应用于数字电视卫星广播系统接收端的相位回复装置及相位
回复方法
技术领域
[0001] 本
发明与通讯系统相关，并且尤其与通讯系统接收端中的相位回复(phase recovery)技术相关。
背景技术
[0002] 随着通讯技术的进步，数字电视广播日渐普及。除了
电缆线路与行动通讯基站，数字电视
信号也可透过
人造卫星发送。数字电视卫星广播(digital video broadcasting–satellite,DVB-S)规范是目前该领域中最为广泛采用的标准之一。
[0003] 图1A呈现一数字电视卫星广播的接收端的局部功能方
块图，其中包含一降频转换
电路110、一
振荡器120、一相位补偿电路130、一数据分流电路140、一相位估计电路150，以及一相位追踪电路160。振荡器120负责产生一参考时脉信号SR，供降频转换电路110将
射频信号yRF降频转换为基频信号y。相位补偿电路130、数据分流电路140、相位估计电路150与相位追踪电路160所进行的工作统称为闭路式相位回复(closed-loop phase recovery)，旨在找出基频信号y中的相位误差并加以补偿。若射频信号yRF的传播环境为一相加性白高斯噪声(additive white Gaussian noise,AWGN)通道，基频信号y中的相位误差主要是由参考时脉信号SR所贡献并且大致为定值。在这种情况下，经过相位估计电路150与相位追踪电路160的持续修正，基频信号y中的相位误差几乎能被完全消除。以下说明此闭路式相位回复机制的运作方式。
[0004] 传送端会令其
输出信号包含一些具有特定内容的数据，供接收端做为其
信号处理程序中的参考值。以数字电视卫星广播规范来说，如图1B所示，基频信号y中会有交错出现的多段已知数据与多段未知数据；已知数据包含在前导(pilot)区段y1a、y2a、y3a中，而未知数据包含在数据区段y1b、y2b、y3b中。如图1A所示，相位补偿电路130是根据相位追踪电路160提供的相位补偿信号SC对基频信号y进行相位补偿，以产生一补偿后信号z。相对应地，补偿后信号z也会有交错出现的多段补偿后已知数据z1a、z2a、z3a与多段补偿后未知数据z1b、z2b、z3b。数据分流电路140负责将补偿后信号z中的各段补偿后未知数据撷取出来，提供给相位追踪电路160。另一方面，数据分流电路140会将补偿后信号z中的各段补偿后已知数据撷取出来，提供给相位估计电路150。
[0005] 相位估计电路150会针对每一段补偿后已知数据算出一个相位估计值θE，且这些相位估计值θE会被依序用来初始化相位追踪电路160输出的相位补偿信号SC。以图1B为例，首先，相位估计电路150将算出的相位估计值θE_1(根据对应于前导区段y1a的补偿后已知数据z1a所产生)提供至相位追踪电路160，用以初始化相位补偿电路130的相位补偿信号SC，供施加于数据区段y1b。随后，相位追踪电路160会针对对应于数据区段y1b的补偿后未知数据z1b施以一相位追踪程序，以持续调整相位补偿电路130使用的相位补偿信号SC，供施加于数据区段y1b中的后续数据。
[0006] 图1C呈现相位追踪电路160的一种内部功能方块图范例，其中包含一相位误差检测器160A、一回路
滤波器160B、一多工器160C以及一数值控制振荡器160D。承上所述，为了初始化相位补偿信号SC，多工器160C首先将相位估计值θE_1提供给数值控制振荡器160D，供数值控制振荡器160D据此产生相位补偿信号SC。在开始收到补偿后未知数据z1b后，相位误差检测器160A会持续计算补偿后未知数据z1b中各笔数据的相位误差估计值φ，并交由回路滤波器160B计算其平均值 在回路滤波器160B开始产生平均值 后，多工器160C便改为将平均值 输出给数值控制振荡器160D，做为产生相位补偿信号SC的依据。换句话说，施加于数据区段y1b的相位补偿信号SC是首先根据相位估计值θE_1被初始化，随后再根据平均值被持续调整。透过这样的回授机制，相位追踪电路160便可追踪并缩小补偿后已知数据z1b中的相位误差。
