偏补，并且补偿频率的偏补后，才可接收并解码数据信号。
在DVB-T系统中，利用连续导频信号(continual pilot，以下简称CP信号)来估计频率偏补。例如美国专利US8149962揭示一种频率偏补估计的方法(estimating frequencyshift)。而在某些ISDB-T系统中，由于CP的数目太少或者完全没有CP，所以无法据以估计频率偏补。因此，在ISDB-T系统中，利用传输与多工组态控制信号(Transmission andMultiplexing Configuration Control，以下简称TMCC信号)或者辅助通道信号(Auxiliary Channel，以下简称AC信号)来估计频率偏补。例如美国专利US8064553揭示一种运用于ISDB-T接收器的频率偏补估计的方法(coarse frequency offset estimationin ISDB-T receiver)。
由以上说明可知，DVB-T系统中的CP信号在固定频率出现的特定不时变的实数，而ISDB-T系统中的TMCC信号与AC信号在固定频率出现且载有讯息的时变的实数。
因此，美国专利US8149962所揭示的频率偏补的估计方法仅利用CP信号来决定频率偏补，其适用于DVB-T系统并不适用于ISDB-T系统。
再者，美国专利US8064553所揭示的频率偏补的估计方法仅利用TMCC信号与AC信号来决定频率偏补，其适用于ISDB-T系统并不适用于DVB-T系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种通用于DVB-T系统以及ISDB-T系统的频率偏补估计方法与相关装置。
本发明有关于一种多载波通信系统的频率估计方法，包括下列步骤：将一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；计算二个符元的一相关性，并获得多个子载波相对应的相关性复数值；根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组；根据M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及，根据M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补。
本发明有关于一种多载波通信系统的频率估计装置，包括：一快速傅立叶转换单元，一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；一缓冲单元，接收该些符元；一共轭乘法单元，接收该快速傅立叶转换单元所输出的一现在符元以及该储存缓冲单元所输出的一前一个符元，并进行一共轭乘法后产生多个相关性复数值；一大小撷取单元，撷取该些相关性复数值中的实部大小；一储存单元，储存该些相关性复数值中的实部大小；以及，一处理单元，根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组，并且根据M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及，根据M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1为OFDM调制信号示意图。
图2为本发明频率偏补的估计方法流程图第一实施例。
图3为第一实施例的估计范例。
图4为本发明频率偏补的估计装置。
图5为本发明频率偏补的估计方法流程图第二实施例。
图6为第二实施例的估计范例。
主要元件符号说明
S102～S114：步骤流程
S202～S214：步骤流程
302：FFT单元
304：缓冲单元
306：共轭乘法单元
308：大小撷取单元
310：储存单元
312：处理单元
具体实施方式
以下先以ISDB-T系统﹑利用TMCC信号以及AC信号来进行频率偏补估计为范例来做说明。由于ISDB-T标准中已规范TMCC信号以及AC信号所在的子载频(subcarrier)位置，因此上述的子载频位置的集合即定义为一特定信号子载波位置组(subcarrier positionset of specific signal)。其中，上述特定信号为TMCC信号、或者AC信号、或者是TMCC信号以及AC信号。根据本发明的实施例，在接收器侧，需要根据已知的特定信号子载波位置组来估计出频率偏补。
举例来说，对一基频信号(base band)进行快速傅立叶转换(FFT)，将该基频信号由时域(time domain)转换至频域(frequency domain)后，其OFDM调制信号示意图如图1所示。其中，各个时间点tn-1、tn、tn+1等等皆会收到一个符元(symbol)。
由图1的图示可知，每个符元中有19个子载波。其中，在符元的中心频点(centerfrequency)处，设定为位置0，往递增的方向间隔固定的频率处依序定义为正数的子载波，往递减方向间隔固定的频率处依序定义为负数的子载波。再者，在-5位置、-2位置、+5位置的子载波上为TMCC信号或者AC信号；而其他位置则为数据信号。因此，特定信号子载波位置组即为(-5，-2，+5)。
