CN1189729A - 数字解调器的符号定时恢复电路 - Google Patents

Abstract

一种数字解调器中的符号定时恢复电路。包括时钟信号发生装置;接收信号抽样装置;用于根据滤波器抽头系数对来自抽样装置的输出信号插值以便获得一个插值的装置;用于对插值滤波并提供作为选通数据的装置;用于从选通数据中产生定时误差信号的装置;用于对定时误差信号滤波以便获得和提供一个平均定时误差信号的装置;以及用于根据平均定时误差信号提供小数间隔并控制上述装置的信号处理工作的装置。

Description

数字解调器的符号定时恢复电路

本发明涉及用于采用数字方法解调接收到的调制信号的数字解调器中符号定时恢复电路，具体地说，本发明涉及用在可变速率数字解调器中从接收到的信号计算精确符号率的符号定时恢复电路。

在数字通讯系统中，接收器对发送的模拟信号以预定的抽样脉冲抽样，把它变成数字信号。频率和相位与发射器中使用的调制器相应的—载波信号从数字信号中恢复，使用恢复的载波信号恢复原始信息信号来实现解调。在定时恢复电路中，影响接收器的效率的精确抽样时钟被确定。

在数字解调器中，当抽样与数据符号同步时，使用用于通过调整本地时钟的相位来控制抽样时钟的反馈环路，或者使用利用从接收的调制信号再生的定时波的前馈环路，如同在模拟解调器中一样。当抽样与数据符号不同步时，也就是说如果抽样时钟与符号定时无关时，定时通过内插而被控制。通过在不同步的抽样之间进行内插，在调制解调器中产生精确的选通脉冲值，与抽样同符号同步时产生的选通脉冲值相似。

图1示出传统数字定时脉冲恢复单元的方框图，通过使用反馈环路执行定时恢复。该数字定时恢复单元包括抽样时钟发生器11、第一抽样器12、插值器13、数据滤波器14、定时误差检测器15、环路滤波器16和控制器17。

在图1中，抽样时钟发生器11在周期Ts内产生抽样脉冲，其中不出现假频。第一抽样器12产生信号X(mTs)，它根据抽样时钟对限带输入信号X(t)抽样并输出。插值器13产生并输出一个插值y(kTi)用于在插值时间间隔Ti内对信号X(mTs)插值。数据滤波器14对插值y(kTi)滤波以输出最终选通数据。定时误差检测器15从选通数据检测定时误差。环路滤波器16滤掉检测的定时误差的噪声成分。控制器17通过使用滤波后的定时误差来控制插值器13的工作，从而实现精确定时恢复。

参考图2，详细描述插值器13的数字化过程。图2示出图1中插值器13的工作方框图。插值器13包括数/模(D/A)转换器21，插值滤波器22，第二抽样器23。在图2中，来自图1中第一抽样器12的抽样信号X(mTs)由D/A转换器21变成模拟信号x(t)。该模拟信号x(t)由插值滤波器22滤波以产生插值信号y(t)。插值信号y(t)被第二抽样器23再次抽样，被输出作为插值(interpolant)y(kTi)。这里第二抽样器23的抽样时间间隔，也就是插值Ti之间的时间间隔Ti由图1中的控制器17提供。

当插值滤波器22的脉冲响应为hI(t)时，插值滤波器22的输出信号y(t)由下列公式1表示：

公式1： $y\left(t\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}X\left(\mathrm{mTs}\right)h_I(t-\mathrm{mTs})$

这里，原始信号x(t)与滤波后的信号y(t)不一致。通过在第二抽样器23中对在t＝kTi时的输出信号y(t)再次抽样得到一个新的抽样信号，也就是插值y(kTi)，由下列公式2表示：

公式2： $y\left(\mathrm{kTi}\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}x\left(\mathrm{mTs}\right)h_I(\mathrm{kTi}-\mathrm{mTs})$

在上述公式2中，如果输入信号x(m)，插值滤波器22的脉冲响应h_I(t)，第一抽样器12的抽样间隔mTs，以及第二抽样器23的抽样间隔kTi为已知，可以从上述公式2数字地计算出插值。