[0007] 回路滤波器160B根据补偿后未知数据z1b产生的最后一笔平均值 会被多工器160C递送给数值控制振荡器160D，用以产生相位补偿电路130将施加于前导区段y2a的相位补偿信号SC。相似地，相位估计电路150根据对应于前导区段y2a的补偿后已知数据z2a算出的相位估计值θE_2会被提供至相位追踪电路160，用以初始化将施加于数据区段y2b的相位补偿信号SC。依此类推，相位估计电路150根据对应于前导区段y3a的补偿后已知数据z3a算出的相位估计值θE_3会被提供至相位追踪电路160，用以初始化将施加于数据区段y3b的相位补偿信号SC。
[0008] 图1A呈现的相位回复机制的问题在于，如果信号传播环境并非单纯的相加性白高斯噪声(AWGN)通道，或者是接收端的天线极化方向设定有偏差(亦即与信号的实际极化方向不同)，基频信号y中便不只会带有参考时脉信号SR贡献的相位误差，还存在其他干扰源造成的相位误差。天线极化方向设定有偏差所造成的相位误差甚至可能会随着时间持续改变。在这个情况下，相位追踪电路160的能
力很有可能不足以及时追踪并缩小各段补偿后未知数据中的相位误差。实务上，未完成相位回复的补偿后未知数据被送往后续电路进行解码可能会导致解码错误率的上升。
发明内容
[0009] 为解决上述问题，本发明提出一种新的相位回复装置及相位回复方法。
[0010] 根据本发明的一
实施例为一种相位回复装置，其中包含一相位补偿电路、一相位估计电路、一初始值设定电路，以及一相位追踪电路。该相位补偿电路是用以根据一相位补偿信号对交错出现的N段已知数据与N段未知数据进行相位补偿，以产生相对应的N段补偿后已知数据与N段补偿后未知数据，其中N为大于一的一正整数。该相位估计电路是用以根据该N段补偿后已知数据中的一第i段补偿后已知数据产生一第i相位估计值，其中i为范围在1到N间的一整数指标。该初始值设定电路是用以产生N个初始相位误差，其中之一第i初始相位误差是与该第i相位估计值相关，且该N个初始相位误差中的至少一初始相位误差，除了与该第i相位估计值相关，亦与该相位估计电路已产生的另外一个或多个相位估计值相关。该相位补偿信号是根据该第i初始相位误差被初始化，供该相位补偿电路施加于该N段未知数据中一第i段未知数据。该相位追踪电路施加相位追踪于该N段补偿后未知数据，以调整该相位补偿信号。
[0011] 根据本发明的另一实施例为一种相位回复装置，其中包含一相位补偿电路、一相位估计电路、一初始值设定电路、一相位追踪电路，以及一判断电路。除了上述的电路，该判断电路根据该N个相位估计值判断该相位回复装置是否处于一相加性白高斯噪声通讯环境。
[0012] 根据本发明的另一实施例为一种相位回复方法，应用于一数字电视卫星广播系统的一接收端。一接收信号包含交错出现的N段已知数据与N段未知数据，其中N为大于一的一正整数，i为范围在1到N间的一整数指标。该相位回复方法包含：(a)根据一相位补偿信号对该N段已知数据中的一第i段已知数据进行相位补偿，以产生一第i段补偿后已知数据；(b)根据该第i段补偿后已知数据产生一第i相位估计值；(c)产生与该第i相位估计值相关的一第i初始相位误差，且该N个初始相位误差中的至少一初始相位误差，除了与该第i相位估计值相关，亦与已产生的另外一个或多个相位估计值相关；(d)根据该第i初始相位误差初始化施加于该N段未知数据中一第i段未知数据的该相位补偿信号；(e)根据该相位补偿信号对该第i段未知数据进行相位补偿，以产生一第i段补偿后未知数据；以及(f)对该第i段补偿后未知数据施以一相位追踪程序，以调整该相位补偿信号。
[0013] 根据本发明的另一实施例为一种相位回复方法，除了上述步骤(a)～(f)之外，还包括(g)根据该N个相位估计值判断一通讯环境是否为一相加性白高斯噪声通讯环境。
