CN107465638B - 处理载波频率偏移的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种通讯装置，包含有一计算单元，用来根据第一多个时域信号，执行一多次方运作以分别产生第一多个计算信号；一转换单元，耦接于该计算单元，用来根据一时频转换运作，将该第一多个计算信号转换为第一多个频域信号；一控制单元，耦接于该转换单元，用来分别对该第一多个频域信号进行一绝对值运作，以产生第一多个输出信号；一选择单元，耦接于该控制单元，用来从该第一多个输出信号中选出满足一检测条件的一最大输出信号；以及一频率估计单元，耦接于该选择单元，用来根据该最大输出信号估计一载波频率偏移。
Description
技术领域
本发明相关于一种用于通讯系统的装置及方法，尤指一种处理载波频率偏移的装置及方法。
背景技术
由于传送端及接收端间震荡器的不匹配或相对移动所产生的多普勒效应，通讯系统的运作往往会受到载波频率偏移(carrier frequency offset，CFO)的影响。载波频率偏移会造成接收信号的相位失真，使接收端难以正确地还原传送信号。一般而言，接收端会估计载波频率偏移以补偿接收信号的相位失真。然而，在未有传送信号的信息的情况下，接收端往往需要处理过多的信号来获得可靠的载波频率偏移，产生不必要的功率消耗。
因此，如何在节省功率消耗及缩短栓锁时间(locking time)的情况下获得可靠的载波频率偏移是极为重要的问题。
发明内容
因此，本发明提供了一种处理载波频率偏移的装置及方法，可在节省功率消耗及缩短栓锁时间(locking time)的情况下获得可靠的载波频率偏移，以解决上述问题。
本发明提出一种通讯装置，包含有一接收单元，用来接收第一多个时域信号；一计算单元，耦接于该接收单元，用来根据该第一多个时域信号，执行一多次方运作以分别产生第一多个计算信号；一转换单元，耦接于该计算单元，用来根据一时频转换运作，将该第一多个计算信号转换为第一多个频域信号；一控制单元，耦接于该转换单元，用来分别对该第一多个频域信号进行一绝对值运作，以产生第一多个输出信号；一选择单元，耦接于该控制单元，用来从该第一多个输出信号中选出满足一检测条件的一最大输出信号；以及一频率估计单元，耦接于该选择单元，用来根据该最大输出信号估计一载波频率偏移(carrierfrequency offset，CFO)。
一种处理载波频率偏移的方法，包含有使用一接收单元来接收第一多个时域信号；根据该第一多个时域信号，使用一计算单元来执行一多次方运作以分别产生第一多个计算信号；根据一时频转换运作，使用一转换单元来将该第一多个计算信号转换为第一多个频域信号；使用一控制单元来分别对该第一多个频域信号进行一绝对值运作，以产生第一多个输出信号；使用一选择单元来从该第一多个输出信号中选出满足一检测条件的一最大输出信号；以及根据该最大输出信号，使用一频率估计单元来估计一载波频率偏移(carrier frequency offset，CFO)。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1为本发明实施例一通讯系统的示意图。
图2为本发明实施例一通讯装置的示意图。
图3为本发明实施例估计载波频率偏移的一运作示意图
图4为本发明实施例一流程的流程图。
图中元件标号说明如下：
10 通讯系统
20 通讯装置
200 接收单元
202 计算单元
204 转换单元
206 控制单元
208 选择单元
40 流程
400、402、404、406、408、 步骤
410、412、414、416
sig_t1～sig_tP 时域信号
sig_cp1～sig_cpP 计算信号
sig_f1～sig_fP 频域信号
sig_f_out1～sig_f_outP、 输出信号
sig_f_max
cfo_est 载波频率偏移
TX 传送端
RX 接收端
具体实施方式