要确定公式2中的变量，当m是信号指数，i是滤波指数、基点指数是m_k、则小数间隔μ_k可由下列公式3计算出来。

公式3：

信号指数：m

滤波指数： $1=\mathrm{int}\left[\frac{\mathrm{kTi}}{\mathrm{Ts}}\right]-m$

基点指数： $m_k=\mathrm{int}\left[\frac{\mathrm{kTi}}{\mathrm{Ts}}\right]$

小数间隔： ${\mathrm{\μ}}_k=\frac{\mathrm{kTi}}{\mathrm{Ts}}-m_k$

在上述公式3中，int[z]表示不大于Z的最大整数，其中0≤μ_k≤1。这里小数间隔μ_k对于调整插值器13的再抽样时间间隔非常重要，并且其是在控制器17中计算的，以供给第二抽样器23。

同时，分别检查小数间隔μ_k相对于第一抽样器12和第二抽样器23的时间间隔Ts和Ti之间的关系的变化。首先，当Ti不能随Ts部分减小时，小数间隔μ_k将是无理数，并对于每个插值变化。其次，如果假设Ti与Ts几乎相等，象抽样几乎同步一样，那么小数间隔μ_k变化非常慢；如果它被量化，则对于很多插值保持不变。第三，如果Ts随Ti部分减小，但不等于Ti，那么小数间隔周期性重复。将公式3中的变量代入可以把公式2写成如下公式4的形式。

公式4： $Y\left(\mathrm{kTi}\right)=y\left[\right(m_k+{\mathrm{\μ}}_k\left)\mathrm{Ts}\right]=\underset{i=I_1}{\overset{I_2}{\mathrm{\Σ}}}X\left[\right(m_k-i\left)\mathrm{Ts}\right]h_I(i+{\mathrm{\μ}}_k)T_S]$

可由上述公式4在一调制解调器中完成一个数字插值。插值滤波器22的脉冲响应h₁[(i+μ_k)T_s]是滤波抽头系数(tap-coefficient)。

连续插值的时间间隔kTi和(k+1)Ti由下列公式5表示：

公式5：

kTi＝(m_k+μ_k)T_s

(k+1)T₁＝(m_k+1+μ_k+1)T_s

通过上式公式的差，下一个基点指数m_k+1可由下列公式6表示：

公式6： $m_{k+1}=m_k+\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{Ts}}+{\mathrm{\μ}}_k-{\mathrm{\μ}}_{k+1}$

这里，根据公式3中的变量，基点指数m_k和m_k+1是整数，小数部分间隔为0≤μ_k，μ_k+1＜1。因此，基点指数增量Δm_k由下列公式7表示：

公式7： $\mathrm{\Δ}{m}_k=m_{k+1}-m_k=\mathrm{int}[\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{Ts}}+u_k-u_{k+1}]$

而且，根据公式6，增量的小数fp[]被计算为零，因此下一个小数间隔μ_k+1可由下列公式8表示。

公式8： $\mathrm{fp}[m_{k+1}-m_k]=\mathrm{fp}[\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{Ts}}+u_k-u_{k+1}]=0$

因此，控制器17具有根据公式7和8计算小数间隔μ_k和基点指数增量Δm_k的具体结构。因此，插值器13具有用于根据控制器17提供的数值通过公式4计算插值的具体结构。

通过具有上述控制器17和插值器13的具体结构，提供了一数字解调器中精确的符号定时恢复电路。

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种符号定时恢复电路，用于在可变速率数字解调器中从接收到的信号计算一精确的符号率。

