TWI892559B

TWI892559B - 訊號群延遲計算方法

Info

Publication number: TWI892559B
Application number: TW113112449A
Authority: TW
Inventors: 王至詰; 陳威凱
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2024-04-02
Filing date: 2024-04-02
Publication date: 2025-08-01
Also published as: US20250306168A1; TW202541443A

Abstract

一種訊號群延遲計算方法，使用包含一訊號產生裝置以及一訊號分析裝置的訊號群延遲計算系統。訊號群延遲計算方法包含：(a) 該訊號產生裝置產生一第一輸入訊號至該訊號分析裝置；(b) 該待測裝置接收該第一輸入訊號來產生一第一輸出訊號；(c) 該訊號分析裝置將該第一輸出訊號與該第一輸入訊號進行時域的對齊以產生一第二輸出訊號；(d) 該訊號分析裝置將該第二輸出訊號與該第一輸入訊號進行頻域的對齊以產生一第三輸出訊號；以及(e) 該訊號分析裝置根據該第一輸入訊號以及該第三輸出訊號來計算一相對訊號群延遲。

Description

訊號群延遲計算方法

本發明有關於一訊號群延遲計算方法，特別有關於在具有較低PAPR(Peak-to-Average Power.Ratio，峰值對平均功率比)的情況下可讓待測裝置的輸入訊號以及輸出訊號具有不同頻率的訊號群延遲計算方法。

近年來各無線技術紛紛推出室內的定位技術，相較於室外用的定位裝置，室內定位技術的定位範圍較小，但更精準。室內定位可使用TOF(Time of Flight，飛時測距)來進行距離量測。TOF可藉由收發訊號計算出兩電子裝置間的距離。第1圖繪示了習知技術中TOF的示意圖，如第1圖所示，電子裝置D_1(傳送裝置)發出訊號給電子裝置D_2，並開始計時(T0)。電子裝置D_2(接收裝置)收到訊號後(T1)，記錄電子裝置D_2處理的時間(T2-T1)並傳送回覆給裝置電子裝置D_1。電子裝置D_1收到回覆後(T3)計算總時間(T3-T0)並扣除電子裝置D_2的處理時間後(T2-T1)，可以得到訊號在空氣中傳播的時間，最後乘上光速除以來回次數2即可得到兩電子裝置間的距離。其中訊號在電子裝置中或線路中的傳遞時間，即所謂的訊號群延遲(Group delay)，會使量測距離時產生誤差。因此需要量測訊號群延遲來校正此誤差。

習知的訊號群延遲量測方法會產生一輸入訊號(測試訊號)給一待測裝置來產生輸出訊號以量測訊號群延遲。然而，習知的訊號群延遲量測方法通常會需要具相同頻率的輸入訊號和輸出訊號，或是測試訊號的頻率較為受限。有些訊號群延遲量測方法會使用多音頻(multi-tone)的測試訊號，但會可能造成較高的PAPR，進而影響訊號群延遲測量的準確度。

本發明一目的為提供一種在具有較低PAPR的情況下可讓待測裝置的輸入訊號以及輸出訊號具有不同頻率的訊號群延遲計算方法。

本發明一實施例揭露了一種訊號群延遲計算方法，使用在一訊號群延遲計算系統上，該訊號群延遲計算系統包含一訊號產生裝置以及一訊號分析裝置。訊號群延遲計算方法包含：(a)該訊號產生裝置根據一控制訊號而產生一第一輸入訊號至該訊號分析裝置；(b)該待測裝置接收該第一輸入訊號來產生一第一輸出訊號至該訊號分析裝置；(c)該訊號分析裝置將該第一輸出訊號與該第一輸入訊號進行時域的對齊以產生一第二輸出訊號；(d)該訊號分析裝置將該第二輸出訊號與該第一輸入訊號進行頻域的對齊以產生一第三輸出訊號；以及(e)該訊號分析裝置根據該第一輸入訊號以及該第三輸出訊號來計算一相對訊號群延遲，並根據該相對訊號群延遲來計算一訊號從該訊號產生裝置傳送至該待測裝置再傳送至該訊號分析裝置的一訊號群延遲。

根據前述實施例中的訊號群延遲計算方法，輸入訊號和輸出訊號不須相同頻率，測試訊號的頻率也較不受限，且未使用多音頻的測試訊號，因此不會有高PAPR來影響訊號群延遲測量的準確度。此外，零中頻發射機無法藉由傳統方法量測，但只需要輸入波形從雙端(I+jQ)改為單端(I+j0)即可使用本發明所提供的訊號群延遲計算方法。

