TWI467976B - 多載波通信系統的頻率偏補估計方法與相關裝置 - Google Patents

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Description

多載波通信系統的頻率偏補估計方法與相關裝置
本發明是有關於一種多載波通信系統的頻率偏補估計方法與相關裝置，且特別是一種通用於地面數位視訊廣播(Digital Video Broadcasting Terrestrial，以下簡稱DVB-T)與地面整合數位服務廣播(Integrated Services Digital Broadcasting，以下簡稱ISDB-T)系統的頻率偏補估計方法與相關裝置。
應用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下簡稱OFDM)技術的多載波通信系統，可應用於DVB-T系統、以及ISDB-T系統。一般來說，OFDM技術對於載波頻率(carrier frequency)的偏補(offset)非常敏感。由於傳輸器與接收器的振盪器不匹配(mismatch)，因此在接收器端需要先估計頻率偏補，並且補償頻率的偏補後，才可接收並解碼資料信號。
在DVB-T系統中，係利用連續引示信號(continual pilot，以下簡稱CP信號)來估計頻率偏補。例如美國專利US8149962揭露一種頻率偏補估計的方法(estimating frequency shift)。而在某些ISDB-T系統中，由於CP的數目太少或者完全沒有CP，所以無法據以估計頻率偏補。因此，在ISDB-T系統中，係利用傳輸與多工組態控制信號(Transmission and Multiplexing Configuration Control，以下簡稱TMCC信號)或者輔助通道信號(Auxiliary Channel，以下簡稱AC信號)來估計頻率偏補。例如美國專利US8064553揭露一種運用於ISDB-T接收器的頻率偏補估計的方法(coarse frequency offset estimation in ISDB-T receiver)。
由以上說明可知，DVB-T系統中的CP信號係在固定頻率出現的特定不時變之實數，而ISDB-T系統中的TMCC信號與AC信號係在固定頻率出現且載有訊息的時變之實數。
因此，美國專利US8149962所揭露的頻率偏補的估計方法僅利用CP信號來決定頻率偏補，其適用於DVB-T系統並不適用於ISDB-T系統。
再者，美國專利US8064553所揭露的頻率偏補的估計方法僅利用TMCC信號與AC信號來決定頻率偏補，其適用於ISDB-T系統並不適用於DVB-T系統。
本發明的目的是提出一種通用於DVB-T系統以及ISDB-T系統的頻率偏補估計方法與相關裝置。
本發明係有關於一種多載波通信系統的頻率估計方法，包括下列步驟：將一接收信號由一時域轉換為一頻域，並產生複數個符元；計算二個符元的一相關性，並獲得複數個子載波相對應的相關性複數值；根據一特定信號子載波位置組以及M個候選頻率偏補來據以產生M個候選子載波位置組；根據M個候選子載波位置組所對應的相關性複數值，計算出M個計算數值；以及，根據M個計 算數值中的一最大計算數值來決定一頻率偏補。
本發明係有關於一種多載波通信系統的頻率估計裝置，包括：一快速傅立葉轉換單元，一接收信號由一時域轉換為一頻域，並產生複數個符元；一緩衝單元，接收該些符元；一共軛乘法單元，接收該快速傅立葉轉換單元所輸出的一現在符元以及該儲存緩衝單元所輸出的一前一個符元，並進行一共軛乘法後產生多個相關性複數值；一大小擷取單元，擷取該些相關性複數值中的實部大小；一儲存單元，儲存該些相關性複數值中的實部大小；以及，一處理單元，根據一特定信號子載波位置組以及M個候選頻率偏補來據以產生M個候選子載波位置組，並且根據M個候選子載波位置組所對應的相關性複數值，計算出M個計算數值；以及，根據M個計算數值中的一最大計算數值來決定一頻率偏補。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下先以ISDB-T系統、利用TMCC信號以及AC信號來進行頻率偏補估計為範例來做說明。由於ISDB-T標準中已規範TMCC信號以及AC信號所在的子載頻(subcarrier)位置，因此上述的子載頻位置的集合即定義為一特定信號子載波位置組(subcarrier position set of specific signal)。其中，上述特定信號係為TMCC信號、或者AC信號、或者是TMCC信號以及AC信號。根據本 發明的實施例，在接收器側，需要根據已知的特定信號子載波位置組來估計出頻率偏補。
