專利名稱：用于數(shù)字信號(hào)接收機(jī)的載頻控制環(huán)路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)用于數(shù)字信號(hào)接收機(jī)的載頻控制環(huán)路，該數(shù)字信號(hào)以使用正交調(diào)制的諸符號(hào)的形式被發(fā)送。這些發(fā)送方法的諸實(shí)例也可以被理解為下列的縮略語(yǔ)FSK(=頻移鍵控)，PSK(=相移鍵控)，BPSK(=雙相移鍵控)，QPSK(=四相移鍵控)，以及QAM(=正交幅度調(diào)制)。用于這些方法的接收機(jī)電路已為人們所熟知，并且在設(shè)計(jì)上通常是相似的。一個(gè)重要的組成部分是一個(gè)模擬的或者數(shù)字的載頻控制環(huán)路，它保證一個(gè)正交解調(diào)器以正確的相位和頻率進(jìn)行工作。該正交解調(diào)器用以解調(diào)該正交調(diào)制信號(hào)，因此，借助于一個(gè)符號(hào)識(shí)別裝置，通過(guò)該分離的正交的諸信號(hào)分量，就能確定個(gè)別的諸符號(hào)，最后就能從這些符號(hào)重建所需的數(shù)據(jù)流。這就要求在該載頻控制環(huán)路中的該正交解調(diào)器以準(zhǔn)確的相位和頻率進(jìn)行工作，使得這兩個(gè)正交的信號(hào)分量得以可靠地分離。
對(duì)于數(shù)字信號(hào)接收機(jī)來(lái)說(shuō)，全數(shù)字電路技術(shù)正在日益普遍地被使用。它在穩(wěn)定性、可重復(fù)性、免除干擾等方面的基本優(yōu)點(diǎn)是人所共知的。只有當(dāng)信號(hào)頻率太高難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化時(shí)，才使用模擬級(jí)。用于數(shù)字化的相關(guān)的接口定位于何處，這取決于在所需諸特性以及有關(guān)電路的復(fù)雜性之間的一種折衷，一個(gè)重要的(物理)量就是所需的數(shù)字化頻率，它通常取決于該接收機(jī)所使用的系統(tǒng)時(shí)鐘，并且受到所使用的有關(guān)電路技術(shù)的限制。對(duì)于電路實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，若在該載頻控制環(huán)路之前，例如，在調(diào)諧器或中頻級(jí)，進(jìn)行數(shù)字化，則這是有利的，因?yàn)檫@樣一來(lái)整個(gè)載頻控制環(huán)路的信號(hào)處理是全數(shù)字的。
該數(shù)字化的輸入信號(hào)的數(shù)字正交解調(diào)使用一對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)，其數(shù)字?jǐn)?shù)值曲線是正弦和余弦形狀的。具體的正弦和余弦數(shù)值是由一個(gè)使用一個(gè)溢出累加器以及一份正弦和余弦表的數(shù)字振蕩器來(lái)形成的。該數(shù)字振蕩器的溢出頻率跟該轉(zhuǎn)換信號(hào)對(duì)的頻率是一致的。該系統(tǒng)時(shí)鐘頻率對(duì)該轉(zhuǎn)換頻率的比值越高，該溢出累加器的頻率精確度就越好，其分辨率實(shí)質(zhì)上取決于待累加的數(shù)字?jǐn)?shù)值的位數(shù)以及該累加器的相應(yīng)的位數(shù)。
為了保證在該正交解調(diào)器中的具體的混頻過(guò)程以正確的相位和頻率來(lái)進(jìn)行，借助于一個(gè)反饋裝置來(lái)控制該可變頻率振蕩器的相位和頻率。為了完成這一步，一個(gè)誤差檢測(cè)器從該正交解調(diào)器以及后繼的各級(jí)測(cè)定相位與頻率的偏移數(shù)值，后者表明該轉(zhuǎn)換信號(hào)對(duì)的相位和頻率偏離所希望的相關(guān)的諸數(shù)值有多遠(yuǎn)。最后，形成該可變頻率振蕩器的一個(gè)控制信號(hào)。沒(méi)有這個(gè)鎖相控制，后續(xù)的將一個(gè)符號(hào)分配到一個(gè)預(yù)定的相位位置或者相位范圍將是不可能的。由于該信號(hào)是帶寬有限的，并且有干擾或噪聲疊加于其上，在不利的條件下，該原始的離散的相位位置變得模糊，進(jìn)入一個(gè)成片的相位和幅度范圍，并且該相位邊界互相重疊。這種數(shù)字編碼已知的優(yōu)點(diǎn)是，該原始的數(shù)據(jù)流在接收端可以很容易地被解碼，并且該數(shù)字編碼在發(fā)送路徑上或者在接收機(jī)內(nèi)對(duì)干擾相當(dāng)不敏感。從這項(xiàng)已知的現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)就是使該接收端對(duì)干擾更加不敏感。
通過(guò)將該載頻控制環(huán)路連接到一個(gè)評(píng)估裝置，就能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，該評(píng)估裝置針對(duì)該檢測(cè)器從該載頻控制裝置的諸信號(hào)中，特別是從該符號(hào)識(shí)別裝置的諸信號(hào)中，所測(cè)得相關(guān)的相位偏移數(shù)值和/或頻率偏移數(shù)值，確定一個(gè)可靠性數(shù)值，并且根據(jù)所確定的可靠性數(shù)值去控制該載頻控制環(huán)路。
