TWI627836B

TWI627836B - 載波頻率偏移追蹤電路及方法

Info

Publication number: TWI627836B
Application number: TW106106302A
Authority: TW
Inventors: 卓庭楠; 廖懿穎; 賴科印; 童泰來
Original assignee: 晨星半導體股份有限公司
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-06-21
Also published as: TW201832479A; US10135603B2; US20180248678A1

Abstract

一種載波頻率偏移追蹤電路，包含一載波頻率偏移估測單元，用來產生一載波頻率偏移估計訊號；一迴路濾波器，耦接於該載波頻率偏移估測單元，用來根據一初始值對該載波頻率偏移估計訊號進行一迴路濾波運算，以產生一迴路濾波結果；以及一平均單元，耦接於該載波頻率偏移估測單元與該迴路濾波器之間，用來對該載波頻率偏移估計訊號進行一平均運算，以產生該初始值為該載波頻率偏移估計訊號的一平均值。

Description

載波頻率偏移追蹤電路及方法

本發明係指一種載波頻率偏移追蹤電路及方法，尤指一種可縮短追蹤時間的載波頻率偏移追蹤電路及方法。

於一無線通訊系統中，傳送端會將欲傳送之訊號加以調變，並將調變後的訊號升頻至射頻以傳送；而接收端經由一天線接收該射頻訊號後，會將該訊號之頻率降頻至基頻以進行解調變處理。然而，由於傳送端用來升頻之振盪頻率與接收端用來降頻之振盪頻率存在差異，因此接收端降頻後之訊號會具有載波頻率偏移（Carrier Frequency Offset, CFO）的問題，這會增加解調變的難度，並造成該無線通訊系統的傳輸錯誤率上升。

鑑於上述，一般無線通訊系統均會設置載波頻率偏移估計追蹤電路，以解決載波頻率偏移的問題，相關背景技術可參考申請人先前申請之美國專利申請案「Signal Processing Circuit and Method Thereof」（公開號：US 2011/0188611 A1）、美國專利申請案「Circuit for Detecting a Digital Data Stream and Associated Method」（公開號：US 2010/0296002 A1 ）以及美國專利申請案「Apparatus for Detecting Digital Video Signal Parameters and Method Thereof」（公開號：US 2011/0002422 A1）。然而，於某些通訊系統中，例如一數位視訊廣播衛星（Digital Video Broadcasting–Satellite, DVB-S）通訊系統，載波頻率偏移的現象較其它通訊系統更為明顯，尤其在低訊雜比（Signal to Noise Ratio，SNR）時，載波頻率偏移的問題會尤為嚴重，另外，在低訊雜比的情況下，載波頻率偏移估計追蹤電路需要過長的追蹤時間，而降低整體效能。因此，習知技術實有改善之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可縮短追蹤時間的載波頻率偏移追蹤電路及方法，以改善習知技術的缺點。

本發明揭露一種載波頻率偏移追蹤電路，包含一載波頻率偏移估測單元，用來產生一載波頻率偏移估計訊號；一迴路濾波器，耦接於該載波頻率偏移估測單元，用來根據一初始值對該載波頻率偏移估計訊號進行一迴路濾波運算，以產生一迴路濾波結果；以及一平均單元，耦接於該載波頻率偏移估測單元與該迴路濾波器之間，用來對該載波頻率偏移估計訊號進行一平均運算，以產生該初始值為該載波頻率偏移估計訊號的一平均值。

本發明另揭露一種載波頻率偏移追蹤方法，包含取得一載波頻率偏移估計訊號；對該載波頻率偏移估計訊號進行一平均運算，以產生一初始值為該載波頻率偏移估計訊號的一平均值；以及根據該初始值，對該載波頻率偏移估計訊號進行一迴路濾波運算，以產生一迴路濾波結果。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一載波頻率偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）追蹤電路10之示意圖，載波頻率偏移追蹤電路10可應用於一通訊系統（如DVB-S系統）中的接收裝置（如一解調變器（Demodulator）），其包含一載波頻率偏移估測單元12、一迴路濾波器14以及一平均單元18。載波頻率偏移估測單元12用來產生一載波頻率偏移估計訊號f；迴路濾波器14耦接於載波頻率偏移估測單元12以及平均單元18，用來根據平均單元18所產生的一初始值c0，對載波頻率偏移估計訊號f進行一迴路濾波運算，以產生一迴路濾波結果filter_out；平均單元18耦接於載波頻率偏移估測單元12與迴路濾波器14之間，用來對載波頻率偏移估計訊號f進行一平均運算，以產生輸出至迴路濾波器14的初始值c0為（對載波頻率偏移估計訊號f進行該平均運算的）一平均值，也就是說，初始值c0可表示為c0=c∙ave(f)，其中ave(∙)代表對應於該平均運算的運算子，c為一常數，其可根據實際情況而變化。