200、400:訊號群延遲計算系統

SG:訊號產生裝置

SA:訊號分析裝置

Mix:混頻器

第1圖繪示了習知技術中TOF的示意圖。

第2圖繪示了根據本發明一實施例的訊號群延遲計算系統的示意圖。

第3圖繪示了第2圖中的訊號群延遲計算系統的觸發訊號和測試訊號的示意圖。

第4圖繪示了根據本發明另一實施例的訊號群延遲計算系統的示意圖。

第5圖繪示了根據本發明一實施例的，第2圖所示的訊號群延遲計算系統之動作的流程圖。

第6圖和第7圖繪示了根據本發明實施例的，補償時間偏移和頻率偏移的示意圖。

第8圖繪示了對相位差進行平滑化的示意圖。

第9圖繪示了根據本發明一實施例的，訊號群延遲計算方法的流程圖。

以下將以多個實施例來描述本發明的內容，以下描述中的”第一”、”第二”以及類似描述僅用來定義不同的元件、參數、資料、訊號或步驟。並非用以限定其次序。舉例來說，第一裝置和第二裝置可為具有相同結構但為不同的裝置。

第2圖繪示了根據本發明一實施例的訊號群延遲計算系統200的示意圖。訊號群延遲計算系統200也可稱為訊號群延遲計算裝置200。如第2圖所示，訊號群延遲計算系統200包含一訊號產生裝置SG以及一訊號分析裝置SA。訊號產生裝置SG會產生測試訊號，此測試訊號在輸入至待測裝置DUT前稱為輸入訊號S_I，而被待測裝置DUT接收再輸出後稱為輸出訊號S_O。訊號分析裝置SA會接收輸入訊號S_I以及輸出訊號S_O並根據輸入訊號S_I以及輸出訊號S_O計算出訊號群延遲。計算訊號群延遲的步驟將於底下詳述。訊號產生裝置SG可包含一處理電路、或多種邏輯單元，或多種主動元件/被動元件來執行其功能。同樣的，訊號分析裝置SA可包含一處理電路、或多種邏輯單元，或多種主動元件/被動元件來執行其功能。

訊號產生裝置SG以及訊號分析裝置SA可進行同步機制來確保彼此的運作是同步的。在一實施例中，訊號產生裝置SG以及訊號分析裝置SA會使用相同的同步時脈訊號CLK_S，且訊號產生裝置SG會產生一觸發訊號TS給訊號分析裝置SA來進行同步。第3圖繪示了第2圖中的訊號群延遲計算系統的觸發訊號和測試訊號的示意圖。如第3圖所示，訊號產生裝置SG產生輸入訊號S_I(測試訊號)以及觸發訊號TS，而訊號分析裝置SA會接收到待測裝置DUT產生的輸出訊號S_O以及觸發訊號TS。訊號分析裝置SA接收到觸發訊號TS便開始或準備開始計算訊號群延遲。

訊號分析裝置SA接收到的輸出訊號S_O以及觸發訊號TS間通常會有延遲TD。在一實施例中，此延遲TD包含三類延遲TA,TB和TC。延遲TA通常是因為裝置設定而產生的不固定延遲，例如若訊號產生裝置SG和訊號分析裝置SA運作一段時間後可能因為裝置狀況變化產生延遲TA、訊號產生裝置SG和訊號分析裝置SA在不同模式間切換也可能產生延遲TA、訊號產生裝置SG產生測試訊號時也可能產生延遲TA。延遲TB是由環境引起的固定延遲，例如訊號的傳送線路引起的延遲。延遲TC則是由待測裝置引起的訊號群延遲，以下實施例可用以計算出此訊號群延遲。

請再回到第2圖，在第2圖的實施例中，輸入訊號S_I和輸出訊號S_O具有相同的頻率。然而，待測裝置DUT可能對輸入訊號S_I進行升頻或降頻，使得輸入訊號S_I和輸出訊號S_O具有不同的頻率。此狀況下，若直接以頻率不同的輸入訊號S_I和輸出訊號S_O計算訊號群延遲，可能會得到不正確的值。第4圖繪示了根據本發明另一實施例的訊號群延遲計算系統400的示意圖。除了第2圖所示的元件之外，訊號群延遲計算系統400更包含一混頻器Mix，其可改變輸入訊號S_I的一輸入頻率，使訊號分析裝置SA所接收的輸出訊號S_O的一輸出頻率與輸入訊號S_I的輸入頻率相同。

