TWI491260B - 符號率偵測裝置及符號率偵測方法 - Google Patents

Description

符號率偵測裝置及符號率偵測方法

本發明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符號率的技術相關。

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)並非定值，而可為0到45兆赫茲間之一任意值，其可能範圍相當廣。由於接收端無法預先得知傳送端所選擇的載波頻道和符號率，接收端通常必須掃描所有的頻道和符號率範圍，隨後才能正確地將接收到的信號解碼還原。然而，令接收端針對所有參數組合逐一掃描會耗費大量時間，就效率和功率而言都不是理想的技術方案。

為滿足數位電視廣播系統中判定符號率的需求，本發明提出一種符號率偵測裝置及符號率偵測方法，除了能找出目前接收到的電視廣播信號之符號率外，亦可用以判別該電視廣播信號是否為有效。

根據本發明之一具體實施例為一種符號率偵測裝置，其中包含類比-數位轉換器、概略偵測模組、混波器、降低取樣模組及精確偵測模組。類比-數位轉換器以一原始取樣頻率取樣一類比輸入信號以產生一數位輸入信號。概略偵測模組根據該數位輸入信號估計一載波頻率偏移及一概略符號率。混波器根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號。精確偵測模組根據該頻率補償後信號決定一精確符號率。

根據本發明之另一具體實施例為一種符號率偵測方法。以一原始取樣頻率取樣一類比輸入信號以產生一數位輸入信號。根據該數位輸入信號，估計一載波頻率偏移及一概略符號率。根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，產生一頻率補償後信號。根據該頻率補償後信號決定一精確符號率。

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。

根據本發明之一具體實施例為如圖一所示之符號率偵測裝置100，其中包含類比-數位轉換器11、概略偵測模組12、混波器13、降低取樣(down-sampling)模組14及精確偵測模組15。於實際應用中，符號率偵測裝置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。

類比-數位轉換器11係用以接收一類比輸入信號，並以一原始取樣頻率F₀ 將該類比輸入信號轉換為一數位輸入信號。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，原始取樣頻率F₀ 可能為96兆赫，略高於最大符號率的兩倍，但不以此為限。

概略偵測模組12負責根據類比-數位轉換器11產生的數位輸入信號估計一載波頻率偏移(carrier frequency offset,CFO)及一概略符號率SR_C 。圖二(A)所繪示者為概略偵測模組12的一種詳細實施範例。此範例中的概略偵測模組12包含頻譜產生單元12A、門檻值決定單元12B和控制單元12C。頻譜產生單元12A係用以分析該數位輸入信號，以產生一輸入信號頻譜。實務上，頻譜產生單元12A可將數位輸入信號分為多個區段(例如32段或64段)後個別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。此處每一區段進行快速傅利葉轉換之運算點數係完全相同，並與後續載波頻率偏移CFO之運算相關。圖二(B)為一疊加產生的範例。

門檻值決定單元12B係用以判斷該輸入信號頻譜中之一最大能量max及一最小能量min，並根據該最大能量max及該最小能量min決定一門檻值TH。舉例而言，該門檻值可為最大能量max及最小能量min之平均值。圖二(B)中亦繪示有最大能量max、最小能量min及門檻值TH的範例。在沒有雜訊的理想情況下，最小能量min應大致為零，門檻值TH會正好為最大能量max之一半。也就是說，在理想情況下，若以聲功率位準(dB)為單位表示該輸入信號頻譜，門檻值TH會出現在低於最大能量max約3dB之處。

於一實施例中，門檻值決定單元12B於決定最大能量max時不考慮該輸入信號頻譜中之一鄰近直流範圍(例如以虛線框標示之區域24)，藉此避免該區域中可能出現的異常直流成分使門檻值決定單元12B誤判最大能量max。

