CN101340526A - 数字电视信号接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字电视信号接收装置，包括：高频头、A/D转换器、数字带通滤波器、正交解调器、定时恢复电路、载波恢复电路、均衡电路、信道译码器、自动增益控制器、和场同步电路。以及采用该装置接收VSB数字电视信号的方法：将射频信号经过变频、模数转换、滤波、增益调整、正交解调后，进行定时恢复、载波恢复、和信道均衡处理，再经由信道解码后输出数据信号，在整个信号处理的过程中，对数字载波电路输出的同相位信号进行场同步处理，并在场同步完成后输出场同步控制信号，用于控制定时恢复和信道均衡的处理。本发明由于采用上述装置和方法，能帮助系统在恶劣信道条件下，实现稳定快速的同步。

Description

数字电视信号接收方法及装置

技术领域

本发明涉及一种数字电视接收机的装置，具体涉及一种VSB(VSB：Vestigial Side Band)调制方式和包括中国地面数字电视标准等相关数字电视调制方式的接收装置。本发明还涉及一种利用上述装置的VSB数字电视信号和相关数字电视信号的接收方法。

背景技术

目前北美的地面数字电视广播标准所采用的残留单边带调制(VSB：Vestigial Side Band)方式，利用现有的模拟电视广播频段来发送数字电视广播信号。北美以外的其它地面数字电视广播标准也采用了同样或类似的广播方式。为了减少对目前模拟电视广播的影响，以及在低载噪比的环境下可靠传输数字电视信号，标准中采用了信道均衡器以及多种的信道编码方式，来保证信号的正常接收。另外，与模拟电视不同，数字电视在接收信号质量低于一个门限时，接收机不能正常工作，完全看不到图像；反之，如果高于这个门限时，则能几乎无误差地恢复出图像信号。这就要求数字电视接收能在恶劣信道条件下能正常工作。

地面广播传输信道中的第一类干扰为，信号的传输和接收过程中引入的背景噪声和包括临信道干扰在内的各种干扰。

地面广播传输信道中的另一类干扰为，由于信道频率响应特性偏离理想信道特性，存在着回波干扰(Ghost Interference；或称多径干扰：Multi-path Interference)，其取决于无线信号的传输环境。地面广播信号的传输环境多种多样，复杂多变，包括城区，郊区，山区等不同的地理环境，还包括室外天线接收和室内天线接收。

接收机的解调器要解调出信号要求实现三个功能：符号同步的定时恢复，载波恢复以及信道均衡。定时恢复是使接收机的符号时钟同步于发射机的符号时钟，保证接收机实现最佳的符号时间采样；载波恢复是把射频/中频的信号频谱搬移到基带，实现基带信号恢复的过程；均衡是为了去除由于信道中的多径效应所产生的回波干扰而引起的符号间干扰(ISI：Inter-Symbol Interference)。

在有些信道条件下，接收机系统不能进行同步(包括时间同步，和/或载波同步，和/或均衡器的收敛)，或同步时间过长；另一方面，均衡器未能很好地克服回波干扰。这些会导致接收机的信号接收失败。

解决这些问题，则可以降低接收机的信号接收失败的概率，使得一种高性能/高实用性的接收机成为可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有实用性且性能更稳定的接收机装置。为此，本发明还要提供一种利用该装置的数字电视信号接收方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种数字电视信号接收装置，包括依次连接的：高频头、A/D转换器、数字带通滤波器、正交解调器、定时恢复电路、载波恢复电路、均衡电路、和信道译码器，和自动增益控制器，用于接收数字带通滤波器的输出信号，输出增益控制信号至高频头，它还包括：场同步电路，其输入端连接载波恢复电路，输出端连接定时恢复电路和均衡电路。

同时本发明还提供一种利用该装置的数字电视信号接收方法：将射频信号经过变频、模数转换、滤波、增益调整、正交解调后，进行定时恢复、载波恢复、和信道均衡处理，再经由信道解码后输出数据信号，在整个信号处理的过程中，对数字载波电路输出的同相位信号进行场同步处理，并在场同步完成后输出场同步控制信号，用于控制定时恢复和信道均衡的处理。

采用本发明的数字电视信号接收方法及装置，利用定时恢复器的锁定检测方法、定时恢复控制流程、导频跟踪器的锁定检测方法、载波恢复控制流程、以及场同步方法，能帮助系统在恶劣信道条件下，实现稳定快速的同步。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是北美地面数字电视VSB标准的帧结构图