舉例來說，對一基頻信號(base band)進行快速傳立葉轉換(FFT)，將該基頻信號由時域(time domain)轉換至頻域(frequency domain)後，其OFDM調變信號示意圖如第1圖所示。其中，各個時間點tn-1 、tn 、tn+1 等等皆會收到一個符元(symbol)。
由第1圖之繪示可知，每個符元中有19個子載波。其中，在符元的中心頻點(center frequency)處，係設定為位置0，往遞增的方向間隔固定的頻率處依序定義為正數的子載波，往遞減方向間隔固定的頻率處依序定義為負數的子載波。再者，在-5位置、-2位置、+5位置的子載波上為TMCC信號或者AC信號；而其他位置則為資料信號。因此，特定信號子載波位置組即為(-5，-2，+5)。
根據ISDB-T系統的特性可知，TMCC信號以及AC信號係為僅具備實部的複數，但是其符號(sign)是未確定的的，而其他的資料信號皆為同時具有實部與虛部的複數。再者，TMCC信號以及AC信號的大小(magnitude)大於其他資料信號的大小。
根據以上之特性，本發明即提出第2圖所示之頻率偏補的估計方法流程圖。首先，在步驟S102中，計算連續二個符元的相關性(correlation)，並獲得所有子載波相對應的相關性複數值(correlating complex number)。其中，每一個相關性複數值包括一實部符號，一實部大小，一虛部符號，以及一虛部大小。
從步驟S104至步驟S112，係依序提供M個候選頻率偏補(candidate frequency offset)，並且計算出M個計算數值。詳細說明如下：於m=1時，提供第一個候選頻率偏補，根據特定信號子載波位置組決定一第一候選子載波位置組(步驟S106)。接著，根據第一候選子載波位置組所對應的多個相關性複數值，加總其實部大小並獲得第一計算數值(步驟S108)。同理，提供第二個至第M個候選頻率偏補時，也是以相同的方法來獲得第二個至第M個計算數值。
獲得M個計算數值後，根據M個計算數值中的一最大計算數值來決定一頻率偏補(步驟S114)。其中，最大計算數值所對應的候選頻率偏補即為頻率偏補。
請參照第3圖，其所繪示為上述第一實施例的實際範例。當接收器將基頻信號進行快速傅立葉轉換將基頻信號由時域轉換至頻域後，各個時間點tn-1 、tn 、tn+1 等等皆會收到一個符元。
本發明係計算二個連續的符元的相關性，亦即根據時間點tn-1 以及時間點tn 的二個符元來計算其相關性。當然，也在此領域的技術人員也可以利用其他的二個連續符元，例如時間點tn 以及時間點tn+1 的二個符元，來進行算其相關性。其中，特定信號子載波位置組(A、B、C)為(-5，-2，+5)。
當計算二個符元的相關性後，將會產生對應於子載波的19個相關性複數值(Y-9 ~Y9 )。在忽略雜訊以及通道增益為相同的情況下，二個符元中第k個子載波上的相關性複 數值即為：其中：Rn,k 以及Rn-1,k 代表第n個以及第n-1個符元之中第k個子載波上的信號大小。
Xn,k 以及Xn-1,k 代表第n個以及第n-1個符元之中第k個子載波上的資料大小。
Hn,k 以及Hn-1,k 代表第n個以及第n-1個符元之中第k個子載波上的通道增益(channel gain)。
所以，；。其中，θn,k 以及θn-1,k 係由細頻率偏補(fine frequency offset)所造成。
計算二個符元的相關性後，相較於資料信號的大小，TMCC信號以及AC信號的子載波上將會在實部產生較大的大小。因為根據ISDB-T系統標準，TMCC信號以及AC信號係為可為正值或者負值、僅具備實部的複數，而其他的資料信號皆為同時具有實部與虛部的複數。再者，TMCC信號以及AC信號的大小大於其他資料信號的大小。因此，忽略相關性複數值(Y-9 ~Y9 )的實部符號，僅擷取相關性複數值(Y-9 ~Y9 )的實部大小，並進行運算來獲得計算數值。
