CN100550998C - 多阶结构的载波恢复装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多阶结构的载波恢复装置及相应方法，包括：频率校正乘法器，用于校正数字传输信号的载波频率；分离器，从数字传输信号中分离出时域同步头；多个频率偏移估计单元，分别输入所述时域同步头，通过不同的频率偏移估计方式估计在调谐数字传输信号期间出现的不同范围的载波频率偏移；以及组合单元，组合由所述多个频率偏移估计单元估计的频率偏移，其中，所述多阶结构的载波恢复装置利用组合的频率偏移进行载波恢复。本发明的装置采用多个频率偏移组合估计以及一阶的跟踪环路，使该装置能够不受多径信道的影响，可以估计大范围且精确的载波偏移，准确恢复载波。

Description

多阶结构的载波恢复装置

技术领域

本发明涉及数字电视地面广播系统的接收器中恢复载波的装置及方法，尤其涉及一种多阶结构的载波恢复装置及方法，可根据传输信号中的时域同步头来估计且补偿发生在调谐期间的载波的频率偏移。

背景技术

图1示出了现有技术中常规的多媒体电视广播接收器的系统框图。在目前常规的多媒体电视广播接收器的系统框图中，通过天线10接收的接收信号进入调谐器12，经调谐的信号分别通过SAW滤波器14、中频放大单元16、ADC单元18以及基带处理单元20，基带处理单元20向采样同步单元22输出采样估计输出，采样同步单元22控制ADC 18。基带处理单元还输出载波频偏估计输出，通过载波同步单元24，对基带信号进行数字处理，然后调整调谐器来恢复载波。

在同步传输的数字通信或广播系统中，由于多普勒频移和本地载波误差的影响，接收信号会产生缓慢的频率漂移，从而使接收信号出现相位偏移，对采用相干解调的通信系统会产生恶劣影响，使系统性能下降。尤其是对由许多正交的子载波组成的OFDM信号来说，子信道带宽比整个带宽小得多，载波频偏引入载波间干扰(ICI)将破坏OFDM信号不同子载波间的正交性，一个小的频偏都会导致很大的信噪比降低，从而要求我们必须精确的估计并校正频偏。

通常，广播信号发送系统包括残留边带(VSB)调制和编码正交频分多路复用(COFDM)调制，VSB调制发送单载波上的广播信号，COFDM调制经广播信号的频分多路复用通过多信道发送广播信号。VSB调制是美国倡导的数字广播系统，在诸如韩国和美国的国家采用。COFDM调制是欧洲倡导的数字广播系统。由于地面电视广播是连续的数据流，所以载波恢复算法通常采用反馈结构，以获得较好的跟踪性能。

美国ATSC数字电视广播系统中在下边带边界处加入了一个小的导频信号，先对该导频信号自动频率跟踪，再窄带锁相进行相位跟踪(见中国专利公开号：CN 1650529 A，“用于数字电视接收器的载波恢复”)。该方式付出的代价是增加了0.3dB的信号功率，且如果导频的频带处于信道频率响应的零值上，数字广播信号的导频会被严重破坏，那么在常规数字广播接收器上的载波恢复质量会严重恶化。欧洲DVB-T传输系统在时域上加入特殊的结构循环前缀，并在频域插入连续导频和分散导频信号，连续导频在每个COFDM符号中的位置都是固定的，离散导频的位置在不同的COFDM符号中有所不同，但以四个OFDM符号为周期循环，欧洲COFDM采用典型的OFDM频率估计方法，为了保证较大的捕获范围和优化跟踪性能，分为粗同步和细同步估计。频偏校正通常采用一个带有频率检测器的跟踪环来实现，频偏估计主要通过下面两种方式，基于COFDM信号中的循环前缀在时域进行和基于COFDM中的分散导频和连续导频在频域进行(见Speth M、Stefen A、Fechtel S等人的“Optimum receiverdesign for wireless broad-band systems using OFDM.Part I，”Communications，IEEE Transaction，1999，47(11)：1668-1677[J])，第一种算法利用OFDM信号的固有重复结构，算法复杂度较低。但在实际中，多径信道引入的ISI已经破坏了这种重复结构，所以估计性能受到影响；第二种算法可以提供较好的估计结果，但由于插入导频降低了信息速率，因此插入的导频数目相对数据来说一定要少，另外OFDM受频偏影响会引起ICI，如果存在ICI的话，一定会破坏频率估计的性能。