以下將以第5圖詳細說明計算訊號群延遲的步驟。在一實施例中，會先確認訊號產生裝置SG不會造成延遲或其延遲可忽略後，才開始進行計算訊號群延遲的步驟。具體言之，此確定步驟會在產生輸入訊號S_I的一預定時間內產生一參考輸入訊號S_R(亦即另一個輸入訊號)，然後計算輸入訊號S_I與輸出訊號S_O間的一第二時間偏移以及計算參考輸入訊號S_R與輸出訊號S_O間的一第三時間偏移。第二時間偏移與第三時間偏移的差異小於一差異臨界值時(即訊號產生裝置SG不會造成延遲或造成可忽略的延遲)才開始進行計算訊號群延遲的步驟，若差異大於差異臨界值時(即訊號產生裝置SG造成不可忽略的延遲)則不進行計算訊號群延遲的步驟。

第5圖繪示了根據本發明一實施例的，第2圖所示的訊號群延遲計算系統之動作的流程圖。還請留意，為了方便說明，在第5圖的流程圖中，會以第一輸入訊號S_I1代表訊號分析裝置SA所接收的輸入訊號S_I，並以第一輸出訊號S_O1代表訊號分析裝置SA所接收的輸出訊號S_O，且會以其他名稱來代表根據輸入訊號S_I或輸出訊號S_O所產生的訊號。第5圖的流程圖包含以下步驟：

步驟501

訊號分析裝置SA抓取第一輸入訊號S_I1以及第一輸出訊號S_O1。

在一實施例中，為了避免訊號抖動的影響，會抓取輸入訊號S_I以及輸出訊號S_O複數個訊號週期(例如100個訊號週期)的訊號來進行後續的計算。

步驟503

訊號分析裝置SA將第一輸出訊號S_O1與第一輸入訊號S_I1進行時域的對齊以產生一第二輸出訊號S_O2。

在一實施例中，會計算第一輸出訊號S_O1與第一輸入訊號S_I1在複數個訊號週期內的複數個第一時間偏移，並以該些第一時間偏移中一最大時間偏移來補償第一輸出訊號S_O1以產生第二輸出訊號S_O2。

在一實施例中，是將第一輸出訊號S_O1進行傅利葉轉換後，在頻域對時間平移後回時域跟第一輸入訊號S_I1進行內積，並重覆此步驟找出複數個訊號週期內的最大時間偏移，其具體方程式的其中一例可如下所示：S_O2temp(t_offset)=IFFT(FFT(S_O1)e ^jwt_offset) Corre2(t_offset)=S_I1．S_O2temp(t_offset) S_O2=S_O2temp(t_offset,max)

此最大時間偏移(t_offset,max)可視為待測裝置DUT造成的訊號整體時間偏移(也就是第3圖中的延遲TC)。在一實施例中，會根據此最大時間偏移(t_offset,max)來補償第一輸出訊號S_O1以產生第二輸出訊號S_O2。如第6圖所示，第一輸出訊號S_O1在經過補償後形成了第二輸出訊號S_O2，第二輸出訊號S_O2的波形會和第一輸入訊號S_I1的波形相同或類似。由於第二輸出訊號S_O2的波形和第一輸入訊號S_I1的波形高度重疊，所以第一輸入訊號S_I1的波形在第 6圖中並未繪示。

步驟505

以訊號分析裝置SA將第二輸出訊號S_O2與第一輸入訊號S_I1進行頻域的對齊以產生一第三輸出訊號S_O3。

在一實施例中，會計算第二輸出訊號S_O2與第一輸入訊號S_I1在複數個訊號週期內的複數個頻率偏移；並以該些頻率偏移中一最大頻率偏移來補償第二輸出訊號S_O2以產生第三輸出訊號S_O3。

在一實施例中，是將第二輸出訊號S_O2在時域對頻率平移後跟第一輸入訊號S_I1進行內積，並重覆此步驟找出最大頻率偏移，其具體方程式的其中一例可如下所示：S_O3temp(f_offset)=S_O2e ^{j2πtf_offset} Corre3(f_offset)=S_I1．S_O3temp(f_offset) S_O3=S_O3temp(f_offset,max)

在一實施例中，會根據最大頻率偏移(f_offset,max)來補償第二輸出訊號S_O2以產生第三輸出訊號S_O3。如第7圖所示，第二輸出訊號S_O2在經過補償後產生了第三輸出訊號S_O3。第三輸出訊號S_O3的峰值與第一輸入訊號S_I1的峰值相同。

步驟507

對第三輸出訊號S_O3進行一頻域零點減少步驟以產生一第四輸出訊號S_O4，並對第一輸入訊號S_I1進行頻域零點減少步驟以產生一第二輸入訊號 S_I2。

在某些狀態下，若步驟501中截取的訊號過長，其頻域會出現較多零點。此狀態下，可採用頻域零點減少步驟例如降取樣等來減少零點，其具體方程式的其中一例可如下所示：S_O4=down sampling(FFT(S_O3)) S_I2=down sampling(FFT(S_I1))

