一種相位跟蹤系統的製作方法
2023-10-31 02:48:17 6
專利名稱：一種相位跟蹤系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於數字通信接收機中的相位跟蹤系統。
背景技術：
在1995年9月16日出版的文獻A/53「ATSC數位電視標準」中描述了美國的高級電視系統委員會(ATSC)所採納的高清晰度電視(HDTV)標準。該文獻闡明了有關HDTV信號特性的所有要求。尤其是，ATSC-HDTV信號需要抑制載波殘留邊帶調製格式，這是一種眾所周知的幅度調製方法。另外，頻率為抑制載波頻率的小的同相導頻信號被添加到低於平均信號功率的11.3dB信號中去。
在2001年5月15日授權給Wang的題為「用於HDTV接收機的分段同步恢復網絡」(SEGMENT SYNC RECOVERY NETWORK FOR AN HDTVRECEIVER)的美國專利NO.6,233,295中公開了一種典型的ATSC-VSB接收機解調方案。所公開的解調器包括以21.52MHz速率採樣的模數(A/D)轉換器，以採樣速率21.52MHz工作的載波跟蹤環路(CTL)，其後跟隨有以符號速率10.76MHz工作的符號定時環路(STL)，並跟隨有同步檢測器、均衡器和相位跟蹤器(即相位跟蹤環路)，這些裝置都以符號速率10.76MHz工作。
A/D轉換器以採樣頻率來採樣模擬信號，將每次採樣的信號轉換為具有特定位編號的數字採樣序列。
CTL執行的載波跟蹤遇到了發送機和接收機振蕩器之間的頻率偏移問題，引起了正弦載波信號的漂移，這或者是其設計所固有的或者是由於漂移引起的。該偏移將導致接收信號群旋轉並且妨礙了信號恢復。這種「旋轉」效應必須在能夠作出精確符號判決之前消除。使用載波跟蹤環路(CTL)就是為了消除這種頻率偏移並向下解調信號為基帶(從原來的中頻或接近基帶頻率)，從而在基帶能夠直接正確地處理接收到的信號。就VSB發送信號而言，由於實際上只發送了原始頻譜的一部分，因此通過將頻移信號下變換到基帶，能夠從射頻頻譜恢復全部信號頻譜。
STL執行定時恢復，並通過將接收機時鐘(時基)與發送機時鐘同步來處理，該同步是通過解碼嵌入發送VSB信號中的定時信號而獲得。為了實現符號同步，接收機必須判定兩個量即採樣頻率和採樣相位。採樣頻率被典型地規定但是振蕩器漂移將給規定的符號速率引入偏差。採樣相位包括確定符號周期中的校正時間，在此期間採取數據採樣。恢復定時信號的精確性基本上與發送的VSB定時信號的精確性相同。
同步檢測器通過相關來檢測嵌入到數據流中的場和分段同步信息，並且為了同步將該信息提供給其他的接收機模塊。
均衡是一種信號處理技術，該技術試圖校正接收信號中的線性失真，失真表現為ISI形式，主要是由信道惡化(例如，地面廣播信道中的多徑傳播)或者由在接收機或發送機中的濾波而產生。
因為相對而言CTL是窄帶，所以它不能跟蹤載波中出現的高頻相位噪聲(抖動)。這種相位抖動在複平面上表現為符號群的旋轉。由於這種原因，單獨的相位跟蹤環路(PTL)工作在均衡基帶信號的信道上，並在接收機中提供解旋信號群，從而使符號判決變得精確。這些PTL是針對判決的。也就是說，這些PTL計算與符號對應的每個接收群點相位和標準群點相位之間的相位差，其中該符號被判決為已經發送的最大可能性的符號。然後該相位差以完全已知的方式用於控制基帶信號的解旋。由於該系統已經被CTL鎖頻到載波上，為了相位跟蹤使用一階環路來最大化PTL帶寬。
圖1是用於ATSC-HDTV電視廣播通訊系統的現有技術的相位跟蹤環路方框圖。在圖1中，接收符號用調製為VSB信號的多電平信號表示，更準確地說，這種信號可以是一種抑制載波8-VSB、15-VSB或16-VSB調製信號。
