TW201820800A - 時域等化器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種時域等化器，用以消除一接收信號中的一回波信號。該接收信號包含一原始信號以及該回波信號。該時域等化器包含一時間延遲量估計器、一振幅放大倍率估計器，以及一相位偏移量估計器。該時間延遲量估計器找出能令一成本函數被最大化之一延遲量，做為該回波信號相對於該原始信號之一估計延遲量。該振幅放大倍率估計器根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計振幅放大倍率。該相位偏移量估計器根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計相位偏移。

Description

時域等化器及其控制方法

本發明與時域等化器相關，並且尤其與時域等化器中之參數決定方式相關。

正交分頻多工(orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM)技術因具有頻譜利用率高、硬體架構單純等優點，近年來被廣泛應用在通訊系統中。正交分頻多工信號係由多個符號(symbol)組成。為了避免因多重傳播路徑(multipath)造成的符號間干擾(intersymbol interference,ISI)，各符號前端皆設有一防護區間(guard interval)。然而，在較複雜的通訊環境中，還是有可能出現超過該防護區間長度的傳播延遲量，因而造成符號間干擾，導致系統的整體效能下降。這個問題無法透過頻域等化技術解決，而是必須在接收端的頻域等化器之前額外設置一個時域等化器。唯有正確估計多重傳播路徑中各個回波信號(echo signal)相對於原始信號的抵達時間延遲量、振幅放大倍率以及相位偏移量，並據此設定該時域等化器，始能有效消除或盡量降低該等回波信號對於原始信號的干擾。

本發明提出一種時域等化器及其控制方法。藉由定義出一個適當的成本函數(cost function)做為評估基礎，根據本發明之時域等化器及控制方法能估計出一回波信號相對於原始信號的時間延遲量。更進一步地，根據該估計延遲量，該回波信號相對於原始信號的振幅倍率與相位偏移亦可被決定。

根據本發明之一具體實施例為一種時域等化器，用以消除一接收信號中的一回波信號。該接收信號包含一原始信號以及該回波信號。該時域等化器包含一時間延遲量估計器、一振幅放大倍率估計器，以及一相位偏移量估計器。該時間延遲量估計器首先找出能令一成本函數被最大化之一延遲量，做為該回波信號相對於該原始信號之一估計延遲量。該振幅放大倍率估計器根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計振幅放大倍率。該相位偏移量估計器根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計相位偏移。該成本函數為： 其中，符號y代表該接收信號，k代表一取樣指標，信號y[k+τ]代表該接收信號經過長度為τ之時間延遲後產生之一延遲後信號，y ^*[k+τ]表示該延遲後信號之共軛信號。

根據本發明之另一具體實施例為一種應用於一時域等化器之控制方法。該時域等化器係用以消除一接收信號中之一回波信號。該接收信號包含一原始信號以及該回波信號。首先，能令一成本函數被最大化之一 延遲量被找出，做為該回波信號相對於該原始信號之一估計延遲量。根據該估計延遲量，該回波信號相對於該原始信號之一估計振幅放大倍率與一估計相位偏移被決定。隨後，該估計延遲量、該估計振幅放大倍率與該估計相位偏移被用以設定該時域等化器將施加於該接收信號之一過濾條件。該成本函數為： 其中，符號y代表該接收信號，k代表一取樣指標，信號y[k+τ]代表該接收信號經過長度為τ之時間延遲後產生之一延遲後信號，y ^*[k+τ]表示該延遲後信號之共軛信號。

關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

100‧‧‧時域等化器

11‧‧‧候選延遲量產生電路

12‧‧‧時間延遲量估計器

14‧‧‧振幅放大倍率估計器

16‧‧‧相位偏移量估計器

18‧‧‧濾波器

S22~S26‧‧‧流程步驟

圖一為根據本發明之一實施例中的時域等化器之功能方塊圖。

圖二為根據本發明之一實施例中的時域等化器控制方法之流程圖。

須說明的是，本發明的圖式包含呈現多種彼此關聯之功能性器的功能方塊圖。該等圖式並非細部電路圖，且其中的連接線僅用以表示信號流。功能性元件及/或程序間的多種互動關係不一定要透過直接的電性連結始能達成。此外，個別元件的功能不一定要如圖式中繪示的方式分配， 且分散式的區塊不一定要以分散式的電子元件實現。

