专利名称：利用双导频实现数字化传输中的载波恢复的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传输中的信号同步技术，特别涉及数字化传输中利用导频信号实现载波恢复的方法及装置。
典型的无线传输系统包括发射机和接收机。数字化调制技术往往将数字信号进行编码，再加入必要的辅助信息，如同步信号、导频信号等。编码后的数字信号经过信道滤波及数模转换后形成基带信号。该基带信号经过上变频器被调制到相应的频带后发送。在接收端，调谐器和下变频器将高频信号变换到基带后经模数转换器得到数字信号，该数字信号经过处理后被恢复成与发送端一致的信息。
由于发射机和接收机中用于产生上下变频器频率的振荡器存在频率偏差，并且，接收机中低质量的振荡器存在比较大的频率漂移，从而导致发射机和接收机之间的载波频率始终存在相当大的偏差。在绝大多数数字化传输系统中，接收机的载波频率必须与发射机的载波频率一致才能保证系统的正常工作。因此，接收机中的载波恢复是必需的。
一般，单个导频就可以实现载波恢复，如美国ATSC标准的VSB传输方案。然而，在有近的强多径信号存在时，信号频谱会出现很深的谷。当多径信号处于一定的延迟或一定的相位，或多径信号的延迟与相位缓慢变化时，该单一导频有可能被大幅度衰减，以至无法实现载波恢复。
另一方面，发射机和接收机中数字信号部分使用的时钟信号也分别来自于不同的振荡器。这两个振荡器之间的频率差、相位差始终存在。在众多的载波恢复方案中，载波恢复受到时钟频率差和相位差的影响，两者相互作用，载波恢复难以得到精确的实现。一般情况下，先恢复载波，再在此基础上恢复时钟。
本发明的目的是针对偏置正交幅度调制(Offset QAM)提供一种简洁、精确和可靠的实现数字化传输中载波恢复的方法。该方法不仅能迅速、可靠地恢复载波的频率和相位，还能在时钟尚未恢复时独立工作，不受系统时钟的影响。
本发明的另一目的是提供一种利用本发明设计的方法实现数字化传输中载波恢复的装置。
本发明设计的载波恢复方法是这样的针对偏置正交幅度调制方式，在该调制信号上下边带上分别加一个导频信号。加入导频信号并经调制后信号的基带频谱如图2所示，信号带宽为8MHz，上下边带为有效带宽(7.14MHz)的12％，即0.86MHz。在下变频时，将输入信号引入两个下变频单元，两个下变频单元与AFC(自动频率控制)低通滤波器、限幅器和乘法器协同工作得到上下边带的S曲线的误差信号，该误差信号经过APC(自动相位控制)低通滤波器得到的直流信号用于调节两个变频单元的振荡器。上边带的I通道信号与下边带的I通道信号在AFC低通滤波之前经加法器线性相加，上边带的Q通道信号与下边带的Q通道信号在乘法器之前线性相加，同时参与调节振荡器，从而实现载波的恢复。
利用双导频实现载波恢复的基本原理是，分别对上下边带的导频频率进行测量，得到fL和fU。在没有载波频率和时钟频率偏差的情况下fCR＝fCTfL＝fCR-3.57MHzfU＝fUR+3.57MHzfCR是接收机中的载波频率，fCT是发射机中的载波频率，3.57MHz是上下导频频率差的一半。从而，fL+fU＝2fCRfU-fL＝7.14MHz在有载波频率和时钟频率偏差的情况下fCR＝fCT+ΔfC
fL＝fCR+ΔfC-3.57MHz-ΔfCLK/2fU＝fCR+ΔfC+3.57MHz+ΔfCLK/2ΔfC是载波频率偏差，ΔfCLK是时钟频率偏差。从而，ΔfC＝(fL+fU)/2-fCR上式中-fCR在下变频的过程中完成。可以看到，上述求ΔfC的表达式中不含有ΔfCLK，所以即使存在时钟频率偏差，载波也能被准确地恢复，得到图5或图6的基带频谱。在时钟恢复之后，即可得到图2的基带频谱。
载波的恢复可以在基带信号实现，即在模数转化之前，此时下变频采用模拟下变频方法；也可以在数字信号处理中实现，即在模数转换之后，此时下变频采用数字下变频方法。
利用双导频实现数字化传输中的载波恢复的装置，主要包括下变频单元、AFC低通滤波器、限幅器、乘法器、APC低通滤波器和两个加法器。下变频单元包括两个变频单元，输入信号(模拟或两倍采样后的数字信号)分别进入这两个变频单元。每个变频单元由一个振荡器、90°相移和两个乘法器构成。