基于以下認(rèn)識(shí)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述在信號(hào)受到嚴(yán)重干擾的情況下，不僅符號(hào)識(shí)別的不確定性起到重要的作用，而且對(duì)不正確的識(shí)別的一個(gè)實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)受到該載頻控制環(huán)路本身控制動(dòng)作的制約。在信號(hào)受到嚴(yán)重干擾的情況下，該控制對(duì)含有噪聲的相位和/或頻率偏移數(shù)值過(guò)于靈敏地、甚至不正確地作出響應(yīng)，并企圖持續(xù)不斷地重新調(diào)節(jié)該相位。其結(jié)果是，對(duì)于該評(píng)估的相位參考變得非常不可靠，并且對(duì)各個(gè)符號(hào)的正確識(shí)別受到嚴(yán)重的損害。通過(guò)引入一個(gè)可靠性數(shù)值，就能根據(jù)所測(cè)得的噪聲或干擾電平，對(duì)該載頻控制環(huán)路進(jìn)行自適應(yīng)控制。為了完成這一步，在小的可靠性數(shù)值下，該載頻控制環(huán)路對(duì)整個(gè)的或者對(duì)相當(dāng)高頻率的偽成分變得不敏感，或者調(diào)適它的控制時(shí)間常數(shù)。對(duì)各個(gè)偏移數(shù)值的個(gè)別處理是特別有效的在低的可靠性數(shù)值下，相關(guān)的相位或頻率偏移數(shù)值對(duì)該控制的貢獻(xiàn)甚微，甚至被阻斷，但在足夠高的可靠性數(shù)值下，它們對(duì)該控制作出正常的或者高的貢獻(xiàn)。特別是，這種加權(quán)或阻斷具有下列優(yōu)點(diǎn)，單個(gè)的或突發(fā)性的干擾將不擾亂當(dāng)前的相位狀態(tài)，也不需要改變?cè)摽刂菩甭驶蛘咴摽刂扑俾?。因此，假定諸信號(hào)能夠可靠地被識(shí)別，該載頻控制環(huán)路仍然能夠容易地跟蹤各種快速的變化。
為了確定該可靠性數(shù)值，對(duì)由于干擾引起的特征信號(hào)變化進(jìn)行評(píng)估。如上所述，隨著干擾的增加，為該符號(hào)而規(guī)定的位置沿著相位與幅度兩個(gè)方向展寬。若以一種不相關(guān)的方式疊加在這兩個(gè)正交的信號(hào)分量上的、具有高斯分布的噪聲被當(dāng)作一個(gè)干擾模型，則有可能計(jì)算該符號(hào)被識(shí)別為正確或錯(cuò)誤的概率。根據(jù)用數(shù)學(xué)方法確定的概率分布，也可以對(duì)測(cè)得的相位與幅度偏移數(shù)值進(jìn)行解析和評(píng)估，使得它們代表可靠性的一種量度。該偏移數(shù)值越小，則可靠性越高，并且導(dǎo)致該評(píng)估提供一個(gè)錯(cuò)誤符號(hào)的不確定性越低。由于對(duì)該載頻控制環(huán)路的創(chuàng)造性的影響，在該可測(cè)量的諸偏移數(shù)值與該可計(jì)算的可靠性數(shù)值之間的聯(lián)系是否精確并不重要，這也依賴于各自的干擾模型，后者只能被認(rèn)為是對(duì)實(shí)際情況的一種近似。因此，它在用相當(dāng)粗略的方法去確定該可靠性數(shù)值方面作出了一種改進(jìn)，例如，通過(guò)為該測(cè)量的偏移數(shù)值設(shè)置諸閾值。
當(dāng)然，用更為復(fù)雜的電路或者用另一種方法去形成該可靠性數(shù)值也是可能的。例如，在該已解調(diào)信號(hào)以及該尚未解調(diào)的信號(hào)中，對(duì)噪聲引起的變化進(jìn)行評(píng)估。借助于各種濾波器電路，可以將該測(cè)定限制在與該調(diào)制無(wú)關(guān)的那些頻率范圍之內(nèi)。
可靠性評(píng)估的另一個(gè)方面就是該偏移數(shù)值對(duì)該控制環(huán)路的各自的影響。該偏移數(shù)值會(huì)不會(huì)導(dǎo)致該控制環(huán)路改變其狀態(tài)或者保持其當(dāng)前狀態(tài)？例如，通過(guò)對(duì)該概率數(shù)值進(jìn)行加權(quán)，就能突出該當(dāng)前狀態(tài)或者該改變了的狀態(tài)。這個(gè)加權(quán)過(guò)程可以這樣來(lái)完成，例如，將該概率數(shù)值乘以一個(gè)拉力數(shù)值，后者是由該測(cè)量的相位與各自的所希望的符號(hào)數(shù)值之間的距離來(lái)確定的。
若該偏移數(shù)值的測(cè)定可以針對(duì)相位與幅度單獨(dú)地進(jìn)行，則這是特別有利的。為了做到這一步，一個(gè)分解器將該正交的諸信號(hào)分量的笛卡爾坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)CORDIC技術(shù)的疊代式分解器是特別地適用的?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)適當(dāng)?shù)闹T特性或諸特性族(它們向各個(gè)偏移數(shù)值分派用于該控制的新的數(shù)值)，對(duì)諸可靠性數(shù)值進(jìn)行評(píng)估。諸特性或諸特性族可以存儲(chǔ)在一些表中。在最簡(jiǎn)單的情況下，它們可以用一條彎曲的特性曲線，一個(gè)單或雙側(cè)限幅，或者一個(gè)單或雙側(cè)信號(hào)抑制來(lái)組成。這樣的特性可以容易地用閾值檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者也可以被設(shè)計(jì)成窗口比較器，特別是在僅需對(duì)封鎖裝置進(jìn)行控制的情況下。
