TWI461705B - 頻譜反轉判斷裝置及頻譜反轉判斷方法 - Google Patents

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Description

頻譜反轉判斷裝置及頻譜反轉判斷方法
本發明與無線通訊技術相關，並且尤其與判斷無線通訊信號是否存在頻譜反轉(spectrum inversion)狀況的技術相關。
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，簡稱為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-S2規範中，數位電視信號接收端的基頻解調器所接收之輸入信號為經過π /2-偏移二元相位偏移調變(π/2-shifted binary phase shift keying，簡稱為BPSK)的信號，因此是由同相成分(in-phase component)與正交成分(quadrature phase component)組成。實務上，DVB-S2接收端的調諧器(tuner)和混波器(mixer)有可能誤將信號中的同相成分與正交成分交換，此即頻譜反轉(spectrum inversion)現象。若基頻解調器未及早偵測出此問題，待後續眾多信號處理流程結束後才發現電視系統無法正確啟動，就必須將同相成分與正交成分交換後，再次執行該等信號處理流程。由此可知，頻譜反轉的問題會嚴重延遲電視系統的開機時間。
為解決上述問題，本發明提出一種頻譜反轉判斷裝置及頻譜反轉判斷方法，對輸入信號施以奇數階次的差動相關運算，並依據運算結果的相位來判斷該輸入信號是否存在頻譜反轉狀況。根據本發明之頻譜反轉判斷裝置及頻譜反轉判斷方法不僅能應用在DVB-S2規範的數位電視信號接收端之中，亦可被推廣至信號具有相似特性的其他系統。
根據本發明之一具體實施例為一種頻譜反轉判斷裝置，其中包含一差動相關器與一判斷模組。該差動相關器係用以對一輸入信號與一已知信號施以奇數階次差動相關運算，以產生一差動相關結果。當該輸入信號被判定為對應於該已知信號之一目標信號，該判斷模組根據該差動相關結果之相位判斷該輸入信號是否存在一頻譜反轉狀況。
根據本發明之另一具體實施例為一種頻譜反轉判斷方法，該方法首先執行一運算步驟，對一輸入信號與一已知信號施以奇數階次差動相關運算，以產生一差動相關結果。接著，當該輸入信號被判定為對應於該已知信號之一目標信號，該方法即執行一判斷步驟，根據該差動相關結果之相位判斷該輸入信號是否存在一頻譜反轉狀況。
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。
根據本發明之一實施例為圖一所示之頻譜反轉判斷裝置100，其中包含差動相關器(differential correlator)12和判斷模組14。於實際應用中，頻譜反轉判斷裝置100可被整合在採用DVB-S2規範的數位電視信號接收端內，但不以此為限。
依照DVB-S2規範，資料框之起始區域(start of frame，簡稱為SOF)共包含26個符號(symbol)S0 ~S25 ，其中的S0 、S2 、S4 、...、S24 等13個符號各自之同相(in-phase)成分與正交(quadrature)成分大小相同且正負相同；再者，S1 、S3 、S5 、...、S25 等另外13個符號各自之同相成分與正交成分大小相同且正負相反。若在複數平面標示該等符號，S0 、S2 、S4 、...、S24 等符號會出現在第一象限或第三象限，S1 、S3 、S5 、...、S25 等符號會出現在第二象限或第四象限。
基於上述符號特性，即使發生頻譜反轉的狀況，反轉後的符號S0 、S2 、S4 、...、S24 所在之象限並不會改變，亦即維持在第一象限或是第三象限。不過，符號S1 、S3 、S5 、...、S25 會受到頻譜反轉的影響而改變其象限。更明確地說，未反轉時原本在第二象限的符號經反轉後會出現在第四象限，且未反轉時原本在第四象限的符號經反轉後會出現在第二象限。換句話說，若存在頻譜反轉的狀況，DVB-S2資料框之起始區域中的符號S0 、S2 、S4 、...、S24 不會改變，但頻譜反轉時的符號S1 、S3 、S5 、...、S25 與頻譜未反轉時的符號S1 、S3 、S5 、...、S25 相差一個負號。
DVB-S2資料框之起始區域的標準內容為接收端所 知。因此，頻譜反轉判斷裝置100可設定一已知信號S做為參考依據，其包含DVB-S2資料框之起始區域的標準內容s0 ~s25 。以下說明首先假設頻譜反轉判斷裝置100已確認一輸入信號R為某DVB-S2資料框之起始區域，但尚不確定輸入信號R是否存在頻譜反轉狀況。
