TW201630372A - 無線接收裝置及其訊號處理方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種無線接收裝置，包含：一時域通道估測電路，用來在時域中依據一接收訊號之一部分以產生一通道資訊；一快速傅立葉轉換電路，耦接該時域通道估測電路，用來將該接收訊號之另一部分及該通道資訊轉換至頻域以產生複數接收資料；一等化器，耦接該快速傅立葉轉換電路，用來調整該些接收資料以產生複數複數型態之等化資料；一調整單元，耦接該等化器，用來調整該些等化資料，使一調整後之等化資料更接近複數平面之原點；以及一決策電路，耦接該調整單元，用來依據該些調整後之等化資料產生複數二進制資料。

Description

無線接收裝置及其訊號處理方法

本發明是關於無線接收裝置，尤其是關於無線接收裝置之決策回授通道估測電路與訊號處理方法，以及基於決策回授之通道估測方法。

地面數位多媒體廣播(Digital Terrestrial Multimedia Broadcast，以下簡稱DTMB)可區分為單載波模式與多載波模式。多載波模式的DTMB是一種基於時域同步(Time Domain Synchronous，TDS)正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的傳輸規範。DTMB訊號的一個資料框(data frame)包含資料框標頭(frame header)與資料框本體(frame body)。資料框標頭包含偽雜訊(pseudo noise，PN)序列，可以用來在時域進行通道估測與訊號同步。

請參閱圖1，其係習知DTMB訊號接收器的功能方塊圖。由天線接收之接收訊號經類比數位轉換器110轉換為數位格式後，由自動增益控制電路120調整其增益。之後經混頻電路130降頻，再由時域通道估測電路140在時域中依據決策回授資訊與一資料框的資料框標頭進行通道 估測。估測所得到的通道資訊與該資料框的資料框本體經由快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，FFT)電路150轉換至頻域後，等化器160在頻域依據該通道資訊對資料框本體進行處理，以減少多路徑通道之干擾並產生複數等化資料。之後決策電路170將等化資料轉成二進制資料後，由後級處理電路190進行解調變、解碼、解交錯等程序，以得到傳輸串流。決策電路170可以例如是硬決策(hard decision)電路或是軟決策(soft decision)電路。一般而言，時域通道估測電路140通常基於最小均方(Least Mean Square，LMS)演算法以疊代(iteration)方式來計算低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check，LDPC)碼，因此上述的二進制資料另一方面由快速傅立葉逆轉換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)電路180轉換至時域，作為時域通道估測電路140對後續之資料框進行疊代運算時所需的決策回授資訊。

下面的方程式表示快速傅立葉轉換電路150所輸出的接收資料R _n,k (對應第n個符號的第k個子載波)： 其中，X _n,k 為第n個符號之第k個子載波的傳送資料，H _n,k 為第n個符號之第k個子載波的通道增益，N _n,k 為第n個符號之第k個子載波的加成性白高斯雜訊(Additive White Gaussian Noise，AWGN)。 等化器160將接收資料R _n,k 除以通道增益H _n,k 以得到等化資料： 上述的通道有可能是一般的多路徑通道(multipath channel)，其通道脈衝響應(Channel Impulse Response，CIR)如圖2A所示；然而也有可能是0- dB回音通道(0-dB echo channel)，其通道脈衝響應如圖2B所示，兩組通道的能量相當，因此具有相近似的脈衝響應。圖2B所示的通道脈衝響應在其對應的頻率響應上將出現週期性的凹口(notch)，凹口處的通道增益H _n,k 極小，使得方程式(2)中的雜訊成分(N _n,k )被放大，影響等化資料的正確性。而且當通道的長度愈長，凹口數就愈多，等化資料受雜訊影響的機率也隨之增加。請參閱圖3，其係等化資料位於星座圖(constellation diagram)上之位置示意圖。圖中以16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調變)為例，虛線圓圈代表星座點的位置，實心圓點310則代表等化資料在星座圖上的位置。由方程式(2)可知，當快速傅立葉轉換電路150所輸出的接收資料R _n,k 除以極小的通道增益H _n,k 時，會造成等化資料的值變大，也就是等化資料在星座圖上的位置會遠離星座圖的原點，導致原本可能會被判斷為星座點320之等化資料(例如在實心圓點340的位置)，因偏移至實心圓點310的位置而被決策電路170誤判為星座點330。當這類的錯誤資料愈多時(例如因為0-dB回音通道的長度較長所導致的凹口數增加)，時域通道估測電路140便無法有效地依據快速傅立葉逆轉換電路180的回授資訊來做通道估測，最終使接收電路的效能降低，或甚至導致整體接收資料的正確性變差。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種無線接收裝置及其訊號處理方法，以及無線接收裝置之決策回授通道估測電 路及基於決策回授之通道估測方法，以提高無線接收裝置之接收資料的正確性及增加決策回授通道估測之效能。