門檻值決定單元12B會將門檻值TH提供給控制單元12C參考。控制單元12C係根據該輸入信號頻譜與門檻值TH的兩相交點X、Y決定載波頻率偏移CFO及概略符號率SR_C 。於一實施例中，控制單元12C採用兩相交點X、Y之頻率平均值減去一中心頻率做為載波頻率偏移CFO，且以兩相交點X、Y之頻率差異值為概略符號率SR_C 。該中心頻率為前述快速傅利葉轉換之運算點數的一半。

如圖二(C)所示，於一實施例中，概略偵測模組12進一步包含一移動平均(moving average)單元12D，在門檻值決定單元12B判斷該最大能量及該最小能量之前，可由移動平均單元12D先針對該輸入信號頻譜進行至少一移動平均程序，使該輸入信號頻譜被平滑化，藉此減少雜訊造成的誤判。

於一實施例中，針對不同的需要，移動平均單元12D對該輸入信號頻譜施以多次參數設定不同的移動平均程序。舉例而言，移動平均單元12D可對該輸入信號頻譜進行一第一移動平均程序，以產生一第一平滑頻譜，供門檻值決定單元12B判斷該最大能量。移動平均單元12D另外對該輸入信號頻譜進行一第二移動平均程序，以產生一第二平滑頻譜，供門檻值決定單元12B判斷該最小能量。移動平均單元12D對該輸入信號頻譜進行一第三移動平均程序，以產生一第三平滑頻譜，供控制單元12C判斷相交點X、Y的頻率。上述三次的移動平均程序之各自採用之平均範圍不同。舉例而言，用以決定最大能量及最小能量時可採用較大之平均範圍，以得到較準確的值。判斷相交點時，可採用較小的平均值。因為當符號率小時，採用太大的平均範圍可能會改變相交點的位置。另外，決定最大能量所用的平均範圍原則上會小於決定最小能量所用的平均範圍，因為基本上決定最大能量所用的平均範圍不應大於其符號率。

此外，門檻值決定單元12B亦可根據最大能量max及最小能量min之差異判斷該類比輸入信號是否為有效(正確的信號)。舉例而言，若最大能量max除以最小能量min的比值小於一特定數值，表示符號率偵測裝置100目前收到的類比輸入信號很可能不是正確的數位電視信號。若該類比輸入信號為無效，則控制單元12C可不再繼續判斷載波頻率偏移CFO及概略符號率SR_C ，避免無謂的電力消耗。實務上，若目前的類比輸入信號被判定為無效，符號率偵測裝置100可令前端的射頻電路改接收另一個頻道的信號。

混波器13係用以根據概略偵測模組12產生的載波頻率偏移CFO調整該數位輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號。更明確地說，數位輸入信號的中心頻率會因此被調整至更符合後續降低取樣電路和濾波器預設的中心處理頻率(例如中心頻率為零的直流頻段)。

本實施例更包含降低取樣模組14，其負責根據概略符號率SR_C 及原始取樣頻率F₀ 決定一降低取樣比例d，並根據降低取樣比例d為該偏移後信號降低取樣，以產生一降低取樣後信號。精確偵測模組15將根據該降低取樣後信號決定一精確符號率SR_F 。實施降低取樣的一個原因在於，由於欲求得的符號率變動的範圍相當廣(例如DVB-S以及DVB-S2規範中符號率的範圍為0到45兆赫)，因此，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，以使得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。

根據本發明之降低取樣模組14係根據概略符號率SR_C 及原始取樣頻率F₀ 決定降低後的取樣頻率F_D 。於一實施例中，降低取樣模組14係根據下列方程式決定降低取樣比例d：

其中F₀ 代表原始取樣頻率，SR_C 代表概略符號率，m則代表一取樣倍率。取樣倍率m的較佳範圍在2到4之間，例如等於2.5。更明確地說，取樣頻率F_D 的下限被設定為概略符號率SR_C 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和取樣頻率F_D ，並據此為偏移後信號降低取樣。實務上，降低取樣模組14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。降低取樣模組14可被設計為由1、2、4、8、16等2的整數次方中選出最接近的一個數值做為降低取樣比例d。