若輸入信號R不存在頻譜反轉狀況，其中之第i 個符號r i 與已知信號S中之第i 個符號s i 的關係為：r i =s i e j 2πf(iT) fori =0,1,2,3,...,(N -1)，(式一)
T代表該等符號的週期長度，f代表輸入信號R進入差動相關器12時所帶有的載波頻率偏移(carrier frequency offset，簡稱為CFO)，N代表輸入信號R和已知信號S各自包含的符號數量(於此範例中等於26)。
在收到輸入信號R後，差動相關器12對輸入信號R和已知信號S進行至少一奇數階次的差動相關運算。在本實施例中，下列方程式表示者為一階差動相關運算，差動相關器12可產生差動相關結果d1：
根據式一，式二可被化簡如下：
由式三可看出，當輸入信號R不存在頻譜反轉狀況，差動相關結果d1 的相位Arg(d1 )為(-2πfT)；若載波頻率偏移f趨近於零，則Arg(d1 )亦趨近於零。實務上，頻譜反轉 判斷裝置100可被安排在一載波頻率偏移校正裝置之後，使載波頻率偏移f被盡量縮小。
相對地，若輸入信號R存在頻譜反轉狀況，其中之第i 個符號r i 與已知信號S中之第i 個符號s i 的關係為：
若根據式四改寫式二可得到：
由式五可看出，當輸入信號存在頻譜反轉狀況，差動相關結果d1 的相位Arg(d1 )為(-2πfT+π)；若載波頻率偏移f趨近於零，則Arg(d1 )趨近於π。
如圖一所示，判斷模組14中可設置一相位偵測電路14A，用以判斷差動相關結果d1 的相位Arg(d1 )。隨後，判斷模組14即可根據Arg(d1 )判斷輸入信號R是否存在頻譜反轉狀況。舉例而言，判斷模組14可設定門檻值為π/2；若對應於一輸入信號之Arg(d1 )小於π/2，判斷模組14即判定此輸入信號不存在頻譜反轉狀況。相對地，若一輸入信號之Arg(d1 )大於π/2，判斷模組14便通知後續電路須將同相信號與正交信號交換。
於實際應用中，頻譜反轉判斷裝置100收到一輸入信號時可能尚無法確定該輸入信號是否為某個DVB-S2資料框之起始區域。理論上，若一輸入信號確實為DVB-S2資料框之起始區域，該輸入信號與前述已知信號間的相關程度必定不低，使得差動相關結果d1 之絕對值必然超過某個 門檻值。相對地，若一輸入信號並非DVB-S2資料框之起始區域，其差動相關結果d1 的絕對值會小於該門檻值。因此，差動相關器12產生的差動相關結果d1 亦可做為判斷一輸入信號是否為DVB-S2資料框之起始區域的依據。
綜上所述，針對一輸入信號，判斷模組14首先可根據其差動相關結果d1 的絕對值|dm1 |判斷該輸入信號是否為DVB-S2資料框之起始區域。若此判斷結果為是，判斷模組14才進一步根據差動相關結果d1 的相位Arg(d1 )判斷該輸入信號是否存在頻譜反轉狀況。
須說明的是，差動相關器12所執行的運算不限於上述一階差動相關運算。對一輸入信號R與已知信號S施以m階差動相關運算所產生的差動相關結果dm可表示如下：
根據式一，式六可被化簡如下：
當m為偶數，根據式四改寫式六所得的結果可得到：d m =(|s m |2 |s 0 |2 +|s m +1 |2 |s 1 |2 +...+|s 25 |2 |s 25 - m |2 )．e - j 2πf (mT ) ，(式七)
當m為奇數，根據式四改寫式六會得到：d m =(|s m |2 |s 0 |2 +|s m +1 |2 |s 1 |2 +...+|s 25 |2 |s 25-m |2 )．e -j 2πf (mT ) ．e jπ ，(式八)
由式七和式八可看出，若m為偶數，無論是否存在頻譜反轉狀況，差動相關結果dm 的相位Arg(dm )都是[-2πf(mT)]。若m為奇數，不存在頻譜反轉狀況之輸入信 號所對應的Arg(dm )為[-2πf(mT)]，存在頻譜反轉狀況之輸入信號所對應的Arg(dm )則是[-2πf(mT)+π]。易言之，只有奇數階次的差動相關運算，才會產生能據以判斷輸入信號是否存在頻譜反轉狀況的差動相關結果。因此，差動相關器12被設計為至少執行一奇數階次(一階、三階、五階...)的差動相關運算。
實務上，較高階次之差動相關運算所產生的結果相對較準確。如圖二所示，頻譜反轉判斷裝置100可進一步包含一控制模組16，用以根據輸入信號所通過之頻道環境決定差動相關器12應採用的階次m。頻道環境愈差，控制模組16可選擇愈大的階次m，藉此提高準確度。於一實施例中，針對良好的頻道環境，控制模組16即令階次m為1；針對惡劣的頻道環境，控制模組16即令階次m為3。