图2是北美地面数字电视VSB标准的场同步符号示意图

图3是本发明的结构框图

图4是本发明的定时恢复器的锁定检测原理图

图5是本发明的定时恢复的控制流程图

图6是本发明的导频跟踪器的锁定检测的结构框图

图7是本发明的载波恢复的控制流程图

图8是本发明的载波恢复的控制流程另一示例图

图9是本发明的均衡器的控制流程图

图10是本发明的场同步的详细框图

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1是北美地面数字电视VSB标准的帧结构。一个数据帧包含两个场，每个场由313个数据段组成，每个场的第一个段是场同步段(FieldSync)，每个段由832个符号所组成，其中的前四个符号称为段同步符号(Segment Sync)，每个数据段所用时间为77.3us，每个场所用时间为：313*77.3us＝24.2ms。如图2是场同步段的示意图。四个段同步符号(+5，-5，-5，+5)之后跟有一个511位的伪随机系列PN511和三个63位的伪随机系列PN63。中间的PN63系列，随着奇数/偶数场需要反相。随后的24个符号为系统模式定义符号VSB模式，以及104个保留符号，剩下的12个符号为前一场的最后12个符号的复制。

图3是本发明的数字电视信号接收装置的结构，包括依次连接的：高频头、A/D转换器、数字带通滤波器、正交解调器、定时恢复电路、载波恢复电路、均衡电路、和信道译码器，和自动增益控制器，用于接收数字带通滤波器的输出信号，输出增益控制信号至高频头，还包括：场同步电路，其输入端连接载波恢复电路，输出端连接定时恢复电路和均衡电路。图3所示的本发明的数字电视信号接收装置的结构既适合于北美地面数字电视广播标准也适合于包括中国标准在内的其它地面数字电视广播标准的数字电视信号的接收装置。

定时恢复电路包括定时恢复器和定时恢复器控制器。

载波恢复电路包括自动频率控制器、均方根升余弦滤波器、导频跟踪器，和导频锁定检测部分构成的载波环路。其中，导频跟踪器与导频锁定检测部分构成导频跟踪器环路，自动频率控制器输入端连接定时恢复电路，导频跟踪器输出端连接均衡电路和场同步电路。

均衡电路包括：判决反馈均衡器，用于接收场同步控制信号和载波恢复电路输出的数字信号，进行均衡处理，并将处理后的信号发送至信道译码器；信道模式控制器，用于控制判决反馈均衡器的工作。

如图所示，当通过天线接收到VSB调制方式的射频信号，高频头(Tuner)将用户选定频道的射频信号进行频谱搬移到中频(IF：intermediate frequency；一般广泛采用44MHz)，并且通过声表面波滤波器滤除接收频道外的干扰信号。中频信号通过适当放大后，驱动模数转换器A/D转换器，信号经过A/D转换器后转换成数字带通信号。数字带通信号进入数字带通滤波器(Digital BPF)，滤除带外干扰。此带通信号进入正交解调器(QD)，把VSB调制信号进一步进行频谱搬移，使其成为中心频率为零附近的准基带信号，便于其后的定时恢复和载波恢复处理。

准基带信号进入定时恢复电路，定时恢复处理使接收机的符号时钟同步于发射机的符号时钟，实现最佳的符号时间采样。由于发射端和接收端的时钟采用的是不同的振荡器，两个振荡器之间由于精度的问题(特别是接收端振荡器的精度较差)，从而导致发射机和接收机的时钟频率之间存在较大的偏差。因此定时恢复器(TR)的首要任务是对时钟频率偏差进行捕捉，定时恢复器通常采用比例积分的二阶环路滤波器。比例积分环路滤波器具有两个增益项，比例项增益和积分项增益，调节两个增益可以改变环路带宽。当定时恢复器工作在初始的捕捉阶段时，大的环路带宽实现快速捕捉。一旦定时恢复器锁定后，需要减小环路带宽以提高控制精度。前者称为捕捉增益，后者为跟踪增益。

定时恢复器锁定检测通过场同步(FS)的同步检测来完成，图4为场同步的定时恢复器锁定检测原理示意图。当定时恢复器没有锁定时，由于时钟偏差的存在，定时恢复器输出信号的同步时间一直在漂移，与此同时，定时恢复器捕捉过程中，其时钟偏差一直在被不规则地调整，这意味着定时恢复器输出信号的同步位置即使在短期间内也存在着很大的随机性。这时，场同步的匹配滤波器难以检测到峰值。另一方面，VSB系统中两个场中间相隔260416符号(24.2毫秒)，当存在时钟偏差时，定时恢复器的同步时间一直在漂移，因此，在相同的同步时间连续检测到两个峰值的概率微乎其微。反过来，连续检测到两个峰值，定时恢复器一定是处于锁定状态。定时恢复器锁定检测信号进入定时恢复控制器(TRCTR)。定时恢复控制器根据定时恢复器锁定检测情况，对定时恢复器进行状态控制，图5为状态控制的一个实施例子。首先，定时恢复器设置适当的捕捉增益(G1/G2)后开始捕捉。同时，检测场同步的同步状态。当场同步在相同的同步时刻连续检测到两个峰值时，场同步同步成功，表明定时恢复器已经锁定，定时恢复器切换到跟踪增益(G1n/G2n)。反之，同时监测定时时间，当定时未到时，继续监测场同步的状态。而一旦定时到，则表明在当前信道条件下捕捉过程太慢，因此，加大并重置捕捉增益(G10/G20)，继续捕捉过程。