上边带的I通道信号与下边带的I通道信号在AFC低通滤波器之前经加法器线性相加得到两个边带合成的I通道信号，上边带的Q通道信号与下边带的Q通道信号线性相加得到两个边带合成的Q通道信号，两个边带合成的I通道信号经AFC低通滤波器得到上下导频分别与载波之间的频率差别之和，其他信号被AFC低通滤波器滤除。该信号经过限幅器得到±1的输出，该±1的输出信号用于开关两个边带合成的Q通道信号的相位误差信号的极性，形成典型的AFC的S曲线。该S曲线的误差信号的极性取决于上下边带振荡频率之和高于或低于两倍的载波频率。如果振荡频率之和高于两倍的载波频率，该S曲线的误差信号的极性取+1；反之，该S曲线的误差信号的极性取-1。该误差信号经过APC低通滤波器得到的直流信号同时用于调整两个变频单元的振荡器。当载波频率被锁定后，电路成为典型的锁相环锁定相位。从而得到所需恢复的载波频率。
由于导频信号有两个，即使有近的强多径信号存在，两个导频信号都因多径信号而同时被大幅度衰减的可能性大为降低。此时，无论上导频或下导频都可以单独完成载波恢复。可见，利用双导频实现载波恢复比使用单一导频更准确、更可靠。
以下结合附图进一步描述本发明的实施方案。
图1为典型的数字化传输的系统框图。
图2为偏置正交幅度调制信号的基带频谱。
图3为接收机中的载波频率低于发射机中的载波频率，但没有时钟偏差时的基带频谱。
图4为接收机中的载波频率高于发射机中的载波频率，但没有时钟偏差时的基带频谱。
图5为接收机中的时钟频率低于发射机中的时钟频率，但没有载波偏差时的基带频谱。
图6为接收机中的时钟频率高于发射机中的时钟频率，但没有载波偏差时的基带频谱。
图7为接收机中的载波频率高于发射机中的载波时钟频率，时钟频率高于发射机中的时钟频率时的基带频谱。
图8为接收机中的载波频率低于发射机中的载波时钟频率，时钟频率高于发射机中的时钟频率时的基带频谱。
图9为接收机中的载波频率高于发射机中的载波时钟频率，时钟频率低于发射机中的时钟频率时的基带频谱。
图10为接收机中的载波频率低于发射机中的载波时钟频率，时钟频率低于发射机中的时钟频率时的基带频谱。
图11是本发明利用双导频实现载波恢复的原理图。
图12为被振荡器13和振荡器14搬移到直流附近的信号频谱。
事实上，载波偏差在数百赫兹，时钟偏差在数十赫兹。为突出载波偏差及时钟偏差，在图3至图10的各图中，将偏差做了放大显示处理。从图3至图10中可以看到，载波频率的偏差导致整个频谱的偏移，当接收机载波频率高于发射机的载波频率时，频谱向上移动，当接收机载波频率低于发射机的载波频率时，频谱向下移动；时钟频率的偏差导致频谱宽度的变化，当接收机时钟频率高于发射机的时钟频率时，频谱宽度低于8MHz，当接收机时钟频率低于发射机的时钟频率时，频谱宽度高于8MHz。
基带信号的双导频结构是这样形成的在偏置正交幅度调制过程中，输入数据经编码后与同步信号混合，然后送入I通道。在I通道的数据上隔点加上幅度为56.56的直流分量，采样频率为14.28MHz，从而在上下边带的中心分别加上一个0.15dB导频信号。
在图11中，输入信号(模拟或两倍采样后的数字信号)进入两个下变频单元A和B。变频单元A由振荡器14、90°相移7、乘法器3和乘法器4构成，变频单元B由振荡器13、90°相移6、乘法器1和乘法器2构成。振荡器13和振荡器14由同一振荡源产生，如频率合成器或通过模拟锁相环锁定。
振荡器13和振荡器14分别产生相应的振荡频率fA和fB将上下边带的导频信号搬移到直流附近，如图12所示。上边带的I通道信号与下边带的I通道信号在AFC低通滤波器10之前经加法器8线性相加得到两个边带合成的I通道信号，上边带的Q通道信号与下边带的Q通道信号经加法器9线性相加得到两个边带合成的Q通道信号。两个边带合成的I通道信号经AFC低通滤波器10得到上下导频分别与载波之间的频率差别之和，其他信号被AFC低通滤波器10滤除。该信号经过限幅器11得到±1的输出，该±1的输出信号用于开关两个边带合成的Q通道信号的相位误差信号的极性，形成典型的AFC的S曲线。该S曲线的误差信号的极性取决于上下边带振荡频率之和高于或低于两倍的载波频率。如果振荡频率之和高于两倍的载波频率，该S曲线的误差信号的极性取+1；反之，该S曲线的误差信号的极性取-1。该误差信号经过APC低通滤波器12得到的直流信号同时参与调节振荡器13和振荡器14。当载波频率被锁定后，电路成为典型的锁相环锁定相位。在存在时钟频率偏差时得到图5或图6的基带频谱，在时钟频率恢复后得到图2的基带频谱。
