TWI392294B - 載波恢復系統與載波恢復方法 - Google Patents

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TWI392294B
TWI392294B TW097125217A TW97125217A TWI392294B TW I392294 B TWI392294 B TW I392294B TW 097125217 A TW097125217 A TW 097125217A TW 97125217 A TW97125217 A TW 97125217A TW I392294 B TWI392294 B TW I392294B
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Pei Jun Shih
Jeng Shiann Jiang
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Description

載波恢復系統與載波恢復方法
本發明係有關於載波恢復系統(carrier recovery system)與其所使用之載波恢復方法。
如採用開放纜線(OpenCable)標準、或數位視訊廣播纜線(DVB-C)…等，運用正交振幅調幅法(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)的通信系統，由於信號中並沒有前導信號(pilot)或訓練序列(training sequence)，故接收器必須藉由盲掃方式(blind method)補償接收信號之頻率偏移(frequency offset)以及相位偏移(phase offset)。此盲掃技術又稱為載波恢復(carrier recovery)。
載波恢復有許多相關技術。一種常見方法為：在等化器(equalizer)輸出端補償上述信號之頻率偏移與相位偏移。此方法可用來估計相當大的頻率偏移(如：上至300KHz)，但未經頻率偏移補償的等化器輸入信號將影響等化器效能。另一種解決方法為：在等化器輸入端執行頻率偏移與相位偏移的補償動作。此方法可以確保等化器效能，但卻限制了頻率偏移的可估計範圍(如：僅上至40KHz)。
因此，本技術領域需要具有高效能等化器、且能夠用於大範圍頻率偏移估計的載波恢復技術。
本發明提供載波恢復系統以及載波恢復方法。載波恢 復系統包括一補償信號產生器、一補償裝置、以及一模式切換器。補償信號產生器負責根據一相干解調信號產生一補償信號。在一第一模式下，該補償裝置位於一等化器的輸出端，以該補償信號補償該等化器之輸出信號以產生上述相干解調信號。在一第二模式下，該補償裝置位於該等化器之輸入端，以該補償信號補償一同步器之輸出信號以產生該等化器之輸入信號；此時，該等化器之輸出信號被視為上述相干解調信號。該模式切換器將於一頻率偏移估計值滿足一第一條件時將該載波恢復系統自第一模式切換至第二模式。
關於本發明之載波恢復方法，其中包括：根據一相干解調信號產生一補償信號。於一第一模式中，本方法以該補償信號補償一等化器之輸出信號以產生上述相干解調信號。於一第二模式中，本方法以該補償信號補償一同步器之輸出信號，並將補償結果作為等化器之輸入信號；此時，等化器之輸出信號被視為上述相干解調信號。本方法將監控一頻率偏移估計值，於頻率偏移估計值滿足一第一條件時，自上述第一模式切換至上述第二模式。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出數個實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
第1A圖與第1B圖分別圖解本發明載波恢復技術的一第一模式與一第二模式。本發明之載波恢復系統包括一補 償信號產生器102、一補償裝置104以及一模式切換器(未顯示在圖中)。補償信號產生器102根據一相干解調信號(coherent demodulated signal) q(n) 產生一補償信號106。參與第1A圖所示之第一模式，補償裝置104以補償信號106補償一等化器(equalizer)108之輸出端信號以產生上述相干解調信號q(n) 。參閱第1B圖所示之第二模式，補償裝置104被切換到等化器108之輸入端，以補償信號106補償一同步器(synchronizer)110之輸出信號，以產生等化器108之輸入信號。如第1B圖所示，等化器108之輸出信號被送入補償產生器102作為相干解調信號q(n) 使用。第一模式與第二模式的切換取決於一頻率偏移估計值。當頻率偏移估計值滿足一第一條件，模式切換器將令載波恢復系統由第一模式(第1A圖所示)切換到第二模式(第1B圖所示)操作。
