专利名称：用于cap信号的接收机信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字信号处理系统，具体地，涉及用于处理无载波幅度调制/脉冲调制(AM/PM)(CAP)信号的接收机。
CAP收发信机用来发射和接收在传输媒体上的调制的信号，例如非对称数字用户线(ADSL)应用项。CAP是一种带宽经济的二维通带行代码，其中符号数据被组织成I和Q对。在这种系统中，I和Q数据用具有公共通带的正交的I和Q带通滤波器来滤波。CAP主要打算被用于相对较简单的通信链路，其中每个信道只有一个频率分段。采用CAP后，所有处理都在滤波器的通带内完成，这消除了对载波跟踪环(CTL)的需要，代价是由于所发送的脉冲的频率所引起的更严格的符号定时约束条件，该脉冲频率比起许多其它调制方案的脉冲频率高。CAP系统被详细描述于J.J.Werner的“Tutorial on Carrierless AM/PM(有关无载波幅度调制/脉冲调制(AM/PM)的教程)”中，1992年6月23日(UTPDevelop Forum(开发讨论会)，ANSI X3T9.5TP/PMD Working Group(工作小组))。
许多最终用户不具有能够接收这样的CAP信号的CAP接收机。例如，许多消费者具有现有的与CAP不兼容的电缆机顶收发信机设备。由于安装新的与CAP信号兼容的CAP接收机的通常很贵的费用，希望改进现有的接收机以便能接收CAP信号。
按照本发明的原理，用于处理CAP信号以便于处理其到基带的解调的方法包括以下步骤，由QAM解调器网络处理CAP信号，以及去除由于QAM解调器处理所引起的CAP信号以其中心频率的旋转。
在附图中
图1是CAP收发信机系统的方框图；图2是QAM收发信机系统的方框图；图3是按照本发明的一个实施例改进的一种改进QAM接收机部分的方框图；图4是按照本发明的第二实施例改进的第二改进QAM接收机部分的方框图5是按照本发明的图4或5的QAM接收机的改进的载波跟踪环的方框图。
符号星座图在本发明中，QAM接收机被改进来接收CAP信号。在CAP或QAM系统中，发射的数据符号由“I”和“Q”正交分量代表。每个符号包括几个比特，以及比特/符号的数目支配了QAM(或CAP)系统的类型，即16-QAM,32-QAM等等。在16-QAM系统中，例如，存在16个可能的4-比特符号，每个通过使用查找表(例如ROM)被变换(分配)到以四象限栅格状星座图形式的规定的坐标。规定的符号数目占用每个象限中的分配的区域。在32-QAM(或32-CAP)系统中，星座图的每个象限包含在预定的对于正交的I和Q轴的坐标处的8个符号。
CAP收发信机系统现在参照图1，图上显示了包含CAP发射机110,CAP接收机150与发射信道120的CAP收发信机100的方框图。CAP发射机110包括符号产生器111，同相滤波器112，正交滤波器113，以及被耦合到发射信道120的相加节点115。CAP接收机150包括同相滤波器152，正交滤波器153，每个被耦合到发射信道120的定时恢复机构154，以及被耦合到符号-数据变换器157的采样装置155。在一个实施例中，发射信道120是标准电话双绞线。
符号产生器111接收输入数据信号(Data In)，并把每个要被发射的输入数据值变换成符号对或在具有实数I(同相)和虚数Q(正交)轴的复数信号星座上相应的星座点的坐标对Ixs和Qxs。Ixs和Qxs被L-1个零间隔开，其中L是每个符号的样本数。滤波器112和113是具有公共的通带的正交脉冲成形滤波器。滤波器112和113接收符号Ixs(n)和Qxs(n)，并分别产生信号Ix(n)和Qx(n)，其中n是采样指数，以及Ix(n)=Pi*Ixs(n)和Qx(n)=Pq*Qxs(n)。滤波器112和113的脉冲成形滤波函数Pi,Pq是通过把公共的M抽头根号升余弦滤波器P频移到Fc而得出的，其中Fc是滤波器112和113的脉冲成形滤波函数Pi和Pq的中心频率或载波频率。