在圖1中，輸入端5耦接到產生均衡基帶信號的接收機前端(未示出)，均衡的基帶信號表示連續的發送符號。該接收機前端可以包括，例如射頻調諧器、中頻放大器、模數轉換器、數字載波恢復電路、符號時鐘恢復電路、DC補償電路、場和分段同步信號檢測器、NTSC共信道幹擾消除電路，和自適應信道均衡器，全部都是已知結構和其中的大部分已經在上面描述過了。
輸入端5耦接到乘法器10的第一輸入端。乘法器10的輸出端耦接到延遲電路12和希爾伯特(Hilbert)濾波器14的各個輸入端。延遲電路10的輸出端耦接到複數複數乘法器22的第一複數輸入端的實部輸入端R。Hilbert濾波器14的輸出端耦接到複數乘法器22的第一複數輸入端的虛部輸入端I。(信號的實部和虛部分量有時分別被稱為「同相」和「正交」分量，參見一些複數調製方案中的相應分量)。複數複數乘法器22的複數輸出端的實部輸出端R耦接到輸出端15。輸出端15產生相位校正接收信號的實部。輸出端15可能耦接到接收機後端(未示出)。接收機後端可以包括，例如網格解碼器、Reed-Solomon解碼器、解擾器，以及視頻、音頻和輔助信號處理器，全部已知結構。該接收機後端全部以已知的方式工作產生出通過發送HDTV視頻信號表示的圖像，以及通過發送音頻信號表示的聲音。
複數乘法器22的實部輸出端R也耦接到限幅器24的輸入端和相位檢測器/累加器26的虛部第一輸入端R。複數乘法器22的複數輸出端的虛部輸出端I耦接到相位檢測器/累加器26的虛部第一輸入端I。限幅器24的輸出端耦接到相位檢測器26的實部第二輸入端R。在每一個符號時間，限幅器從編程的查詢表中選擇對應於符號群中的點的數據符號作為判決，該數據符號最接近於輸入符號採樣。也就是說，限幅器選擇其字母表中的符號作為判決，該符號在歐幾裡德(Euclidean)距離上與輸入符號採樣最接近。更具體而言，該限幅器期望在沿實軸方向上預定信號點上的輸入信號對應於發送符號。
相位檢測器/累加器26的輸出端產生信號φE，如上所述，該信號表示所選標準信號相位和相應接收相位調整信號的相位之間的估計相位差，並且耦接到正弦/餘弦發生器28的輸入端。正弦/餘弦發生器28的各個實部R和虛部I輸出端耦接到複數乘法器22的第二複數輸入端的相應輸入端。乘法器22、限幅器24、相位檢測器和累加器26以及正弦/餘弦發生器28的組合形成了相位跟蹤環路20。
另外，相位跟蹤環路可能具有並行自動增益控制(AGC)環路，用於校正信號的增益，以確保經過相位校正後信號電平對應預定限幅器電平。複數乘法器22的實部輸出端也耦接到AGC檢測器和累加器16的第一輸入端。限幅器24的輸出端耦接到AGC檢測器和累加器16的第二輸入端。AGC檢測器和累加器16的輸出端耦接到乘法器10第二輸入端，以進行增益控制。
在操作中，輸入端5的VSB信號僅僅具有實部分量。但是，為了適當地控制輸入信號IN的相位，必須在複平面上旋轉。Hilbert濾波器14估計響應於輸入信號IN實部分量R的虛部分量I。延遲電路12補償Hilbert濾波器14引入的延遲。
由實部(R)和估計的虛部(I)分量表示的複數輸入信號IN通過複數乘法器22來解旋。來自複數乘法器22實數輸出端的相位調整(解旋)信號的實部(R)分量被提供給輸出端15。
對於所有可能的符號，限幅器24把解旋信號的實部(R)分量值與實部分量的標準值進行比較。限幅器24選擇具有標準實部值的符號作為接收符號，該標準值最接近於解旋信號的實部值。限幅器24在其輸出端產生一個具有所選符號的標準實部分量值的信號。
利用來自限幅器24的標準符號和來自複數複數乘法器22的對應輸出信號之間的第一估計相位角，相位檢測器和累加器26在複平面上生成一種相位誤差信號φE。累加該相位差並將該累加值用作相位誤差φE。累加器也被稱作數控振蕩器(NCO)並且用於累加相位誤差。當計算每一個相位差時，該相位差被加到先前NCO內計算的累加值中，並且將全部累加結果用作相位差φE。