於另一實施例中，差動相關器12被設計為同時或先後執行至少兩不同奇數階次(m1、m2)的差動相關運算：
相對應地，判斷模組14可被設計為同時參考第一差動相關結果dm1 之相位Arg(dm1 )與第二差動相關結果dm2 之相位Arg(dm2 )來判斷輸入信號是否存在頻譜反轉狀況。舉例而言，判斷模組14可根據Arg(dm1 )＊ w1+Arg(dm2 )＊ w2是否高於一門檻值來判斷輸入信號是否存在頻譜反轉狀況，其中w1、W2為可預先決定的比重參數。此外，判斷模組14亦可根據第一差動相關結果dm1 的絕對值|dm1 |與第二差動相關結果dm2 的絕對值|dm2 |，(例如|dm1 |與|dm2 |的總 和)，來判斷輸入信號是否為DVB-S2資料框之起始區域。
於另一實施例中，差動相關器12可被設計為選擇性地產生第二差動相關結果dm2 。舉例而言，圖二中的控制模組16可根據頻道環境決定是否需產生第二差動相關結果dm2 。若控制模組16之決定結果為目前的頻道環境惡劣，差動相關器12才額外產生第二差動相關結果dm2 ，否則只產生第一差動相關結果dm1 。
於另一實施例中，差動相關器12被設計為同時或先後執行一奇數階次(m1)與一偶數階次(m3)的差動相關運算：
以m1為1、m3為2為例，當輸入信號不存在頻譜反轉狀況，差動相關結果d1 的相位Arg(d1)等於(-2πfT)，差動相關結果d2 的相位Arg(d2 )等於(-4πfT)；相位差異[Arg(d1 )-Arg(d2 )]為(2πfT)。相對地，當輸入信號存在頻譜反轉狀況，差動相關結果d1的相位Arg(d1 )等於(-2πfT+π)，差動相關結果d2的相位Arg(d2 )等於(-4πfT)；相位差異[Arg(d1 )-Arg(d2 )]為(2πfT+π)。基於上述相位差異特性，由於載波頻率偏移f趨近於零，判斷模組14亦可根據第一差動相關結果dm1 與第三差動相關結果dm3 之相位差異[Arg(dm1 )-Arg(dm3 )]看出輸入信號是否存在頻譜反轉狀況。
另一方面，即使差動相關結果dm3 的相位Arg(dm3 )無法單獨做為判斷輸入信號是否存在頻譜反轉狀況的依 據，差動相關結果dm3 的絕對值|dm3 |仍具參考價值。舉例而言，判斷模組14可根據第一差動相關結果dm1 之絕對值|dm1 |與第三差動相關結果dm3 之絕對值|dm3 |，(例如|dm1 |與|dm3 |的總和)，判斷輸入信號是否為DVB-S2資料框之起始區域。
實務上，差動相關器12亦可被設計為執行多個奇數階次與多個偶數階次差動相關運算。舉例而言，差動相關器12可同時針對一輸入信號執行一階、二階、三階、四階等四種差動相關運算。在這樣的情況下，判斷模組14可根據四個運算結果的絕對值總和，來判斷該輸入信號是否為DVB-S2資料框之起始區域，並僅根據一階和三階差動相關運算的結果之相位判斷該輸入信號是否存在頻譜反轉狀況。
須說明的是，頻譜反轉判斷裝置100所能處理的輸入信號不以DVB-S2資料框之起始區域為限；只要是具有相同性質的信號(s 2j 之同相成分與正交成分大小相同且正負相同，s 2j +1 之同相成分與正交成分大小相同且正負相反)都適用於前述判斷程序。
舉例而言，提供至頻譜反轉判斷裝置100的輸入信號亦可進一步包含跟隨在DVB-S2資料框之起始區域後的實體層信號碼(physical layer signaling code，簡稱為PLSC)，或僅包含DVB-S2資料框之起始區域的部分區段。
圖三(A)及圖三(B)中的表格內容為針對不同信號雜訊比(signal to noise ratio，簡稱為SNR)之加成性白高斯雜訊(additive white Gaussian noise，簡稱為AWGN)通道產生 的模擬結果。SR代表符號率(symbol rate)。
由這兩個表格可看出，當輸入信號不存在頻譜反轉狀況，一階~四階差動相關結果的相位都相當小。當輸入信號存在頻譜反轉狀況，一階和三階差動相關結果的相位都相當接近π。根據該等模擬結果可知，根據本發明之頻譜反轉判斷裝置100確實能有效判斷輸入信號是否存在頻譜反轉狀況。
根據本發明之另一實施例為頻譜反轉判斷方法，其流程圖如圖四所示。首先，步驟S41為對一輸入信號與一已知信號施以下列m1階差動相關運算(m1為奇數)，以產生第一差動相關結果dm1 ：
步驟S42則是當該輸入信號被判定為對應於該已知信號之一目標信號，根據該第一差動相關結果dm1 之相位判斷該輸入信號是否存在一頻譜反轉狀況。
先前在介紹頻譜反轉判斷裝置100時描述的數種電路操作流程變化，(例如在步驟S42之前先判斷該輸入信號是否為目標信號、進行兩不同奇數階次之差動相關運算、進行一奇數階次與一偶數階次之差動相關運算...)，亦可應用至圖四所繪示的頻譜反轉判斷方法中，其細節不再贅述。