综上所述，无论美国ATSC还是欧洲DVB-T数字电视广播系统，在实际无线通信系统中的多径衰落条件下，系统的频率检测器都会受到严重的影响，无法跟踪载波频率偏移，从而影响整个广播接收器的性能。

发明内容

因此，本发明的载波恢复装置，利用时域已知随机序列同步头，采用根据本地参数对多个频率偏移估计和组合折算估计方式，并且用一阶的跟踪环路，使该装置能够不受多径信道的影响，可以估计大范围且精确的数字传输信号的载波偏移而准确的实现载波恢复的能力。本发明的载波恢复装置既可以用于已知随机序列时域同步头的单载波传输系统中，也可以用于包括手持移动多媒体在内的多载波传输系统中。

本发明的第一方面提供一种多阶结构的载波恢复装置，包括：

频率校正乘法器，用于校正数字传输信号的载波频率；

分离器，从数字传输信号中分离出时域同步头；

多个频率偏移估计单元，分别输入所述时域同步头，通过不同的频率偏移估计方式估计在调谐数字传输信号期间出现的不同范围的载波频率偏移；以及

组合单元，组合由所述多个频率偏移估计单元估计的频率偏移，

其中，所述多阶结构的载波恢复装置利用组合的频率偏移进行载波恢复。

本发明的第二方面是如上述第一方面所述的多阶结构的载波恢复装置，还包括：

本地参数单元，用于设置所述多个频率偏移估计单元以及组合单元各自的参数；

低通滤波器，用于对所述组合的频率偏移进行低通滤波；以及

数控振荡器，用于对经低通滤波的组合的频率偏移进行补偿，并输出给复数乘法单元进行调谐。

本发明的第三方面是如上述第二方面所述的多阶结构的载波恢复装置，所述多个频率偏移估计单元包括：

粗估计单元，用于估计范围较大的频率偏移；

一般估计单元，用于估计范围一般的频率偏移；以及

精细估计单元，用于估计范围较小的频率偏移。

本发明的第四方面是如上述第三方面所述的多阶结构的载波恢复装置，所述粗估计单元的估计的频率偏移范围为

所述一般估计单元估计的频率偏移范围为

所述精细估计单元估计的频率偏移范围为

其中，设N为所述数字传输信号的一个符号的长度，N_g为时域同步头的长度，则N_s＝N+N_g；d₁、d₂分别为本地参数单元对粗估计单元和一般估计单元设置的参数，Δf为子载波间隔。