表示這種相位誤差信號φE的相位校正角的複數實部(R)分量和虛部(I)分量在正弦/餘弦發生器28中生成。利用這些實部(R)和虛部(I)信號的值來控制複數乘法器22引起的輸入信號IN旋轉量。相位檢測器和累加器26以及正弦/餘弦發生器28的組合作為相位調整單元。複數乘法器22利用補償角來旋轉輸入信號IN以產生解旋的輸出信號OUT。
同時，AGC檢測器和累加器16計算複數乘法器22的實際解旋實部分量與限幅器24的標準實部分量之間的幅度差。該差表示在輸出信號OUT的幅度上誤差的大小。累加該幅度差並將其用於控制乘法器10以調整輸入信號IN的增益，以達到期望的電平。
通過以這種方式提供輸入信號IN的幅度和相位的精確控制，輸出信號OUT的相位可以適當地與發送機載波相位對齊，並且這些符號可以以更加精確的方式來檢測。
現有技術的系統存在的一個問題是它的設計中，假定相位已經通過CTL相對接近地調整。因此，正弦/餘弦發生器28僅包括在從0開始的預定相位距離內用於調整輸出信號OUT相位的值。在現有技術系統的一個實施方案中，正弦/餘弦發生器28包括查詢表，該表僅僅為±30°的相位差提供值。因此，來自相位檢測器和累加器26中的NCO的最大值被調整對應於+30°，而來自NCO的最小值被調整對應於-30°。也就是說，相位檢測器和累加器26中NCO不允許具有卷繞相位能力(±180°)。NCO應該從其最大值到最小值進行卷繞，校正相位從+30°跳躍到-30°。這表示一種大的相位非連續性(大約300°)，然後被檢測作為大的相位誤差並加到累加器(NCO)中，除非通過設計來禁止。結果，諸如在載波跟蹤環路，符號定時環路和均衡器等上述電路元件中的脈衝噪聲和瞬變狀況可能導致在相位檢測器和累加器26中累加實質上的相位誤差。反過來，這可能引起在±30°點不精確和不期望的較高和/或較低限制相位輸出，或如果不禁止的話，還有NCO卷繞，即大的相位不連續性。在兩種情況下，如果NCO沒有被重新設置為0，那麼從這些情況中恢復相位跟蹤幾乎是不可能的。一種具有全相卷繞能力的相位跟蹤系統，能避免上述與脈衝噪聲和瞬變狀況有關的問題，並允許更加容易地實現自恢復，是我們所期望的。
發明內容
根據本發明的原理，一種相位跟蹤系統包括一表示接收符號的輸入信號源。一相位旋轉器具有響應於所述輸入信號的第一輸入端，響應於一相位校正信號的第二輸入端，以及產生一相位調整輸出信號的輸出端。一判決單元響應於相位調整輸出信號產生表示接收符號的標準信號。一具有全相卷繞能力的相位調節器，響應於相位調整輸出信號和標準信號之間的相位差而產生所述相位校正信號。
在附圖中圖1是現有技術相位跟蹤環路的方框圖；以及圖2是根據本發明原理的相位跟蹤環路的方框圖。
具體實施例方式
圖2是根據本發明原理的相位跟蹤環路20』的方框圖。在圖2中，那些與圖1中所示元件相同的以相同的參考數字來表示，並且在下面不再對其進行詳細討論。在圖2中，複數乘法器22的實部輸出端R耦接到極性校正器23的輸入端Rin。極性校正器23的輸出端耦接到輸出端15。相位檢測器和累加器26』的輸出端耦接到正弦/餘弦發生器28』的輸入端和極性檢測器29的輸入端。極性檢測器29的輸出端耦接到極性校正端23的控制輸入端。
在工作中，正弦/餘弦發生器28』包括完全的±180°查詢表。這允許相位檢測器和累加器26』具有全卷繞相位能力。即調整相位檢測器和累加器26』中的NCO的最大值以從正弦/餘弦發生器28』產生180°相位輸出，以及調整NCO的最小值以從正弦/餘弦發生器28』產生-180°相位輸出。因此，當NCO從最大值到最小值卷繞時，相位從+180°改變到-180°，這導致了沒有相位不連續性。根據上述的情況，這將逐個消除在NCO中大的相位誤差的累加。