根据ISDB-T系统的特性可知，TMCC信号以及AC信号为仅具备实部的多，但是其符号(sign)是未确定的的，而其他的数据信号皆为同时具有实部与虚部的多。再者，TMCC信号以及AC信号的大小(magnitude)大于其他数据信号的大小。
根据以上的特性，本发明即提出图2所示的频率偏补的估计方法流程图。首先，在步骤S102中，计算连续二个符元的相关性(correlation)，并获得所有子载波相对应的相关性复数值(correlating complex number)。其中，每一个相关性复数值包括一实部符号，一实部大小，一虚部符号，以及一虚部大小。
从步骤S104至步骤S112，依序提供M个候选频率偏补(candidate frequencyoffset)，并且计算出M个计算数值。详细说明如下：
于m＝1时，提供第一个候选频率偏补，根据特定信号子载波位置组决定一第一候选子载波位置组(步骤S106)。接着，根据第一候选子载波位置组所对应的多个相关性复数值，加总其实部大小并获得第一计算数值(步骤S108)。同理，提供第二个至第M个候选频率偏补时，也是以相同的方法来获得第二个至第M个计算数值。
获得M个计算数值后，根据M个计算数值中的一最大计算数值来决定一率偏补(步骤S114)。其中，最大计算数值所对应的候选频率偏补即为频率偏补。
请参照图3，其所绘示为上述第一实施例的实际范例。当接收器将基频信号进行快速傅立叶转换将基频信号由时域转换至频域后，各个时间点tn-1、tn、tn+1等等皆会收到一个符元。
本发明计算二个连续的符元的相关性，亦即根据时间点tn-1以及时间点tn的二个符元来计算其相关性。当然，也在此领域的技术人员也可以利用其他的二个连续符元，例如时间点tn以及时间点tn+1的二个符元，来进行算其相关性。其中，特定信号子载波位置组(A、B、C)为(-5，-2，+5)。
当计算二个符元的相关性后，将会产生对应于子载波的19个相关性复数值(Y-9～Y9)。在忽略杂讯以及通道增益为相同的情况下，二个符元中第k个子载波上的相关性复数值即为：
其中：
Rn,k以及Rn-1,k代表第n个以及第n-1个符元之中第k个子载波上的信号大小。
Xn,k以及Xn-1,k代表第n个以及第n-1个符元之中第k个子载波上的数据大小。
Hn,k以及Hn-1,k代表第n个以及第n-1个符元之中第k个子载波上的通道增益(channel gain)。
所以，其中，
θn,k以及θn-1,k由细频率偏补(fine frequency offset)所造成。
计算二个符元的相关性后，相较于数据信号的大小，TMCC信号以及AC信号的子载波上将会在实部产生较大的大小。因为根据ISDB-T系统标准，TMCC信号以及AC信号为可为正值或者负值﹑仅具备实部的多，而其他的数据信号皆为同时具有实部与虚部的多。再者，TMCC信号以及AC信号的大小大于其他数据信号的大小。因此，忽略相关性复数值(Y-9～Y9)的实部符号，仅撷取相关性复数值(Y-9～Y9)的实部大小，并进行运算来获得计算数值。
假设特定信号子载波位置组为(A，B，C)，并且提供五个候选频率偏补，例如为-2、-1、0、+1、+2五个候选频率偏补。根据图2可知，特定信号子载波位置组(A，B，C)即为(-5、-2、+5)。当然，在此领域的技术人员也可以提供更多的候选频率偏补来进行，其估计方式相同，不再赘述。
因此，第一候选子载波位置组即设定为(A-2、B-2、C-2)，亦即(-7、-4、+3)；第二候选子载波位置组即设定为(A-1、B-1、C-1)，亦即(-6、-3、+4)；第三候选子载波位置组即设定为(A、B、C)，亦即(-5、-2、+5)；第四候选子载波位置组即设定为(A+1、B+1、C+1)，亦即(-4、-1、+6)；以及第五候选子载波位置组即设定为(A+2、B+2、C+2)，亦即(-3、0、+7)。
根据上述五个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，并加总其实部大小后将获得五个计算数值(V1～V5)。
V1＝|Re(Y-7)|+|Re(Y-4)|+|Re(Y+3)|
V2＝|Re(Y-6)|+|Re(Y-3)|+|Re(Y+4)|
V3＝|Re(Y-5)|+|Re(Y-2)|+|Re(Y+5)|
V4＝|Re(Y-4)|+|Re(Y-1)|+|Re(Y+6)|
V5＝|Re(Y-3)|+|Re(Y0)|+|Re(Y+7)|
由于TMCC信号以及AC信号的实部大小大于数据信号，因此选取五个计算数值中的最大计算数值，即可确定该最大计数值所对应的候选频率偏补即为频率偏补。
举例来说，假设比较五个计算数值后，第四计算数值(V4)为最大值。因此，第四候选频率偏补(+1)即为本发明所域决定的频率偏补。换句话说，接收器即可调整本地震器增加一个子载波的频率间隔即可补偿频率偏补。
请参照图4其所绘示为本发明频率偏补的估计装置。其包括：一快速傅立叶转换(FFT)单元302、缓冲单元304、共轭乘法单元306、大小撷取单元308、储存单元310、处理单元312。
首先，FFT单元将基频信号进行快速傅立叶转换，并将基频信号由时域转换至频域后，会依序产生多个符元输入缓冲单元304以及共轭乘法单元306。