詳細來說，迴路濾波器14包含一積分單元16、一加法器ADD1以及乘法器MP、MI。其中，乘法器MP耦接於載波頻率偏移估測單元12，用來將載波頻率偏移估計訊號f乘以一係數kp，以產生一正比結果Rp；乘法器MI用來將載波頻率偏移估計訊號f乘以一係數ki，積分單元16用來根據初始值c0，對乘以係數ki後的載波頻率偏移估計訊號f進行一積分運算，以產生一積分結果Ri；加法器ADD1用來將正比結果Rp與積分結果Ri相加，以產生迴路濾波結果filter_out。其中，初始值c0為該積分運算的積分初始值。關於載波頻率偏移追蹤電路10的其他運作細節，可參考本發明申請人於台灣專利申請案「載波頻率偏移補償裝置及方法」（證書號I487334）所揭露的載波頻率偏移補償裝置，於此不再贅述。

關於載波頻率偏移追蹤電路10的運作，可進一步歸納為一流程，請參考第3圖，第3圖為本發明實施例之一載波頻率偏移追蹤方法的流程30之示意圖，流程30可由載波頻率偏移追蹤電路10來執行。如第3圖所示，流程30包含以下步驟：

步驟300：載波頻率偏移估測單元12產生載波頻率偏移估計訊號f。

步驟302：平均單元18對載波頻率偏移估計訊號f進行平均運算，以產生初始值c0為載波頻率偏移估計訊號f的平均值。

步驟304：迴路濾波器14根據初始值c0，對載波頻率偏移估計訊號f進行迴路濾波運算，以產生迴路濾波結果filter_out。

關於流程30的操作細節，請參考前述相關段落，不另贅述。

需注意的是，應用於載波頻率偏移追蹤電路的積分電路若未根據任何初始值開始該積分運算（即積分電路的初始值預設為0），將導致載波頻率偏移追蹤電路需要較長的追蹤時間才能追蹤到正確的載波頻率偏移，即載波頻率偏移追蹤電路所需的追蹤時間過長。相較之下，積分單元16根據相關於載波頻率偏移估計訊號f的初始值c0（如初始值c0可為載波頻率偏移估測單元12所計算出第一個載波頻率偏移估計值），對載波頻率偏移估計訊號f進行該積分運算，可縮短載波頻率偏移追蹤電路10所需的追蹤時間。另外，當載波頻率偏移估測單元12利用一資料輔助演算法（Data Aided Algorithm）來計算載波頻率偏移估計值時，載波頻率偏移估測單元12所計算出第一個載波頻率偏移估計值通常較不精準，而使得縮短追蹤時間的效果有限，在此情形下，載波頻率偏移追蹤電路10可利用平均單元18計算初始值c0為載波頻率偏移估計訊號f的平均值（如c0=ave(f)），而進一步地縮短載波頻率偏移追蹤電路10所需的追蹤時間。

關於積分單元16的詳細電路結構，請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一載波頻率偏移追蹤電路20之示意圖。載波頻率偏移追蹤電路20與載波頻率偏移追蹤電路10相似，故相同元件沿用相同符號。與載波頻率偏移追蹤電路10不同的是，載波頻率偏移追蹤電路20中一迴路濾波器24包含一積分單元26，積分單元26為一數位積分器，其可用來實現積分單元16，積分單元26包含一加法器ADD2以及一暫存器RG，加法器ADD2耦接於乘法器MI，以接收載波頻率偏移估計訊號f與係數ki的一相乘結果，暫存器RG耦接於加法器ADD2，用來將載波頻率偏移估計訊號f與係數ki的相乘結果延遲（Delay）一時間，並將延遲後的相乘結果輸出至加法器ADD2，如此一來，積分單元26即可達到對載波頻率偏移估計訊號f與係數ki的相乘結果進行累加運算（即該積分運算）的功效。除此之外，積分單元26另包含一多工器MUX，多工器MUX可將初始值c0或加法器ADD2的一輸出訊號輸出至暫存器RG，舉例來說，於第2圖的實施例中，加法器ADD2的輸出訊號為積分結果Ri。於一實施例中，多工器MUX可於積分單元26開始運作的一時間t ₀，將初始值c0輸出至暫存器RG，並於時間t ₀之後，將加法器ADD2的輸出訊號輸出至暫存器RG。如此一來，積分單元26即可將初始值c0當作為積分運算的積分初始值。