如圖三(A)所示，於一實施例中，精確偵測模組15包含一頻譜產生單元15A與一峰值偵測單元15B。頻譜產生單元15A係用以對該降低取樣後信號的絕對值平方進行快速傅利葉轉換，以產生一精確頻譜。實務上，頻譜產生單元15A可對該降低取樣後信號的絕對值平方進行快速傅利葉轉換，再根據轉換結果之絕對值平方產生該精確頻譜。峰值偵測單元15B係用以判斷該精確頻譜中之一峰值位置，並根據該峰值位置決定精確符號率SR_F 。圖三(B)為一精確頻譜範例。

實務上，頻譜產生單元15A在進行快速傅利葉轉換之前，可先估計並移除信號的絕對值平方中的直流偏移(DC offset)，以避免計算過程出現溢位(overflow)問題。此外，峰值偵測單元15B在尋找頻譜峰值時亦可排除直流頻段，以避免誤判。

假設頻譜產生單元15A所執行之快速傅利葉轉換的運算點數為N，峰值出現的位置對應於橫軸座標C，而該降低取樣後信號所對應的取樣頻率為F_D 。該頻譜的橫軸座標為0到(N-1)。在判定橫軸座標C之後，峰值偵測單元15B可根據下列方程式計算精確符號率SR_F ：

精確符號率SR_F 的精確度會受到快速傅利葉轉換之運算點數N的限制。運算點數N愈大，峰值偵測單元15B能計算出的精確符號率SR_F 愈精準，但頻譜產生單元15A的硬體成本也會隨之上升。

雖然在峰值偵測單元15B進行上述計算前，精確符號率SR_F 為未知數，但精確符號率SR_F 實際上為定值。由以上關係式可看出，在運算點數N固定的情況下，降低後取樣頻率F_D 愈小，座標C就會愈大。舉例而言，假設取樣頻率F_D 為24兆赫時，峰值偵測單元15B找出精確頻譜中的峰值出現在橫軸座標201(也就是C等於201)。可推論的是，若取樣頻率F_D 為48兆赫，該峰值位置會出現在接近橫軸座標為100之處。由於該精確頻譜的橫軸座標通常為整數(峰值偵測單元15B找出的橫軸座標C不會有小數點)，取樣頻率F_D 較低的情況，峰值位置的精確度較高。易言之，毋須提高運算點數N，適當選擇較低的取樣頻率F_D 即能找出較正確的精確符號率SR_F 。

此外，如圖四所示，另一實施例中符號率偵測裝置100還可進一步包含一低通濾波器16，耦接於降低取樣模組14與精確偵測模組15之間，用以濾除降低取樣後信號中之高頻雜訊。於實際應用中，概略偵測模組12所產生的概略符號率SR_C 也可被提供至低通濾波器16，用以設定其中的參數，以求最小化鄰近頻段和雜訊的干擾。

此外，前述頻譜產生單元12A和頻譜產生單元15A實際上可為同一裝置，也就是令概略偵測模組12和精確偵測模組15共用產生頻譜的硬體。

根據本發明之另一實施例為一符號率偵測方法，其流程圖如圖五所示。首先，步驟S51為以一原始取樣頻率將一類比輸入信號轉換為一數位輸入信號。接著，步驟S52為根據該數位輸入信號估計一載波頻率偏移及一概略符號率。步驟S53為根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，以產生一偏移後信號。步驟S54為根據該概略符號率及該原始取樣頻率決定一降低取樣比例。隨後，步驟S55為根據該降低取樣比例為該偏移後信號降低取樣，以產生一降低取樣後信號。步驟S56則是根據該降低取樣後信號決定一精確符號率。