對(duì)于該載頻控制環(huán)路來(lái)說(shuō)，該反饋裝置代表著該環(huán)路濾波器，它將測(cè)量所得的相位與頻率偏移數(shù)值轉(zhuǎn)換為該振蕩器的一個(gè)控制信號(hào)。采用一個(gè)PID(=比例-積分-微分)控制器結(jié)構(gòu)可以得到良好的控制動(dòng)作，該控制器使用該相位偏移數(shù)值以及該頻率偏移數(shù)值作為輸入信號(hào)。借助于由該可靠性數(shù)值控制的門(mén)控或封鎖裝置，可以中斷這些信號(hào)的處理。甚至還有可能在該反饋裝置中使用分離的諸濾波器電路，以便在處理之前對(duì)諸偏移數(shù)值進(jìn)行平滑，或者使它們免除信號(hào)的漂移。移動(dòng)時(shí)間平均(MTA)濾波器特別適用于這個(gè)目的，因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)的一次中斷對(duì)各個(gè)偏移數(shù)值來(lái)說(shuō)，具有相同于一個(gè)禁止門(mén)的效應(yīng)。若希望同時(shí)得到數(shù)據(jù)率的降低，則MTA濾波器是特別適用的。
一種變形的CORDIC技術(shù)被有利地用于坐標(biāo)變換，其中，該正交的諸信號(hào)分量被映像到第一象限以便進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)適當(dāng)?shù)氐怪弥T信號(hào)和/或交換該正交的諸信號(hào)分量，就能完成這一步。若諸符號(hào)不僅由不同的諸相位來(lái)定義，而且還由不同的諸幅度來(lái)定義，則可靠性數(shù)值的測(cè)定要求在分解器之前進(jìn)行幅度的歸一化，該分解器涉及一種復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，即將當(dāng)前的正交的諸信號(hào)分量乘以該相關(guān)符號(hào)的所希望的數(shù)值。通過(guò)從該鏡像的相位數(shù)值減去依賴于調(diào)制方式的相位校正數(shù)值，就形成相關(guān)的相位偏移數(shù)值。例如，對(duì)QPSK調(diào)制來(lái)說(shuō)，該相位校正數(shù)值為π/4。從在時(shí)間上互相跟隨的至少兩個(gè)相位數(shù)值中，借助于模減法形成一個(gè)頻率偏移數(shù)值。在2進(jìn)制補(bǔ)碼系統(tǒng)中，通過(guò)忽略諸溢出與符號(hào)位來(lái)實(shí)現(xiàn)模減法。
現(xiàn)在參照諸附圖對(duì)本發(fā)明和一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，在附圖中

圖1是一部數(shù)字信號(hào)接收機(jī)的方框圖；圖2是載頻控制環(huán)路的諸子線路的一份簡(jiǎn)圖；圖3至圖6是說(shuō)明相位鏡像的諸矢量圖；圖7表示在一份I-Q圖中的概率分布；
圖8表示在一份幅度-相位圖中的概率分布；圖9表示一種QPSK調(diào)制的I-Q概率分布；圖10表示第一象限的相關(guān)的幅度-相位圖；圖11表示一種用拉力加權(quán)的概率分布；圖12表示建立在φd-b坐標(biāo)系上的可靠性圖；圖13至圖15表示在不同信噪比數(shù)值下的可靠性圖；圖16至圖18表示該可靠性測(cè)定的臨界范圍。
圖1的方框圖實(shí)質(zhì)上表示數(shù)字信號(hào)接收機(jī)的一個(gè)載頻控制環(huán)路1的諸功能單元。用一個(gè)數(shù)字信號(hào)源2，例如，一個(gè)調(diào)諧器、一個(gè)變頻器、或者一個(gè)有線接收站來(lái)表示該輸入。它包括一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它借助于一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)所施加的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并將這個(gè)數(shù)字化信號(hào)反饋到一個(gè)正交解調(diào)器3。后者的輸出是一個(gè)同相分量i1和一個(gè)正交分量q1。該正交的諸信號(hào)分量i1、q1被饋送到一個(gè)符號(hào)識(shí)別裝置4，該裝置含有下列形式的諸常規(guī)電路一個(gè)采樣內(nèi)插器5，一個(gè)奈奎斯特接收機(jī)濾波器6，一個(gè)符號(hào)判別級(jí)7，以及，作為一條規(guī)則，一個(gè)分解器8，后者被饋送以來(lái)自該符號(hào)識(shí)別裝置4的一個(gè)同相分量I以及一個(gè)正交分量Q。該分解器8的前面可以設(shè)置一個(gè)歸一化級(jí)，如上所述，它負(fù)責(zé)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。
該載頻控制環(huán)路1還包括一個(gè)檢測(cè)器9，用以形成一個(gè)相位偏移數(shù)值φd以及一個(gè)頻率偏移數(shù)值fd。在其輸入端，向該檢測(cè)器9輸送一個(gè)來(lái)自該分解器8的相位數(shù)值φ。在檢測(cè)器9的后面，跟隨著一個(gè)反饋裝置10，從該檢測(cè)器9向它饋送相位和頻率的偏移數(shù)值，并且它向一個(gè)可變頻率振蕩器11提供一個(gè)控制信號(hào)st。后者產(chǎn)生一對(duì)轉(zhuǎn)換信號(hào)cos、sin，它們被施加于該正交解調(diào)器3。這樣就完成了該載頻控制環(huán)路1。
