CN1075583A - 数字电视信号接收机的自动增益控制装置 - Google Patents

Abstract

一种包含模拟和数字信号处理电路(119，150) 的高清晰度电视接收机，用于接收(110，112)代表数 字电视信息的模拟高清晰度电视信号。所接到的信 号中包含有窄带高优先级信息及低优先级宽带位 息。自动增益控制(AGC)信号可借助根均方幅度检 波器(116)从接收到的模拟信号中产生。

Description

本发明是关于一种在电视接收系统内用于对接收的代表数字图象信息的电视信号的幅度进行自动控制的装置。

标准电视信号接收系统一般包括有自动增益控制（AGC）装置，用以将加到检波级的信号在接收信号电平的广泛范围内保持基本不变。一般来说，该AGC装置产生出一个作为被检出之基带视频信号分量中的水平同步分量的幅度的函数的AGC电压。该AGC电压按照与所接收的电视信号的幅度大小相反的关系，将射频（RF）及中频（IF）放大器的增益增大或减少。这种类型的电视信号AGC系统为公知技术，这种技术在由Rumreich所取得的美国专利第4，761，687号中有所说明。

现在，对以数字形式对例如图象、伴音及同步信息的电视信息进行编码和解码的高清晰度电视系统的发展已普遍引起人们更大的关注。发射的数字电视信号不同于标准NTSC模拟电视信号，其中数字信号表现为随机的一个脉冲序列，类似于振幅变化的随机噪声信号，而且其中可能缺少射频载波。所以对于数字式电视信号而言，欲有利地采用标准的AGC技术是困难的或不可能的，这主要是由于其中欠缺一个便于识别的AGC基准分量，例如射频载波或与标准NTSC电视信号类似的水平同步分量。

基于上述的认识，本发明提供了一个供数字式电视信号接收系统使用的AGC网络。本发明的AGC网络可将随时间变化的干扰因素（例如飞机经过时的干扰）加以排除，而且可以应用于具有频谱形状的幅度-频率响应的高清晰度QAM数字电视信号系统。该系统例如可见于由Hugh    Edward    White提出的美国专利申请案650，329中。在系统中，缺少了射频载波以及易于辨识的NTSC型水平同步分量的、被发射的高清晰度电视信号被划分成：（1）高优先级信息（以供按高可靠度接收）以及（2）低优先级信息这两部分。该高优先级信息及低优先级信息在电视信号频谱内占据不同部位，以分离的QAM（正交幅度调制）载波信号的形式传送。高优先级信号与低优先级信号相比，具有较窄的带宽，以及大得多的振幅。

本发明所提供的自动增益控制装置，被包括在用以接收代表高清晰度图象信息的数字电视信号的装置中。自动增益控制信号通过一个根均方（RMS）检波器而产生。

在本发明的一个实施例中，数字电视信号的调制频谱内包含有具有高优先级信息（供在高可靠度情况下接收）的窄带分量，以及其中包含有低优先级信息的宽带分量。此两分量处在电视信号频谱的不同部位，并以分离的QAM载波信号的形式传送。RMS    AGC检波器从数字电视信号的窄带QAM成份中导出AGC信号。

附图简要说明：

图1    为包含有按照本发明的自动增益控制装置的数字电视接收机的方框示意图。

图2    为由图1所示的接收机所接收及处理的、兼容的模拟发射的（Simulcast）多重QAM高清晰度电视信号的基带视频频谱图。

图3    为图1所示的输入信号处理器的详细示意图。

参阅图1，其中所示为用以接收、并进而以数字方式处理如图2所示类型的HDTV信号的一个HDTV接收机的局部示意图。在对如图1所示的接收机进行叙述之前，有必要先就此信号作一说明。

参阅图2，其中所示为可与一标准NTSC电视信号频道的6MHz带宽兼容、且可作为模拟发射信号应用的高清晰度电视信号的视频频谱图。图2中沿-1.25MHz至4.5MHz的频率刻度值所取之频域，这是以标准NTSC系统内的RF图象载波的0.0MHz频率位置为参考的。

