TWI321923B - A method and apparatus for analyzing a digital signal representing a communications signal and storage medium using the same - Google Patents

Description

1321923 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種用以分析數位信號的裝置及方法， 尤指一種用以分析一代表通訊信號之數位信號之裝置及方 法。 【先前技術】 • 對於大多數的行動通訊系統而言，為了使運作的結果 更加令人滿意，接收器需要對應於發射器來鎖定住時間與 .頻率。傳統上，接收器是透過控制一本地震盪器的頻率以 將訊號從射頻端降頻轉換至基頻端或是射頻架構上之中頻 端，藉此達成接收器與發射器之頻率同步。 圖一係描述一種可解決上述情況之方法中的某部分處 理級。圖一確實能夠用來表示一行動電話或者是一蜂巢式 通訊網路基地台之訊號處理串，要注意的是圖一中之區塊 • 係表示對一接收信號所執行之操作處理，但不一定需要直 接地去符合接收器實際製作中所出現之實體單元。第一級 101相當於射頻處理，在射頻處理的過程中，使用一混波 器103以將接收信號降頻轉換至基頻，其中用來驅動混波 器之參考頻率係由一震盪器104產生，此載波經降頻轉換 後，信號經過低通濾波器102且傳遞至混波信號處理級 108，混波信號處理包含類比/數位轉換器（ADC) 105、取 樣器106以及低通濾波器107,經處理過後之信號係為數 位形式.，並提供給數位信號處理級109以作為處理之緩衝 1321923 … •· :準備，解調級uo則產生發射資訊位元之估測值，在數位 信號處理的郤刀過私中，會產生數位信號之殘餘頻率偏移 之估測值，那些頻率誤差估測經過濾波器111以便改善其 玉確率以及用來控制震盪器104所產生之參考頻率。 - 此頻率鎖疋機制為一種典型的行動通訊接收器，且透 過/回授迴路來達成同步，此一解決方法在發射器之參考 頻率是超時穩定的情況下是非常有效的，然而此穩定度並 朴是總疋可以達成的。舉例而言，在蜂巢式通訊系統中， φ使用者介於不同基地台之間的換手（hand-over)將導致接 收信號發生短暫的頻率偏移，此頻率偏移經比較後通常是 • 滿小的（標準值為百萬分之0. 1)，但是對於接收器内的信 號解調會造成不好的影響’特別是使用於一高標準要求的 調變方案’舉例而 s ’ E-GPRS (Enhance General Packet Radio Service)所使用之8pSK調變，其表現仍會受到非 常小之殘餘頻率偏移的影響，為了限制其表現的下降程 度，接收器參考頻率的修正速度應盡可能地加快，然而圖 • 一所描述之機制並不適用，因為回授迴路在修正信號的過 程中會造成延遲的情形。 【發明内容】 一種用來修正上述殘餘頻率偏移之可行機制係描述於 圖二，此解決方式近似於圖一中所述之方法，然而，一個 額外的處理級已經被顯示於數位信號處理區塊209中，由 混波信號處理級208所產生之數位信號係被缓衝並先由頻 率誤差之估測及修正單元211來處理，一旦此頻率偏移已 6 ==卜，修正係被軌行以 分量分：來頻率偏_使用頻率 :=?頻率較低’通常需要大量的取樣以獲得-正確 依據此一觀點，本發明掉板 信號之數位信_裝£ 用以分析—代表翻 〇,.., 該通讯仏號包括一連串的資訊符 ^係透過-傳遞通道由—接收器取得，該裝置包括：用 ^ 數位信號之取樣时_軌信號之符號的裝 用於對該數位信號之至少—取樣建立模型之取樣難 置’其係使用估測之符號以及有關於傳遞通道之資料； 以及用於比％c該數則讀之—㈣取樣與該數位信號之一 實際取樣以估測後者之相位誤差之相位誤差估測裝置。 本發明亦有關於一種用以分析一代表通訊信號之數位 仏號的方法，該通訊信號包括一連串的資訊符號，係透過 一傳遞通道由一接收器取得，該方法包括：一符號估測步 驟’包括處理該數位信號之取樣以估測該通訊信號之符 號；一取樣模擬步驟，包括對該數位信號之至少一取樣建 立模型’其係使用估測之符號以及有關於傳遞通道之資 料；以及一相位誤差估測步驟，包括比較該數位信號之一 模型取樣與一實際取樣以估測後面取樣之相位誤差。 