Qam接收机的相位检测器的制作方法

专利名称：Qam接收机的相位检测器的制作方法
现有技术本发明涉及一种用于QAM接收机的相位检测器，在该接收机中存储所有出现的QAM信号状态，对此在一个复数的信号状态中存在的QAM信号状态中的每一个信号状态都被一个判定域包围，相位误差检测器通过域值判定检测，一个复数的、分解为其同相信号分量和其正交相位信号分量的接收信号状态处于那个QAM信号状态的那一个判定域，并且其依赖于检测的判定域对接收信号的载波相位形成一个相位校正信号。一个如此的相位检测器公开于DE 36 19 744 A1中。
按标准使用的、适合于QAM(正交调幅的)信号的相位误差检测器、在DE 36 19 744 A1中也以该相位误差检测器为出发点、除了在＝0的相位误差的情况下的标准锁定点外在其相位特性曲线中拥有另外不希望的置零，这在不合适相位的情况下可能导致比如在同步时延长的同步时间。在图4中示范描述了16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM的如此的标准相位误差检测器的相位特性曲线，其在＝0的锁定点之外具有多个不希望的置零，在DE 36 19 744 A1中描述了一种用于相位误差检测器的算法，其相位特性曲线不再具有干扰的置零。可是在DE 36 19 744 A1中描述的方法拥有这样的特性，其在实际系统中证明是不利的。静态相位特性曲线的斜率在QAM接收机中对于载频恢复的相位调节环是重要的选择参数。在已知的方法中静态特性曲线的斜率在锁定点强烈依赖于接收信号的信噪比；在差信噪比的情况下斜率是小的并且在好信噪比的情况下力求无线大。相位特性曲线斜率的这种强大的变化仅仅以高的折衷进行好的参数选择。此外所有另外按标准使用的、基于判定误差的标记运算的相位误差检测器拥有这个特性。
此外由已知的相位误差检测器形成的静态相位特性曲线仅仅陈述了相位特性曲线的平均特性。在相位调节环锁定时、也就是从锁定相位到跟踪相位的转变时、平均特性不再扮演重要角色，相反所有QAM信号状态都做出好的贡献。
本发明基于这个任务，给出开始提到形式的相位误差检测器，其如此产生相位校正信号，即其相位特性曲线不具有不希望的置零。
本发明的优点以权利要求1的特征如此解决上述任务，为了计算相位校正信号给相位误差检测器提供多个算法使用。依赖于此选择那一个提供使用的算法计算相位校正信号，即分解为其同相信号分量和其正交相位信号分量的接收信号状态处于复数QAM信号状态平面的那个判定域。在权利要求1中给出五种不同的算法用于计算相位校正信号。由此不象现技术状况一样对于所有判定域根据一种相同的算法计算相位校正信号，而是提供不同的算法使用，能够实现一个相位特性曲线，其一方面不再具有不希望的置零，并且另一方面保证所有QAM信号状态的同样贡献。以经验确定对于那个判定域那种算法是适当的算法。
根据权利要求1从从属权利要求中得出本发明的优选改进。
图下面根据在图中描述的实施例详细阐述本发明。图示

图1QAM接收机的方框图，图2复数QAM信号状态平面，图3根据本发明实施的相位检测器的多个相位特性曲线，和图4标准相位误差检测器的多个相位特性曲线。
实施例的描述在图1中描述了一个QAM接收机的原理方框图。该QAM接收机包括同相信号支路和正交相位信号支路。混频器MI处于同相信号之路中，混频器MQ处于正交相位信号支路中。这二个混频器MI和MQ把在二个信号支路上分配的接收信号ES转换为基频带。由一个点控制的振荡器VCO为二个混频器MI和MQ提供基准频率。一个90°移相器PS把由电压控制的振荡器VCO产生的基准频率信号供给二个混频器中的一个混频器，如此二个混频器MI和MQ的基准频率具有90°的相互相位偏差。表明接收信号状态的同相信号分量ZI的、混频器MI的输出信号和表明接收信号状态的正交相位信号分量ZQ的、混频器MQ的输出信号被供给一个相位误差检测器PFD。正如下面还要详细描述的，这个相位误差检测器PFD产生一个相位校正信号S，该信号用作电压控制的振荡器VCO的控制信号。
根据下面的等式应当明白，相位误差检测器从具有同相信号分量ZI和正交相位信号分量ZQ的各个接收信号状态中确定相位校正信号S，其表明接收信号的载频相位与由电压控制的振荡器VCO产生的基准频率信号的相位相比的偏差。相位误差检测器PFD根据等式(1)按照广泛扩展的方法计算相位校正信号S。
S＝FQ ZI-FI ZQ(1)其中FI和FQ是判定误差，象等式(2)表达的，该判定误差是接收信号信号状态的同相信号分量ZI和正交信号分量ZQ与这个QAM信号状态的同相信号分量AI和正交信号分量AQ相比的偏差，相位误差检测器PFD对于这个QAM信号状态判定，其是发送器输出的发送信号状态。