定时恢复后的信号进入载波恢复电路，提取出接收信号中的载波后，利用它完成VSB基带信号解调的频谱搬移。图6为导频跟踪器的锁定检测方法的详细框图。来自导频跟踪器环路的载波频率偏差信号进行块平均滤波，平均后的信号进行差分检测，延迟N为整数，再次进行块平均滤波后，与预定门限进行比较，当低于门限时，表明频率偏差信号波动小，导频跟踪环路已经锁定，该锁定信号进入保护计数，以减少误检概率，形成锁定检测信号。

图7为载波恢复控制流程的一个实施例子，其应用导频锁定检测信号，并结合自动频率控制器(AFC)功能模块，对载波恢复的过程实施控制。首先，导频跟踪器环路设置为捕捉增益后导频跟踪器起动，监视导频锁定检测器(PTLD)是否检测到锁定。当检测到锁定后，导频跟踪器的环路增益切换到跟踪增益；否则监视定时。当定时未到时，继续监视导频锁定检测器，而当定时满时，则表明在当前的信道条件下载波的频率捕捉很困难，启动自动频率控制器，当自动频率控制器锁定后，冻结自动频率控制器，并重新启动导频跟踪器。

图8为载波恢复的控制流程的另一个实施例。首先启动自动频率控制器，当自动频率控制器锁定后冻结自动频率控制器，并把导频跟踪器环路设置为捕捉增益后导频跟踪器启动，监视导频锁定检测器是否检测到锁定.当检测到锁定后，导频跟踪器的环路增益切换到跟踪增益。

信道均衡器将消除由于电波传播中多径信道效应引入的符号间干扰以及基带信号中残留的相位噪声。本发明的均衡器工作流程如图9所示，首先进行场同步，当场同步成功后，开启判决反馈均衡器，当输入信号为场同步符号或段同步符号的训练系列时，采用LMS算法.而当输入信号为数据时，使用盲均衡算法，例如，CMA(Constant Modulus Algorithm)算法，参见论文D.N.Godard：“Self-recovering Equalization andCarrier Tracking in Two-dimensional Data Communication Systems，”IEEE Trans.on Communications，vol.28，no 11，pp.1867-1875，October 1980；或者判决定向LMS(DD-LMS：Decision-Direct LMS)算法。同时，信道模式控制单元对DFE抽头系数情况和场同步符号的误码率(SER，Symbol Error Rate)进行检测.并且根据检测到的信道状况，自适应地调节判决反馈均衡器的参数。

如图10为场同步的详细框图。导频跟踪模块输出的准基带信号的同相位信号首先被去除导频，随后取其符号位进行1比特量化，量化后的信号进入以PN511为参考信号的匹配滤波器，根据匹配滤波器的原理，其在每个Field Sync的同步位置将出现相关峰值。之后的峰值寻找如图的下半部分所示：发现的峰值(最大值)在之后的一个场周期内(场周期包括该峰值点)，如果发现有其它时刻的相关值比它大，该相关峰值(最大值)被更新，并持续寻找；反之，如果该峰值一直为最大值，则对该峰值在下一周期同步位置的相关值与预定门限进行比较，如果大于门限，就表明该同步为真；如果小于门限，该相关峰值(最大值)被重置为零，并继续寻找。接下来的保护计数对寻找到的场同步周期作进一步的确认验证。当后续的连续两个场同步周期同步时刻的相关值都大于门限的话，确认通过；否则，回到峰值寻找重新开始。在场同步周期同步后，通过比较连续两个场同步周期中的PN63信号，检测出数据帧中的奇偶场。

Claims (12)

1、一种数字电视信号接收装置，包括依次连接的：高频头、A/D转换器、数字带通滤波器、正交解调器、定时恢复电路、载波恢复电路、均衡电路、和信道译码器，和自动增益控制器，用于接收数字带通滤波器的输出信号，输出增益控制信号至高频头，其特征在于，它还包括：场同步电路，其输入端连接载波恢复电路，输出端连接定时恢复电路和均衡电路。