假設特定信號子載波位置組為(A，B，C)，並且提供五個候選頻率偏補，例如為-2、-1、0、+1、+2五個候選頻率偏補。根據第1圖可知，特定信號子載波位置組(A，B，C)即為(-5、-2、+5)。當然，在此領域的技術人員也可 以提供更多的候選頻率偏補來進行，其估計方式相同，不再贅述。
因此，第一候選子載波位置組即設定為(A-2、B-2、C-2)，亦即(-7、-4、+3)；第二候選子載波位置組即設定為(A-1、B-1、C-1)，亦即(-6、-3、+4)；第三候選子載波位置組即設定為(A、B、C)，亦即(-5、-2、+5)；第四候選子載波位置組即設定為(A+1、B+1、C+1)，亦即(-4、-1、+6)；以及第五候選子載波位置組即設定為(A+2、B+2、C+2)，亦即(-3、0、+7)。
根據上述五個候選子載波位置組所對應的相關性複數值，並加總其實部大小後將獲得五個計算數值(V1 ~V5 )。
V 1=|Re(Y -7 )|+|Re(Y -4 )|+|Re(Y +3 )|
V 2=|Re(Y -6 )|+|Re(Y -3 )|+|Re(Y +4 )|
V 3=|Re(Y -5 )|+|Re(Y -2 )|+|Re(Y +5 )|
V 4=|Re(Y -4 )|+|Re(Y -1 )|+|Re(Y +6 )|
V 5=|Re(Y -3 )|+|Re(Y 0 )|+|Re(Y +7 )|
由於TMCC信號以及AC信號的實部大小大於資料信號，因此選取五個計算數值中的最大計算數值，即可確定該最大計數值所對應的候選頻率偏補即為頻率偏補。
舉例來說，假設比較五個計算數值後，第四計算數值(V4)為最大值。因此，第四候選頻率偏補(+1)即為本發明所欲決定的頻率偏補。換句話說，接收器即可調整本地震盪器增加一個子載波的頻率間隔即可補償頻率偏補。
請參照第4圖其所繪示為本發明頻率偏補的估計裝置。其包括：一快速傅立葉轉換(FFT)單元302、緩衝單元304、共軛乘法單元306、大小擷取單元308、儲存單元310、 處理單元312。
首先，FFT單元將基頻信號進行快速傅立葉轉換，並將基頻信號由時域轉換至頻域後，會依序產生多個符元輸入緩衝單元304以及共軛乘法單元306。
共軛乘法單元306係計算二個連續的符元的相關性，亦即收到的符元(current symbol)以及先前儲存緩衝單元304中前一個符元(previous symbol)進行共軛乘法後產生多個相關性複數值。
大小擷取單元308，擷取所有相關性複數值中的實部大小，並儲存於儲存單元310。亦即，大小擷取單元308忽略相關性複數值的實部符號、虛部符號、以及虛部大小，僅輸出相關性複數值的實部大小。
處理單元312係根據已知的特定信號子載波位置組以及M個候選頻率偏補，產生M個候選子載波位置組。並且，根據M個候選子載波位置組來讀取儲存單元310中對應的數值並進行加總，進而產生M計算數值。並且，根據其中的一最大計算數值來決定頻率偏補。
為了能夠更提高頻率偏補的正確性，本發明提出如第5圖所示之頻率偏補的估計方法第二實施例。與第一實施例的差異僅在於步驟S208中計算數值的算法。而其他的步驟S202、S204、S206、S210、S212、S214與第一實施例完全相同。
根據本發明的第二實施例，其係根據第一候選子載波位置組所對應的多個相關性複數值，加總其實部大小減去虛部大小後的結果並獲得第一計算數值(步驟S208)。同 理，提供第二個至第M個候選頻率偏補時，也是以相同的方法來獲得第二個至第M個計算數值。
同理，如第6圖所示，假設特定信號子載波位置組為(A，B，C)，並且提供五個候選頻率偏補，例如為-2、-1、0、+1、+2五個候選頻率偏補。根據第1圖可知，特定信號子載波位置組(A，B，C)即為(-5、-2、+5)。