如圖六所示，步驟S52可包含四個子步驟。步驟S52A為分析該數位輸入信號，以產生一輸入信號頻譜。步驟S52B則是判斷該輸入信號頻譜中之一最大能量及一最小能量。步驟S52C為根據該最大能量及該最小能量決定一門檻值。接著，步驟S52D為根據該輸入信號頻譜與該門檻值之兩相交點決定該載波頻率偏移及該概略符號率。

此外，如圖七所示，步驟S52可進一步包含一判斷步驟S52E，用以根據該最大能量及該最小能量之差異判斷該類比輸入信號是否為有效。如果步驟S52E的判斷結果為否，此處理程序將被結束。相對地，若步驟S52E的判斷結果為是，隨後的其他步驟被繼續執行。

須說明的是，先前在介紹符號率偵測裝置100時描述的數種電路操作流程變化，亦可應用至圖五、圖六、圖七所繪示的符號率偵測方法中，其細節不再贅述。

如上所述，為滿足數位電視廣播系統中判定符號率的需求，本發明實施例提出一種符號率偵測裝置及符號率偵測方法，除了找出目前接收到的電視廣播信號之符號率外，亦可用以判別該電視廣播信號是否為有效。

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．．．符號率偵測裝置

11．．．類比-數位轉換器

12．．．概略偵測模組

13．．．混波器

14．．．降低取樣模組

15．．．精確偵測模組

16．．．低通濾波器

12A．．．頻譜產生單元

12B．．．門檻值決定單元

12C．．．控制單元

12D．．．移動平均單元

24．．．鄰近直流範圍

15A．．．頻譜產生單元

15B．．．峰值偵測單元

S51~S56．．．流程步驟

圖一為根據本發明之一具體實施例中的符號率偵測裝置之電路方塊圖。

圖二(A)為根據本發明之概略偵測模組的詳細實施範例；

圖二(B)為輸入信號頻譜範例；圖二(C)為概略偵測模組包含移動平均單元的範例。

圖三(A)為根據本發明之精確偵測模組的詳細實施範例；圖三(B)為一精確頻譜範例。

圖四係繪示根據本發明之符號率偵測裝置進一步包含低通濾波器的實施例。

圖五~圖七為根據本發明之具體實施例中的符號率偵測方法流程圖。

100．．．符號率偵測裝置

11．．．類比-數位轉換器

12．．．概略偵測模組

13．．．混波器

14．．．降低取樣模組

15．．．精確偵測模組

Claims (23)