HDTV电视信号为一数据压缩讯号，且可划为为高优先级信息分量以及低优先级信息分量。在此实施例中，希望按高可靠度接收的伴音、同步、及低频视频信息分量，均分配以高优先级。就同步信息而言，它例如可以是具有有序排列的信号性质，其中包括有一特定的特征或代码，以便信号在接收机处予以恢复及加以处理，其中作为示例，可包含有场速率扫描信息（例如，磁场标志的开始），其他比较不重要的分量，例如高频的视频信息，则赋予较低的优先级。高优先级信息与低优先级信息相比较，其带宽较窄，而且对0.96MHz的载波进行窄带正交辐度调制（QAM）。低优先级信息对3.84MHz的载波进行宽带正交幅度调制，所生成的复合信号是一个多重QAM信号，即一“双”QAM信号。复合双QAM信号在发射机通过适当的频移变换为6MHz的标准电视频带，生成如图2所示的频谱。

窄带QAM分量的幅度远大于宽带QAM分量，就本实施例而言，为其二倍。窄带QAM分量的-6db带宽为0.96MHz，宽带QAM分量的-6db带宽为3.84MHz，相当于窄带QAM分量的4倍。窄带及宽带QAM分量的非线性频带边缘过渡区的形状由一个具有一上升余弦的平方根特性的有限脉冲响应（FIR）滤波器而确定，以生成可避免由尖锐过渡区域生成的、所不希望的高频效应的平滑过渡区。窄带分量呈现为带有一个附加带宽（excess    bandwidth）的幅频特性（该附加带宽约占17%）即，比根据1/2×1/T一式所规定的最小带宽理论值大17%左右，这里，T代表主题信号的符号周期。（未按比例标示的）频带边缘过渡区内的宽带分量的幅频响应曲线的斜率相当于较陡的窄带分量的斜率值的四分之一。

窄带及宽带QAM分量分别包含有同相分量“I”及90°相差的分量“Q”。I-相位分量用以调制一被抑制的余弦载波，而Q-相位分量则用以调制一被抑制的正弦载波。I分量及Q分量可共同代表一数据“符号”。就一16QAM信号而言，每一I及Q分量均具有四个离散的幅度电平，因而对每一窄带及宽带QAM信号而言，一共有4×4，即16个可能的幅度电平或幅度值，因此为“16”个QAM。在规定各I及Q分量的四个电平时，必须具有两位，而每一数据符号必须要有四位，才能规定出一个I，Q组合的16个电平。因此，3.84MHz（-6db）宽带QAM信号的位速率为15.36Mbps（3.84MHz×4位），而0.96MHz（-6db）窄带QAM信号的位速率则为3.84    Mbps（0.96    MHz×4位），对于64QAM系统而言，窄带及宽带分量的位速率均将增成1.5倍。亦可采用32QAM调制方案，由于固有的峰值功率限制特性，它因而可视为一较理想的调制方式。前所述及的多重（双）QAM信号具有一重要的特性，即，可免除与一标准NTSC电视信号有关的共用频道干扰，即可免除由另一发射地点以与双QAM信号相同频道发射的NTSC讯号的干扰。在共同频道情况下，双QAM信号对MTSC讯号的干扰也显著减小。

宽带及窄带QAM信号的位速率分别为15.36Mbps及3.84Mbps，为4∶1的整数比例关系。此一关系极为有利。此一关系可简化在一接收机处对窄带及宽带QAM信息的恢复，这是因为所导出的相同数据时钟可立即加以运用，以便对两个QAM分量的数据恢复操作进行定时。接收机系统所需的数据时钟速率可容易地从恢复高功率窄带QAM信号中导出。

如图1所示的接收机系统大体上与前述的由Hugh    Edward    White所提出的美国专利申请案相同，唯一差别在于输入信号处理器112及AGC系统160的细节上（将详述于后）。就图1所示之接收机系统而言，由一天线110所接收的广播发射的双QAM信号，施加于其中包括有RF及IF级的输入信号处理器112上（这一部分将在后文中参照图3作进一步说明），处理器112亦接收基准信号REF    1和REF    2，其频率与在发射机端为了生成发射信号而使用的基准信号的频率相同。处理器112的输出信号包括有一宽带QAM分量（WB）及一窄带的QAM分量（NB），此两分量均经由各模/数（A/D）转换器117、116传送至一高优先级处理器119及一低优先级处理机150处。经处理器112所处理的信号具有如图2所示的复合调制频率频谱。