於本發明所採用的信號模型中，傳送端發出的原始信號被表示為符號x，接收端收到的接收信號被表示為符號y。在不考慮符號時間偏移(symbol timing offset)和頻率偏移(frequency offset)的情況下，經過多重傳播路徑後，接收信號y可表示如下： 其中k代表一取樣指標，P代表傳送端至接收端間的傳輸通道之多重傳播路徑造成的回波信號總數量。由式一可看出，接收信號y也就是原始信號x與P個回波信號的總和。符號a _p 、θ _p,k 、(M _p +△ _p )分別代表這P個回波信號中之第p個回波信號相對於原始信號x的振幅放大倍率、相位偏移量和抵達時間延遲量(P為一正整數，p為範圍在1到P間之整數指標)。n[k]代表雜訊信號。抵達時間延遲量(M _p +△ _p )包含兩個成分，符號M _p 是該第p回波信號之概略延遲量，為接收端可透過快速傅立葉逆變換所知者，但精細延遲量△ _p 是難以量測的。

根據式一，原始信號x和接收端收到的接收信號y之間的轉換函數可被定義為：

本發明所提供之時域等化器的設計目標在於盡可能消除信號y 中的回波信號，也就是令時域等化器之輸出信號z與原始信號x間的轉換函數Z/X接近1。因此，可推論出理想的轉換函數Z/Y應為： 相對應地，時域等化器的理想輸出信號z為：

圖一為根據本發明之一實施例中的時域等化器之功能方塊圖。時域等化器100會估計出各個回波信號相對於原始信號x的抵達時間延遲量、振幅放大倍率與相位偏移量，成為調整接收信號y的依據。如圖一所示，時域等化器100包含一候選延遲量產生電路11、一時間延遲量估計器12、一振幅放大倍率估計器14、一相位偏移量估計器16以及一濾波器18；各電路的運作方式分述如下。

針對一回波信號，時間延遲量估計器12首先找出能令一成本函數(cost function)被最大化之一抵達時間延遲量，做為該回波信號相對於原始信號x的估計延遲量。該成本函數為： 其中k代表一取樣指標，y[k]為接收信號y的第k個取樣。信號y[k+τ]代表信號y[k]經過長度為τ之時間延遲後產生之一延遲後信號，y ^*[k+τ]則表示延遲後信號y[k+τ]之共軛信號。延遲後信號y[k+τ]由時間延遲量 估計器12根據信號y[k]產生；延遲量τ是時間延遲量估計器12可控制的一個變量。式五中的運算可被視為計算信號y[k]及其延遲後信號y[k+τ]的相關性，並將該相關性運算結果經過一段時間累加起來。理論上，時間延遲量估計器12採用的延遲量τ愈接近該回波信號的實際延遲量，會使信號y[k]及其延遲後信號y[k+τ]的相關性愈高，進而令式五的計算結果愈大。有鑑於此，時間延遲量估計器12被設計為找出能令成本函數C(τ)最大化的延遲量τ，做為該回波信號相對於原始信號x的估計延遲量。

候選延遲量產生電路11可預先選定或即時決定複數個候選延遲量，並提供給時間延遲量估計器12。如先前所述，第p回波信號之概略延遲量M _p 是接收端可透過快速傅立葉逆變換所知者，但精細延遲量△ _p 是難以量測的。針對每一個回波信號，候選延遲量產生電路11可先找出其概略延遲量，並從該概略延遲量的鄰近範圍內選定候選延遲量。舉例而言，假設已知該鄰近範圍是(M _p -τ _min )~(M _p +τ _max )且希望選出十個候選延遲量τ ₀~τ ₉，則可令候選延遲量τ ₀等於(M _p -τ _min )，令候選延遲量τ ₉等於(M _p +τ _max )，並在候選延遲量τ ₀與τ ₉之間內插產生出其他八個由小到大等距間隔的候選延遲量τ ₁~τ ₈。

實務上，時間延遲量估計器12有多種找出令成本函數C(τ)最大化之延遲量τ的可能做法；以下舉出幾種實施例，但本發明的範疇不以此為限。

於一實施例中，時間延遲量估計器12可根據候選延遲量τ ₀~τ ₉分別產生接收信號y的十種延遲後信號，並根據這十種延遲後信號與接收信 號y產生十個成本函數運算結果C(τ ₀)~C(τ ₉)。隨後，根據成本函數運算結果C(τ ₀)~C(τ ₉)，時間延遲量估計器12選擇能產生一最大成本函數運算結果的候選延遲量，做為估計延遲量。舉例而言，若C(τ ₃)為成本函數運算結果C(τ ₀)~C(τ ₉)中最大的一個成本函數運算結果，時間延遲量估計器12便可選擇延遲量τ ₃做為估計延遲量。