FI＝ZI-AIFQ＝ZQ-AQ (2)在无失真地传输发送信号状态时接收信号状态Z＝ZI+jZQ与发送信号状态A＝AI+jAQ相比仅仅旋转一个角度。这由等式(3)表达。
Z＝Aej＝(AI+jAQ)(cos+jsin)(3)为了计算相位校正信号经常不使用在等式(1)中给出的函数，而是使用根据等式(4)的标记种类，其不需要复杂的乘法。
S＝FQ sign(ZI)-FI sign(ZQ) (4)静态相位特性曲线给出所有可能的QAM发送信号状态的平均值，比如在等式(5)中。
S()＝E<FQ sign(ZI)-FI sign(ZQ)> (5)由于等式(2)对于判定误差的正交分量适用FI＝AI cos-AQ sin-AIFQ＝AQ cos-AI sin-AQ(6)与(6)一起对于根据(1)的相位校正信号S适用S＝(AQ cos+AI sin-AQ)(AI cos-AQ sin)-(AI cos-AQ sin-AI)(AQ cos+AI sin)(7)就这个相位校正信号以E<A2>＝1得到根据等式(8)的静态特性曲线。
S()≈-cos sin+sin cos+sin-cossin+sincos+sin＝2sin (8)静态特性曲线的这个计算当然假定等式(2)适用，也就是无错误地把接收信号状态分配给发送信号状态。对于QAM信号状况这表明根据等式(8)的相位特性曲线的有限的并依赖于调制方法的适用范围，例如4-QAM的[-45°、+45°]、16-QAM的[-16.5°、+16.5°]等等。
相位特性曲线按照根据等式(4)的标记种类在适用范围内不拥有正弦曲线而是拥有直线。在图4中描述了16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM接收机的相位特性曲线，其按照标准根据等式(5)计算相位校正信号。在所有四种调制方法中存在不希望的置零，也就是说假的锁定点；在32-QAM中可以最清晰地看出来。在这个调制方法中在不希望的相位中也确定了最长的停留时间。
为了避免在相位特性曲线中不希望的过零点，给相位误差检测器提供五种不同的相位校正信号的计算方法S1＝FQ f(ZI)-FI f(ZQ)S2＝±2FQ f(ZI)S3＝±2FI f(ZQ)(9)S4＝±2ZI ZQS5＝0在S1至S4中的四种计算方法中对于函数f(ZI)和f(ZQ)适用f(ZI)＝ZI并且f(ZQ)＝ZQ或f(ZI)＝sign(ZI)并且f(ZQ)＝sign(ZQ)在哪一种情况下相位误差检测器使用五种相位校正信号的计算方法S1至S5中的那一种计算方法依赖于此，即复数的、分解为其同相信号分量ZI和其正交相位信号分量ZQ的接收信号状态处于那一个QAM信号状态的那一个判定域。
在把计算方法S1至S5分配给各个判定域时在静态特性曲线上单独考虑所有的发送记号部分。如此例如在16-QAM调制的情况下正好得出16个不同的发送记号A(i)，i＝1…16，并且因此得出16个部分S(i)，当然这些部分平均形成静态相位特性曲线SS=116Σi=116S(i).......(10)]]>
为了对于相位特性曲线S得出一个适当的曲线，在第一步骤中识别这样的发送记号A(i)，其对于＞0的正角有一个负的范围S(i)＜0或对于负角有正的范围。对此首先对于所有判定域假定方法S1，也就是标准方法。这个范围在等式(10)中当然导致在相位校正特性曲线S的总特性中不希望的置零。在第二步骤中确定这样的判定域，其在相应的发送记号A(i)的情况下提供不希望的校正信息，最后在第三步骤中可以检验，是否方法S2或S3中的一个方法带来了所希望的改善。在处理所有发送标记和所有判定域后一般出现相位特性曲线的改善。可是这也是可能的，即改善的还不够。对于剩余的范围＞0的S(i)＜0或者＜0的S(i)＞0，当然使用方法S4和S5，其中仅仅选择如此多的判定域，直到在相位特性曲线中的不希望的置零可靠消失。因此如此克制地使用方法S4和S5，因为其在锁定点引起静态相位特性曲线的一个-即使微不足道的-变形。适当计算机支持地实施在此描述的方法，可是其中也凭经验作出一点判定。
在图2中例如描述了一个16-QAM系统的复数信号状态平面。在复数QAM信号状态平面坐标系的横坐标上分布0至4个同相信号分量的标注I，并且在纵坐标上分布同样0至4个正交相位信号分量的标注Q。信号状态平面中的十六个正方形点相当于16个QAM发送信号状态，并且三个细的同心圆、正方形点处于这些圆上、是在错误的载频相位同步的情况下接收信号状态的轨迹。围绕信号状态(正方形点)的正方形称作判定域。相位误差检测器PFD一样通过域值判定确定，复数的、分解为其同相信号分量ZI和其正交信号分量ZQ的接收信号状态处于那个QAM信号状态的那个判定域。通过颜色(黑色、白色)和在图2中所画的圆的大小表明由相位误差检测器计算的相位校正信息的方向和强度。黑色圆导致在正的方向(与顺时针方向相反)上的相位校正，白色圆导致在负的方向(顺时针方向)上的相位校正。大圆相当于强校正，小圆相当于弱校正。在八个以0表示的区域中根本不产生校正信息(相当于方法S5)。