这样，Pik=Pk·Cos((2·π·Fc·k)/(Fs·sps))，和Pqk=Pk·sin((2·π·Fc·k)/(Fs·sps))对于k=-(M/2),-(M/2)+1,…(M/2)-1，其中数值sps代表在滤波器中所使用的每个符号的样本数目，Fs是符号速率，以及k是指数变量。这样，不像在QAM发射机中那样，如下面参照图2所讨论的，输入符号数据Ixs(n)和Qxs(n)不被旋转；而是输入符号数据只被根号升余弦正交带通滤波器112和113滤波。这产生了CAP信号，除了所发射的数据没有以载波频率Fc旋转以外，它在某些方面相似于QAM信号，正如它处在QAM系统中那样。
相加节点115输出的相加的信号Ix(n)+Qx(n)在通过传输信道120发射。由相加节点115输出的相加的信号Ix(n)+Qx(n)在通过传输信道120发射之前典型地被传递通过数-模转换器(DAC)和插入的低通滤波器(未示出)。而且，在替换的实施例中，相加节点115可以把信号Ixs(n)和Qxs(n)进行相减，而不是相加。
信号Ix(n)+Qx(n)被CAP接收机的Pi和Pq滤波器152,153接收，它们在相位和幅度响应上与CAP发射机110的滤波器112,113有关。CAP接收机150具有的结构类似于CAP发射机110具有的同相和正交滤波器的并行排列的结构。滤波器152,153产生信号Ix(n)和Qx(n)，它们被提供给采样装置155。定时恢复装置154恢复所发射的数据的定时，并把定时数据提供给采样装置155来正确地采样信号Ix(n)和Qx(n)，以产生Ixs(n)和Qxs(n)，它们被符号-数据变换器157使用，以提供相应的星座点的坐标，从而提供由星座点代表的数据。
QAM收发信机系统现在参照图2，图上显示了包含QAM发射机210和QAM接收机250的QAM收发信机系统200的框图。QAM发射机210包括符号产生器211，基带脉冲成形滤波器212，基带脉冲成形滤波器213，乘法器216和217，以及通过传输信道(未示出)被耦合到QAM接收机250的相加节点215。QAM接收机250包括乘法器266,267，基带脉冲成形滤波器252,253，定时恢复机构254，采样装置255，复数乘法器261，载波跟踪环(CTL)262以及符号-数据变换器257。
在QAM发射机210中，整个信号被调制到频率Fc，正好与CAP系统100所做的将滤波器进行频移相反。因此，滤波器212,213的脉冲成形滤波函数P在基带被引用，该上变频的信号以速率Fc旋转。在QAM接收机250处，处理是倒过来进行，恢复所变换的调整的和发射的数据。QAM系统是在上面参考文献，Werner的“Tutorial on Carrierless AM/PM(有关无载波AM/PM的教程)”，和Edward A.Lee&David G.Messerschmitt的专著“Digital Communication(数字通信)”(第二版，Boston:Kluwer Academic Publishers,1994,pages 20 et seq.,202et seq.，和220 et seq.)中讨论的。
在QAM收发信机系统200中，符号产生器211接收输入数据信号(Data In)，并把每个要被发射的输入数据值变换成相应的星座点的坐标对Ixs和Qxs，如图1的CAP系统中那样。由符号产生器211所产生的符号Ixs(n)和Qxs(n)分别被传递通过基带脉冲成形滤波器212,213，以产生限带的I和Q值。这些限带的I和Q值分别由乘法器216,217被乘以载波和该载波被移相90度后的版本。这些调制的组合使得I和Q值在复平面上绕载波频率旋转，正如本领域的技术人员将明白的。调制器216把限带的I值乘以Cos(2·π·Fc·k·T)，和把限带的Q值乘以sin(2·π·Fc·k·T)，其中Fc是基带脉冲成形滤波器212,213的中心频率，k是指数变量，以及1/T是符号速率。这样QAM信号可被看作为由带有π/2或90度相对相移的两个独立地调制的载波信号组成。滤波器212,213，和滤波器252,253是平方根升余弦(SQRC)滤波器。滤波器212和252的级联以及滤波器213和253的级联，每个构成所谓的“奈奎斯特(Nyquist)滤波器”，按照奈奎斯特理论，它得到最小符号间干扰。
