CN1124557A - 多载波数字电视信号解码器 - Google Patents

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Abstract

在视频信号处理系统中，一单个自适应通带均衡器(20)用于处理复合正交幅度调制(QAM)信号，该信号编码为高优先级部分(HP)和标准优先级部分(SP)。均衡器输出经消旋器(24)校正相位，且滤波(32，34)分离出HP和SP部分。分别代表HP和SP相位误差的误差信号由(30，38)产生。误差信号之一(E1)控制消旋器的工作。两种误差信号用于产生(22)用于自适应均衡器的更新参数。然后，HP和SP部分被解码(40，42)和合成(48)。

Description

多载波数字电视信号解码器
本发明涉及一种数字电视解码装置，一个应用的例子是高清晰度电视(HDTV)系统。该装置响应多载波调制信号，比如脉冲幅度调制(PAM)信号。正交幅度调制(QAM)是PAM的一种形式，在此用于描述本发明的一个实施例。美国专利5,287,180-H.E.White和美国专利5,122,875-Raychaudhuri等描述了一种优先双载波QAM解码系统。
在一个QAM符号传输系统中，传输的数据符号由正交分量“I”和“Q”共同表示。“I”路和“Q”路在给定频率F下分别调制相位成正交的两载波。一个符号可能包含几个比特，比特数/符号决定了QAM系统的类型，即16-QAM，32-QAM等。每个符号使用查询表(例如一个ROM)在一个四象限的栅状星座图中映射到(分配)一个预先规定的座标。预定数目的符号在每个象限中占据分配的区域。在一个32-QAM系统中，星座图的每一个象限中包括8个符号，其关于正交的I轴和Q轴的座标已规定好。特定符号比特位代表该符号在星座图中所处的象限，有的特定比特位代表该符号在该象限中的具体座标。这种一般的QAM系统是众所周知的。
在White和Rayhaudhuri等公开的系统中，代表高清晰度图象信息的电视信号以复用到标准的6MHz电视传输基带的两路QAM载波传输。一路载波传输高优先级信息，另一路载波传输(相对低些)标准优先级信息。高优先级(HP)信息用于产生可视图象，虽然还并不完美，同时高优先级信息的传送功率远大于传输其余标准优先级(SP)信息的功率。与标准优先级信息相比较，高优先级信息所用带宽窄，因而较不易受传输信道干扰。HP载波在电视传输信道的那一部分，例如一个NTSC信道，该信道一般为标准NTSC电视信号残留边带所占据。这部分信号被标准接收机的奈奎斯特滤波器进行相当大的衰减，所以在这种传输格式的HDTV信号不会引起同信道干扰。
一种将这种双QAM信号解码的方法，如White所公开的，使用两个并行的信号处理通道分别处理高优先级信号部分和标准优先级信号部分。每一个通道含有一个自适应均衡器。另外，每个通道各有一个消旋器/解调器响应用于载波恢复(纠错)的误差信号。White方法中并行信号中每一路都要用合成(I.Q)自适应均衡器，这需要复杂和昂贵的硬件部分。
美国专利5,263,108-Lauren A.Christopher“多路QAM信号的时分复用处理装置”中描述了一种减少这种并行硬件量，从而生产更为便宜的系统的系统。为此Christopher系统运用时分复用处理收到的复合信号的高优先级部分和标准优先级部分。虽然与White系统相比，Christopher系统有利地减少了硬件需求，但该系统引入时分复用额外地增加了复杂性。这里描述的信号处理系统是优先QAM解码器的进一步优化，既避免了White系统的硬件需求，又避免了Christopher系统的时分复用处理的复杂性，而且不牺牲解码出的QAM信号的质量。
根据本发明的原则，已提供下列部分，包括用于处理电视信号的数字信号处理装置，用于接收多载波复合PAM信号的输入部分。信号调节装置包括自适应均衡器装置，响应复合信号，用于在输出端提供经过调节的复合信号。均衡器装置包括对多于一个的载波有宽带响应的单均衡装置，由一组参数定义，用于均衡多于一个的载波，均衡时不从均衡前所述复合信号的频谱中分离出载波。另外也有装置用于产生代表前述PAM信号状态的误差信号，和将误差信号耦合到信号调节部分的装置。
