CN100483532C - 调整数字滤波器的方法与相关装置 - Google Patents

Abstract

一种调整一数字滤波器的系数的方法，其包括：依据该数字滤波器的一输出讯号与一比较值的比较结果，输出一误差值；以及依据该误差值进行一最小均方运算(Least Mean Square，LMS algorithm)，以调整该数字滤波器的系数。

Description

调整数字滤波器的方法与相关装置

技术领域

本发明提供一种调整数字滤波器的方法与相关装置，特别是一种利用LMS算法调整数字滤波器的方法与相关装置。

背景技术

请参考图1所示传统光盘片上的讯号刻痕的示意图。当一传统光学储存装置(例如光盘刻录机、DVD录像机等等)透过激光刻录数据至一CD或DVD光盘片时，由于激光的强度无法精准地与每一光盘片的特性配合，因此，刻录后的凹洞(pit)可能比正常情况来得短/长/宽/窄。

例如，图1中的凹洞102、104或106，是代表正常刻录(normal-etching)情况下所产生的结果，凹洞112、114或116是表示过度刻录(over-etching)的结果，这类凹洞的宽度或长度会超过正常的情况。至于凹洞122、124或126则属于刻录不足(under-etching)的情况，如图1所示，这类凹洞的长度或宽度会小于正常的情形。

因此，自光盘片上所读出的讯号，除了有符码间干扰(inter-symbolinterference，ISI)的问题，还存在有非线性的现象，进而导致讯号品质的恶化。故传统的光学存取装置通常会设置一均衡器，用来改善自光盘片所读出的讯号的品质。

然而，在传统技术中，光学存取装置中的均衡器的系数，会受限于出厂前所设定的值，无法随着所读取的光盘片的实际情况做动态调整，故无法维持最佳的讯号等化效能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种动态调整数字滤波器的系数的方法，以解决上述问题。

本发明的优选实施例中提供一种调整一数字滤波器的系数的方法，其包含有：依据该数字滤波器的一输出讯号与一比较值的比较结果，输出一误差值；以及依据该误差值进行一最小均方运算(Least Mean Square，LMSalgorithm)，以调整该数字滤波器的系数。该比较值小于该数字滤波器的讯号眼状图中，最小眼睛的高度的一半。

本发明另提供一种数字滤波器的系数调整装置，其包含有：一判断单元，耦合于该数字滤波器，用以对该数字滤波器的一输出讯号与一比较值进行比较，并输出一比较结果；以及一最小均方(Least Mean Square，LMS)运算单元，与该判断单元耦接，用以依据该比较结果及该输出讯号进行一最小均方运算，并依据该最小均方运算结果调整该数字滤波器的系数。该最小均方运算单元更包括：一比较器，耦合于该判断单元，用以对该输出讯号进行符号函数运算，并输出一运算结果；一误差值计算单元，耦合于该比较器，用以依据该运算结果与该输出讯号输出一误差值；以及一系数调整单元，用以依据该比较结果及该误差值进行一最小均方运算，以调整该数字滤波器的系数。

附图说明

图1为传统光盘片上的讯号刻痕的示意图。

图2为本发明用于光学存取装置中的讯号处理装置的示意图。

图3为本发明的数字滤波器的示意图。

图4为本发明的调整数字滤波器的系数的流程图。

图5为本发明的数字滤波器的讯号眼状图。

图6为本发明的数字滤波器系数调整装置的一实施例的功能方块图。

符号说明

102、104、106、112、114、         光盘片上的刻录凹洞

116、122、124、126

200                               讯号处理装置

210                               模拟数字转换电路

220                               数字滤波器

230                               数字滤波器系数调整装置

602                               判断单元

604                             比较器

606                             误差值计算单元

608                             系数调整单元

610                             比较值调整单元

具体实施方式

图2所示为本发明用于光学存取装置中的讯号处理装置的示意图。讯号处理装置200包含有一模拟数字转换电路(ADC)210，用来将一CD或一DVD光盘片的读出讯号由模拟格式转换为一数字讯号Sin；一数字滤波器220，用来对该数字讯号Sin进行等化处理，并输出一等化后的讯号Sout；以及一数字滤波器系数调整装置230，用来动态调整数字滤波器220的系数，以使数字滤波器220维持最佳的等化效能。由上述可知，在本发明的讯号处理装置200中，数字滤波器220是用来实现一讯号均衡器的功能，且为了降低电路成本，在本实施例中，数字滤波器220是利用线性滤波器来实现，如图3所示。

