CN101521641B - 载波恢复系统与载波恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于载波恢复系统与载波恢复方法。其中载波恢复系统，包括一补偿信号产生器、一补偿装置以及一模式切换器。补偿信号产生器根据一相干解调信号产生一补偿信号。在第一模式下，补偿装置位于一均衡器的输出端，以该补偿信号补偿该均衡器的输出信号以产生上述相干解调信号。在第二模式下，补偿装置位于均衡器的输入端，以该补偿信号补偿一同步器的输出信号后，将结果输入均衡器；此时，均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号。模式切换器将于一频率偏移估计值满足一第一条件后将载波恢复系统自第一模式切换至第二模式。

Description

载波恢复系统与载波恢复方法
技术领域
本发明涉及载波恢复系统(carrier recovery system)与其所使用的载波恢复方法。
背景技术
如采用开放缆线(OpenCable)标准、或数字视频广播缆线(DVB-C)...等，运用正交振幅调幅法(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)的通信系统，由于信号中并没有前导信号(pilot)或训练序列(training sequence)，故接收器必须通过盲扫方式(blind method)补偿接收信号的频率偏移(frequency offset)以及相位偏移(phase offset)。此盲扫技术又称为载波恢复(carrier recovery)。
载波恢复有许多相关技术。一种常见方法为：在均衡器(equalizer)输出端补偿上述信号的频率偏移与相位偏移。此方法可用来估计相当大的频率偏移(如：上至300KHz)，但未经频率偏移补偿的均衡器输入信号将影响均衡器效能。另一种解决方法为：在均衡器输入端执行频率偏移与相位偏移的补偿动作。此方法可以确保均衡器效能，但却限制了频率偏移的可估计范围(如：仅上至40KHz)。
因此，本技术领域需要具有高效能均衡器、且能够用于大范围频率偏移估计的载波恢复技术。
发明内容
本发明提供载波恢复系统以及载波恢复方法。载波恢复系统包括一补偿信号产生器、一补偿装置、以及一模式切换器。补偿信号产生器负责根据一相干解调信号产生一补偿信号。在一第一模式下，该补偿装置位于一均衡器的输出端，以该补偿信号补偿该均衡器的输出信号以产生上述相干解调信号。在一第二模式下，该补偿装置位于该均衡器的输入端，以该补偿信号补偿一同步器的输出信号以产生该均衡器的输入信号；此时，该均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号。该模式切换器将于一频率偏移估计值满足一第一条件时将该载波恢复系统自第一模式切换至第二模式；其中上述补偿信号产生器包括：一极性检测器，根据所接收的信号产生一检测器输出；一第一开关，于导通时将上述相干解调信号输入该极性检测器；一能量检测器，于该相干解调信号的大小大于一阈值时，导通该第一开关；一除法器以及一虚部提取器，将该相干解调信号除以该检测器输出，并且提取其商数的虚数部位以产生一相位误差信号；一环路滤波器，包括多个系数，对该相位误差信号进行滤波，其滤波特性由上述系数决定；一系数控制器，用以设定上述系数；以及一数值控制振荡器，接收该环路滤波器的输出信号以产生上述补偿信号。
关于本发明的载波恢复方法，其中包括：根据一相干解调信号产生一补偿信号。在一第一模式中，本方法以该补偿信号补偿一均衡器的输出信号以产生上述相干解调信号。在一第二模式中，本方法以该补偿信号补偿一同步器的输出信号，并将补偿结果作为均衡器的输入信号；此时，均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号。本方法将监控一频率偏移估计值，于频率偏移估计值满足一第一条件时，自上述第一模式切换至上述第二模式。其中，在上述第一模式下，产生上述补偿信号的步骤包括：判断该相干解调信号的大小是否大于一阈值；于该相干解调信号的大小大于该阈值时，将该相干解调信号传送至一极性检测器以产生一检测器输出；将该相干解调信号除以该检测器输出，并且将其商数的虚数部分提取出以产生一相位误差信号；以一环路滤波器对该相位误差信号进行滤波，该环路滤波器的滤波特性由该环路滤波器的多个系数决定；以及将该环路滤波器的输出传送至一数值控制振荡器以产生上述补偿信号。