本發明揭露一種無線接收裝置，包含：一時域通道估測電路，用來在時域中依據一接收訊號之一部分以產生一通道資訊；一快速傅立葉轉換電路，耦接該時域通道估測電路，用來將該接收訊號之另一部分及該通道資訊轉換至頻域以產生複數接收資料；一等化器，耦接該快速傅立葉轉換電路，用來調整該些接收資料以產生複數複數型態之等化資料；一調整單元，耦接該等化器，用來調整該些等化資料，使一調整後之等化資料更接近複數平面之原點；以及一決策電路，耦接該調整單元，用來依據該些調整後之等化資料產生複數二進制資料。

本發明另揭露一種無線接收裝置之訊號處理方法，包含：在時域中依據一接收訊號之一部分以產生一通道資訊；將該接收訊號之另一部分及該通道資訊轉換至頻域，以產生複數接收資料；調整該些接收資料，以產生複數複數型態之等化資料；調整該些等化資料，使一調整後之等化資料更接近複數平面之原點；以及依據該些調整後之等化資料產生複數二進制資料。

本發明之無線接收裝置及其訊號處理方法，以及無線接收裝置之決策回授通道估測電路及基於決策回授之通道估測方法能夠提高無線接收裝置之接收資料的正確性及增加決策回授通道估測之效能。相較於習知技術，本發明適當地調整等化後的資料，以減少傳輸過程之雜訊對訊號的影響。調整後的資料在星座圖上有較平均之分佈，因此經決策機制後可以得到更正確的資料，並有助於提升決策回授通道估測的效能。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

110‧‧‧類比數位轉換器

120‧‧‧自動增益控制電路

130‧‧‧混頻電路

140‧‧‧時域通道估測電路

150‧‧‧快速傅立葉轉換電路

160‧‧‧等化器

170‧‧‧決策電路

180‧‧‧快速傅立葉逆轉換電路

190‧‧‧後級處理電路

310、340、620、630‧‧‧實心圓點

320、330‧‧‧星座點

410、420、610‧‧‧邊界

510‧‧‧前級電路

520‧‧‧通道脈衝響應監控單元

530‧‧‧調整單元

S710~S770‧‧‧步驟

B‧‧‧邊界值

S‧‧‧調整係數

〔圖1〕為習知DTMB訊號接收器的功能方塊圖；〔圖2A〕為一般的多路徑通道之通道脈衝響應的示意圖；〔圖2B〕為0-dB回音通道之通道脈衝響應的示意圖；〔圖3〕為等化資料位於星座圖上之位置示意圖；〔圖4A〕為16-QAM的星座圖及對應之邊界；〔圖4B〕為64-QAM的星座圖及對應之邊界；〔圖5〕為本發明之DTMB訊號接收器的功能方塊圖；〔圖6〕為本發明等化資料於星座圖上之調整前及調整後位置示意圖；以及〔圖7〕為本發明之基於決策回授之通道估測方法之一實施例的流程圖。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明的目的之一在於適度地調整受到通道嚴重影響之等化資料，使其經過調整後在星座圖上位於較適當之位置。此處所謂較適當之位置係指星座圖上之特定的範圍內，該範圍之邊界與星座點之邊緣具 有一特定距離。如圖4A所示之16-QAM的星座圖，邊界410與外圍的星座點有d1的距離，如圖4B所示之64-QAM的星座圖，邊界420與外圍的星座點有d2的距離。邊界410及邊界420的設定與調變方式(例如16-QAM、64-QAM、256-QAM...等)及通道長度有關。當經過調整的等化資料位於較適當的位置(也就是例如邊界410及邊界420所決定的範圍內)，決策電路170的決策結果將更平均地分佈在各個星座點，這樣的結果可以更接近傳送端之設定，也就是將傳送資料平均地調變於各星座點上再傳送。如此一來時域通道估測電路140可以得到更準確的回授資訊，以更有效率地完成通道估測之疊代運算。