为达到上述目的，本发明提供的符号定时恢复电路，包括：

一个在预定的周期内产生时钟信号的装置；

一个装置，用于在抽样周期内根据时钟信号对接收到的信号抽样并产生抽样信号；

一个插值器，用于根据在每个抽样周期内的由小数部分间隔计算得到的滤波器抽头系数对抽样信号插值，以获得插值周期内的一的插值数值；

一个数据滤波器，用于对插值进行滤波以产生选通数据；

一个定时误差检测器，用于从选通数据检测定时误差，以产生定时误差信号；

一个环路滤波器，用于去除定时误差信号的噪声成分，以产生平均定时误差信号；以及

一个控制器，用于给插值器提供小数部分间隔，并控制数据滤波器、定时误差检测器和环路滤波器的信号处理工作，其中该控制器包括：

计算装置，用于相对于插值周期和抽样周期的比例及平均定时误差信号和在前一时钟信号中产生的小数部分间隔执行一计算操作；

用于补偿计算装置初始状态输出的装置；

一个小数抽取器，用于从补偿装置的输出中抽取出小数部分，并将该小数部分作为小数间隔输出给插值器；

一个整数抽取器，用于从补偿装置的输出中抽取出整数部分；和

一个控制信号发生器，用于根据整数抽取器的输出信号从插值器产生表示插值有效性的控制信号，以及把该控制信号输出给所述数据滤波器，定时误差检测器和环路滤波器。

本发明的上述及其他目的、特点和优点从下面结合附图对本发明的最佳实施例的详细描述将更为清楚，其中：

图1是数字解调器中传统定时恢复电路的方框图；

图2是说明图1的插值器的方框图；

图3是根据本发明的符号定时恢复电路的方框图；

图4是图3中的插值器的详细方框图；以及

图5是图3中的控制器的详细方框图。

现结合附图详细描述本发明的实施例。在所有附图中，相同的参考标记尽量用来表示相同或类似部分。

图3示出根据本发明的最佳实施例的符号定时恢复电路的方框图。该符号定时恢复电路包括一个时钟发生器31，一个抽样器32，一个插值器33，一个数据滤波器34，一个定时误差检测器35，一个环路滤波器36，和一个控制器37。时钟发生器31在抽样周期T_s内产生一个时钟信号，其中在输入信号X(t)内不出现混淆。根据时钟信号，抽样器32在抽样周期T_s内对输入信号X(t)抽样以产生并输出信号。插值器33顺序存贮抽样信号X(mTs)，并产生一个插值y(kTi)以乘以由来自控制器37的小数间隔μ_k确定的滤波器抽头系数。数据滤波器34通过向下抽样(down sampling)对插值y(kTi)滤波以产生用于符号定时恢复的选通数据。定时误差检测器35从选通数据计算并输出定时误差φ。环路滤波器36对定时误差φ滤波以去掉噪声成分并输出平均定时误差信号Δφ。

控制器37从平均定时误差信号Δφ计算小数间隔μ_k和基点指数增量Δm_k，并把小数间隔μ_k提供给插值器33，且根据插值y(kTi)的有效性产生有效数据指示信号，以控制数据滤波器34、定时误差检测器35、环路滤波器36及下一个用于在精确符号定时中只选择再被抽样的信号的时序电路(图中未示出)的工作。

图4示出图3中的插值器33的详细方框图。插值器33包括一个移位临时存储器41、有L级41-1至41-L，一个滤波器抽头系数计算器42，L个乘法器43和一加法器44。移位临时存储器41在抽样周期T_s内顺序接收从输入信号X(t)变换来的抽样信号X(mTs)，并将此信号向右移位，存储起来，在插值周期Ti内将所述抽样信号并行输出。滤波器抽头系数计算器42根据来自控制器37的小数间隔μ_k计算并输出L个滤波器抽头系数h₁[(i+μ_k)T_s]。L个乘法器43把L个来自移位临时存储器41的抽样信号X(mTs)乘以L个来自滤波器抽头系数计算器42的滤波器抽头系数，并把L个相乘值提供给加法器44。然后，加法器44把来自乘法器43-1至43-L的输出结果相加，并在抽样周期T_s内把相加值作为插值y(kTi)输出。

因为移位临时存储器41根据抽样周期T_s的时钟进行工作，插值器33通过与抽样周期Ts的下一时钟相同步的抽样信号X(mTs)计算插值y(kTi)。因此，在每一个时钟计算的插值y(kTi)的基点指数增量Δm_k的值被设置为1。然而，如果基点指数增量Δm_k的值大于或等于2，则抽样信号x(mTs)在被移位过该基点指数增量Δm_k后必须被插值。

因此，控制器37具有产生控制信号的功能，从基点指数增量Δm_k确定当前插值的有效性，以便精确控制插值器33之后各级中的信号处理。

图5详细示出图3中所描述的控制器37的方框图。控制器37包括一个计算器51、一个箝位电路52、一个小数抽取器53、一个整数抽取器54、和一个控制信号发生器55。计算器51包括一个小数间隔存储器57，用于存储小数间隔μ_k；一个状态缓冲器58，用于存储插值周期和抽样周期的比例Ti/Ts；一个第一加法器59，用于把存储在状态缓冲器58中的该比例与来自环路滤波器36的平均定时误差信号Δφ相加；一个第二加法器60，用于把来自小数间隔存储器57的前一个小数间隔μ_k-1与第一加法器59的输出相加。计算器51的输出值由下述公式9表示。

公式9： $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{k-1}+\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{Ts}}+u_{k-1}$