在图2中的粗边判定域内与已知的标准相位误差检测相比进行一个修改。对于这个修改也就是应用相位校正信号的根据等式(9)的不同计算方法。在16-QAM的下面的表中描述了表明判定域长度的标注I和Q。此外对每个判定域、也就是对每个组合I/Q、引用从五种计算方法S1至S5中选择的计算方法。例如对于这个判定域0/3和3/0要求值0，相当于方法S5。在域0/4、1/4、4/0和4/1内校正信息是恒定的；相当于计算方法S4。在二个判定域1/3和3/1中相位校正信息仅仅依赖于判定误差FI或FQ，这在图2中通过点大小的轴平行定位表明。在此计算方法S2和S3起作用。
为此从相位校正信号的不同计算方法S1值S5中的上述选择带来了不希望的置零的静态特性曲线的改善，如下解释四个外面的判定域0/4、1/4、4/0、4/1在相位校正信息中是明确的。因此含义是，对于这种情况选择最大的通过线性范围确定的值。当然不允许以这种方式处理所有的、其校正信息是明确的判定域，除非在原点附近尽可能少地歪曲静态特性曲线(在锁定点＝0相位特性曲线的有限斜率)。由于这个原因例如域0/1和1/0保持不变。
范围0/3和3/0对于确定的相位提供假的校正信息，因为在中间圆上存在关于实际发送的信号状态的高的不可靠性。这个判定域的选出是绝对必要的，与此相应在图2中以零表示这个范围，计算方法S5适用这个范围。
二个域1/3和3/1或者相位锁定旋转的顶点或者相位跟踪相邻有噪声的接收信号状态。在第一种情况下这个判定域提供一个正确的相位校正信息，在第二种情况下提供一个无意义的相位校正信息。因此这个判定域在第一种情况下提供尽可能高的相位校正信息，在二种情况下提供尽可能低的相位校正信息，分别根据计算方法S2或S3仅仅利用判定误差的正交分量。
对于32-QAM、64-QAM和128-QAM系统从下面的表中同样可以推断出判定域对各个计算方法S1至S5的分配。
16-QAM
32-QAM
64-QAM
128-QAM
以不同计算方法S1至S5对相位校正信号的分配，对于16-QAM、32-QAM、64-QAM和128-QAM系统得出在图3中描述的相位特性曲线，其有在锁定点＝0不变的曲线并不再具有不希望的置零。
权利要求
1.QAM接收机的相位误差检测器，在该接收机中存储所有出现的QAM信号状态，并且对此在一个复数的信号状态中存在的QAM信号状态中的每一个信号状态都被一个判定域包围，相位误差检测器通过域值判定检测，一个复数的、分解为其同相信号分量(ZI)和其正交相位信号分量(ZQ)的接收信号状态处于那个QAM信号状态的那一个判定域，并且其依赖于检测的判定域对接收信号(ES)的载波相位形成一个相位校正信号(S)，其特征在于，—相位误差检测器(PFD)分别按检测的判定域根据下面方法之一计算相位校正信号(S)S1＝FQ f(ZI)-FI f(ZQ)S2＝±2FQ f(ZI)S3＝±2FI f(ZQ)S4＝±2ZI ZQS5＝0其中ZI和ZQ是接收信号状态的同相信号分量和正交信号分量，并且FI和FQ是ZI和ZQ与判定的QAM信号状态的同相分量和正交相位分量相比的偏差，—相位误差检测器(PFD)在判定域和各个计算方法(S1至S5)之间进行如此的分配，即其静态相位特性曲线在锁定点之外不具有另外的置零，在这个锁定点中在接收机的基准载频和接收信号载频之间的相位偏差为0。
2.按照权利要求1的相位误差检测器，其特征在于，f(ZI)＝ZI和f(ZQ)＝ZQ适用于计算方法(S1至S3)。
3.按照权利要求1的相位误差检测器，其特征在于，f(ZI)＝sign(ZI)和f(ZQ)＝sign(ZQ)适用于计算方法S1至S5。
全文摘要
给出一个相位误差检测器,其如此产生相位校正信号,即其相位特性曲线不具有不希望的置零,并且在角范围内在锁定点周围拥有一个有限的斜度。这个相位误差检测器(PFD)按检测的判定域根据多个预先确定的计算方法之一计算相位校正信号(S)。对此相位误差校正器(PFD)在复数QAM信号状态平面的判定域和各个计算方法之间进行如此的分配,即其静态相位特性曲线在锁定点之外不具有另外的置零。
文档编号H04L27/38GK1370366SQ00811761
公开日2002年9月18日 申请日期2000年6月8日 优先权日1999年6月19日
发明者G·赫尔比格 申请人:马科尼通讯股份有限公司