[0014] 关于本发明的优点与精神可以借由以下发明详述及所附
附图得到进一步的了解。
附图说明
[0015] 为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
[0016] 图1A呈现一数字电视卫星广播的接收端的局部功能方块图。
[0017] 图1B为一基频信号的数据结构示意图。
[0018] 图1C呈现一相位追踪电路的内部功能方块图。
[0019] 图2为根据本发明的一实施例中的相位回复装置的功能方块图。
[0020] 图3呈现根据本发明的初始值设定电路的实施例。
[0021] 图4为根据本发明的另一实施例中的相位回复装置的功能方块图。
[0022] 图5为根据本发明的一实施例中的相位回复方法的
流程图。
[0023] 须说明的是，本发明的附图包含呈现多种彼此关联的功能性模块的功能方块图。这些附图并非细部电路图，且其中的
连接线仅用以表示信号流。功能性元件及/或程序间的多种互动关系不一定要透过直接的电性连结始能达成。此外，个别元件的功能不一定要如附图中绘示的方式分配，且分散式的区块不一定要以分散式的
电子元件实现。
[0024] 图中元件标号说明如下：
[0025] 110：降频转换电路 120：振荡器
[0026] 130：相位补偿电路 140：数据分流电路
[0027] 150：相位估计电路 160：相位追踪电路
[0028] 160A：相位误差检测器 160B：回路滤波器
[0029] 160C：多工器 160D：数值控制振荡器
[0030] yRF：射频信号 y：基频信号
[0031] y1a、y2a、y3a：前导区段 y1b、y2b、y3b：数据区段
[0032] SR：参考时脉信号 z：补偿后信号
[0033] z1a、z2a、z3a：补偿后已知数据 z1b、z2b、z3b：补偿后未知数据
[0034] SC：相位补偿信号 θE：相位估计值
[0035] φ：相位误差估计值 平均值
[0036] 200：相位回复装置 210：相位补偿电路
[0037] 220：数据分流电路 230：相位估计电路
[0038] 240：初始值设定电路 240A：平均值计算电路
[0039] 240B：比较电路 240C：减法电路
[0040] 240D：多工器 240E：控制电路
[0041] 250：相位追踪电路 260：判断电路
[0042] θINI：初始相位误差 E[θE]：平均值
[0043] TH：
门槛值 S501～S506：流程步骤
具体实施方式
[0044] 根据本发明的一实施例为一种相位回复装置，其功能方块图是绘示于图2。相位回复装置200包含一相位补偿电路210、一数据分流电路220、一相位估计电路230、一初始值设定电路240，以及一相位追踪电路250。以下介绍各电路的功能及运作方式。
[0045] 相位补偿电路210是用以根据相位补偿信号SC对一接收信号y进行相位补偿。接收信号y中包含交错出现的N段已知数据与N段未知数据(N为大于一的正整数)，每一段未知数据之前有一段已知数据。实务上，这些已知数据可能包含在接收信号y中的前导区段或是实体层标头(header)内。相对应地，相位补偿电路210产生的补偿后信号z包含有N段补偿后已知数据与N段补偿后未知数据。
[0046] 数据分流电路220负责将补偿后信号z中的各段补偿后已知数据(例如图1B中的补偿后已知数据z1a、z2a、z3a)撷取出来、提供给相位估计电路230，并将补偿后信号z中的各段补偿后未知数据(例如图1B中的补偿后未知数据z1b、z2b、z3b)撷取出来、提供给相位追踪电路250。
[0047] 以符号i表示范围在1到N间的一整数指标。相位估计电路230的工作是根据N段补偿后已知数据中的第i段补偿后已知数据产生一第i相位估计值θE_i。更详细地说，相位估计电路230是根据第i段补偿后已知数据与接收端已知数据的原始内容进行运算来产生相位估计值θE_i。若采用最大似然(maximum-likelihood)估计法，相位估计电路230的计算工作可表示为下列运算式：