在上述公式9中，因为比例Ti/Ts大于1，上述公式9的值大于1。但是，在系统初始状态，计算器51的输出值可能小于1。

因此，如果计算器51的输出值大于1，则该值不被箝位电路52箝位，反之箝位电路52把小于1的值提升为1来进行补偿，并把结果输出给小数抽取器53和整数抽取器54。

小数抽取器53从来自箝位电路52的输出值中抽取小数部分抽取，并把该小数部分输出到小数间隔存储器57和滤波器抽头系数计算器42。作为当前小数间隔μ_k的该小数部分被用于在插值器33中计算滤波器抽头系数。整数抽取器54从箝位电路52的输出值中抽取整数部分，并输出给控制信号发生器55。该整数部分是基点指数增量Δm_k与平均定时误差信号Δφ_k的和。

然后，在获得具有有效数据的插值之前将待在插值器33中被插值的抽样信号移位过整数抽取器54的输出值。

因此，控制信号发生器55把来自整数抽取器54的输出值顺序地延迟和简化(reduce)，并把该延迟和简化后的值与参考值比较，并根据比较后的结果产生控制信号以便在插值器33的后续电路中选择性地处理该信号。

控制信号发生器55包括一个临时存储器61、一个选择信号发生器62、一个多路转换器63、一个减法器64、和一个判定单元65。临时存储器61把来自延迟简化单元55的前一个输出信号提供给选择信号发生器62和多路转换器63的一个输入端，并存储减法器64的当前输出。选择信号发生器62把临时存储器61的输出与参考值“1”比较，并根据该结果向多路转换器63和减法器64输出一个选择信号，如果输入值大于1，则选择信号为“1”，如果输入值小于或等于1，则选择信号为“0”。多路转换器63根据由选择信号发生器62提供的选择信号选择两个输入信号之一，并输出该选择信号。如果选择信号为“0”，多路转换器63输出来自整数抽取器54的抽取的整数和来自临时存储器61的输出。如果选择信号为“1”，减法器64从多路转换器63的输出值中减去该选择信号，并输出所得的值给判定单元65，并更正临时存储器61中的值。

因此在控制信号发生器55中，当“1”或“0”被存储在临时存储器61中时，临时存储器61把自整数抽取器54获得的值输出给判定单元65，反之，当“2”存储在临时存储器61中时，它一个一个简化来自临时存储器61的值，并输出经简化后的值。

判定单元65把来自减法器64的输出值与“2”比较，并根据比较的结果控制计算器51的小数间隔存储器57、数据滤波器34、定时误差检测器35、环路滤波器36、和后续电路(未示出)的工作。

也就是说，当减法器64的输出值为“1”时，判定单元65产生有效数据指示信号，用于控制小数间隔存储器57、数据滤波器34、定时误差检测器35、环路滤波器36和后续电路的工作。

另外，当减法器64的输出值大于“2”时，判定单元65不产生该有效数据指示信号，以便在下一个时钟不对小数间隔存储器57、数据滤波器34、定时误差检测器35、环路滤波器36和后续电路进行计时。

现在，参考图3、4和5详细描述控制器37的工作。

首先，假设平均定时误差信号Δφ为零，并且插值周期Ti与抽样周期Ts的比例为1.3。下面的表1示出根据倍数值k(＝t/Ti)的不同信号值。表1：根据不同倍数k(t/Ti)的控制器的信号值

k(＝t/Ti)	Ti/Ts+μk+1	Δmk	小数间隔存储器57的输入值(μk)	临时存储器61的输入值	有效数据指示信号
						-1			0	0	1
0	1.3	1	0.3	1	1
						1	1.6	1	0.6	1	1
2	1.9	1	0.9	1	1
						3	2.2	2	0.2	2	0
4	2.2	2	0.2	1	1
						5	1.5	1	0.5	1	1
6	1.8	1	0.8	1	1
						7	2.1	2	0.1	2	0
8	2.1	2	0.1	1	1
						9	1.4	1	0.4	1	1
10	1.7	1	0.7	1	1
						11	2.0	2	0	2	0
12	2.0	2	0	1	1
						13	1.3	1	0.3	1	1

在上面的表1中，Ti/Ts+μ_k-1是箝位电路52的输出值，Δm_k是整数抽取器54的输出值，及有效数据指示信号是判定单元65的输出。

当k＝-1时，系统被初始化。小数间隔存储器57和临时存储器61均被置为0，有效数据指示信号为“1”。

当k＝0时，箝位电路52的输出值为1.3。小数抽取器53抽取出0.3并输出给插值器33，因为Δm_k为“1”，给判定单元65的输入信号为“1”，因此判定单元65输出有效数据指示信号“1”，用于在插值器33的后续各级电路中的精确信号处理。