於另一實施例中，以延遲量τ做為偏導數對成本函數C(τ)施以偏微分所產生之一偏微分函數C'(τ)係預先提供。時間延遲量估計器12分別將複數個候選延遲量代入偏微分函數C'(τ)，以產生複數個偏微分運算結果，例如C'(τ ₀)~C'(τ ₉)。隨後，時間延遲量估計器12選擇能產生最接近零之偏微分運算結果的一個候選延遲量，做為估計延遲量。換句話說，若C'(τ ₃)為偏微分運算結果C'(τ ₀)~C'(τ ₉)中最接近零的一個偏微分運算結果，時間延遲量估計器12便可選擇延遲量 τ ₃ 做為估計延遲量。

於又一實施例中，同樣地，以延遲量 τ 做為偏導數對成本函數 C ( τ )施以偏微分所產生之一偏微分函數 C' ( τ )係預先提供。首先，時間延遲量估計器12分別將複數個候選延遲量代入成本函數 C ( τ )，以產生複數個成本函數運算結果，例如 C ( τ ₀ )~ C ( τ ₉ )。隨後，根據成本函數運算結果 C ( τ ₀ )~ C ( τ ₉ )，時間延遲量估計器12選擇能產生一最大成本函數運算結果的候選延遲量，做為一初步估計延遲量，並據此進一步推求更精準的估計延遲量(必然鄰近於該初步估計延遲量)。以延遲量 τ ₃ 被選擇做為該初步估計延遲量為例，時間延遲量估計器12會將初步估計延遲量 τ ₃ 代入偏微分函數 C' ( τ )，以產生一第一偏微分結果 C' ( τ ₃ )。假設候選延遲量 τ ₀ ~ τ ₉ 係 由小到大依序排列。可理解的是，若第一偏微分結果 C' ( τ ₃ )為大於零，能最大化成本函數 C ( τ )的延遲量(亦即可令其偏微分結果大致為零的延遲量)很可能是出現在候選延遲量 τ ₃ 、 τ ₄ 之間，且候選延遲量 τ ₄ 對應的偏微分結果 C ′( τ ₄ )很可能小於零。相對地，若第一偏微分結果 C ′( τ ₃ )小於零，能最大化成本函數 C ( τ )的延遲量(亦即可令其偏微分結果大致為零的延遲量)則很可能出現在候選延遲量 τ ₂ 、 τ ₃ 之間，且候選延遲量 τ ₄ 對應的偏微分結果 C' ( τ ₄ )很可能大於零。因此，根據第一偏微分結果 C' ( τ ₃ )之正負號，時間延遲量估計器12可自複數個候選延遲量 τ ₀ ~ τ ₉ 中再選擇另一個參考延遲量。舉例而言，若第一偏微分結果 C' ( τ ₃ )為大於零，時間延遲量估計器12便可選擇候選延遲量 τ ₄ 做為另一個參考延遲量，並將參考延遲量 τ ₄ 代入偏微分函數 C' ( τ )，以產生一第二偏微分結果 C' ( τ ₄ )。隨後，時間延遲量估計器12可根據第一偏微分結果 C' ( τ ₃ )與第二偏微分結果 C' ( τ ₄ )內插產生令偏微分結果大致為零的延遲量，做為估計延遲量。

須說明的是，於實際應用中，上述候選延遲量不一定要對應於整數的取樣指標k，例如可以是對應於取樣指標k=1.5或k=1.75。較具體地說，若欲產生非整數的取樣指標k，時間延遲量估計器12採用的候選延遲量可以是根據數個對應於整數取樣指標k的延遲量一階段或多階段內插產生。以下呈現一個兩階段內插產生候選延遲量的範例。

首先，第一階段內插是產生多個初步內插結果 y ( k + t _j )。舉例而言，利用五個初始延遲量 t ₀ ~ t ₄ 各自對應的接收信號y可線性組合出五個初步內插結果 y ( k + t _j )： 其中j為範圍在0到4之間的整數指標；為權重係數，各延遲量 t _j 的權重係數皆不同； M _j 為一基本延遲量(與 t _j 無關)。

接著，第二階段內插是產生多個第二階段內插結果 y ( k + τ _i )。舉例而言，利用根據式六得出的 y ( k + t _j )可再次內插產生十一個第二階段內插結果 y ( k + τ _i )： 其中i為範圍在0到10之間的整數指標，為權重係數，各延遲量 t _j 的權重係數皆不同。

