CN101232489B - 具有差分相关的基带解调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有差分相关的基带解调系统及方法。该基带解调系统包括：突发检测器模块，其响应于输入信号的前导而检测突发；差分相关器模块，其计算所述输入信号的差分值与唯一字的差分值的相关，以获得定时校正并且确定所述输入信号的载波频率偏移；旋转器模块，其旋转所述输入信号以最小化所述载波频率偏移并且生成经补偿的信号；以及均衡器模块，其基于所述定时校正对所述经补偿的信号进行均衡，并且生成经均衡的信号。

Description

具有差分相关的基带解调系统及方法

技术领域

本发明涉及通信系统，更具体而言涉及具有差分相关的基带解调系统及方法。

背景技术

个人手持电话系统(Personal Handy-phone System，简写为PHS)是一种工作在1.88-1.93GHz频带的无线通信系统。PHS是一种能够将信号从一个小区切换到另一小区的无绳电话系统。PHS小区比使用全球移动通信系统(GSM)的蜂窝电话系统的小区要小。

PHS的典型发射功率为500mW，范围是10-100米。PHS在呼叫流量较重的区域(比如商业区、市中心等等)提供了阻塞度最低的服务。这是通过在每100-200米的径向距离安装小区站来实现的。

基于PHS的电话可用于家庭、办公室和室外。对于使用地面线路的传统电话系统来说，PHS是一种成本效益较高的替换方案。基于PHS的电话可以与传统的电话系统接口。从而，当传统电话系统的地面线路无法达到某个订户的物理位置时，该订户就可使用PHS来建立与传统电话系统的通信，从而联络到该传统电话系统所服务的其他订户。

PHS使用时分多址(TDMA)作为无线电接口，并使用自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)作为语音编解码器(codec)。TDMA是允许多个用户访问单个射频(RF)信道的数字信号传输方案。通过在每个信道内向每个用户分配唯一的时隙来避免信道间的干扰。例如，PHS帧包括四个信道：一个控制信道和三个流量信道。每个信道被划分成两个时隙。控制信道向每个呼叫者分配一个用于上行链路或者发射的时隙和一个用于下行链路或接收的时隙。PHS的时隙格式在图1中示出。

PHS系统在发射方使用π/4正交相移键控(π/4-DQPSK)调制方案。π/4-DQPSK使用差分编码，其中符号和相位角之间的映射发生变化。另外，π/4-DQPSK将四个符号中的每一个映射到一个实相位角和一个虚相位角，从而得到八点星座图。π/4-DQPSK调制方案如图2所示。

在接收方，I/Q信号在射频(RF)和中频(IF)下变频之后变成基带信号。在PHS接收机的基带部分，使用了具有自适应均衡方法的相干解调。现有技术的PHS接收机的基带解调系统的框图在图3中示出。在PSK信号的相干解调中，由于振荡器精度有限或多普勒效应而引起的载波频率偏移可能导致性能下降。在PHS系统中，系统基站或小区站(CS)的偏移可能达到±2ppm，而移动站或个人站(PS)的偏移可能达到±5ppm。在相干解调中校正频率偏移将帮助提高接收机性能并降低对振荡器的精度要求，这样就能减少成本。载波恢复的质量影响着之后各级的各个功能块的性能。一种载波频率恢复方案是自动频率控制(AFC)。但是，在一些PHS系统中，数据是以突发模式发射的；所以AFC达到稳定的响应时间相对较短，通常在数个或数十个符号内。因此，在这些PHS系统中，采用了开环载波频率估计。

为了减小多径干扰和符号间干扰，在PHS的基带解调系统中，采用了自适应判决引导式均衡器模块。在该模块中，训练序列是突发中的唯一字(unique word，简写为UW)。UW位置信息是经由相关器模块获取的。

UW序列是一个具有非常好的自相关特性的已知序列。通过计算输入信号与UW序列的相关值，可以得到比特定时。在现有技术的系统中，应当根据实际的星座图来映射已知的UW符号，并且计算输入信号与UW的相关。为此，应当确保输入信号尽可能精确地保持星座图中的实际相位。因而，UW相关之前的载波偏移估计和旋转器就是必须的，否则相位位置就会远远偏移实际相位。由此可见，比特定时检测很大程度上受到载波频率偏移估计的精度的影响。

