CN107800657A - 载波频偏估测装置与载波频偏估测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种载波频偏估测装置，其中包含一M次方电路、一频谱产生电路、一频谱调整电路、一峰值频率判断电路与一频偏决定电路。该M次方电路对一输入信号施以M次方运算，以产生一M次方运算结果。该频谱产生电路为该M次方运算结果产生一频谱。该频谱调整电路自该频谱找出一局部频率范围内的一局部能量峰值，并将该局部能量峰值调高于该频谱中其他任一能量，藉此产生一调整后频谱。该峰值频率判断电路自该调整后频谱中找出具有一最高能量峰值的一峰值频率。该频偏决定电路根据该峰值频率决定一载波频偏估测结果。

Description

载波频偏估测装置与载波频偏估测方法
技术领域
本发明与电子信号接收装置相关，并且尤其与电子信号接收装置中用以估测载波频率偏移(carrier frequency offset,CFO)的技术相关。
背景技术
随着电子领域中相关技术的进步，各种类型的通讯系统愈来愈普及。通讯系统的传送端与接收端都各自配备有至少一个振荡信号源(例如石英振荡器)，用以提供时脉信号，做为其电路运作的参考。在运作过程中，传送端与接收端的时脉频率须有相当程度的一致性，接收端才能正确解读传送端发出的信号。若接收端对输入信号施以降频转换时采用的时脉信号频率不同于传送端对基频信号施以升频转换的时脉信号频率，一般称为接收端存在载波频率偏移(简称载波频偏)的问题。载波频偏可能会导致内载波干扰(inter-carrier interference)等减损接收端系统效能的负面作用，严重时甚至会使得接收端无法判读其输入信号。
由于传送端与接收端的振荡器要完全匹配极为困难，因此许多接收端针对载波频偏设计有补偿机制。一般来说，接收端必须先正确估计出载波频偏的大小，始能有效进行频偏补偿。
图1(A)呈现一种适用于正交相位偏移调制(quadrature phase-shift keying,QPSK)信号的载波频偏估测装置的方块图。载波频偏估测装置100包含四次方电路11、频谱产生电路12、峰值频率判断电路13与频偏决定电路14。四次方电路11的输入信号y(t)可为一QPSK基频信号，该基频信号可能是一射频信号在进入载波频偏估测装置100所配合的接收端之后，经过低噪声放大电路、降频转换电路、模拟-数字转换器、低通滤波器…等等电路所产生的基频信号。四次方电路11对输入信号y(t)施以四次方运算，以产生一四次方运算结果y4(t)。频谱产生电路12利用快速傅立叶转换(fast Fourier transform,FFT)为四次方电路11输出的四次方运算结果y4(t)产生频谱Z(f)。
峰值频率判断电路13负责自频谱Z(f)中找出能量最高的一个峰值，并且找出该峰值所对应的峰值频率Ω。基于QPSK信号本身的特性，在输入信号y(t)透过单一路径传递至载波频偏估测装置100所配合的接收端的情况下，频谱Z(f)中对应于最高能量的频率会大致等于四倍的载波频偏(4Δf)。因此，频偏决定电路14将峰值频率判断电路13找出的峰值频率Ω除以四，即可决定一载波频偏估测结果ΔfE，做为载波频偏估测装置100的输出信号。以图1(B)呈现的频谱Z(f)为例，峰值频率判断电路13会将能量P0选为最高能量峰值PMAX，并将相对应的频率选为峰值频率Ω。
然而，若输入信号y(t)透过多重路径(multipath)传递至载波频偏估测装置100所配合的接收端，输入信号y(t)中往往会混合有与实际资料信号的频段相近的干扰信号，这种干扰信号亦称为回波(echo)信号。回波信号会对前述频谱Z(f)中的能量分布造成影响，严重时甚至会导致峰值频率判断电路13算出的峰值频率Ω并非载波频偏的四倍频率，进而使得频偏决定电路14产出错误的载波频偏估测结果。图1(C)呈现一个因回波信号造成能量分布改变的频谱范例Z’(f)。于此范例中，能量P0所对应的频率才是四倍的载波频偏4Δf，但峰值频率判断电路13会将能量P1选为最高能量峰值P’MAX，并将相对应的频率选为峰值频率Ω’，因而造成频偏决定电路14算出错误的载波频偏估测结果ΔfE’。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种新的载波频偏估测装置与载波频偏估测方法。