本发明的第五方面是如上述第四方面所述的多阶结构的载波恢复装置，所述组合单元利用来组合由所述多个频率偏移估计单元估计的频率偏移，其中

为向下取整，f₁、f₂、f₃分别为粗估计单元、一般估计单元以及精细估计单元的输出。

本发明的第六方面是如上述第三方面所述的多阶结构的载波恢复装置，所述粗估计单元和一般估计单元结构相同，包括：

第一乘法器，用于所述时域同步头与本地产生的本地时域同步头相乘；

第一延时器，按照所述本地参数单元设置的参数作为延迟时间对第一乘法器的输出进行延迟；

第一共轭单元，用于计算延迟后的第一乘法器的输出的共轭复数值；

第二乘法器，将共轭单元的输出和第一乘法器的输出相乘；

第一累加器，将第二乘法器的输出按照规定的累加长度累加求和；以及

第一取相位单元，将累加器单元的输出取相位运算，所述精细估计单元包括：

第二延时器，将所述时域同步头延迟预订的延迟时间；

第二共轭单元，用于计算经延时后的时域同步头的共轭复数值；

第三乘法器，将第二共轭单元的输出和所述时域同步头相乘；

第二累加器，将第三乘法器的输出按照规定的累加长度累加求和；以及

第二取相位单元，将第二累加器的输出取相位运算。

本发明的第七方面提供一种载波恢复方法，包括以下步骤：

将经模-数转换之后的基带数字传输信号进行补偿频率偏移以及将时域同步头信号分离出来；

根据时域同步头信号，通过多种频率偏移估计方式估计在调谐数字传输信号期间出现的不同范围的载波频率偏移；以及

将所述多种频率偏移估计方式估计出的载波频率偏移估计进行组合，利用组合的频率偏移进行载波恢复。

本发明的第八方面是如上述第七方面所述的载波恢复方法，还包括：

对经组合的载波频率偏移估计进行低通滤波；以及

利用数控振荡器将通过低通滤波的经组合的载波偏移频率积分成相位然后反馈以进行频率校正。

本发明的第九方面是如上述第七方面所述的载波恢复方法，所述多种频率偏移估计方式包括：

用于估计范围较大的频率偏移的粗估计；

用于估计范围一般的频率偏移的一般估计；以及

用于估计范围较小的频率偏移的精细估计。

本发明的第十方面是如上述第九方面所述的载波恢复方法，

所述粗估计和一般估计采用相同方式，包括：

将所述时域同步头信号与本地产生的时域同步头信号相乘；

将相乘的结果根据对应的本地参数作为延迟时间进行延迟；

计算延迟后的共轭复数值；

将共轭输出的值和延时前的值相乘；

将相乘的结果按照对应的给定累加长度累加求和；以及

将求和值取相位运算，

所述精细估计包括以下步骤：

将所述时域同步头信号延迟预设的延迟时间；

计算延时后的共轭复数值；

将共轭输出的数值和所述时域同步头信号相乘；

将相乘的结果按照给定的累加长度累加求和；

将求和值取相位运算。

在多径衰落的信道下，本发明的载波恢复装置由于采取对多个频率偏移估计单元组合之后低通滤波的一阶锁频环装置，解决了在多径信道下一般广播接收器中载波恢复装置中无法解决的准确估计载波频率偏移的问题，使该装置能够捕获较大的频偏范围且具有精确的载波频率偏移估计性能，且本发明的载波装置在单载波数字信息传输系统和多载波数字信息传输系统中都适用。

附图说明

通过参照附图描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和特点将变得更清楚，其中：

图1是现有技术中常规的多媒体电视广播接收器的系统框图；

图2是根据本发明优选实施例的一种多阶结构的载波恢复装置的方框图；

图3是更详细的示出图2中的粗估计单元的图；

图4是更详细的示出图2中的一般估计单元的图；

图5是更详细的示出图2中的精细估计单元的图；

图6是更详细的示出图2中的LPF单元的图；

图7是更详细的示出图2中的NCO单元的图；

图8是示出用于利用根据本发明优选实施例的多阶结构的载波恢复装置恢复载波的方法的流程图；

图9是示出图8中多个频率偏移估计单元估计不同范围的频率偏移的流程图。

具体实施方式

以下将本发明的多阶结构的载波恢复装置用于手持移动多媒体的多载波传输系统中作为本发明的优选实施例来进行说明。当然，如本领域技术人员所理解的那样，本发明的应用并不局限于此。

当系统为OFDM传输系统时，若一个OFDM符号的长度为N＝4096，时域同步头的长度为N_g＝512，则精细估计的延迟时间为N_s＝N+N_g＝4608；当系统为单载波传输系统时，若帧体数据的长度N＝3780，时域同步头的长度为N_g＝420，则精细估计的延迟时间为N_s＝N+N_g＝4200。

图2是根据本发明的一个优选实施例的多阶结构的载波恢复装置的方框图；如图2所示，本发明的载波恢复装置包括频率校正乘法器42，分离器44，多个频率偏移估计单元(包括：粗估计单元46、一般估计单元48、精细估计单元50)，组合单元52，LPF(低通滤波器)54以及NCO(数控振荡器)56。模-数转换器(ADC)40之后的基带数字传输信号(以下简称为基带信号)包括同步段信号和数据段信号，通过频率校正乘法器42和分离器44将时域同步头信号分离出来进入多个频率偏移估计单元。在此实施例中，时域同步头信号为长度为N_g的伪随机序列，OFDM符号长度为N，精细估计的延迟时间为N_s＝N+N_g。通过使用三种频率偏移估计单元，以便达到估计大范围且精确的载波频率偏移性能。如图所示，多个频率偏移单元包括粗估计单元46，用于估计范围较大的频率偏移；一般估计单元48，用于估计范围一般的频率偏移；精细估计单元50，用于估计范围较小的频率偏移。组合单元52将这三个频率偏移估计单元估计出的载波频率偏移估计进行组合，可以减少由于多径衰落而产生的载波估计出错概率。因此，可以更容易地恢复载波。组合单元的输出信号经LPF 54滤波后输出给NCO 56，NCO 56的输出反馈给频率校正乘法器42。