如果载波恢复在基带信号进行，即在模数转化之前，此时下变频采用模拟下变频方法，上述载波恢复装置所用的滤波器、乘法器和90°相移等都是处理模拟信号的相应装置；如果载波恢复在数字信号处理中进行，即在模数转换之后，此时下变频采用数字下变频方法，上述载波恢复装置所用的滤波器、乘法器和90°相移等都应置换为处理数字信号的相应装置。
导频本身虽然只有0.15dB能量，但集中在两点上，可以可靠地实现时钟恢复。在有近的强多径信号存在时，两个导频信号都因多径信号而同时被大幅度衰减的可能性极小。此时，无论上导频还是下导频都可以单独完成载波恢复，如同美国ATSC标准的VSB系统一样，电路无需改动。
权利要求
1.一种利用双导频实现数字化传输中的载波恢复的方法，其特征在于包括以下步骤(1)在经偏置正交幅度调制的调制信号的上下边带上分别加上一个导频信号；(2)将需要下变频的输入信号引入两个下变频单元；(3)上边带的I通道信号与下边带的I通道信号在AFC低通滤波(10)之前经加法器(8)线性相加得到两个边带合成的I通道信号，上边带的Q通道信号与下边带的Q通道信号在乘法器(5)之前经加法器(9)线性相加得到两个边带合成的Q通道信号；(4)两个边带合成的I通道信号经AFC低通滤波器(10)得到上下导频分别与载波之间的频率差别之和，该信号经过限幅器得到±1的输出用于开关两个边带合成的Q通道信号的相位误差信号的极性，形成典型的AFC的S曲线；(5)将S曲线的误差信号经过APC低通滤波器(10)得到的直流信号用于调节两个变频单元的振荡器，从而得到所需恢复的载波。
2.根据权利要求1所述的利用双导频实现数字化传输中的载波恢复的方法，其特征在于载波恢复在模数转换之前进行，下变频采用模拟下变频方法。
3.根据权利要求1所述的利用双导频实现数字化传输中的载波恢复的方法，其特征在于载波恢复在模数转换之后进行，下变频采用数字下变频方法。
4.一种利用权利要求1所述方法实现数字化传输中的载波恢复的装置，主要包括下变频单元、AFC低通滤波器、限幅器、乘法器、加法器和APC低通滤波器，其特征在于下变频单元包括两个变频单元，输入信号分别进入这两个变频单元，每个变频单元由一个振荡器、90°相移和两个乘法器构成；上、下边带的I通道信号分别经乘法器(3)、乘法器(1)后由加法器(8)线性相加，加法器(8)的输出经AFC低通滤波器(10)和限幅器(11)得到±1的输出，上边带的Q通道信号与下边带的Q通道信号分别经90°相移(7)、乘法器(4)与90°相移(6)、乘法器(2)在乘法器(5)之前经加法器(9)线性相加，乘法器(5)接收限幅器(11)及加法器(9)的输出，其输出经APC低通滤波器(12)得到的直流信号用于调节振荡器(13)和振荡器(14)，从而得到所需要恢复的载波。
5.根据权利要求6所述的实现数字化传输中的载波恢复的装置，其特征在于所述的低通滤波器、乘法器和相移等都是处理模拟信号的相应装置。
6.根据权利要求6所述的实现数字化传输中的载波恢复的装置，其特征在于所述的低通滤波器、乘法器和相移等都是处理数字信号的相应装置。
全文摘要
本发明公开了一种利用双导频实现数字化传输中的载波恢复的方法,以及利用该方法恢复载波的装置。本发明中,上下边带合成I通道信号经AFC低通滤波器得到上下导频分别与载波之间的频率差别之和,该信号经过限幅器得到的输出信号用于开关上下边带合成的Q通道信号的相位误差信号的极性,将该误差信号经过APC低通滤波器得到的直流信号用来调节振荡器,从而快速、准确地实现了载波恢复。本发明的装置简单、适用,能很好地实现载波恢复。
文档编号H04L27/34GK1381974SQ0111540
公开日2002年11月27日 申请日期2001年4月24日 优先权日2001年4月24日
发明者张文军, 夏劲松 申请人:上海奇普科技有限公司