自A/D转换器116处输出的数码采样二进位制信号输至一解调器118，该解调器与自适应均衡器120、检波器122、误差检测器124、估计器126、以及压控振荡器和低通泸波器（VCO与LPF）128一起同元件120，122，124，126及128构成一窄带QAM高优先级信号处理机119。窄带QAM解调器118内包含有一输入滤波器，该滤波器的幅频响应特性曲线大致上与如图2所示之已调制的窄带QAM分量的幅频特性曲线相同。A/D转换器117的宽带输出信号施加于一宽带QAM低优先级信号处理网络150上，该处理网络包含有与窄带QAM高优先级处理器内所采用的类似元件，宽带QAM低优先级处理器150中包含有一解调器，该解调器带有一个输入滤波器，其响应曲线大致上与如图2所示之已调制的宽带QAM分量的幅频特性曲线相同。所以，就一标准清晰度电视信号而言，接收系统在与高能量信息相关的频域内，呈现有讯号衰减凹隙部。

自适应均衡器120采取公知设计，它自解调器118处接收已解调的成正交相位关系的I及Q分量。自适应均衡器120中采用有一自适应数字FIR滤波器，以补偿幅度及相位上的误差（例如，包括由发射频道所造成的“鬼影”在内）。在此实施例中，自适应均衡器120是所谓的具有部分间隔的均衡器，它能在最低的必要间隔以上的范围实现采样，并因而引入某些相移及幅度变化，这种相移和幅度变化对于产生输出的IQ分量所需的幅度和相位特性来说，都是必要的。均衡器120内包含有已依据其中之I、Q输出分量所需的相位及幅度值而编程的ROM。该I、Q分量的输出值分别与该编程的值作比较，根于该比较结果，I、Q的输入值被调整到接近该编程的值。此调整可借助于变更与均衡器120相关的滤波器的抽头加权值而实现。均衡器120可在一符号周期内进行次采样（Sub-sampling）程序，以针对所需的输出幅度及相位特性而产生出所需的相位及幅度变化。由于具有此能力，均衡器120之工作基本上不致对所加的时钟信号的相位敏感。但此时钟相位仍以保持恒定为宜。均衡器120虽然可采用同步均衡器，但相对于所加的时钟信号的相位特性而言，部分间隔的均衡器性能较为理想。有关部分间隔及同步自适应均衡器，可参见Lee    &    Messerschmitt的论文“数字通讯”（Kluwer    Academic    Publishers，Boston，MA，USA，1988）中，其中有进一步的说明。

来自自适应均衡器120的经过均衡处理后的I、Q输出信号施加于估计器126上，在此产生出经过估计与所发射的I、Q分量的值最接近的输出I、Q分量。举例来说，在估计器126的输出端的I、Q分量的值已按需要而加以调整，以补偿在发射过程中所产生的噪声引起的失真效应。估测器126主要执行对某些采样样本的赋值的解释功能，这些样本由于噪音等因素而无法精确地与在16点四象限信号星座（16-point    four    guadrant    signal    constellation）内分配的位置相适应。此估计器126的输出信号输至解码器122，该解码器122执行在发射机处的编码器所执行的映射（map）操作的逆程序。采用索引表以便将四象限信号星座“解映射”（unmap）成二进位数字形式的顺序的四位（符号）段，该顺序的四位（符号）段在发射机处进行编码之前就已存在。

误差检测器124用于监测估计器126的I、Q输入及输出信号，以生成一载波相位误差输出信号，其幅度与估计器126的I输入、输出值和Q输入、输出值之间的相位误差成正比。相位误差可能起因于噪声因素，在此情况下，相位误差是随机性的。但相位误差亦有可能是由于由频率合成器135所生成的窄带基准信号REF2的频率与在发射机端所使用的对应基准信号频率相差太大，在此情况下相位误差即非随机性质。最后由误差检测器124中取出的输出ERROR信号被用以补偿信号REF2的频率相对于所要求值（即发射机端的相应信号REF    2的频率值）的偏移。误差检测器124采取高于均衡器120的采样速率而进行工作，以便检测可能来源于合成器135的频偏、或与输入处理器112相关的本地振荡器的频偏的相位及频率偏移。