2、如权利要求1所述的数字电视信号接收装置，其特征在于，所述的定时恢复电路包括：定时恢复器，用于接收正交调解后的数字信号进行定时恢复处理，并将处理后的数据信号发送至载波恢复电路；定时恢复器控制器，用于接收场同步控制信号，并控制定时恢复器的工作。

3、如权利要求1所述的数字电视信号接收装置，其特征在于，所述的载波恢复电路包括：自动频率控制器、均方根升余弦滤波器、导频跟踪器，和导频锁定检测部分构成的载波环路；所述的导频跟踪器与导频锁定检测部分构成导频跟踪器环路，所述的自动频率控制器输入端连接定时恢复电路，所述的导频跟踪器输出端连接均衡电路和场同步电路。

4、如权利要求1所述的数字电视信号接收装置，其特征在于，所述的均衡电路包括：判决反馈均衡器，用于接收场同步控制信号和载波恢复电路输出的数字信号，进行均衡处理，并将处理后的信号发送至信道译码器；信道模式控制器，用于控制判决反馈均衡器的工作。

5、一种稳健的数字电视信号接收方法，将射频信号经过变频、模数转换、滤波、增益调整、正交解调后，进行定时恢复、载波恢复、和信道均衡处理，再经由信道解码后输出数据信号，其特征在于，在整个信号处理的过程中，对数字载波电路输出的同相位信号进行场同步处理，并在场同步完成后输出场同步控制信号，用于控制定时恢复和信道均衡的处理。

6、如权利要求5所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的定时恢复包括如下步骤：

(1)定时恢复器设置适当的捕捉增益后开始捕捉；

(2)定时恢复器的锁定检测；

(3)如果定时恢复已经锁定，则切换到跟踪增益，定时恢复器切换到跟踪状态；反之则监测定时时间，若定时未到达，直接返回步骤(2)，若定时到达，则加大并重置捕捉增益，返回步骤(2)。

7、如权利要求6所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的定时恢复的步骤(2)是指在相同的场同步时间连续检测到两个峰值则判定定时恢复器处于锁定状态，反之则判定为未锁定。

8、如权利要求5所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的载波恢复包括如下步骤：

(1)导频跟踪器环路设置为捕捉增益，启动导频跟踪器；

(2)导频跟踪器的锁定检测；

(3)如果检测到锁定，将导频跟踪器环路切换到跟踪增益，导频跟踪器切换到跟踪状态；反之则监测定时时间，若定时未到达，返回步骤(2)，若定时到达，则启动自动频率控制器，当自动频率控制器锁定后，冻结自动频率控制器，并返回步骤(1)

9、如权利要求5所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的载波恢复包括如下步骤：

(1)启动自动频率控制器；

(2)当自动频率控制器锁定后，冻结自动频率控制器；

(3)导频跟踪器环路设置为捕捉增益，启动导频跟踪器；

(4)导频跟踪器的锁定检测；

(5)如果检测到锁定，则将导频跟踪器环路切换到跟踪增益，导频跟踪器切换到跟踪状态；反之则返回步骤(4)。

10、如权利要求8或9所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的导频跟踪器的锁定检测步骤是指：频率偏差信号首先经过块平均滤波；平均后的信号进行差分检测；再次进行块平均滤波；将得到的信号与预定门限进行比较，当低于门限时，表明导频环路已经锁定；进行保护计数，以减少误检概率，形成锁定检测信号。

11、如权利要求5所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的均衡包括如下步骤：

(1)启动场同步；

(2)场同步成功后，启动判决反馈均衡器；

(3)判断输入信号是否为场同步符号或段同步符号的训练系列；

(4)如果是场同步符号或段同步符号的训练系列则采用LMS算法；反之当输入信号为数据时，则采用盲均衡算法；

(5)信道模式控制单元对判决反馈均衡器抽头系数情况和场同步符号的误码率进行检测；

(6)根据信道情况，自适应地调节判决反馈均衡器的参数，并返回步骤(3)。

12、如权利要求5所述的数字电视信号接收方法，其特征在于，所述的场同步包括如下步骤：

(1)导频跟踪模块输出的准基带信号的同相位信号首先进行去除导频处理；

(2)去除导频后的信号取其符号位，同时进行奇偶场检测；

(3)将取符号位操作后的信号送入匹配滤波器进行匹配，在每个场同步周期的同步位置将出现峰值；

(4)对信号进行峰值查找，在之后的一个场周期内如果发现有其它时刻的相关值比获得的峰值大，则用该相关值更新峰值，并继续查找，反之，如果峰值一直为最大，则对峰值在下一个周期同步位置的相关值与预定门限进行比较，如果大于门限，就表明该同步为真，如果小于门限，该峰值被重置为零，并继续查找；

(5)接下来的保护计数对寻找到的场同步周期作进一步确认验证。

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