TWI444016B - 信號處理裝置及信號處理方法 - Google Patents

Description

信號處理裝置及信號處理方法

本案與數位電視廣播技術相關，並且尤其與判斷數位電視信號之載波頻率偏移(carrier frequency offset)的技術相關。

隨著通訊技術的進步，數位電視廣播的發展漸趨成熟。除了經由電纜線路傳送之外，數位電視信號也可透過基地台或人造衛星等設備以無線信號的型態被傳遞。第一代數位電視衛星廣播(digital video broadcasting-satellite,DVB-S)規範和第二代數位電視衛星廣播規範(DVB-S2)都是目前該領域中被廣泛採用的標準。

在DVB-S以及DVB-S2規範中，數位電視信號的符號率(symbol rate)可為0到45兆赫茲間之一任意值，而數位電視信號的載波頻率可能在950兆赫到2150兆赫之間，兩種數值組合後的可能性相當多。對無法預先得知傳送端所選擇之載波頻道和符號率的接收端來說，如何正確判定這兩個數值是一個重要的環節；唯有如此，才能地將接收到的信號解碼還原。

目前有一種判定載波頻率偏移的方法是對輸入信號進行快速傅利葉轉換，再將所有轉換結果之能量平方值疊加起來，產生如圖一(A)所示之頻譜線；頻譜線中高能量區域的中心點C1與橫軸座標之中心點R(對應於前述快速傅利葉轉換之運算點數的一半)的差異即對應於載波頻率偏移的大小。

由於無線信號在傳送時會受到通道中的雜訊或鄰近頻道之信號干擾，並非所有的信號頻譜都會如圖一(A)所示之範例一般理想。舉例而言，輸入信號的實際頻譜可能會如圖一(B)所示，具有兩個能量高峰區。這種頻譜圖形的產生，有可能是因為兩能量高峰區之間的頻段受到雜訊干擾特別嚴重。另一種可能性則是鄰近頻道過於靠近真正欲接收之目標信號所在的頻段。若兩能量高峰區之一的產生是由鄰近頻道所貢獻，直接根據此頻譜所判定的載波頻率偏移就會有偏差。然而，現有的數位電視廣播接收系統並不能有效判斷哪一個或哪幾個能量高峰區才代表真正欲接收的目標信號。

為解決上述問題，本案提出一種信號處理裝置及信號處理方法。藉由利用可信度相對較高的符號率為依據，根據本案之信號處理裝置及信號處理方法可判斷頻譜中的哪一個或哪幾個能量高峰區才代表真正欲接收的目標信號，並找出載波頻率偏移。

根據本案之一具體實施例為一種信號處理裝置，其中包含初始偵測模組、混波器、符號率偵測模組、判斷模組及修正模組。該初始偵測模組係用以根據一輸入信號之頻譜決定該輸入信號之一初始載波頻率偏移。該混波器係用以根據該初始載波頻率偏移調整該輸入信號，以產生一頻率補償後信號。該符號率偵測模組係用以決定該輸入信號之符號率。該判斷模組係用以根據該頻率補償後信號判斷該初始載波頻率偏移是否正確。該修正模組依照該判斷模組之判斷結果而根據該符號率及該頻譜選擇性地決定一修正後載波頻率偏移。其中，該判斷模組對該頻率補償後信號施以相位回復，並根據相位回復是否產生一鎖定結果判斷該初始載波頻率偏移是否正確。

根據本案之另一具體實施例為一種信號處理方法。該方法首先執行之步驟為根據一輸入信號之一頻譜決定該輸入信號之一初始載波頻率偏移。隨後，該方法執行一調整步驟，根據該初始載波頻率偏移調整該輸入信號，以產生一頻率補償後信號。該方法亦執行一決定步驟，決定該輸入信號之一符號率。接著，該方法執行一判斷步驟，對該頻率補償後信號施以相位回復並根據相位回復是否產生一鎖定結果判斷該初始載波頻率偏移是否正確。最後，依照該判斷步驟的判斷結果而根據該符號率及該頻譜選擇性地決定一修正後載波頻率偏移。