請參閱圖5，其係本發明之DTMB訊號接收器的功能方塊圖。原本圖1之類比數位轉換器110、自動增益控制電路120及混頻電路130以前級電路510總括表示之。本發明之DTMB訊號接收器另外包含耦接於時域通道估測電路140的通道脈衝響應監控單元520以及耦接於等化器160與決策電路170之間的調整單元530。通道脈衝響應監控單元520用來依據時域通道估測電路140所求得的通道資訊，例如通道長度(channel length)與通道能量(channel power)，再參考目前接收之DTMB訊號所使用之調變模式(例如16-QAM、64-QAM、256-QAM...等)，查表得出邊界值B與調整係數S。調整單元530將等化資料與邊界值B比對，以判斷是否應調整等化資料。例如當等化資料位於邊界外，表示該等化資料受通道之影響程度大，此時調整單元530依據調整係數S調整該等化資料，調整前及調整後之等化資料的位移量與調整係數S成比例，且調整後的等化資料將位於邊界內；而如果原本等化器160所輸出的等化資 料即位於邊界內，則調整單元530不調整該等化資料，直接輸出給後級處理電路190及快速傅立葉逆轉換電路180。

如前所述，當通道長度愈長時，通道的頻率響應圖上出現的凹口數就愈多。凹口數一多，等化資料出錯的機率就增大，也就是等化資料偏離星座圖的原點的機率就愈高，此時調整單元530在調整時有必要將更多的等化資料拉近星座圖的原點。也就是說，在同樣的調變模式下，當通道長度較長，通道脈衝響應監控單元520應輸出較小的邊界值B，以縮小此條件下於星座圖上所定義的特定範圍，如此受到調整單元530調整的等化資料將會較多；反之當通道長度較長，則應輸出較大的邊界值B。而在決定調整係數S時，通道脈衝響應監控單元520係參考調變模式與通道資訊。對應不同的調變模式，通道脈衝響應監控單元520預設有不同的調整係數S，此調整係數S還會依據通道能量進行微調。當多路徑的通道能量比愈接近1時(即通道愈接近圖2B所示的0-dB回音通道)，多通道路徑的狀況會較嚴重，此時通道頻率響應的凹口深度將會變得更深，造成等化資料偏離星座圖原點的情形更嚴重，此時調整單元530將該等化資料往原點調整的調整量將較高；然而如果雖有多路徑情形，但多路徑的通道能量比與1相差愈大，也就是兩組通道的能量差異較大，此時通道頻率響應的凹口深度將變得較淺，也就是說在凹口處的通道增益H _n,k 不至於為0，因此造成等化資料偏離星座圖原點的情形較不嚴重，此時調整單元530將該等化資料往原點調整的調整量將較低。此時調整單元530將該等化資料往原點調整的調整量將較低。在一實施例中，記錄邊界值B及調整係數S的查找表(Look-Up Table，LUT)係以 模擬的方式建立。例如先決定調變模式，再改變通道組合(通道長度與通道能量)來找出對應各種通道組合的邊界值B及調整係數S。之後通道脈衝響應監控單元520便可以依據調變模式及時域通道估測電路140所傳送之通道資訊(包含通道長度及通道能量)透過查表找出對應的邊界值B及調整係數S。在一較佳實施例中，如果通道脈衝響應監控單元520判斷該通道組合不會造成嚴重的等化資料的錯誤，例如通道較短且多路徑通道的能量差異較大時，通道脈衝響應監控單元520可以控制調整單元530不做任何判斷與調整，而直接將等化器160的輸出傳送至決策電路170。

