TWI513227B - 用於估計頻道響應之裝置及方法 - Google Patents

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Description

用於估計頻道響應之裝置及方法
本發明與數位信號廣播技術相關，且尤其相關於如何估計綜合服務數位地面廣播(integrated services digital broadcasting-terrestrial,ISDB-T)信號之頻道響應(channel effect)。
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。綜合服務數位地面廣播(ISDB-T)便是目前該領域中被廣泛採用的標準之一。無線信號在傳遞過程中難免會受到其傳輸環境的影響及干擾。ISDB-T接收端必須評估出相對應的頻道響應，進而消除頻道響應對信號內容的影響，始能正確解讀接收到的資料。
ISDB-T信號中的每個資料框(frame)各自包含204個正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)符號(symbol)，而每個符號又各自包含多個副載波(subcarrier)承載的內容位元。圖一為ISDB-T之信號內容配置範例，其橫軸為頻率，縱軸為符號編號(編號愈大者之發送時間愈晚)。如圖一所示，頻率指標為3的倍數(例如0、3、6、9、...)之副載波每隔四個符號會承載一個分散引導信號(scatter pilot,SP)。
由於上述分散引導信號之原始內容為接收端已知，因此可做為接收端判定頻道響應的依據。舉例而言，ISDB-T接收端可先找出時間指標為0、頻率指標為0的分散引導信號之頻域 頻道響應H(t =0,f =0) ，以及時間指標為4、頻率指標為0的分散引導信號之頻域頻道響應H(t =4,f =0) 。隨後，ISDB-T接收端可利用時域內插(time-domain interpolation)決定位於H(t =0,f =0) 和H(t =4,f =0) 之間的頻域頻道響應H(t =1,f =0) 、H(t =2,f =0) 、H(t =3,f =0) 。相似地，ISDB-T接收端可利用H(t =1,f =3) 和H(t =5,f =3) 內插出位於兩者之間的H(t =2,f =3) 、H(t =3,f =3) 、H(t =4,f =3) 。
一般而言，ISDB-T接收端係依據時間間隔的比例決定時域內插係數，例如令H(t =1,f =0) =H(t =0,f =0) ＊ 0.25+H(t =4,f =0) ＊ 0.75，也就是令對應於H(t =1,f =0) 的時域內插係數為0.25和0.75。依此類推，H(t =2,f =0) =H(t =0,f =0) ＊ 0.5+H(t =4,f =0) ＊ 0.5，而H(t =3,f =0) =H(t =0,f =0) ＊ 0.75+H(t =4,f =0) ＊ 0.25。在頻道響應會隨著時間演進而快速變動的情況下(例如於存在杜卜勒效應的傳播環境中)，這種選擇時域內插係數的方式很容易產生錯誤的內插結果。
為解決上述問題，本發明提出新的頻道響應估計裝置及頻道響應估計方法。藉由利用維納濾波器(Wiener filter)係數計算程序動態決定時域內插係數，相較於以固定時間間隔比例決定內插係數的先前技術，根據本發明之估計裝置及估計方法能更確實反映頻道響應隨著時間演進而產生的變動。
根據本發明之一具體實施例為一種頻道響應估計裝置，其中包含一接收模組、一估計模組、一係數計算模組及一內插模組。該接收模組係用以接收於一第一時間區段抵達之一第一資料與一第一參考資料、於一第二時間區段抵達之一第二資料與一第二參考資料，以及於一第三時間區段抵達之一第三資料與一第三參考資料。該第一資料、該第二資料與該第三資料係透過一第一副載波傳遞。該第一參考資料、該第二參考資料與該第三參考資料係透過一第二副載波傳遞。該估計模組係用以估計該第一資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料各自對應之一頻道響應。該係數計算模組係用以根據該 第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料所對應之該等頻道響應進行一維納濾波器係數計算程序，以產生一組時域內插係數。該內插模組係用以根據該組時域內插係數，利用該第一資料與該第三資料各自對應之該頻道響應內插產生該第二資料對應之一頻道響應。
根據本發明之另一具體實施例為一頻道響應估計方法。該方法首先執行一接收步驟，接收於一第一時間區段抵達之一第一資料與一第一參考資料、於一第二時間區段抵達之一第二資料與一第二參考資料，以及於一第三時間區段抵達之一第三資料與一第三參考資料。該第一資料、該第二資料與該第三資料係透過一第一副載波傳遞。該第一參考資料、該第二參考資料與該第三參考資料係透過一第二副載波傳遞。接著，該方法執行一估計步驟，估計該第一資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料各自對應之一頻道響應。隨後，該方法執行一計算步驟，根據該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料所對應之該等頻道響應進行一維納濾波器係數計算程序，以產生一組時域內插係數。接著，該方法執行一內插步驟，根據該組時域內插係數，利用該第一資料與該第三資料各自對應之該頻道響應內插產生該第二資料對應之一頻道響應。
