专利名称：数据定向的频率和相位锁定环路的制作方法
优先权要求本实用新型专利申请要求U.S.临时专利申请No.60/370,295和60/370,283的优先权，其整个说明书在此引入作为参考。
背景技术：
为了提供用于数字传输的，如用于蜂窝电话或数字电视广播的最宽可能覆盖，理想的是使用在空间上被彼此分离的多个发射器。这允许较宽的区域被覆盖，使用较小的总广播功率，并且可帮助填充来自一个发射器的传输可能被阻塞的暗区。这样，使用多个发射器可提供用于实际上任何数字传输的较宽且较完整的覆盖。
然而，当接收器处于两个发射器之间的“缝隙”时，使用多个发射器产生了严重的问题，这是因为附加的信号可表现为可与“主要”信号一样大的“幻象”。此外，破坏性干扰产生了一系列完美或近乎完美的空值。
现有接收器技术通过以下来处理幻象滤出它们以解释“主要”信号。但在多发射器环境中，该策略是不可行的。设计一种系统来滤出可以是“主要”信号大小的任意大部分的幻象几乎没有意义。此外，在边缘附近，这种减法策略不论何时所能提供的最好的是等于较强发射器的信号的信号强度——来自次要信号的能量被浪费。
即使当幻象比“主要”信号的100％小的时候，亦存在前和后幻象的相等概率。在最一般的情况下，最强的信号是沿最直接路径的那个。幻象最通常地通过“多路”来产生，即通过沿从发射器到接收器的不同长度的路径的信号部分而产生。这样，幻象典型地通过一个或多个强反射而产生。将到达的第一信号典型地是最直接的，并因此是最强的，并且因此幻象在通常情况下是后幻象。然而，在多发射器环境中，在接收器接近缝隙时，较强的信号可在幻象之后容易地到达。对于从两个方向到达的信号，较直接的路径可以是较长的一个，这是可能的。因此，前幻象与后幻象有几乎一样的可能，并且可以是任意地强。此外，如果发射器彼此不同步即使一个小量，其中滞后的一个恰好是较近的一个，则接收器将有可能看到前幻象。
现有技术依赖于后幻象占优的假设(即现有系统通常不被设计成处理Raleigh衰减)。这样，现有接收器通常将无效地或不能处理多发射器环境，即使与“主要”信号相比幻象足够小。
简而言之，在多发射器环境中，“主要”信号在传输的缝隙处变成没有意义的概念。为了在多发射器环境中有效地工作，数字接收器必须以不同的范例(paradigm)来工作。所需的是采用附加策略的数字接收器——即这样一种策略，其中来自一个或多个相对大的幻象的能量可被捕获并被用于帮助同步化过程，而不是被滤出并被放弃。这样的接收器可以“主要”信号大小的100％的幻象来起作用，并且不论何时当幻象超过“主要”信号大小的大约70％时，提供基本上优良的性能。
从接收器的观点来看，大多数信号对于同步化是无用的，这是因为它与白噪声是不能区分的。被装到信号中的信息越多，它将越接近地类似于白噪声，因此这是信号的理想且不可避免的特征。尽管如此，一些带宽必须被“浪费”以向接收器提供定向其本身的装置。典型地，两个策略之一被采用。在一些系统中，导频信号被包括。这是很窄的频带中的能量的锐峰值，其对于接收器来说是很容易挑选的。
相位锁定环路，如图1中所示、以100概括指示的那个，是使用导频对接收器进行向上同步的典型方式。乘法器110使信号和电压控制的振荡器120(“VCO”)的输出相乘以产生拍音(具有等于导频信号和VCO的输出的频率之间的差的频率的正弦波)。拍音经过低通滤波器130。滤波器130的输出被放大于199处并且输入给VCO 120以完成反馈环路。低通滤波器130具有竞争的设计参数。滤波器130的带通越窄，则响应越小，因此环路100将被锁上得越慢。然而，宽通滤波器通过较多的噪声并且使得对于环路100来说较难以完全捕获。