                附图简述
图1是根据本发明原则的数字HDTV QAM接收机/解码器方框图；
图2描述了图1系统接收的双QAM高清晰度电视信号的基带视频频谱。
                详细描述
讨论图1所示系统之前，考虑一下图2是有帮助的，图2描述了优先双32-QAM基带视频信号的频谱，它由以下对所公开系统的详细描述产生。
图2显示了高清晰度电视信号的视频频谱，其频谱与6MHz带宽的标准NTSC电视信号的信道兼容，并且它可用作同时联播的信号。为了方便与标准NTSC视频频谱比较，在图2(-1.25MHz到4.5MHz)频率轴上的频率以NTSC系统中射频图象载波的0.0MHz位置为基准。
HDTV信号是一种数据压缩信号，被分为例如高优先级和标准优先级部分。本例中，音频、同步和视频低频信息部分等打算以高可靠度接收的部分被分配为高优先级。例如，同步信号可能具备包含唯一的符号或代码，以利于接收机恢复和处理的训练信号的特性，还可能说明性地包括场速率扫描信息(例如场开始标志)。其余相对不那么重要的部分，如高频图象信息被分配以较低的标准优先级。与标准优先级信息相比，高优先级信息占用较窄的带宽，正交幅度调制(QAM)一个首次压缩的载波，其频率相对于以下讨论的载波参考信号REF为0.96MHz。标准优先级信息正交调制一个相对于信号REF频率为3.85MHz的二次压缩载波。得到的复合信号是一种多QAM信号的形式，即此例的“双”QAM信号。复合双QAM信号由带外参考信号REF转换成6MHz的标准电视频带。选择REF信号的频率，使得当REF信号被复合QAM信号调制时，得到的和频或差频分量之一落在需要的射频电视信道的频段内。如同时联播VHF信道3。REF信号被复合双QAM信号调制，以产生双边带调制信号，其中下边带被抛弃而保留上边带，如图2所示。
窄带HP QAM部分的幅度显著大于宽带SP部分，如两倍。HP部分的-6db带宽为0.96MHz，而SP部分的-6db带宽为3.84MHz，是HP部分带宽的四倍。窄带HP和宽带SP部分的波段边缘转换区域的形状，由具有升余法方根特征的有限脉冲响应滤波器(FIR)决定，以产生平滑的转换区域，从而避免陡峭的转换区域引起不需要的高频效应。
HP和SP QAM信号都包括相互正交的“I”和“Q”分量。一个数据字或符号，由I路和Q路分量共同表示。在32-QAM信号的情况下，每个I路和Q路分量代表8个离散的幅度等级，从而每个HP或SP QAM信号共有32个可能的幅度等级(8等级×4象限)。表示每个I路和Q路分量的8个等级需要3个比特，表示QAM星座图的4个象限需要2个比特。所以为了表示四象限32-QAM星座图中的32个座标，每个符号需要5比特。
将讨论的32-QAM信号的符号速率分别为HP数据0.96MHz，SP数据3.84MHz。符号速率与使用的QAM处理的类型(如16-QAM或32-QAM)无关。使用4次附加抽样，HP的抽样速率为3.84MHz，SP的抽样速率为15.36MHz。在32-QAM情况下，每个符号5比特，HP和SP的比特速率分别为4.8Mbps和19.2Mbps。
与标准NTSC电视信号比较，即传输的NTSC信号与双QAM信号分别位于不同地点却使用相同波道时，前面描述的优先双QAM系统能显著地免于同波道干扰。这归因于QAM频谱中在NTSC RF(射频)图象载波和NTSC声音载波附近的衰减凹陷，而它们携带高能量信息。相反，在标准NTSC电视接收机中，双QAM信号对NTSC信号的同波道干扰由于大振幅窄带QAM信号被奈奎斯特斜衰减滤波器大量衰减而显著减少。图2中，在标准NTSC接收机中的奈奎斯特斜衰减滤波器响应以虚线表示，叠加在QAM频谱中-0.75MHz到0.75MHz的低波段部分。窄带QAM部分幅度比宽带部分大6dB，同时其带宽只有宽带部分的四分之一，使得窄带QAM部分的能量密度远大于宽带QAM部分，从而以上阐明的高优先级窄带QAM信号相应于标准优先级宽带QAM信号，表现出信噪比的显著增加和较低误码率。