所得到的调制的信号流由相加节点215相加，以形成QAM信号，这样它被看作为提供了在频域中叠加的I和Q信号的分开的双-单边带调制。典型地，上变频器(未示出)把低频率的QAM信号变换到感兴趣的传输信道，例如VHF或UHF信道。另外，QAM信号在通过传输信道120被发射之前典型地被传递通过数-模转换器(DAC)和插入的低通滤波器(未示出)。
QAM信号被QAM接收机250的调谐部分(未示出)接收，它滤出所选择的信道，并把接收信号的频率减小为中频(IF)，其输出被加到乘法器266和267。QAM接收机250的部件通常完成在QAM发射机210中的它们的相反部件的相反功能。例如，接收机250也包含SQRC I和Q滤波器252,253，它们被“匹配”到发射脉冲波形。由QAM接收机250接收的QAM信号通过由乘法器266,267把接收信号相乘而被下变频为基带。这也使得QAM信号大大地去旋转。任何剩余的旋转和相位误差被CTL 262去除。接着，滤波器252,253产生信号Ir(n)和Qr(n)，它们被提供给采样装置255。采样装置通过采样把接收的模拟信号变换成数字。定时恢复机构254恢复所发送的数据的定时，并把定时数据提供给采样装置255，以使得采样装置255能正确地采样信号Ir(n)和Qr(n)，它们又产生Irs(n)和Qrs(n)。
信号Irs(n)和Qrs(n)然后被加到复数乘法器261，它从CTL 262接收跟踪信号，以便去除在乘法器266,267进行相乘以后留下的剩余旋转和星座相位误差。CTL 262接收数据输出信号，并把跟踪信号加到复数乘法器261，正如本领域技术人员将看到的。复数乘法器261的输出被加到符号-数据变换器257，以提供相应的星座点的坐标，从而提供由星座点所代表的数据。在替换的实施例中，接收的QAM信号在被加到乘法器266和267以前由数模转换器ADC转换成数字。在这种情况下，采样装置255被插值器代替，正如本领域技术人员将看到的。
用QAM接收机接收CAP信号正如本领域技术人员将看到的，QAM系统200包含CAP系统100中所没有的控制环。在QAM系统中，载频Fc和符号定时时钟必须在相位和频率上被锁定到发射机。在CAP系统中，只须锁定符号定时信息。在标准的QAQM接收机中，QAM接收机被设计来解调具有采样装置255的ADC采样速率Fad的四分之一的中心频率Fc的QAM信号，即Fc=Fad/4。这允许使用1,0,-1,0序列以乘法器266,267来解调接收的QAM信号。在这样一个序列中，被发送到QAM接收机250的乘法器266,267的余弦和正弦信号可以简单地是1,0,-1,0序列，这允许使用要被用来完成乘法器266,267功能的简单的乘法器装置。关系式Fc=Fad/4有利地连同与1,0,-1,0序列有关的正弦的(正弦/余弦)被乘数函数一起被使用。然而，在Fc和Fad之间的其它关系也能按照特定系统的需要被使用。可替换地，如果ADC在乘法器266,267的输入端处被使用，则乘法器266,267是包括数字控制振荡器(NCO)的数字调制器的数字乘法器或混频器。
在本发明中，对QAM接收机执行两种调制中的一种，以使得QAM接收机能接收CAP信号。为了把CAP信号的中心设在频率Fc上，在此频率上QAM接收机可使用1,0,-1,0序列来解调，CAP信号可在模拟的频域中被上变频和下变频。替换地，在使用数字解调器的地方，数字解调器可被改进成接受不是Fad/4的中心频率，这样CAP信号在被加到改进的QAM接收机的输入端以前不需要被上变频和下变频。因此，在使用模拟技术的本发明的一个实施例中，如在下面参照图3所讨论的，接收的CAP信号被移位，以使得中心在Fad/4，这样，在QAM解调器中的标准的1,0,-1,0解调器系统可把信号带到复数基带。在使用数字技术的第二实施例中，如下面参照图4所讨论的，数字解调器的1,0,-1,0解调被改变成使一个完全乘法器和NCO相合并，以便允许QAM接收机把CAP信号移位到基带。为了去除在由QAM接收机通过这些技术的任一种技术接收CAP信号以后留下的旋转，CTL也被改进来去除这种旋转，如参照图5所讨论的。
