TWI404378B - 通道估測器及通道估測方法 - Google Patents

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TWI404378B TW097137920A TW97137920A TWI404378B TW I404378 B TWI404378 B TW I404378B TW 097137920 A TW097137920 A TW 097137920A TW 97137920 A TW97137920 A TW 97137920A TW I404378 B TWI404378 B TW I404378B
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Description

通道估測器及通道估測方法
本發明係關於一種用於正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM)系統之通道估測器(channel estimator)及通道估測方法。
近年來，由於科技發展日新月異，從電腦化、網路化，一直到現在的數位化，科技的改變使得各個產業的運作方式跟著產生變化，當然也包括媒體產業「數位化」亦成為當今社會演進與企業經營最重要的課題。而數位電視(Digital Television; DTV)更是消費性電子的熱門話題，其不僅將是下一波資訊家電的發展重點，同時也是網際網路進入客廳的重要閘道。
而一般的數位電視廣播係採用數位視訊廣播(Digital Video Broadcasting; DVB)組織制訂之數位視訊廣播(Digital Video Broadcasting; DVB)訊號來進行各種電視訊號之傳輸。數位視訊廣播其核心架構係為正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM)的調變系統，以進行無線訊號的傳輸。
在OFDM系統裡，資料在發送端被調變至訊號中，並於通道中傳輸，例如QPSK、QAM、PSK等傳輸方式。OFDM系統可以支援大量的資料傳輸，有較高的頻寬使用彈性，但OFDM系統並非無瑕疵，尤其在無線的傳輸上會造成時間偏移(timing offset)、相位偏移(phase offset)以及頻率偏移(frequency offset)，這些問 題對於接收端在接收訊號時會有很大的影響，受到這些影響，OFDM系統效能將會明顯地降低。而在真實的環境中，OFDM系統之通道會隨環境及時間而改變，而訊號經過無線通道傳輸到接收端時，訊號會因為通道環境的變化或干擾而使得接收端收到的訊號與發送端不同，產生失真的現象，接收端為了使失真的訊號可以正確還原，必須將通道所產生的影響估測出來，才可以正確地還原訊號，也就是必須進行通道估測(channel estimation)，方可對發送端所傳輸的訊號進行較精準的還原。而一般通道估測的方式係利用導頻訊號(pilot signal)來做通道估測(pilot channel estimation)，即是發送端於特定之頻率子通道上置入一些導頻(pilot)訊號，然後接收端即可利用這些已知的導頻訊號來進行對該特定頻率之子通道計算其通道響應。
第1A圖所示為一般接收端的系統架構如，其包含一同步器11、一通道估測器13、一等化器15及一解碼器17。同步器11用以接收一無線訊號10，並經同步處理成同步訊號12。同步訊號12係為符合數位視訊廣播(Digital Video Broadcasting; DVB)組織制訂之數位電視地面廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial; DVB-T)訊號、數位電視衛星廣播(Digital Video Broadcasting-Satellite; DVB-S)訊號或數位電視有線廣播(Digital Video Broadcasting-Cable; DVB-C)訊號等標準；或由先進電視系統委員會(Advanced Television System Committee; ATSC)制訂之數位電視標準；亦或其他標準組織所制訂之相關數位電視標準。