第1A圖所示之第一模式可加速頻率偏移的估算速度、並且允許載波恢復系統應用於具有大載頻偏移的接收器中。第1B圖所示之第二模式可確保等化器108的效率。本發明所揭露之載波恢復系統不僅可應用於大範圍頻率偏移估計，更可提供高效能的等化器。
第2A圖與第2B圖分別詳細圖解第1A與1B圖，其中更簡繪補償信號產生器102之內容。如圖所示，補償信號產生器200包括一極性檢測器(polarity detector)202、一開關SW1 、一能量檢測器(power detector)204、一除法器(divider)206、一虛部提取器(imaginary portion extractor)208、一環路濾波器(loop filter)210、一係數控制器(coefficient controller)212、以及一數值控制震盪器(Numerical Controlled Oscillator，NCO)214。極性檢測器202之輸出信號稱為檢測器輸出d(n) 。相干解調信號q(n) 於開關SW1 導通時輸入極性檢測器202。開關SW1 之導通狀態由能量檢測器204之輸出信號決定。能量檢測器204於相干解調信號q(n) 大於一臨界值時啟動開關SW1 ；反之則不導通開關SW1 。除法器206負責計算q(n) /d(n) 。虛部提取器208輸出q(n) /d(n) 之虛部，即Im[q(n) /d(n) ]。Im[q(n) /d(n) ]經環路濾波器210處理後輸出至數值控制震盪器214，以產生補償信號106。在此實施方式中，環路濾波器210包括係數Kp 與Ki ；Kp 與Ki 之值由係數控制器212決定。
模式切換器216令係數控制器212根據載波恢復系統目前所處之模式決定係數Kp 與Ki 的調整方式。於第2A圖所示之第一模式中，係數控制器212令係數Kp 與Ki 由低至高漸增調整。在第一模式開始之初，係數Kp 與Ki 極小，以加速低頻率偏移之頻率偏移估算。至於高頻率偏移的狀況，則由漸增係數Kp 與Ki 克服。一旦載波恢復系統由第一模式(第2A圖)切換到第2B圖所示之第二模式，係數控制器212會令Kp 與Ki 略低於第一模式最後計算出來的Kp 與Ki 值。如此一來，模式切換所產生的動作不連續問題也可以改善。
除了上述第一與第二模式，本發明之載波恢復系統更 可操作於一第三模式，以確保頻率偏移估計的精確性。模式切換器於頻率偏移估計值滿足一第二條件時令載波恢復系統自第二模式切換至第三模式。第3圖圖解載波恢復系統操作於第三模式時的一種實施方式。補償裝置104耦接於等化器108之前，以補償信號106補償同步器110之輸出以產生等化器108之輸入信號。等化器108之輸出被視為相干解調信號q(n) 輸入該補償信號產生器300。與第2A與2B圖所示之補償信號產生器200相較，補償信號產生器300更包括一開關SW2 以及一硬式決策器(hard decision device)302。在上述第一與第二模式中，開關SW2 負責將相干解調信號q(n) 傳送至能量檢測器204與開關SW1 ，以供極性檢測器202產生檢測器輸出d(n) 。在第三模式中，開關SW2 切換成耦接相干解調信號q(n) 至硬式決策器302，檢測器輸出d(n) 改由硬式決策器302提供。
在某些實施方式中，係數控制器212可令第三模式之Kp 與Ki 低於第二模式之Kp 與Ki 。如此一來，模式切換所產生的動作不連續問題也可以改善。
參閱第3圖，當載波恢復系統操作於第三模式(開關SW2 將相干解調信號q(n) 傳送至硬式決策器302)，模式切換器216更監控補償信號產生器300提供的頻率偏移估計值(此連結未顯示在圖中)。若頻率偏移估計值滿足一第三條件，模式切換器216將令載波恢復系統自第三模式切換至一第四模式。此時，環路濾波器210採用整個係數調整動作最後得到的Kp 與Ki 值，並且相干解調信號q(n) 除了 耦接至補償信號產生器300產生該補償信號106外，更耦接至接收器的一解碼裝置(如：TCM解碼器)，供該解碼裝置使用。在第四模式中，補償裝置106依然位於等化器108之輸入端，以補償信號106補償同步器110之輸出信號，並將補償結果作為等化器108之輸入。在第四模式中，相干補償信號q(n) 乃經開關SW2 輸入硬式決策器302，而非輸入該能量檢測器204與開關SW1 。