改进的QAM接收机模拟技术现在参照图3，图上显示了改进的QAM接收机的部分300的方框图，它是按照以上描述的能接收由图1的CAP发射机110发射的CAP信号的模拟技术而被改进的。在QAM接收机部分300中，Fup振荡器302和混频器301被加到标准QAM接收机的输入级。混频器301的输出被加到调谐器级330的输入端，它利用对于标准QAM接收机调谐器通用的部件。调谐器级330包括声表面波(SAW)滤波器331，放大级332，乘法器333，和Fdown振荡器334，以及低通滤波器335。
在QAM接收机部分300中，输入的CAP信号被加到乘法器301，它把CAP信号上变频到更高的频率。对于典型的比特率，例如DAVIC比特率C和D，需要具有类似于SAW滤波器的陡度的滤波器，以便把变频的信号的上边带与下边带分开。这样，乘法器301的输出被加到调谐器级330的SAW滤波器331的输入端。由振荡器302产生的频率Fup被选择来把由混频器301产生的上变频的信号的上边带放置到SAW滤波器的通带中。在级330内，Fdown振荡器334被选择来使得信号中心在Fc=Fad/4，或采样装置255的ADC采样速率的四分之一。
级330的输出被加到QAM接收机的其余部分，该接收机与图2的QAM接收机250相同，除了对CTL去旋转器进行改进以外，参照图5所讨论的。具体地，级330的输出被加到图2的QAM接收机250的乘法器266和267的输入端。在乘法器266,267解调以后，解调的CAP信号以它的中心频率Fc旋转，不像QAM信号，它在QAM接收机250处将被很大地去旋转。因此，为了把接收的符号去旋转，CTL需要被改进，以提供Fc去旋转器。这样，对于图3所示的实施例，CTL去旋转器也被改进，如下面对于图5所讨论的。
改进的QAM接收机数字技术现在参照图4，图上显示了第二改进的QAM接收机的数字CAP到QAM接口部分400的方框图，它是按照以上描述的能接收由诸如图1的CAP发射机110那样的CAP发射机发射的CAP信号的数字技术而被改进的。在QAM接口部分400中，标准QAM接收机的1,0,-1,0数字解调器在QAM接收机的中频(IF)输入端处被以图4的数字CAP到QAM接口400代替。接口400把一个完全乘法器(例如复数乘法器)和NCO相合并，以便允许QAM接收机把CAP信号移位到基带。通过适当的增益调节，这样CAP信号可被直接加到ADC 401，而不必如在QAM接收机部分300中所做的被上变频。
接口400包括被耦合到乘法器或混频器402和403的输入端的ADC401。这些乘法器代替图2的QAM接收机250的乘法器266和267的功能。乘法器402和403的输出被加到滤波器252和253，它们的输出被加到采样装置255，采样装置在本实施例中是内插器，因为模拟-数字转换已经完成。提供接收的CAP信号的中心频率的NCO也被加到乘法器402和403的输入端。这代替了在输入信号具有Fad/4的频率时所使用的较简单的1,0,-1,0序列。完全乘法器402和403也在本实施例中被使用，而在NCO产生较简单的1,0,-1,0正弦序列时不使用可能的较简单的乘法器。
通过这个实施例，CTL去旋转器也被改进，如在下面参照图5所讨论的。
对于模拟和数字技术的QAM接收机的改进的CTL去旋转器载波跟踪是由诸如QAM接收机250那样的QAN接收机执行的QAM解调的主要部分。CAP系统通过不在载波频率上旋转数据而避免这个问题。然而，已经确定，如果QAM接收机是要解调CAP信号和变频是所执行的信号处理的一部分，则多半是将需要载波跟踪，因为变频器将旋转该数据。幸运地，当把静止中心频率加到CTL NCO时，由变频调谐误差引起的偏移是与对于QAM系统存在的偏移可比较的，它可以以标准方式被校正。