因此，需要一种改进的基带解调系统及方法，其使得比特定时检测不受载波频率偏移估计精度的影响，并且不会提高系统复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的基带解调系统及方法，其使得比特定时检测不受载波频率校正精度的影响，并且不会提高系统复杂度。

根据本发明的一个方面，提供了一种基带解调系统，包括：突发检测器模块，其响应于输入信号的前导而检测突发；差分相关器模块，其计算所述输入信号的差分值与唯一字的差分值的相关，以获得比特定时并且确定所述输入信号的载波频率偏移；旋转器模块，其旋转所述输入信号以最小化所述载波频率偏移并且生成经补偿的信号；以及均衡器模块，其基于所述比特定时对所述经补偿的信号进行均衡，并且生成经均衡的信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种个人手持电话系统电话，其包括如上所述的基带解调系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种个人手持电话系统，其包括如上所述的个人手持电话系统电话。

根据本发明的另一方面，提供了一种基带解调方法，包括：突发检测器步骤，该步骤响应于输入信号的前导而检测突发；差分相关器步骤，该步骤计算所述输入信号的差分值与唯一字的差分值的相关，以获得比特定时并且确定所述输入信号的载波频率偏移；旋转步骤，该步骤旋转所述输入信号以最小化所述载波频率偏移并且生成经补偿的信号；以及均衡步骤，该步骤基于所述比特定时对所述经补偿的信号进行均衡，并且生成经均衡的信号。

本发明的具有差分相关的基带解调方法和系统实现了以下效果：(1)简化了结构，对于某些类型的数字信号处理器(DSP)还可减少所消耗的指令量；(2)比特定时检测将不再受限于载波偏移估计的精度，尤其是在由于比如AGC较为粗糙之类的原因，控制信道中用于检测突发的前导信号(preamble signal，简写为PR)符号质量较低的情况下，这一优点尤其显著；(3)在差分相关的过程中，不仅可以检测到定时，同时还可以获取载波频率偏移值，并且其精度不低于甚至高于现有技术的载波偏移估计精度。

附图说明

图1示出了PHS时隙格式；

图2示出了π/4-DQPSK调制方案；

图3示出了现有技术的PHS接收机的基带解调系统的功能框图；

图4示出了示例性的PHS系统的功能框图；

图5A是用于图4的PHS电话中的示例性发射机的功能框图；

图5B是用于图4的PHS电话中的示例性接收机的功能框图；

图6是示出根据本发明一个实施例的PHS接收机的基带解调系统的功能框图；

图7是示出根据本发明一个实施例的差分相关器的示例性配置的功能框图；

图8是根据本发明一个实施例的基带解调方法的流程；以及

图9是根据本发明一个实施例的差分相关方法的流程。

具体实施方式

本发明可应用到通信系统。例如，本发明可应用到无线通信系统。本发明还可应用到时分多址(TDMA)系统。在下面的描述中，本发明讨论了个人手持电话系统(PHS)。但是，本发明并不意图局限于PHS或TDMA系统。本发明是针对一个示例性的实施例来限定的，该实施例涉及PHS通信系统和标准。

现参考图4，PHS电话系统包括具有天线12的PHS电话10和具有天线13的小区站11。示例性的PHS电话10包括信号处理模块16、存储器22、电源24和I/O模块26，其中信号处理模块16包括发射模块18和接收模块20。I/O模块26可包括各种用户接口，例如麦克风26-1、扬声器26-2、显示屏26-3、键盘26-4、照相机26-5等等。

发射模块18将来自麦克风26-1的用户输入转换成PHS兼容信号。接收模块20将接收自天线12的数据转换成用户可识别的格式，并且经由扬声器26-2输出转换后的数据。信号处理模块16利用存储器22来处理发射到或接收自天线12的数据。电源24向电话10提供电力。