透過以下發明詳述及所附圖式，可進一步瞭解本發明的優點與精神。
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：
200‧‧‧頻道響應估計裝置
22‧‧‧接收模組
24‧‧‧估計模組
26‧‧‧係數計算模組
28‧‧‧內插模組
S31~S34‧‧‧流程步驟
圖一為ISDB-T之信號內容配置範例。
圖二為根據本發明之一實施例中的頻道響應估計裝置之功能方塊圖。
圖三為根據本發明之一實施例中的頻道響應估計方法之流 程圖。
根據本發明之一實施例為一頻道響應估計裝置，其功能方塊圖如圖二所示。頻道響應估計裝置200包含接收模組22、估計模組24、係數計算模組26和內插模組28。於實際應用中，頻道響應估計裝置200可被整合在各種ISDB-T無線接收系統內，亦可獨立存在。透過以下說明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，頻道響應估計裝置200的應用領域不限於ISDB-T系統，而是可延伸至各種需要決定頻道響應之時域內插係數的無線接收系統。以下實施例主要以頻道響應估計裝置200係用以配合ISDB-T接收端的情況為例。
首先，接收模組22負責接收並暫存依序抵達ISDB-T接收端的各個符號，其內容如圖一所示，包含承載於多個頻率不同之副載波的資料信號、分散引導信號以及頻率指標為P的傳輸及多工組態控制(transmission and multiplexing configuration control,TMCC)信號。該等符號在時間上具有連續性，符號編號愈小者之抵達時間愈早。TMCC信號用以傳遞調變類型、編碼率、加擾長度、多工方案等資訊，供接收端參考。實務上，隨著ISDB-T傳輸模式的變化，各符號中的TMCC副載波數量也可能有所不同。以下說明假設P為對應於某一TMCC副載波的特定數值。
在這個實施例中，頻道響應估計裝置200利用TMCC信號和分散引導信號做為估計未知頻道響應的依據。更明確地說，頻道響應估計裝置200係利用TMCC信號做為參考信號，決定時域內插係數，再以分散引導信號的頻道響應內插產生資料信號的頻道響應。以決定時間指標為1、頻率指標為0的資料信號之頻域頻道響應H(t =1,f =0) 的情況為例，頻道響應估計裝置200首先利用時間指標分別為0、1、4，而頻率指標為P的三個TMCC信號做為參考信號，決定一組時域內插係數。隨後，頻道響應估計裝置200以分散引導信號已知的頻域頻道響應H(t =0,f =0) 和H(t =4,f =0) 內插產生H(t =1,f =0) 。以下詳述頻道響應估計裝置200的運作方式。
估計模組24負責估計各個分散引導信號和TMCC信號的頻域頻道響應。如先前所述，分散引導信號之原始內容為接收端已知，估計 模組24因此可直接比較已知內容和接收到的內容，以產生其頻域頻道響應。相對地，TMCC信號的原始內容不為接收端所知，估計模組24可先將各個TMCC信號解調、解碼，再評估其頻域頻道響應。由於ISDB-T傳送端係利用差分二元相位偏移調變(differential binary phase shift keying,DBPSK)產生TMCC信號，也就是說，TMCC信號只有+1及-1兩種，TMCC信號之解碼結果正確性因此相當高。相對應地，估計模組24所產生之TMCC信號的頻域頻道響應也具有相當高的可信度。須說明的是，已知信號之頻域頻道響應的決定方式為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，於此不再贅述。
接著，根據估計模組24針對時間指標分別為0、1、4，而頻率指標為P的三個TMCC信號所產生之頻域頻道響應HTMCC0 、HTMCC1 、HTMCC4 ，係數計算模組26進行一維納濾波器(Wiener filter)係數計算程序，以產生一組時域內插係數。維納濾波器係數計算程序的特性之一在於能使估計結果中的錯誤量被最小化。在這個實施例中，係數計算模組26根據下列方程式產生包含於該組時域內插係數中的第一係數W1 與第二係數W2 ：
式一為維納-霍普方程式(Wiener-Hopf equation)的形式之一。
隨後，內插模組28根據該組時域內插係數，利用估計模組24產生的H(t =0,f =0) 和H(t =4,f =0) 內插產生H(t =1,f =0) ，其運算程序可被表示為：
於一實施例中，係數計算模組26可更包含一平滑化單元(未繪示)，用以於產生第一係數W1 與第二係數W2 前，對下列矩陣進行一平滑化程序：
以使該矩陣成為一特普立茲矩陣(Toeplitz matrix)，藉此簡化式一的運算複雜度。舉例而言，該平滑化程序可以是，但不限於，計算矩陣中左上角的元素和右下角的元素之平均值，並以該平均值取代這兩個元素。
若式三中的矩陣被平滑化為特普立茲矩陣，係數計算模組26可相對應地利用一李文森遞歸(Levinson recursion)演算法產生第一係數W1 與第二係數W2 。須說明的是，利用李文森遞歸演算法簡化維納-霍普方程式之解的做法為習知技術，於此不再贅述。