迄今所描述的該載頻控制環(huán)路1對(duì)應(yīng)于諸常規(guī)電路。按照本發(fā)明，通過(guò)一個(gè)評(píng)估加權(quán)裝置12可以使載頻控制環(huán)路的工作得到改進(jìn)，在圖1的實(shí)施例中，該評(píng)估加權(quán)裝置12被連接到該分解器8的輸入端，從該分解器的諸輸出信號(hào)測(cè)定可靠性諸數(shù)值，并用這些可靠性數(shù)值去控制該反饋裝置10。該評(píng)估裝置12以類似于該檢測(cè)器9的方式產(chǎn)生一個(gè)相位偏移數(shù)值φd，或者被送入這個(gè)數(shù)值。被映像到第一象限的該分解器8的該幅度值和/或該絕對(duì)值b被直接地傳送到該評(píng)估裝置12。通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱的閾值φ1,φ2(見(jiàn)圖12)，就能以一種簡(jiǎn)單的方法評(píng)估出該相位偏差數(shù)值φd。至于該絕對(duì)值b，諸閾值b1,b2關(guān)于具有數(shù)值1的所希望的幅度是不對(duì)稱的(見(jiàn)圖12)。甚至可以選擇一個(gè)較大的閾值b2，使得它很難被該絕對(duì)值b所超過(guò)，因此它能夠被分配。通過(guò)諸閾值的評(píng)估產(chǎn)生一個(gè)第一門(mén)控信號(hào)g1以及一個(gè)第二門(mén)控信號(hào)g2，用以控制在該反饋裝置10里面的諸封鎖裝置30、31，例如，諸門(mén)電路。一個(gè)系數(shù)存儲(chǔ)器13向該比例-積分-微分(PID)反饋裝置10提供諸濾波系數(shù)c1,c2,c3。
在圖1的方框圖中，該符號(hào)識(shí)別裝置4后面跟隨著一個(gè)轉(zhuǎn)換器14，它將已被識(shí)別的諸符號(hào)轉(zhuǎn)換回為一個(gè)串行的數(shù)據(jù)流dat。該采樣內(nèi)插器5確定應(yīng)當(dāng)從該正交的諸信號(hào)分量i1、q1中抽取該符號(hào)數(shù)值的最佳瞬時(shí)。在該數(shù)字的實(shí)施方案中，該采樣內(nèi)插器從單純地用數(shù)學(xué)內(nèi)插方法給出的諸相鄰數(shù)值中形成正確的采樣瞬時(shí)。它的諸輸出信號(hào)是正交的諸信號(hào)分量i2,q2，這兩個(gè)輸出信號(hào)被饋送到該奈奎斯特接收機(jī)濾波器6，后者通常也進(jìn)行從該系統(tǒng)時(shí)鐘到該符號(hào)頻率的采樣率轉(zhuǎn)換。在QPSK調(diào)制的情況下，在該奈奎斯特接收機(jī)濾波器6之后的正交的諸信號(hào)分量i3、q3可以很容易地在該符號(hào)識(shí)別裝置4中，通過(guò)諸信號(hào)分量i3、q3的正負(fù)號(hào)來(lái)進(jìn)行解碼。在符號(hào)識(shí)別裝置4輸出端的正交的諸信號(hào)分量i4、q4中，僅包含用以定義諸個(gè)別符號(hào)的諸最高位。為了在該檢測(cè)器9中形成諸偏移數(shù)值φd、fd，以及在該評(píng)估裝置12中形成有關(guān)的可靠性數(shù)值，各對(duì)正交信號(hào)應(yīng)當(dāng)包括盡可能多的有效位，因此，在較低符號(hào)頻率下仍然有效的正交的諸信號(hào)分量i3、q3也被用于評(píng)估。在下面的主要地涉及該可靠性數(shù)值的形成的敘述中，對(duì)該正交的諸信號(hào)分量?jī)H使用更一般化的參考字符I、Q。
圖2以方框圖的形式，展現(xiàn)該反饋裝置10以及該評(píng)估裝置12的一個(gè)實(shí)施例。該反饋裝置10被設(shè)計(jì)成一個(gè)PID控制器，該P(yáng)ID控制器在比例環(huán)節(jié)P以及積分環(huán)節(jié)Ir中處理該相位偏移數(shù)值φd，并在該微分環(huán)節(jié)D中處理該頻率偏移數(shù)值fd。該評(píng)估裝置12在其輸入環(huán)節(jié)中包含一個(gè)用于檢測(cè)該絕對(duì)值b的閾值檢測(cè)器20，以及一個(gè)用于檢測(cè)該相位數(shù)值φ或相關(guān)的偏差數(shù)值φd的閾值檢測(cè)器21。相關(guān)的諸閾值分別是諸幅度閾值b1、b2，和諸相位閾值φ1、φ2。一個(gè)具有兩個(gè)閾值的閾值檢測(cè)器也被稱為一個(gè)窗口比較器。由于它們相互之間的交互作用，在圖2中將具體的諸功能單元在該評(píng)估裝置12或者該反饋裝置10中的分配是不重要的。
借助于一個(gè)延時(shí)單元22以及一個(gè)減法器23，可以從該相位偏移數(shù)值φd形成一個(gè)頻率偏移數(shù)值fd。例如，若該頻率偏移數(shù)值恒定地增加，則意味著由正交的諸信號(hào)分量I、Q所定義的矢量以恒定的頻率旋轉(zhuǎn)。于是在該減法器輸出端的差值保持恒定，并且它的數(shù)值是該頻率偏移的精確度量。若該可變頻率振蕩器11產(chǎn)生它的轉(zhuǎn)換信號(hào)對(duì)cos、sin，并且精確地具有該正交信號(hào)載頻的頻率，則該結(jié)果停止(旋轉(zhuǎn))，使得該頻率偏移數(shù)值恒為零。然而，良好的正交解調(diào)要求該結(jié)果不含有相位偏移數(shù)值φd，因?yàn)椴贿@樣的話，該參考相位將是不正確的。在該反饋裝置10中，特別是借助于該積分環(huán)節(jié)Ir進(jìn)行該相位的重新調(diào)節(jié)，以便使被延長(zhǎng)了的諸相位偏移得以糾正。該積分環(huán)節(jié)Ir包括一個(gè)具有一個(gè)加法器24和一個(gè)延時(shí)單元25的累加器環(huán)路。正如眾所周知的那樣，該積分環(huán)節(jié)Ir的控制斜率不應(yīng)當(dāng)是陡峭的，因?yàn)榉駝t就可能產(chǎn)生振蕩。而對(duì)于相當(dāng)短時(shí)間的相位偏移數(shù)值φd來(lái)說(shuō)，希望得到一個(gè)更陡峭的控制斜率，這是由該P(yáng)ID控制器的比例環(huán)節(jié)P引起的，它的相當(dāng)大的復(fù)位力或拉力正比于相關(guān)的相位偏移數(shù)值φd。具體的諸控制分量由該加法器24和一個(gè)加法器26加以組合，它們的和值形成該可變頻率振蕩器11的控制信號(hào)st。借助于三個(gè)乘法器27、28、29(諸系數(shù)c1、c2、c3被施加于其上)，可以改變?cè)揚(yáng)ID控制器的諸個(gè)別分量的貢獻(xiàn)。
