CN1170292A - 检测数字信号载波存在的系统及包括这种系统的接收器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在给定定时频率的数字信号中是否存在载波的检测系统。该系统包括在各个符号时间(Ts)均提供至少两个数字信号基频带样本的装置。根据该发明,本系统包括:一个定时估算器(30),它根据基频带样本提供一个与待恢复定时频率和本机时钟频率间的相位偏差相对应的偏差信号(ε);检测装置(42,43),当表示偏差信号(ε)变量的数值(SU)达到阈值(S)时,检测装置产生表示载波被检测的检测信号(A)。

Description

检测数字信号载波存在的系统 及包括这种系统的接收器

本发明涉及的是数字无线电通讯，特别是卫星数字无线电通讯，具体地说，本发明涉及的是检测接收器接收的信号中是否存在载波的装置，该载波由数字信号以时钟脉冲频率调制，时钟脉冲速率还称之为符号时钟。

本发明适用于各种数字调制，例如适用于调相(MDP-M，M状态下的调相)，通常更适用于调幅和调相(MDAP-M，M状态下仍调相和调幅)，而且还适于用在AMRT(时分电路)、AMRF(频分多路)或SCPC(每个信道的单一载波)无线电通讯系统中的调相和调幅。

本发明适用于在对接收到的信号解调之前检测载波(例如MDP-2或MDP-4型)，该解调在于同步及判决处理，以便在卫星传送的情况下能够恢复数字信号，在这样的情况下，存在如下三种主要问题：

-载波带可以小于卫星通信频率的不确定性。这类不确定性可能出于如下各种原因：频率转换装置的本机振荡器稳定性较差，多普勒效应的存在，卫星偏移等。因此，应能使接收到的载波和解调用的本机振荡器之间允许有一个大的频率差；

-可以有或没有载波(SCPC模式传输)；

-即使在没有对信息进行编码的情况下Eb/No的比值接近2dB，也必须快速可靠地检测载波(特别是在以AMRT模式传送的情况下)。

准确地说，应该能够将本发明的检测系统集成到完全数字化的接收器中，使即便是不利的噪声环境(Eb/No＝2dB)检测也在解调之前进行。此外，应该能够迅速进行检测，最长时间约为一个符号时间。

已知的检测载波的检测系统是以建立取样信号的相位频率曲线为基础，该频率曲线的非均匀性检测表示存在载波。

图1表示的是所接收到的MDP-4型信号与观察到的相位θ_i的星座图。用相位的正交线表示载波的两根轴线记作P和Q。对于每个接收到的新符号来讲(假设时钟速率已经达到)，计算出差值Δθ＝(θ_i-θ_i-₁)模±π/4。根据观察到的相位差Δθ_i，作出如图2所示的相位差频率曲线。此处的频率曲线包括4组(MDP-4)，通过增加对应于Δθ的组和减少相同大小的量的Δθ_K-N的组求得该频率曲线，其中N是表示为符号数目的分析窗。如果存在有实际接收的信号，而且没有噪声的情况下，累加的相位偏差Δθ_i导致一个比设定阈值大的偏差D(D＝∑Δθ_最大-∑Δθ_最小)。

该方法的缺陷在于，当有噪声或有大的频率漂移时，就出现均匀的相位偏差，即使有载波也达不到阈值。如果减小阈值，错误的报警率就变得太大。因此，这种方法并适用于具有大频率漂移的信号，或不适用于大噪声信号，大频率漂移指的是载波频率和解调频率之间的频率漂移。

此外，该方法的前提是时钟已经获得，所以这就得化费时间。

本发明的目的就在于克服这些缺点。

确切地说，本发明的目的之一是提供一种检测数字信号中是否存在载波的检测系统，该信号以给定定时频率出现，该系统快速，可靠，运行时的Eb/No比值小(约2dB)，而且对载波的频率漂移反应不灵敏。

本发明另一个目的所提供的系统中，检测的可靠性与Eb/No比值关系不大。

本发明还有一个附加的目的在于，通过把该检测系统与一个定时估算器(timing estimator)(例如Oerder和Mey型)组合起来，简化该系统的实施。

后面将会更清楚地显示出这些目的和其他目的，用一个检测在以一个给定时钟频率出现的数字信号中是否有载波的检测系统来完成上述目的，该系统包括在各个符号时间均提供至少两个数字信号基频率样本的装置，该系统有：