[0048]
[0049] 其中符号arg代表计算幅
角，符号Im代表计算
虚部，符号Re代表计算
实部，符号L代表第i段补偿后已知数据zia的长度，符号j为范围在1到L之间的一个整数指标，符号zia_j代表该段补偿后已知数据zia中的第j笔数据，符号 代表已知数据原始内容中第j笔数据的共轭信号。
[0050] 针对整数指标i＝1～N，相位追踪电路250会根据一第i初始相位误差θINI_i初始化相位补偿电路210施加于N段未知数据中第i段未知数据的相位补偿信号SC，并针对相对应的第i段补偿后未知数据施以相位追踪程序，以持续调整相位补偿电路210施加于第i段未知数据的相位补偿信号SC。须说明的是，相位追踪程序的详细实施方式为本发明所属技术领域中普通技术人员所知，于此不赘述。如先前所述，当相位回复装置200是处于相加性白高斯噪声(AWGN)通讯环境，只要将相位估计电路230找出的第i相位估计值θE_i设定为第i初始相位误差θINI_i，相位追踪电路250便能持续修正并大致消除补偿后信号z中的相位误差。然而，当相位回复装置200并非处于相加性白高斯噪声通讯环境，这种初始值设定方式可能会让相位追踪电路250无法成功消除补偿后信号z中的相位误差。初始值设定电路240便是为了解决上述问题而设置。针对整数指标i＝1～N，初始值设定电路240会根据相位估计电路230产生的第i相位估计值θE_i产生第i初始相位误差θINI_i。不同于图1A中将第i相位估计值θE_i直接设定为第i初始相位误差θINI_i的先前技术，本发明的本实施例中，产生至少一初始相位误差时，初始值设定电路240将相位估计电路230已产生的多个相位估计值θE纳入考虑。以下介绍几种详细实施例。
[0051] 于一实施例中，针对整数指标i＝P、2P、3P、…、m*P，初始值设定电路240产生的第i初始相位误差θINI_i是与已产生的第(i-P+1)相位估计值θE_(i-P+1)至第i相位估计值θE_i相关；针对其他整数指标i，初始值设定电路240产生的第i初始相位误差θINI_i是与第i相位估计值θE_i相关，其中符号P代表介于2及N间的一特定正整数，而符号m为N除以P所得的商数。以数值N等于三十、数值P等于十为例，数值m等于三。举例而言，针对每十个中的前九个初始相位误差θINI_x(i＝1～9,11～19,21～29)，初始值设定电路240采用第i相位估计值θE_i作为第i初始相位误差θINI_i，例如采用第九相位估计值作为第九初始相位误差；特别的是，针对每十个中的第十个初始相位误差θINI_i(i＝10,20,30)，初始值设定电路240参考相位估计电路
230已产生的最新十个相位估计值θE以进一步产生第十初始相位误差，而非直接采用第i相位估计值θE_i作为第十初始相位误差θINI_i(i＝10,20,30)。更详细地说，在产生第十个初始相位误差θINI_10时，初始值设定电路240会将相位估计值θE_1、θE_2、θE_3、…、θE_10都纳入考虑；
在产生第二十个初始相位误差θINI_20时，初始值设定电路240会将相位估计值θE_11、θE_12、θE_13、…、θE_20都纳入考虑；在产生第三十个初始相位误差θINI_30时，初始值设定电路240会将相位估计值θE_21、θE_22、θE_23、…、θE_30都纳入考虑。