如上所述，本發明提出一種頻譜反轉判斷裝置及頻譜反轉判斷方法，對輸入信號施以奇數階次的差動相關運算，並依據運算結果的相位來判斷該輸入信號是否存在頻 譜反轉狀況。根據本發明之頻譜反轉判斷裝置及頻譜反轉判斷方法不僅能應用在DVB-S2規範的數位電視信號接收端之中，亦可被推廣至信號具有相似特性的其他系統。
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。
100‧‧‧頻譜反轉判斷裝置
12‧‧‧差動相關器
14‧‧‧判斷模組
14A‧‧‧相位偵測電路
16‧‧‧控制模組
圖一為根據本發明之一實施例中的頻譜反轉判斷裝置之方塊圖。
圖二為根據本發明之頻譜反轉判斷裝置進一步包含一控制模組的範例。
圖三(A)及圖三(B)係用以呈現採用根據本發明之方案所得的模擬結果。
圖四為根據本發明之一實施例中的頻譜反轉判斷方法流程圖。
100‧‧‧頻譜反轉判斷裝置
12‧‧‧差動相關器
14‧‧‧判斷模組
14A‧‧‧相位偵測電路

Claims (24)

  1. 一種頻譜反轉判斷裝置，包含：一差動相關器，用以對一輸入信號與一已知信號施以奇數階次差動相關運算，以產生一第一差動相關結果dm1 ；以及一判斷模組，耦接於該差動相關器，當該輸入信號被判定為對應於該已知信號之一目標信號，該判斷模組根據該第一差動相關結果dm1 之相位判斷該輸入信號是否存在一頻譜反轉狀況。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該判斷模組根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該奇數階次差動相關運算包含： 其中，奇數階次代表階次m1為奇數，該輸入信號與該已知信號各自包含N個符號，r i 代表該輸入信號中之第i 個符號，s i 代表該已知信號中之第i 個符號，s 2j 之同相成分與正交成分大小相同且正負相同，s 2j +1 之同相成分與正交成分大小相同且正負相反，N為大於1之整數，i 為範圍在0到(N-1)間之整數指標，j 為範圍在0到(N/2-1)間之整數指標。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之頻譜反轉判斷裝置，更包含： 一階次控制模組，用以根據該輸入信號所通過之一頻道環境決定該差動相關器所採用之階次m1，該頻道環境愈差，該控制模組選擇愈大之階次m1。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該差動相關器更產生對應於不同奇數階次之一第二差動相關結果dm2 ；以及該判斷模組根據該第一差動相關結果dm1 之相位與該第二差動相關結果dm2 之相位判斷該輸入信號是否存在該頻譜反轉狀況。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該判斷模組根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值與該第二差動相關結果dm2 之絕對值判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中更包含：一環境偵測模組，用以偵測該輸入信號所通過之一頻道環境，據以決定是否產生對應於不同奇數階次之一第二差動相關結果dm2 ；其中，若該環境偵測模組之決定結果為是，該差動相關器產生該第二差動相關結果dm2 ，該判斷模組根據該第一差動相關結果dm1 之相位與該第二差動相關結果dm2 之相位判斷該輸入信號是否存在該頻譜反轉狀況。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該判斷模組根據該第一差動相關結果dm1 之絕對 值與該第二差動相關結果dm2 之絕對值判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該差動相關器更產生對應於一偶數階次之一第三差動相關結果dm3 ；以及該判斷模組係根據該第一差動相關結果dm1 與該第三差動相關結果dm3 之相位差異，判斷該輸入信號是否存在該頻譜反轉狀況。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該判斷模組係根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值與該第三差動相關結果dm3 之絕對值，判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該輸入信號係包含一第二代數位電視衛星廣播資料框之起始區域內容。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之頻譜反轉判斷裝置，其中該已知信號係包含符合該第二代數位電視衛星廣播標準中有關於資料框起始區域的內容。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之頻譜反轉判斷裝置，其係應用於一數位基頻解調裝置中，而該數位基頻解調裝置係接收以相位偏移調變而成之該輸入信號。
