CN110768688A - 具有空白符元侦测电路的无线接收装置以及其空白符元侦测方法 - Google Patents

Abstract

在本发明提供的无线接收装置中的一空白符元侦测电路接收数据串流，根据该数据串流中数据符元的长度，分次撷取以得到多个撷取结果，将该多个撷取结果进行运算，以决定一现存最大差异量，并将产生该现存最大差异量对应于该数据串流中的位置，判断为最接近一空白符元的尾端的位置。

Description

具有空白符元侦测电路的无线接收装置以及其空白符元侦测 方法

技术领域

本发明是关于通信系统技术领域，并且尤其与通信系统中用于侦测数据串流中的空白符元的位置，并同时提供侦测信号噪声比的技术相关。

背景技术

正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)技术因具有频谱利用率高、硬件架构单纯等优点，近年来被广泛应用在无线通信系统中。其中，数字音频传输(Digital Audio Broadcasting，简称DAB)系统就是采用多重路径传输的正交频分复用(OFDM)的调变方式，其具有抗噪声、抗干扰、抗电波传播衰落、适合高速移动接收等优点。它除了提供接近CD质量的声音，还具备传输任何档案甚至是图像信号的附加数据服务功能。

数字音频传输系统的信号以帧(frame)的架构来传输，并且多个帧构成一数据串流传输至接受端。如图1a所示，数字音频传输信号的每个帧的开头为一空白符元(Nullsymbol)，接着为同步数据以及真正欲接收的数据。接收端在接收真正的数据之前，要先对数据串流进行同步。习知的同步方法之一是系依照接收信号所测得的能量值来判断空白符元的起始位置；例如直观地将测得的能量值与一能量门槛值进行比较，若信号能量小于该能量门槛值则判定空白符元开始，进而能判断一个帧的开头。图1b呈现一个现行数字音频传输系统接收装置的功能方块图。天线端收到接收信号并经过模拟数字转换电路110、自动增益控制电路120等前级电路的处理之后，依序传送至降频电路130、降取样电路140以及快速傅立叶变换电路150中。接收信号通过快速傅立叶变换后转换成频域上的复数(complex)信号，接着，空白符元侦测电路170对频域上的复数信号进行上述的运算以进一步判断是否找到空白符元的起始位置。找到空白符元的起始位置之后就完成帧的同步，并继续将频域上的信号传送到后级处理电路160进行进一步的信号处理。由于对复数(complex)信号进行能量计算是很复杂的，导致上述习知技术采用的空白符元侦测电路170的运算量相当巨大；此外，空白符元侦测电路170计算出的信号能量值容易受环境影响，也就是信号能量对多重路径传输造成的干扰与噪声的抵抗能力很弱，而且，由于通道的状况不一定，如何选择一个适当的能量门槛值来进行上述判断，是非常不容易的。

此外，现行技术的数字音频传输系统中，对于侦测空白符元以及侦测通道中初始的信号噪声比是分开处理，若能整合处理的话将能节省许多系统的运算资源及时间。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种包含新的空白符元侦测电路的无线接收装置及新的空白符元侦测方法。

根据本发明的一实施例为一种包含空白符元侦测电路的无线接收装置，其中包含一前级处理电路、一时域信号处理电路以及一空白符元侦测电路。空白符元侦测电路接收来自该时域信号处理电路的一数据串流，数据串流包含多个数据符元以及至少一个空白符元，根据该数据串流中一个数据符元的长度，分次撷取该数据串流中的多个部分以进行运算，以判断最接近该空白符元的尾端的一位置。

根据本发明的另一具体实施例的空白符元侦测电路，包含撷取电路、缓存器、功率累加计算电路、加法器以及最大值决定电路。撷取电路用以分次撷取该数据串流的多个相邻部份作为多组撷取结果，缓存器缓存该多组撷取结果。功率累加计算电路分别将该多组撷取结果进行功率累加计算，以获得对应的多个功率累加结果；加法器，对每两该多个功率累加结果进行运算，以得到多个相减结果；最大值决定电路，储存该多个相减结果分别对应的多个差异量，并根据该多个差异量决定一现存最大差异量。