通道估測器13用以接收同步訊號12，並根據已知的導頻訊號 14來進行同步訊號12中各導頻訊號通道響應之計算與估測。等化器15則接收通道估測器13估測所得之通道響應16，並藉其對於同步訊號12進行處理，產生一等化訊號18，該等化訊號即視為傳送端所傳送之訊號。最後，解碼器17接收等化訊號18並處理之，以產生可供播放的數位電視訊號。
藉由前段所述之一連串的運算，即可正確地還原發送端所傳送同步訊號12，還原過程所需之通道響應係依據導頻訊號之通道響應。
第1B圖所示為一般具有導頻訊號之數位視訊廣播訊號之頻率響應對時間的關係示意圖(僅表示部分子通道及時間)，其中水平軸f表示不同頻率之子通道，垂直軸t表示不同時間點，頻率f子通道之時間點t的通道頻率響應表示成H(頻率f,時間t)，接收時間t順序為由負至正，例如時間點t=-1接收之訊號早於時間點t=1接收之訊號，又早於時間點t=4接收之訊號。導頻訊號由發送端傳送數位視訊廣播訊號時置入至特定頻率子通道中，而導頻訊號種類至少包括一連續導頻訊號(Continuous Pilot; CP)及一散佈導頻訊號(Scatter Pilot; SP)。其中連續導頻訊號(Continuous Pilot; CP)即於一特定頻率之子通道(或稱連續導頻子通道)中的所有時間點皆置入導頻訊號，例如在座標軸f=-3及f=27中所有時間點皆置入導頻訊號；而散佈導頻訊號(Scatter Pilot; SP)則是在一特定頻率的子通道(或稱散佈導頻子通道)中，每間隔複數個時間點置入導頻訊號，例如在座標軸f=0時，僅於t=4,0,4…等時間點置入導頻訊號，即座標軸(0,-4)、(0,0)、(0,4)…處或f=3 時，僅於t=-5,-1,3…等時間點置入導頻訊號，即座標軸(3,-5)、(3,-1)、(3,3)…處。而發送端及接收端則根據數位視訊廣播標準之規定發送及接收這些連續導頻訊號及散佈導頻訊號。如此，接收端即可藉由這些連續導頻訊號以及散佈導頻訊號之通道頻率響應來判斷數位視訊廣播訊號傳輸經過通道後失真的狀況，然為更提高訊號還原之精準度，通常還會估測數位視訊廣播訊號在該些散佈導頻子通道中其他未置入導頻訊號之通道頻率響應。最後，根據上述連續導頻子通道之通道響應及散佈導頻子通道之通道響應，計算其他未置入導頻訊號子通道之通道響應，此時，OFDM通訊系統之所有子通道響應皆可得知。然大部分通道響應係經由運算而估測出來的，因此通道響應仍存在誤差，尤其在接收端快速移動的狀況下，常發生因通道估測不夠精確，導致訊號還原錯誤之現象。
因此，本發明提出一種新的通道估測器之估測方式來解決上述缺點。
本發明之一目的係提供一種雙重估測之通道估測器(channel estimator)，包含：一第一通道估測器，用以接收同步訊號，並根據已知導頻訊號及該同步訊號，計算所有子通道各時間點之第一通道響應；一第一等化器，用以接收該同步訊號，並根據該所有子通道各時間點之第一通道響應及該同步訊號，計算所有子通道各時間點之第一等化訊號；一第二通道估測器，用以接收該同步訊號，並根據該所有子通道各時間點之第一等化訊號，計算所有 子通道各時間點之第二通道響應；以及一計算模組，根據該所有子通道各時間點之第一通道響應及該所有子通道各時間點之第二通道響應，計算所有子通道各時間點之第三通道響應。
本發明之另一目的係提供一種雙重估測之通道估測方法，包含下列步驟：根據同步訊號及已知導頻訊號，產生所有子通道各時間點之第一通道響應；根據該數位視訊訊號及該所有子通道各時間點之第一通道響應，產生所有子通道各時間點之第一等化訊號；根據該數位視訊訊號及該所有子通道各時間點之第一等化訊號，產生所有子通道各時間點之第二通道響應；以及根據該所有子通道各時間點之第一通道響應及該所有子通道各時間點之第二通道響應，產生所有子通道各時間點之第三通道響應。
藉由達成上述發明目的，本發明可於第一次數位視訊廣播的通道估測完成之後，更進一步地進行數位視訊廣播中子通道的估測計算，以求降低通道估測錯誤的情形，並改善通道估測的品質。
在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，所屬技術領域中具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。