参考图5A-5B，发射模块18包括ADPCM模块50、成帧器模块52、串行到并行转换器模块54、DQPSK映射器模块56、平方根升余弦(SRRC)滤波器模块58以及上采样模块60。接收模块20包括下采样模块70、自动增益控制(AGC)模块72、解调器75、去映射器和并行到串行转换器模块78、解成帧器模块80和ADPCM模块82，其中解调器75包括载波获取模块74和均衡模块76。

当在某条信道上从电话10发射数据时，ADPCM模块50将音频和/或视频信号转换成数字数据的比特。成帧器模块52将数字数据划分成帧。串行到并行转换器模块54将帧中的比特转换成符号。DQPSK映射器模块56可以利用诸如π/4-DQPSK调制之类的调制方案，它将每一帧中的四个符号的四个实值和四个虚值映射到总共八个相位角，并且生成复基带信号。

SRRC滤波器模块58实质上是一个奈奎斯特脉冲成形滤波器，它限制信号的带宽。另外，SRRC滤波器模块58去除复基带信号中的混频器产物。上采样模块60包括正交载波振荡器，它用于将经相位调制的基带信号转换成经相位调制的载波信号。上采样模块60以大于奈奎斯特频率两倍的采样频率在信道上发射经相位调制的载波信号。

当电话10接收到来自天线12的信号时，下采样模块70利用异步振荡器对信号进行下采样。下采样模块70将信号从经相位调制的载波信号下变频为经相位调制的基带信号。AGC模块72使信号的增益维持相对恒定，即使输入信号强度由于传输损耗、噪声、干扰等原因发生了变化。

载波获取模块74对信号进行解调、取得载波相位信息并且对来自信号的符号值进行解码。均衡模块76校正信号中存在的任何失真。去映射器和并行到串行转换器模块78对经解调的信号进行去映射，并将其转换为串行比特流。解成帧器模块80对帧进行去划分操作，以形成数字数据比特。ADPCM模块82将数字数据比特转换成音频和/或视频数据，并将数据输出到电话10的扬声器26-2和/或显示屏26-3。

图6示出了根据本发明一个实施例的PHS接收机的基带解调系统的框图。图6与图3中相似的元件用相同的标号标注。

如图所示，模拟前端(AFE)部分110包括模数转换器112，用于将输入信号从模拟输入信号转换为数字输入信号。经转换的数字信号被传输到硬件加速器模块114。硬件加速器模块114处理数字输入信号，并且生成已经过载波频率偏移补偿的信号。

硬件加速器模块114包括抽选滤波器116，其以N倍符号速率形成经加速的输入信号，其中N是大于零的整数。例如，N倍符号速率是3倍符号速率，比如576kHz。经加速的输入信号从抽选滤波器116被传输到载波偏移估计和定时检测模块142和旋转器模块120。旋转器模块120的输出被传输到存储寄存器122，在本实施例中该存储寄存器122是双重或A/B缓冲寄存器122。载波偏移估计和定时检测模块142包括检测突发的突发检测器(BD)134以及计算输入信号的差分与UW的差分的相关以确定比特定时和载波偏移的差分相关器140。

因此，与图3所示的现有技术的系统相比，在图6中，图3的载波偏移计算器136和相关器128被根据本发明的差分相关器140所取代。相应地，原来由突发检测器134和载波偏移计算器136构成的载波恢复模块118现在被由突发检测器134和差分相关器140构成的载波偏移估计和定时检测模块142所取代。

从而，在经历了突发检测器134中的突发检测之后，控制信道数据被直接馈送到差分相关器140中。差分相关器140计算输入信号的差分值与UW的差分值的相关，并且通过找到最大相关值来确定UW的准确位置以及载波偏移。差分相关器140与前导符号和载波偏移都无关。在差分相关器140中的相关过程中，不仅可以定位正确的UW位置从而得出比特定时，同时还可以获得载波偏移。所获得的载波偏移被输入到旋转器模块120，以补偿载波频率，从而形成经旋转的信号。存储在A/B缓冲寄存器122中的经旋转的信号被传输到数字信号处理器模块(DSP)124，该DSP124包括均衡器模块126、限制器(slicer)130和缓慢跟踪器132。在差分相关器140中得到的比特定时被均衡器模块126用来对从A/B缓冲器输入的信号进行均衡操作。缓慢跟踪器132跟踪由于晶体振荡器的不稳定引起的载波频率偏移变化，并且在初始偏移计算不够精确的情况下对载波频率进行微小调整。