共轭乘法单元306计算二个连续的符元的相关性，亦即收到的符元(currentsymbol)以及先前储存缓冲单元304中前一个符元(previous symbol)进行共轭乘法后产生多个相关性复数值。
大小撷取单元308，撷取所有相关性复数值中的实部大小，并储存于储存单元310。亦即，大小撷取单元308忽略相关性复数值的实部符号、虚部符号、以及虚部大小，仅输出相关性复数值的实部大小。
处理单元312根据已知的特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补，产生M个候选子载波位置组。并且，根据M个候选子载波位置组来读取储存单元310中对应的数值并进行加总，进而产生M计算数值。并且，根据其中的一最大计算数值来决定频率偏补。
为了能够更提高频率偏补的正确性，本发明提出如图5所示的频率偏补的估计方法第二实施例。与第一实施例的差异仅在于步骤S208中计算数值的算法。而其他的步骤S202、S204、S206、S210、S212、S214与第一实施例完全相同。
根据本发明的第二实施例，其根据第一候选子载波位置组所对应的多个相关性复数值，加总其实部大小减去虚部大小后的结果并获得第一计算数值(步骤S208)。同理，提供第二个至第M个候选频率偏补时，也是以相同的方法来获得第二个至第M个计算数值。
同理，如图6所示，假设特定信号子载波位置组为(A，B，C)，并且提供五个候选频率偏补，例如为-2、-1、0、+1、+2五个候选频率偏补。根据图2可知，特定信号子载波位置组(A，B，C)即为(-5、-2、+5)。
因此，第一候选子载波位置组即设定为(A-2、B-2、C-2)，亦即(-7、-4、+3)；第二候选子载波位置组即设定为(A-1、B-1、C-1)，亦即(-6、-3、+4)；第三候选子载波位置组即设定为(A、B、C)，亦即(-5、-2、+5)；第四候选子载波位置组即设定为(A+1、B+1、C+1)，亦即(-4、-1、+6)；以及第五候选子载波位置组即设定为(A+2、B+2、C+2)，亦即(-3、0、+7)。
根据上述五个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，并加总其实部大小后将获得五个计算数值(V1～V5)。
V1＝|Re(Y-7)|-|Im(Y-7)|+|Re(Y-4)|-|Im(Y-4)|+|Re(Y+3)|-|Im(Y+3)|
V1＝|Re(Y-6)|-|Im(Y-6)|+|Re(Y-3)|-|Im(Y-3)|+|Re(Y+4)|-|Im(Y+4)|
V1＝|Re(Y-5)|-|Im(Y-5)|+|Re(Y-2)|-|Im(Y-2)|+|Re(Y+5)|-|Im(Y+5)|
V1＝|Re(Y-4)|-|Im(Y-4)|+|Re(Y-1)|-|Im(Y-1)|+|Re(Y+6)|-|Im(Y+6)|
V1＝|Re(Y-3)|-|Im(Y-3)|+|Re(Y0)|-|Im(Y0)|+|Re(Y+7)|-|Im(Y+7)|
由于TMCC信号以及AC信号的实部大小大于数据信号，因此选取五个计算数值中的最大计算数值，即可确定该最大计数值所对应的候选频率偏补即为频率偏补。
举例来说，假设比较五个计算数值后，第一计算数值(V1)为最大值。因此，第一候选频率偏补(-2)即为本发明所域决定的频率偏补。换句话说，接收器即可调整本地震器减少二子载波的频率间隔即可补偿频率偏补。
同理，利用图4其所绘示的频率偏补的估计装置来达成第二实施例。其中，大小撷取单元308，撷取所有相关性复数值中的实部大小以及虚部大小，并储存于储存单元310。也就是说，相较于第一实施例，大小撷取单元308忽略相关性复数值的实部符号、以及虚部符号，并输出相关性复数值的实部大小以及虚部大小。
再者，处理单元312根据已知的特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补，产生M个候选子载波位置组。并且，根据M个候选子载波位置组来读取储存单元310中对应的实部大小减去虚部大小后的结果并进行加总，进而产生M计算数值。并且，根据其中的一最大计算数值来决定频率偏补。
相较于ISDB-T系统的TMCC信号以及AC信号，由于DVB-T系统中的CP信号已确定为非时变的实部。亦即，在DVB-T标准中已规范CP信号所在的子载频位置，因此子载频位置的集合即可定义为特定信号子载波位置组。换句话说，在DVB-T系统下，也可以利用图2或者图5来获得频率偏补。使得在DVB-T系统之下，也可以利用本发明的第一实施例以及第二实施例而准确的获得频率偏补。
由上述说明可知，本发明的优点是提出一种通用于DVB-T系统以及ISDB-T系统的频率偏补估计方法与相关装置。本发明的特征是在进行加总之前需先将相关性复数值中的实部符号以及虚部符号忽略，仅利用相关性复数值的实部大小，或者实部大小减去虚部大小的结果来获得频率偏补估计。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围由权利要求书界定为准。
Claims (9)
1.一种多载波通信系统的频率估计方法，包括下列步骤：
将一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；