根据本发明的另一具体实施例的空白符元侦测电路，除了上述元件，更包含一信号噪声比决定电路，将该现存最大差异量与对应于该现存最大差异量的该相减结果所对应的该两个功率累加结果其中之一分别进行计算，以决定一信号噪声比。

根据本发明的另一实施例为一种空白符元侦测方法，适用于一无线接收装置接收的一数据串流，该数据串流包含多个数据符元以及至少一个空白符元。该侦测方法包含：撷取该数据串流的多个部分以得到多组撷取结果；根据该多组撷取结果获得对应的多个功率累加结果；将每两该多个功率累加结果相减以得到多个相减结果；以及依照该多个相减结果对应的多个差异量，以决定一现存最大差异量。

根据本发明的另一实施例为一种空白符元侦测方法，除了上述步骤，更包含将该现存最大差异量与对应于该现存最大差异量的该相减结果所对应的该两个功率累加结果其中之一进行计算，以决定一信号噪声比。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1a为现行数字音频传输信号中一数据串流内的结构的示意图；

图1b为一个现行数字音频传输系统接收装置的功能方块图；

图2为本发明的一实施例中包含空白符元侦测电的无线接收装置的简化功能方块图；

图3为本发明的一实施例中的空白符元侦测电路的细部功能方块图；

图4为本发明的一实施例中图3的实施例中空白符元侦测电路中的最大值决定电路的细部功能方块图；

图5a为数据串流的结构以及两次撷取窗框对应于数据串流的部分；

图5b为不同撷取窗框撷取数据串流不同部分时，对应的现存最大差异量的数值变化示意图；

图6a为本发明的另一实施例的空白符元侦测电路的细部电路方块图；

图6b为本发明的一实施例中图6a的实施例中空白符元侦测电路中的最大值决定电路的细部功能方块图；

图7为本发明的再另一实施例的空白符元侦测电路的细部电路方块图；

图8为本发明的一实施例中的空白符元侦测方法的流程图；以及

图9为本发明的一实施例中图8中步骤410的详细流程图。

符号说明

110 模拟数字转换器

120 自动增益控制电路

130 降频电路

140 降取样电路

150 快速傅立叶变换电路

160 后级处理电路

170 空白符元侦测电路

200 无线接收装置

210 前级处理电路

230 时域信号处理电路

231 降频电路

232 降取样电路

233 空白符元侦测电路

250 频域信号处理电路

251 快速傅立叶变换电路

252 后级处理电路

330 撷取电路

332 缓存器

334 功率累加计算电路

336 加法器

338 最大值决定电路

339 信号噪声比决定电路

383 缓存器

385 比较器

387 最大值纪录电路

389 计数器

400 空白符元侦测方法

CP 循环前缀

Max 现存最大差异量

S401～S414 流程步骤

S510～S523 流程步骤

s(n) 降取样结果

window 窗框

具体实施方式

须说明的是，本发明的图式包含呈现多种彼此关联的功能性模块的功能方块图。该等图式并非最细部电路图，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图式中绘示的方式分配，且分布式的区块不一定要以分布式的电子元件实现。

根据本发明的一实施例为一种包含空白符元侦测电路的无线接收装置，其简化的功能方块图系绘示于图2。实务上，该空白符元侦测电路可被整合在各种需要侦测接收信号中的一段空白符元来进行信号同步的无线接收装置中，例如但不限于数字音频传输(DAB)接收装置。如图2所示，无线接收装置包含前级处理电路210、时域信号处理电路230以及频域信号处理电路250。前级处理电路210可包含如数字模拟转换电路与自动增益控制电路等等；时域信号处理电路230则包含降频电路231、降取样电路232与空白符元侦测电路233；频域信号处理电路250包含快速傅立叶变换电路251以及后级处理电路252。如本发明技术领域中具有通常知识者所知，后级处理电路252可包含如反交错器、解调器、解码器等等，为通常频域信号处理电路可能包含的元件，其细节不赘述。