該相位偏移數(shù)值φd以及該頻率偏移數(shù)值fd的信號(hào)路徑分別包括封鎖裝置30和31，它們被表示為諸開(kāi)關(guān)，并且可以用它們來(lái)封鎖相應(yīng)的信號(hào)路徑。每當(dāng)該評(píng)估裝置12測(cè)出該可靠性數(shù)值對(duì)相關(guān)的偏移數(shù)值φd、fd、來(lái)說(shuō)顯得不夠時(shí)，該封鎖就發(fā)生作用。例如，若兩個(gè)閾值檢測(cè)器20、21當(dāng)中的一個(gè)感知所施加的數(shù)值處于預(yù)置的諸閾值之外時(shí)，一個(gè)邏輯級(jí)32，例如一個(gè)或門(mén)，將封鎖該封鎖級(jí)30。由于該相位差的形成，該頻率偏移數(shù)值fd至少跟兩個(gè)相位偏移數(shù)值φd組合在一起。若這些相位偏移數(shù)值φd中至少有一個(gè)被發(fā)現(xiàn)為不可靠的，則一個(gè)邏輯級(jí)33將針對(duì)該頻率偏移數(shù)值fd阻斷該封鎖裝置31。借助于該閾值檢測(cè)器20從兩個(gè)暫時(shí)地相關(guān)的幅度數(shù)值中導(dǎo)出該可靠性數(shù)值。若一個(gè)或兩個(gè)數(shù)值處于諸預(yù)定閾值b1、b2之外，則該當(dāng)前頻率偏移數(shù)值fd就是不可靠的，并將借助于該封鎖裝置31而被阻斷。該邏輯級(jí)33也可以用一個(gè)或門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由該延時(shí)級(jí)34對(duì)該門(mén)33的諸輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償。
應(yīng)當(dāng)指出，圖2所示的評(píng)估裝置12僅表示許多變種中的一個(gè)。它顯得特別簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼉H需要兩個(gè)閾值檢測(cè)器20、21，兩個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯級(jí)32、33，以及一個(gè)用于控制這兩個(gè)封鎖裝置33、31的延時(shí)級(jí)34，但十分有效，因?yàn)樗褂迷摻^對(duì)值b以及該相位數(shù)值φ或該相位偏移數(shù)值φd來(lái)確定該可靠性數(shù)值；用一個(gè)使用該CORDIC技術(shù)的分解器8，使得該相位數(shù)值φ以及該絕對(duì)值b對(duì)這個(gè)用途來(lái)說(shuō)都是可用的。若該評(píng)估裝置12僅使用這兩個(gè)數(shù)值b和φd當(dāng)中的一個(gè)來(lái)形成該可靠性數(shù)值，則這將導(dǎo)致一種相對(duì)于諸常規(guī)電路而言的改進(jìn)，但卻失去了一些容易得到的優(yōu)點(diǎn)。
圖3針對(duì)一份矢量圖的第一象限，說(shuō)明作為當(dāng)前相位數(shù)值φ的一個(gè)函數(shù)的該相位偏移數(shù)值φd的形成，在第一象限中，該當(dāng)前相位數(shù)值等同于該鏡像的相位數(shù)值φm。圖4至圖6是說(shuō)明從這三個(gè)象限Q2至Q4到該第一象限Q1的映像過(guò)程的矢量圖。為了簡(jiǎn)化該映像過(guò)程或角度旋轉(zhuǎn)的表示，采用具有四個(gè)符號(hào)S1至S4的QPSK調(diào)制。對(duì)于一個(gè)較大數(shù)量的符號(hào)集，即，一個(gè)較大的字母表，該基本的映像過(guò)程不發(fā)生改變。被映像的該相位數(shù)值由兩個(gè)正交的信號(hào)分量I、Q來(lái)定義。通過(guò)形成該絕對(duì)值和/或適當(dāng)?shù)鼗Q這兩個(gè)正交的信號(hào)分量I、Q，就完成了從該相位數(shù)值φ到該鏡像的相位數(shù)值φm的映像過(guò)程。借助于這種方法，若該相位數(shù)值處于相關(guān)的符號(hào)象限的范圍以內(nèi)，則被分配到各有關(guān)象限Q2、Q3、Q4的相位偏移數(shù)值φd被映像到第一象限Q1，并且準(zhǔn)確地具有相同的幅度和相同的正負(fù)號(hào)。該鏡像的相位數(shù)值φm以及該鏡像的符號(hào)S2’、S3’、或S4’之間的角度關(guān)系也被保持。為了從該鏡像的相位數(shù)值φm得到該有關(guān)的相位偏移數(shù)值φd，要從該鏡像的相位數(shù)值φm中減去上述的相位校正數(shù)值φc,φc依賴于有關(guān)的調(diào)制方式并對(duì)應(yīng)于有關(guān)的符號(hào)的鏡像相位數(shù)值。在上述使用QPSK調(diào)制的例子中，對(duì)該第一符號(hào)S1以及諸鏡像符號(hào)S2’、S3’、S4’來(lái)說(shuō)，該相位校正數(shù)值φc的數(shù)值為φc=π/4．現(xiàn)將在全部四個(gè)象限中，該鏡像的相位數(shù)值φm的形成規(guī)律表示如下第一象限Q1從φ=0到π/2