如圖一所示，時間指標為0、頻率指標為0的資料信號和時間指標為0、頻率指標為P的TMCC信號係包含於同一符號中，可被視為同一時間區段送抵ISDB-T接收端。相似地，時間指標為1、頻率指標為0的資料信號和時間指標為1、頻率指標為P的TMCC信號於同一時間區段送抵ISDB-T接收端，而時間指標為4、頻率指標為0的資料信號和時間指標為4、頻率指標為P的TMCC信號於同一時間區段送抵ISDB-T接收端。由於相同時間區段內的頻率響應特性及可能類似，頻道響應估計裝置200係以HTMCC1 相對於HTMCC0 和HTMCC4 的時間關聯性來推估H(t =1,f =0) 相對於H(t =0,f =0) 和H(t =4,f =0) 的時間關聯性。依此類推，根據估計模組24針對時間指標分別為0、2、4，而頻率指標為P的三個TMCC信號所產生之頻域頻道響應，係數計算模組26可進行一維納濾波器係數計算程序，以產生另一組時域內插係數，適於產生時間指標為2、頻率指標為0的資料信號之頻域頻道響應。不同於以固定時間間隔比例決定內插係數的先前技術，頻道響應估計裝置200的做法平均而言能更確實反映頻道響應隨著時間演進而產生的變動。
值得注意的是，雖然在上述實施例中，用以內插產生未知頻道響應的頻道響應都是對應於已知信號(分散引導信號)，但本發明的概念不限於此。舉例而言，若頻道響應估計200已決定出時間指標為2、頻率指標 為3的資料信號之頻道響應，以及時間指標為4、頻率指標為3的資料信號之頻道響應，亦可進一步根據TMCC信號決定一組內插係數，用以產生時間指標為3、頻率指標為3的資料信號之頻道響應。
此外，據以決定內插係數的參考信號亦不限於TMCC信號。舉例而言，在數位視訊地面廣播(digital video broadcasting-terrestrial,DVB-T)系統中，各符號所包含的連續引導信號(continual pilot,CP)亦可做為接收端決定內插係數的參考信號。
根據本發明之另一具體實施例為一頻道響應估計方法，其流程圖如圖三所示。該方法首先執行步驟S31，接收於一第一時間區段抵達之一第一資料(例如圖一中時間指標為0、頻率指標為0的分散引導信號)與一第一參考資料(例如圖一中時間指標為0、頻率指標為P的TMCC信號)、於一第二時間區段抵達之一第二資料(例如圖一中時間指標為1、頻率指標為0的資料信號)與一第二參考資料(例如圖一中時間指標為1、頻率指標為P的TMCC信號)，以及於一第三時間區段抵達之一第三資料(例如圖一中時間指標為4、頻率指標為0的分散引導信號)與一第三參考資料(例如圖一中時間指標為4、頻率指標為P的TMCC信號)。該第一資料、該第二資料與該第三資料係透過一第一副載波傳遞。該第一參考資料、該第二參考資料與該第三參考資料係透過一第二副載波傳遞。接著，該方法執行步驟S32，估計該第一資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料各自對應之一頻道響應。隨後，該方法執行步驟S33，根據該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料所對應之該等頻道響應進行一維納濾波器係數計算程序，以產生一組時域內插係數。接著，該方法執行步驟S34，根據該組時域內插係數，利用該第一資料與該第三資料各自對應之該頻道響應內插產生該第二資料對應之一頻道響應。
先前在介紹頻道響應估計裝置200時描述的各種電路操作變化(例如簡化維納濾波器係數計算程序的方式)亦可應用至圖三所繪示的頻道響應估計方法中，其細節不再贅述。
如上所述，本發明提出新的頻道響應估計裝置及頻道響應估計方法。藉由利用維納濾波器係數計算程序動態決定時域內插係數，相較 於以固定時間間隔比例決定內插係數的先前技術，根據本發明之估計裝置及估計方法能更確實反映頻道響應隨著時間演進而產生的變動。
藉由以上具體實施例之詳述，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。
200‧‧‧頻道響應估計裝置
22‧‧‧接收模組
24‧‧‧估計模組
26‧‧‧係數計算模組
28‧‧‧內插模組

Claims (12)

  1. 一種頻道響應估計裝置，包含：一接收模組，用以接收於一第一時間區段抵達之一第一資料與一第一參考資料、於一第二時間區段抵達之一第二資料與一第二參考資料，以及於一第三時間區段抵達之一第三資料與一第三參考資料，其中該第一資料、該第二資料與該第三資料係透過一第一副載波傳遞，該第一參考資料、該第二參考資料與該第三參考資料係透過一第二副載波傳遞；一估計模組，用以估計該第一資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料各自對應之一頻道響應；一係數計算模組，用以根據該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料所對應之該等頻道響應進行一維納濾波器(Wiener filter)係數計算程序，以產生一組時域內插係數；以及一內插模組，用以根據該組時域內插係數，利用該第一資料與該第三資料各自對應之該頻道響應內插產生該第二資料對應之一頻道響應。