本实施例的无线接收装置的天线端接收高频模拟信号，并由前级处理电路210进行初始的信号处理，例如模拟-数字转换器负责将前端电路收到的模拟信号转换为数字信号、自动增益控制电路调整数字信号的振幅大小以利后续电路处理。接着，时域信号处理电路230的降频电路231将高频数字信号调降至基频段(baseband)，再经过降取样电路232进行降取样，将该数字信号降取样为符合传送端所采用的符元率(symbol rate)。在此将降取样电路232的输出信号称为一数据串流s(n)，由一连串的符元所组成。数据串流s(n)进入空白符元侦测电路233，对数据串流的多个符元进行运算，以找出最接近空白符元结尾之处，也就是靠近帧的起始位置。以下对空白符元侦测电路233的实施例进行详细的说明。

请见图3，本发明一实施例的空白符元侦测电路233包括撷取电路330、缓存器332、功率累加计算电路334、加法器336以及最大值决定电路338。请一并参考图5a，本发明的实施例适用的数据串流中的每个帧的结构顺序是空白符元(Null symbol)、做为同步数据的前导符元、系统信息符元，以及真正欲传送的数据符元。请注意的是，在数字音频传输系统中空白符元的长度被规范为1.297毫秒(ms)，而其他数据符元的长度被规范为1.246毫秒(ms)，此处指的数据符元长度包含图中所示的循环前缀(cyclic prefix，CP)，循环前缀系为传输OFDM信号会使用的保护区间，在此不多做赘述。利用上述图5a中数据串流的特性，撷取电路330撷取数据串流的几个部份作为撷取结果供后续电路进行比较以供判定空白符元的位置；缓存器332用以缓存上述被撷取的撷取结果；功率累加计算电路334将该些撷取结果分别进行计算以获得一比较基准。接着是加法器336进行减法以获得比较结果，并输入至最大值决定电路338进行最后判断。以下对上述每个元件进行详细的说明。

降取样电路232输出的数据串流s(n)进入空白符元侦测电路233之后，首先由撷取电路330撷取数据串流s(n)的其中一段并存入缓存电路中，每一次的撷取长度被设计为符合一个数据符元(symbol)的长度，在此设定为N(若于数字音频传输系统中则是指1.246毫秒)。由于数据串流s(n)已是经由在时间上取样后的数据，所以撷取电路330每一次撷取的一组撷取结果是数据串流s(n)中的N个取样，s(n)，n＝0～N-1。撷取电路330将前后两次所撷取的两组撷取结果分别储存于缓存器332的缓存区域A1以及缓存区域B1。假设本次撷取结果是s(n)，n＝0～N-1，则前次撷取结果是s(n-N)，n＝0～N-1。功率累加计算电路334包含计算电路A2和计算电路B2，分别将缓存区域A1以及缓存区域B1内的两组撷取结果进行功率累加运算。以计算电路A2为例，其将缓存区域A1中的该组撷取结果的所有N个取样值分别取绝对值后进行平方，再将此N个平方值进行累加以得到功率累加结果A3，数学表示为

计算电路B2亦对缓存区域B1中的该组撷取结果进行相同运算后得到功率累加结果B3，数学表示为计算电路A2和计算电路B2可能为两组相同的电路，亦可能是一组同样的电路轮流计算不同组撷取结果，本实施例的方式不应限制本发明的范畴。之后，功率累加结果A3和功率累加结果B3分别被输出至加法器336进行相减，相减结果输入至最大值决定电路338进行最后一步的运算。本实施例中的加法器336系将功率累加结果B3减去功率累加结果A3，也就是前一次撷取结果对应的功率累加结果减去后一次撷取结果对应的功率累加结果，本实施例相关的所有图式结以此为准而进行绘制；然而，请注意的是，本发明其他实施例中可为相反的减法(也就是功率累加结果A(本次)减去功率累加结果B(前次))，不应为范围限制，然因两者原理与计算方式相同，在此不再以另外实施例叙述。

