CN101854497B - 数字电视接收机及其定时恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字电视接收机及其定时恢复方法。其中，该方法包括步骤：于定时模块启动后，内插滤波器对收到的数据信号进行符号同步抽样，输出处理后的数据信号和定时误差使能信号；由定时误差检测器在收到定时误差使能信号时计算数据信号的抽样样本之间的有效定时误差，获得的定时误差值；由环路滤波器对定时误差值进行滤波，输出定时误差信号和分数因子补偿信号；数字控制振荡器接收环路滤波器输出的定时误差信号和分数因子补偿信号，产生输出至插滤波器的控制信号和采样使能信号。本发明适用于任何调制方式，不受调制方式和输入的信号功率影响，并且不需要载波频率的恢复，能够准确的估计定时误差，并且能够可靠的判定定时锁定。

Description

数字电视接收机及其定时恢复方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术，尤其是涉及一种数字电视接收机的码元定时恢复方法，以及使用该方法的数字电视接收机。

背景技术

地面数字电视广播系统是广播电视体系中的重要组成部分，它与卫星数字电视广播系统和有线数字电视广播系统以及其它辅助系统一起相互协同提供全面的大众覆盖。

数字电视相对于模拟电视，差异性指的是采用数字编码与数字传输技术进行节目的采集、录制、加工制作、播出、发射和接收的电视。数字电视克服了模拟电视传输过程中数据丢失、重影、雪花等致命弱点，使得收到的图像和伴音质量几乎与演播室送出的质量水平一样；更重要的是，数字电视系统的兼容性强，应用具有可扩展性和灵活性，从而提高了频谱利用率，并可引入数据传输和数据交互等多种新型业务，为消费电子、通信和计算机等行业的汇聚融合提供平台。

同步电路是数字电视广播系统中最重要的一部分。数字电视系统中的同步电路结构图如图1所示。同步电路根据该基带信号对频率偏移、定时恢复、相位等同步参数进行估计。而同步部分的定时恢复通常分为两个阶段，在经过粗码元同步后，定时误差被限制在一个较小的范围，接着进行细码元同步，进一步减少定时误差，并且在各种外来因素的干扰下能自动跟踪，保持定时的高精度。外来干扰因素中的一个主要问题就是采样时钟偏移，采样时钟频率偏差将导致载波间干扰(Inter-carrier Interference，ICI)，同时采样时钟频率偏差还将导致定时误差的漂移，进一步恶化定时同步。因此我们必须使接收机和发射机的采样时钟频率保持一致，进行符号定时恢复(STR，Symbol Timing Recovery)。

由于地面数字电视是连续的数据流，所以STR方法通常采用反馈结构，以获得较好的跟踪性能。美国ATSC 8-VSB系统中的STR反馈环的误差提取是以段同步作为辅助数据，由于只在段同步处提取误差，因此其它时刻的定时误差是保持的。在欧洲的DVB-T(Digital VideoBroadcasting-Terrestrial数字视频广播)-COFDM(Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，编码正交频分复用)传输系统中，连续导频和分散导频信号的插入位置是已知的，连续导频在符号中的位置是固定的。所以COFDM系统的STR算法都是基于这些导频信号在频域进行的。但是导频是在离散傅立叶变换(DFT，Discrete Fourier Transform)之前插入的，进行DFT计算又需要首先同步(之后才能进行正确解调)。因此，COFDM系统的同步需要使用迭代逼近算法，这样就存在收敛误差和收敛问题。

