CN103929380A - 无线接收系统及其频道效应估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线接收系统及其频道效应估计方法，本发明的无线接收系统包含接收模块、初步估计模块、等化模块及选择模块。该接收模块接收经过一多路径环境送抵的一参考信号与至少一输入信号。该参考信号对应于未受该多路径环境影响的一已知信号。该初步估计模块根据该至少一输入信号产生多个候选频道效应。该等化模块分别利用该多个候选频道效应中的每一个候选频道效应，对该参考信号施以一等化程序，以产生多个等化结果。该选择模块自该多个等化结果中选择最接近该已知信号的一最佳等化结果，并选择对应于该最佳等化结果的该候选频道效应来代表该多路径环境。

Description

无线接收系统及其频道效应估计方法

技术领域

本发明与数位信号广播技术相关，并且尤其与用以估计多路径(multipath)环境的频道效应(channel effect)的技术相关。

背景技术

随着通信技术的进步，数位电视广播的发展渐趋成熟。除了经由电缆线路传送外，数位电视信号也可透过基地台或人造卫星等设备以无线信号的型态被传递。数位视讯地面广播(digital video broadcasting-terrestrial,DVB-T)以及综合服务数位地面广播(integrated services digital broadcasting-terrestrial,ISDB-T)皆是该领域中目前被广泛采用的标准。

大多数的无线通信环境中都存在多路径(multipath)状况，接收端必须评估出相对应的频道效应(channel effect)，始能正确解读、运用接收到的数据，例如正确找出信号中符号(symbol)与符号之间的边界。以下段落以DVB-T及ISDB-T信号为例，说明接收端误判频道效应时可能导致的结果。

图1(A)为符合DVB-T及ISDB-T规范的信号范例，其中每个符号的起始处各包含一频道导引(channel pilot)区段。频道导引区段是该符号的结尾区段的复制，也就是说，区段CP1和区段E1的内容相同，且区段CP2和区段E2的内容相同。图1(B)为该信号通过多路径环境送抵接收端后的可能结果。于时间点t1，经第一路径传递的信号(以下称第一信号)首先抵达接收端，而经第二路径传递的同一个信号(以下称第二信号)则是在时间点t2才抵达接收端。为了找出符号间的分界点，接收端通常会对收到的信号进行相关性运算。该相关性运算的两个取样视窗(window)的大小即为频道导引区段的长度，而两取样视窗的间距被固定为频道导引区段及其相对应的结尾区段间的距离。由图1(C)可看出，当两个取样视窗(以斜线区块表示)所选取的是区段CP1和区段E1，其相关性最高。相较之下，当两个取样视窗滑动至图1(D)所绘示的位置时，得出的相关性必然较低。

单纯考虑第一信号时，其相关性运算结果与时间的关系为图1(E)中的曲线CR1。单纯考虑第二信号时，其相关性运算结果与时间的关系为曲线CR2(假设第二信号的强度较弱，因此CR2的峰值低于CR1的峰值)。实际上，接收端收到的信号是第一信号和第二信号的加成结果(以下称加成后信号)，而非各自独立的第一信号、第二信号。因此，接收端得到的相关性运算结果曲线会是图1(E)中的曲线CR，也就是曲线CR1和CR2的总和。

由图1(E)可看出，根据曲线CR1中的峰值位置可轻易辨识出第一信号中各个符号之间的边界。相似地，根据曲线CR2中的峰值位置亦可轻易辨识出第二信号中各个符号之间的边界。然而，根据曲线CR却难以直接正确判定出加成后信号中的符号边界。加成后信号通过的多路径环境愈复杂，或是在传递过程中受到的杂讯干扰愈大，此判定任务便愈艰巨。若接收端找出该加成后信号所通过的多路径环境的频道效应，就能分辨曲线CR中由CR1和CR2各自贡献的成分，进而自加成后信号中拆解出第一信号及第二信号，并选择较理想的符号边界。显然，若接收端无法正确评估出多路径环境的频道效应，很有可能会误判符号边界，进而导致接收系统的表现下降。