图3是更详细的示出图2中的粗估计单元46的方框图。粗估计单元包括本地时域同步头60，第一乘法器62，第二乘法器64，累加器66，取相位单元68，延时器70，共轭单元72。如图所示，第一乘法器62将接收到的时域同步头信号与本地时域同步头60信号相乘，第一乘法器的输出信号输入到第二乘法器64，且经过延时器70和共轭单元72后输入第二乘法器，通过第二乘法器64相乘，累加器66将第二乘法器64的相乘的结果累加求和，最后取相位单元68取其和的相位，其中延时器70的延迟时间长度d₁为本地参数单元58的输出。在此实施例中，本地参数单元58输出给延时器单元70的延迟时间长度为d₁，累加器66的预设累加长度为l₁，因此粗估计的频偏范围为

Δf为子载波间隔。例如，当Δf为2K Hz时，N取4096，d₁取40时，粗估计可以估计的频偏范围为(-102.4KHz，102.4KHz)。所以本地参数单元58的输出d₁决定了本发明的载波恢复装置的最大频偏估计范围。

图4是更详细的示出图2中的一般估计单元48的方框图，其结构与粗估计单元46的结构一致，包括本地时域同步头80，第一乘法器82，第二乘法器84，累加器86，取相位单元88，延时器90，共轭单元92。如图所示，第一乘法器82将接收到的时域同步头信号与本地时域同步头80信号相乘，第一乘法器82的输出信号输入到第二乘法器84，且经过延时器90和共轭单元92后输入第二乘法器84，通过第二乘法器84相乘，累加器86将其相乘的结果累加求和，最后取相位单元88取其和的相位，其中延时器90的延迟时间长度d₂为本地参数单元58的输出。在此实施例中，本地参数单元58输出给延时器单元90的延迟时间长度为d₂，累加器86的给定累加长度为l₂，因此粗估计的频偏范围为

Δf为子载波间隔。例如，当Δf为2K Hz时，N取4096，d₂取350时，一般估计可以估计的频偏范围为(-11.7KHz，11.7KHz)。所以本地参数单元58的输出d₂决定了本发明的载波恢复装置的一般频偏估计单元的估计范围。

图5是更详细的示出图2中的精细估计单元50的方框图，包括乘法器100，累加器102，取相位单元104，延时器106，共轭单元108。乘法器100将接收到的时域同步头信号与该信号经过延时器106和共轭单元108后的结果相乘，累加器102将其相乘的结果累加求和，最后取相位单元104取其和的相位。在此实施例中，延时器单元90的给定延延迟时间长度为d₃，d₃取一个OFDM符号加时域同步头的长度N_s，累加器102的给定累加长度为l₃，因此精细估计的频偏范围为

Δf为子载波间隔。例如，当Δf为2K Hz时，N取4096，N_s取4096+512，则精细估计可以估计的频偏范围为(-0.89KHz，0.89KHz)。

组合单元52从粗估计单元46、一般估计单元48、精细估计单元50输出的结果以及本地参数单元58输出的d₂计算出准确的载波频率偏移的组合值。例如，当粗估计单元46的输出值为f₁，一般估计单元48的输出值为f₂，精细估计单元50的输出值为f₃，本地参数单元58输出的d₂，则组合单元的计算公式为：

为向下取整。

因此用本地参数单元的输出d₂决定本发明装置中组合单元的计算输出。

图6是更详细的示出图2的LPF(低通滤波器)54的方框图。组合单元110的输出值经过乘法器112、加法器114、单位延时器116构成的一阶低通滤波系统，能够使组合值快速收敛跟踪实际的载波频率偏移，且实现结构简单。