一般而言，常用的LMS运算法可表示为以下通式：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-{\hat{W}}^H\left(n\right)\·U\left(n\right)$

$\hat{W}(n+1)=\hat{W}\left(n\right)+\mathrm{\μ}\·U\left(n\right)\·e*\left(n\right)$

其中，d(n)为时间点n时，输出讯号的理想响应(desired response)。U(n)为时间点n时数字滤波器220的输入向量(tap-input vector)，而为时间点n时，数字滤波器的系数向量的估计值(estimate of tap-weight vector)。数字滤波器220于时间点n时，依据其系数

对输入讯号U(n)执行等化(equalization)运算后的实际输出讯号Sout，其数学表示式为

e(n)为上述两者之差，亦即在时间点n时，理想输出讯号与实际输出讯号的误差。μ为步阶参数(step-size parameter)，而

为时间点n+1时的数字滤波器220的系数向量的估计值(estimate of tap-weight vector)。

理论上，依据上述的最小均方运算法，数字滤波器系数调整装置230即可调整适合(adaptive)的数字滤波器220的系数。但是在实作上，前述LMS运算法中d(n)确实的值通常是无法很正确的量测得知的。而且在实际的CD/DVD系统里，要解调该输出讯号

时，通常只需要判断该输出讯号

的二元值，亦即，判断该输出讯号为正或负即可。

另外，等化后的输出讯号Sout的正负讯号之差越大，代表讯号的品质越好。若以讯号眼状图(eye diagram)来说明，则眼状图的眼睛(eye)张开越大，代表讯号的品质越好。因此，在一优选实施例中，数字滤波器系数调整装置230在输出讯号Sout的绝对值小于一比较值f时，即选取与零准位差距小于比较值f的输出讯号值来执行LMS运算法，并依据其运算结果调整数字滤波器220的系数。故本发明的优选实施例中所使用的LMS运算法可表示为：

$\hat{W}(n+1)=\hat{W}\left(n\right)+\mathrm{\μ}\·U\left(n\right)\·e*\left(n\right)$

其中，U(n)为时间点n时数字滤波器220的输入向量(tap-input vector)，而

为时间点n时，数字滤波器的系数向量的估计值(estimate oftap-weight vector)。f为比较值；数字滤波器220于时间点n时，依据其系数

对输入讯号U(n)执行等化(equalization)运算后的实际输出讯号Sout，其数学表示式为 表示输出讯号Sout的二元值。e(n)为上述两者之差。μ为步阶参数(step-size parameter)。

为目前数字滤波器220的系数向量的估计值，而

为下一个时间点n+1时的数字滤波器220的系数向量的估计值(estimate of tap-weight vector)。

在一优选实施例中，f值需小于讯号眼状图中最小的眼睛的高度的一半。以图5为例，f的值需小于h/2，其中，h为此讯号眼状图中最小眼睛的高度。

以讯号眼状图来看，讯号品质的好坏可由眼睛的高度h来表示。h越大，代表正/负讯号的大小差异越大，讯号的品质就越好。因此，在一开始执行数字滤波器220的系数调整时，f可优选地先选取较小的值，例如：一开始先设f为0，之后再慢慢往增加f值。亦即一开始先只挑选在直流电平附近的输出讯号值来执行LMS运算，调整数字滤波器220的系数。如此，会使均衡器调整系数的方向较为准确。之后，再选取与直流电平相差较大的输出讯号来调整数字滤波器220的系数。

请参照图6，其所示为本发明的数字滤波器系数调整装置230的一实施例的功能方块图。在本实施例中，数字滤波器系数调整装置230包括：一判断单元602、一比较器604、一误差值计算单元606、一系数调整单元608及一比较值调整单元610。上述各个组件的功用兹分述于下。判断单元602是用以比较输出讯号Sout(亦即

)及比较值f。在本实施例中，当输出讯号Sout的量值大于比较值f，则数字滤波器系数调整装置230不执行最小均方运算。此时，判断单元602会直接输出一比较结果，例如：0，到系数调整单元608。若输出讯号Sout的量值小或等于比较值f，则数字滤波器系数调整装置230会对输出讯号Sout进行最小均方运算。此时，判断单元602会输出输出讯号Sout至比较器604。