步驟509

降低一直流音頻(DC tone)對第四輸出訊號S_O4之相位的影響來產生一第五輸出訊號S_O5。

若測試訊號的波形頻段中心為直流時，其相位會受到直流音頻的影響，此狀態下可取直流左右之兩個測量點的平均值取代其值，其具體方程式的其中一例可如下所示：S_O5=ignore DC(S_O4)

步驟511

對第二輸入訊號S_I2以及第五輸出訊號S_O5的複數個相位差進行平滑化來得到複數個相位偏移。

詳細言之，將第二輸入訊號S_I2以及第五輸出訊號S_O5的相位相減可得到複數個相位差，而平滑化是取複數個相位差的平均來做為相位偏移，例如取20個相位差之平均做為相位偏移。

步驟513

將相位偏移對至少一角頻率做微分加負號來計算一相對訊號群延遲，並將步驟503計算出的最大時間偏移加上相對訊號群延遲來計算整體的訊號群延遲。

在一實施例中，也可不進行步驟511而直接將相位差對至少一角頻率做微分來計算相對訊號群延遲，此狀況下相對訊號群延遲的訊號波形會有較明顯的不平滑狀況。如第8圖所示，相對訊號群延遲的訊號波形在不執行步驟511的平滑化狀況下會有明顯的鋸齒狀波形，也就是短時間內的變動較明顯。相對訊號群延遲的訊號波形在執行步驟511的平滑化後會有較平緩的波形，也就是短時間內的變動較低。

此外，由於相對訊號群延遲反應出的主要是頻率偏移所造成的延遲，因此會將其加上步驟503計算出的最大時間偏移來計算訊號群延遲。在一實施例中，會再根據環境造成的延遲(也就是第3圖中的延遲TB)來計算訊號群延遲。舉例來說，若訊號分析裝置SA是如第4圖所示般接收由混頻器Mix輸出的輸入訊號S_I，則因為輸入訊號S_I已經被混頻器Mix延遲過，則須扣除混頻器Mix的延遲才是實際的訊號群延遲。

第5圖所示的步驟可用以量測各種裝置或元件。舉例來說，可用來量測訊號收發裝置的傳送路徑、接收路徑或者是傳送路徑加上接收路徑，但並不限定。此外，本發明的範圍不限制於要包含第5圖所示的所有步驟，本領域技術人員當可根據實際需求刪除或修改部份步驟。舉例來說，第5圖的流程圖可移除步驟507、509、511至少其一。在此狀況下，步驟513所處理的訊號也會相對應的改變。舉例來說，若步驟507、509、511均被移除，則步驟513會根據第一輸入訊號S_I1以及第三輸出訊號S_O3來計算相對訊號群延遲。在另一例中，若步驟509、511均被移除，則步驟513會根據第二輸入訊號S_I2以及第四輸出訊號S_O4來計算相對訊號群延遲。此類變化均應包含在本發明的範圍內。

根據前述實施例，可以得到一訊號群延遲計算方法。第9圖繪示了根據本發明一實施例的，訊號群延遲計算方法的流程圖。此訊號群延遲計算方法使用在一訊號群延遲計算系統上。訊號群延遲計算系統包含一訊號產生裝置(例如第2圖中的SG)以及一訊號分析裝置(例如第2圖中的SA)，訊號群延遲計算方法包含以下步驟：

步驟901

訊號產生裝置根據一控制訊號而產生一第一輸入訊號(例如第1圖的輸入訊號S_I)至訊號分析裝置。

此控制訊號可由訊號產生裝置外部或內部的一控制電路(例如處理電路)來產生。

步驟903

待測裝置(例如第2圖的待測裝置DUT)接收第一輸入訊號來產生一第一輸出訊號(例如第1圖的輸出訊號S_O)至訊號分析裝置。

步驟905

訊號分析裝置將第一輸出訊號與第一輸入訊號進行時域的對齊以產生一第二輸出訊號(例如第5圖的第二輸出訊號S_O2)。

步驟905

訊號分析裝置根據第二輸出訊號將第一輸出訊號與第一輸入訊號進行頻域的對齊以產生一第三輸出訊號(例如第5圖的第三輸出訊號S_O3)。

步驟907

訊號分析裝置根據第一輸入訊號以及第三輸出訊號來計算一相對訊號群延遲，並根據相對訊號群延遲來計算一訊號從訊號產生裝置傳送至待測裝置再傳送至該訊號分析裝置的一訊號群延遲。