如图2所示，在许多无线通信系统中，接收端在单一时间点t_X接收到的信号同时包含多种频率成分(F₁~F_N)，也就是包含由多种不同副载波(subcarrier)承载的内容。此信号通过的多路径环境的频道效应实际上是副载波F₁~F_N各自对应的频域频道效应H₁~H_N的总和。也就是说，若欲准确估计此信号通过的多路径环境的频道效应，最理想的做法是找出H₁~H_N。然而，由于各副载波承载的数据内容未必皆为接收端所知，且找出所有的频域频道效应H₁~H_N需要耗费大量时间，接收端通常不会采用这个方案。实务上，一种可能的做法是仅评估某些副载波所对应的频域频道效应，例如频率指标为3的倍数的副载波(F₀、F₃、F₆、F₉、...)所对应的频域频道效应(H₀、H₃、H₆、H₉、...)。随后，接收端可对该等频域频道效应进行逆向快速傅立叶变换(inverse fast Fourier transform,IFFT)，以找出相对应的时域频道效应。

如图3(A)所示，由于接收端仅使用对应于频率指标为3的倍数的频域频道效应做为取样值，IFFT的结果中会包含三份时域频道效应，其中一份是真正对应于该多路径环境的时域频道效应，另外两份是该时域频道效应的复制品。在这个范例中，该多路径环境真正的时域频道效应有可能是图3(B)中标示的h₁，也有可能是图3(C)中标示的h₂。接收端必须自h₁和h₂中选择出一个时域频道效应来代表该多路径环境。

在先前技术中，接收端通常是分别利用h₁和h₂对收到的信号进行大量测试，再就其测试结果判断应选择h₁或h₂。举例而言，典型的DVB-T接收端可能会根据h₁和h₂各自决定一个相对应的符号边界，再根据两种不同的符号边界，连续分析多个符号的位元错误率(bit error rate,BER)。随后，接收端会选择对应于较低位元错误率的时域频道效应。这种大量测试方案的缺点在于自多个候选频道效应中选择一个频道效应所需要的时间相当长。就电视系统而言，这个缺点会造成切换频道后，使用者必须经过长时间的等待，始能在萤幕上看到正确的画面。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出新的无线接收系统及其频道效应估计方法。根据本发明的无线接收系统及估计方法对一参考信号施以对应于不同频道效应的等化程序，并根据得出的等化结果判断哪一个频道效应最能代表该参考信号通过的多路径环境。相较于需要对输入信号进行大量测试始能找出正确频道效应的先前技术，本发明进行的评估程序简洁许多，因此可大幅缩短相关运作时间。本发明的概念的应用不限于DVB-T或ISDB-T接收系统，而是可实施在各种需要自多路径环境的多个候选频道效应中选择一个最正确频道效应的场合。

根据本发明的一具体实施例为一种无线接收系统，其中包含接收模块、初步估计模块、等化模块及选择模块。该接收模块接收经过一多路径环境送抵的一参考信号与至少一输入信号。该参考信号对应于未受该多路径环境影响的一已知信号。该初步估计模块根据该至少一输入信号产生多个候选频道效应。该等化模块分别利用该多个候选频道效应中的每一个候选频道效应，对该参考信号施以一等化程序，以产生多个等化结果。该选择模块自该多个等化结果中选择最接近该已知信号的一最佳等化结果，并选择对应于该最佳等化结果的该候选频道效应来代表该多路径环境。

根据本发明的另一具体实施例为一种频道效应估计方法。该方法首先执行一接收步骤，接收经过一多路径环境送抵的一参考信号与至少一输入信号，该参考信号对应于未受该多路径环境影响的一已知信号。随后，该方法执行一初步评估步骤，根据该至少一输入信号产生多个候选频道效应。接着，该方法执行一等化步骤，分别利用该多个候选频道效应中的每一个候选频道效应，对该参考信号施以一等化程序，以产生多个等化结果。接着，该方法执行一选择步骤，自该多个等化结果中选择最接近该已知信号的一最佳等化结果，并选择对应于该最佳等化结果的该候选频道效应来代表该多路径环境。

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)为符合DVB-T及ISDB-T规范的信号范例；图1(B)为该信号通过多路径环境送抵接收端后的可能结果；图1(C)和图1(D)用以说明取样视窗可能出现的位置；图1(E)呈现了对各信号进行相关性运算的结果。