如早前所述，在现有技术的基带解调系统中，比特定时是通过计算输入信号与UW序列的相关值来得到的。但是，如上结合图6所述，本发明的系统却不是映射UW符号，而是映射UW的差分值，即UW(n)-UW(n-1)，然后计算其与输入信号的相关，其中输入信号也已被预先处理为差分形式。注意，在PHS系统中，调制方案是DQPSK而不是QPSK，因此这种差分处理不会破坏UW序列的自相关特性。本发明的差分相关的原理如下。

接收机处的信号可由以下式(1)表示：

s_r(t)＝A(t)cos(Δω_ct+θ(t)+φ)+n(t)            (1)

其中g(t)是升余弦脉冲，θ(t)是调制相位，φ是发射机和接收机之间的固定相位偏移，n(t)是白高斯噪声，Δω_c是载波频率偏移。

令

$X\left(t\right)=E\left\{S_r\left(t\right)S_r^{*}(t-T)\right\}---\left(2\right)$

其中

是S_r(t)的共轭。于是可以得到

X(t)＝σ_Ae^{j[ΔωT+θ(t)-θ(t-T)]}+N(t)                 (3)

其中σ_A＝E{A(t)²}。

这样，就可以基于X(t)而不是S_r(t)来进行UW相关，从而可以基本上避免载波偏移的影响。

当找到最大相关幅度时，结果为

X(t)＝∑A(t)²e^j[ΔωT]+N(t)                           (4)

于是可以根据在此时复数信号的相位来获得载波偏移。

下面参考图7来描述本发明的差分相关器140的示例性配置。

如图7所示，在接收路径中，经历抽选滤波器116的输入信号被输入到差分相关器140。如图1所示，在控制时隙中，UW为32比特长，而在流量时隙中，UW为16比特长。在本实施例中，对输入信号的差分与UW的差分的相关的计算将以3倍符号速率进行，因此输入信号在经历抽选滤波器116之后，被以3倍符号速率采样。当然，本发明并不局限于此，为了节省处理能力和存储器空间，相关也可以以1倍符号速率进行。从而，对于3倍符号速率的信号，符号中的每个样本的差分将与UW的差分进行按符号速率的相关。

如图7所示，差分器210计算输入信号的差分，差分器214计算UW存储器212中存储的UW的差分。计算出的输入信号的差分和UW的差分被输入到相关器216，在这里计算输入信号的差分和UW的信号的相关。计算出的相关被输入到峰值查找器218。峰值查找器218寻找输入的相关的最大值，并将该最大值所对应的UW的位置通知给比特定时和载波偏移确定器220。比特定时和载波偏移确定器220根据UW的位置，得出比特定时以将其提供给均衡器126，并且得出载波偏移以将其提供给旋转器120。

下面参考图8来描述本发明的基带解调方法的流程。

如图8所示，在步骤S11中，A/D转换器112将模拟输入信号转换成输入信号。在步骤S12中，抽选滤波器116以N倍符号速率形成经加速的输入信号。例如，抽选滤波器116以3倍符号速率(576kHz)提供输入信号。

在步骤S13中，差分相关器140计算输入信号的差分和UW的差分的相关，从而确定比特定时和载波偏移，并将比特定时和载波偏移分别提供给旋转器模块120和均衡器模块126。差分相关器140中进行的差分相关的详细流程将在下面参考图9进一步描述。