本实施例的最大值决定电路338的细部电路方块图绘制如图4，其包含缓存器383、比较器385、最大值纪录电路387以及计数器389。上述相减结果称作为前后两次撷取结果对应的功率累加结果的差异量，表示为

请参考图5a，其除了绘示数据串流的结构，亦绘示了本实施例中撷取电路330于前后两次撷取窗框撷取数据串流的不同部分的示意图，其中以窗框window T＝0以及T＝1来表示，窗框window的长度即是撷取长度，T＝0表示前一次撷取，T＝1(current)表示本次(目前)撷取数据串流的位置。所以，每一个T都要取得一个差异量例如T＝0时就是计算T＝-1的功率累加结果与T＝0的功率累加结果的差异，T＝1时就是计算T＝0的功率累加结果与T＝1的功率累加结果的差异，T＝0得到的称为前次差异量，T＝1得到的称为本次差异量，此两个差异量会输入至比较器385中进行比较，两者中较大的差异量会被存至最大值纪录电路387，作为现存最大差异量。一旦最大值纪录电路387产生更改现存最大差异量的动作，计数器389开始计数。计数器389被设定具有一计数上限值，理想上，该计数上限值最大可被设定为空白符元长度与数据符元长度的差值。本实施例中，例如为数字音频传输系统中空白符元的长度1.297毫秒(ms)与数据符元的长度1.246毫秒(ms)的差值所对应的取样数，也就是104个取样点。计数器389于达到计数上限值时会使最大值纪录电路387中的现存最大差异量输出。假设在计数器389达到该上限值之前，最大值纪录电路387的现存最大差异量被更新(也就是说，有一更大的差异量被存入)，则计数器389会被归零并重新开始计数。计数器389设置的用意在于确保最大值的可靠性，降低因噪声或其他干扰使得取样结果不正确，导致产生错误的最大值的可能性。

图5b绘示窗框window于T＝-1、T＝0以及T＝1，最大值纪录电路387储存的现存最大差异量的数值变化示意图。T＝-1、T＝0以及T＝1即代表不同时间对数据串流进行撷取以得到不同的撷取结果，一个T的长度代表N个取样的时间(就是撷取长度)。现存最大差异量数值变化趋势图中的数值以及斜率等系为示意用途，并非一精确表示。由图5b可看出，假设前次撷取结果(例如T＝0)对应至数据串流的一个帧的末端，而本次撷取结果(例如T＝1)对应至数据串流中的空白符元，则现存最大差异量会是全部差异量中最大的(图中的Max)。换句话说，当找到最大的差异量时，可判定已找到最接近空白符元结尾之处。值得注意的是，产生最大差异量对应于数据串流中的位置是接近空白符元结尾之处，而非数据符元的起始位置。本发明利用此项特性，使计数器能有余裕计数超过最大值的位置以确认真实的最大值(Max)，并且利用数据串流结构中循环前缀(CP)作为保护区间的特性，使本发明的无线接收装置无碍地于这一段保护区间中进行同步并找到数据符元的起始位置。

于一实施例中，空白符元侦测电路233如图6a所示，最大值决定电路338另接收计算电路B2的输出，用以将最大值决定电路338输出的最大差异量进一步与功率累加结果B3进行运算以得到此阶段的信号噪声比(SNR)。图6b绘示本实施例的最大值决定电路338的详细电路方块图。其大部分电路方块与图4中的电路方块相同，在此不做赘述；与图4的实施例不同之处在于，本实施例的最大值决定电路338另包含信号噪声比(SNR)决定电路339。实际上，信号噪声比决定电路339可为一除法器。最大差异量以及功率累加结果B3输入至信号噪声比决定电路器339，将最大差异量

作为被除数，而功率累加结果B3做为除数，得到相除结果，即是对应于最大差异量的信号噪声比(SNR)。

图7呈现空白符元侦测电路233的另一个实施例。大部分的电路方块图皆与对应图3的实施例的电路方块相同，不额外重复叙述。实际上，图7的实施例与图6a的实施例相类似，差异在于图7的实施例中信号噪声比SNR决定电路339被设置于最大决定电路338之外，因此图7的空白符元侦测电路233可供输出最大差异量以及信号噪声比。其功能以及电路设计与图6a的信号噪声比决定电路339相同。