因此，本發明提供一種量化一通訊信號中之相位誤差 之方法’其中通訊信號係從一接收器所取得，此誤差在某 種程度上至少可歸咎於接收器取得之通訊信號，其在頻率 轉換上之瑕疵。 1321923 : 如果想要使估測後之相位誤差能夠用來修正數位信 號，其中數位信號代表所取得之通訊信號。在一實施例中， 從數位信號之實際取樣所估測出之一相位誤差與數位信號 之一模型取樣係用來修正數位信號之取樣，之後數位信號 之取樣係用來產生相位誤差估測。 在一實施例中，相位誤差估測係用來產生數位信號中 之頻率誤差之估測，其中數位信號代表所取得之通訊信 號，上述所產生之一頻率誤差估測可用來修正數位信號中 籲之相位誤差，而且可修正數位信號產生過程中之一頻率轉 換程序。 知刖所述，本發明包含通訊信號其符號之估測，舉例 而5，每些估測符號可以為具有複數值之調變符號之形 式，或是由以一群位元所表示之解調符號之形式。 本發明能夠以硬體或是透過處理器之軟體操作來實 現’亦可使用兩者之組合方式來實現，本發明能夠使用於 I行動通訊網路終端裝置，例如—基地台紋一手機，本 _發明尤其是適用於一 EGpRs系統。 【實施方式】 之實施例僅作為範例，兹配合圖式說明如下： .〇提供數位仏號處理單元301之概觀，數位信妒 處理單元301可用來取^ I ° 音浐加, 用术取代早兀以作為實現本發明之一 圖及圖二所示，透過混波信號處理所產生之 :準處理單元301中被緩衝以作為後續處理 調單凡306 (類似解調單元110)所產生的每 8 1321923 一決策則與其對應之接收取樣相比較以產生後者之一相位 誤差之估測’而目前之頻率偏移則使用單元303，因為解 調單元306在產生決策之過程中會造成一延遲，故對於接 收的取樣，需要一延遲單元3〇2，那些頻率估測的濾波（均 化）則由單兀304來執行以改善那些估測的正確性，接著， 此滤波後之料偏移估計係被單元·使用以 樣之相位，切解元_所產生的每1策；:立 而不須等到整個資訊區塊的末端才使用，因此，在 广306 :出^時’頻率修正也能夠被立即應用:: 號上’當接收信號中的取樣被處理的越多，此 k 正確性也隨之改善。 千正的 為了描述由數位信號處理級3〇1所執行的 紹傳輸路徑的模型是有用的，一傳輸區塊{ 2介 個資訊位7L所組成，其中4剩，這些f訊位元;D 成C個組合’其中每一組合係為M個位元，也就是公子紐 這些資訊位元係表示為： ={心><*，.··，〜外(M-丨)} 由Μ個資訊位元〜所組成的每一組合係在複數 進行調變，並使用一調變方案Μ將具有Μ個位元的 上 合對映至複數平面上，舉例而言，在8PSK調變的 固組 調變Μ係表示為： 伊】中’ M^Ak) = M{{dixk,d,xk+},<^3xi+2}) = exp 2-j-πχ (4·) + (2·4相)+ \\ 調變係 由上面的方程式所描述之一稍作改良的 使用於E-GPRS系統。 9 1321923 C個調變符號在空氣的傳輸過程中會受到傳 輸通道的影響而扭曲失真，假設一具有記憶性之傳輸通道 的一般模型，其在接收器輸入端的取樣{Umu/：；)可表示為： sk;F(ck,U 6=斗▲丨） 當β調變符號被發送時，么係表示傳輸通道的狀態（記 憶），這裡要注意的是由發射器或接收器其中之一或是發射 器及接收器同時所做的濾波能夠被整合到傳輸通道模型 中，用來建立傳輸通道模型的映射F及S則可以是時變的。 然而，為了簡化表示方式，在本文所提及的映射假設是不 隨時間而變的。 在接收器這端，信號會受到雜訊的破壞以及受到發射 器與接收器之間的殘餘頻率偏移效應的破壞，將這些效應 考慮進來後，輸入數位信號處理單元301的信號可表示為： rk =eJ^k xsk+nk 其中hh+e表示附加雜訊取樣的序列，而多摺形 式則為接收信號上其殘餘頻率偏移效應的模型，在0取樣 上的相位偏移可表示為： Θ, ={kx&) + e0 其中Θ表示殘餘角頻率偏移且與頻率誤差相關，Λ為取 樣頻率，其表示式為： 數訊信號處理級301之操作目的在於修正接收資料流 中的殘餘相位誤差，其可透過圖三及圖四的幫助來描述 1321923 之’而後者詳細地顯示出數位信號處理級301中的相關操 作。 在接收P複數取樣'之後，解調器3〇6、4〇1產生一傳 輸符號之估測，由解調器306、401於符號決策中所產 生的延遲5能夠透過發射器與接收器間的傳輸通道其具有 έ己憶性來解釋。因此，發射資訊係透過多個接收符號來傳 播且解調器306、401通常可以將那些不同符號的資訊組合