图2为包含多种频率成分的信号的示意图。

图3(A)~图3(C)为对频域频道效应取样施以逆向快速傅立叶变换的结果范例。

图4为根据本发明的一实施例中的无线接收系统的方块图。

图5为ISDB-T的信号内容配置示意图，其横轴为频率，纵轴为时间。

图6为根据本发明的初步估计模块的一种细部实施范例。

图7(A)和图7(B)为根据本发明的过滤单元的输出信号范例。

图8(A)和图8(B)用以说明根据本发明的过滤单元可采用的过滤视窗宽度范例。

图9为根据本发明的初步估计模块的一种细部实施范例。

图10(A)~图10(D)用以说明根据本发明的旋转单元与反旋转单元的作用。

图11为根据本发明的频道效应估计方法的流程图。

主要元件符号说明

CP1~CP3：频道导引区段    E1~E3：结尾区段

h₁、h₂：频道效应         400：无线接收系统

42：接收模块             44：初步估计模块

46：等化模块             48：选择模块

44A：评估单元            44B：时域内插单元

44C：IFFT单元            44D：过滤单元

44E：FFT单元             44F：旋转单元

44G：反旋转单元          S91~S94：流程步骤

具体实施方式

根据本发明的一实施例为一无线接收系统，其功能方块图如图4所示。此无线接收系统400包含接收模块42、初步估计模块44、等化(equalization)模块46和选择模块48。实务上，无线接收系统400可实现在各种必须自多路径环境导致的多个可能频道效应中选择一个频道效应的应用中。以下说明主要以无线接收系统400为符合综合服务数位地面广播(integrated services digital broadcasting-terrestrial,ISDB-T)规格的接收端为例，但不以此为限。

接收模块42负责接收ISDB-T传送端提供的信号。图5为ISDB-T的信号内容配置示意图，其横轴为频率，纵轴为时间。如图5所示，频率指标为3的倍数(例如0、3、6、9、...)的副载波每隔一段特定时间会承载一个分散引导信号(scatter pilot)，而频率指标为P的副载波则是用以承载传送参数讯息(transmitting parametersignaling,TPS)。须说明的是，P不是3的倍数，且承载传送参数讯息的副载波可能有多个。此外，分散引导信号和传送参数讯息的原始内容(亦即未受多路径环境影响前的内容)皆为无线接收系统400所知。

由于ISDB-T接收端的实体位置通常是固定的，该接收端与传送端间的多路径环境的频道效应在多数时候亦大致固定不变。因此，无线接收系统400可选择接收模块42在某一个时间点收到的信号(例如图5中时间指标为2的信号)做为判断该多路径环境的频道效应的依据。

首先，初步估计模块44会找出多个可能的候选频道效应。由于出现在频率指标为3的倍数的副载波上的分散引导信号的原始内容为已知，初步估计模块44可利用该等分散引导信号来估计频道效应。图6为初步估计模块44的一种细部实施范例，其中包含评估单元44A、时域内插(time domain interpolation)单元44B、IFFT单元44C、过滤单元44D以及FFT单元44E。

以估计时间指标为2的信号所对应的频道效应为例，评估单元44A可找出时间指标邻近于或等于2的各个分散引导信号各自的频域频道效应H，例如时间指标为0、频率指标为0的分散引导信号的频域频道效应H_{(t＝0,f＝0)}，以及时间指标为4、频率指标为0的分散引导信号的频域频道效应H_{(t＝4,f＝0)}。根据评估单元44A提供的评估结果，时域内插单元44B进一步找出时间指标为2且频率指标为3N(N=0,1,2，...)的各笔数据所对应的频域频道效应H_{(t＝2,f＝3N)}。举例而言，时域内插单元44B可利用时域内插决定在时间上位于H_{(t＝0,f＝0)}和H_{(t＝4,f＝0)}之间的频域频道效应H_{(t＝2, f＝0)}。依此类推，时域内插单元44B可利用H_{(t＝1，f＝3)}和H_{(t＝5，f＝3})内插出H_{(t＝2，f＝3)}。时间指标为2、频率指标为6的分散引导信号的频域频道效应H_{(t＝2,f＝6)}则是直接包含在评估单元44A产生的结果中，无需经过时域内插程序。时域内插单元44B的输出信号也就是时间指标为2的一组频域频道效应取样(取样间隔为3)。须说明的是，上述各频域引导信号的频域频道效应的决定方式为本发明所属技术领域中具有通常知识者所知，于此不再赘述。