第9圖的實施例對應的是第5圖不包含步驟507-511的例子。如前所述，若包含了步驟507-511至少其一，則用以計算相對訊號群延遲的訊號會有所不同。第9圖的其他詳細步驟可由前述實施例推得，故在此不再贅述。在計算出訊號群延遲後，可根據訊號群延遲使用在各種不同的運用，若使用在前述的TOF定位方法時，可根據訊號群延遲對訊號在空氣中傳播的時間進行補償，以計算傳送裝置以及接收裝置間的精確距離。

本發明所提供的訊號群延遲計算方法未限定使用波形，但利用具較小PAPR(Peak-to-Average power ratio，功率峰均比)的波型可具有更好的準確性。例如，可使用雙端輸入(I+jQ)的線性調頻訊號(例如Chirp訊號)。

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。

200:訊號群延遲計算系統

SG:訊號產生裝置

SA:訊號分析裝置

Mix:混頻器

Claims

一種訊號群延遲計算方法，使用在一訊號群延遲計算系統上，該訊號群延遲計算系統包含一訊號產生裝置以及一訊號分析裝置，該訊號群延遲計算方法包含下列步驟： (a) 該訊號產生裝置根據一控制訊號而產生一第一輸入訊號至該訊號分析裝置； (b) 一待測裝置接收該第一輸入訊號來產生一第一輸出訊號至該訊號分析裝置； (c) 該訊號分析裝置將該第一輸出訊號與該第一輸入訊號進行時域的對齊以產生一第二輸出訊號； (d) 該訊號分析裝置將該第二輸出訊號與該第一輸入訊號進行頻域的對齊以產生一第三輸出訊號；以及 (e) 該訊號分析裝置根據該第一輸入訊號以及該第三輸出訊號來計算一相對訊號群延遲，並根據該相對訊號群延遲來計算一訊號從該訊號產生裝置傳送至該待測裝置再傳送至該訊號分析裝置的一訊號群延遲。
如請求項1所述的訊號群延遲計算方法，該步驟(e)更包含：對該第三輸出訊號進行一頻域零點減少步驟以產生一第四輸出訊號；以及對該第一輸入訊號進行該頻域零點減少步驟以產生一第二輸入訊號；根據該第二輸入訊號以及該第四輸出訊號來計算該相對訊號群延遲。
如請求項2所述的訊號群延遲計算方法，該步驟(e)更包含：降低一直流音頻對該第四輸出訊號相位的影響來產生一第五輸出訊號；以及根據該第二輸入訊號以及該第五輸出訊號來計算該相對訊號群延遲。
如請求項3所述的訊號群延遲計算方法，該步驟(e)更包含：對該第二輸入訊號以及該第五輸出訊號的複數個相位差進行平滑化來得到複數個相位偏移；以及根據該些相位偏移來計算該相對訊號群延遲。
如請求項4所述的訊號群延遲計算方法，該步驟(e)更包含：將該些相位偏移對至少一角頻率做微分加負號來計算該相對訊號群延遲。
如請求項1所述的訊號群延遲計算方法，該步驟(c)包含：計算該第一輸出訊號與該第一輸入訊號在複數個訊號週期內的複數個第一時間偏移；以及以該些第一時間偏移中一最大時間偏移來補償該第一輸出訊號以產生該第二輸出訊號。
如請求項6所述的訊號群延遲計算方法，更包含：將該最大時間偏移加上該相對訊號群延遲來計算該訊號群延遲。
如請求項1所述的訊號群延遲計算方法，該步驟(d)包含：計算該第二輸出訊號與該第一輸入訊號在複數個訊號週期內的複數個頻率偏移；以及以該些頻率偏移中一最大頻率偏移來補償該第二輸出訊號以產生該第三輸出訊號。
如請求項1所述的訊號群延遲計算方法，其中該訊號群延遲計算系統更包含一混頻器，用以改變該第一輸入訊號的一輸入頻率，使該訊號分析裝置所接收的該第一輸出訊號的一輸出頻率與該輸入頻率相同。
如請求項1所述的訊號群延遲計算方法，更包含：產生該第一輸入訊號的一預定時間內產生一參考輸入訊號；計算該第一輸入訊號與該第一輸出訊號間的一第二時間偏移；計算該參考輸入訊號與該第一輸出訊號間的一第三時間偏移；該第二時間偏移與該第三時間偏移的差異小於一差異臨界值時才執行該步驟(c)、該步驟(d)以及該步驟(e)，若該差異大於該差異臨界值時不執行該步驟(c)、該步驟(d)以及該步驟(e)。