起來以改善其性能表現，由解調單元3〇6、4〇1所產生的符 號決策係表示為。 利用發射器的調變資料，數位信號處理級3〇1接著能 夠，生-發射複數符號h之估測，此估測複數符號係表示 為，要注意的是數位信號處理級3〇1事先可能不會有調 變方案Μ之.資訊，其中M是發射器所採用之調變方案， 因此必須由來自混波單元108之信號流中去推論出調變方 案。舉例而言，在EGPRS系統範例中，發射器能夠從g贿 以及㈣兩個調變方案中做出選擇，卻不須明確地提供此 格式資訊給接收器。 ~ 一假設數位信號處理級301具有傳輸通道其相 貧訊’其中相關狀態係由映射& s所建立，對於數: 唬處理級而言，產生該複數符號^之 ^ 估測係表示為*5^。 j仃的，此 要注意的是數位信號處理級3〇】通常 其相關狀態的事先資訊，然而對於數 專輪通遑 言，要產生該通道映射之估测是可行的f而 位信號處理級301能夠產生複數符號; 『’數 k's 甲可使用 1321923 那些估測而不須使用真實的映射。舉例而言在£卯防 ，中’那些發射符號的序列包含有—樣式，其中該樣式係 指，序列，而接收器則具有訓練序列的相關資訊，接收 器能夠使用此訓練序列來產生該傳輸通道之狀離之一 測。 " —若^設通道估測的結果是理想的，對應於接收符號 的符號是沒有任何附加雜訊或殘餘頻率偏移，此即表示 右接收取樣中的雜訊是可以忽略的，則介於兩個取樣之 間的相位差等於Αν，此關係式能夠用來估測殘餘頻率偏 移。 一個可p的方式是透過接收符號的複數多摺以及 再調變符號之複數共軛來產生該相位差之一估測， 此調變係產生下列複數符號：

Pk = rk：s x^^ = eJ^ X(sk_s xskJ + (nk_s xί^) :¾•忽略雜訊項並假設符號' —能理想地產生出來，符號 A係表示為：

Pk=eJ^\\Sk_5f 因此’估測纟η能夠透過計算複數取樣A之相位來取 得，要注意的是不同組合的計算能夠被執行以從接收符號

A 以及再調變符號'^中估測出相位差匕_,。 另一個可供選擇的替代方法則不詳細描述之，在此方 法中，假設相位誤差小到相位誤差的正弦值能夠當作是相 位誤差之近似值： lmM _ ^Ke(pk)2 +lm(pkf 12 ⑤ 1321923 其中’ Re(A)以及Im⑷係為a的實部及虛部，在數位信 號處理級3 01中，洳述計异式能夠以如下所示泰勒展開式 (Taylor series expansion)實現： ek-s = Im( A) (1+0.25 X Z+0.09375 x Z2+0.0390625 x Z3 + 〇.〇ι 7〇8944 χ Z4 4〇_00769043xZ5 +0.00352478XZ6+0.001636505xZ7 +〇.〇〇〇767112xZ8) 在此，Z定義為： z = 2 X (1 - (Re (A )2 + im (A )2))