-一个定时估算器，它根据基频带样本提供一个与待恢复时钟频率和本机定时频率间的相位偏差相对应的偏差信号；

-检测装置，当表示偏差信号的变量的值达到阈值时，检测装置产生一个指示载波存在的载波检测信号。

观察表示偏差信号变量的数值可以消除当时的偏差信号的变化的影响。

最好检测装置有一个计算偏差信号变量的变量计算器。

本发明的系统最好有用以消除定时速度估算器和检测装置之间的π/2相位模糊性的装置。

定时速度估算器最好是Oerder和Meyt型估算器。

本发明还提供这种检测系统的数字信号接收器。

下面通过结合附图对作为说明的非限定的较佳实施方案的描述将更清楚地了解本发明的其它特征和优点，其中：

图1表示MDP-4式信号和所观察到的相位θ_i的星座图；

图2表示根据图1星座图作出的相位偏差的曲线图；

图3是可以用在本发明的检测是否存在载波的检测系统中的Oerber和Meyr型估算器的框图；

图4是本发明载波检测系统的较佳实施方案的简图；

图5表示估算值 的离散特性。

图1和图2已在上面结合现有技术作过描述。

图3是可以用在本发明的检测是否存在载波的检测系统中的Oerder和Meyr型定时估算器的简图。

在该图，标号30为Oerder和Meyr型定时估算器，它用以保证转换成基频带的信号时指向所接收的信号的眼中间。这种估算器已在由Martin Oerder和Heinrich Meyr编写的题为“Digital Filter andSquare Timing Recovery”(通讯学报第36卷第5期，1988年5月605-612)一文中作过描述。

定时估算器包括为取数字信号复包络模数平方的放大装置32，该数字信号在每个符号时间中有4个复样本的速率(4eps)出现。这些样本取自上游(upstream)的模拟一数字转换器(未示出)。如果取样以后样本数不够的话，也可以从保证增加样本数的内插滤波器中取出这些样本。

把平方以后的样本加到第一种累加装置33，35上，这些装置把平方的复包络的偶数样本之间的差值累加起来。装置33计算r_k-4-r_k-2，其中r_k构成一个样本，装置35利用函数1/(1-aZ^-1)累加这些差值，其中a是时间常数。利用无限脉冲响应滤波器(IFIR)进行累加，该滤波器对所计算的差值进行数字积分。

同样，第二种累加装置34，36累加平方的复合络的各奇数样本之间的差值。装置34计算r_k-3-r_k-1，装置36也是利用函数1/(1-aZ^-1)累加这些差值。

根据时间基点确定哪些是偶数样本，哪些是奇数样本，时间基点是任意的。

例如进行64和128个符号时间(Ts)的累加35和36，该累加分别为计算模块37提供Y和X数值，该计算模块37输出一个等于arctg(Y/X)的相位估计信号θ。相位估计信号θ是一个偏差信号，它对应于要恢复的时钟频率和本机时钟频率之间的相位偏差。

例如可用下面两种方法求得函数arctg：

一第一种方法在于在小的角度范围内对反正切函数作有界展开，并利用该函数的对称特性；

一第二种方法在于利用称之为CORDIC(协调旋转数字计算机算法)算法，这种算法可以根据直角座标，由选代法确定旋转角度，而不用求助于乘积法。

与直接在存储器中安装函数arctg相比较，这两种方法只要用少量的存储器空间和少量迭代就可以求得16比特量级的精度。

在模块38中使相位估算信号

被除以2π，以便提供对准在Ts/8附近的眼的相位差估算值

。估算值 同样构成与待恢复时钟频率和本机时钟频率间的相位偏差相时应的偏差信号，把该估算值

提供给内插器39，在每个Ts，该内插器利用延时单元40接收输入的四个复样本。内插器39在每个符号时间(1sps)提供一个复样本；该复样本表示在各符号时间之间无相互干扰的信息，根据该信息作最后判决。

图4是本发明的检测是否存在载波的检测系统的较佳实施方案的框图。与图3相同的部件采用相同的标号。

根据本发明，当表示偏差信号变量的值达到阈值时，所提供的检测装置产生一个载波检测信号。根据图4，这些检测装置由计算偏差信号

的变量的计算器42和将该变量与阈值S进行比较的比较器43构成。

更确切地说，在较佳实施方案中，在N个符号上来计算估算值 即当估算器为Oerder和Meyr型估算器时，在4×N个样本进行计算，计算器42的输出所提供的总的和信号SU等于： $\mathrm{SU}={\mathrm{\Σ}}_n{(\widehat{\mathrm{\ϵ}}-\stackrel{\stackrel{-}{^}}{\mathrm{\ϵ}})}^2$ 其中