大峰值幅度的窄带部分所包含的视频信息，足够产生接近于标准分辨率电视图象的分辨率的显示图象，所以，当高分辨率(信息)传输暂受到干扰时，收视者将不会感到过于妨碍。如果低能量的含高分辨率信息的宽带部分暂被破坏，高能量的窄带部分可能不会受影响，从而可暂时地显示低分辨率的但可接受的图象。
本发明的描述限定于一个高级分辨率电视(ADTV)接收机系统中，该类型系统用于处理高级电视研究共同体(ATRC)建议的HDTV信号。图2所示频谱表示的电视信号即为建议的HDTV信号。但是，本发明的应用不局限于上述系统。
图1中是一个ADTV接收机的一部分，包括了基于本发明的装置。具有图2所示频谱特征的广播电视信号加于输入单元10。该输入单元包括调谐器和中频(IF)网络。IF网络中的本地振荡器将SP波道的中心向下转移到SP波道的符号速率(3.84MHz)，从而HP波道的中心被向下转移到HP波道的符号速率(0.96MHz)。本例中IF的频率为43.5MHz，使基带SP波道中心处于3.84MHz。模数转换器12把向下变频的信号从模拟转变为数字形式，转换电路12时钟为15.36MHz，它是SP数据符号速率的4倍。
参考时钟发生器16包括频带边缘时钟恢复电路，用于从QAM信号的HP频谱或SP频谱中得到符号速率的时钟，QAM信号是从A/D转换器12输出到单元16的，单元14可包括一个压控晶体振荡器，它包括在锁相环中，以响应参考时钟产生器16的输出符号速率信号，为A/D转换器12产生15.36MHz的采样时钟。单元16的符号速率输出信号同步于单元14中的振荡器。时钟恢复单元14也产生其它一些时钟信号CLK1，…CLKN，如所需用于系统中别的一些单元。关于从QAM信号中恢复符号速率时钟的时钟恢复网络的进一步细节，参考Lee和Messerschmitt的《Digital Communications》一书(Klewer Academic Press，Boston，MA，USA，1988)。
复合数字QAM信号，包括各有I，Q正交分量的HP和SP部分，施于90°相移网络18，网络分解出I路和Q路分量，HP和SP的“I”分量从单元18的I输出得到，而HP和SP的“Q”分量在单元18的Q输出得到。单元18可使用众知的90°希尔伯特相移器，提供分离开的互相正交的I和Q分量，或使用一对乘法器(混合器)响应单元12的输出信号和相应的正弦和余弦参考信号。
HP，SP的I信号和HP，SP的Q信号从单元18出来后施于包含合成数字自适应(FIR)均衡器20的信号调节网络，均衡器20用于补偿传输信道的扰动，还包含QAM星座图消旋器24。均衡器20是单一宽带均衡器，其响应由一组参数定义，还有一组乘法器，并且响应由即将讨论的单元22提供的动态更新滤汉器参数。自适应均衡器在前面提到的Lee和Messerschmitt的书中有详细讨论。消旋器24补偿由接收的QAM星座图的轻微旋转带来的动态相位误差。该误差可由许多因素产生，例如，包括本地振荡器的频率偏移。星座图相位误差/旋转可由被称为载波恢复网络显著减少，甚至消除。本实施例中，载波恢复网络包括响应从单元20来的均衡器I，Q信号的消旋器24，包括相位控制单元26，限幅器28，和误差检测器30，检测器30产生误差信号E1用于相位控制单元26。单元24，28，30和26包含用于消除动态变化的QAM星座图偏移的数字锁相环中的基本元件。滤波器32和基带解调器25包含在锁相环中。
进一步细节为，复合QAM信号分别通过实时参数数字低通滤波器32和实时参数数字带通滤波器34分离为高优先级(HP)部分和标准优先级(SP)部分。也可以使用更为昂贵的合成参数滤波器。下面对部分经过滤波器32的HP部分，经单元25，28，30和40处理的描述同样适用于经滤波器34的SP部分，通过单元27，36，38和42的处理过程。