具体地说，ERROR信号被输至压控振荡器（VCO）网络128上，该网络128中设有一低通滤波器，以对施加于相位正交解调器118上的相位正交正弦及余弦基准信号值加以修正。经修正后的正交正弦及余弦基准信号将不断地修正解调过程，直到自检测器124输出的误差代表信号的幅度显示出：信号REF    2相对于所要求值的频偏已经被补偿为止。与压控振荡器和低通滤波器128相关的低通滤波器用于对ERROR信号滤波，从而使压控振荡器和低通滤波器128送出的基准信号值（以及因而解调器118的工作情况都）根据非随机性误差（例如上述的频偏）而进行修正，并且不会受随机效应（例如噪音）的影响。

宽带QAM低优先级信号处理器150内包含有与上述的窄带QAM处理器中的单元118、120、122、126、124及128的操作方式相同的部件。有关包括了估计器126、检测器124、压控振荡器128及解调器118的控制环路的操作的附加信息，可由上述的、由Lee    &    Messerschmitt所发表的“数字通讯”一文中得到。

自解码器122输出的已解调的高优先级数据信号以及由处理器150输出的已解调的低优先级数据信号，由信号处理器140加以组合。在处理器140中可包含有数据解压缩网络（例如Huffman解码器）及倒相量化器（inverse    guantizer）、误差校正网络、多路解调和信号组合网络，以便提供分离的伴音及视频电视信号分量。伴音分量先经伴音信号处理器142处理，然后再施加于声音重现装置146上，视频分量由视频信号处理器144加以处理，以生成图象代表信号，然后加到图象显示装置148上。

直接数字频率合成器129响应于来自系统时钟发生器130的主时钟信号，从而生成15.36MHz的时钟信号CLK，该发生器130亦将主时钟信号输至频率合成器135，以生成基准信号REF    1和REF    2。取自发生器130的主时钟信号可使合成器129、135同步工作，在本实施例中，其频率为10MHz。REF    1及REF    2的信号频率，原则上与发射机处所使用的相应信号相当，这些信号的频率值若偏离所要求的频率值，则按上述方式予以补偿。来自直接数字频率合成器129的信号CLK是低优先级处理器150中的数字信号处理电路所使用之时钟信号。高优先级窄带处理器对带宽为宽带信号的四分之一的信号进行处理。因此，高优先级处理器响应于频率为分频器136提供的信号CLK的四分之一（3.84MHz）的时钟信号CLK/4。

接收机端的时钟信号CLK的频率与在发射端使用的时钟信号频率相对应。为建立适当的接收机时钟频率，首先须从更为可靠地接收到的高功率窄带QAM分量中包括的信息生成接收机时钟信号（如图3所示）。自图3亦可看出，为达到此目的，从输入处理器112中再取出窄带输出信号而送至非线性信号发生器131（例如多个N发生器，例如将输入值进行自乘的乘法器，其中N值可为2或4）。非线性幅度信号发生器131按窄带QAM分量的符号速率而生成单一的频率分量。在此，符号速率为0.96MHz，为位速率的四分之一。上述单元131亦可按低功率宽带QAM分量的符号速率而生成高衰减的输出分量，该输出分量可被后继的信号处理单元忽略。

取自单元131的0.96MHz符号速率输出分量先由滤波器132进行带通滤波，然后再加到其中设有相位检测器的相位控制单元137上。滤波器132在0.96MHz的符号频率处有一中心频率，滤波器132的带宽虽然并不严格，但须足以提供足够的信噪比。相位控制单元137可响应来自滤波器132的0.96MHz符号速率输出分量而连同低通滤波器138、合成器129、及16分频除法器139，形成一个相位锁定环路。滤波器138可将包括着非线性信号发生器131的噪音在内之假频率加以排除。分频器139自合成器129接收15.36MHz频率的信号，并将分频后的0.96MHz输出信号输至相位检测器137的控制输入端。合成器129包含有一个寄存器，该寄存器按照时钟发生器130的信号频率所确定的速率，对由滤波器138输至单元129的控制输入端的信号所确定的相位增量进行累积。所累积的相位值可对一个其中含有用以对单元129的输出信号进行合成的正弦值的ROM进行编址，单元129的功能由可由市场上得到的美国加州圣地牙哥市的Qualcomm公司的Q2334型集成电路而实现。