图1为本发明实施例一通讯系统10的示意图。通讯系统10可为任何可传送及/或接收单载波(single carrier)信号或多载波(multi-carrier)信号的通讯系统，简略地由一传送端TX及一接收端RX所组成。多载波信号可为正交分频多工(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)信号(或离散多频调制(discrete multi-tonemodulation，DMT)信号)，但不限于此。在图1中，传送端TX及接收端RX是用来说明通讯系统10的架构。举例来说，通讯系统10可为非对称式数字用户回路(asymmetric digitalsubscriber line，ADSL)系统、电力通讯(power line communication，PLC)系统、同轴电缆的以太网络(Ethernet over coax，EOC)等有线通讯系统。或者，通讯系统10可为局域无线网络(wireless local area network，WLAN)、数字视频广播(Digital VideoBroadcasting，DVB)系统及先进长期演进(Long Term Evolution-advanced，LTE-A)系统等无线通讯系统，其中数字视频广播系统可包含有地面数字多媒体广播(DigitalTerrestrial Multimedia Broadcast，DTMB)、地面数字视频广播系统(DVB-Terrestrial，DVB-T)、新版地面数字视频广播系统(DVB-T2/C2)及综合数字服务广播系统(IntegratedServices Digital Broadcasting，ISDB)。此外，传送端TX及接收端RX可设置于移动电话、笔记本电脑、平板电脑、电子书及可携式电脑系统等装置中，不限于此。
图2为本发明实施例一通讯装置20的示意图，用于图1的接收端RX中，用来估计载波频率偏移(carrier frequency offset，CFO)。通讯装置20包含有一接收单元200、一计算单元202、一转换单元204、一控制单元206、一选择单元208及一频率估计单元210。详细来说，在接收多个时域(time-domain)信号sig_t1后，接收单元200将多个时域信号sig_t1提供给计算单元202。其中，多个时域信号sig_t1可为通过执行16正交振幅调制(quadratureamplitude modulation，QAM)、32正交振幅调制、64正交振幅调制、128正交振幅调制或256正交振幅调制等调制运作所产生的信号，但不限于此。计算单元202耦接于接收单元200，可用来根据多个时域信号sig_t1，执行一J次方运作以分别产生多个计算信号sig_cp1。其中，J次方运作可为4次方运作，但不限于此。此外，计算单元202可以是将接收单元200提供的多个时域信号sig_t1一起进行J次方运作，以产生多个计算信号sig_cp1，也可以是逐一对多个时域信号sig_t1中的个别时域信号进行J次方运作，然后再一起提供多个计算信号sig_cp1。转换单元204耦接于接计算单元202，可用来根据一时频转换运作，将多个计算信号sig_cp1转换为多个频域(frequency-domain)信号sig_f1。其中，该时频转换运作可包为快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform，FFT)等可将时域信号转换为频域信号的演算法，但不限于此。
控制单元206耦接于转换单元204，可用来分别对多个频域信号sig_f1进行一绝对值运作(即分别获得多个频域信号sig_f1的绝对值)，以产生多个输出信号sig_f_out1。选择单元208耦接于控制单元206，可用来从多个输出信号sig_f_out1中选出满足一检测条件的一最大输出信号sig_f_max。其中，最大输出信号sig_f_max具有满足检测条件的一最大振幅，即最大输出信号sig_f_max的振幅不仅大于多个输出信号sig_f_out1中其他输出信号的振幅，也满足检测条件。根据以上所述，选择单元208在搜寻最大信号的过程中，不仅会考虑信号振幅的大小，也会考虑该信号是否满足检测条件，以提高所选出的信号的可靠度。频率估计单元210耦接于选择单元208，可用来根据最大输出信号sig_f_max估计载波频率偏移cfo_est。由于所选出的最大输出信号sig_f_out1具有较高的可靠度，可提高载波频率偏移cfo_est的准确度，进提高通讯装置20还原传送信号的几率。