发明内容

本发明提出一种数字电视接收机的码元定时恢复方法，以及使用该方法的数字电视接收机，可以在任何调制方式下准确获得定时误差，不需要载波频率的恢复。

本发明采用了如下技术方案：一种数字电视的定时恢复方法，其包括步骤：

于定时模块启动后，内插滤波器对收到的数据信号进行符号同步抽样，将处理后的数据信号和定时误差使能信号输出到定时误差检测器；

由定时误差检测器在收到定时误差使能信号时计算数据信号的抽样样本之间的有效定时误差，获得的定时误差值；

由环路滤波器对定时误差值进行滤波，输出定时误差信号和分数因子补偿信号；

数字控制振荡器接收环路滤波器输出的定时误差信号和分数因子补偿信号，产生输出至插滤波器的控制信号和采样使能信号。

其中，所述数字电视的定时恢复方法还包括步骤：由锁定控制器通过环路滤波器累加路的状态来判定定时误差是否锁定，并于判定定时误差锁定时向环路滤波器输出相应的指示信号。

其中，判定定时误差是否锁定的步骤包括：

将环路滤波器累加路当前值与上一个时刻值相减，差值取绝对值；

设定累加路门限以及计数器，如果差值绝对值在门限范围内，则累加器加1，反之，则减1；

如果计数器达到所设定的计数门限后，则认为定时误差信号锁定，返回相应的指示信号。

其中，内插滤波器采用多项式内插滤波器，以一定的间隔重新抽样内插滤波器的输出信号获得内插值；逐步调整内插值的计算间隔以及计算时刻，以求解信号在最佳采样点的近似值，内插滤波器以该最佳采样点的时刻输出信号数据。

其中，定时误差检测器采用适合高速信号的反馈式算法，依靠检测码元转换处的过零点来定时，求得符号定时误差，再利用该定时误差来确定基本指针和分数间隔，然后控制插值滤波器调整采样时刻使其接近最佳采样点，从而完成符号定时同步。

其中，环路滤波器由积分支路和比例支路构成，采用一阶环路来滤除定时误差检测器输出的误差信号的高频分量；误差信号在送入比例支路和积分支路时，与比例增益和积分增益相乘。

其中，环路滤波器在时域恢复中采用一组大系数和一组小系数；在开始同步时，采用大系数，使环路滤波器的环路带宽变宽进行粗同步，减小收敛时间；之后采用小系数，减小环路带宽，进行细同步。

其中，数字控制振荡器包括一个初始值为0的累加器，对误差信号进行累加，产生控制内插滤波器的控制信号和采样使能信号。

本发明可以在任何调制方式下准确获得定时误差，不需要载波频率的恢复，可以根据不同的状态选择环路滤波器的系数以达到最佳的捕获和跟踪性能，并且具有可靠的锁定机制，避免失锁以及误判。

附图说明

图1是数字电视系统中的同步电路结构示意图；

图2是本发明提出的定时恢复模块的结构示意图；

图3是图2中环路滤波器的示意图；

图4是图2中数字控制振荡器的示意图。

具体实施方式

本发明公开一种数字电视中定时恢复的方法以及装置，可以在任何调制方式下准确获得定时误差，不需要载波频率的恢复，可以根据不同的状态选择环路滤波器的系数以达到最佳的捕获和跟踪性能，并且具有可靠的锁定机制，避免失锁以及误判。

结合图1和图2所示，该定时恢复模块包括：定时模块(图中没有画出)、内插滤波器、定时误差检测器、环路滤波器、锁定控制器和数字控制振荡器(NCO，numerical controlledoscillator)。

输入内插滤波器的信号包括：输入的数据信号、载波恢复模块输出的使能信号、数字控制振荡器输出的采样使能信号和小数因子(或控制信号)。上电后，定时模块启动后，内插滤波器一直处于工作状态，对接收到的数据信号进行符号同步抽样，输出经过内插滤波器计算出来的数据和定时误差使能信号。

其中，内插滤波器采用基于多项式基函数的高效内插滤波器设计。这种多项式内插易于数学描述，可以应用一类特殊的FIR滤波器(FIR，Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件)实现结构，该结构下滤波器系数易于计算。基函数数学表达式为：

$f_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{(\frac{2t}{\mathrm{Ts}}-1)}^n& 0\≤t\≤\mathrm{Ts}\\ 0& \mathrm{others}\end{array}\right.---\left(1\right)$

Ts表示符号的间隔周期，t表示自变量，n表示多项式阶数。

将式(1)的函数组作为内插函数的基本项，即可以使内插时每个样点间隔内的内插函数都是关于t的n阶多项式。假设长度为N，则内插滤波器的脉冲响应为：

$h\left(t\right)=\underset{i=-\frac{N}{2}}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n\left(i\right)f_n(t-\mathrm{iTs})---\left(2\right)$

C_n(i)为引入的可变系数，目的是针对不同的滤波器响应要求，可以通过调节相关系数实现。h(t)具有两个变量，i为样点位置，范围为

至

(N为偶数以满足线性相位)，n为参与内插的基函数的阶数，范围为0至L，通过实验证明，使用上式(2)举出的阶数为0、1、2或3的四个基函数的组合就可以满足通常的应用要求。