φm=arctan(Q/I)，第二象限Q2從φ=π/2到πφm=arctan(|I|/Q)，第三象限Q3從φ=π到3π/2φm=arctan(|Q|/|I|)，第四象限Q4從φ=3π/2到0φm=arctan(I/|Q|)．圖7表示正交的諸信號(hào)分量I、Q在笛卡爾坐標(biāo)系I-Q平面上的概率分布η，并假定在它們之上疊加了具有高斯分布的不相關(guān)的噪聲。由于在該I和Q分量之間存在正交關(guān)系，若該矢量的長(zhǎng)度被歸一化的話，則實(shí)際上該結(jié)果的矢量長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)取值為1。圖7表示這樣的情形該第一符號(hào)S1處于第一象限，相位數(shù)值為45°，用正交的諸信號(hào)分量I、Q把它表示出來(lái)。在沒(méi)有干擾的情況下，對(duì)這兩個(gè)分量I、Q來(lái)說(shuō)，在符號(hào)S1的坐標(biāo)I=0.701和Q=0.701處，該概率η應(yīng)當(dāng)取值為1，而在任何其他坐標(biāo)處，該概率應(yīng)當(dāng)取值為0。圖7還表示另外一種情況，即該I和Q分量存在一種高斯分布，其最大值位于符號(hào)S1處。若信噪比S/N增加，則在符號(hào)S1處的概率分布變高變窄，若該信噪比減少，則在符號(hào)S1處的概率分布的最大值降低，并且該鐘形曲線相應(yīng)地變寬。
圖8表示對(duì)應(yīng)于圖7的概率分布，但它呈現(xiàn)在由該相位偏移數(shù)值φd和該絕對(duì)值b所定義的一個(gè)笛卡爾平面上。由該概率分布所形成的鐘形曲線不再像在圖7中那樣旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。然而，這僅僅是該絕對(duì)值b以及該相位偏移數(shù)值φd的比例尺的一個(gè)問(wèn)題，圖中所示的相位偏移數(shù)值φd是從-180°到+180°。
圖9以類似于圖7的方式，表示一個(gè)具有4個(gè)等概率符號(hào)S1、S2、S3、S4的QPSK調(diào)制信號(hào)在該I-Q平面上的概率分布。這4個(gè)符號(hào)數(shù)值處于4個(gè)象限之內(nèi)，這是由該正交的諸信號(hào)分量I、Q的正負(fù)號(hào)來(lái)決定的。由于在象限分界點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn))I=0和Q=0處，在相鄰諸符號(hào)之一出現(xiàn)時(shí)，該概率數(shù)值η是如此之大，以致于通過(guò)說(shuō)明相關(guān)的諸象限來(lái)可靠地分離這4個(gè)符號(hào)成為不可能。從圖10看來(lái)，這一點(diǎn)也是很明顯的，該圖對(duì)應(yīng)于第一象限，并且除了含有該第一符號(hào)數(shù)值S1以外，還含有來(lái)自其他諸象限的所有的諸鏡像符號(hào)數(shù)值Si’。在圖10的空間表示中，在代表該相位偏移數(shù)值φd和該絕對(duì)值b的笛卡爾坐標(biāo)系上表示該概率分布η。除了將相位偏移比例尺展寬以外，圖10跟圖8都是相符的，只有現(xiàn)在，所有4個(gè)符號(hào)都以相同的概率出現(xiàn)。
用概率分布η來(lái)確定在所使用的偏移數(shù)值中的可靠性結(jié)果，在圖10中那些被分配以最高概率范圍的情況下將受到限制。若相關(guān)的概率數(shù)值η跟來(lái)自該相位偏移數(shù)值φd的相關(guān)的拉力或復(fù)位力組合在一起，就能獲得關(guān)于該測(cè)量所得的相位偏移數(shù)值φd的可靠性的更為明確的信息。應(yīng)當(dāng)考慮到這4個(gè)符號(hào)S1到S4當(dāng)中的每一個(gè)的實(shí)際貢獻(xiàn)，而不是僅考慮該鏡像狀態(tài)。如圖10所示，通過(guò)將分配給有關(guān)符號(hào)的概率數(shù)值乘以該實(shí)際相位偏移數(shù)值φd，并將這4個(gè)乘積相加，就能完成這一步。其結(jié)果形成一個(gè)有用的概率數(shù)值z(mì)，后者在圖11中，在表示該相位偏移數(shù)值φd和該絕對(duì)值b的笛卡爾坐標(biāo)系中，以空間表示的形式表現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)用實(shí)際的相位偏移數(shù)值φd來(lái)加權(quán)全部4個(gè)概率數(shù)值η，就得到一個(gè)歸一化的可靠性數(shù)值z(mì)，現(xiàn)在它可以具有正的和負(fù)的數(shù)值。正的可靠性數(shù)值z(mì)對(duì)應(yīng)于一個(gè)正的拉力，而負(fù)的可靠性數(shù)值z(mì)對(duì)應(yīng)于一個(gè)負(fù)的拉力。在圖11的可靠性分布z中，人們可以清楚地區(qū)分出那些拉力符號(hào)與有關(guān)的相位偏移數(shù)值φd相類似的范圍。在圖11中，明亮的區(qū)域表示在可靠性數(shù)值z(mì)與拉力方向之間存在正確關(guān)系的諸范圍，黑色的區(qū)域表示具有錯(cuò)誤的拉力方向的諸范圍，灰色區(qū)域表示具有中性拉力方向的諸范圍。適當(dāng)?shù)目煽啃詳?shù)值z(mì)的確定包括下列事實(shí)只有那些導(dǎo)致正確的控制方向并因此符合于具有正確符號(hào)的該可靠性范圍的相位偏移數(shù)值φd，才被用于控制該載頻控制環(huán)路。反過(guò)來(lái)說(shuō)，至少那些導(dǎo)致該環(huán)路相反的控制方向的相位偏移數(shù)值φd的范圍，應(yīng)當(dāng)被排除用于載頻控制；從圖11的可靠性圖看來(lái)，這一點(diǎn)是很明顯的。