在一实施例中，多个输出信号sig_f_out1可能不包含有满足检测条件的最大输出信号sig_f_max，即根据检测条件，多个输出信号sig_f_out1中的所有信号皆不具有足够的可靠度。在此情况下，通讯装置20可另外接收其他的时域信号来改善输出信号的可靠度。详细来说，接收单元200可另外接收多个时域信号sig_t2。相似地，计算单元202根据多个时域信号sig_t2，执行J次方运作以分别产生多个计算信号sig_cp2。转换单元204根据时频转换运作，将多个计算信号sig_cp2转换为多个频域信号sig_f2。控制单元206分别对多个频域信号sig_f2进行绝对值运作(即分别获得多个频域信号sig_f2的绝对值)，以产生多个输出信号sig_f_out2。选择单元208对应地相加多个输出信号sig_f_out1及多个输出信号sig_f_out2以产生多个辅助信号，以及从该多个辅助信号中选出满足检测条件的最大输出信号sig_f_max。频率估计单元210的运作与先前所述相同，于此不赘述。也就是说，通讯装置可通过累加所接收的频域信号来降低负面效应(例如噪声及/或干扰)，以改善输出信号的可靠度，进而可选出满足检测条件的最大输出信号sig_f_max。
若选择单元208仍未能选出满足检测条件的最大输出信号sig_f_max，接收单元200可继续接收多个时域信号sig_t3～sig_tP。对应地，计算单元202产生多个计算信号sig_cp3～sig_cpP，转换单元204产生多个频域信号sig_f3～sig_fP，控制单元206产生多个输出信号sig_f_out2～sig_f_outP，使选择单元208累加所接收的多个输出信号sig_f_out3～sig_f_outP，直到选择单元208可从多个辅助信号中选出满足检测条件的最大输出信号sig_f_max为止。因此，本发明提供了一种可根据(最大)输出信号是否满足检测条件来停止继续处理(例如接收)额外时域信号的通讯装置，不仅可获得可靠的载波频率偏移，同时也降低不必要的功率消耗及缩短栓锁时间(locking time)，解决了已知通讯装置需要处理过多且不必要的时域信号的问题。
选择单元208选择最大输出信号的方法有很多种。举例来说，选择单元208可根据一滑动窗口(sliding window)法，以一窗口依序地从多个输出信号sig_f_out1(或者是经过累加之后所得的多个辅助信号)的多组输出信号中分别选出满足检测条件的多个最大输出信号，以从多个最大输出信号中选出最大输出信号sig_f_max。进一步地，可用来判断信号的可靠度的检测条件有很多种。举例来说，多组输出信号中一组输出信号可根据以下方程式满足该检测条件：
其中
为该组输出信号，M为该窗口的一尺寸，f(·)为一函数，sub_max为该组输出信号的一最大输出信号的一指标，以及G为一正实数。也就是说，G*Zsub_max需要足够大才会被判断为满足检测条件。G为一设计值或预先决定值，可根据系统考量及设计需求被决定。举例来说，当对可靠度的要求较高时，可将G设定为一较小的正实数，即最大输出信号Zsub_max较不易满足(式1)。反之，当对可靠度的要求较低时，可将G设定为一较大的正实数，即最大输出信号Zsub_max较易满足(式1)。进一步地，上述函数可为以下方程式：
即(式1)代表了G*Zsub_max需要大于所有
总和才会被判定满足检测条件。需注意的是，(式1)及(式2)仅说明了选择一组输出信号中最大输出信号的方式，选择单元208应根据滑动窗口法，对多个输出信号sig_f_out1(或者是经过累加之后所得的多个辅助信号)中所有组输出信号重复执行(式1)及(式2)，以选出最大输出信号sig_f_max。
需注意的是，检测条件亦可相关于通讯装置20的运算能力，例如可在达到一预先设定的运算时间时，停止继续累加输出信号，并输出已获得的最大输出信号sig_f_max。
图3为本发明实施例估计载波频率偏移的一运作示意图，用来举例说明通讯装置20的运作方式。在图3中，接收单元200接收多个时域信号sig_t1(x1,1,…,x1,N)，以供计算单元202执行4次方运作以产生多个计算信号sig_cp1