相位檢測器和累加器26』也被設計為180°相位旋轉不變的。通過提供相位旋轉頒布的相位檢測，圖2的相位檢測器26』只需要計算複數乘法器22輸出信號的相位與實軸之間的相位差，實軸即0°或180°。更加具體而言，相位檢測器和累加器26』能夠鎖定為0°或180°。相位跟蹤器的正常行為假定為相位將在0°相位附近變化，這是因為CTL處理消除通常與VSB調製相關的180°相位模糊，並當信號頻移到基帶時通過觀測載波導頻中產生的dc偏移來實現。但是，如果脈衝噪聲足夠可以驅動NCO超過90°相位，只要相位跟蹤器正施加於該信號，為相位跟蹤器輸出做180°相位旋轉校正，那麼相位跟蹤器就可以通過鎖定到180°相位來恢復。這允許相位跟蹤器更容易地從暫時失鎖來自恢復。
當相位檢測器和累加器26』鎖定到0°實軸時，圖2中所示系統的操作與圖1中所示系統的操作相同。但是，當相位檢測器和累加器26』鎖定到180°實軸時，複數乘法器22將產生實部(R)輸出信號，該信號與實際期望的輸出信號相反。在這種情況下，必須對複數乘法器22的輸出信號求反。極性檢測器29分析相位誤差信號φE，以確定相位檢測器和累加器26』是否鎖定到0°軸或180°軸，在下文將更加詳細地對此進行描述。第一種情況，當它檢測到相位檢測器和累加器26』鎖定到0°軸時，和第二種情況，當它檢測到相位檢測器和累加器26』鎖定到180°軸時，極性檢測器29就為具有上述兩種情況的極性校正器23提供一個控制信號。當相位檢測器和累加器26』鎖定到180°軸時，極性校正器23響應於該控制信號對輸入採樣求反，以及當相位檢測器和累加器26』鎖定到0°軸時，它將輸入採樣直接進行輸出。
參考表1(下面)，極性檢測器29分析相位誤差信號φE。如果相位誤差信號位於複平面的右半部分(即，-90°＜φE≤90°)，那麼假定相位檢測器和累加器26』鎖定在0°軸上。在這種情況下，在極性檢測器29的輸出端將產生值為「0」的極性控制信號。如果相位誤差信號位於複平面的左半部分(即，90°＜φE≤270°)，那麼就假定相位檢測器和累加器26』鎖定在180°軸上。在這種情況下，將產生值為「1」的極性控制信號。
表1
參考表2(下面)，極性校正器23響應於極性控制信號，當極性控制信號為「1」時(左半平面)在輸入端Rin對信號求反，當極性控制信號為「0」時(右半平面)在輸入端直接輸出該信號。
表2
當相位檢測器和累加器26』與正弦/餘弦發生器28』的組合提供了全相卷繞能力以及180°相位旋轉頒布的鎖定，因為VSB接收機對於小相位旋轉非常敏感，仍可能期望限制提供給正弦/餘弦發生器28』的相位誤差信號，進而限制提供給複數乘法器22的相位校正信號，使之限制在從0°或180°開始的相位角範圍內。這種功能可以通過相位限制器27來提供，該限制器如圖2中虛框所示耦接在相位檢測器26』和正弦/餘弦發生器28』之間。相位限制器27工作，分析相位誤差信號φE，以確定相位誤差信號φE與最接近實軸的角度。如果該角度大於規定的相位範圍值，在本申請的其餘部分中的規定其為術語α，那麼提供給正弦/餘弦發生器28』的極限相位誤差信號通過下文的描述方式被控制位於相應的限制角度範圍內。
參考表3(下面)，根據預定的相位角度值α計算四個相位限制。首先假定相位檢測器和累加器26』被鎖定到正實軸(0°)，第一相位限制α1等於+α，並且表示從0°開始的正值範圍的結束。第二相位限制α2等於-α，並且表示從0°開始的負值範圍的結束。然後假定檢測器和累加器26』被鎖定到負實軸(180°)，第三相位限制α3等於180°-α，並且表示從180°開始的正值範圍結束。第四相位限制α4等於-(180°-α)，並且表示從180°開始的負值範圍結束。
表3