是在连续n×N个符号计算出的估算值

的平均值。

当总的和信号SU小于阈值S时，比较器43输出一个表示在考虑的时钟频率没有载波的信号A。反之，当总的和信号SU大于阈值S时，比较器43输出一个表示在所考虑的时钟频率有载波的信号P。

例如N和n的值分别等于256和16。最好平滑地对各估算值

求和，以便加快检测。

就地用实验确定阈值S，以便考虑实际传送条件(选择性衰减，干扰…)，该阈值S是载波的波幅和时钟信号大小的函数，时钟信号在发射器对传送信号进行采样。阈值S与此值Eb/No无关。

当然，在偏差信号

上工作的变量计算器42可以由任何其他计算器代替，该计算器能提供表示这些偏差信号变量的数值。例如，它可以提供标准偏差

，或提供的均方偏差指数不是2，即a^α中的α等于3，4或更大。也可以有其他函数，关键是要表示出偏差信号相对于参考值的离散。

最好把π/2相位模糊性误差消除装置41设置在定时估算器30和检测装置42，43之间。该装置41包括一个延迟电路44和一个减法器45，延迟电路44的延迟时间等于两个顺序估算值

相隔开的时间。装置41向计算器42提供差值

当时钟频率的变化缓慢的，延迟电路40就是可选的。

定时估算器30也可以是Mueller和Muller型(在每个符号时间需要2个样本而不是4个样本的情况下)，也可以是Gardner型。定时估计器的参考值可以是任意的，有时可在每个估算值

完成后可选地更新该参考值。

在速度估算器30的上游有用以在每个符号时间Ts提供至少两个接收到的数字信号的基频带的样本的装置，该装置或由单一的取样器构成，或可在一个取样器后加一个内插滤波器构成该装置，这如前面所述的那样。

图5表示估算值 的离散特性。

通常，当检测结果表明存在载波频率的情况下，估算值ε从离散为Gaussien形离散(特性曲线50)。此时，偏差信号变量达到阈值S就可以认为特性曲线50的被标部分整数I达到了阈值。如果没有接收到任何载波频率，估算值

的离散就是均匀的(特性曲线51)，其变量接近0。

最好把本发明系统与上述Cerder和Meyr型速度估算器联合使用。同时进行时钟恢复和是否存在载波的检测。

本发明的特别好处在于对载波频率的漂移不敏感。

相对于根据建立取样信号的相位频率曲线的检测系统来讲，因为本发明的检测处理与定时估算处理同时进行而不是先后进行(先检测定时，后检测是否存在载波)，所以本发明的检测系统更快。此外，所建议的载波检测只需要累加非常少的样本数。

本发明特别适用于DTMA传输，以便检测是否存在数据分组。由于分析的时间间隔较长，所以检测的可靠性增大。本发明也适用于连续传送或SCPC模式传送，此时，可通过第二次检测来证明载波的检测，以便增加可靠性(尤其是Eb/No如果接近0dB时)。

本发明主要适合于制造专用集成电路ASIC装置或处理信号的处理器式的装置，例如，可以制造一个检测是否存在载波的检测器和利用DSP(数字信号处理器)内部的软件恢复定时的装置。作为说明，可以用德克萨斯的仪器的TMS 320C50曲路(已保护商标)，并可处理信息量高达200K比特/秒的信号。

本发明还涉及包括这种检测系统的数字信号接收器。

Claims (5)

1.一种检测在给定时钟频率的数字信号中载波的存在的检测系统，所述系统包括在各个符号时间(Ts)均提供至少两个所述数字信号的基频带样本的装置，其特征在于该系统有：

一个定时估算器(30)，它根据所述基频带样本提供一个与待恢复的时钟频率和本机时钟频率间的相位偏差相对应的偏差信号

检测装置(42，43)，当表示所述偏差信号的变量的值(SU)达到阈值(S)时，检测装置(42，43)产生指示所述载波被检测的检测信号(A)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的检测装置包括一个计算所述偏差信号 变量的计算器(42)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于它有用以消除所述定时估算器(30)和所述检测装置(42，43)之间的π/2相位模糊性的装置(41)。

4.根据权利要求1至3之一的所述的系统，其特征在于所述定时估算器(30)为Oerder和Meyr型估算器。

5.包括权利要求1至4之一的系统的接收器。

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