比较器604与判断单元602耦接，是用以比较输出讯号

与一参考值ref(例如讯号的直流电平)的大小，以决定该输出讯号

的二元值(或正负号)Sout’。在一优选实施例中，比较器是利用一限幅器(slicer)来实现，用来对数字滤波器220的输出讯号Sout(亦即

进行符号函数(sign function)运算，并以运算的结果作为LMS运算法中的d(n)值。

误差值计算单元606与比较器604耦接，用以依据比较器604的输入及输出讯号的差来决定误差值e(n)的大小。在一优选实施例中，误差值计算单元606可用一加法器来实现，如图6所示。

系数调整单元608分别与判断单元602及误差值计算单元606耦接。在本实施例中，当系数调整单元608收到自判断单元602输出的比较结果值，例如：0时，系数调整单元608不会调整数字滤波器的系数。而当系数调整单元608收到自误差值计算单元606输出的误差值e(n)时，系数调整单元608则会依据上文所述的最小均方运算的式子： $\hat{W}(n+1)=\hat{W}\left(n\right)+\mathrm{\μ}\·U\left(n\right)\·e*\left(n\right),$ 调整数字滤波器220的系数。

比较值调整单元610，与判断单元602耦接，用以调整输出至判断单元602的比较值f的大小。在本实施例中，可以设定每当数字滤波器系数调整装置230执行过一定次数的最小均方运算，或是数字滤波器系数调整装置230每执行一预设时间后，比较值调整单元610即调整比较值f的大小。如上文所述，在本实施例中，比较值f是先设定为一较小值，再逐渐增大。且比较值f的最大值系小于讯号眼状图中，最小的眼睛的高度(h)的一半，即h/2。

图4所示为本发明的数字滤波器系数调整装置230调整数字滤波器220的系数的流程图，其所包含的步骤兹分述如下：

首先，判断单元602会执行步骤402，判断输出讯号Sout的量值是否小或等于比较值f。若是，则执行步骤404，依据一参考值ref，例如：直流电平，决定数字滤波器220的输出讯号Sout(即

)的二元值，亦即依据输出讯号Sout的符号来产生一结果讯号Sout’。在一优选实施例中，比较器604系依据直流电平对数字该输出讯号

进行符号函数运算来产生该结果讯号Sout’，并以该结果讯号Sout’的值作为LMS运算法中的d(n)值。例如，当该输出讯号

大于该直流电平时，比较器604会输出1，当该输出讯号

小于该直流电平时，比较器604会输出-1。

接着，误差值计算单元606会进行步骤406，依据该结果讯号Sout’(亦即d(n)的值)以及输出讯号Sout的差来产生一误差值e(n)。

在步骤408中，系数调整单元608会依据误差值e(n)来估计并调整下一个时间点n+1时，数字滤波器220的系数。在本实施例中，系数调整单元608系于该输出讯号Sout的正负讯号中间的空间小于比较值f时，才启动LMS运算法来调整数字滤波器220的系数。如前所述，该比较值f的大小是取决于数字滤波器220的讯号眼状图(eye diagram)中的最小眼睛(eye)的高度。例如，若数字滤波器220的讯号眼状图中，最小的眼睛的高度为h，则该比较值f的大小可设为一小于h/2之值。实作上，由于数字滤波器220的前级会设置一自动增益控制(AGC)电路，故借由经验法则或是调整该自动增益控制电路，可得知h的大小，在此不予赘述。

换言之，在步骤408中，若该输出讯号

的绝对值小于或等于该比较值f，代表数字滤波器220的系数设定不理想，故系数调整单元608会依据该误差值e(n)执行一最小均方运算法(LMS algorithm)，以调整该数字滤波器的系数。反之，若该输出讯号

大于该比较值f，则系数调整单元608便不会执行LMS运算法。

接着，执行步骤410。为了让数字滤波器220能顺利改善讯号等化的效果，亦即扩大输出讯号的眼图中的眼睛高度，在本实施例中，比较值调整单元610，会将该比较值f慢慢地由0往上提升至一固定值。举例而言，在另一实施例中，比较值调整单元610会将该比较值f设为接近0的初始值(例如0.1)，以进行如前述步骤402至408的运作，并会累计系数调整单元608执行LMS运算法的次数。当系数调整单元608执行LMS运算法的次数小于一默认值时，代表该输出讯号Sout的正负讯号之差，已增加到该比较值f的两倍(亦即0.2)以上。此时，比较值调整装置610会执行步骤412，调增该比较值f的大小，例如调升至0.2，再继续进行调整数字滤波器220的系数的步骤402～408。以此类推，直到系数调整单元608执行LMS运算法的次数超过该默认值时，表示数字滤波器220的系数已调整至优选的情况，故系数调整单元608会停止执行LMS运算法。