因此，第一候選子載波位置組即設定為(A-2、B-2、C-2)，亦即(-7、-4、+3)；第二候選子載波位置組即設定為(A-1、B-1、C-1)，亦即(-6、-3、+4)；第三候選子載波位置組即設定為(A、B、C)，亦即(-5、-2、+5)；第四候選子載波位置組即設定為(A+1、B+1、C+1)，亦即(-4、-1、+6)；以及第五候選子載波位置組即設定為(A+2、B+2、C+2)，亦即(-3、0、+7)。
根據上述五個候選子載波位置組所對應的相關性複數值，並加總其實部大小後將獲得五個計算數值(V1 ~V5 )。
V 1=|Re(Y -7 )|-|Im(Y -7 )|+|Re(Y -4 )|-|Im(Y -4 )|+|Re(Y +3 )|-|Im(Y +3 )|
V 1=|Re(Y -6 )|-|Im(Y -6 )|+|Re(Y -3 )|-|Im(Y -3 )|+|Re(Y +4 )|-|Im(Y +4 )|
V 1=|Re(Y -5 )|-|Im(Y -5 )|+|Re(Y -2 )|-|Im(Y -2 )|+|Re(Y +5 )|-|Im(Y +5 )|
V 1=|Re(Y -4 )|-|Im(Y -4 )|+|Re(Y -1 )|-|Im(Y -1 )|+|Re(Y +6 )|-|Im(Y +6 )|
V 1=|Re(Y -3 )|-|Im(Y -3 )|+|Re(Y 0 )|-|Im(Y 0 )|+|Re(Y +7 )|-|Im(Y +7 )|
由於TMCC信號以及AC信號的實部大小大於資料信號，因此選取五個計算數值中的最大計算數值，即可確定該最大計數值所對應的候選頻率偏補即為頻率偏補。
舉例來說，假設比較五個計算數值後，第一計算數值(V1)為最大值。因此，第一候選頻率偏補(-2)即為本發明所欲決定的頻率偏補。換句話說，接收器即可調整本地震 盪器減少二子載波的頻率間隔即可補償頻率偏補。
同理，利用第4圖其所繪示的頻率偏補的估計裝置來達成第二實施例。其中，大小擷取單元308，擷取所有相關性複數值中的實部大小以及虛部大小，並儲存於儲存單元310。也就是說，相較於第一實施例，大小擷取單元308忽略相關性複數值的實部符號、以及虛部符號，並輸出相關性複數值的實部大小以及虛部大小。
再者，處理單元312係根據已知的特定信號子載波位置組以及M個候選頻率偏補，產生M個候選子載波位置組。並且，根據M個候選子載波位置組來讀取儲存單元310中對應的實部大小減去虛部大小後的結果並進行加總，進而產生M計算數值。並且，根據其中的一最大計算數值來決定頻率偏補。
相較於ISDB-T系統的TMCC信號以及AC信號，由於DVB-T系統中的CP信號已確定為非時變的實部。亦即，在DVB-T標準中已規範CP信號所在的子載頻位置，因此子載頻位置的集合即可定義為特定信號子載波位置組。換句話說，在DVB-T系統下，也可以利用第2圖或者第5圖來獲得頻率偏補。使得在DVB-T系統之下，也可以利用本發明的第一實施例以及第二實施例而準確的獲得頻率偏補。
由上述說明可知，本發明的優點是提出一種通用於DVB-T系統以及ISDB-T系統的頻率偏補估計方法與相關裝置。本發明的特徵係在進行加總之前需先將相關性複數值中的實部符號以及虛部符號忽略，僅利用相關性複數值 的實部大小，或者實部大小減去虛部大小的結果來獲得頻率偏補估計。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。
S102~S114‧‧‧步驟流程
S202~S214‧‧‧步驟流程
302‧‧‧FFT單元
304‧‧‧緩衝單元
306‧‧‧共軛乘法單元
308‧‧‧大小擷取單元
310‧‧‧儲存單元
312‧‧‧處理單元
第1為OFDM調變信號示意圖。
第2圖為本發明頻率偏補的估計方法流程圖第一實施例。
第3圖為第一實施例的估計範例。
第4圖為本發明頻率偏補的估計裝置。
第5圖為本發明頻率偏補的估計方法流程圖第二實施例。
第6圖為第二實施例的估計範例。
S102~S114‧‧‧步驟流程

Claims (11)