为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出数个实施例，并结合附图作详细说明。
附图说明
图1A与图1B分别图解本发明载波恢复系统的第一与第二模式；
图2A与图2B分别详细图解图1A与图1B；
图3图解本发明载波恢复系统第四模式的一种实施方式；以及
图4以流程图图解本发明载波恢复方法的一种实施方式。
附图符号说明
102-补偿信号产生器；
104-补偿装置；
106-补偿信号；
108-均衡器；
110-同步器；
200-补偿信号产生器；
202-极性检测器；
204-能量检测器；
206-除法器；
208-虚部提取器；
210-环路滤波器；
212-系数控制器；
214-数值控制振荡器；
216-模式切换器；
300-补偿信号产生器；
302-硬式决策器；
CS-模式切换器所输出的SW2切换信号；
d(n)-检测器输出；
q(n)-相干解调信号；
SW1、SW2-开关；
S402-第一模式；
S404-是否符合第一条件；
S406第二模式；
S408-是否符合第二条件；
S410-第三模式；
S412-是否符合第三条件；
S414-第四模式。
具体实施方式
图1A与图1B分别图解本发明载波恢复技术的一第一模式与一第二模式。本发明的载波恢复系统包括一补偿信号产生器102、一补偿装置104以及一模式切换器(未显示在图中)。补偿信号产生器102根据一相干解调信号(coherent demodulated signal)q(n)产生一补偿信号106。参与图1A所示的第一模式，补偿装置104以补偿信号106补偿一均衡器(equalizer)108的输出端信号以产生上述相干解调信号q(n)。参考图1B所示的第二模式，补偿装置104被切换到均衡器108的输入端，以补偿信号106补偿一同步器(synchronizer)110的输出信号，以产生均衡器108的输入信号。如图1B所示，均衡器108的输出信号被送入补偿产生器102作为相干解调信号q(n)使用。第一模式与第二模式的切换取决于一频率偏移估计值。当频率偏移估计值满足一第一条件，模式切换器将令载波恢复系统由第一模式(图1A所示)切换到第二模式(图1B所示)操作。
图1A所示的第一模式可加速频率偏移的估算速度、并且允许载波恢复系统应用于具有大载频偏移的接收器中。图1B所示的第二模式可确保均衡器108的效率。本发明所披露的载波恢复系统不仅可应用于大范围频率偏移估计，还可提供高效能的均衡器。
图2A与图2B分别详细图解图1A与图1B，其中还简绘补偿信号产生器102的内容。如图所示，补偿信号产生器200包括一极性检测器(polaritydetector)202、一开关SW1、一能量检测器(power detector)204、一除法器(divider)206、一虚部提取器(imaginary portion extractor)208、一环路滤波器(loop filter)210、一系数控制器(coefficient controller)212、以及一数值控制振荡器(Numerical Controlled Oscillator，NCO)214。极性检测器202的输出信号称为检测器输出d(n)。相干解调信号q(n)于开关SW1导通时输入极性检测器202。开关SW1的导通状态由能量检测器204的输出信号决定。能量检测器204于相干解调信号q(n)大于一阈值时启动开关SW1；反之则不导通开关SW1。除法器206负责计算q(n)/d(n)。虚部提取器208输出q(n)/d(n)的虚部，即Im[q(n)/d(n)]。Im[q(n)/d(n)]经环路滤波器210处理后输出至数值控制振荡器214，以产生补偿信号106。在此实施方式中，环路滤波器210包括系数Kp与Ki；Kp与Ki的值由系数控制器212决定。
模式切换器216令系数控制器212根据载波恢复系统目前所处的模式决定系数Kp与Ki的调整方式。于图2A所示的第一模式中，系数控制器212令系数Kp与Ki由低至高渐增调整。在第一模式开始之初，系数Kp与Ki极小，以加速低频率偏移的频率偏移估算。至于高频率偏移的状况，则由渐增系数Kp与Ki克服。一旦载波恢复系统由第一模式(图2A)切换到图2B所示的第二模式，系数控制器212会令Kp与Ki略低于第一模式最后计算出来的Kp与Ki值。如此一来，模式切换所产生的动作不连续问题也可以改善。