調整單元530判斷等化資料是否位於邊界值B所決定的範圍內。如果等化資料位於邊界值B所決定的範圍內，則調整單元530不將該等化資料乘上該調整係數S，也就是決策電路170將以原始的等化資料進行決策；相反的，如果等化資料位於邊界值B所決定的範圍外，則調整單元530將該等化資料乘上該調整係數S，使調整後的等化資料位於該邊界值B所決定的範圍內。請注意，邊界值B可以被設定為非常小，或者設定為0，此時所有的等化資料都將落於邊界值B所決定的範圍外，其結果將等同於不設定邊界值B，調整單元530直接對所有的等化資料進行調整。調整單元530將等化資料乘上該調整係數S時，係同時對該等化資料的實部(I部分)及虛部(Q部分)乘上該調整係數S。也就是說調整單元530只改變等化資料的大小而不改變其相位，亦即調整後的等化資料的位置與調整前的等化資料的位置的連線將通過星座圖的原點，且調整係數S為介於0與1之間的正數。請參閱圖6，其係本發明等化資料於星座圖上之調整前及調整後的位置示意 圖。調整前之等化資料位於圖中實心圓點620的位置，而邊界610係依據邊界值B決定。調整單元530首先判斷調整前之等化資料是否位於邊界610所決定之範圍之外。判斷的方式是將等化資料之實數部分的絕對值(即實部分量的大小)以及虛數部分的絕對值(即虛部分量的大小)分別與邊界值B作比較。如果兩者中的任一值大於邊界值B，即表示調整前之等化資料位於邊界610所決定之範圍之外，否則則位於邊界610所決定之範圍之內。如果斷調整前之等化資料位於邊界610所決定之範圍之內，則調整單元530不處理該等化資料而直接輸出給決策電路170；然而如果調整前之等化資料位於邊界610所決定之範圍之外(例如實心圓點620的位置)，則將該等化資料乘上調整係數S，而調整後之等化資料則可能移至實心圓點630的位置，實心圓點620與實心圓點630的連線通過複數平面的原點。也就是說，等化資料在調整前可能被決策電路170決定成星座點330，而調整後等化資料位於較適當的位置，之後決策電路170依據其決策機制將等化資料決定成星座點320。

綜上所述，原本可能有多數的等化資料受被放大之雜訊的影響而落於邊界610所決定之範圍之外，則決策電路170輸出的數值將有大部分被決策為星座點外圍之少數點，造成分佈不平均，資料的錯誤率提高；當使用本發明的機制時，被雜訊影響的等化資料可以經由適當地調整而使決策後的數值可以平均地分佈於各個星座點，如此資料的正確性將提高，也因此時域通道估測電路140可以得到更正確的回授資訊而減少對後續之資料框進行疊代運算的次數。以一個實際的例子做說明：調變模式為64-QAM，碼率(code rate)為0.6，通道為包含393個結點(tap) 的0-dB回音通道，邊界值B設定為正規化之傳輸能量的1.5倍，調整係數S設定為0.125。在引入本發明的調整機制前，時域通道估測電路140計算低密度奇偶校驗碼時平均而言需完成7~11次的疊代運算，且計算低密度奇偶校驗碼的錯誤率為8.9e-2；相較之下，引入本發明的調整機制後，時域通道估測電路140所需的平均疊代次數大幅減少至6~8次，且錯誤率也改善至8.4e-2。