第2圖所示為本發明之系統架構示意圖，係為一OFDM訊號接收器2，其包含一同步器21、一第一通道估測器23、一第一等化器25、一第二通道估測器27、一第一計算模組29及一第二等化器31。本發明主要採用雙重通道響應估測之方法，以獲得較高精確度之通道響應。同步器21用以接收一無線訊號200，並進行同 步處理成一同步訊號202。同步訊號202可以為數位視訊廣播(Digital Video Broadcasting; DVB)組織制訂之數位電視地面廣播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial; DVB-T)訊號、數位電視衛星廣播(Digital Video Broadcasting-Satellite; DVB-S)訊號、數位電視有線廣播(Digital Video Broadcasting-Cable; DVB-C)訊號等標準；或由先進電視系統委員會(Advanced Television System Committee; ATSC)制訂之數位電視標準；亦或其他標準組織所制訂之相關數位電視標準。
第一通道估測器23用以接收經同步處理後的同步訊號202，並根據已知的導頻訊號204來進行同步訊號202中各導頻訊號子通道之通道響應之運算及估測，亦將其他未置入導頻訊號之子通道之通道響應計算得之。第一等化器25則接收第一通道估測器23估測所得所有子通道之第一通道響應206，並藉其對於同步訊號202進行處理，在所有通道響應估測無誤的情況下，可正確還原出傳送端送出的數位視訊訊號，即為第2圖中之第一等化訊號208，前述之訊號處理皆為該所述技術領域，所通知之技術，詳細技術不予贅述。第二通道估測器27係依據第一等化器25進行訊號等化處理，初步去除通道造成之失真現象，產生之第一等化訊號208，用以重新估測所有子通道之各時間點之通道響應，產生第二通道響應210。而第一計算模組29根據第一通道響應206及第二通道響應210進行運算，產生第三通道響應212。第二等化器31係根據第三通道響應還原同步訊號202，並輸出至解碼器用以還原成傳送端送出之數位視訊廣播訊號。
第3圖所示為各子通道頻率響應對時間的關係示意圖(僅擷取部分)，其水平軸f表示不同頻率之子通道以及垂直軸t表示不同時間點，特定頻率f子通道之特定時間點t的通道頻率響應表示成H(頻率f,時間t)。其中，子通道可區分成連續導頻子通道，例如座標軸f=-3及f=27之子通道；散佈導頻子通道，例如座標軸f=0、f=3及f=6之子通道；及其他未置入導頻訊號之子通道，例如座標軸f=1、f=2及f=4之子通道。
第4圖所示為第二通道估測器27之細部設計如，包含一第一計算單元271、一儲存單元273、一第二計算單元275及一第三計算單元277。第一計算單元271接收同步器21送出之同步訊號202及第一等化器25送出之第一等化訊號208，用以計算第四通道響應2080，並儲存於儲存單元273。第二計算單元275係根據第四通道響應中之複數個連續導頻子通道之通道響應，計算出複數個參數。第三計算單元277係用於計算第二通道響應210，係根據對應之第四通道響應2080及對應之參數計算所得之。以下將藉由第3圖所繪示之子通道頻率響應對時間的關係示意圖，更進一步說明計算第二通道響應之運算過程。以更新頻率f=8之子通道與時間點t=0之通道響應H" (8,0)為例，第三計算單元277根據下列關係式決定第二通道響應H" (8,0)210:H" (8,0)=c (8,2)Ĥ (8,2)+c (8,1)Ĥ (8,1)+c (8,-1)Ĥ (8,-1)+c (8,-2)Ĥ (8,-2)
其中，Ĥ (8,2)、Ĥ (8,1)、Ĥ (8,-1)以及Ĥ (8,-1)為第四通道響應2080，其係根據第一計算單元271接收同步器21送出之同步訊號202、第一等化器25送出之第一等化訊號208以及下述關係式計算而得 之：
其中，Ĥ(f ,t )為頻率f 之子通道在時間點t 之第四通道響應2080，y(f ,t )為頻率f 之子通道在時間點t 之同步訊號202，x (f ,t )為頻率f 之子通道在時間點t 之第一等化訊號208。