将理解，环路100的响应由第一乘法器110的频率差输出来驱动。误差的方向可仅通过观测输出的变化的时间速率的斜率来确定。第二滤波器130使正弦波失真，从而增加了较近侧上的振幅并且减小了较远侧上的振幅。收敛由失真的拍音的这种不对称来驱动。
然而，由于拍音的振幅随着频率差的增加而降低，那个失真输出亦降低，因此在VCO 120的频率从信号频率发散时，相位锁定环路100的响应减小。这样，除非信号恰好接近于初始VCO 120的频率，它将缓慢地收敛，或者根本不收敛。典型的相位锁定环路可捕获初始VCO120频率何时处于环路带宽的大约3-10倍的因子内。
用于同步的另一个较强有力的策略是提供这样一种信号，其中数据中的信息在频域中是冗余的。接收器可寻找通过对向上同步的这种重复而产生的数据中的相关性。接收器可使用这种相同的技术从来自多个发射器的信号找到数据上的相关性。在数学方面，被重复的信号部分之间的相关性可通过完全复杂的卷积来识别。卷积固有地校正由Nyquist带的斜率产生的不对称，从而使当积分的极限确实对应于所重复的数据段(及其负时间像)的起始和结尾时，出现峰值值。
用于执行这种卷积的典型现有装置是如图2中所示的Costas环路。Costas环路对诸如QAM信号的复信号工作。与相位锁定环路一样，第一乘法器210使信号乘以VCD 220的输出，如图2中所示，然而这是复数乘法，其产生I’和Q’输出。(将理解，滤波器230可以是完全复杂的乘法器，如所示，或者可简单地是分离的I和Q滤波器)。与相位锁定环路一样，第一乘法器的输出被传递经过低通滤波器230，在这里所乘的信号的不想要的(频率和)部分被去除。经滤波的I’和Q’然后被第二乘法器240相乘以产生拍音(降低边带不被平衡一一否则它仅仅是DC电压)。所述拍音被传递经过第二低通滤波器250，然后被放大于299处并且被返回到VCO 220以完成反馈环路。这样，驱动Costas环路收敛的第二乘法器240之后的该环路的部分基本上是相位锁定环路。因此，与相位锁定环路一样，Costas环路具有缓慢收敛的缺点。
频率和相位锁定环路(“FPLL”)(被示出于图3中，并且被描述于授予Citta的U.S.专利No.4,072,909中，该专利在此全部引入作为参考)提供较快的收敛。FPLL具有第一低通滤波器330和第二低通滤波器350，其执行Costas环路中的第二低通滤波器250的功能，其分离平均和噪声消除功能。这样，第一低通滤波器330可具有相对宽的带通，从而使即使当信号和初始VCO频率偏离多达1000倍时，FPLL可进行采集。第二低通滤波器350可具有相对窄的带通以在锁上期间给出好的平均。第二乘法器340的输出是具有DC偏差的整流正弦波。DC偏差提供了方向信息而不是失真的正弦波的积分，其当频率差相对大时提供强得多的响应。来自第二滤波器350的信号被放大于399处并且被返回到VCO 320以完成反馈环路。
如在在此全部引入作为参考的、题为Data-Directed FrequencyAcquisition Loop的、共同提交的申请中公开的数据引导的频率采集环路(“DDFL”)提供了数据同步环路，其组合Costas环路的所需特征——通过借助卷积来寻找被重复的数据中的相关性来同步——与频率和相位锁定环路的所需较快收敛。DDFL以400来概括指示。第一乘法器410使输入信号乘以VCO 420的输出。第一乘法器410的输出由第一低通滤波器415来滤波，并且经滤波的输出由第二乘法器430来平方。I分量由第二低通滤波器440来滤波，然后通过第三乘法器450乘以Q分量。第三乘法器450的输出由第三低通滤波器460来滤波，被放大于499处，并且被返回到VCO 420以完成反馈环路。