现在参照图5，图上显示了按照本发明的改进的CTL 500的方框图，它代替QAM接收机的CTL 262。这种改进是必须的，因为当CAP由乘法器266和267(对于图3)或乘法器402和403(对于图4)被变换到基带时，CAP符号以Fc旋转。当CAP信号被QAM接收机接收时，CAP信号不像QAM信号那样旋转。然而，QAM接收机将通过把接收的CAP信号与载波相乘而把该信号下变到基带，该载波是CAP信号的中心频率，它使得信号以Fc旋转。这样，为了恢复数据，CAP符号必须把Fc旋转从它们中除去。中心频率只有在所有基带信号处理以后才能被除去，因为加回中心频率以去除旋转将使信号移出基带。这需要在信号被转换到每个符号1个样本以便均衡或限幅时，执行该中心频率的去旋转。因此，数据的去旋转必须在诸如QAM接收机250那样的QAM接收机的脉冲成形滤波器252和253以后进行。
因之，在本发明中，去旋转由CTL 500实现。这允许CTL导出由变换造成的误差，以及恢复原先的符号数据。改进的CTL包括用于产生CTL相位误差的CTL相位误差检测器501,CTL环路滤波器502，加法器510，和NCO 511。相位误差检测器513通过接收数据输出(Data Out)信号产生CTL相位误差，正如将看到的。CTL环路滤波器502产生一个表示所处理的信号的频率和相位误差的信号。在标准CTL中，CTL环路滤波器502的输出将被直接加到NCO 511的输入端，该NCO将产生正确的正弦信号来控制复数乘法器261的相乘，以便于减小误差。这通常被使用来消除前面所讨论的剩余旋转和相位误差。在本发明中，加法器510和信号Fc被相加以允许CTL 500也去除由以频率Fc旋转的CAP信号造成的旋转。当处理器或用户确定一个QAM信号正在被接收时，Fc信号可被切换到零，这样零被加到由CTL环路滤波器输出的误差信号上，以便模拟在接收QAM信号时QAM接收机的常规的CTL的运行。
Fc切换可以以各种不同方式来完成。例如，信号Fc可从切换的源被提供，该切换源响应于来自识别CAP信号的存在与否的传感器网络的控制信号而提供信号Fc或零值给加法器510。例如，观察者可以从菜单显示来选择视频节目。与选择有关的和与所选择的源材料的提供者有关的转换将提供识别符信号，表示所选择的材料将通过CAP或QAM格式被输送。识别符将被比较器感知，以导出控制信号。
正如将看到的，在替换的实施例中，本发明的改进的QAM接收机和部件可以在处理器中以数字信号处理软件被部分地或全部地实现。模拟系统可以需要或不一定需要NCO。给定的NCO适合于用于产生前面提到的1,0,-1,0解调序列。
权利要求
1．用于处理CAP信号的接收机，包括第一装置(266,267；402,403)，用于使得CAP信号绕CAP信号的中心频率旋转；以及第二装置(500)，用于去除CAP信号绕中心频率的旋转。
2．权利要求1的接收机，其特征在于，其中第一装置包括1,0,-1,0序列解调器，其中接收机具有模拟到数字采样速率，接收机还包括变频装置，在CAP信号被加到1,0,-1,0序列解调器以前，用于把CAP信号的中心频率变换成与接收机的模拟到数字采样速率有关的频率。
3．权利要求2的接收机，其特征在于，其中变换装置还包括(1)被耦合到1,0,-1,0序列解调器的带通滤波器；(2)第一变换器，在CAP信号被加到滤波器以前，用于把CAP信号的中心频率变换成通带频率；以及(3)第二变换器，在CAP信号被滤波器滤波以后，用于把CAP信号的频率变换成接收机的模拟到数字采样速率的四分之一。
4．权利要求1的接收机，其特征在于，其中第一装置包括模拟一数字转换器，用于把CAP信号从模拟转换到数字，以及数字解调器包括完全的乘法器和数字地控制的振荡器(NCO)，适用来把CAP信号移位到基带。
5．权利要求1的接收机，其特征在于，还包括与第二装置有关的载波跟踪环(CTL)。