在本系统中，高优先级分量具有带着很小的（占17%）的附加带宽的较窄的带宽，且带外衰减极为尖锐，即，边缘很陡，因而极为有利。作为非线性信号发生器（例如倍乘器），例如组元131，在响应输入的QAM信号的情况下，其输出的信号幅度是该输入信号的幅频特性曲线的函数，尤其是在频带边缘部位时更是如此。对于一定的通带幅度特性而言，频带边缘处的尖锐的斜度使得在输入信号的符号速率下，能产生小幅度的单一频率输出分量，而陡度较小的频带边缘则能产生较大幅度的输出分量。

锁相环路中的部件137、138、129、139共同起作用，以便在（1）来自单元131、132而加至相位控制单元137上的0.96MHz输入信号与（2）来自分频器139而加至相位控制单元137上的0.96MHz输入信号二者之间维持近似于0°的相位差关系，后一信号是由合成器129响应来源自滤波器138的相位误差代表控制信号而生成的。

上述系统的自动信号增益控制功能由AGC网络160实现，该AGC网络160在输入信号处理器112的窄带输出端检测被解调的（基带）模拟信号，该信号经由一隔离电阻161连接AGC网络160。被检测的信号通过分别配置于放大器164之前面和后面的二极管网络162和165进行限幅，以避免放大器164因脉冲噪声而超载，并且进一步对任何可能出现于放大器164的输出端的脉冲噪声加以限制，取自放大器164的输出信号先经过真根均方（RMS）AGC检测器166的检测，再经过比较器168联同着相关的积分电容器169的处理，以生成代表着单元166的被检测的输出值的直流电压，然后由单元170进行放大。虽然使用精度在5-10%的标准RMS检测器不如使用精度约在0.1%左右的真RMS检测器理想，但是应用于本发明的系统中仍可被接受。比较器168能产生出表示被检测的单元166输出信号电平与基准电压Vref之间的值差的输出信号，且电容器169能对加于放大器170上的比较器输出信号进行积分。检测器166可采用市售的RMS检测单元，例如由美国麻州Norwood的Analog    Device    Corp.所生产的AD637型器件。

放大器170的AGC输出信号经由各AGC路径而加至输入信号处理器112的RF及IF    AGC输入端上。RF    AGC路径包括有一放大器172、临界网络174、176以及缓冲器178（如图所示），以便将RF    AGC信号传送至单元112的RF    AGC输入端。放大器172的增益可以调整，以设定RF/IF    AGC之交叉点（有时称为谐调器AGC的延迟）。网络174、176可分别确定RF    AGC范围的上、下限值。IF    AGC路径内类似地包含有一临界网路180，以确定IF    AGC的工作范围，还包含一缓冲器182，以将IF    AGC信号传送至处理器112的IF    AGC输入端。

由网络160所生成的RF及IF    AGC的信号可抑制输至转换器116之模拟输入信号，使之不致于大到使转换器116过载从而出现信号失真及信息损失。此外，AGC信号亦可抑制输至转换器116上的模拟输入信号使其不致小到足以影响转换器116性能。就此而言，施加至比较器168上的基准电压Vref有助于决定所要求的AGC电平。

RMS    AGC检测器166在噪音抑制、AGC环路带宽、环路稳定性、及包括例如飞机的干扰作用在内的随时间而变化的干扰抑制上，都具有重大的有利作用。RMS检测器166能显著地衰减RF及IF    AGC路径上所呈现的噪声，如此使得较宽之AGC环路带宽的采用成为可能，并与此相联系地可迅速恢复超载状况以及排除飞机造成的跳动干扰效应。所得到的其他效果还包括：降低控制环路之相移及提高环路之移定性。

RMS幅度检测器166基本上不对与表示数字电视信息的调制信息相关的“图型噪音”（Pattern    noise）敏感。这种图型噪音是由于数字信息的某些随机数据图型所引起的，这在幅度检测过程可以发觉。由于RMS检测器166可以不受噪音干扰，因而使得可使用较宽的AGC控制环路带宽，这进而使得AGC网络得以紧密地跟踪和排除快速变化的干扰，例如飞机引起的跳动干扰。就此而言，上述的AD637型RMS检测器在大信号驱动下将呈现较宽的带宽。放大器164的增益则必须随之而调整。