  1. 一種多載波通信系統的頻率估計方法，包括下列步驟：將一接收信號由一時域轉換為一頻域，並產生複數個符元；計算該些符元中二個符元的一相關性，並獲得複數個子載波相對應的相關性複數值；根據一特定信號子載波位置組以及M個候選頻率偏補來據以產生M個候選子載波位置組；根據該些M個候選子載波位置組所對應的相關性複數值，計算出M個計算數值；以及根據該些M個計算數值中的一最大計算數值來決定一頻率偏補。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頻率估計方法，其中，該特定信號子載波位置組係為一傳輸與多工組態控制信號載波位置組，一輔助通道信號載波位置組，或者一連續引示信號載波位置組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之頻率估計方法，其中，計算連續二個符元的該相關性，係將該二個符元進行一共軛乘法後獲得該些子載波相對應的相關性複數值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之頻率估計方法，其中，計算M個計算數值步驟更包括下列步驟： 提供一第一候選頻率偏補，根據該特定信號子載波位置組決定一第一候選子載波位置組；以及根據第一候選子載波位置組所對應的多個相關性複數值，加總其實部大小並獲得一第一計算數值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之頻率估計方法，其中，計算M個計算數值步驟更包括下列步驟：提供一第一候選頻率偏補，根據該特定信號子載波位置組決定一第一候選子載波位置組；以及根據第一候選子載波位置組所對應的多個相關性複數值，加總其實部大小減去虛部大小後的結果並獲得一第一計算數值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之頻率估計方法，其中，當提供一第m候選頻率偏補及其對應的一第m候選子載波位置組所求得的一第m計算數值為該最大計算數值時，該第m候選頻率偏補為該頻率偏補。
  7. 一種多載波通信系統的頻率估計裝置，包括：一快速傅立葉轉換單元，將一接收信號由一時域轉換為一頻域，並產生複數個符元；一緩衝單元，接收該些符元；一共軛乘法單元，接收該快速傅立葉轉換單元所輸出的一現在符元以及該儲存緩衝單元所輸出的一前一個符元，並進行一共軛乘法以產生多個相關性複數值； 一大小擷取單元，擷取該些相關性複數值中的實部大小；一儲存單元，儲存該些相關性複數值中的實部大小；以及一處理單元，根據一特定信號子載波位置組以及M個候選頻率偏補來據以產生M個候選子載波位置組，並且根據該些M個候選子載波位置組所對應的相關性複數值，計算出M個計算數值；以及，根據該些M個計算數值中的一最大計算數值來決定一頻率偏補。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之頻率估計裝置，其中，該特定信號子載波位置組係為一傳輸與多工組態控制信號載波位置組，一輔助通道信號載波位置組，或者一連續引示信號載波位置組。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之頻率估計裝置，其中，該處理單元計算M個計算數值係至少包括下列步驟：根據一第一候選頻率偏補，以及該特定信號子載波位置組決定一第一候選子載波位置組；以及根據第一候選子載波位置組所對應的多個相關性複數值，加總其實部大小並獲得一第一計算數值。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之頻率估計裝置，其中，該大小擷取單元，更擷取該些相關性複數值中的虛部大小並儲存於該儲存單元，且該處理單元計算M個計算數 值係至少包括下列步驟：提供一第一候選頻率偏補，根據該特定信號子載波位置組決定一第一候選子載波位置組；以及根據第一候選子載波位置組所對應的多個相關性複數值，加總其實部大小減去虛部大小後的結果並獲得一第一計算數值。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之頻率估計裝置，其中，當提供一第m候選頻率偏補及其對應的一第m候選子載波位置組所求得的一第m計算數值為該最大計算數值時，該處理單元決定該第m候選頻率偏補為該頻率偏補。
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