图7是更详细的示出图2的数控振荡器56，由一个加法器122和单位延迟器124组成，将LPF输出的载波偏移频率积分成相位并在随后输出给频率校正乘法器42进行调谐。

根据本发明的优选实施例，采取多个频率偏移估计单元组合之后低通滤波的锁频环装置，使该装置在多径衰落下能够捕获较大的频偏范围且具有精确的载波频率偏移估计性能。

图8是示出利用本发明优选实施例的多阶结构的载波恢复装置的载波恢复方法的流程图。首先，在步骤S100，经模-数转换之后的基带数字传输信号(包括同步段信号和数据段信号)进行补偿频率偏移以及将时域同步头信号分离出来。在步骤S200，根据时域同步头信号，通过多种频率偏移估计方式估计在调谐数字传输信号期间出现的不同范围的载波频率偏移，其中所述多种频率偏移估计方式包括粗估计、一般估计和精细估计。在步骤S300，将所述多种频率偏移估计方式估计出的载波频率偏移估计进行组合。步骤S400，对经组合的载波频率偏移估计进行低通滤波。在步骤S500，利用数控振荡器将通过低通滤波的经组合的载波偏移频率积分成相位然后反馈以进行频率校正。载波恢复方法构成一个闭环的系统，自适应的估计与纠正载波偏差，在多径衰落下也能够捕获较大的频偏范围且具有精确的载波频率偏移估计性能。

图9是更详细的示出图8的步骤S200的流程图。粗估计的方法步骤包括将时域同步头信号与本地产生的时域同步头信号相乘(步骤S205)；然后，将相乘的结果根据本地参数d₁作为延迟时间进行延迟(步骤S210)；接着，计算延迟后的共轭复数值(步骤S215)；接着，将共轭输出的数值和延时前的值相乘(步骤S220)；接着，相乘的结果按照给定的累加长度l₁累加求和(步骤S225)；最后，其求和值取相位运算(步骤S230)。一般估计的步骤与粗估计步骤一致(步骤235-步骤260，这里不再赘述)，其中延迟时间为本地参数d₂，累加长度为新的设定值l₂。精细估计包括以下步骤：将时域同步头信号延迟预设的延迟时间d₃(步骤S265)；接着，计算延时后的共轭复数值(步骤S270)；接着，将共轭输出的数值和时域同步头信号相乘(步骤S275)；接着，相乘的结果按照给定的累加长度l₃累加求和(步骤S280)；最后其求和值取相位运算(步骤S285)。

根据本发明，由于采取多个频率偏移估计单元组合之后低通滤波的锁频环装置，即使在多径衰落下仍可容易的捕获较大的频偏范围且具有精确的载波频率偏移估计性能，可准确的恢复载波。

尽管以上优选实施例为多载波系统，单载波传输系统也同样适用。

尽管已经描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员将会理解本发明将不限于优选实施例，并且在由所附权利要求所定义的本发明的实质和范围之内，可以做出不同的改变和调整。

Claims (1)

1.一种多阶结构的载波恢复装置，其特征在于，含有组合的多个频率偏移估计单元，包括：

粗估计单元，用于估计范围较大的频率偏移；

一般估计单元，用于估计范围一般的频率偏移；以及

精细估计单元，用于估计范围较小的频率偏移；

所述组合单元利用来组合由所述多个频率偏移估计单元估计的频率偏移，其中

为向下取整，f₁、f₂、f₃分别为粗估计单元、一般估计单元以及精细估计单元的输出；

所述粗估计单元的估计的频率偏移范围为

所述一般估计单元估计的频率偏移范围为

所述精细估计单元估计的频率偏移范围为

其中，设N为所述数字传输信号的一个符号的长度，N_g为时域同步头的长度，则N_s＝N+N_g；d₁、d₂分别为本地参数单元对粗估计单元和一般估计单元设置的参数，Δf为子载波间隔；

该装置应用于时域已知随机序列同步头的多载波系统，通过各个同步单元的同时运算以达到载波同步。

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