結合式六與式七，可將成本函數 C ( τ _i )展開如下： 其中，

根據式八與式九，可導出偏微分函數 C' ( τ _i )： 其中的 A _{k ,I} 、 A _{k ,Q} 分別對應於信號中的同相成分和正交相位成分。實務上，係數和都可以預先計算並儲存在記憶體中做為參考資料，供時間延遲量估計器12使用。

在時間延遲量估計器12針對一回波信號產生估計延遲量之後，振幅放大倍率估計器14便根據估計延遲量決定該回波信號相對於原始信號x的估計振幅放大倍率。於一實施例中，振幅放大倍率估計器14根據下列運算式決定該估計振幅放大倍率： 其中 k GI ，代表計算該估計振幅放大倍率時係選取對應於原始信號x之一防護區間(guard interval)內的取樣結果，代表時間延遲量估計器12產生之該估計延遲量， μ 代表時域等化器100所屬之接收端施於接收信號y的 快速傅立葉變換之長度。實務上，式十一中的數值| C ()|可能稍早已由時間延遲量估計器12產生，可直接提供給振幅放大倍率估計器14使用。

此外，在時間延遲量估計器12針對一回波信號產生估計延遲量之後，相位偏移量估計器16便根據估計延遲量決定該回波信號相對於原始信號x的估計相位偏移。於一實施例中，相位偏移量估計器16找出運算結果 C ()之相位角(或稱幅角)，做為該估計相位偏移。實務上，運算結果 C ()稍早已由時間延遲量估計器12產生，可直接提供給相位偏移量估計器16使用。

最後，濾波器18根據各個回波信號的估計延遲量、估計振幅放大倍率與估計相位偏移來設定將施加於接收信號y的過濾條件。須說明的是，如何根據各回波信號之估計延遲量、估計振幅放大倍率與估計相位偏移來設定適當的過濾條件以濾除該等回波信號為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，於此不贅述。

本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，有多種電路組態和元件可在不背離本發明精神的情況下實現候選延遲量產生電路11、時間延遲量估計器12、振幅放大倍率估計器14、相位偏移量估計器16，例如固定式的和可程式化的邏輯電路，例如可程式化邏輯閘陣列、針對特定應用的積體電路、微控制器、微處理器、數位信號處理器。此外，該等估計器亦可被設計為透過執行記憶體中所儲存之處理器指令，來完成其運算任務。

根據本發明之另一具體實施例為一種應用於一時域等化器之控 制方法，其流程圖係繪示於圖二。該時域等化器係用以消除一接收信號中之一回波信號。該接收信號包含一原始信號以及該回波信號。首先，步驟S22為找出能令一成本函數被最大化之一延遲量，做為該回波信號相對於該原始信號之一估計延遲量。在步驟S24中，根據該估計延遲量，該回波信號相對於該原始信號之一估計振幅放大倍率與一估計相位偏移被決定。隨後，在步驟S26中，該估計延遲量、該估計振幅倍率與該估計相位偏移被用以設定該時域等化器將施加於該接收信號之一過濾條件。在步驟S22中，該成本函數為： 其中，符號y代表該接收信號，k代表一取樣指標，信號y[k+τ]代表該接收信號經過長度為τ之時間延遲後產生之一延遲後信號，y ^*[k+τ]表示該延遲後信號之共軛信號。

本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹時域等化器100時描述的各種操作變化亦可應用至圖二中的控制方法，其細節不再贅述。

須說明的是，本揭露書中的數學表示式係用以說明與本發明之實施例相關的原理和邏輯，除非有特別指明的情況，否則不對本發明之範疇構成限制。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，有多種技術可實現該等數學式所對應的物理表現形式。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發 明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims (12)