殘餘頻率誤差的估測能夠從一連串調變符號^ 5中之 相位差估測取得，此估測表示為‘，該估 移及估測之相位差係透過以下之方程式相連結== 6 k-δ “因2 ’殘餘頻率偏移能誠過對相位差估測^執行— 化1回^來估測。舉㈣言，若線性轉料方誤差最小 式:系表it頻率誤差則可使用以下方程式來計算，該方程 卜 6x(U)x〔g 氣 fk-δ 12x 2>氣 其中’ i值係從ο到，曰使主_ r 止的所有已計算出之相位差估測/、表不至目前資訊流為 示為初始相“可㈣下财程縣估測，财程式係表 -- 夕—要/主思的是此初始相位係為解調單元306、401所產生 之母一新取樣A之一再估測。 ，餘頻率偏移&之估測及初始相接著被用來修正 單元收符號的相位’其中該下一個接收符號係由解調 之 二401處理，且透過由解調單元306、401所處理 的再乘上複數相位子之此—安排則可達成目 ,/亥禝數相位子表示為： g~y'x((^+,)x®*)+^〇) 及初假設線性回歸理想地估測出殘餘鮮偏移心以 何相位 ^由調變單元所處理之修正符號則不會有任. f卢來1=訊系統而言’通道狀態可使用一連串已知發射符 “二改ί，使用接近於訓練序列之符號來執行線性 η /殘餘頻率偏移“及初始相位》。之正確性是 ==’初始㈣將會被合併至傳輪通ί 算復雜度也可扣=减相“並不須要去估測，故其計 舉例而言，在EGPRS系統中，一且 之序列係被插入—資訊崎間，當使用有=^ 之符號時，殘餘頻率誤錢能夠使用以下方程列 該方程式係表示為： 万轾式來估測， &k i k^S6χ ί>_·氣 ./=〇 相位元所處理之下—個符號其相位的