从滤波器32来的高优先级的I和Q分量通过解调器25解调为基带信号，解调器25采用几种熟知的形式之一。例如，解调器25可由时间解复用器和反相器组成，以完成解调混合处理，要进一步了解数字QAM调制解调，参看《VLSI Architechture for aHigh-Speed All-Digital Quaduatace Modulator andDemodulator for Digital Radio Applications》H.Samueli，IEEEJournal on Selacted Areas in Communications Vol.8，No.8，OCT.1990。
限制器28有映象机制，并被编程以在星座图中选择与接收的信号抽样距离最近的符号。合成的I，Q平面(星座图)被划分为判决区，每个制决区是离某符号最近的一组点集。如果，在检查了一个符号的判决区后，一个接收符号处于或偏离预期的坐标，限制器28就以预期的坐标产生输出符号。限制器输出符号与输入符号的差别就是距离偏移的大小。这种补偿的大小由误差检测器30检测，它产生为偏移量的函数的输出误差信号E1。输出误差信号E1可由与误差检测器30相联系的合成乘法器产生。
由检测器30产生的误差信号提供给相位控制单元26，产生正交的正弦和余弦纠正参数。这些纠正参数，和从均衡器20来的I、Q分量被送到与消旋器24相联系的乘法器中，完成消旋功能。下面说明任何一组正交信号通过复合乘法运算可被旋转到希望的角度。即正交的I和Q信号旋转后变为纠正的正交信号I′和Q′，根据下式
I′＝Icos(f)＋Qsin(f)
Q′＝Qcos(f)－Isin(f)其中(f)是误差纠正角，在本例中作为误差信号E1的一个函数而产生，关于包括这种类型的消旋器的载波恢复网络的更详细的讨论，参考前述的Lee和Messerschmitt的书。
只需要一个误差信号，如本例中的E1，可将QAM星座图恢复(消旋)到正确的方位，因为从HP或SP部分得到的误差信号基本上代表同样的载波频率或相位误差，且产生的控制效果相同。
误差信号E1也馈送给与均衡器20相联系的参数控制网络22的控制输入端。网络22的另一个控制输入端接收由标准优先分量处理器中的限制器36和误差检测器38产生的误差信号E2。标准优先级误差信号E2的产生方式与前述高优先级误差信号E1的产生方式相同。数字信号处理单元22响应预定的算法产生出作为误差信号E1和E2的函数的均衡滤波器的更新参数。网络22使用的算法可以根据特定系统的要求变化。例如，更新的参数可是误差信号E1和E2的简单组合，也可以是使误差信号E1和E2基本上同时达到最小。网络22产生的更新参数送到与数字自适应FIR均衡器20联系的参数随机存取存储器(RAM)。
诸如单元20的自适应均衡器是一种复杂的，且即使象在本实施例中，不符合在高交换速率时的时间复用(如本实施例)操作，也是硬器件高度集中的装置。均衡器20比其他信号处理单元如24，25，26，28，30，32和40等复杂得多。均衡器20可以采用传统设计，用自适应数字FIR滤波网络补偿由传输信道引起的幅度和频率/相位扰动。本例中，均衡器20是面向判定的通带均衡器，它响应由网络22提供的动态更新参数，而网络22响应误差信号E1和E2的反馈。均衡器参数在初始化后由信号E1和E2动态更新，初始化过程中，均衡器20使用盲目均衡或训练信号技术被初始化。均衡器20最好是部分分隔开的装置，其适配速率为符号速率的几分之一。
从单元28得到的处理后的高优先级分量HP-I和HP-Q部分，和从单元36得到的处理后的低优先级分量的SP-I和SP-Q部分，分别由单元40和42解码产生出原始的比特流。单元40和42包括差分解码器以完成差分符号编码和映射操作的反操作，差分符号编码和映射操作HP和SP数据的发送器编码器完成。查询表用于把4象限信号的星座图反映象为原始的串行5比特符号段，即存在于发送器中在差分编码前和已说明的QAM调制之前。