如先前所讨论的，幻影可产生信号中的一系列完美或近乎完美的空值，特别是在可包含诸多反射表面的城市环境中。尽管DDFL提供了用于同步接收器的强有力机构，对于幻象来说，有可能破坏包含Nyquist斜坡中的被重复的数据的信号部分。
因此，所需的是一种系统和方法，用于同步具有DDFL的优点但更加强有力的数字接收器。本发明尤其被指向这种需要。
图1是现有技术相位锁定环路。
图2是现有技术Costas环路。
图3是现有技术频率和相位锁定环路。
图4是数据引导的频率采集环路。
图5是依照本发明的数据引导的频率和相位锁定环路。
图6是图5的数据引导的频率和相位锁定环路中的第一乘法器的输出的典型功率谱的实例。
图7是图5的数据引导的频率和相位锁定环路的第三乘法器的输出的典型功率谱，第三乘法器具有图6中所说明的输入。
具体实施例方式
为了促进理解本发明的原理，现在将参照在附图中说明的实施例，并且特定的语言将被用于描述它们。尽管如此，将理解没有由此旨在对本发明范围的限制。所说明的设备上的变更和修改以及如在此所说明的本发明原理的进一步应用被预期对本发明所涉及的领域中的技术人员来说将是正常发生的。
依照本发明的数据引导频率和相位锁定环路(“DDFPLL”)通过以下而提供了比DDFL更为强有力的采集同时使用偏差QAM信号中的两个Nyquist斜坡中的信号冗余来锁上。此外，DDFPLL提供了强有力、连续的控制信号。与DDFL一样，DDFPLL组合频率和相位锁定环路和Costas环路的理想特征；DDFPLL使用如在双边带抑制的信号中的频域中数据的冗余来同步，但具有象FPLL一样收敛的输出并且提供这样的控制信号其不受将把信号相位置换90度或以下的噪声的破坏。这样，DDFPLL提供了高度强有力的频率采集和高度强有力的相位锁定两者。
依照本发明的优选实施例DDFPLL被示出于图5中，并且以500概括指示。VCO 520的输出和输入信号被第一乘法器510相乘。图6是第一乘法器510的输出的典型功率谱(频域中)的实例。为了分离通过相关分离的Nyquist斜坡而产生的峰值，第一乘法器的输出通过第二乘法器518而乘以固定的频率。在优选实施例中，该频率是符号速率的1/4，这是因为这需要仅乘以1和-1的乘法，并且因为它提供了两个Nyquist斜坡的相关性的最大值分离，但将理解，导致将如图6中所示的分布移动离开原点的任何频率可在理论上被使用。
第二乘法器518的输出通过第三乘法器530来卷积。图7是对应于图6中所说明的输入的第三乘法器530的输出的典型功率谱(假定第二乘法器518通过乘以符号速率的1/4将原点移动到两个峰值之一的中心)。
第三乘法器530的输出被用于通过一对频率采集环路而向上同步。信号被发送给第四频移乘法器532和第五频移乘法器534。在优选实施例中，由这些乘法器产生的频移是符号速率的1/4和3/4，但将理解，这是由第二乘法器所强加的频移的函数。第四和第五频移乘法器之间的差是符号频率的1/2。在优选实施例中，第四乘法器移动图7中所示的谱以使第一峰值的频率处于原点，并且第五乘法器移动图7中所示的谱以使第三峰值的频率处于原点。(原点和f(s)是相同的)。
频移乘法器532和534的输出的l部分(同相)由低通滤波器542和544来滤波，然后通过第六乘法器552和第七乘法器554乘以频移乘法器532和534的输出的对应Q(正交)部分。第六和第七乘法器552和554的输出由求和器558来求和。求和器558的输出由第三低通滤波器560来滤波，被放大于599处，并且被返回到VCO 520以完成反馈环路。
将理解，图5中所示的电路的元件可被替换、完全变化或进行两者，从而产生许多等效可替换实施例电路。例如，将理解，放大器599可实际上被结合到滤波器560中。本领域的技术人员将认识到，滤波器典型地包括放大以抵销由滤波导致的信号强度的减小。将理解，所述放大可在滤波之前或之后等效地由分离的放大器来执行。