請參閱圖7，其係本發明之基於決策回授之通道估測方法之一實施例的流程圖。除前述之無線接收裝置之決策回授通道估測電路外，本發明亦相對應地揭露了一種決策回授通道估測方法，應用於DTMB訊號之接收端，能改善等化資料受多路徑通道之影響。本方法由前揭圖5所示之DTMB訊號接收器或其等效裝置來執行。如圖7所示，本發明決策回授通道估測方法之一實施例包含下列步驟：步驟S710：在時域中依據一接收訊號及一決策回授資訊計算一通道資訊。此步驟可以藉由最小均方演算法以疊代方式並參考決策回授資訊來計算該通道資訊，通道資訊例如包含通道增益、通道長度及通道能量等資訊；步驟S720：將該接收訊號之一部分及該通道資訊轉換至頻域，該接收訊號之該部分於轉換後形成複數接收資料。此步驟利用快速傅利葉轉換將該接收訊號之該部分及該通道資訊轉換至頻域，轉換後，形成多個複數型態的接收資料，如方程式(1)所示；步驟S730：調整該些複數型態的接收資料，以得到複數個等化資料。此步驟為一等化步驟，依據該通道資訊將該些接收資料除以通道 增益以減少多路徑通道之干擾，並且產生複數個等化資料。如方程式(2)所示，該些等化資料同樣為複數型態；步驟S740：依據該接收訊號之調變模式及該通道資訊產生邊界值B及調整係數S。此步驟藉由查表產生邊界值B及調整係數S，查表時所用的索引為接收訊號的調變模式，以及通道資訊所包含的通道長度及通道能量等資訊。該查找表係事先針對不同的調變模式及通道資訊藉由模擬的方式找出最適當的邊界值B及調整係數S；步驟S750：依據邊界值B及調整係數S調整該些等化資料，使調整後之等化資料相較於未調整之等化資料更接近複數平面之原點。如方程式(2)所示，由於該些接收資料在步驟S730之等化步驟中可能除以極小的通道增益而造成雜訊成分被放大，影響等化資料的正確性。如圖3所示，可能原本位於星座圖上實心圓點340處的等化資料，被放大的雜訊成分影響後變到實心圓點310的位置，如此一來便造成決策時的錯誤。所以此步驟先依據邊界值B判斷等化資料是否位於邊界所決定的範圍之外。如果不是，則不調整該等化資料；如果是，則將該等化資料乘以該調整係數S以使得調整後的等化資料可以更接近複數平面的原點，也就是落於邊界值B所決定的範圍之內。將該等化資料乘以該調整係數S時係將該等化資料的實部以及虛部同時乘上該調整係數S，因此調整前後的等化資料只有大小改變但相位不變。調整係數S為介於0與1之間的正數； 步驟S760：依據該些調整後之等化資料產生複數二進制資料。此步驟為決策步驟，等化資料經過調整後再進行決策，可以得到更正確的二進制資料；以及步驟S770：將該些二進制資料進行快速傅立葉逆轉換以產生該決策回授資訊。最後將該二進制資料進行快速傅立葉逆轉換以得到步驟S710所需的決策回授資訊。透過回傳的決策回授資訊，有助減少步驟S710後續計算所需的疊代次數。

除了用於決策回授通道估測，本發明之核心概念亦可用於非採用決策回授通道估測之無線接收裝置，在這種情況下，圖5所示的DTMB訊號接收器不包含快速傅立葉逆轉換電路180，然本發明仍有助於決策電路170輸出更正確的二進制資料。且相對應的訊號處理方法包含前述之步驟S710~S760，但步驟S710之通道資訊的產生不需參考決策回授資訊。

由於本技術領域具有通常知識者可藉由圖5之裝置發明的揭露內容來瞭解圖7之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。再者，前揭實施例雖以DTBM之訊號為例，然此並非對本發明之限制，本技術領域人士可依本發明之揭露適當地將本發明應用於其它類型的多載波正交分頻多工正交振幅調變訊號。

140‧‧‧時域通道估測電路

150‧‧‧快速傅立葉轉換電路

160‧‧‧等化器

170‧‧‧決策電路

180‧‧‧快速傅立葉逆轉換電路

190‧‧‧後級處理電路

510‧‧‧前級電路

520‧‧‧通道脈衝響應監控單元

530‧‧‧調整單元

B‧‧‧邊界值

S‧‧‧調整係數

Claims (20)