内插滤波器的输出数据进入定时误差检测器计算抽样样本之间的有效定时误差，该定时误差检测方法适用于任何调制方式，不受调制方式的影响。定时误差检测器的输入有：内插滤波器的输出数据和定时误差使能信号；锁定控制器输出的定时锁定信号。

定时误差检测器采用一种适合高速信号的反馈式算法，它每个符号只需要2个采样点，并且载波相位误差不会影响算法的性能，从平方律定时推导出来的，依靠检测码元转换处的过零点来定时，求得符号定时误差，再利用该误差来确定基本指针和分数间隔，然后控制插值滤波器，调整采样时刻使其接近最佳采样点，从而完成符号定时同步。该方法适用于任何调制方式，不受调制方式和输入的信号功率影响，并且不需要载波频率的恢复。定时误差检测(TED，Timing Error Detector)Ted_err的数学表达式如下所示：

Ted_err＝(Ted_err_I+Ted_err_Q)/Ted_M                            (3)

Ted_err_I＝real[x(r-1/2)-(x(r)+x(r-1))*0.5]*real[x(r)-x(r-1)]   (4)

Ted_err_Q＝imag[x(r-1/2)-(x(r)+x(r-1))*0.5]*imag[x(r)-x(r-1)]   (5)

Ted_M＝|real(x(r))|+|real(x(r-1))|+|imag(x(r))|+|imag(x(r-1))|         (6)

其中，Ted_err_I表示实部的采样误差；Ted_err_Q表示虚部的采样误差，Ted_M表示实部和虚部的幅度的绝对值和；x(r)、x(r-1)、x(r-1/2)分别表示采样时刻t和t-1的采样值，以及两个采样值中间的转换点的值；real(.)表示取实部，imag(.)表示取虚部。

可以看出，该方法在高阶调制方式下也能准确计算定时误差，并且采用相对值，可以避免因为信号功率发生变化而产生的定时误差估计抖动较大的问题。

当收到定时误差使能信号时，定时误差检测器工作，按照公式(3)～公式(6)计算定时误差，并将计算得出的定时误差值传给环路滤波器。

环路滤波器对定时误差检测器输出的定时误差值进行滤波，输出定时误差信号和分数因子补偿信号给数字控制振荡器。

环路滤波器采用一阶环路来滤除定时误差检测器输出的误差信号的高频分量。它由积分支路和比例支路构成。环路滤波器的结构如图3所示，它的传输函数为：

$H\left(z\right)=\frac{K_p\·Z+K_i-K_p}{Z-1}---\left(7\right)$

它由积分支路和比例支路构成。误差信号在送入比例支路和积分支路时，与比例增益因子k_p和积分增益因子k_i相乘。我们知道比例支路可以跟踪相位误差，积分支路可以跟踪频率误差。这样时域恢复环路就能对定时误差信号跟踪并锁定同步。设环路滤波器的当前输入信号估计的定时误差为timingErr，则环路滤波器的输出out为：

out＝kp*timingErr+reg            (8)

积分支路的定时误差累积值reg为：

reg＝reg+ki*timingErr           (9)

在时域恢复中，环路带宽与增益因子k_p和k_i有关。k_p和k_i值越大，带宽越宽。在我们的时域恢复中，采用了两组系数，一组大系数和一组小系数。在开始同步时，采用大系数，使环路带宽变宽，以增加跟踪同步范围，进行粗同步，减小收敛时间；同步锁定之后采用小系数，减小环路带宽，进行细同步，以获得好的稳定的同步跟踪性能。

数字控制振荡器接收环路滤波器输出的定时误差信号和分数因子补偿信号，产生输出至插滤波器的控制信号和采样使能信号。

结合图4所示，数字控制振荡器包括一个累加器，对误差信号进行累加，产生内插滤波器的控制信号和采样使能信号。

数字控制振荡器作用是接收环路滤波器出来的误差信号w(m)和小数因子补偿信号η，产生内插滤波器的控制信号μ_k和采样使能信号。

数字控制振荡器为一个相位累加器，时钟频率为1/Ts。它的差分方程为：

u(m)＝u(m-1)+W(m-1)                     (10)