在另一实施例中，若系数调整单元608在一预定时间内会执行LMS运算法，则表示在此比较值f的条件下，数字滤波器220的系数尚未调整至一优选设定。故会继续地执行步骤402～408。当系数调整单元608在一预定时间内没有执行LMS运算法时，则表示在此比较值f的条件下，数字滤波器220的系数已调整至一优选设定。此时，执行步骤412，调增比较值f。

在本实施例中，由于比较值f需小于讯号眼状图中，最小的眼睛的高度(h)的一半(h/2)，故在调整比较值f后，需执行步骤414，检查比较值f是否仍小于h/2。若是，则继续执行上述步骤。若否，则结束数字滤波器220的系数调整动作。

另外，前述调整数字滤波器220的系数的步骤顺序，仅是本发明的一优选实施例，并非限定本发明的系数调整方法的实施顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡在本发明权利要求范围内所做的均等变化与修饰，均应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种调整一数字滤波器的系数的方法，其包括：

依据该数字滤波器的一输出讯号与一比较值的比较结果，输出一误差值；以及

依据该误差值进行一最小均方运算，以调整该数字滤波器的系数，

其中该比较值小于该数字滤波器的讯号眼状图中，最小眼睛的高度的一半，

该最小均方运算表示为：

$\hat{W}(n+1)=\hat{W}\left(n\right)+\mathrm{\μ}\·U\left(n\right)\·e*\left(n\right)$

其中，U(n)为该数字滤波器的一输入讯号向量；

为当时该数字滤波器的系数向量；

为该输出讯号的数学表示式；f为该比较值；为对该输出讯号执行符号函数运算的结果；e(n)为该误差值；μ为步阶参数；且

为调整后该数字滤波器的系数向量。

2.如权利要求1所述的方法，其中若该输出讯号的量值大于该比较值，则输出的该误差值为0；若该输出讯号的量值小于或等于该比较值，则输出的该误差值是经由下列步骤所决定：

对该输出讯号进行一符号函数运算；以及

依据该符号运算的结果与该输出讯号的差，计算该误差值；

其中该输出讯号是自一光盘或一数字多用途光盘读出的讯号。

3.如权利要求1所述的方法，其中该方法更包括：

当该最小均方算法的运作次数达到一默认值，或该最小均方算法的运作超过一预设时间时，调整该比较值。

4.一种数字滤波器的系数调整装置，其包括：

一判断单元，耦合于该数字滤波器，用以对该数字滤波器的一输出讯号与一比较值进行比较，并输出一比较结果；以及

一最小均方运算单元，与该判断单元耦接，用以依据该比较结果及该输出讯号进行一最小均方运算，并依据该最小均方运算结果调整该数字滤波器的系数；

其中该数字滤波器是用来处理自一光盘或一数字多用途光盘读出的讯号，

该最小均方运算单元更包括：

一比较器，耦合于该判断单元，用以对该输出讯号进行符号函数运算，并输出一运算结果；

一误差值计算单元，耦合于该比较器，用以依据该运算结果与该输出讯号的差输出一误差值；以及

一系数调整单元，用以依据该比较结果及该误差值进行一最小均方运算，以调整该数字滤波器的系数，

其中，该最小均方运算单元的运作表示为：

$\hat{W}(n+1)=\hat{W}\left(n\right)+\mathrm{\μ}\·U\left(n\right)\·e*\left(n\right)$

其中，U(n)为该数字滤波器的一输入讯号向量；

为当时该数字滤波器的系数向量；

为该输出讯号的数学表示式；f为该比较值；为对该输出讯号执行符号函数运算的结果；e(n)为该误差值；μ为步阶参数；且

为调整后该数字滤波器的系数向量。

5.如权利要求4所述的装置，其中当该输出讯号的量值大于该比较值时，该系数调整单元不会调整该数字滤波器的系数；而当该输出讯号的量值小或等于该比较值时，该系数调整单元会执行该最小均方运算法。

6.如权利要求4所述的装置，其还包括：

一比较值调整单元，与该判断单元耦接，用以调整该比较值；

其中当该系数调整单元执行该最小均方算法的次数达到一默认值时，该比较值调整单元会调整该比较值，或者当该系数调整单元运作达一预设时间时，该比较值调整单元会调整该比较值。

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