其中N为快速傅立叶转换的尺寸。接着，转换单元204根据时频转换运作，将多个计算信号sig_cp1
转换为多个频域信号sig_f1(Y1,1,…,Y1,N)。控制单元206分别对多个频域信号sig_f1(Y1,1,…,Y1,N)进行绝对值运作，以产生多个输出信号sig_f_out1(Z1,1,…,Z1,N)，即Z1,k＝|Y1,k|,k＝1,…,N。选择单元208根据滑动窗口法，以一窗口依序地从多个输出信号sig_f_out1(Z1,1,…,Z1,N)的多组输出信号中选出满足检测条件的多个最大输出信号sig_f_max。为了清楚说明本实施例以了解本发明的概念，本实施例假设所使用的检测条件为(式1)及(式2)。
举例来说，选择单元208所使用的窗口的尺寸为4(即(式1)中的M为4)，以及先从输出信号Z1,1,…,Z1,4中选出一最大输出信号，例如最大输出信号为Z1,2。接着，选择单元208检查Z1,2是否满足
如先前所述，G为一正实数，可根据系统考量及设计需求被决定。若输出信号Z1,2满足检测条件，选择单元208将输出信号Z1,2视为用来估计载波频率偏移的有效的最大输出信号，并储存于通讯装置20中。根据滑动窗口法，选择单元208继续从输出信号Z1,2,…,Z1,5中选出一最大输出信号，例如该最大输出信号为Z1,4，以及与之前暂存的最大值Z1,2比大小。接着，选择单元208检查Z1,4是否满足条件Z1,4＞Z1,2。若满足此条件，则更新暂存最大输出信号为Z1,4。接着，继续检查
若最大输出信号Z1,4满足检测条件，则根据此最大值所估计的载波频率偏移会被判断为有效。若输出信号Z1,4不满足检测条件，则根据此最大值所估计的载波频率偏移会被判断为无效。若Z1,4不满足Z1,4＞Z1,2，则维持暂存最大输出信号为Z1,2不变，以及维持根据Z1,2所估计载波频率偏移为有效或无效的状态。选择单元208会继续上述运作，直到处理完输出信号Z1,N-4,…,Z1,N。
在执行上述运作之后，若最大输出信号满足检测条件，则判断根据该最大输出信号所估计的载波频率偏移为有效，例如为输出信号Zmax，频率估计单元210可根据输出信号Zmax估计载波频率偏移cfo_est。反之，若满足条件的最大输出信号不存在，接收单元200会另外接收多个时域信号sig_t2(x2,1,…,x2,N)，以供计算单元202执行4次方运作以产生多个计算信号sig_cp1
其中N为快速傅立叶转换的尺寸。计算单元20根据多个时域信号sig_t2(x2,1,…,x2,N)执行4次方运作来产生多个计算信号sig_cp2
接着，转换单元204根据时频转换运作，将多个计算信号sig_cp2
转换为多个频域信号sig_f2(Y2,1,…,Y2,N)。控制单元206分别对多个频域信号sig_f2(Y2,1,…,Y2,N)进行绝对值运作，以产生多个输出信号sig_f_out2(Z2,1,…,Z2,N)，即Z2,k＝|Y2,k|,k＝1,…,N。选择单元208对应地相加多个输出信号sig_f_out1(Z1,1,…,Z1,N)及多个输出信号sig_f_out2(Z2,1,…,Z2,N)以产生多个辅助信号(A1,…,AN)，即
接着，选择单元208根据滑动窗口法，以一窗口依序地从多个辅助信号(A1,…,AN)的多组输出信号中选出最大输出信号sig_f_max并判断其是否满足检测条件。滑动窗口法的详细运作方式可参考前述，于此不赘述。
相似地，在上述运作之后，若满足条件的最大输出信号存在，例如为输出信号Zmax，频率估计单元210可根据输出信号Zmax估计载波频率偏移cfo_est。反之，若满足条件的最大输出信号不存在，接收单元200会继续接收多个时域信号sig_t3(x3,1,…,x3,N)～多个时域信号sig_tP(xP,1,…,xP,N)，计算单元202产生多个计算信号sig_cp3
～多个计算信号sig_cpP
转换单元204产生多个频域信号sig_f3(Y3,1,…,Y3,N)～多个频域信号sig_fP(YP,1,…,YP,N)，控制单元206产生多个输出信号sig_f_out3(Z3,1,…,Z3,N)～多个输出信号sig_f_outP(ZP,1,…,ZP,N)，选择单元208产生多个辅助信号(A1,…,AN)，其中