根据本发明的另一实施例为一种应用于无线接收装置的空白符元侦测方法400，其简易流程图绘示于图8。首先，步骤S401开始流程。步骤S402中对数据串流进行一次撷取以得到一组撷取结果，步骤S404中将此组撷取结果进行功率累加计算以得到功率累加结果。接着，于步骤S406中判断功率累加结果是否已经至少有两组，若判断为是，则进行下一步骤S408，若否，则回到步骤S404。步骤S408包括将两组功率累加结果进行相减以得到相减结果，然后进行步骤S410，依照相减结果来决定最大差异量。之后，可依照设计者的需求而进行以下步骤。步骤S412将现存最大差异量以及其中一组功率累加计算结果进行相除决定一信号噪声比。请注意的是，步骤S401至步骤S410可独立存在而不需要进行步骤S412。

图9另绘示空白符元侦测方法400中步骤S410依照相减结果决定最大差异量的详细流程图。首先，步骤S510接收相减结果并开始流程。步骤511取得相减结果的绝对值并产出一本次差异量。步骤S513为储存本次差异量，并检查是否已存在一前次差异量，若判断为是，则进行步骤S515，若判断为否，则回到步骤S510等待下一个相减结果。步骤S515包含比较本次差异量与前次差异量何者较大，并将较大的差异量输出。接着，步骤S517将较大差异量储存作为现存最大差异量，紧接着步骤S519开始计数。计数过程中会于步骤S521检查是否已经达到计数上限值，若检查结果为否，则跳至步骤S523判断现存最大差异量是否被更新，若被更新，则回到步骤S519重新开始计数，若没有被更新，则回到步骤S521继续计数并检查是否已达到计数上限值；若步骤S521检查结果为是，则将步骤S517中储存的现存最大差异量输出并结束本次流程。请注意的是步骤S513可以被省略，而在步骤S515中前次差异量即被设为零，与本次差异量进行比较。发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，先前在介绍无线接收装置时描述的各种操作变化亦可应用至图8中的空白符元侦测方法以及图9中决定最大差异量的方法，其细节不再赘述。

藉由以上实施例的详述，系希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露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权利要求书的范畴内。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。此外，本揭露书中的数学表示式系用以说明与本发明的实施例相关的原理和逻辑，除非有特别指明的情况，否则不对本发明的范畴构成限制。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，有多种技术可实现该等数学式所对应的物理表现形式。

Claims (18)

1.一种无线接收装置，包含：

一前级处理电路，接收一射频信号并进行一初步信号处理；以及

一时域信号处理电路，连接于该前级处理电路以接收一高频数字信号，包含：

一降频电路，将该高频数字信号降频至一基频段成为一基频数字信号；

一降取样电路，将该基频数字信号降取样成为一数据串流，该数据串流包含多个数据符元以及至少一个空白符元；以及

一空白符元侦测电路，接收该数据串流，根据该数据串流中该多个数据符元中的一个的长度，分次撷取该数据串流中的多个部分以进行运算，以判断最接近该空白符元的尾端的一位置。

2.如权利要求1所述的无线接收装置，其特征在于，该空白符元侦测电路包含：

一撷取电路，用以分次撷取该数据串流的多个相邻部份作为多组撷取结果；

一缓存器，缓存该多组撷取结果；

一功率累加计算电路，分别将该多组撷取结果进行功率累加计算，以获得对应的多个功率累加结果；

一加法器，对每两该多个功率累加结果进行运算，以得到多个相减结果；以及

一最大值决定电路，储存该多个相减结果分别对应的多个差异量，并根据该多个差异量决定一现存最大差异量。

3.如权利要求2所述的无线接收装置，其特征在于，该空白符元侦测电路中的该最大值决定电路包含：

一绝对值电路，将该多个相减结果取绝对值，以成为该多个差异量；

一缓存器，储存该多个差异量；

一比较器，每一次比较每两该多个差异量以产生一现存最大差异量；

一最大值纪录电路，纪录该现存最大差异量；以及

一计数器，在该最大值纪录电路被存入一现存最大差异量时开始计数，当计数到达一计数上限值，使该最大值纪录电路输出该现存最大差异量。

4.如权利要求3所述的无线接收装置，其特征在于，该撷取电路所输出的前后两组撷取结果为该数据串流中相邻的两部分，该比较器每一次比较的该两个差异量系对应于前后两组撷取结果，以输出该现存最大差异量。