根据本发明的一实施例为一种载波频偏估测装置，其中包含一M次方电路、一频谱产生电路、一频谱调整电路、一峰值频率判断电路与一频偏决定电路。该M次方电路用以对一输入信号施以M次方运算，以产生一M次方运算结果，其中M为大于一的整数且与施于该输入信号的一调制方式相关。该频谱产生电路用以为该M次方运算结果产生一频谱。该频谱调整电路用以自该频谱找出一局部频率范围内的一局部能量峰值，并将该局部能量峰值调高，藉此产生一调整后频谱。该局部频率范围为-1/2T-1/2T，T代表该输入信号的一符号长度。该峰值频率判断电路用以自该调整后频谱中找出具有一最高能量峰值的一峰值频率。该频偏决定电路以根据该峰值频率决定一载波频偏估测结果。
根据本发明的另一实施例为一种载波频偏估测方法。首先，一输入信号被施以M次方运算，以产生一M次方运算结果，其中M为大于一的整数且与施于该输入信号的一调制方式相关。接着，针对该M次方运算结果，一频谱被产生。一局部频率范围内的一局部能量峰值自该频谱被找出，其中该局部频率范围为-1/2T-1/2T，T代表该输入信号的一符号长度。该局部能量峰值被调高，藉此产生一调整后频谱。随后，具有一最高能量峰值的一峰值频率自该调整后频谱中被找出。根据该峰值频率，一载波频偏估测结果被决定。
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)呈现一种适用于正交相位偏移调制信号的载波频偏估测装置的方块图。
图1(B)与图1(C)分别呈现透过单一路径传递与透过多重路径传递的信号的频谱范例。
图2为根据本发明的一实施例所绘示的载波频偏估测装置的方块图。
图3为根据本发明的一实施例所绘示的频谱调整电路的方块图。
图4(A)为一频谱范例；图4(B)呈现利用根据本发明频谱调整电路的一实施例产生的调整后频谱的范例。
图5呈现根据本发明的另一实施例所绘示的频谱调整电路的方块图。
图6为根据本发明的一实施例所绘示的载波频偏估测方法的流程图。
符号说明
100、200：载波频偏估测装置 11、21：四次方电路
12、22：频谱产生电路 13、23：峰值频率判断电路
14、24：频偏决定电路 25：频谱调整电路
25A、25D：搜寻电路 25B、25E：加法电路
25C、25F：调整电路 S61-S66：流程步骤
须说明的是，本发明的附图包含呈现多种彼此关联的功能性电路的方块图。这些附图并非细部电路图，且其中的连接线仅用以表示信号流。功能性元件及/或程序间的多种互动关系不一定要透过直接的电性连结始能达成。此外，个别元件的功能不一定要如附图中绘示的方式分配，且分散式的区块不一定要以分散式的电子元件实现。
具体实施方式
根据本发明的载波频偏估测装置与载波频偏估测方法可配合或被整合于多种需要对载波频偏进行估测的通讯系统接收端，例如但不限于数字电视卫星广播(digitalvideo broadcasting–satellite,DVB-S)接收器与数字电视有线广播(digital videobroadcasting–cable,DVB-C)接收器。图2为根据本发明的一实施例所绘示的载波频偏估测装置的方块图。
载波频偏估测装置200包含一四次方电路21、一频谱产生电路22、一频谱调整电路25、一峰值频率判断电路23与一频偏决定电路24。四次方电路21的输入信号y(t)为一正交相位偏移调制(QPSK)基频信号。实务上，该基频信号可以是一射频信号在进入载波频偏估测装置200所配合的接收端之后，经过低噪声放大电路、降频转换电路、模拟-数字转换器、低通滤波器…等等电路所产生的相对应基频信号，但不以此为限。四次方电路21用以对一输入信号y(t)施以四次方运算，以产生一四次方运算结果y4(t)。四次方运算电路的详细实施方式为本发明所属技术领域中具有通常知识者所知，于此不赘述。