除了上述第一与第二模式，本发明的载波恢复系统还可操作于一第三模式，以确保频率偏移估计的精确性。模式切换器于频率偏移估计值满足一第二条件时令载波恢复系统自第二模式切换至第三模式。图3图解载波恢复系统操作于第三模式时的一种实施方式。补偿装置104耦接于均衡器108之前，以补偿信号106补偿同步器110的输出以产生均衡器108的输入信号。均衡器108的输出被视为相干解调信号q(n)输入该补偿信号产生器300。与图2A与图2B所示的补偿信号产生器200相比较，补偿信号产生器300还包括一开关SW2以及一硬式决策器(hard decision device)302。在上述第一与第二模式中，开关SW2负责将相干解调信号q(n)传送至能量检测器204与开关SW1，以供极性检测器202产生检测器输出d(n)。在第三模式中，开关SW2切换成耦接相干解调信号q(n)至硬式决策器302，检测器输出d(n)改由硬式决策器302提供。
在某些实施方式中，系数控制器212可令第三模式的Kp与Ki低于第二模式的Kp与Ki。如此一来，模式切换所产生的动作不连续问题也可以改善。
参考图3，当载波恢复系统操作于第三模式(开关SW2将相干解调信号q(n)传送至硬式决策器302)，模式切换器216还监控补偿信号产生器300提供的频率偏移估计值(此连结未显示在图中)。若频率偏移估计值满足一第三条件，模式切换器216将令载波恢复系统自第三模式切换至一第四模式。此时，环路滤波器210采用整个系数调整动作最后得到的Kp与Ki值，并且相干解调信号q(n)除了耦接至补偿信号产生器300产生该补偿信号106外，还耦接至接收器的一解码装置(如：TCM解码器)，供该解码装置使用。在第四模式中，补偿装置106依然位于均衡器108的输入端，以补偿信号106补偿同步器110的输出信号，并将补偿结果作为均衡器108的输入。在第四模式中，相干补偿信号q(n)经开关SW2输入硬式决策器302，而非输入该能量检测器204与开关SW1。
本发明的模式切换器可以多种方式实现。一种实施方式将信号取样每N个分成一组。各个取样的频率偏移估计值的相关信息则由补偿信号产生器提供。模式切换器负责计算各取样群组的平均频率偏移估计值。当连续M1组平均频率偏移估计值都位于一第一区间时，模式切换器令载波恢复系统自第一模式切换至第二模式；上述M1为一第一数量，上述条件可视为一第一条件。当连续M2组平均频率偏移估计值都位于一第二区间时，模式切换器令载波恢复系统自第二模式切换至第三模式；上述M2为一第二数量，上述条件可视为一第二条件。当连续M3组平均频率偏移估计值都位于一第三区间时，模式切换器将令载波恢复系统自第三模式切换至第四模式；上述M3为一第三数量，上述条件可视为一第三条件。本发明的实施例可令第二数量M2大于第一数量M1，且第二区间窄于第一区间，以令第二至第三模式的切换较第一至第二模式的切换严格。可令第三数量M3大于第二数量M2，且第三区间窄于第二区间，以令第三至第四模式的切换较第二至第三模式的切换严格。
图4图解本发明载波恢复方法的一种实施方式。此载波恢复方法包括根据一相干解调信号制造一补偿信号。在载波恢复之初，步骤S402令系统操作于一第一模式；通过上述补偿信号补偿一均衡器的输出信号以产生上述相干解调信号。步骤S404判断系统的频率偏移估计值是否符合一第一条件。若满足第一条件，本方法将系统切换成一第二模式(S406)，通过上述补偿信号补偿一同步器的输出信号，并且将补偿后的信号输入该均衡器进行运算以产生上述相干解调信号。反之，若第一条件没被满足，本方法自S404回到S402，令系统持续操作在第一模式。
在某些实施方式中，上述第一与第二模式的操作包括：判断该相干解调信号的大小是否大于一阈值；于相干解调信号的大小大于一阈值时将该相干解调信号输入一极性检测器以产生一检测器输出；接着将该相干解调信号除以该检测器输出，并且提取其商数的虚数部位以得到一相位误差信号；然后由一环路滤波器对上述相位误差信号进行滤波；并且将该环路滤波器的输出信号传送至一数值控制振荡器以产生上述补偿信号。上述环路滤波器的效能由环路滤波器的多个系数决定。