[0052] 图3呈现可实现上述概念的初始值设定电路240的一种范例，其中包含一平均值计算电路240A、一比较电路240B、一减法电路240C、一多工器240D，以及一控制电路240E。针对整数指标i＝1～9,11～19,21～29，控制电路240E会控制多工器240D直接输出相位估计值θE_i，做为提供给相位追踪电路250的初始相位误差θINI_i。另一方面，针对整数指标i＝10,20,30，控制电路240E会根据比较电路240B产生的比较结果来决定多工器240D应输出减法电路240C的输出信号(以下称为一修正后估计值)或是相位估计值θE_i。如图3所示，该修正后估计值是减法电路240C自相位估计值θE_i减去一平均值E[θE]的计算结果。于此实施例中，平均值计算电路240A会以十个相位估计值θE_i为单位，累加并计算其平均值E[θE]。比较电路240B负责比较平均值E[θE]与一预设的门槛值TH的大小。如果比较电路240B判定相位估计值θE_1、θE_2、θE_3、…、θE_10的平均值E[θE]1～10高于门槛值TH，控制电路240E便会控制多工器240D输出修正后估计值(θE_10-E[θE]1～10)，做为初始相位误差θINI_10。相对地，若平均值E[θE]1～10未高于门槛值TH，则控制电路240E会控制多工器240D输出相位估计值θE_10，做为初始相位误差θINI_10。依此类推，初始相位误差θINI_20可能是修正后估计值(θE_20-E[θE]11～20)或相位估计值θE_20，初始相位误差θINI_30可能是修正后估计值(θE_30-E[θE]21～30)或相位估计值θE_30。
[0053] 初始值设定电路240将多个相位估计值θE纳入考虑的原因在于，由多个相位估计值θE的统计特性能看出相位回复装置200是否处于相加性白高斯噪声通讯环境。举例而言，如果相位回复装置200是处于相加性白高斯噪声通讯环境，接收信号y中的相位误差大致为定值，因而在经过相位估计电路230与相位追踪电路250的几轮补偿与追踪之后，补偿后信号z中的相位误差便会被大致消除，进而使各个平均值E[θE]接近于零。相对地，如果相位回复装置200是处于非相加性白高斯噪声通讯环境，平均值E[θE]就可能高于预设门槛值TH，并且平均值E[θE]的大小能反映出其他干扰源贡献的相位误差大小。也就是说，平均值E[θE]可被视为由其他干扰源造成的相位误差偏移量(bias)。因此，当平均值E[θE]1～10高于预设门槛值TH，多工器240D是输出修正后估计值(θE_10-E[θE]1～10)做为初始相位误差θINI_10，借此移除该相位误差偏移量。
[0054] 于另一实施例中，针对整数指标i＝1～(P-1)，初始值设定电路240产生的第i初始相位误差θINI_i是与第i相位估计值θE_i相关；针对整数指标i＝P～N，初始值设定电路240产生的第i初始相位误差θINI_i是与已产生的第一相位估计值θE_1至第i相位估计值θE_i相关，其中符号P代表介于2及N间的一特定正整数。以数值N等于三十、数值P等于十为例。举例而言，针对前九个初始相位误差θINI_i(i＝1～9)，初始值设定电路240采用第i相位估计值θE_i作为第i初始相位误差θINI_i；针对第十个到第三十个初始相位误差θINI_i(i＝10～30)，初始值设定电路240则是将目前已经产生的所有相位估计值θE都纳入考虑。更具体地说，初始值设定电路240于产生第十个初始相位误差θINI_10时会将第一相位估计值θE_1至第十相位估计值θE_10纳入考虑，于产生第十一个初始相位误差θINI_11时会将第一相位估计值θE_1至第十一相位估计值θE_11纳入考虑，依此类推。
[0055] 于另一实施例中，针对整数指标i＝1～(P-1)，初始值设定电路240产生的第i初始相位误差θINI_i与第i相位估计值θE_i相关；针对整数指标i＝P～N，初始值设定电路240产生的第i初始相位误差θINI_i与第(i-P+1)相位估计值θE_(i-P+1)至第i相位估计值θE_i相关，其中符号P代表介于2及N间的一特定正整数。以数值N等于三十、数值P等于十为例。举例而言，针对前九个初始相位误差θINI_i(i＝1～9)，初始值设定电路240采用第i相位估计值θE_i作为第i初始相位误差θINI_i；针对第十个到第三十个初始相位误差θINI_i(i＝10～30)，初始值设定电路240则是将产生时间最接近第i相位估计值θE_i的十个相位估计值(θE_(i-10+1)～θE_i)纳入考虑。更具体地说，初始值设定电路240于产生第十个初始相位误差θINI_10时会将第一相位估计值θE_1至第十相位估计值θE_10纳入考虑，于产生第十一个初始相位误差θINI_11时会将第二相位估计值θE_2至第十一相位估计值θE_11纳入考虑，依此类推。