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頻道響應估計裝置，其中該組時域內插係數包含一第一係數W1 與一第二係數W2 ，該係數計算模組係根據下列方程式產生該第一係數W1 與該第二係數W2 ： 其中T1 代表該第一參考資料所對應之該頻道響應，T2 代表該第二參考資料所對應之該頻道響應，T3 代表該第三參考資料所對應之該頻道響應。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之頻道響應估計裝置，其中該內插模組係根據下列方程式產生該第二資料對應之該頻道響應 H2 ： 其中H1 代表該第一資料所對應之該頻道響應，H2 代表該第二資料所對應之該頻道響應。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之頻道響應估計裝置，其中該係數計算模組包含一平滑化單元，用以於產生該第一係數與該第二係數前，對下列矩陣進行一平滑化程序： 以使該矩陣成為一特普立茲矩陣(Toeplitz matrix)。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之頻道響應估計裝置，其中該係數計算模組利用一李文森遞歸(Levinson recursion)演算法產生該第一係數與該第二係數。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之頻道響應估計裝置，其中該第一資料、該第二資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料係由一綜合服務數位地面廣播(integrated services digital broadcasting-terrestrial,ISDB-T)傳送端送出，且該第一資料與該第三資料各自為一分散引導信號(scatter pilot,SP)，該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料則係包含於一傳輸及多工組態控制(transmission and multiplexing configuration control,TMCC)信號中。
  7. 一種頻道響應估計方法，包含：(a)接收於一第一時間區段抵達之一第一資料與一第一參考 資料、於一第二時間區段抵達之一第二資料與一第二參考資料，以及於一第三時間區段抵達之一第三資料與一第三參考資料，其中該第一資料、該第二資料與該第三資料係透過一第一副載波傳遞，該第一參考資料、該第二參考資料與該第三參考資料係透過一第二副載波傳遞；(b)估計該第一資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料各自對應之一頻道響應；(c)根據該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料所對應之該等頻道響應進行一維納濾波器係數計算程序，以產生一組時域內插係數；以及(d)根據該組時域內插係數，利用該第一資料與該第三資料各自對應之該頻道響應內插產生該第二資料對應之一頻道響應。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之頻道響應估計方法，其中該組時域內插係數包含一第一係數W1 與一第二係數W2 ，步驟(c)包含根據下列方程式產生該第一係數W1 與該第二係數W2 ： 其中T1 代表該第一參考資料所對應之該頻道響應，T2 代表該第二參考資料所對應之該頻道響應，T3 代表該第三參考資料所對應之該頻道響應。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之頻道響應估計方法，其中步驟(d)包含根據下列方程式產生該第二資料對應之該頻道響應H2 ： 其中H1 代表該第一資料所對應之該頻道響應，H2 代表該第二資料所對應之該頻道響應。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之頻道響應估計方法，其中步驟(c)包含於產生該第一係數與該第二係數前，對下列矩陣進行一平滑化程序： 以使該矩陣成為一特普立茲矩陣。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之頻道響應估計方法，其中步驟(c)包含利用一李文森遞歸演算法產生該第一係數與該第二係數。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之頻道響應估計方法，其中該第一資料、該第二資料、該第三資料、該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料係由一綜合服務數位地面廣播傳送端送出，且該第一資料與該第三資料各自為一分散引導信號，該第一參考資料、該第二參考資料及該第三參考資料則係包含於一傳輸及多工組態控制信號中。
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