在第一模式下，本方法可令环路滤波器的系数由低到高渐增以检测出最适当的系数值。此外，本方法可于系统切换至第二模式后，以略低于第一模式最后计算出来的环路滤波器系数开始进行运算。
若系统在第二模式即得到收敛的结果，本方法可于此时还将该相干解调信号输入接收器的解码装置，供其运用。
为了改善频率偏移估计值的精确度，某些实施方式还包括步骤S408，判断频率偏移估计值是否符合一第二条件。若符合，本方法将令系统还操作于一第三模式S410；若不符合，则回到第二模式S406。
第三模式可在同步器的输出端进行补偿动作，以该补偿信号补偿该同步器的输出信号，并将补偿结果作为均衡器的输入信号；此时，均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号。第三模式中，补偿信号的制造方法包括下列步骤：1)使用一硬式决策器对相干解调信号进行运算，以产生一检测器输出；2)将相干解调信号除以上述检测器输出信号，并且提取其商数的虚数部位以产生一相位误差信号；3)以环式滤波器对相位误差信号进行滤波；4)将环式滤波器的输出传送至数值控制振荡器，以得到上述补偿信号。本方法于系统切换至第三模式后，可令环路滤波器的系数以低于其于第二模式的值开始进行动作。
步骤S412判断第三模式的操作是否使系统收敛。当系统的频率偏移估计值满足一第三条件，载波恢复方法进入步骤S414，令系统以一第四模式操作。当频率偏移估计值不满足第三条件，本方法回到步骤S410令系统持续操作在第三模式。
在某些实施方式中，第四模式将补偿信号拿来补偿同步器的输出信号，并将补偿后的结果作为均衡器的输入信号、将均衡器的输出信号视为相干解调信号，用以产生上述补偿信号。此时，上述检测器输出由硬式决策器产生，并且该相干解调信号还被送入接收器的解码装置进行后续运算。
本发明虽以多个实施例披露如上，但其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，当可做若干的更改与修饰，因此本发明的保护范围应以本发明的权利要求为准。

Claims (18)

1.一种载波恢复系统，包括：
一补偿信号产生器，根据一相干解调信号产生一补偿信号；
一模式切换器，于一频率偏移估计值符合一第一条件时，令该载波恢复系统自一第一模式切换至一第二模式；
一补偿装置，在上述第一模式中，以上述补偿信号补偿一均衡器的输出信号以产生上述相干解调信号；并且在上述第二模式中，以上述补偿信号补偿一同步器的输出信号以产生该均衡器的输入信号，此时，上述均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号输入上述补偿信号产生器；
其中上述补偿信号产生器包括：
一极性检测器，根据所接收的信号产生一检测器输出；
一第一开关，于导通时将上述相干解调信号输入该极性检测器；
一能量检测器，于该相干解调信号的大小大于一阈值时，导通该第一开关；
一除法器以及一虚部提取器，将该相干解调信号除以该检测器输出，并且提取其商数的虚数部位以产生一相位误差信号；
一环路滤波器，包括多个系数，对该相位误差信号进行滤波，其滤波特性由上述系数决定；
一系数控制器，用以设定上述系数；以及
一数值控制振荡器，接收该环路滤波器的输出信号以产生上述补偿信号。
2.如权利要求1所述的载波恢复系统，其中该系数控制器于上述第一模式中，令上述系数由低至高渐增以验证上述系数。
3.如权利要求1所述的载波恢复系统，其中该系数控制器以低于上述第一模式最后所使用的上述系数开始上述第二模式。
4.如权利要求1所述的载波恢复系统，其中上述模式切换器于上述频率偏移估计值满足一第二条件时令该载波恢复系统自上述第二模式切换至一第三模式；在该第三模式下，该补偿装置以上述补偿信号补偿该同步器的输出信号以产生该均衡器的输入信号，并且该均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号供上述补偿信号产生器使用。
5.如权利要求4所述的载波恢复系统，其中该补偿信号产生器还包括：
一硬式决策器；以及
一第二开关，在上述第一与第二模式将上述相干解调信号传送至上述能量检测器以及上述第一开关的一第一端，并且在上述第三模式将上述相干解调信号切换成输入至该硬式决策器，
其中该硬式决策器的输出信号于该第三模式时被视为上述检测器输出。