[0056] 本发明所属技术领域中普通技术人员可理解，以上介绍的几种数值设定都可以达到消除相位误差偏移量的效果，并且另有多种实现本发明概念的设定变化型。
[0057] 另一方面，前述比较电路240B采用的预设门槛值TH可由电路设计者根据实务经验或模拟实验决定，不以特定数值为限。若将门槛值TH设定为零，则图3中的比较电路240B可被省略。在这种实施例中，控制电路240E便是根据预先设定的运作逻辑(亦即应针对哪些整数指标i输出修正后估计值(θE-E[θE]))来控制多工器240D。实务上，初始值设定电路240可利用多种控制和处理平台实现，包含固定式的和可编程的
逻辑电路，例如可编程
逻辑门阵列、针对特定应用的集成电路、微
控制器、
微处理器、
数字信号处理器。此外，初始值设定电路240可被设计为通过执行一
存储器(未绘示)中所储存的处理器指令，来完成其任务。
[0058] 根据本发明的另一实施例为一种相位回复装置，其功能方块图是绘示于图4。除了图2中的相位补偿电路210～相位追踪电路250，相位回复装置400进一步包含一判断电路260。如先前所述，由多个相位估计值θE的统计特性能看出一相位回复装置是否处于相加性白高斯噪声通讯环境。判断电路260便是用以根据相位估计电路230产生的N个相位估计值θE判断相位回复装置400是否处于一相加性白高斯噪声(AWGN)通讯环境。判断电路260的判断结果可以提供所属接收端中其他的电路参考，例如据以决定是否应调整信号处理程序的设定。也就是说，相位回复装置400在进行相位回复的过程中产生的中间信号(相位估计值θE)能被进一步利用。须说明的是，无论相位回复装置400中的初始值设定电路240采用哪一种初始值设定机制，都不会影响判断电路260的判断结果。
[0059] 根据本发明的另一实施例为一种相位回复方法，其流程图如图5所示。此相位回复方法是应用于交错出现的N段已知数据与N段未知数据，其中N为大于一的一正整数，i为范围在1到N间的一整数指标。步骤S501～步骤S506会被依序施加于各个整数指标i。首先，步骤S501为根据一相位补偿信号对该N段已知数据中的一第i段已知数据进行相位补偿，以产生一第i段补偿后已知数据。步骤S502为根据该第i段补偿后已知数据产生一第i相位估计值。步骤S503为根据该第i相位估计值产生一第i初始相位误差，并且选择性地将已产生的多个相位估计值纳入考虑。步骤S504为根据该第i初始相位误差初始化施加于该N段未知数据中一第i段未知数据的该相位补偿信号。步骤S505为根据该相位补偿信号对该第i段未知数据进行相位补偿，以产生一第i段补偿后未知数据。步骤S506为对该第i段补偿后未知数据施以一相位追踪程序，以调整施加于该第i段未知数据的该相位补偿信号。
[0060] 本发明所属技术领域中普通技术人员可理解，先前在介绍相位回复装置200、400时描述的各种操作变化亦可应用至图5中的相位回复方法，其细节不再赘述。
[0061] 借由以上具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲
申请的
专利范围的范畴内。此外，本揭露书中的数学表示式是用以说明与本发明的实施例相关的原理和逻辑，除非有特别指明的情况，否则不对本发明的范畴构成限制。本发明所属技术领域中普通技术人员可理解，有多种技术可实现这些数学式所对应的物理表现形式。
[0062] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的
修改和完善，因此本发明的保护范围当以
权利要求书所界定的为准。