  14. 一種頻譜反轉判斷方法，包含以下步驟：(a)對一輸入信號與一已知信號施以奇數階次差動相關運算，以產生一第一差動相關結果dm1 ；以及(b)當該輸入信號被判定為對應於該已知信號之一目 標信號，根據該第一差動相關結果dm1 之相位判斷該輸入信號是否存在一頻譜反轉狀況。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之頻譜反轉判斷方法，其中於步驟(a)及步驟(b)之間進一步包含以下步驟：根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之頻譜反轉判斷方法，該奇數階次差動相關運算包含： 其中，奇數階次代表階次m1為奇數，該輸入信號與該已知信號各自包含N個符號，r i 代表該輸入信號中之第i 個符號，s i 代表該已知信號中之第i 個符號，s 2j 之同相成分與正交成分大小相同且正負相同，s 2j +1 之同相成分與正交成分大小相同且正負相反，N為大於1之整數，i 為範圍在0到(N-1)間之整數指標，j 為範圍在0到(N/2-1)間之整數指標。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之頻譜反轉判斷方法，於步驟(a)之前進一步包含：根據該輸入信號所通過之一頻道環境決定步驟(a)所採用之階次m1，該頻道環境愈差，選擇愈大之階次m1。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之頻譜反轉判斷方法，其中步驟(a)進一步包含產生一第二差動相關結果dm2 ；以及步驟(b)根據該第一差動相關結果dm1 之相位與該第二 差動相關結果dm2 之相位判斷該輸入信號是否存在該頻譜反轉狀況。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之頻譜反轉判斷方法，於步驟(a)及步驟(b)之間進一步包含以下步驟：根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值與該第二差動相關結果dm2 之絕對值，判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之頻譜反轉判斷方法，進一步包含：根據該輸入信號所通過之一頻道環境，決定是否產生對應於不同奇數階次之一第二差動相關結果dm2 ；若是，產生該第二差動相關結果dm2 ，且步驟(b)根據該第一差動相關結果dm1 之相位與該第二差動相關結果dm2 之相位，判斷該輸入信號是否存在該頻譜反轉狀況。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之頻譜反轉判斷方法，於步驟(a)及步驟(b)之間進一步包含以下步驟：根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值與該第二差動相關結果dm2 之絕對值判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之頻譜反轉判斷方法，其中步驟(a)進一步包含產生對應於一偶數階次之一第三差動相關結果dm3 ，且步驟(b)根據該第一差動相關結果dm1 與該第三差動相關結果dm3 之相位差異判斷該輸入信號是否存在該頻譜反轉狀況。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之頻譜反轉判斷方 法，於步驟(a)及步驟(b)之間進一步包含：根據該第一差動相關結果dm1 之絕對值與該第三差動相關結果dm3 之絕對值判斷該輸入信號是否為該目標信號。
  24. 如申請專利範圍第14項所述之頻譜反轉判斷方法，其中該輸入信號包含一第二代數位電視衛星廣播資料框之起始區域。
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