本發明之模式切換器可以多種方式實現。一種實施方式將信號取樣每N個分成一組。各個取樣的頻率偏移估計值之相關資訊則由補償信號產生器提供。模式切換器負責計算各取樣群組之平均頻率偏移估計值。當連續M 1 組平均頻率偏移估計值皆位於一第一區間時，模式切換器令載波恢復系統自第一模式切換至第二模式；上述M 1 為一第一數量，上述條件可視為一第一條件。當連續M 2 組平均頻率偏移估計值皆位於一第二區間時，模式切換器令載波恢復系統自第二模式切換至第三模式；上述M 2 為一第二數量，上述條件可視為一第二條件。當連續M 3 組平均頻率偏移估計值皆位於一第三區間時，模式切換器將令載波恢復系統自第三模式切換至第四模式；上述M 3 為一第三數量，上述條件可視為一第三條件。本發明之實施例可令第二數量M 2 大於第一數量M 1 ，且第二區間窄於第一區間，以令第二至第三模式的切換較第一至第二模式的切換嚴格。可令第三數量M 3 大於第二數量M 2 ，且第三區間窄於第二區間，以令第三至第四模式的切換較第二至第三模式的切換嚴格。
第4圖圖解本發明載波恢復方法的一種實施方式。此載波恢復方法包括根據一相干解調信號製造一補償信號。於載波恢復之初，步驟S402令系統操作於一第一模式；藉由上述補償信號補償一等化器之輸出信號以產生上述相干解調信號。步驟S404判斷系統之頻率偏移估計值是否符合一第一條件。若滿足第一條件，本方法將系統切換成一第二模式(S406)，藉由上述補償信號補償一同步器之輸出信號信號，並且將補償後的信號輸入該等化器進行運算以產生上述相干解調信號。反之，若第一條件沒被滿足，本方法自S404回到S402，令系統持續操作在第一模式。
在某些實施方式中，上述第一與第二模式之操作包括：判斷該相干解調信號的大小是否大於一臨界值；於相干解調信號的大小大於一臨界值時將該相干解調信號輸入一極性檢測器以產生一檢測器輸出；接著將該相干解調信號除以該檢測器輸出，並且提取其商數之虛數部位以得到一相位誤差信號；然後由一環路濾波器對上述相位誤差信號進行濾波；並且將該環路濾波器之輸出信號傳送至一數值控制震盪器以產生上述補償信號。上述環路濾波器之效能由環路濾波器的複數個係數決定。
於第一模式下，本方法可令環路濾波器之係數由低到高漸增以檢測出最適當的係數值。此外，本方法可於系統切換至第二模式後，以略低於第一模式最後計算出來的環路濾波器係數開始進行運算。
若系統於第二模式即得到收斂之結果，本方法可於此 時更將該相干解調信號輸入接收器之解碼裝置，供其運用。
為了改善頻率偏移估計值之精確度，某些實施方式更包括步驟S408，判斷頻率偏移估計值是否符合一第二條件。若符合，本方法將令系統更操作於一第三模式S410；若不符合，則回到第二模式S406。
第三模式可在同步器之輸出端進行補償動作，以該補償信號補償該同步器之輸出信號，並將補償結果作為等化器之輸入信號；此時，等化器之輸出信號被視為上述相干解調信號。第三模式中，補償信號的製造方法包括下列步驟：1)使用一硬式決策器對相干解調信號進行運算，以產生一檢測器輸出；2)將相干解調信號除以上述檢測器輸出信號，並且提取其商數之虛數部位以產生一相位誤差信號；3)以環式濾波器對相位誤差信號進行濾波；4)將環式濾波器之輸出傳送至數值控制震盪器，以得到上述補償信號。本方法於系統切換至第三模式後，可令環路濾波器之係數以低於其於第二模式之值開始進行動作。
步驟S412判斷第三模式的操作是否使系統收斂。當系統之頻率偏移估計值滿足一第三條件，載波恢復方法進入步驟S414，令系統以一第四模式操作。當頻率偏移估計值不滿足第三條件，本方法回到步驟S410令系統持續操作在第三模式。
在某些實施方式中，第四模式將補償信號拿來補償同步器的輸出信號，並將補償後的結果作為等化器之輸入信號、將等化器之輸出信號視為相干解調信號，用以產生上 述補償信號。此時，上述檢測器輸出由硬式決策器產生，並且該相干解調信號更被送入接收器的解碼裝置進行後續運算。
本發明雖以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102‧‧‧補償信號產生器
104‧‧‧補償裝置
106‧‧‧補償信號
108‧‧‧等化器
110‧‧‧同步器
200‧‧‧補償信號產生器
202‧‧‧極性檢測器
204‧‧‧能量檢測器
206‧‧‧除法器
208‧‧‧虛部提取器
210‧‧‧環路濾波器
212‧‧‧係數控制器
214‧‧‧數值控制震盪器
216‧‧‧模式切換器
300‧‧‧補償信號產生器