參考表4(下面)，然後將相位誤差信號φE與這四個相位限制α1，α2，α3，α4進行比較。如果相位誤差信號φE位於實軸的預定相位範圍α內，即0°≤α≤90°，那麼提供給正弦/餘弦發生器28』的限制相位誤差信號設置等於相位誤差信號φE。這通過第一的兩根線來表示，這裡φE位於α1和α2(線1)之間，以及φE位於α3和α4(線2)之間。相反，如果φE不位於實軸的預定相位角α範圍內，那麼，限制相位誤差信號被設置為相位限制α1，α2，α3，α4中合適的一個。如果相位誤差信號φE大於第一相位限制值α1，並位於平面的右手側內，那麼極限相位誤差信號被設置等於α1(線3)。如果相位誤差信號φE小於第二相位限制值α2並位於平面的右手側，那麼限制相位誤差信號被設置等於α2(線4)。如果相位誤差信號φE小於第三相位限制值α3並位於平面的左手側，那麼限制相位誤差信號被設置等於α3(線5)。如果如果相位誤差信號φE大於第四相位限制值α4並位於平面的左手側，那麼極限相位誤差信號被設置等於α4(線6)。
表4
本領域的普通技術人員將理解，相位範圍值α可以是固定的，也可以是可變的。如果是固定的，相位範圍在設計和/或實現時被設置，並且相位跟蹤環路將在不改變的預定相位範圍α內實現。但是，該預定相位範圍α在實現過程中可以被不同地設置。如果相位範圍值α是動態變化的，載有值α的控制信號(未示出)耦合到相位限制器27的控制輸入端(也未示出)。在這種情況下，上述表3和表4中所示的計算利用控制輸入端最後接收的相位範圍信號α的值來執行。
本領域的普通技術人員也將理解，相位限制器27是可選的，或者可以完全省略。另外，本領域的普通技術人員將理解，如果包括了相位限制器27，那麼它也可以被動態地使能以及禁止。參考表5(下面)，在這種情況下，另一個載有使能/禁止控制信號的控制信號(未示出)耦合到相應的相位限制器27的控制輸入端(也未示出)。如果提供了這種信號，那麼上述在表4中所示的計算，將考慮這種使能控制信號進行修改。也就是說，如果使能相位限制器27(例如，使能信號具有值「1」)，那麼將執行表4中所示的計算。這在表5的首先六行中示出。相反，如果禁止了相位限制器(例如，使能信號具有值「0」)，那麼相位誤差信號φE將不變地並不受限制地通過正弦/餘弦發生器28』。這在表5第七行中示出。
表5
如上所述，通過包括相位限制器27，利用具有全相卷繞能力的包括相位檢測器和累加器26』和正弦/餘弦發生器28』的相位跟蹤環路，接收系統可以限制精確相位調整到小的量，即在一定時候不超過α度，而允許在相位檢測器和累加器26的累加器NCO中累加大的相位誤差。
上述已經描述了本發明並且作為單獨的電路元件來實現。本領域的普通技術人員將理解，所示系統的全部或部分可以用控制程序的控制下操作的處理器來實現。本發明也已經根據使用多電平VSB調製方案的地面HDTV廣播系統進行了描述。本領域的普通技術人員將理解，上述相位跟蹤環路可以容易地適用於任何一維調製方案。更一般而言，這種相位跟蹤環路可以包括在任何通信接收機中，這種接收機包括數字解調系統，其中載波跟蹤和相位跟蹤操作被分離開來執行，特別是在該系統中，這種載波跟蹤環路是窄帶環路，並且其他解調功能諸如符號定時恢復和均衡優先於相位跟蹤環路。
權利要求
1.一種相位跟蹤系統，包括表示接收符號的輸入信號源；相位旋轉器，具有響應於該輸入信號的第一輸入端，響應於相位校正信號的第二輸入端，以及產生相位調整輸出信號的輸出端；判決單元，響應於所述相位調整輸出信號，用於產生一表示接收符號的標準信號；以及相位調節器，響應於所述相位調整輸出信號和所述標準信號之間的相位差而產生一相位校正信號，其中該相位調節器具有全相卷繞能力。
2.根據權利要求1所述的系統，其中相位調節器是180°相位旋轉不變的。