W(m)＝w(m)+η+normal_delay          (11)

数字控制振荡器的初值为0，寄存器中u(m)的值每Ts秒加一次W(m)。一段时间后，数字控制振荡器将产生过1(正ppm)或过-1(负ppm)，每过一次1(或负1)，则产生一个定时调整抽样周期T_i，从而可决定mk，即哪些信号值参加内插运算，或者不插。如果数字控制振荡器产生过1或者过-1，那么累加器减去整数部分，只留下小数部分miu，且输出四倍符号的采样使能信号。

Normal_delay是一个固定因子，它的值是

它表达的物理意义是：数字控制振荡器控制的主要功能就是将其产生的30.4MHz的时钟转换为30.24MHz的时钟，而控制因素就是W(m)的累加，Normal_delay占了W(m)的绝大部分。

锁定控制器提供定时误差是否锁定的指示信号。锁定控制器的输入是前述式(9)环路滤波器积分支路的定时误差累积值reg。锁定控制器采用门限法，通过环路滤波器累加路(累加路就是环路滤波器的积分支路)的状态，来判定定时误差是否锁定，步骤如下：

首先，累加路当前值与上一个时刻值相减，差值取绝对值；

其次、设定累加路门限以及一计数器，如果差值绝对值在门限范围内，则累加器加1，反之，则减1；

最后、如果计数器达到所设定的计数门限后，则认为定时误差信号锁定，返回使能信号(或指示信号)。

综上，本发明可以在任何调制方式下准确获得定时误差，不需要载波频率的恢复，可以根据不同的状态选择环路滤波器的系数以达到最佳的捕获和跟踪性能，并且具有可靠的锁定机制，避免失锁以及误判。

Claims (8)

1.一种数字电视的定时恢复方法，其特征在于，包括步骤：

于定时模块启动后，内插滤波器对收到的数据信号进行符号同步抽样，将处理后的数据信号和定时误差使能信号输出到定时误差检测器；

由定时误差检测器在收到定时误差使能信号时计算数据信号的抽样样本之间的有效定时误差，获得定时误差值；

由环路滤波器对定时误差值进行滤波，输出定时误差信号和分数因子补偿信号；

数字控制振荡器接收环路滤波器输出的定时误差信号和分数因子补偿信号，产生输出至插滤波器的控制信号和采样使能信号。

2.根据权利要求1所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，还包括步骤：由锁定控制器通过环路滤波器累加路的状态来判定定时误差是否锁定，并于判定定时误差锁定时向环路滤波器输出相应的指示信号。

3.根据权利要求2所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，判定定时误差是否锁定的步骤包括：

将环路滤波器累加路当前值与上一个时刻值相减，差值取绝对值；

设定累加路门限以及计数器，如果差值绝对值在门限范围内，则累加器加1，反之，则减1；

如果计数器达到所设定的计数门限后，则认为定时误差信号锁定，返回相应的指示信号。

4.根据权利要求1所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，内插滤波器采用多项式内插滤波器，以一定的间隔重新抽样内插滤波器的输出信号获得内插值；逐步调整内插值的计算间隔以及计算时刻，以求解信号在最佳采样点的近似值，内插滤波器以该最佳采样点的时刻输出信号数据。

5.根据权利要求1所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，定时误差检测器采用适合高速信号的反馈式算法，依靠检测码元转换处的过零点来定时，求得符号定时误差，再利用该定时误差来确定基本指针和分数间隔，然后控制插值滤波器调整采样时刻使其接近最佳采样点，从而完成符号定时同步。

6.根据权利要求1所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，环路滤波器由积分支路和比例支路构成，采用一阶环路来滤除定时误差检测器输出的误差信号的高频分量；误差信号在送入比例支路和积分支路时，与比例增益和积分增益相乘。

7.根据权利要求6所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，环路滤波器在时域恢复中采用一组大系数和一组小系数；在开始同步时，采用大系数，使环路滤波器的环路带宽变宽进行粗同步，减小收敛时间；之后采用小系数，减小环路带宽，进行细同步。

8.根据权利要求6所述数字电视的定时恢复方法，其特征在于，数字控制振荡器包括一个初始值为0的累加器，对误差信号进行累加，产生控制内插滤波器的控制信号和采样使能信号。

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