另外，載波頻率偏移追蹤電路20另包含一解多工器DMX，解多工器DMX耦接於載波頻率偏移估測單元12與迴路濾波器24及平均單元18之間。載波頻率偏移追蹤電路20可將短載波頻率偏移追蹤電路10剛開始運作後一第一時間區間內所產生的載波頻率偏移估計值（記為載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M），透過解多工器DMX傳遞至平均單元18，平均單元18即可根據載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M計算對應於載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M的平均值為初始值c0，於一實施例中，初始值c0可表示為c0＝。另一方面，於平均單元18產生初始值c0後，載波頻率偏移追蹤電路20可將載波頻率偏移追蹤電路10於一第二時間區間所產生的載波頻率偏移估計值（記為載波頻率偏移估計值f _M+1,…,f _N）透過解多工器DMX傳遞至迴路濾波器24，迴路濾波器24即可將初始值c0當作為積分運算的積分初始值，並對載波頻率偏移估計值f _M+1,…,f _N進行迴路濾波運算。其中，第二時間區間係於第一時間區間之後，而載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M, f _M+1,…,f _N代表載波頻率偏移估計訊號f依照時間先後順序所成的時間序列（Time Series）。如此一來，載波頻率偏移追蹤電路20可縮短其所需的追蹤時間，進一步提昇整體效能。

關於載波頻率偏移追蹤電路20的運作，可進一步歸納為一流程，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例之一載波頻率偏移追蹤方法的流程40之示意圖，流程40可由載波頻率偏移追蹤電路20來執行。如第4圖所示，流程40包含以下步驟：

步驟400：載波頻率偏移估測單元12產生載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M。

步驟402：平均單元18對載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M進行平均運算，以產生初始值c0為載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M的平均值。

步驟404：載波頻率偏移估測單元12產生載波頻率偏移估計值f _M+1,…,f _N。

步驟406：迴路濾波器14根據初始值c0，對載波頻率偏移估計值f _M+1,…,f _N進行迴路濾波運算，以產生迴路濾波結果filter_out。

關於流程40的操作細節，請參考前述相關段落，不另贅述。

需注意的是，前述實施例係用以說明本發明之概念，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，於第1圖的實施例中，迴路濾波器14中的乘法器MI與積分單元16可相互對調，即本發明的迴路濾波器可先對載波頻率偏移估計訊號f進行積分運算，再將對載波頻率偏移估計訊號f進行積分運算所產生的積分結果乘以係數ki，產生積分結果Ri至加法器ADD1，亦符合本發明的要求而屬於本發明的範疇。

另外，平均單元18不限於用特定電路結構來實現。舉例來說，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一平均單元58之示意圖，平均單元58可用來實現平均單元18。平均單元58包含一累加器ACC以及一除法器DVI，累加器ACC用來將載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M進行累加，以產生一累加結果。除法器DVI用來將該累加結果除以M，即載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M的一個數。

另外，平均單元18對載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M所進行的平均運算不限於如c0＝的均等權重（Equal Weighted）平均運算，平均單元18亦可對載波頻率偏移估計值f ₁,…,f _M進行非均等權重（Non-equal Weighted）的平均運算，如平均單元18可計算初始值c0為c0＝，其中，權重係數之間彼此相異，且可具有＝1的關係，其具體實施方式為此領域人士所熟知，於此不再贅述。

另外，本領域技術人員當知第1圖、第2圖及第5圖內的功能單元/電路可由特殊應用積體電路（Application-specific integrated circuit，ASIC）、數位電路（如RTL電路）或數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）來實現或進行實作，於此不再贅述。

綜上所述，本發明利用載波頻率偏移估計訊號的平均值作為迴路濾波器之積分運算的積分初始值，以縮短載波頻率偏移追蹤電路所需的追蹤時間，進一步提昇接收裝置的整體效能。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20‧‧‧載波頻率偏移追蹤電路