3.根據權利要求2所述的系統進一步包括極性檢測器，響應於該相位差，產生一控制信號，該信號當所述相位調節器被鎖定到正實軸時具有第一狀態，以及當所述相位調節器被鎖定到負實軸時具有第二狀態；以及極性校正器，響應於所述複數乘法器輸出信號和所述控制信號而產生一相位調整輸出信號，當控制信號處於第二狀態時對複數乘法器的輸出信號求反，當控制信號處於第一狀態時將複數乘法器的輸出信號不變地通過。
4.根據權利要求1所述的系統，其中相位調節器進一步包括一相位限制器，以用於將相位校正信號限制在規定範圍內。
5.根據權利要求1所述的系統，其中相位旋轉器包括一複數乘法器，該乘法器具有響應於輸入信號的第一複數輸入端，響應於相位校正信號的第二複數輸入端，以及產生相位調整輸出信號的複數輸出端。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述輸入信號只包括實部分量；該系統進一步包括一個希爾伯特濾波器，其響應於所述輸入信號的實部分量，產生一個表示輸入信號虛部分量的估計的信號；以及複數乘法器的第一複數輸入端包括與輸入信號源耦接的實部輸入端以及與希爾伯特濾波器耦接的虛部輸入端。
7.根據權利要求5所述的系統，其中所述複數乘法器產生相位調整輸出信號，作為具有實部和虛部分量的複數信號；判決單元，響應於相位調整輸出信號的實部分量，產生只具有實部分量的標準信號；以及相位調節器包括一相位檢測器，與所述相位旋轉器和所述判決單元耦接，用於根據所述複數乘法器輸出信號的實部和虛部分量估計相位調整輸出信號的相位；根據所述標準信號的實部分量估計標準信號的相位；以及估計所述標準信號和所述相位調整輸出信號相位之間的相位差；和一相位校正器，用於產生響應於相位差的相位校正信號。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述相位調節器還包括用於累加相位差的累加器。
9.根據權利要求7所述的系統，其中所述相位校正器包括一正弦/餘弦發生器，其具有全±180°能力，響應於所述相位差，用於產生複數相位校正信號。
10.根據權利要求9所述的系統，其中相位調節器進一步包括一累加相位差的累加器，其中累加器的最大值對應於+180°以及該累加器的最小值對應於-180°。
11.根據權利要求11所述的系統，其中相位調節器還包括一相位檢測器，耦接到相位旋轉器和判決單元，用於檢測標準信號和相位調整輸出信號之間的相位差；以及一相位校正器，用於產生響應於所述相位差的相位校正信號。
12.根據權利要求11所述的系統，其中所述相位檢測器進一步包括用於累加連續相位差的累加器。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述相位校正器包括一正弦/餘弦發生器，具有全±180°範圍，用於產生響應於所述累加相位差的相位校正信號；以及所述累加器具有與在正弦/餘弦發生器中輸入的+180°相關的最大值，以及與在正弦/餘弦發生器中輸入的-180°相關的最小值。
14.根據權利要求13所述的系統，其中所述正弦/餘弦發生器包括具有一全±180°範圍的查詢表。
15.根據權利要求1所述的系統，其中所述輸入信號是按照ATSC標準的高清晰度電視VSB調製信號。
16.根據權利要求1所述的系統，其中所述輸入信號是通過一維調製技術調製的。
全文摘要
一種相位跟蹤系統包括表示接收符號的輸入信號源。一相位旋轉器具有響應於該輸入信號的第一輸入端，響應於一相位校正信號的第二輸入端，以及產生相位調整輸出信號的輸出端。一判決單元響應於所述相位調整輸出信號生成一種表示接收符號的標準信號。一具有全相返轉能力的相位調節器生成相位校正信號，以響應於相位調整輸出信號和標準信號之間的相位差。
文檔編號H04L27/00GK1518820SQ02811924
公開日2004年8月4日 申請日期2002年4月16日 優先權日2001年4月16日
發明者I·馬克曼, I 馬克曼 申請人:湯姆森許可公司