關於本案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。

根據本案之一實施例為圖二所示之信號處理裝置100，其中包含頻譜產生模組11、初始偵測模組12、混波器13、符號率偵測模組14、判斷模組15及修正模組16。於實際應用中，信號處理裝置100可被整合在適用DVB-S或DVB-S2規範的數位電視信號接收端之中，但不以此為限。

頻譜產生模組11負責接收並分析一輸入信號，以產生該輸入信號之頻譜線。若信號處理裝置100係位於數位電視信號接收端，該輸入信號可能為某一頻道的數位電視信號。實務上，頻譜產生單元11可將輸入信號分為多個區段(例如32段或64段)後個別進行運算點數相同的快速傅利葉轉換，再將所有轉換結果之能量平方值疊加起來。也就是說，頻譜線實際上是由許多對應於不同頻率/能量的圖點所構成。此外，頻譜產生模組11可進一步對該疊加結果施以一平滑化程序(例如利用移動平均電路)，藉此濾除頻譜線中的雜訊，減少雜訊造成的誤判。

初始偵測模組12係用以根據頻譜產生模組11提供的頻譜決定該輸入信號之一初始載波頻率偏移。於此實施例中，初始偵測模組12首先找出該頻譜線中之最大能量max和最小能量min，再據此決定一門檻值TH，如圖三所示。舉例而言，該門檻值TH可為最大能量max及最小能量min之平均值，但不以此為限。隨後，初始偵測模組12可根據該頻譜與門檻值TH的兩相交點X、Y決定一初始載波頻率偏移CFO，例如採用兩相交點X、Y之頻率平均值與一中心頻率(對應於前述快速傅利葉轉換之運算點數的一半)的差異做為該初始載波頻率偏移CFO。

混波器13係用以根據初始偵測模組12產生的初始載波頻率偏移CFO調整該輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號，使頻率補償後信號的頻譜大致對稱於直流座標軸。隨後，判斷模組15即根據該頻率補償後信號判斷初始載波頻率偏移CFO是否正確。於此實施例中，判斷模組15對該頻率補償後信號施以一相位回復(phase recovery)程序，並根據該相位回復程序是否產生一鎖定結果來判斷初始載波頻率偏移CFO是否正確。若該相位回復程序可產生一鎖定結果，判斷初始載波頻率偏移CFO是正確的；相對地，若該相位回復程序經過一段時間仍無法鎖定，則判斷初始載波頻率偏移CFO是錯誤的。

於實際應用中，如果圖三的兩個能量高峰區中有一個能量高峰區是由鄰近頻道所貢獻，初始偵測模組12根據此頻譜所判定的載波頻率偏移就會不正確，進而導致判斷模組15中的相位回復程序無法鎖定相位。舉例而言，假設圖三中右側的能量高峰區為鄰近頻道所貢獻，左側的能量高峰區才代表真正的目標信號，則由根據該頻譜找出其與門檻值TH的兩相交點X、Y中，只有相交點X是正確的，相交點Y是錯誤的，而根據X、Y之頻率平均值得出的載波頻率偏移顯然會有誤差。

如圖二所示，輸入信號也被提供至符號率偵測模組14；符號率偵測模組14負責決定輸入信號之符號率。圖四為符號率偵測模組14的一種詳細實施範例，其中包含功率計算單元14A、快速傅利葉轉換單元14B、平方單元14C及符號率決定單元14D。此實施例中的功率計算單元14A係用以求得輸入信號的信號強度(以功率表現，power)，其進行|r(n)|² 運算或r(n)*conj[r(n-d)]運算，r(n)代表該輸入信號之信號值，n代表時間指標，d代表不等於零之整數，conj為共軛符號。隨後，快速傅利葉轉換單元14B對功率計算單元14A產生的功率計算結果施以一快速傅利葉轉換程序，以產生一轉換結果，也就是產生此信號在頻域上的功率頻譜(power spectrum)。平方單元14C係用以將該功率頻譜取絕對值後平方，以產生一精確頻譜並得到一峰值。