在步骤S14中，旋转器模块120旋转输入信号以最小化载波频率偏移，生成经补偿的信号并将其提供给均衡器模块126。

在步骤S15中，均衡器模块126基于从差分相关器140提供的定时校正对经补偿的信号进行均衡，并且生成经均衡的信号并将其提供给缓慢跟踪器模块132。

在步骤S16中，缓慢跟踪器模块132在必要时对经均衡的信号进行微调以补偿频率漂移。

下面参考图9来描述图8中的步骤S13的详细流程。

在步骤S21中，差分相关器140中的差分器210计算输入信号的差分。该输入信号可能已经经历了抽选滤波器116的抽选。

在步骤S22中，差分相关器140中的差分器214计算UW存储器212中存储的UW的差分。

在步骤S23中，相关器216计算从差分器210提供来的输入信号的差分和从差分器214提供来的UW的差分的相关，并将其提供给峰值查找器218。

在步骤S24中，峰值查找器218寻找从相关器216提供来的相关的最大值，并确定与最大值相对应的UW位置。

在步骤S25中，比特定时和载波偏移确定器220根据峰值查找器218的确定结果，确定比特定时和载波偏移，并将二者分别提供给均衡器模块126和旋转器模块120。

如上所述，利用本发明的具有差分相关的基带解调方法和系统，系统结构得以简化，并且对于某些类型的DSP处理器，指令消耗量也得以减少。此外，比特定时检测将不再受限于载波偏移估计的精度，尤其是在由于比如AGC较为粗糙之类的原因PR符号质量较低的情况下，这一优点尤其显著。另外，在差分相关的过程中，不仅可以检测到定时，同时还可以获取载波频率偏移值，并且其精度不低于甚至高于现有技术的载波偏移估计精度。

以上已经描述了本发明的具体实施例。本领域的技术人员在阅读本说明书之后，可以很容易想到对具体实施例的各种修改和替换。这种修改和替换应当被视为包括在由所附权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种基带解调系统，包括：

突发检测器模块，其响应于输入信号的前导而检测突发；

差分相关器模块，其计算所述输入信号的差分值与唯一字的差分值的相关，以获得比特定时并且确定所述输入信号的载波频率偏移；

旋转器模块，其旋转所述输入信号以最小化所述载波频率偏移并且生成经补偿的信号；以及

均衡器模块，其基于所述比特定时对所述经补偿的信号进行均衡，并且生成经均衡的信号。

2.如权利要求1所述的基带解调系统，还包括模数转换器模块，其将模拟输入信号转换成所述输入信号。

3.如权利要求2所述的基带解调系统，还包括抽选滤波器模块，其与所述模数转换器通信并以N倍符号速率对所述输入信号进行采样。

4.如权利要求1所述的基带解调系统，还包括跟踪器模块，其调整所述经均衡的信号以补偿频率漂移。

5.如权利要求1所述的基带解调系统，其中所述差分相关器模块包括：

输入信号差分器，用于计算所述输入信号的差分值；

唯一字差分器，用于计算所述唯一字的差分值；

相关器，用于计算所述输入信号的差分值与所述唯一字的差分值的相关；

峰值查找器，用于寻找所述相关的峰值；以及

比特定时和载波频率偏移确定器，用于根据所述相关的峰值的位置，确定所述比特定时和所述载波频率偏移。

6.一种个人手持电话系统电话，包括如权利要求1所述的基带解调系统。

7.一种个人手持电话系统，包括如权利要求6所述的个人手持电话系统电话。

8.一种基带解调方法，包括：

突发检测步骤，该步骤响应于输入信号的前导而检测突发；

差分相关步骤，该步骤计算所述输入信号的差分值与唯一字的差分值的相关，以获得比特定时并且确定所述输入信号的载波频率偏移；

旋转步骤，该步骤旋转所述输入信号以最小化所述载波频率偏移并且生成经补偿的信号；以及

均衡步骤，该步骤基于所述比特定时对所述经补偿的信号进行均衡，并且生成经均衡的信号。

9.如权利要求8所述的方法，还包括将模拟输入信号转换成所述输入信号的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，还包括以N倍符号速率对所述输入信号进行采样的步骤。

11.如权利要求8所述的方法，还包括调整所述经均衡的信号以补偿频率漂移的步骤。

12.如权利要求8所述的方法，其中所述差分相关步骤包括以下步骤：

计算所述输入信号的差分值；

计算所述唯一字的差分值；

计算所述输入信号的差分值与所述唯一字的差分值的相关；

寻找所述相关的峰值；以及

基于所述相关的峰值的位置，确定所述比特定时和所述载波频率偏移。

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