此外，图5中所示的复数乘法器包括许多实数乘法器，其被组织成产生QAM信号的复数乘积。复数乘法器可由子部件的各种设置和安排来产生。此外，子部件可以以许多方式被重新组织或重新安排以产生相同的数学结果，如对本领域的普通技术人员将显而易见的，并且如电路工程的事项一般所做的。
同样将理解，这些实数“乘法器”的许多可实际上是基本上较简单的硬件部件。例如，VCO可简单地产生振荡1s和-1s的信号。在此情况下，包括第一复数乘法器510的乘法器所需的潜在乘法被局限于改变符号。类似地，包括第二乘法器530的乘法器的两个使相同的输入乘以本身。这样，可能输出的范围仅包含输入的域的可能性的一半。因此，该功能可由提供输入的平方的查询表比由实际乘法器较为容易地执行，所述实际乘法器需要多得多的门。硬件的其它简化是可能的，如对本领域的普通技术人员来说将显而易见的。
通过比较电路500与电路400，将理解本发明包括如在U.S.临时专利申请No.60/370,295中所公开的一对数据引导的频率采集环路。如以上所述，相移乘法器518、532和534允许两个DDFL同时工作以独立地检测每个Nyquist斜坡中的数据中的冗余。当来自DDFL之一的响应由于正在破坏Nyquist斜坡之一中的冗余的幻象而低时，加法器558处的总响应由来自另一个DDFL的响应来控制。这样，没有单个幻象可阻止采集或破坏相位锁定。
将理解，电路500可适合于通过以下来提供符号时钟恢复将求和器558替换成差求和器并且将其信号返回到符号时钟控制而不是VCO520。
尽管本发明已被详细说明和描述于附图和以上说明书中，它们应被认为在性质上是说明性的而不是局限性的。应理解，仅优选实施例以及在进一步说明如何做出或使用优选实施例中被视为有帮助的某些其它实施例已被示出。属于本发明精神范围内的所有变化和修改需要被保护。
权利要求
1.一种频率采集和相位锁定环路，其具有符号速率并包括第一输入；压控振荡器，其具有I和Q输出；第一乘法器，其接收第一输入以及I和Q输出作为输入，并且具有I’和Q’输出；第二乘法器，其使I’和Q’输出乘以第一固定频率以产生I”和Q”输出；第三乘法器，其接收I”和Q”输出作为输入并且卷积它们以产生I和Q输出；第四乘法器，其接收I和Q输出作为输入并使它们乘以第二固定频率以产生第一I””和Q””输出；第五乘法器，其接收I和Q输出作为输入并使它们乘以第三固定频率以产生第二I””和Q””输出；第一和第二低通滤波器，其分别接收第一和第二I””输出作为输入以产生第一和第二经滤波的I””输出；第六和第七乘法器，其分别接收第一和第二Q””输出以及第一和第二经滤波的I””输出作为输入以分别产生第一和第二响应输出；求和器，其接收第一和第二响应输出作为输入以产生组合的响应信号；第三低通滤波器，其接收组合响应信号作为输入以产生经滤波的组合响应信号；其中经滤波的组合响应信号被返回到压控振荡器以完成反馈环路。
2.权利要求1的频率采集和相位锁定环路，其中第一固定频率是符号速率的1/4。
3.权利要求1的频率采集和相位锁定环路，其中第二和第三固定频率相差符号频率的1/2。
4.权利要求3的频率采集和相位锁定环路，其中第二固定频率是符号速率的1/4。
5.权利要求1的频率采集和相位锁定环路，其中组合响应信号在它被滤波之前被放大。
6.权利要求1的频率采集和相位锁定环路，其中经滤波的组合响应信号在它被返回到压控振荡器之前被放大。