计算该多个符元中二个符元的一相关性，并获得多个子载波相对应的相关性复数值；
根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组；
根据该M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及
根据该M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补；
其中，计算M个计算数值步骤还包括下列步骤：
提供一第一候选频率偏补，根据该特定信号子载波位置组决定一第一候选子载波位置组；以及
根据第一候选子载波位置组所对应的多个相关性复数值，加总其实部大小并获得一第一计算数值。
2.一种多载波通信系统的频率估计方法，包括下列步骤：
将一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；
计算该多个符元中二个符元的一相关性，并获得多个子载波相对应的相关性复数值；
根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组；
根据该M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及
根据该M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补；
其中，计算M个计算数值步骤还包括下列步骤：
提供一第一候选频率偏补，根据该特定信号子载波位置组决定一第一候选子载波位置组；以及
根据第一候选子载波位置组所对应的多个相关性复数值，加总其实部大小减去虚部大小后的结果并获得一第一计算数值。
3.如权利要求1或2所述的频率估计方法，其特征在于，该特定信号子载波位置组为一传输与多工组态控制信号载波位置组，或者一辅助通道信号载波位置组，或者一连续导频信号载波位置组。
4.如权利要求1或2所述的频率估计方法，其特征在于，计算连续二个符元的该相关性，将该二个符元进行一共轭乘法后获得该多个子载波相对应的相关性复数值。
5.如权利要求1或2所述的频率估计方法，其特征在于，当提供一第m候选频率偏补及其对应的一第m候选子载波位置组所求得的一第m计算数值为该最大计算数值时，该第m候选频率偏补为该频率偏补。
6.一种多载波通信系统的频率估计装置，包括：
一快速傅立叶转换单元，将一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；
一缓冲单元，接收该多个符元；
一共轭乘法单元，接收该快速傅立叶转换单元所输出的一当前符元以及该缓冲单元所输出的一前一个符元，并进行一共轭乘法以产生多个相关性复数值；
一大小撷取单元，撷取该多个相关性复数值中的实部大小；
一储存单元，储存该多个相关性复数值中的实部大小；以及
一处理单元，根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组，并且根据该M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及，根据该M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补；
其中，该处理单元计算M个计算数值至少包括下列步骤：
根据一第一候选频率偏补，以及该特定信号子载波位置组决定一第一候选子载波位置组；以及
根据第一候选子载波位置组所对应的多个相关性复数值，加总其实部大小并获得一第一计算数值。
7.一种多载波通信系统的频率估计装置，包括：
一快速傅立叶转换单元，将一接收信号由一时域转换为一频域，并产生多个符元；
一缓冲单元，接收该多个符元；
一共轭乘法单元，接收该快速傅立叶转换单元所输出的一当前符元以及该缓冲单元所输出的一前一个符元，并进行一共轭乘法以产生多个相关性复数值；
一大小撷取单元，撷取该多个相关性复数值中的实部大小；
一储存单元，储存该多个相关性复数值中的实部大小；以及
一处理单元，根据一特定信号子载波位置组以及M个候选频率偏补来据以产生M个候选子载波位置组，并且根据该M个候选子载波位置组所对应的相关性复数值，计算出M个计算数值；以及，根据该M个计算数值中的一最大计算数值来决定一频率偏补；
其中，该大小撷取单元，还撷取该多个相关性复数值中的虚部大小并储存于该储存单元，且该处理单元计算M个计算数值至少包括下列步骤：
根据一第一候选频率偏补，以及该特定信号子载波位置组决定一第一候选子载波位置组；以及
根据第一候选子载波位置组所对应的多个相关性复数值，加总其实部大小减去虚部大小后的结果并获得一第一计算数值。
8.如权利要求6或7所述的频率估计装置，其特征在于，该特定信号子载波位置组为一传输与多工组态控制信号载波位置组，或者一辅助通道信号载波位置组，或者一连续导频信号载波位置组。
9.如权利要求6或7所述的频率估计装置，其特征在于，当提供一第m候选频率偏补及其对应的一第m候选子载波位置组所求得的一第m计算数值为该最大计算数值时，该处理单元决定该第m候选频率偏补为该频率偏补。
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