平方單元14C所產生的平方結果可被繪示為如圖五所示之精確頻譜。符號率決定單元14D係根據該精確頻譜中之一峰值位置決定該輸入信號的符號率。假設快速傅利葉轉換單元14B所執行之快速傅利葉轉換的運算點數為N，則此頻譜的橫軸座標為0到(N/2-1)。在判定峰值出現位置所對應的橫軸座標C後，符號率決定單元14D可根據下列方程式計算符號率SR：

其中F代表輸入信號被接收時的取樣頻率。須說明的是，符號率偵測模組14產生符號率的程序可與初始偵測模組12、混波器13、判斷模組15等電路的運作同時進行。

如圖二所示，頻譜產生模組11產生的頻譜、判斷模組15產生的判斷結果，以及符號率偵測模組14產生的符號率都會被提供至修正模組16。若判斷模組15之判斷結果為否，修正模組16將會根據符號率SR及頻譜決定一修正後載波頻率偏移CFO’。

以圖六(A)所繪示的頻譜為例，若判斷模組15之判斷結果為否，表示頻譜中的兩個能量高峰區中有一個能量高峰區很可能是由鄰近頻道的另一信號所貢獻。理論上，若門檻值TH為同一信號的最大能量max及最小能量min之平均值，當判斷模組15之判斷結果為是，兩相交點X、Y之頻率差異會大致等於符號率SR。若判斷模組15之判斷結果為否，修正模組16可先採用左側的能量高峰區所屬之信號作為真正的目標信號，並以相交點X為起始點，自該頻譜中選擇寬度對應於符號率SR之頻率區段B1，如圖六(A)所示。在找出頻率區段B1之中心點C1後，修正模組16可採用中心點C1所對應之頻率與一參考頻率(對應於頻譜產生模組11所進行之快速傅利葉轉換運算點數的一半)的差異做為修正後載波頻率偏移CFO’，並將此修正後載波頻率偏移CFO’回傳至混波器13。

混波器13會根據修正後載波頻率偏移CFO’重新產生另一個頻率補償後信號，並將此頻率補償後信號提供給判斷模組15。判斷模組15可再次對這個新的頻率補償後信號施以相位回復，並根據該相位回復是否產生一鎖定結果來判斷修正後載波頻率偏移CFO’是否正確。若該相位回復程序可產生一鎖定結果，判定修正後載波頻率偏移CFO’是正確的；相對地，若該相位回復程序經過一段時間仍無法鎖定，則判定修正後載波頻率偏移CFO’仍然是錯誤的。

如果判斷模組15這次的判斷結果為否，修正模組16則採取右側的能量高峰區所屬的信號作為真正的目標信號，並以相交點Y為起始點，自該頻譜中選擇寬度對應於符號率SR之頻率區段B2，如圖六(B)所示。在找出頻率區段B2之中心點C2後，修正模組16可採用中心點C2所對應之頻率與參考頻率(對應於頻譜產生模組11所進行之快速傅利葉轉換運算點數的一半)的差異做為修正後載波頻率偏移CFO”，並將修正後載波頻率偏移CFO”回傳至混波器13。同樣地，判斷模組15可再次對混波器13重新產生的頻率補償後信號施以相位回復程序，並據此判斷修正後載波頻率偏移CFO”是否正確。

換句話說，若圖六(A)或圖六(B)中左側的能量高峰區所屬的信號確實代表真正的目標信號，修正後載波頻率偏移CFO’就能使判斷模組15之判斷結果為是。相對地，若圖六(A)或圖六(B)中右側的能量高峰區所屬的信號代表真正的目標信號，則修正後載波頻率偏移CFO”才能使判斷模組15之判斷結果為是。須說明的是，修正模組16不一定要選擇相交點X、Y為頻率區段B1、B2的起始點來選擇寬度對應於符號率SR之頻率區段。

綜上所述，藉由利用可信度相對較高的符號率為依據，根據本案之信號處理裝置100可有效判斷頻譜中的哪一個或哪幾個能量高峰區才代表真正欲接收的目標信號，並找出正確的載波頻率偏移。