而c (8,2)、c (8,1)、c (8,-1)以及c (8,-1)等參數分別對應至Ĥ (8,2)、Ĥ (8,1)、Ĥ (8,-1)以及Ĥ (8,-1)，其係由第二計算單元275，並根據下列關係式計算而得之：
其中
頻率f =CP1至頻率f =CPn為n個不同頻率之連續導頻子通道；Ĥ (CP 1 ,0)至Ĥ (CP n ,0)代表時間點t=0(欲估測通道響應Ĥ" (8,0)之時間點)之n個連續導頻子通道之通道響應；Ĥ (CP 1 ,2)至Ĥ (CP n ,2)代表時間點t=2之n個連續導頻子通道之通道響應，其餘Ĥ (CP 1 ,1)至Ĥ (CP n ,1)、Ĥ (CP 1 ,-1)至Ĥ (CP n ,-1)、Ĥ (CP 1 ,-2)至Ĥ (CP n ,-2)之意義依此類推。
而本發明第二通道估測器27之第二計算單元275採用下列關係式以最小平方法決定上述參數值：C =C LS =(Ĥ * Ĥ )-1 Ĥ * *h 其中＊共扼轉置(conjugate transpose)-1為反矩陣(inverse)經由上述關係式可得到c (8,2)、c (8,1)、c (8,-1)以及c (8,-1)等參數。
最後，計算模組29根據下列關係式決定第三通道響應H"' (8,0):H"' (8,0)=αH' (8,0)+(1-α )H" (8,0)其中，H' (8,0)代表第一通道響應206、H" (8,0)代表第二通道響應210及α為一設定值。
上述最佳實施例之運算過程中，第二通道響應210H" (8,0)係由第三計算單元277根據四個且對稱於待估測時間點之第四通道響應2080(即Ĥ (8,2)、Ĥ (8,1)、Ĥ (8,-1)以及Ĥ (8,-1))及四個對應之參數(即c (8,2)、c (8,1)、c (8,-1)以及c (8,-1))計算所得之。但本發明第二通道響應H" (f ,t )不限於根據特定數目之第四通道響應Ĥ (f ,t )所產生，可以根據為任意複數個第四通道響應所產生，且亦不限於在待估測時間點對稱數目之通道響應，可以為在待測時間點前之第四通道響應數目多於待測時間點後之第四通道響應數目，可以節省系統記憶體空間，亦不影響通道估測效能。同時，該複數個參數c (f ,t )需對應前述複數個第四通道響應，係由其他的第四通道響應所產生，但不限於由連續子通道之通道響應所產生，可由任意其他非待測子通道響應所產生。
因此藉著上述關係式，座標軸(8,0)子通通道響應(即第三通道響應212)可以很容易地被更新，並且較第一通道估測器所獲得的通道響應具有較高的準確度。
本發明亦提供一種通道估測方法，此通道估測用於雙重通道估測知系統架構，如第2圖所示，其對應流程則如第5圖所示。
首先，執行步驟501，根據同步訊號202及已知導頻訊號204，產生第一通道響應206；接著，執行步驟503，根據同步訊號202及第一通道響應206，產生第一等化訊號208；接著，執行步驟505，根據同步訊號202及第一等化訊號208，產生第二通道響應210；接著，執行步驟507，根據第二通道響應210及第一通道響應206，產生第三通道響應212；最後，執行步驟509，根據同步訊號202及第三通道響應212，產生第二等化訊號214。
其中步驟505，根據同步訊號202及第一等化訊號208，產生第二通道響應210，係藉由一應用程式控制第二通道估測器27之各單元來實現，如第6圖所示，更包含下述步驟：執行步驟5051，根據同步訊號202及第一等化訊號208，產生第四通道響應2080，並儲存於儲存單元273中；執行步驟5053，根據第四通道響應2080中之複數個連續導頻訊號之通道響應以最小平方法計算複數個參數2088；執行步驟5055，根據前述參數2088以及第四通道響應中對應之通道響應以產生第二通道響應210。
其中步驟507，係以權重設定值α及(1-α)分別加權至第二通道響應210及第一通道響應206，以產生第三通道響應212。
除了上述步驟，本發明之通道估測方法亦能執行第二通道估測 器27所描述之操作及功能，所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解通道估測方法如何基於上述第二通道估測器27以執行此等操作及功能，故不贅述。