12‧‧‧載波頻率偏移估測單元

14、24‧‧‧迴路濾波器

16、26‧‧‧積分單元

18、58‧‧‧平均單元

ACC‧‧‧累加器

ADD1、ADD2‧‧‧加法器

c0‧‧‧初始值

DVI‧‧‧除法器

filter_out‧‧‧迴路濾波結果

f‧‧‧載波頻率偏移估計訊號

f₁~f_N‧‧‧載波頻率偏移估計值

kp、ki‧‧‧係數

MP、MI‧‧‧乘法器

MUX‧‧‧多工器

第1圖為本發明實施例一載波頻率偏移追蹤電路之方塊圖。第2圖為本發明實施例一載波頻率偏移追蹤電路之方塊圖。第3圖為本發明實施例一載波頻率偏移追蹤方法之流程圖。第4圖為本發明實施例一載波頻率偏移追蹤方法之流程圖。第5圖為本發明實施例一平均單元之示意圖。

Claims

一種載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)追蹤電路，包含：一載波頻率偏移估測單元，用來產生一載波頻率偏移估計訊號；一迴路濾波器，耦接於該載波頻率偏移估測單元，用來根據一初始值對該載波頻率偏移估計訊號進行一迴路濾波運算，以產生一迴路濾波結果；以及一平均單元，耦接於該載波頻率偏移估測單元與該迴路濾波器之間，用來對該載波頻率偏移估計訊號進行一平均運算，以產生該初始值為該載波頻率偏移估計訊號的一平均值。
如請求項1所述的載波頻率偏移追蹤電路，其中該迴路濾波器包含：一第一加法器；一第一乘法器，耦接於該載波頻率偏移估測單元與該第一加法器之間；一第二乘法器，耦接於該載波頻率偏移估測單元與該第一加法器之間；以及一積分單元，耦接於該平均單元及該載波頻率偏移估測單元。
如請求項2所述的載波頻率偏移追蹤電路，其中該第一乘法器用來將該載波頻率偏移估計訊號乘以一第一係數，以產生一正比結果，該積分單元及該第二乘法器用來根據該初始值將該載波頻率偏移估計訊號進行一積分運算並乘以一第二係數，以產生一積分結果，該第一加法器用來將該正比結果與該積分結果相加，以產生該迴路濾波結果。
如請求項2所述的載波頻率偏移追蹤電路，其中該積分單元包含：一第二加法器，耦接於該載波頻率偏移估測單元與該第一加法器之間；一暫存器，耦接於該第一加法器與該第二加法器之間；以及一多工器，耦接於該第二加法器及該平均單元與該暫存器之間。
如請求項4所述的載波頻率偏移追蹤電路，其中該多工器將該初始值或該第二加法器的一輸出訊號輸出至該暫存器。
如請求項1所述的載波頻率偏移追蹤電路，其中該平均單元包含：一累加器，用來對該載波頻率偏移估計訊號之複數個第一載波頻率偏移估計值進行累加，以產生一累加結果。
如請求項1所述的載波頻率偏移追蹤電路，其中該平均單元另包含：一除法器，用來將該累加結果除以該複數個第一載波頻率偏移估計值的一個數。
如請求項1所述的載波頻率偏移追蹤電路，另包含：一解多工器，耦接於該載波頻率偏移估測單元、該迴路濾波器及該平均單元；其中，於一第一時間區間，該解多工器將該載波頻率偏移估計訊號之複數個第一載波頻率偏移估計值傳遞至該平均單元，而該平均單元對該複數個第一載波頻率偏移估計值進行該平均運算；其中，於一第二時間區間，該解多工器將該載波頻率偏移估計訊號之複數個第二載波頻率偏移估計值傳遞至該迴路濾波器，而該迴路濾波器對該複數個第二載波頻率偏移估計值進行該迴路濾波運算。
一種載波頻率偏移追蹤方法，包含：取得一載波頻率偏移估計訊號；對該載波頻率偏移估計訊號進行一平均運算，以產生一初始值為該載波頻率偏移估計訊號的一平均值；以及根據該初始值，對該載波頻率偏移估計訊號進行一迴路濾波運算，以產生一迴路濾波結果。
如請求項9所述的載波頻率偏移追蹤方法，另包含：對該載波頻率偏移估計訊號之複數個第一載波頻率偏移估計值進行該平均運算，以產生該初始值為該複數個第一載波頻率偏移估計值的該平均值；以及根據該初始值，對該載波頻率偏移估計訊號之複數個第二載波頻率偏移估計值進行該迴路濾波運算，以產生該迴路濾波結果。