1. 一種符號率偵測裝置，包含：一類比-數位轉換器，用以接收一類比輸入信號，並以一原始取樣頻率取樣該類比輸入信號以產生一數位輸入信號；一概略偵測模組，用以接收該數位輸入信號，並根據該數位輸入信號估計一載波頻率偏移，其中該概略偵測模組包含：一頻譜產生單元，用以分析該數位輸入信號，以產生一輸入信號頻譜；一門檻值決定單元，用以判斷該輸入信號頻譜中之一最大能量及一最小能量，並根據該最大能量及該最小能量之差異判斷該類比輸入信號是否為有效；若判斷為無效，則停止對該數位輸入信號估計該載波頻率偏移；一混波器，耦接於該概略偵測模組及該類比-數位轉換器，用以根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號；以及一精確偵測模組，用以根據該頻率補償後信號決定一精確符號率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之符號率偵測裝置，該概略偵測模組更根據該數位輸入信號估計一概略符號率，該符號率偵測裝置更包含：一降低取樣模組，用以根據該概略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自該混波器接收之該頻率補償後信號，以更新該頻率補償後信號 並提供至該精確偵測模組；其中該降低取樣模組係根據下列方程式決定該降低取樣比例： 其中d代表該降低取樣比例，F₀ 代表該原始取樣頻率，SR_C 代表該概略符號率，m代表一預設取樣倍率。
3. 如申請專利範圍第2項所述之符號率偵測裝置，其中該預設取樣倍率的範圍在2到4之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之符號率偵測裝置，其中該概略偵測模組包含：一控制單元，用以根據該輸入信號頻譜與一門檻值之複數相交點決定該載波頻率偏移及該概略符號率，其中該門檻值由該門檻值決定單元根據該最大能量及該最小能量決定。
5. 如申請專利範圍第4項所述之符號率偵測裝置，其中該門檻值決定單元於決定該最大能量及該最小能量時僅考慮該輸入信號頻譜中之部份範圍。
6. 如申請專利範圍第4項所述之符號率偵測裝置，其中該概略偵測模組進一步包含：一移動平均單元，在該門檻值決定單元判斷該最大能量及該最小能量之前，該移動平均單元針對該輸入信號頻譜進行至少一移動平均程序，以平滑化該輸入信號頻譜。
7. 如申請專利範圍第6項所述之符號率偵測裝置，其中該移動平均單元對該輸入信號頻譜進行一第一移動平均程序，以產生 一第一平滑頻譜，供該門檻值決定單元判斷該最大能量；該移動平均單元對該輸入信號頻譜進行一第二移動平均程序，以產生一第二平滑頻譜，供該門檻值決定單元判斷該最小能量；該移動平均單元對該輸入信號頻譜進行一第三移動平均程序，以產生一第三平滑頻譜，供該控制單元判斷該複數相交點；該第一移動平均程序、第二移動平均程序及第三移動平均程序之各自採用之平均範圍不同。
8. 如申請專利範圍第4項所述之符號率偵測裝置，其中該門檻值決定單元更根據該最大能量及該最小能量之差異判斷該類比輸入信號是否為一有效信號；若該類比輸入信號不屬於該有效信號，該控制單元不再繼續決定該載波頻率偏移及該概略符號率。
9. 如申請專利範圍第1項所述之符號率偵測裝置，進一步包含：一低通濾波器，耦接於該降低取樣模組與該精確偵測模組之間，用以濾除該降低取樣後信號中之高頻雜訊。
10. 如申請專利範圍第1項所述之符號率偵測裝置，其中該降低取樣模組包含一四階去頻疊濾波器(anti-aliasing filter)。
11. 如申請專利範圍第1項所述之符號率偵測裝置，其中該精確偵測模組包含：一頻譜產生單元，用以分析該降低取樣後信號，以產生一精確頻譜；以及一峰值偵測單元，用以判斷該精確頻譜中之一峰值位置，並根據該峰值位置決定該精確符號率。
12. 一種符號率偵測方法，包含：(a)利用一原始取樣頻率取樣一類比輸入信號以產生一數 位輸入信號；(b)根據該數位輸入信號估計一載波頻率偏移；其中步驟(b)包含：(b1)分析該數位輸入信號，以產生一輸入信號頻譜；(b2)判斷該輸入信號頻譜中之一最大能量及一最小能量，並根據該最大能量及該最小能量之差異判斷該類比輸入信號是否為有效；若判斷為無效，則停止對該數位輸入信號估計該載波頻率偏移；(c)根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號；以及(d)根據該頻率補償後信號決定一精確符號率。