(D 14 1321923 要注意的是由線性回歸所處理之取樣n 受 到接收信號資料流中的雜气旦彡塑 八 、 之正確性是可行的，其以被認為是帶有 過夕^的。舉例而t Α能夠使用以下方程式來計算之： 、Ση,.θ,. Σ", ”中/l,e{〇，l}為權值，該權值係指出相位取 •否’上述計算式係基於一事先假設，即，。值為零。 4 ^同的方^被用來決定-相位取樣是否應該被捨 棄，舉例而言’若是表大於—透過線性插入之線段其給定 之距離’則取樣表能夠被摒棄（也就是乂設定為零），豆中 該線段係適用於表之資料。另一個選擇為使用一先前資訊 也就疋接收杰可具有殘餘頻率誤差其可能存在的最大值， 舉例曰而言_，若接收器知道|心卜，則檢驗出目前的相位取 樣^疋可行的，其中該相位取樣&係位於一由所定義出 ，，區域内:給I先前限哗，計算出具有最高可容 許梯度取樣之線段（相位誤差對接收取樣指標）是可行的， 因為對-給定取樣而言，相位誤差是正比於取樣指標以及 ，率偏移，也就是用來估測頻率誤差之線性回歸之使用。 右相位被理想地估測出來，對0取樣而言，其相位絕不會 大於+ ，因此，對於相位估測大於+ %之取樣 可被扣除。然而要注意的是在實務上相位估測會是帶有雜 孔的/、有取樣疋大於理想最大值及一統計邊際的總和時 才可去除不計，此外要知道，因為頻率誤差可能為正值或 ⑤ 15 ===位::之區域需要同時包含正值及負 位誤差時則需要沾次.、』望值即卜叫+Θ。之相 。、貝5 ，一解決方法是由線性回歸中使 取新估測，另一個解決方法是使用一事先定義之固 起以上述所及之各種不料算要㈣放在一 發射資部符^中的殘餘頻率偏移’解調單元401提供 二由:… 測△“’這些資訊符號透過單S 402來調 t =彻所執行之通道映射接著被應用在那些調變 仃5: 1生接收符號之估測、’那些符號係與接收符號 ^ ’那兩個資料流的時間同步則由延遲單元4 0 4取 什相位差取樣〜則透過單元4〇5言十算而得，接著再 =40=來處理’單元侧在相位差取樣上執行線性回歸， 若可月匕的。舌則包括取樣之決策’並可產生一殘餘頻率誤差 之估測，及-取決於不同的初始相位》。。此資訊接著被相 位修正單=408所使用以減少接收符號流之循環。 、要注意的是在一些範例中，可能不需要調變單元4〇2 j及通道映射單元403，例如解調單元1不但輸出發送 貝讯符號之估測^^也输出調變符號之估測時就不需 要，，而5，若單元401中所使用的解調技巧係基於威 特比=昇法（Viterbi algorithm)，通常需要取樣來執 行計算以推導出資訊符號,在此情況下，並非一定須要 去複製那些在調變單元4〇2及通道映射單元4〇3中之計算。 要注意的是用來對單元408中之接收符號執行相位修 正的殘餘頻率偏移估測心，能夠被用來推導出回授迴路， 1321923 該回授迴路可控制本地震盪器，即圖一中之單元111。 【圖式簡單說明】 圖一表示一用來達成接收器與發射器之頻率同步之常 見機制。 圖二表示在一大量之接收取樣為可獲得的情形下，一 用來達成接收器與發射器之頻率同步之機制。 圖三表示用於接收信號之相位修正之一決策方向之解 決方式。 圖四描述用於執行圖三解決方式之不同運算。 【主要元件符號說明】 101〜第一級 102〜低通應波器 103〜混波器 • 104〜震盪器 105〜類比/數位轉換器 106〜取樣器 10 7〜低通遽波器 108〜混波信號處理級 109〜數位信號處理級 110〜解調級 111〜濾波器 17 ⑤ 1321923 201〜第一級 202〜低通濾波器 203〜混波器 204〜震盪器 205〜類比/數位轉換器 206〜取樣器 207〜低通濾波器 208〜混波信號處理級 209〜數位信號處理區塊 210〜解調級 211〜頻率誤差之估測及修正單元 212〜濾、波器 301〜數位信號處理級 302〜延遲單元. 303〜頻率誤差估測單元 304〜i慮波器 305〜相位修正單元 306〜解調單元 307〜遽波器 401〜解調單元 402〜調變單元 403〜通道映射單元 404〜延遲單元 ⑤ 1321923 405〜相位差計算單元 406〜頻率偏移估測單元 407〜相位修正計算單元 408〜相位修正單元

Claims (1)

1. 年°f月広R修(更)正替換頁 (案號第094丨31092號專利案修正說明書之劃線部分） -----: 十、申請專利範圍： 1. 一種用以分析一代表通訊信號之數位信號的裝置，該通 訊信號包括一連串的資訊符號，係透過一傳遞通道由一 接收器取得，該裝置包括： 用於處理該數位信號之取樣以估測該通訊信號之符號的 裝置； - 用於對該數位信號之至少一取樣建立模型之取樣模擬裝 置，其係使用估測之符號以及有關於傳遞通道之資 料；以及 用於比較該數位信號之一模型取樣與該數位信號之一實 際取樣以估測後者之相位誤差之相位誤差估測裝置。 2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該相位誤差估 測裝置所產生之每一相位誤差係提供用於該數位信號取 樣之修正，而使該數位信號取樣之相位誤差係可估測。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之裝置，其中該通訊信 號包含一連串的訓練符號，且該取樣模擬裝置僅利用靠 近訓練序列之估測符號。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之裝置，更包括頻率誤 差估測裝置，其係用於估測來自該相位誤差估測裝置所 產生之相位誤差之一頻率誤差。 5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該頻率誤差估 測裝置使用一線性回歸技術以計算該頻率誤差估測。 6. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該頻率誤差估 測裝置可辨別出雜訊的相位誤差，並從該頻率誤差估測 1321923 (案號第094131092號專利案修正說明書之劃線部分) f年3月『曰修(更)正昝換 中排除雜訊的相位誤差。 7. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，更包括用以修正該 數位訊號之取樣之裝置，其係基於該頻率誤差佑測裝置 所產生之一或更多的頻率誤差估測。