5.如权利要求3所述的无线接收装置，其特征在于，该计数器的该计数上限值最大为该数据串流中该空白符元的长度与该数据符元长度的差值。

6.如权利要求3所述的无线接收装置，其特征在于，当该最大值纪录电路的该现存最大差异量被更新，而该计数器尚未计数达到该计数上限值，该计数器被归零并重新开始计数。

7.如权利要求3所述的无线接收装置，其特征在于，该最大值决定电路更包含一信号噪声比决定电路，将该现存最大差异量与该多个功率累加结果分别进行计算，以得到一信号噪声比。

8.如权利要求7所述的无线接收装置，其特征在于，该信号噪声比决定电路包含一除法器以及一比较器，该除法器将该现存最大差异量作为被除数，并分别将该多个功率类加结果当作除数，计算以得到多个相除结果，该多个相除结果经由该比较器判断后输出最大的相除结果以作为该信号噪声比。

9.如权利要求2所述的无线接收装置，其特征在于，该空白符元侦测电路更包含一信号噪声比决定电路，将该现存最大差异量与对应于该现存最大差异量的该相减结果所对应的该两个功率累加结果其中之一进行计算，以决定一信号噪声比。

10.如权利要求2所述的无线接收装置，其特征在于，该撷取电路撷取该数据串流中相邻的两部分作为前后两组撷取结果，每一组撷取结果的长度等于一个数据符元的长度；该加法器每一次系将该前后两组撷取结果对应的该两功率累加结果进行相减，以得到该多个相减结果其中之一。

11.如权利要求10所述的无线接收装置，其特征在于，该功率累加计算电路对每一该多组撷取结果中的N个值的绝对值进行平方，N代表一个数据符元长度中的取样个数。

12.如权利要求2所述的无线接收装置，其特征在于，被输出的该现存最大差异量对应于该数据串流中的位置，即是最接近该空白数据符元的尾端的一位置。

13.一种空白符元侦测方法，适用于一无线接收装置接收的一数据串流，该数据串流包含多个数据符元以及至少一个空白符元，该方法包含以下步骤：

撷取该数据串流的多个部分以得到多组撷取结果；

根据该多组撷取结果获得对应的多个功率累加结果；

将每两该多个功率累加结果相减以得到多个相减结果；以及

依照该多个相减结果对应的多个差异量，以决定一现存最大差异量。

14.如权利要求13所述的空白符元侦测方法，其特征在于，决定该现存最大差异量的步骤包含：

每一次比较每两该多个差异量以产生一现存最大差异量；

纪录该现存最大差异量并开始计数；以及

当计数到达一计数上限值，使该现存最大差异量输出。

15.如权利要求14所述的空白符元侦测方法，其特征在于，当计数尚未达到该计数上限值且被记录的该现存最大差异量被更新，则重新开始计数。

16.如权利要求13所述的空白符元侦测方法，其特征在于，该撷取步骤包括每一次撷取该数据串流中与一个数据符元相同长度的部分作为该多组撷取结果其中一组。

17.如权利要求13所述的空白符元侦测方法，其特征在于更包含：判定产生该现存最大差异量对应于该数据串流中的位置，即是最接近该空白数据符元的尾端的一位置。

18.如权利要求13所述的空白符元侦测方法，其特征在于，更包含将该现存最大差异量与对应于该现存最大差异量的该相减结果所对应的该两个功率累加结果其中之一进行计算，以决定一信号噪声比。

Images