13. 如申請專利範圍第12項所述之符號率偵測方法，步驟(b)更包含根據該數位輸入信號估計一概略符號率，該符號率偵測方法更包含於步驟(c)及步驟(d)之間，根據該概略符號率及該原始取樣頻率決定一降低取樣比例，以及根據該降低取樣比例降低取樣該頻率補償後信號，以更新該頻率補償後信號；該降低取樣比例係根據下列方程式決定： 其中d代表該降低取樣比例，F₀ 代表該原始取樣頻率，SR_C 代表該概略符號率，m代表一預設取樣倍率。
14. 如申請專利範圍第13項所述之符號率偵測方法，其中該取樣倍率的範圍在2到4之間。
15. 如申請專利範圍第12項所述之符號率偵測方法，其中步驟(b)包含：(b3)根據該輸入信號頻譜與該門檻值之複數相交點決定該 載波頻率偏移及該概略符號率，其中該門檻值根據該最大能量及該最小能量決定。
16. 如申請專利範圍第15項所述之符號率偵測方法，其中於決定該最大能量及該最小能量時，僅考慮該輸入信號頻譜中之部份範圍。
17. 如申請專利範圍第15項所述之符號率偵測方法，其中步驟(b)於步驟(b1)和步驟(b2)之間進一步包含：(b4)針對該輸入信號頻譜進行至少一移動平均程序，以平滑化該輸入信號頻譜。
18. 如申請專利範圍第17項所述之符號率偵測方法，其中步驟(b4)包含：對該輸入信號頻譜進行一第一移動平均程序，以產生一第一平滑頻譜，供步驟(b2)中判斷該最大能量時使用；對該輸入信號頻譜進行一第二移動平均程序，以產生一第二平滑頻譜，供步驟(b2)中判斷該最小能量時使用；以及對該輸入信號頻譜進行一第三移動平均程序，以產生一第三平滑頻譜，供步驟(b3)中判斷該複數相交點時使用；其中該第一移動平均程序、第二移動平均程序及第三移動平均程序之各自採用之平均範圍不同。
19. 如申請專利範圍第15項所述之符號率偵測方法，更包含：根據該最大能量及該最小能量之差異判斷該類比輸入信號是否為一有效信號。
20. 如申請專利範圍第12項所述之符號率偵測方法，更包含：以一低通濾波程序濾除該降低取樣後信號中之高頻雜訊。
21. 如申請專利範圍第12項所述之符號率偵測方法，其中步驟(d)包含：(d1)分析該降低取樣後信號，以產生一精確頻譜；以及(d2)判斷該精確頻譜中之一峰值位置，並根據該峰值位置決定該精確符號率。
22. 一種符號率偵測裝置，包含：一類比-數位轉換器，用以接收一類比輸入信號，並以一原始取樣頻率取樣該類比輸入信號以產生一數位輸入信號；一概略偵測模組，用以接收該數位輸入信號，並根據該數位輸入信號估計一載波頻率偏移；一混波器，耦接於該概略偵測模組及該類比-數位轉換器，用以根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號；以及一精確偵測模組，用以根據該頻率補償後信號決定一精確符號率；其中該概略偵測模組包含：一頻譜產生單元，用以分析該數位輸入信號，以產生一輸入信號頻譜；一門檻值決定單元，用以判斷該輸入信號頻譜中之一最大能量及一最小能量，並根據該最大能量及該最小能量決定一門檻值；以及一控制單元，用以根據該輸入信號頻譜與該門檻值之複數相交點決定該載波頻率偏移及該概略符號率，其中該門檻值為該最大能量及該最小能量之平均值，該複數相交點其中之二之頻率平均值與一中心頻率 之差異為該載波頻率偏移，且該二相交點之頻率差異值為該概略符號率。
23. 一種符號率偵測方法，包含：(a)利用一原始取樣頻率取樣一類比輸入信號以產生一數位輸入信號；(b)根據該數位輸入信號估計一載波頻率偏移；(c)根據該載波頻率偏移調整該數位輸入信號之頻率，以產生一頻率補償後信號；以及(d)根據該頻率補償後信號決定一精確符號率；其中步驟(b)包含：(b1)分析該數位輸入信號，以產生一輸入信號頻譜；(b2)判斷該輸入信號頻譜中之一最大能量及一最小能量，並根據該最大能量及該最小能量決定一門檻值；以及(b3)根據該輸入信號頻譜與該門檻值之複數相交點決定該載波頻率偏移及該概略符號率；其中該門檻值為該最大能量及該最小能量之平均值，該複數相交點其中之二之頻率平均值為該載波頻率偏移，且該二相交點之頻率差異值為該概略符號率。