圖12以俯視圖的形式展現(xiàn)與圖11相對(duì)應(yīng)的一份可靠性圖，在該圖中灰色層次的意義已經(jīng)不同于圖11。所顯示的線條是具有相等可靠性z的線條，并符合于諸等高線的表示。該圖表明，對(duì)于小的諸絕對(duì)值b來(lái)說(shuō)，該可靠性減少，并且不應(yīng)當(dāng)用該測(cè)量的相位偏移數(shù)值φd來(lái)進(jìn)行控制。在圖12中，一個(gè)0.7的閾值b1將大大地切除這些不可靠的范圍。大的絕對(duì)值b是不嚴(yán)格的，因此，一個(gè)第二切換閾值b2可以被取消，或者將被選擇得足夠高，例如b2≥3。對(duì)于該相位偏移數(shù)值φd來(lái)說(shuō)，可靠性z的最大值并不處于理論上的符號(hào)數(shù)值+/-45°處，但正好低于這些數(shù)值，因?yàn)樵谀抢锵噜徶T符號(hào)的影響是較小的。從圖12看來(lái)，這也是很明顯的。例如，對(duì)于足夠的可靠性的可能的極限出現(xiàn)在相位偏移數(shù)值φ1=+35°和φ2=-35°處。
圖13至圖15表示在不同的信噪比S/N下該可靠性數(shù)值z(mì)的俯視圖。圖13表示S/N=9dB時(shí)的圖。圖14表示S/N=6dB時(shí)的圖。圖15表示S/N=3dB時(shí)的圖。當(dāng)然，隨著信噪比的增加，可用的可靠性范圍也在擴(kuò)大?？煽啃詳?shù)值z(mì)的最大值以及評(píng)估的可靠性也相應(yīng)地增加。在信噪比惡化的情況下，該可靠性的最大值明顯地向較大b值的方向移動(dòng)。在圖15中，在S/N=3dB的情況下，顯示出不可靠的范圍實(shí)質(zhì)上大于可靠的范圍。在這里，不再可能通過(guò)該載頻控制環(huán)路來(lái)進(jìn)行滿意的控制。應(yīng)當(dāng)指出，圖13至圖15的諸灰色層次對(duì)應(yīng)于圖11的灰色層次，但不對(duì)應(yīng)于圖12的灰色層次。
從圖16至圖18可以看出，從個(gè)別概率的加權(quán)疊加來(lái)確定該可靠性數(shù)值是顯而易見(jiàn)的。特別是，可以看到(曲線)不連續(xù)的情形，這是由于將概率數(shù)值η跟相關(guān)的拉力相乘的結(jié)果。這里所使用的術(shù)語(yǔ)“拉力”意味著到該實(shí)際符號(hào)為止的相位偏移數(shù)值，并不僅是在該第一象限之內(nèi)的相位偏移數(shù)值。在圖16、17和18的每一份中，分別是在三種信噪比S/N，即S/N=9dB,S/N=6dB和S/N=3dB這三種情況下，繪出諸可靠性數(shù)值z(mì)對(duì)相位偏移數(shù)值φd的關(guān)系。圖16具有絕對(duì)值b=1.5，作為一個(gè)公共參數(shù)。在圖17的諸曲線中，該公共參數(shù)為b=1，而在圖18中，該公共參數(shù)為b=0.5。圖16在弱信號(hào)S/N=3dB的情況下，以絕對(duì)值b=1.5作為一個(gè)參數(shù)，其可靠性特性在0°處表現(xiàn)出小的不連續(xù)。參看圖17，在較小的絕對(duì)值b=1的情況下，這種不連續(xù)性在0°處略有增加。同時(shí)，全部的3-dB曲線位于不可靠的范圍之內(nèi)，這就意味著在那里該可靠性數(shù)值z(mì)具有錯(cuò)誤的符號(hào)。參看圖18，在更小的絕對(duì)值b=0.5的情況下，對(duì)應(yīng)于S/N=3dB和S/N=6dB的諸曲線也處于不可靠的范圍之內(nèi)，這就是說(shuō)，具有錯(cuò)誤的符號(hào)。此外，S/N=6dB時(shí)的可靠性特性z也在0°處具有不連續(xù)點(diǎn)。S/N=3dB時(shí)曲線的不連續(xù)性，跟圖17相比，變得更大。該不連續(xù)性來(lái)源于上述的用以確定該可靠性數(shù)值z(mì)的加權(quán)疊加模型。實(shí)際上，若能保留在足夠大的可靠性(數(shù)值)的范圍之內(nèi)，則該模型給出跟實(shí)際情況的良好近似。
應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)該載頻控制環(huán)路的改進(jìn)以及相關(guān)的方法可以容易地適應(yīng)于不同的電路技術(shù)。特別是，該環(huán)路適于以單片集成電路的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者可以在這樣的接收機(jī)中使用。至于那一部分功能或者甚至整個(gè)操作序列用一個(gè)可編程的微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題可以交給專業(yè)人士自行決定。眾所周知，用微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是線路變得更加靈活，因?yàn)榻柚诳删幊痰闹T參數(shù)，它可以適應(yīng)于各種任務(wù)。此外，借助于一段適當(dāng)?shù)某绦?，即使在集成之后，仍然有可能?duì)處理過(guò)程進(jìn)行人工干預(yù)。
權(quán)利要求