在决定时间指标为2且频率指标为3N的各个副载波所对应的频域频道效应后，IFFT单元44C负责对该等频域频道效应进行逆向快速傅立叶变换(IFFT)，以产生一组IFFT转换结果。过滤单元44D则用以自IFFT单元44C提供的转换结果中辨识、过滤出两个可能的时域频道效应h₁、h₂。以图3(A)~图3(B)所绘示的情况为例，过滤单元44D的两个输出信号可能如图7(A)和图7(B)所示，也就是各自滤除图3(A)中在时域频道效应h₁、h₂之外的成分。接着，FFT单元44E负责利用快速傅立叶变换(FFT)分别将时域频道效应h₁、h₂转换为相对应的频域频道效应H₁、H₂。原本时域内插单元44B提供的只有频率指标为3N的各个副载波所对应的频域频道效应，而FFT单元44E的作用等效于进行频域内插(frequency domaininterpolation)，以估计出时间指标为2、频率指标非3N的各个副载波所对应的频域频道效应，其中当然也包含了时间指标为2、频率指标为P的副载波所对应的频道效应。以下用H_{1(t＝2,f＝P)}表示频域频道效应H₁中对应于频率指标P的频道效应，另用H_{2(t＝2，f＝P)}表示频域频道效应H₂中对应于频率指标P的频道效应。

如先前所述，出现在时间指标为2、频率指标为P的副载波上的传送参数讯息(TPS)未受多路径环境影响前的原始内容为无线接收系统400所知。以下用符号X表示传送参数讯息的原始内容，用符号Y表示受到多路径环境影响后的传送参数讯息(亦即接收模块42接收到的时间指标为2的传送参数讯息)。等化模块46分别利用频道效应H_{1(t＝2，f＝P)}和H_{2(t＝2,f＝P)}对Y进行等化程序。假设H₁是真正能代表该多路径环境的频域频道效应而H₂不是，则Y会大致等于H_{1(t＝2,f＝P)}X。因此，等化模块46的运算过程及结果可表示如下：

$\frac{H_{1(t=2,f=P)}*Y}{{\left|H_{1(t=2,f=P)}\right|}^2}=\frac{H_{1(t=2,f=P)}*H_{1(t=2,f=P)}X}{{\left|H_{1(t=2,f=P)}\right|}^2}=X,$      (式一)

$\frac{H_{2(t=2,f=P)}*Y}{{\left|H_{2(t=2,f=P)}\right|}^2}=\frac{H_{2(t=2,f=P)}*H_{1(t=2,f=P)}X}{{\left|H_{2(t=2,f=P)}\right|}^2}\≠X.$ (式二)

实务上，即使进一步将Y中可能带有的杂讯纳入考量，频道效应H_{1(t＝2，f＝P)}所对应的等化结果也必然比频道效应H_{2(t＝2,f＝P)}所对应的等化结果接近X。藉由比较X和这两笔等化结果，选择模块48便可选择出真正能代表该多路径环境的频域频道效应是H₁。

ISDB-T系统中的传送参数讯息(TPS)是经过差分二元相位偏移调制(differentialbinary phase shift keying,DBPSK)而产生，为一实数信号。因此，选择模块48可根据两个等化结果的虚部来判断应选择哪一个频域频道效应。更明确地说，选择模块48可自两等化结果中选择具有一最小虚部的等化结果，并且判定对应于该等化结果的频道效应为该多路径环境的频域频道效应。