302‧‧‧硬式決策器
CS‧‧‧模式切換器所輸出之SW2 切換信號
d(n)‧‧‧檢測器輸出
q(n)‧‧‧相干解調信號
SW1 、SW2 ‧‧‧開關
S402‧‧‧第一模式
S404‧‧‧是否符合第一條件
S406‧‧‧第二模式
S408‧‧‧是否符合第二條件
S410‧‧‧第三模式
S412‧‧‧是否符合第三條件
S414‧‧‧第四模式
第1A與1B圖分別圖解本發明載波恢復系統的第一與第二模式；第2A圖與第2B圖分別詳細圖解第1A與1B圖；第3圖圖解本發明載波恢復系統第四模式的一種實施方式；以及第4圖以流程圖圖解本發明載波恢復方法的一種實施方式。
S402‧‧‧第一模式
S404‧‧‧是否符合第一條件
S406‧‧‧第二模式
S408‧‧‧是否符合第二條件
S410‧‧‧第三模式
S412‧‧‧是否符合第三條件
S414‧‧‧第四模式

Claims (18)

  1. 一種載波恢復系統，包括：一補償信號產生器，根據一相干解調信號產生一補償信號；一模式切換器，於一頻率偏移估計值符合一第一條件時，令該載波恢復系統自一第一模式切換至一第二模式；一補償裝置，於上述第一模式中，以上述補償信號補償一等化器的輸出信號以產生上述相干解調信號；並且於上述第二模式中，以上述補償信號補償一同步器的輸出信號以產生該等化器的輸入信號，此時，上述等化器之輸出信號被視為上述相干解調信號輸入上述補償信號產生器，其中，上述補償信號產生器包括：一極性檢測器，根據所接收的信號產生一檢測器輸出；一第一開關，於導通時將上述相干解調信號輸入該極性檢測器；一能量檢測器，於該相干解調信號之大小大於一臨界值時，導通該第一開關；一除法器以及一虛部提取器，將該相干解調信號除以該檢測器輸出，並且提取其商數之虛數部位以產生一相位誤差信號；一環路濾波器，包括複數個係數，對該相位誤差信號進行濾波，其濾波特性由上述係數決定；一係數控制器，用以設定上述係數；以及一數值控制震盪器，接收該環路濾波器的輸出信號以 產生上述補償信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之載波恢復系統，其中該係數控制器於上述第一模式中，令上述係數由低至高漸增以驗證上述係數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之載波恢復系統，其中該係數控制器以低於上述第一模式最後所使用的上述係數開始上述第二模式。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之載波恢復系統，其中上述模式切換器於上述頻率偏移估計值滿足一第二條件時令該載波恢復系統自上述第二模式切換至一第三模式；於該第三模式下，該補償裝置以上述補償信號補償該同步器之輸出信號以產生該等化器之輸入信號，並且該等化器之輸出信號被視為上述相干解調信號供上述補償信號產生器使用。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之載波恢復系統，其中該補償信號產生器更包括：一硬式決策器；以及一第二開關，於上述第二與第一模式將上述相干解調信號傳送至上述能量檢測器以及上述第一開關之一第一端，並且於上述第三模式將上述相干解調信號切換成輸入至該硬式決策裝置，其中該硬式決策器之輸出信號於該第三模式時被視為上述檢測器輸出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之載波恢復系統，其中 該係數控制器於上述第三模式中，令上述係數以低於其於上述第二模式時之值進行驗證。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之載波恢復系統，其中上述模式切換器於上述頻率偏移估計值滿足一第三條件時，令該載波恢復系統自上述第三模式切換至一第四模式；於該第四模式下，該補償裝置以上述補償信號補償該同步器之輸出信號以產生該等化器之輸入信號，並且該等化器之輸出信號被視為上述相干解調信號，用以輸入該補償信號產生器並且更輸入一解碼裝置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之載波恢復系統，其中該模式切換器計算複數組取樣群組各自的平均頻率偏移估計值，於有一第一數量之連續取樣群組之平均頻率偏移估計值皆位於一第一區間時，令該載波恢復系統自上述第一模式切換至上述第二模式；於有一第二數量之連續取樣群組之平均頻率偏移估計值皆位於一第二區間時，令該載波恢復系統自上述第二模式切換至上述第三模式；並且於有一第三數量之連續取樣群組之平均頻率偏移估計值皆位於一第三區間時，令該載波恢復系統自上述第三模式切換至上述第四模式。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之載波恢復系統，其中該第三數量大於該第二數量，並且該第二數量大於該第一數量；並且該第三區間窄於該第二區間，並且該第二區間窄於該第一區間。