从解码器40恢复出的HP符号数据和从单元42恢复出的SP符号数据提供给音频/视频处理和还原单元48的不同输入端。单元48可以包括数据解压缩网络，如霍夫曼解码器和反量化器，还包括误差纠错网络和用于提供分离音频和视频电视信号的解复用网络。这些音频和视频成分可由适当的声音再生和图象显示装置还原。另外，这些成分可由磁或光学存储媒质存储。

Claims (12)

1.电视信号处理系统中的数字信号处理装置，其中：
接收多载波复合PAM信号的输入装置(10)；
信号调节装置(25，27，28，36，40，42)，包括自适应均衡器(20)，响应上述复合信号，在输出端提供经调节的复合信号。上述均衡器包含一个均衡装置，对多于一个的上述载波有宽带响应，并由一组参数定义，以均衡上述超过一个的载波，且不从均衡前的上述复合信号频谱中分离上述超过一个的载波；
装置(30，38)，用于产生误差信号代表上述PAM信号的变形状态；和
装置(22)，把上述误差信号耦合到上述信号调节装置。
2.根据权利要求1的装置，其中
上述多载波复合信号包括由第一信息成分调制的第一载波和由第二信息成分调制的第二载波；
上述获取装置包括从上述调节后复合信号中分离出上述第一信息成分和上述第二信息成分的装置，以及响应从上述感测装置中分离出的成分以产生上述误差信号的检测装置；其中上述装置进一步包括：
合成上述分离出的第一和第二成分的装置。
3.根据权利要求1的装置，其中
上述均衡器装置不使用时间复用操作。
4.根据权利要求2的装置，其中
上述复合信号是数字高分辨率电视信号，且上述第一和第二成分频率复用于基带频谱。
5.根据权利要求4的装置，其中
上述第一和第二成分有不同载波频率，不同带宽，占用电视信号视频频谱的不同部分。
6.根据权利要求2的装置，其中所述信号调节装置进一步包括：
消旋器装置，响应经上述均衡器均衡后的复合信号，响应上述检测器产生的误差信号，用以维持上述星座图的理想方向。
7.根据权利要求6的装置，其中
上述检测器装置从上述分离的第一和第二成分中分别获得第一和第二误差信号。
上述均衡器响应上述第一和第二误差信号；以及
上述消旋器响应上述误差信号之一。
8.根据权利要求2的装置，进一步包括
在由上述合成装置合成之前，差分解码上述第一成分和上述第二成分的装置。
9.根据权利要求4的装置，其中
上述基带频谱由占据上述频谱最低部分的第一频率波段和占据上述频谱其余部分的第二频率波段组成，上述第一波段比上述第二波段窄，比上述第二波段能量高，且包含的信息优先级比上述第二波段高。
10.根据权利要求9的装置，其中
上述第一波段包含低频视频信息和音频信息；
上述第二波段包含高频视频信息，占据的频率包括标准彩色信息频率和标准彩色信号副载波频率。
11.根据权利要求1的装置，其中
上述自适应均衡器是部分隔开的通带均衡器。
12.处理电视信号的系统中的数字信号处理装置，其中：
输入装置(10)接收复合多载波PAM信号，上述多载波复合信号包括由第一成分调制的第一载波和由第二成分调制的第二载波。
信号调节装置(18-26)，包括无时间复用操作的自适应均衡器(20)，响应上述复合信号，在输出端提供均衡后的复合信号，上述均衡器装置包括单个均衡装置，其响应覆盖上述第一和第二调制载波，用以均衡第一和第二调制载波，且在均衡前不从上述复合信号频谱中分离第一和第二调副载波。
装置(32，34)用于从上述调节装置得到的调节后复合信号中分离出上述第一成分和上述第二成分。
第一装置(28，40)响应与上述第一成分联系的分离的数据，产生相应输出数据。
第一检测器(30)，产生第一误差信号，代表上述第一装置相应的输入与输出数据间的偏移；
第二装置(36，42)响应与上述第二成分联系的分离数据，产生相应输出数据。
第二检测器(38)，产生第二误差信号，代表上述第二装置的相应输入与输出数据间的偏移。
上述自适应均衡器(20)响应上述第一和第二误差信号。
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