1. 一種無線接收裝置，包含：一時域通道估測電路，用來在時域中依據一接收訊號之一部分以產生一通道資訊；一快速傅立葉轉換電路，耦接該時域通道估測電路，用來將該接收訊號之另一部分及該通道資訊轉換至頻域以產生複數接收資料；一等化器，耦接該快速傅立葉轉換電路，用來調整該些接收資料以產生複數複數型態之等化資料；一調整單元，耦接該等化器，用來調整該些等化資料，使一調整後之等化資料更接近複數平面之原點；以及一決策電路，耦接該調整單元，用來依據該些調整後之等化資料產生複數二進制資料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線接收裝置，其中該調整單元係依據一第一參考值決定是否調整該些等化資料，當該些等化資料之實數部分之絕對值及虛數部分之絕對值的其中之一大於該第一參考值，則調整該些等化資料。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無線接收裝置，其中該調整單元係將該些等化資料之實部與虛部同時依據一第二參考值調整，其中該些等化資料於調整後及調整前具有相同之相位。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無線接收裝置，其中該調整單元係將該些等化資料之實部與虛部同時乘上該第二參考值，其中該第二參考值係為介於0與1之間的正數。
5. 如申請專利範圍第3項所述之無線接收裝置，更包含：一監控單元，耦接該時域通道估測電路及該調整單元，用來依據該接收訊號之一調變模式及該通道資訊產生該第一參考值及該第二參考值。
6. 如申請專利範圍第3項所述之無線接收裝置，其中該通道資訊包含一通道長度及一通道能量。
7. 如申請專利範圍第6項所述之無線接收裝置，其中該第一參考值係與該通道長度成反比。
8. 如申請專利範圍第6項所述之無線接收裝置，其中該第二參考值係依據該通道能量調整。
9. 如申請專利範圍第1項所述之無線接收裝置，其中該接收訊號係為一多載波模式之地面數位多媒體廣播訊號。
10. 如申請專利範圍第1項所述之無線接收裝置，更包含：一快速傅立葉逆轉換電路，耦接該決策電路及該時域通道估測電路，用來將該些二進制資料進行快速傅立葉逆轉換以產生一決策回授資訊；其中該時域通道估測電路更依據該決策回授資訊產生該通道資訊。
11. 一種無線接收裝置之訊號處理方法，包含：在時域中依據一接收訊號之一部分以產生一通道資訊；將該接收訊號之另一部分及該通道資訊轉換至頻域，以產生複數接收資料；調整該些接收資料，以產生複數複數型態之等化資料； 調整該些等化資料，使一調整後之等化資料更接近複數平面之原點；以及依據該些調整後之等化資料產生複數二進制資料。
12. 如申請專利範圍第11項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該調整該些等化資料之步驟係依據一第一參考值決定是否調整該些等化資料，當該些等化資料之實數部分之絕對值及虛數部分之絕對值的其中之一大於該第一參考值，則調整該些等化資料。
13. 如申請專利範圍第12項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該調整該些等化資料之步驟係將該些等化資料之實部與虛部同時依據一第二參考值調整，其中該些等化資料於調整後及調整前具有相同之相位。
14. 如申請專利範圍第13項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該調整該些等化資料之步驟係將該些等化資料之實部與虛部同時乘上該第二參考值，其中該第二參考值係為介於0與1之間的正數。
15. 如申請專利範圍第13項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，更包含：依據該接收訊號之一調變模式及該通道資訊產生該第一參考值及該第二參考值。
16. 如申請專利範圍第13項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該通道資訊包含一通道長度及一通道能量。
17. 如申請專利範圍第16項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該第一參考值係與該通道長度成反比。
18. 如申請專利範圍第16項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該第二參考值係依據該通道能量調整。
19. 如申請專利範圍第11項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，其中該接收訊號係為一多載波模式之地面數位多媒體廣播訊號。
20. 如申請專利範圍第11項所述之無線接收裝置之訊號處理方法，更包含：將該些二進制資料進行快速傅立葉逆轉換以產生一決策回授資訊；其中該依據該接收訊號之該部分以產生該通道資訊之步驟更包含：依據該決策回授資訊產生該通道資訊。