根據上述說明，本發明之雙重通道估測器可加強數位視訊廣播訊號傳播時通道估測之精準度，以滿足OFDM系統對於通道響應精準度之需求，尤其在接收端快速移動之場景情況。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施情形，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。
2‧‧‧接收器
21‧‧‧解調器
23‧‧‧第一通道估測器
25‧‧‧第一等化器
27‧‧‧第二通道估測器
29‧‧‧計算模組
31‧‧‧第二等化器
200‧‧‧無線訊號
202‧‧‧同步訊號
204‧‧‧已知導頻訊號
206‧‧‧第一通道響應
208‧‧‧第一等化訊號
210‧‧‧第二通道響應
212‧‧‧第三通道響應
271‧‧‧第一計算單元
273‧‧‧儲存模組
275‧‧‧第二計算單元
277‧‧‧第三計算單元
第1圖係為一般接收器架構之示意圖；第2圖係為本發明之接收器架構示意圖；第3圖係為本發明之各子通道頻率響應對時間的關係示意圖；第4圖係為本發明之第二通道估測器示意圖；第5圖係為本發明之通道估測方法之流程圖；以及第6圖係為本發明之第二通道響應估測方法之流程圖。
2‧‧‧接收器
21‧‧‧同步器
23‧‧‧第一通道估測器
25‧‧‧第一等化器
27‧‧‧第二通道估測器
29‧‧‧計算模組
31‧‧‧第二等化器
200‧‧‧無線訊號
202‧‧‧同步訊號
204‧‧‧已知導頻訊號
206‧‧‧第一通道響應
208‧‧‧第一等化訊號
210‧‧‧第二通道響應
212‧‧‧第三通道響應
271‧‧‧第一計算單元
273‧‧‧儲存模組
275‧‧‧第二計算單元
277‧‧‧第三計算單元

Claims (7)

  1. 一種雙重估測之通道估測器(channel estimator)，包含：一第一通道估測器，用以根據已知導頻訊號及同步訊號，計算所有子通道各時間點之第一通道響應；一第一等化器，用以根據該所有子通道各時間點之第一通道響應及該同步訊號，計算所有子通道各時間點之第一等化訊號；一第二通道估測器，包含：一第一計算單元，用以根據該所有子通道各時間點之第一等化訊號及該同步訊號，計算所有子通道各時間點之第四通道響應；一第二計算單元，用以根據與待測子通道特定時間點第一相關之第四通道響應，計算該待測子通道特定時間點之參數；以及一第三計算單元，用以根據與待測子通道特定時間點第二相關之第四通道響應及該參數，計算待測子通道特定時間點之第二通道響應；以及一計算模組，根據該所有子通道各時間點之第一通道響應及該所有子通道各時間點之第二通道響應，計算所有子通道各時間點之第三通道響應。
  2. 如請求項1所述之雙重估測之通道估測器，更包含一儲存模組，用以至少暫存該等第一通道響應、該等第一等化訊號及該等第二通道響應。
  3. 如請求項1所述之雙重估測之通道估測器，其中該等參數係根據複數個連續導頻子通道之複數個第四通道響應所計算得之。
  4. 一種雙重估測之通道估測方法，包含下列步驟：根據同步訊號及已知導頻訊號，產生所有子通道各時間點之第一通道響應；根據該同步訊號及該所有子通道各時間點之第一通道響應，產生所有子通道各時間點之第一等化訊號；根據該同步訊號及該所有子通道各時間點之第一等化訊號，產生所有子通道各時間點之第四通道響應；根據與待測子通道特定時間點第一相關之第四通道響應，計算該待測子通道特定時間點之參數；根據與待測子通道特定時間點第二相關之第四通道響應及該參數，計算該待測子通道特定時間點之第二通道響應；以及根據該所有子通道各時間點之第一通道響應及該所有子通道各時間點之第二通道響應，產生所有子通道各時間點之第三通道響應。
  5. 如請求項4所述雙重估測之通道估測方法，更包含下列步驟：儲存所有子通道各時間點之第一通道響應、第一等化訊號及第二通道響應。
  6. 如請求項4所述雙重估測之通道估測方法，其中與待測子通道特定時間點第一相關之第四通道響應係為複數個連續導頻 子通道該特定時間點之複數個第四通道響應。
  7. 如請求項4所述雙重估測之通道估測方法，其中與待測子通道特定時間點第二相關之第四通道響應係為不同於該待測子通道特定時間點之通道響應。
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