6．权利要求5的接收机，其特征在于，其中CTL包括具有一个输出端的CTL环路滤波器，具有第一和第二输入端的加法器，加法器的第一输入端耦合到CTL环路滤波器的输出端，以及具有被耦合到加法器输出端的输入端的CTL振荡器，其中加法器的第二输入端被耦合到去旋转信号，其中去旋转信号具有非零值，足以使得CTL去除CAP信号绕中心频率的旋转。
7．权利要求1的接收机，其特征在于，其中第一装置包括用于把CAP信号变换到基带的装置。
8．权利要求1的接收机，其特征在于，其中第一装置包括用于把CAP信号乘以载波信号的装置，该载波信号具有的中心频率等于CAP信号的中心频率。
9．权利要求1的接收机，其特征在于，其中第一装置包括用于解调QAM信号的装置，借此CAP信号在被解调装置处理以后将绕中心频率旋转。
10．在接收机中用于接收CAP信号的方法，包括以下步骤(a)使得CAP信号绕CAP信号的中心频率旋转；以及(b)去除CAP信号绕中心频率的旋转。
11．权利要求10的方法，其特征在于，其中步骤(a)包括用解调器解调CAP信号的步骤，其中接收机具有模拟到数字采样速率，该方法还包括以下步骤(c)在用1,0,1,0序列解调器解调CAP信号以前，把CAP信号的中心频率转换到与接收机的模拟到数字采样速率有关的频率。
12．权利要求11的方法，其特征在于，其中步骤(c)还包括(1)把CAP信号的中心频率变换到带通滤波器的通带频率；(2)在步骤(c)(1)以后用滤波器滤波CAP信号；以及(3)在步骤(c)(2)以后，把CAP信号的频率变换成接收机的模拟到数字采样速率的四分之一。
13．权利要求10的方法，其特征在于，其中步骤(a)包括以下步骤把CAP信号从模拟转换到数字，以及用包括完全的乘法器和NCO的数字解调器来把CAP信号移位到基带。
14．权利要求10的方法，其特征在于，其中步骤(b)由接收机的CTL完成。
15．权利要求14的方法，其特征在于，其中CTL包括具有一个输出端的CTL环路滤波器，具有第一和第二输入端的加法器，加法器的第一输入端耦合到CTL环路滤波器的输出端，以及具有被耦合到加法器输出端的输入端的CTL振荡器，其中加法器的第二输入端被耦合到去旋转信号，其中去旋转信号具有非零值，足以使得CTL去除CAP信号绕中心频率的旋转。
16．权利要求10的方法，其特征在于，其中步骤(a)包括把CAP信号变换到基带的步骤。
17．权利要求10的方法，其特征在于，其中步骤(a)包括把CAP信号乘以载波信号的步骤，该载波信号具有等于CAP信号的中心频率的中心频率。
18．权利要求10的方法，其特征在于，其中步骤(a)包括通过用于解调QAM信号的装置解调CAP信号的步骤，借此CAP信号在解调以后将绕中心频率旋转。
19．处理通常不易受到绕中心频率的旋转的CAP信号的方法，包括以下步骤(a)借助于QAM解调器网络处理CAP信号；以及(b)去除由在步骤(a)中的QAM解调器处理引起的CAP信号绕其中心频率的旋转。
20．按照权利要求19的方法，其特征在于，还包括以下步骤把CAP信号耦合到与QAM解调器网络有关的载波恢复网络；产生在CAP信号的中心频率上的参考信号；在存在要被处理的CAP信号时，把参考信号加到载波恢复网络；以及在不存在要被处理的CAP信号时，抑制参考信号。
全文摘要
CAP信号由QAM解调器网络(图2,250)处理。QAM网络使得CAP信号以它的中心频率旋转,该旋转在CAP信号被输送到公用网络之前被去除。在模拟方案中(图3),CAP信号被上变频,以使得其中心频率在Fad/4处,这样QAM处理器可使用通常的1,0,－1,0解调序列,来把CAP信号变成基带,替换地,通过使用数字技术(图4),而不需要上变频,并且用数字控制振荡器(406)和完全乘法器来代替1,0,－1,0解调序列,以允许QAM处理器把CAP信号变成基带。
文档编号H04L27/38GK1233368SQ97198726
公开日1999年10月27日 申请日期1997年10月6日 优先权日1996年10月11日
发明者P·G·克尼特松, J·S·斯特瓦特, K·拉马斯瓦麦 申请人:汤姆森消费电子有限公司