   8. —種用以分析代表通訊信號之數位信號之系統’，包括一 用以取得一通訊信號之接收器，該通訊信號包括一連串 之資訊符號，該系統透過一傳遞通道及依據專利申請範 圍第4項中之裝置以從該接收器所產生之一數位信號推 得一或更多之頻率誤差估測，該數位信號係代表該通訊 信號，其中該接收器包括用以對該接收之通訊信號之頻 率進行降頻轉換之頻率轉換裝置以及基於一或更多之頻 率誤差估測以控制該頻率轉換裝置.之頻率控制裝置。 9. 一種用以分析一代表通訊信號之數位信號的方法，該通 訊信號包括一連串的資訊符號，係透過一傳遞通道由一 接收器取得，該方法包括：

   一符號估測步驟，包括處理該數位信號之取樣以估測該 通訊信號之符號； 一取樣模擬步驟，包括對該數位信號之至少一取樣建立 模型，其係使用估測之符號以及有關於傳遞通道之資 料；以及 一相位誤差估測步驟，包括比較該數位信號之一模型取 樣與該數位信號之一實際取樣以估測後者之相位誤 差。 10.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中估測之每一相 21 案號第094131092總職修正_書之劃線部分^ 览年?月f G没(’:钇.;丘芒.:，泛 案號第094131092總職修正_書之劃線部分^ 览年?月f G没(’:钇.;丘芒.:，泛 == = ::取―數位 利範圍第9们。項所述之方法’其中該通訊 1匕3 一連串的訓練符號，且該取樣模擬步驟僅利用 罪近訓練序列之估測符號。 率^^摩巳圍弟9或1〇項所述之方法’更包括一頻 =差估财.驟，該步驟包括估辭自勒位誤差估測 乂驟所產生之相位誤差之一頻率誤差。 利㈣第12項所述之方法，其中該頻率誤差 估測步驟使用—線性回歸技術以計算該頻率誤差估測。 14.::請專利範圍第12項之方法，其中該頻率誤差估測 乂驟可辨別出雜訊的相位誤差，並從_率誤差估 排除雜訊的相位誤差。 、 15. ，申請專利範圍第12項之方法，更包括—用以修正該 數位訊號之轉之修正步驟，其縣於_率誤差估測 步驟所產生之一或更多的頻率誤差估測。 16. -種接收-通訊信號之信號處理方法，其係包括一 之資訊符號，該信號處理方法透過—傳遞通道及使 利申請㈣第！2摘叙方心從—數則言號推得一 或更多之頻率誤差估測，該數位信號係產生來代表俩 訊信號，其中接收該軌信號之程序包括_用以對該接 收之通訊信號之頻率進行降頻轉換之頻率轉換步驟以 及該頻率轉換程序係基於一或更多之頻率誤差估 .被控制。 22 (案號第094131092號專利案修正說明書之劃線部分） fg年q 日修(更)正普換頁 17. —種儲存媒體，用以儲存一電腦程式了該電腦程式ϋ~ 載入至一電腦系統中並且使得該電腦系統執行一種用 以分析一代表通訊信號之數位信號的方法，該通訊信號 包括一連串的資訊符號，係透過一傳遞通道由一接收器 取得，該方法包括： 一符號估測步驟，包括處理該數位信號之取樣以估測 該通訊信號之符號； _ 一取樣模擬步驟，包括對該數位信號之至少一取樣建 立模型，其係使用估測之符號以及有關於傳遞通道 之資料；以及 一相位誤差估測步驟，包括比較該數位信號之一模型 取樣與該數位信號之一實際取樣以估測後者之相位 -誤差。 18. 如申請專利範圍^ 17項之儲存媒體，其中該方法更包 括一用以修正該數位訊號之取樣之修正步驟，其係基於 該頻率誤差估測步驟所產生之一或更多的頻率誤差估 測。 23