接着，频谱产生电路22负责为四次方运算结果y4(t)产生一频谱Z(f)。实务上，频谱产生电路22可利用但不限于快速傅立叶转换(FFT)产生频谱。须说明的是，产生频谱的详细方式为本发明所属技术领域中具有通常知识者所知，亦于此不赘述。
频谱调整电路25的工作之一是自频谱Z(f)找出一局部能量峰值PSEL，局部能量峰值PSEL为局部频率范围-1/2T-1/2T内能量最高的一个峰值，其中T代表输入信号y(t)的符号长度(symbol duration)，符号长度T可由载波频偏估测装置200所配合的接收端中的其他电路解析输入信号y(t)而得知，亦可能为一个由传送端与接收端预先约定的固定值。接着，频谱调整电路25根据局部能量峰值PSEL找出一局部峰值频率fSEL，局部峰值频率fSEL为局部能量峰值PSEL所对应的频率。据经验，载波频偏Δf并不会太大，四倍载波频偏4Δf通常会落在上述局部频率范围-1/2T-1/2T内。因此，频谱调整电路25找出的局部能量峰值PSEL所对应的频率(亦即局部峰值频率fSEL)通常便是四倍载波频偏4Δf。最后，频谱调整电路25会将局部峰值频率fSEL所对应的能量调高，藉此产生一调整后频谱C(f)。图3与图5呈现两种范例，说明频谱调整电路25可如何调整局部峰值频率fSEL所对应的能量。
于图3的范例中，频谱调整电路25包含一搜寻电路25A、一加法电路25B与一调整电路25C。搜寻电路25A负责自频谱Z(f)中找出局部能量峰值PSEL，并根据局部能量峰值PSEL找出其所对应的局部峰值频率fSEL。此外，搜寻电路25A亦负责找出多个能量增额PADD，其中能量增额PADD为与局部峰值频率fSEL和输入信号的符号长度T相关的多个频率于频谱Z(f)中对应的能量。据观察，基于QPSK信号的特性，在与局部峰值频率fSEL间隔1/T的整数倍的频率上也会存在相对的能量峰值。也就是说，频谱Z(f)在(fSEL±1/T)、(fSEL±2/T)、(fSEL±3/T)、…等频率位置都会存在相对的能量峰值。此外，输入信号y(t)的取样频率FS会限制载波频偏估测装置200的频率范围。举例而言，频谱Z(f)所涵盖的频率范围可能限于-FS/2-FS/2之间。因此，在一范例中，搜寻电路25A可找出与局部峰值频率fSEL间隔1/T的整数倍的多个频率(fSEL+n/T)所对应的能量作为能量增额PADD，其中n为在一特定范围内的一整数索引值，其使多个频率(fSEL+n/T)落在频率范围-FS/2-FS/2中。
图4(A)为透过多重路径传递的信号的频谱范例。在图4(A)中，落在频率范围-FS/2-FS/2且与局部峰值频率fSEL间隔1/T的整数倍的的频率(fSEL+n/T)共有七个，搜寻电路25A可选择该些频率所对应的能量(P-4-P-1与P+1-P+3)做为能量增额PADD。
加法电路25B负责将搜寻电路25A找出的该些能量增额PADD与局部能量峰值PSEL加总，以产生一调整后能量PSUM。接着，调整电路25C负责根据局部峰值频率fSEL与调整后能量PSUM调整频谱Z(f)，以产生一调整后频谱C(f)，于调整后频谱C(f)中，局部峰值频率fSEL所对应的能量等于调整后能量PSUM。于一实施例中，除了局部峰值频率fSEL所对应的能量之外，调整电路25C不改变频谱Z(f)中其他频率所对应的能量，也就是调整后频谱C(f)与频谱Z(f)在其他频率所对应的能量皆相同。以图4(A)的为例，图4(B)的调整后频谱C(f)为频谱Z(f)经调整电路25C调整后的一范例加法电路。由图4(B)可看出，在调整后频谱C(f)中，局部峰值频率fSEL所对应的一调整后能量PSUM为频谱Z(f)中的八个能量P-4-P+3的加总结果，而调整后频谱C(f)的其他部分与频谱Z(f)相同。
实务上，频谱Z(f)中各个频率所对应的能量可能是被频谱产生电路22分别储存在多个暂存器中。调整电路25C只要重新设定对应于欲调整频率的暂存器的内容即可达到调整频谱的效果。