根據本案之另一實施例為圖七所示之信號處理裝置200。信號處理裝置200與信號處理裝置100的差別之一在於，此實施例中的符號率偵測模組14係根據混波器13產生的頻率補償後信號來決定符號率SR。實務上，無論初始偵測模組12產生的初始載波頻率偏移CFO是否正確，符號率偵測模組14利用前述方式都可以找到正確的符號率SR。因此，符號率偵測模組14根據針對第一次產生的頻率補償後信號即可決定符號率SR。易言之，即使後來混波器13重新產生頻率補償後信號，符號率偵測模組14亦可以無需重新計算符號率SR。

此外，在頻率補償後信號進入信號處理裝置200中的符號率偵測模組14之前，會先通過低通濾波器17。這種做法的好處在於，低通濾波器17可先濾除其他鄰近頻道的干擾，進一步提高符號率偵測模組14所產生之符號率SR的正確性。

根據本案之另一實施例為圖八所示之信號處理裝置300。信號處理裝置300與信號處理裝置200的差別之一在於，除了初始載波頻率偏移CFO之外，此實施例中的初始偵測模組12亦根據頻譜產生模組11產生的頻譜決定輸入信號之一初始符號率SR0，並將初始符號率SR0提供至符號率偵測模組14。如圖八所示，相較於圖二中的符號率偵測模組14，此實施例中的符號率偵測模組14進一步包含一降低取樣單元14E。

假設輸入信號在進入信號處理裝置300時係以一原始取樣頻率F0被取樣。如先前所述，數位電視信號的符號率(symbol rate)之可能範圍在0到45兆赫間。舉例而言，用於數位電視信號的原始取樣頻率F0可能為96兆赫，略高於其最大符號率的兩倍，但不以此為限。降低取樣單元14E係用以根據原始取樣頻率F0及初始偵測模組12產生的初始符號率SR0決定一降低取樣比例d，並根據降低取樣比例d降低取樣該頻率補償後信號，以產生一降低取樣後信號。舉例而言，降低取樣單元14E可根據下列方程式決定降低取樣比例d： 其中m代表一取樣倍率，其較佳範圍在2到4之間，例如等於2.5。易言之，降低後的取樣頻率之下限被設定為概略符號率SR0的兩倍；在符合取樣定理的條件下，取樣倍率m 愈小愈好。根據上述原則，降低取樣模組14即可決定降低取樣比例d，並據此為頻率補償後信號降低取樣。實務上，降低取樣單元14E可利用一個四階去頻疊濾波器(anti-aliasing filter)來實現，但不以此為限。如圖八所示，此實施例中的計算單元14A係根據該降低取樣後信號產生計算結果。電路區塊14A~14D的運作方式可參考先前的介紹。

實施降低取樣的一個原因在於，由於符號率的變動範圍相當廣(例如DVB-S以及DVB-S2規範中符號率的範圍為0到45兆赫)，要求得精確的符號率，理論上進行快速傅利葉轉換的運算單元要具有極大的運算點數方能適用。然而，極大的運算點數會造成相對大的成本負擔。因此，一個選擇性的作法就是實施降低取樣，以使一個適中的傅利葉轉換單元可對所有符號率的信號進行運算。

根據本案之另一實施例為一信號處理方法，其流程圖如圖九所示。首先，步驟S91為根據一輸入信號之一頻譜決定該輸入信號之一初始載波頻率偏移。接著，步驟S92為根據該初始載波頻率偏移調整該輸入信號，以產生一頻率補償後信號。步驟S93為根據該頻率補償後信號判斷該初始載波頻率偏移是否正確。步驟S94為決定該輸入信號之一符號率。若步驟S93的判斷結果為否，步驟S95被執行，以根據該符號率及該頻譜決定一修正後載波頻率偏移。若步驟S93的判斷結果為是，則如步驟S96所示，該信號處理程序結束。實務上，若該符號率的產生依據是輸入信號本身，步驟S94可與步驟S91~S92同時進行。相對地，若該符號率係根據頻率補償後信號所產生，步驟S94的執行時間被安排在步驟S92之後。