1．一個(gè)用于數(shù)字信號(hào)接收機(jī)的載頻控制環(huán)路(1)，按照信號(hào)流程的方向，包括一個(gè)正交解調(diào)器(3)，一個(gè)符號(hào)識(shí)別裝置(4)，一個(gè)用于形成一個(gè)相位偏移數(shù)值(φd)和/或一個(gè)頻率偏移數(shù)值(fd)的檢測(cè)器(9)，一個(gè)反饋裝置(10)，以及一個(gè)連接于該正交解調(diào)器的可變頻率振蕩器(11)，其特征在于一個(gè)評(píng)估裝置(12)從該載頻控制環(huán)路(1)的諸信號(hào)中，針對(duì)在該檢測(cè)器(9)中測(cè)得的該相關(guān)的相位偏移數(shù)值(φd)和/或頻率偏移數(shù)值(fd)，確定一個(gè)可靠性數(shù)值(z)，并根據(jù)所確定的可靠性數(shù)值(z)，控制該載頻控制環(huán)路(1)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于該評(píng)估裝置(12)評(píng)估一個(gè)相位數(shù)值(φ)和/或一個(gè)絕對(duì)值(b)，它們是借助于一個(gè)分解器(8)，從該正交解調(diào)器(3)所產(chǎn)生的一個(gè)同相分量(I)和一個(gè)正交分量(Q)來(lái)形成的。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于該評(píng)估裝置(12)包括一個(gè)用于該相位數(shù)值(φ)或者該相位偏移數(shù)值(φd)的第一閾值檢測(cè)器(21)，和/或一個(gè)用于該絕對(duì)值(b)或者一個(gè)絕對(duì)偏移數(shù)值的第二閾值檢測(cè)器(20)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于根據(jù)該第一閾值檢測(cè)器(21)的輸出，來(lái)控制一個(gè)第一封鎖裝置(30)，和/或根據(jù)該第二閾值檢測(cè)器(20)的輸出，來(lái)控制一個(gè)第二封鎖裝置(31)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載頻控制環(huán)路，其特征在于借助于該第一封鎖裝置(30)，阻止該相位偏移數(shù)值(φd)向該反饋裝置(10)傳送，還在于借助于該第二封鎖裝置(31)，阻止該頻率偏移數(shù)值(φd)向該反饋裝置(10)傳送。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于該反饋裝置(10)相當(dāng)于一個(gè)PID控制器，其中該相位偏移數(shù)值(φd)被饋送到一個(gè)比例環(huán)節(jié)(P)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)(Ir)，并且該頻率偏移數(shù)值(fd)被饋送到一個(gè)微分環(huán)節(jié)(D)。
7．根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于該反饋裝置(10)包括至少一組乘法器(27,28,29)，并且還在于一組系數(shù)(c1,c2,c3)，作為一組乘法因子，被施加到該乘法器。
8．根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于被饋送以該同相分量(I)和該正交分量(Q)的該分解器(8)，使用一種變形的CORDIC技術(shù)，其中，在該第一、第二、第三或第四象限的相位數(shù)值(φ)被映像到第一象限，形成一組鏡像相位數(shù)值(φm)，其關(guān)系如下對(duì)于范圍φ=0到π/2φm=arctan(Q/I)，對(duì)于范圍φ=π/2到πφm=arctan(|I|/Q)，對(duì)于范圍φ=π到3π/2φm=arctan(|Q|/|I|)，對(duì)于范圍φ=3π/2到0φm=arctan(I/|Q|)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于通過(guò)從該鏡像相位數(shù)值(φm)中，減去一個(gè)依賴于調(diào)制方式的相位校正數(shù)值(φc)，來(lái)形成該相位偏移數(shù)值(φd)。
10．根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)所述的載頻控制環(huán)路(1)，其特征在于該檢測(cè)器(9)通過(guò)模減法，從諸相位偏移數(shù)值(φd)或者諸相位數(shù)值(φ)形成該頻率偏移數(shù)值(fd)。
11．根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項(xiàng)所述的載頻控制裝置(1)，其特征在于該反饋裝置(10)包括至少一個(gè)移動(dòng)時(shí)間平均(MTA)濾波器，在一個(gè)足夠的可靠性數(shù)值(z)下，該濾波器的控制時(shí)鐘被激活，而在一個(gè)不足夠的可靠性數(shù)值(z)下，該濾波器的控制時(shí)鐘被禁止。
全文摘要
用于數(shù)字信號(hào)接收機(jī)的載頻控制環(huán)路,按照信號(hào)流程的方向,包括:一個(gè)正交解調(diào)器,一個(gè)符號(hào)識(shí)別裝置,一個(gè)用于形成一個(gè)相位偏移數(shù)值(φd)和/或一個(gè)頻率偏移數(shù)值(fd)的檢測(cè)器,一個(gè)反饋裝置,以及一個(gè)連接于該正交解調(diào)器的可變頻率振蕩器。一個(gè)評(píng)估裝置從該載頻控制環(huán)路的諸信號(hào)(I,Q),針對(duì)該測(cè)量的相位偏移數(shù)值(φd)和/或頻率偏移數(shù)值(fd),確定一個(gè)可靠性數(shù)值,并根據(jù)所確定的可靠性數(shù)值控制該載頻控制環(huán)路。
文檔編號(hào)H04L27/227GK1210398SQ9811667
公開(kāi)日1999年3月10日 申請(qǐng)日期1998年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月31日
發(fā)明者米德雷格·特米那克, 弗朗茲－奧托·威特 申請(qǐng)人:麥克羅納斯中間金屬有限公司