6.如权利要求5所述的载波恢复系统，其中该系数控制器在上述第三模式中，令上述系数以低于其于上述第二模式时的值进行验证。
7.如权利要求5所述的载波恢复系统，其中上述模式切换器于上述频率偏移估计值满足一第三条件时，令该载波恢复系统自上述第三模式切换至一第四模式；在该第四模式下，该补偿装置以上述补偿信号补偿该同步器的输出信号以产生该均衡器的输入信号，并且该均衡器的输出信号被视为上述相干解调信号，用以输入该补偿信号产生器并且还输入一解码装置。
8.如权利要求7所述的载波恢复系统，其中该模式切换器计算多组取样群组各自的平均频率偏移估计值，于有一第一数量的连续取样群组的平均频率偏移估计值都位于一第一区间时，令该载波恢复系统自上述第一模式切换至上述第二模式；于有一第二数量的连续取样群组的平均频率偏移估计值都位于一第二区间时，令该载波恢复系统自上述第二模式切换至上述第三模式；并且于有一第三数量的连续取样群组的平均频率偏移估计值都位于一第三区间时，令该载波恢复系统自上述第三模式切换至上述第四模式。
9.如权利要求8所述的载波恢复系统，其中该第三数量大于该第二数量，并且该第二数量大于该第一数量；并且该第三区间窄于该第二区间，并且该第二区间窄于该第一区间。
10.一种载波恢复方法，包括：
根据一相干解调信号产生一补偿信号；
在一第一模式下，以该补偿信号补偿一均衡器的输出信号以产生上述相干解调信号；
在一第二模式下，以该补偿信号补偿一同步器的输出信号以产生该均衡器的输入信号，并且将该均衡器的输出信号视为上述相干解调信号；以及
于一频率偏移估计值符合一第一条件时自上述第一模式切换至上述第二模式。
其中，在上述第一模式下，产生上述补偿信号的步骤包括：
判断该相干解调信号的大小是否大于一阈值；
于该相干解调信号的大小大于该阈值时，将该相干解调信号传送至一极性检测器以产生一检测器输出；
将该相干解调信号除以该检测器输出，并且将其商数的虚数部分提取出以产生一相位误差信号；
以一环路滤波器对该相位误差信号进行滤波，该环路滤波器的滤波特性由该环路滤波器的多个系数决定；以及
将该环路滤波器的输出传送至一数值控制振荡器以产生上述补偿信号。
11.如权利要求10所述的载波恢复方法，还包括在该第一模式下，由低至高渐增上述系数以验证上述系数。
12.如权利要求10所述的载波恢复方法，还包括令上述系数以低于其于该第一模式最后的值开始上述第二模式的操作。
13.如权利要求10所述的载波恢复方法，还包括：
于上述频率偏移估计值符合一第二条件时自上述第二模式切换至一第三模式；
在上述第三模式中，将该均衡器的输出信号视为上述相干解调信号使用；以及
在上述第三模式中，以上述补偿信号补偿上述同步器的输出信号以产生该均衡器的输入信号。
14.如权利要求13所述的载波恢复方法，其中，在该第三模式中，上述产生补偿信号的步骤包括：
传递上述相干解调信号至一硬式决策器以产生上述检测器输出；
将该相干解调信号除以上述检测器输出，并且提取其商数的虚数部位以得到上述相位误差信号；
以上述环路滤波器对上述相位误差信号进行滤波；以及
将该环路滤波器的输出信号传送至上述数值控制振荡器以产生上述补偿信号。
15.如权利要求14所述的载波恢复方法，还包括令上述系数于该第三模式时低于其于该第二模式的值。
16.如权利要求14所述的载波恢复方法，还包括于上述频率偏移估计值满足一第三条件时自该第三模式切换至一第四模式；在该第四模式中，该同步器的输出信号经上述补偿信号补偿后输入该均衡器，该均衡的输出信号被视为上述相干解调信号供产生上述补偿信号时使用，并且该相干解调信号还被输入一解码装置进行运算。
17.如权利要求16所述的载波恢复方法，还包括：
计算多个取样群组各自的平均频率偏移估计值；
于一第一数量的连续取样群组的平均频率偏移估计值都在一第一区间时，自该第一模式切换至该第二模式；
于一第二数量的连续取样群组的平均频率偏移估计值都在一第二区间时，自该第二模式切换至该第三模式；以及
于一第三数量的连续取样群组的平均频率偏移估计值都在一第三区间时，自该第三模式切换至该第四模式。
18.如权利要求17所述的载波恢复方法，其中该第三数量大于该第二数量，并且该第二数量大于该第一数量；并且该第三区间窄于该第二区间，并且该第二区间窄于该第一区间。
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