須說明的是，先前在介紹信號處理裝置100~300時描述的數種電路操作流程變化，亦可應用至圖九所繪示的符號率偵測方法中，其細節不再贅述。

如上所述，藉由可信度較高的符號率，根據本案上述數個實施例之信號處理裝置及信號處理方法可有效判斷頻譜中的哪一個或哪幾個能量高峰區才代表真正欲接收的目標信號，並找出正確的載波頻率偏移。

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案之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本案之範疇加以限制。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案所欲申請之專利範圍的範疇內。

100、200、300．．．信號處理裝置

11．．．頻譜產生模組

12．．．初始偵測模組

13．．．混波器

14．．．符號率偵測模組

14A．．．計算單元

14B．．．快速傅利葉轉換單元

14C．．．平方單元

14D．．．符號率決定單元

14E．．．降低取樣單元

15．．．判斷模組

16．．．修正模組

17．．．低通濾波器

S91~S96．．．流程步驟

圖一(A)及圖一(B)為經快速傅利葉轉換產生的信號頻譜範例。

圖二為根據本案之一實施例中的信號處理裝置之方塊圖。

圖三、圖五、圖六(A)及圖六(B)為根據本案實施例之頻譜相關圖點範例。

圖四係用以呈現根據本案實施例之符號率偵測模組的一種詳細實施範例。

圖七及圖八為根據本案之另外兩個實施例中的信號處理裝置之方塊圖。

圖九為根據本案之一實施例中的信號處理方法流程圖。

100．．．信號處理裝置

11．．．頻譜產生模組

12．．．初始偵測模組

13．．．混波器

14．．．符號率偵測模組

15．．．判斷模組

16．．．修正模組

Claims (12)