1. 一種時域等化器，用以消除一接收信號中的一回波信號，該接收信號包含一原始信號以及該回波信號，該時域等化器包含：一時間延遲量估計器，找出令一成本函數被最大化之一延遲量，做為該回波信號相對於該原始信號之一估計延遲量；一振幅放大倍率估計器，用以根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計振幅放大倍率；以及一相位偏移量估計器，用以根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計相位偏移；其中該成本函數為： 其中，符號 y代表該接收信號， k代表一取樣指標，信號 y[ k+ τ]代表該接收信號經過長度為 τ之時間延遲後產生之一延遲後信號， y ^*[ k+ τ]表示該延遲後信號之共軛信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之時域等化器，其中該振幅放大倍率估計器係根據下列運算式決定該估計振幅放大倍率： 其中 k GI代表選取對應於該原始信號之一防護區間(guard interval)內之取樣結果， 代表該時間延遲量估計器產生之該估計延遲量， μ代表一快 速傅立葉變換之長度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之時域等化器，其中該相位偏移量估計器找出運算結果 C( )之相位角，做為該估計相位偏移， 代表該延遲量估計器產生之該估計延遲量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之時域等化器，其中該延遲量估計器被用以：分別將複數個候選延遲量代入該成本函數，以產生複數個成本函數運算結果；以及根據該複數個成本函數運算結果，選擇能產生一最大成本函數運算結果之候選延遲量，做為該估計延遲量。
5. 如申請專利範圍第1項所述之時域等化器，其中以延遲量 τ做為偏導數對該成本函數施以偏微分所產生之一偏微分函數係預先提供；該延遲量估計器被用以：分別將複數個候選延遲量代入該偏微分函數，以產生複數個偏微分運算結果；以及根據該複數個偏微分運算結果，選擇能產生最接近零之偏微分運算結果之候選延遲量，做為該估計延遲量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之時域等化器，其中以延遲量 τ做為偏導數對該成本函數施以偏微分所產生之一偏微分函數係預先提供；該延遲量估計器被用以：分別將複數個候選延遲量代入該成本函數，以產生複數個成本函數 運算結果；根據該複數個成本函數運算結果，選擇能產生一最大成本函數運算結果之候選延遲量，做為一初步估計延遲量；將該初步估計延遲量代入該偏微分函數，以產生一第一偏微分結果；根據該第一偏微分結果之正負號，自該複數個候選延遲量選擇一參考延遲量；將該參考延遲量代入該偏微分函數，以產生一第二偏微分結果；以及根據該第一偏微分結果與該第二偏微分結果內插產生該估計延遲量。
7. 一種應用於一時域等化器之控制方法，該時域等化器係用以消除一接收信號中之一回波信號，該接收信號包含一原始信號以及該回波信號，該控制方法包含：(a)找出能令一成本函數被最大化之一延遲量，做為該回波信號相對於該原始信號之一估計延遲量；(b)根據該估計延遲量，決定該回波信號相對於該原始信號之一估計振幅放大倍率與一估計相位偏移；以及(c)根據該估計延遲量、該估計振幅倍率與該估計相位偏移，設定該時域等化器將施加於該接收信號之一過濾條件；其中該成本函數為： 其中，符號 y代表該接收信號， k代表一取樣指標，信號 y[ k+ τ]代表該接收信號經過長度為 τ之時間延遲後產生之一延遲後信號， y ^*[ k+ τ]表示該延遲後信號之共軛信號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中步驟(b)包含根據下列運算式決定該估計振幅放大倍率： 其中 k GI代表選取對應於該原始信號之一防護區間(guard interval)內之取樣結果， 代表步驟(a)產生之該估計延遲量， μ代表一快速傅立葉變換之長度。
9. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中步驟(b)包含：找出運算結果 C( )之相位角，做為該估計相位偏移， 代表步驟(a)產生之該估計延遲量。
10. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中步驟(a)包含：分別將複數個候選延遲量代入該成本函數，以產生複數個成本函數運算結果；以及根據該複數個成本函數運算結果，選擇能產生一最大成本函數運算結果之候選延遲量，做為該估計延遲量。
11. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中以延遲量 τ做為偏導數對該 成本函數施以偏微分所產生之一偏微分函數係預先提供，步驟(a)包含：分別將複數個候選延遲量代入該偏微分函數，以產生複數個偏微分運算結果；以及根據該複數個偏微分運算結果，選擇能產生最接近零之偏微分運算結果之候選延遲量，做為該估計延遲量。
12. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中以延遲量 τ做為偏導數對該成本函數施以偏微分所產生之一偏微分函數係預先提供，步驟(a)包含：分別將複數個候選延遲量代入該成本函數，以產生複數個成本函數運算結果；根據該複數個成本函數運算結果，選擇能產生一最大成本函數運算結果之候選延遲量，做為一初步估計延遲量；將該初步估計延遲量代入該偏微分函數，以產生一第一偏微分結果；根據該第一偏微分結果之正負號，自該複數個候選延遲量選擇一參考延遲量；將該參考延遲量代入該偏微分函數，以產生一第二偏微分結果；以及根據該第一偏微分結果與該第二偏微分結果內插產生該估計延遲量。