在频谱调整电路25产生调整后频谱C(f)之后，峰值频率判断电路23负责自调整后频谱C(f)中找出一峰值频率Ω。观察图4(B)中的调整后频谱C(f)可看出，经过频谱调整电路25之后，峰值频率判断电路23会选出调整后能量PSUM做为最高能量峰值，并且会判定对应于调整后能量PSUM的局部峰值频率fSEL为峰值频率Ω。接着，频偏决定电路24根据峰值频率Ω决定一载波频偏估测结果ΔfE。更明确地说，频偏决定电路24可将峰值频率Ω除以四，以产生载波频偏估测结果ΔfE。
如前所述，频谱调整电路25找出的局部峰值频率fSEL通常便是四倍载波频偏4Δf。藉由频谱调整电路25将局部峰值频率fSEL其所对应的能量调整为多个能量增额PADD与局部能量峰值PSEL加总，通常会使得局部峰值频率fSEL所对应的能量在调整后频谱C(f)中高于其他频率所对应的能量，因此即使因回波信号的影响导致原始频谱Z(f)出现其他频率所对应的能量高于局部峰值频率fSEL所对应的能量的情况(例如图4(A)中的能量P+1高于能量P0)，峰值频率判断电路23仍能根据调整后频谱C(f)找出对应于实际四倍载波频偏4Δf的峰值频率Ω，供频偏决定电路24计算载波频偏估测结果ΔfE。
图5呈现频谱调整电路25的另一种实施例。此范例中的频谱调整电路25包含一搜寻电路25D、一加法电路25E与一调整电路25F。与搜寻电路25A相似，搜寻电路25D会自频谱Z(f)中找出局部能量峰值PSEL，并根据局部能量峰值PSEL找出局部峰值频率fSEL。与搜寻电路25A不同的是，搜寻电路25D不需要找出与局部峰值频率fSEL间隔1/T的整数倍的该些频率对应的能量。加法电路25E藉由将一预设能量增额PDFT与搜寻电路25D找出的局部能量峰值PSEL相加，产生一调整后能量PSUM。实务上，预设能量增额PDFT可根据实际通讯环境被设计为使调整后能量PSUM通常高于频谱Z(f)中其他能量，而不以特定数值为限。
与调整电路25C相似，调整电路25F根据局部峰值频率fSEL与调整后能量PSUM调整频谱Z(f)，以产生一调整后频谱C(f)，于调整后频谱C(f)中，局部峰值频率fSEL所对应的能量等于调整后能量PSUM。
值得注意的是，在本发明的其他范例中，上述四次方电路21可被替换为一M次方电路，M为大于数值一的整数。在一范例中，整数M与施于输入信号y(t)的调制方式相关。举例而言，若传送端施于输入信号y(t)的调制方式为正交相位偏移调制(QPSK)，整数M可被设计为等于四或是四的整数倍。依此类推，若传送端施于输入信号y(t)的调制方式为八相位偏移调制(eight phase-shift keying,8PSK)时，则整数M可被设计为等于八或是八的整数倍。惟对应于M次方电路，峰值频率判断电路23在理想情况下所找出的峰值频率Ω对应于M倍的载波频偏Δf。因此，频偏决定电路24可根据峰值频率Ω与数值M产生载波频偏估测结果Δfe。
实务上，前述峰值频率判断电路23、频偏决定电路24与频谱调整电路25可利用多种控制和处理平台实现，包含固定式的和可程式化的逻辑电路，例如可程式化逻辑门阵列、针对特定应用的积体电路、微控制器、微处理器、数字信号处理器。此外，峰值频率判断电路23、频偏决定电路24与频谱调整电路25亦可被设计为透过执行一存储器(未绘示)中所储存的处理器指令，来完成多种任务。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，另有多种电路组态和元件可在不背离本发明精神的情况下实现本发明的概念。
根据本发明的另一实施例为一种载波频偏估测方法，其流程图绘示于图6。首先，步骤S61为对一输入信号施以M次方运算，以产生一M次方运算结果，其中M为大于一的整数且与施于该输入信号的一调制方式相关。接着，步骤S62为针对该M次方运算结果产生一频谱。步骤S63为自该频谱找出一局部频率范围内的一局部能量峰值，其中该局部频率范围大致为-1/2T-1/2T，T代表该输入信号的一符号长度。步骤S64则是将该局部能量峰值调整为高于该频谱中其他任一能量，藉此产生一调整后频谱。随后，步骤S65为自该调整后频谱中找出一最高能量峰值所对应的一峰值频率。在步骤S66中，根据该峰值频率，一载波频偏估测结果被决定。