1. 一種信號處理裝置，包含：一初始偵測模組，用以根據一輸入信號之一頻譜決定該輸入信號之一初始載波頻率偏移；一混波器，用以根據該初始載波頻率偏移調整該輸入信號，以產生一頻率補償後信號；一符號率偵測模組，用以決定該輸入信號之一符號率；一判斷模組，用以根據該頻率補償後信號判斷該初始載波頻率偏移是否正確以產生一判斷結果；以及一修正模組，耦接於該混波器，依照該判斷結果而根據該符號率及該頻譜選擇性地決定一修正後載波頻率偏移給該混波器；其中，該判斷模組對該頻率補償後信號施以相位回復，並根據相位回復是否成功鎖定判斷該初始載波頻率偏移是否正確。
2. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，其中若該判斷模組之判斷結果為否，該修正模組自該頻譜中選擇寬度對應於該符號率之一頻率區段，並以該頻率區段之一中心頻率與一參考頻率之差異為該修正後載波頻率偏移。
3. 如申請專利範圍第2項所述之信號處理裝置，其中該初始偵測模組判斷該頻譜中之一最大能量及一最小能量並據以決定一門檻值，以該頻譜與該門檻值之兩相交點所對應之一頻率平均值與一參考頻率之差異為該初始載波頻率偏移；該修正模組於該兩相交點之間選擇該頻率區段。
4. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，該混波器更根據該修正後載波頻率偏移重新調整該輸入信號，以產生另一頻率補償後信號，該判斷模組更根據該另一頻率補償後信號判斷該修正後載波頻率偏移是否正確；若否，該修正模組更根據該符號率及該頻譜決定又一修正後載波頻率偏移。
5. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，其中該符號率偵測模組包含：一功率計算單元，用以根據該輸入信號或該頻率補償後信號產生一功率計算結果，其中該計算結果為|r(n)|² 或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表該輸入信號或該頻率補償後信號中之一信號值，n代表一時間指標，d代表不等於零之整數，conj為共軛符號；一快速傅利葉轉換單元，用以對該功率計算結果施以快速傅利葉轉換，以產生一功率頻譜；一平方單元，用以將該功率頻譜取絕對值後平方，以產生一平方結果；以及一符號率決定單元，用以根據該平方結果所對應之一精確頻譜中之一峰值位置決定該符號率。
6. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，其中該初始偵測模組更根據該頻譜決定該輸入信號之一初始符號率，並提供至該符號率偵測模組；該輸入信號係以一原始取樣頻率被取樣；該符號率偵測模組包含：一降低取樣單元，用以根據該初始符號率及該原始取樣頻率決定一降低取樣比例，並根據該降低取樣比例降低取樣該頻率補償後信號，以產生一降低取樣後信號；一功率計算單元，用以根據該降低取樣後信號產生一功率計算結果，其中該功率計算結果為|r(n)|² 或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表該降低取樣後信號中之一信號值，n代表一時間指標，d代表不等於零之整數，conj為共軛符號；一快速傅利葉轉換單元，用以對該功率計算結果施以快速傅利葉轉換，以產生一功率頻譜；一平方單元，用以將該功率頻譜取絕對值後平方，以產生一平方結果；以及一符號率決定單元，用以根據該平方結果所對應之一精確頻譜中之一峰值位置決定該符號率。
7. 一種信號處理方法，包含：(a)根據一輸入信號之一頻譜決定該輸入信號之一初始載波頻率偏移；(b)根據該初始載波頻率偏移調整該輸入信號，以產生一頻率補償後信號；(c)決定該輸入信號之一符號率；(d)對該頻率補償後信號施以相位回復；(e)根據相位回復是否成功鎖定判斷該初始載波頻率偏移是否正確，以及(f)依照該判斷步驟的判斷結果而根據該符號率及該頻譜選擇性地決定一修正後載波頻率偏移。
8. 如申請專利範圍第7項所述之信號處理方法，其中步驟(f)包含：若判斷結果為否，自該頻譜中選擇寬度對應於該符號率之一頻率區段，並以該頻率區段之一中心頻率與一參考頻率之差異為該修正後載波頻率偏移。
9. 如申請專利範圍第8項所述之信號處理方法，其中步驟(a)包含：判斷該頻譜中之一最大能量及一最小能量；根據該最大能量及該最小能量決定一門檻值；以及以該頻譜與該門檻值之兩相交點所對應之一頻率平均值與一參考頻率之差異為該初始載波頻率偏移；並且步驟(f)包含：以該兩相交點之一為起始點，於該兩相交點之間選擇該頻率區段。
10. 如申請專利範圍第7項所述之信號處理方法，進一步包含：判斷該修正後載波頻率偏移是否正確；若否，根據該符號率及該頻譜決定另一修正後載波頻率偏移。
11. 如申請專利範圍第7項所述之信號處理方法，其中步驟(c)包含：根據該輸入信號或該頻率補償後信號產生一功率計算結果，其中該功率計算結果為|r(n)|² 或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表該輸入信號或該頻率補償後信號中之一信號值，n代表一時間指標，d代表不等於零之整數，conj為共軛符號；對該功率計算結果施以快速傅利葉轉換，以產生一功率頻譜；將該功率頻譜取絕對值後平方，以產生一平方結果；以及根據該平方結果所對應之一精確頻譜中之一峰值位置決定該符號率。
12. 如申請專利範圍第7項所述之信號處理方法，其中該輸入信號係以一原始取樣頻率被取樣，步驟(a)更包含根據該頻譜決定該輸入信號之一初始符號率，且步驟(c)包含：根據該初始符號率及該原始取樣頻率決定一降低取樣比例，並根據該降低取樣比例降低取樣該頻率補償後信號，以產生一降低取樣後信號；根據該降低取樣後信號產生一功率計算結果，其中該計算結果為|r(n)|² 或r(n)*conj[r(n-d)]，r(n)代表該降低取樣後信號中之一信號值，n代表一時間指標，d代表不等於零之整數，conj為共軛符號；對該功率計算結果施以快速傅利葉轉換，以產生一功率頻譜；將該功率頻譜取絕對值後平方，以產生一平方結果；以及根據該平方結果所對應之一精確頻譜中之一峰值位置決定該符號率。