上述运作持续直到选择单元208可从多个辅助信号(A1,…,AN)中选出满足检测条件的最大输出信号sig_f_max为止。
根据以上所述，举例说明最大输出信号与估计的载波频率偏移如下。当快速傅立叶转换的尺寸为N，频率估计单元210的工作频率为FS兆赫(MHz)时，若最大输出信号的指标为A，则估计的载波频率偏移可表示为(A-N/2)(FS/4N)兆赫。举例来说，若N＝2048，J＝4，可根据不同的最大输出信号的指标A，获得载波频率偏移如下：
(1)A＝1024，载波频率偏移＝0兆赫；
(2)A＝1030，载波频率偏移＝6(FS/4N)兆赫；
(3)A＝1020，载波频率偏移＝(-4)(FS/4N)兆赫。
前述通讯装置20的运作方式可归纳为一流程40，用于接收端RX中，如图4所示。流程40包含以下步骤：
步骤400：开始。
步骤402：接收多个时域信号。步骤404：根据该多个累计的时域信号，执行一J次方运作以分别产生多个计算信号。
步骤406：根据一时频转换运作，将该多个计算信号转换为多个频域信号。
步骤408：分别对该多个频域信号进行一绝对值运作，以产生多个输出信号。
步骤410：若存在先前接收的多个先前输出信号，累加该多个输出信号及该多个先前输出信号为多个累计的输出信号。
步骤412：该多个累计的输出信号是否包含有满足一检测条件的一最大输出信号。若是，执行步骤414；若否，执行步骤402。
步骤414：根据该最大输出信号，估计一载波频率偏移。
步骤416：结束。
流程40是用来举例说明通讯装置20的运作方式，详细说明及变化可参考前述，于此不赘述。
需注意的是，通讯装置20(及其中的接收单元200、计算单元202、转换单元204、控制单元206、选择单元208及频率估计单元210)的实现方式可有很多种。举例来说，可根据设计考量或系统需求，将接收单元200、计算单元202、转换单元204、控制单元206、选择单元208及频率估计单元210整合为一或多个单元，且实务上通常会以数字电路予以实现，在某些实施例中，接收单元200可能还会包括一模拟数字转换器。此外，通讯装置20可以硬件、软件、固件(为硬件装置与电脑指令与资料的结合，且电脑指令与资料属于硬件装置上的唯读软件)、电子系统、或上述装置的组合来实现，不限于此。
综上所述，本发明提供了一种处理载波频率偏移的装置及方法，可根据(最大)输出信号是否满足检测条件来停止继续接收及处理额外时域信号的，不仅可获得可靠的载波频率偏移，同时也降低不必要的功率消耗及缩短栓锁时间，解决了已知通讯装置需要处理过多且不必要的时域信号的问题。
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，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (14)
1.一种通讯装置，包含有：
一接收单元，用来接收第一多个时域信号；
一计算单元，耦接于该接收单元，用来根据该第一多个时域信号，执行一多次方运作以分别产生第一多个计算信号；
一转换单元，耦接于该计算单元，用来根据一时频转换运作，将该第一多个计算信号转换为第一多个频域信号；
一控制单元，耦接于该转换单元，用来分别对该第一多个频域信号进行一绝对值运作，以产生第一多个输出信号；
一选择单元，耦接于该控制单元，用来从该第一多个输出信号中选出满足一检测条件的一最大输出信号；以及
一频率估计单元，耦接于该选择单元，用来根据该最大输出信号估计一载波频率偏移(carrier frequency offset，CFO)；
其中，该最大输出信号具有满足该检测条件的一最大振幅。
2.如权利要求1所述的通讯装置，其特征在于，当该第一多个输出信号不包含有满足该检测条件的该最大输出信号时，该通讯装置执行以下运作：
该接收单元接收第二多个时域信号；
该计算单元根据该第二多个时域信号，执行该多次方运作以分别产生第二多个计算信号；
该转换单元根据该时频转换运作，将该第二多个计算信号转换为第二多个频域信号；
该控制单元分别对该第二多个频域信号进行该绝对值运作，以产生第二多个输出信号；以及
该选择单元对应地相加该第一多个输出信号及该第二多个输出信号以产生多个辅助信号，以及从该多个辅助信号中选出该最大输出信号并判断该最大输出信号是否满足该检测条件。