本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，先前在介绍载波频偏估测装置200时描述的各种操作变化(例如局部能量峰值的调整方式)亦可应用至图6中的载波频偏估测方法，其细节不再赘述。
藉由以上实施例的详述，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 (6)

1.一种载波频偏估测装置，包含：
一M次方电路，用以对一输入信号施以M次方运算，以产生一M次方运算结果，其中M为大于一的整数且与施于该输入信号的一调制方式相关；
一频谱产生电路，用以根据该M次方运算结果产生一频谱；
一频谱调整电路，用以藉由将该频谱中一局部频率范围内的一局部能量峰值调高以产生一调整后频谱，其中该局部频率范围为-1/2T-1/2T，T代表该输入信号的一符号长度；
一峰值频率判断电路，用以自该调整后频谱中找出一峰值频率，其中该峰值频率在该调整后频谱中具有一最高能量峰值；以及
一频偏决定电路，用以根据该峰值频率决定一载波频偏估测结果。
2.如权利要求1所述的载波频偏估测装置，其特征在于，该频谱调整电路包含：
一搜寻电路，用以自该频谱中找出该局部频率范围内的该局部能量峰值、根据该局部能量峰值找出其所对应的一局部峰值频率，并找出与该局部峰值频率间隔1/T的整数倍的多个频率对应的能量，做为多个能量增额；
一加法电路，用以将该些能量增额与该局部能量峰值相加，以产生一调整后能量；以及
一调整电路，用以根据该局部峰值频率与该调整后能量调整该频谱，以产生该调整后频谱，其中该局部峰值频率于该调整后频谱中对应于该调整后能量。
3.如权利要求1所述的载波频偏估测装置，其特征在于，该频谱调整电路包含：
一搜寻电路，用以自该频谱中找出该局部频率范围内的该局部能量峰值，并根据该局部能量峰值找出其所对应的一局部峰值频率；
一加法电路，用以将一预设能量增额与该局部能量峰值相加，以产生一调整后能量；以及
一调整电路，用以根据该局部峰值频率与该调整后能量调整该频谱，以产生该调整后频谱，其中该局部峰值频率于该调整后频谱中对应于该调整后能量。
4.一种载波频偏估测方法，包含：
对一输入信号施以M次方运算，以产生一M次方运算结果，其中M为大于一的整数且与施于该输入信号的一调制方式相关；
根据该M次方运算结果产生一频谱；
自该频-谱找出一局部频率范围内的一局部能量峰值，其中该局部频率范围为-1/2T-1/2T，T代表该输入信号的一符号长度；
藉由将该局部能量峰值调高，产生一调整后频谱；
自该调整后频谱中找出一峰值频率，其中该峰值频率在该调整后频谱中具有一最高能量峰值；以及
根据该峰值频率决定一载波频偏估测结果。
5.如权利要求4所述的载波频偏估测方法，其特征在于，调高该局部能量峰值以产生该调整后频谱包含：
根据该局部能量峰值找出其所对应的一局部峰值频率；
找出与该局部峰值频率间隔1/T的整数倍的多个频率对应的能量，做为多个能量增额；
将该等能量增额与该局部能量峰值相加，以产生一调整后能量；以及
根据该局部峰值频率与该调整后能量调整该频谱，以产生该调整后频谱，其中该局部峰值频率于该调整后频谱中对应于该调整后能量。
6.如权利要求4所述的载波频偏估测方法，其特征在于，调整该局部能量峰值以产生该调整后频谱包含：
根据该局部能量峰值找出其所对应的一局部峰值频率；
将一预设能量增额与该局部能量峰值相加，以产生一调整后能量；以及
根据该局部峰值频率与该调整后能量调整该频谱，以产生该调整后频谱，其中该局部峰值频率于该调整后频谱中对应于该调整后能量。
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