于一实施例中，等化模块46中进行的等化程序亦可被用以筛选过滤单元44D采用的过滤条件，以求取更准确的频道效应。如图8(A)和图8(B)所示，过滤单元44D使用的过滤视窗的宽度存在不只一种可能性。图8(A)中较严格的过滤方式虽然可排除邻近杂讯造成的影响，但也有可能同时滤除了频道效应中位于此范围之外能量较低的成分。FFT单元44E可根据这两种不同的过滤结果分别产生一候选频道效应。相对应地，等化模块46可分别对这两种候选频道效应进行测试，再选出等化结果较接近已知信号的一个。

图9绘示了初步估计模块44的另一种细部实施范例。除了先前已介绍过的评估单元44A、时域内插单元44B、IFFT单元44C、过滤单元44D和FFT单元44E之外，这个范例中的初步估计模块44进一步包含旋转单元44F与反旋转单元44G。如图10(A)所示，在IFFT单元44C的输出结果中，强度最高的脉冲通常被放置在时间轴的中心位置C。旋转单元44F的作用在于移动各脉冲相对于时间轴的位置。就求取频道效应H₂的情况而言，旋转单元44F可将各脉冲旋转移动为如图10(B)所示，使过滤单元44D使用的过滤范围的中心大致位在时间轴的中心位置C，其过滤结果如图10(C)所示。令时域过滤范围对称于时间轴中心的好处在于可使得后续提供至等化模块46的频道效应H₂为实数，等化模块46中的运算电路因此可较单纯。反旋转单元44G的作用是等效于将FFT单元44E的输出信号所对应的时域脉冲移动回原来的位置。由于在时域中移动各脉冲等效于在频域中提供各频率成分一相位旋转量，旋转单元44F与反旋转单元44G在实务上可各自利用一多乘法器(complex multiplier)来实现，用以提供对应于所需要的时域移动量的相位旋转量。

值得注意的是，频道效应H₁中频率指标为3N的各个副载波的频域频道效应理论上完全相同于频道效应H₂中频率指标相同的副载波的频域频道效应，都是来自于时域内插单元44B的同一笔输出。因此，等化模块46中用来测试频道效应H₁、H₂的参考信号(例如传送参数讯息)不能是承载于频率指标为3N的副载波上的信号。换个角度来说，承载于频率指标非3N的副载波上的已知信号皆有可能被用于等化模块46中的测试运算。

相较于需要对输入信号进行大量测试始能找出正确频道效应的先前技术，在无线接收系统400中进行的评估程序简洁许多，因此可大幅缩短相关运作时间。须说明的是，本发明的概念的应用不限定于DVB-T或ISDB-T接收系统，而是可实施在各种需要自多路径环境的多个候选频道效应中选择一个最正确频道效应的场合。候选频道效应的产生方式亦不以前述初步估计模块44的运作方式为限。

在找出较正确的频道效应之后，无线接收系统400可进一步据此进行其他程序，例如调整接收模块42的电路设定或判断输入信号中符号与符号之间的边界。

根据本发明的另一实施例为一种频道效应估计方法，其流程图绘示于图11。该方法首先执行一步骤S91，接收经过一多路径环境送抵的一参考信号与至少一输入信号，该参考信号对应于未受该多路径环境影响的一已知信号。随后，该方法执行步骤S92，根据该至少一输入信号产生多个候选频道效应。接着，该方法执行步骤S93，分别利用该多个候选频道效应中的每一个候选频道效应，对该参考信号施以一等化程序，以产生多个等化结果。接着，该方法执行步骤S94，自该多个等化结果中选择最接近该已知信号的一最佳等化结果，并选择对应于该最佳等化结果的该候选频道效应来代表该多路径环境。

先前在介绍无线接收系统400时描述的各种电路操作变化(例如产生多个候选频道效应的方式)亦可应用至图11所绘示的频道效应估计方法中，其细节不再赘述。

如上所述，本发明提出新的无线接收系统及其频道效应估计方法。根据本发明的无线接收系统及估计方法对一参考信号施以对应于不同频道效应的等化程序，并根据得出的等化结果判断哪一个频道效应最能代表该参考信号通过的多路径环境。相较于需要对输入信号进行大量测试始能找出正确频道效应的先前技术，本发明进行的评估程序简洁许多，因此可大幅缩短相关运作时间。本发明的概念的应用不限于DVB-T或ISDB-T接收系统，而是可实施在各种需要自多路径环境的多个候选频道效应中选择一个最正确频道效应的场合。