7.一种频率采集和相位锁定环路，其具有符号速率并包括第一输入；压控振荡器，其具有I和Q输出；第一乘法器，其接收第一输入以及I和Q输出作为输入，并且具有I’和Q’输出；第二乘法器，其使I’和Q’输出乘以符号速率的1/4以产生I”和Q”输出；第三乘法器，其接收I”和Q”输出作为输入并且卷积它们以产生I和Q输出；第四乘法器，其接收I和Q输出作为输入并使它们乘以符号速率的1/4以产生第一I””和Q””输出；第五乘法器，其接收I和Q输出作为输入并使它们乘以符号速率的3/4以产生第二I””和Q””输出；第一和第二低通滤波器，其分别接收第一和第二I””输出作为输入以产生第一和第二经滤波的I””输出；第六和第七乘法器，其分别接收第一和第二Q””输出以及第一和第二经滤波的I””输出作为输入以分别产生第一和第二响应输出；求和器，其接收第一和第二响应输出作为输入以产生组合的响应信号；第三低通滤波器，其接收组合响应信号作为输入以产生经滤波的组合响应信号；放大器，其接收经滤波的组合响应信号以产生放大的经滤波的组合响应信号，后者被返回到压控振荡器以完成反馈环路。
8.一种频率采集和相位锁定环路，其中两个Nyquist斜坡中的数据被同时卷积以产生反馈信号。
9.权利要求8的频率采集和相位锁定环路，其中两个Nyquist斜坡之一中的数据由DDFL来卷积。
10.权利要求9的频率采集和相位锁定环路，其中两个Nyquist斜坡的第二个中的数据由DDFL来卷积。
11.一种具有符号时钟控制的用于符号时钟的符号时钟恢复环路，该符号时钟恢复环路具有符号速率并包括第一输入；压控振荡器，其具有I和Q输出；第一乘法器，其接收第一输入以及I和Q输出作为输入，并且具有I’和Q’输出；第二乘法器，其使I’和Q’输出乘以第一固定频率以产生I”和Q”输出。第三乘法器，其接收I”和Q”输出作为输入并且卷积它们以产生I和Q输出；第四乘法器，其接收I和Q输出作为输入并使它们乘以第二固定频率以产生第一I””和Q””输出；第五乘法器，其接收I和Q输出作为输入并使它们乘以第三固定频率以产生第二I””和Q””输出；第一和第二低通滤波器，其分别接收第一和第二I””输出作为输入以产生第一和第二经滤波的I””输出；第六和第七乘法器，其分别接收第一和第二Q””输出以及第一和第二经滤波的I””输出作为输入以分别产生第一和第二响应输出；差求和器，其接收第一和第二响应输出作为输入以产生差响应信号；第三低通滤波器，其接收组合响应信号作为输入以产生经滤波的组合响应信号；其中经滤波的差响应信号被发送到符号时钟控制。
12.权利要求11的频率采集和相位锁定环路，其中第一固定频率是符号速率的1/4。
13.权利要求11的频率采集和相位锁定环路，其中第二和第三固定频率相差符号频率的1/2。
14.权利要求13的频率采集和相位锁定环路，其中第二固定频率是符号速率的1/4。
15.权利要求11的频率采集和相位锁定环路，其中组合响应信号在它被滤波之前被放大。
16.权利要求11的频率采集和相位锁定环路，其中经滤波的组合响应信号在它被返回到压控振荡器之前被放大。
全文摘要
一种用于偏差QAM调制信号的数据引导的频率和相位锁定环路包括第一乘法器(510)，其使所述信号乘以VCO(520)的输出。第一乘法器(510)的输出由第二乘法器(518)来移相，然后由第三乘法器(530)来卷积。第三乘法器(530)的输出被分裂，每个部分都被传递经过频移乘法器以及频率和相位锁定环路。两个频率和相位锁定环路的输出被求和并且被返回到VCO(520)以完成反馈环路。
文档编号H04L27/00GK1647384SQ03807627
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月2日 优先权日2002年4月5日
发明者R·W·茨塔, S·M·罗普雷斯托, J·夏, W·张 申请人:麦克罗纳斯半导体公司