  10. 一種載波恢復方法，包括： 根據一相干解調信號產生一補償信號；於一第一模式下，以該補償信號補償一等化器之輸出信號以產生上述相干解調信號；於一第二模式下，以該補償信號補償一同步器之輸出信號以產生該等化器之輸入信號，並且將該等化器之輸出信號視為上述相干解調信號；以及於一頻率偏移估計值符合一第一條件時自上述第一模式切換至上述第二模式，其中，於上述第一模式下，產生上述補償信號的步驟包括：判斷該相干解調信號的大小是否大於一臨界值；於該相干解調信號的大小大於該臨界值時，將該相干解調信號傳送至一極性檢測器以產生一檢測器輸出；將該相干解調信號除以該檢測器輸出，並且將其商數之虛數部分提取出以產生一相位誤差信號；以一環路濾波器對該相位誤差信號進行濾波，該環路濾波器的濾波特性由該環路濾波器的複數個係數決定；以及將該環路濾波器之輸出傳送至一數值控制震盪器以產生上述補償信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之載波恢復方法，更包括於該第一模式下，由低至高漸增上述係數以驗證上述係數。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之載波恢復方法，更 包括令上述係數以低於其於該第一模式最後的值開始上述第二模式之操作。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之載波恢復方法，更包括：於上述頻率偏移估計值符合一第二條件時自上述第二模式切換至一第三模式；於上述第三模式中，將該等化器之輸出信號視為上述相干解調信號使用；以及於上述第三模式中，以上述補償信號補償上述同步器之輸出信號以產生該等化器之輸入信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之載波恢復方法，其中，於該第三模式中，上述產生補償信號的步驟包括：傳遞上述相干解調信號至一硬式決策器以產生上述檢測器輸出；將該相干解調信號除以上述檢測器輸出，並且提取其商數之虛數部位以得到上述相位誤差信號；以上述環路濾波器對上述相位誤差信號進行濾波；以及將該環路濾波器之輸出信號傳送至上述數值控制震盪器以產生上述補償信號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之載波恢復方法，更包括令上述係數於該第三模式時低於其於該第二模式之值。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之載波恢復方法，更 包括於上述頻率偏移估計值滿足一第三條件時自該第三模式切換至一第四模式；於該第四模式中，該同步器之輸出信號經上述補償信號補償後輸入該等化器，該等化之輸出信號被視為上述相干解調信號供產生上述補償信號時使用，並且該相干解調信號更被輸入一解碼裝置進行運算。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之載波恢復方法，更包括：計算複數個取樣群組各自的平均頻率偏移估計值；於一第一數量之連續取樣群組的平均頻率偏移估計值皆在一第一區間時，自該第一模式切換至該第二模式；於一第二數量之連續取樣群組的平均頻率偏移估計值皆在一第二區間時，自該第二模式切換至該第三模式；以及於一第三數量之連續取樣群組的平均頻率偏移估計值皆在一第三區間時，自該第三模式切換至該第四模式。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之載波恢復方法，其中該第三數量大於該第二數量，並且該第二數量大於該第一數量；並且該第三區間窄於該第二區間，並且該第二區間窄於該第一區間。
TW097125217A 2008-02-25 2008-07-04 載波恢復系統與載波恢復方法 TWI392294B (zh)

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