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发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (10)

1.一种无线接收系统，包含：

一接收模块，用以接收经过一多路径环境送抵的一参考信号与至少一输入信号，该参考信号对应于未受该多路径环境影响的一已知信号；

一初步估计模块，用以根据该至少一输入信号产生多个候选频道效应；

一等化模块，分别利用该多个候选频道效应中的每一个候选频道效应，对该参考信号施以一等化程序，以产生多个等化结果；以及

一选择模块，用以自该多个等化结果中选择最接近该已知信号的一最佳等化结果，并选择对应于该最佳等化结果的该候选频道效应来代表该多路径环境。

2.如权利要求1所述的无线接收系统，其特征在于，该参考信号为经过一差分二元相位偏移调制程序的一传送参数讯息，并且该选择模块自该多个等化结果中选择具有一最小虚部的该等化结果做为最接近该已知信号的该最佳等化结果。

3.如权利要求1所述的无线接收系统，其特征在于，该至少一输入信号中包含多个已知元素，该初步估计模块包含：

一评估单元，用以产生该多个已知元素各自调制一频域频道效应；

一时域内插单元，用以针对该评估单元产生的该多个频域频道效应施以一时域内插程序，以产生一组频域频道效应取样；

一IFFT单元，用以针对该组频域频道效应取样进行一逆向快速傅立叶变换程序，以产生一组IFFT转换结果；

一过滤单元，用以自该组IFFT转换结果中选择多个候选时域频道效应；以及

一FFT单元，用以分别针对该多个候选时域频道效应进行一快速傅立叶变换程序，以产生该多个候选频道效应。

4.如权利要求3所述的无线接收系统，其特征在于，该多个候选时域频道效应中的两个候选时域频道效应对应于同一主要过滤范围但对应于两个不同的过滤范围宽度。

5.如权利要求3所述的无线接收系统，其特征在于，该初步估计模块进一步包含：

一旋转单元，连接于该IFFT单元与该过滤单元之间，用以提供该组IFFT转换结果一相位旋转量；以及

一反旋转单元，连接于该FFT单元与该等化模块之间，用以提供该多个候选频道效应一相位反旋转量。

6.一种频道效应估计方法，包含：

(a)接收经过一多路径环境送抵的一参考信号与至少一输入信号，该参考信号对应于未受该多路径环境影响的一已知信号；

(b)根据该至少一输入信号产生多个候选频道效应；

(c)分别利用该多个候选频道效应中的每一个候选频道效应，对该参考信号施以一等化程序，以产生多个等化结果；以及

(d)自该多个等化结果中选择最接近该已知信号的一最佳等化结果，并选择对应于该最佳等化结果的该候选频道效应来代表该多路径环境。

7.如权利要求6所述的频道效应估计方法，其特征在于，该参考信号为经过一差分二元相位偏移调制程序的一传送参数讯息，并且步骤(d)包含自该多个等化结果中选择具有一最小虚部的该等化结果做为最接近该已知信号的该最佳等化结果。

8.如权利要求6所述的频道效应估计方法，其特征在于，该至少一输入信号中包含多个已知元素，步骤(b)包含：

(b1)产生该多个已知元素各自的一频域频道效应；

(b2)针对该评估单元产生的该多个频域频道效应施以一时域内插程序，以产生一组频域频道效应取样；

(b3)针对该组频域频道效应取样进行一逆向快速傅立叶变换程序，以产生一组IFFT转换结果；

(b4)自该组IFFT转换结果中选择多个候选时域频道效应；以及

(b5)分别针对该多个候选时域频道效应进行一快速傅立叶变换程序，以产生该多个候选频道效应。

9.如权利要求8所述的频道效应估计方法，其特征在于，该多个候选时域频道效应中的两个候选时域频道效应对应于同一主要过滤范围但对应于两个不同的过滤范围宽度。

10.如权利要求8所述的频道效应估计方法，其特征在于，步骤(b3)与步骤(b4)之间进一步包含提供该组IFFT转换结果一相位旋转量；步骤(b5)与步骤(c)之间进一步包含提供该多个候选频道效应一相位反旋转量。