脉冲噪音比其他形式的噪音更强而且无法预测，因而在AGC设计时必须加以考虑。由于在数字系统中采用误差校正网络可以防止脉冲噪音显现在显示图象之中，所以与模拟系统相比较时，脉冲噪音在数字系统中的问题比较小，但是在数字化处理之前，脉冲噪音可能使模拟放大器发生过载，从而导致对系统操作的干扰。

就本实施例的AGC系统而言，其中所配置之二极管限幅网络162由于可在基带放大器164之前先限制脉冲噪音，以防放大器164由于脉冲噪音而过载，以及防止RMS检测器166受到脉冲噪音的影响，因而可进一步抑制噪音。残余的脉冲噪音可借助二极管限幅网络165加以衰减，因而得以进一步减小脉冲噪音对检测器166的作用。

AGC网络160可将转换器116的输入信号保持在一定电平，以确保转换器116的正常操作（如前文所述）。AGC网络受到一定的偏置，从而自从很小的输入信号开始，处理器112内之RF级一直能在尽可能长的时间内保持高增益状态，以取得最佳的信噪比。当输入信号的幅度开始增长后，AGC网络首先将开始降低处理器112内的IF级增益，直至到达预定的较大信号幅度电平时，IF增益维持于预定值为止，同时RF增益将作为信号电平的函数而降低。

图3为图1所示的输入信号处理器112及频率合成器135之详细示图。来自天线110的输入信号施加到谐调级210上，此级内也包含有混频器，以依据已知的信号处理技术而生成中频（IF）输出信号。在谐调器210内的RF放大器的增益根据来自如图1所示的AGC网络160的RF    AGC信号而加以控制，谐调器210的IF输出信号施加于一个IF处理器212上，该处理器包含有一个中心频率为43.5MHz且带宽约为6MHz的SAW滤波器214、以及一个其增益可响应来自AGC网络160的IF    AGC信号而加以控制的AGC放大器216。

在中频IF转低频转换器220上施加有来自处理器212的输出信号，转换器220内包含有信号乘法器（混频器）222、224、226、输出低通滤波器230、234、236、以及一晶体控制的49.92MHz本地振荡器228。其配置分别如图所示。乘法器224可响应来自处理器212的输出信号以及取自振荡器228的基准信号而工作。乘法器222、226还响应处理器212的输出信号以及基准信号REF    1、REF    2。这些基准信号可由如图1所示的单元135内的宽带合成器部件135A及窄带合成器部件135B响应10MHz的系统时钟信号而生成。滤波器234的输出信号施加至如图1所示的单元131上。来自滤波器230、236的中频转低频宽带及窄带输出信号分别输至滤波器230、236的输出端。

Claims (6)

1、一种用于电视信号接收系统中的装置，其特征在于包括：

输入信号处理装置(110，112)，具有用于接收代表数字电视信息的模拟信号的输入端，以及输出端；

数字信号处理装置(116)，用于响应所述输入信号处理装置的输出信号而工作；

视频信号处理装置(119，140，144)，用于响应所述数字信号处理装置的输出信号。而提供图象代表信号；

自动增益控制装置(160)，其中包含有根均方(RMS)幅度检测器(160)用于根据接收的信号幅度而产生控制讯号，从而对输至所述数字信号处理装置的信号幅度进行自动控制。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于，其中所述代表信号表示具有高清晰度的数字电视信息，并且具有可与现有的标准清晰度电视信号频道兼容的带宽，以及包括有一个含有高优先级信息的窄带分量和一个含有低优先级信息的宽带分量;

所述控制信号由所述窄带分量中导出。

3、根据权利要求2的装置，其特征在于，所述窄带分量为幅度正交调制（QAM）信号。

4、根据权利要求1的装置，其特征在于包括：

模/数转换器装置，用于将所述模拟信号转换成数字信号，以供所述数字信号处理装置处理;和

所述自动增益控制装置用以控制施加于所述模/数转换器装置上的模拟信号的幅度。

5、根据权利要求1的装置，其特征在于，包括设置在所述RMS幅度检测装置的前面的脉冲噪音限制装置。

6、根据权利要求1的装置，其特征在于，所述控制信号被加到所述输入信号处理装置的RF及IF级的增益控制输入端上。

Images