3.如权利要求1所述的通讯装置，其特征在于，该选择单元根据一滑动窗口(slidingwindow)法，以一窗口依序地从该第一多个输出信号的多组输出信号中选出该最大输出信号，以及检查该最大输出信号是否满足该检测条件。
4.如权利要求3所述的通讯装置，其特征在于，该多组输出信号中一组输出信号根据以下方程式满足该检测条件：
其中
为该组输出信号，M为该窗口的一尺寸，f(·)为一函数，sub_max为该组输出信号的一最大输出信号的一指标，以及G为一正实数。
5.如权利要求4所述的通讯装置，其特征在于，该函数为以下方程式：
6.如权利要求1所述的通讯装置，其特征在于，该时频转换运作包含有一快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform，FFT)。
7.如权利要求1所述的通讯装置，其特征在于，该多次方运作为一4次方运作。
8.一种处理载波频率偏移的方法，包含有：
使用一接收单元来接收第一多个时域信号；
根据该第一多个时域信号，使用一计算单元来执行一多次方运作以分别产生第一多个计算信号；
根据一时频转换运作，使用一转换单元来将该第一多个计算信号转换为第一多个频域信号；
使用一控制单元来分别对该第一多个频域信号进行一绝对值运作，以产生第一多个输出信号；
使用一选择单元来从该第一多个输出信号中选出满足一检测条件的一最大输出信号；以及
根据该最大输出信号，使用一频率估计单元来估计一载波频率偏移(carrierfrequency offset，CFO)；
其中，该最大输出信号具有满足该检测条件的一最大振幅。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当该第一多个输出信号不包含有满足该检测条件的该最大输出信号时，另包含有以下步骤：
使用该接收单来元接收第二多个时域信号；
根据该第二多个时域信号，使用该计算单元来执行该多次方运作以分别产生第二多个计算信号；
根据该时频转换运作，使用该转换单元来将该第二多个计算信号转换为第二多个频域信号；
使用该控制单元来分别对该第二多个频域信号进行该绝对值运作，以产生第二多个输出信号；以及
使用该选择单元来对应地相加该第一多个输出信号及该第二多个输出信号以产生多个辅助信号，以及从该多个辅助信号中选出满足该检测条件的该最大输出信号。
10.如权利要求8所述的方法，另包含有以下步骤：
根据一滑动窗口(sliding window)法，使用该选择单元以一窗口依序地从该第一多个输出信号的多组输出信号中选出该最大输出信号，以及检查该最大输出信号是否满足该检测条件。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该多组输出信号中一组输出信号根据以下方程式满足该检测条件：
其中
为该组输出信号，M为该窗口的一尺寸，f(·)为一函数，sub_max为该组输出信号的一最大输出信号的一指标，以及G为一正实数。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该函数为以下方程式：
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该时频转换运作包含有一快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform，FFT)。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该多次方运作为一4次方运作。
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- 2016-06-02 CN CN201610383526.1A patent/CN107465638B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN107465638A (zh) | 2017-12-12 |
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