当k＝1时，和上面相似，箝位电路52的输出值为1.6，也就是u_o+Ti/Ts＝0.1+1.3＝1.6。和k＝0相似，小数抽取器53抽取出0.6并输出给插值器33，而且因为Δm₁为“1”，到判定单元65的输入信号为“1”，因此，判定单元65输出该有效数据指示信号“1”。

另一方面，当k＝3时，箝位电路52的输出值μ₂+Ti/Ts为2.2。因此，整数抽取器54抽取出2作为整数值。此时，存储在临时存储器61中的值为“1”，因此来自整数抽取器54的值被直接输出给判定单元65。结果，判定单元65产生有效数据指示信号“0”以防止插值器33以外的电路继续处理信号。

当k＝4时，与k＝3时一样，经箝位的值μ₃+Ti/Ts“2.2”保持不变，因为在前一个时钟来自判定单元65的有效数据指示信号为“0”，因此不更新小数间隔存储器57。因为存储在临时存储器61中的值为“2”，来自减法器64的输出值为“1”，从存储值“2”中减去1，并把相减后的值输出给判定单元65。

因此，判定单元65产生有效数据指示信号“1”，用来表示当前插值的有效性。

在本发明的优选实施例中，当插值周期与抽样周期之比Ti/Ts为“1.3”时，基点指数增量Δm_k具有值1或2。然而，当Ti/Ts相当大时，基点指数增量Δm_k变为3、4、5……等等。此时，有效数据指示信号保持低电平，数目等于与基点指数增量Δm_k值相应的时钟数。

如上所述，本发明的插值器在每个抽样周期Ts内通过使用来自控制器的小数间隔计算滤波器抽头系数之后执行插值。控制器产生控制信号，用来在插值器的后续电路中只处理从插值器输出的有效数据。因此，通过计算精确符号率来恢复以可变速率接收的信号的数字解调器可被简化。

虽然结合被认为最实用和最优选的实施例描述了本发明，应该明白本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明将覆盖落入所附权利要求的精神和范围的不同改进和等同结构。

Claims (4)

1.一种数字解调器中的符号定时恢复电路，其特征在于包括：

用于在预定周期内产生时钟信号的装置；

用于在抽样周期内根据时钟信号对接收到的信号进行抽样并产生抽样信号的装置；

一个插值器，用于根据在每一个抽样周期内由小数间隔计算的滤波器抽头系数对抽样信号进行插值，以在插值周期内获得一个插值；

一个数据滤波器，用于对插值进行滤波以产生选通数据；

一个定时误差检测器，用于从选通数据检测定时误差，以产生定时误差信号；

一个环路滤波器，用于滤掉定时误差信号的噪声成分，以产生平均定时误差信号；以及

一个控制器，用于向所述插值器提供外数间隔，并控制所述数据滤波器、定时误差检测器和环路滤波器的信号处理工作，其中所述控制器包括：

计算装置，用于相对于插值周期和抽样周期的比例，以及平均定时误差信号和在前一个时钟信号产生的小数间隔执行计算工作；

一个装置，用于在初始状态补偿来自所述计算装置的输出；

一个小数抽取器，用于从所述补偿装置的输出中抽取出小数部分，并把该小数部分作为小数间隔输出给所述插值器；

一个整数抽取器，用于从所述补偿装置的输出中抽取出整数部分；以及

一个控制信号发生器，用于根据所述整数抽取器的输出产生指示来自所述插值器的插值的有效性的控制信号，并把所述控制信号输出给所述数据滤波器、定时误差检测器和环路滤波器。

2.如权利要求1所述的符号定时恢复电路，其特征在于所述插值器包括：

一个存储器，用于根据抽样周期移位并顺序存储来自所述抽样装置的抽样信号，以及根据插值周期并行输出存储在其中的抽样信号；

一个装置，用于根据小数间隔计算与每个抽样信号相应的滤波器抽头系数。)

多个乘法器，用于把来自所述存储器的每个抽样信号分别乘以滤波器抽头系数并输出该相乘值；以及

一个装置，用于把这些相乘值相加并把该相加值作为插值输出给所述数据滤波器。

3.如权利要求1所述的符号定时恢复电路，其特征在于所述计算装置包括：

第一存储器，用于存储插值周期与抽样周期的比值，

第二存储器，用于根据来自所述控制器的控制信号存储来自所述小数抽取器的输出；

第一加法器，用于把来自所述第一存储器的输出加到所述环路滤波器的输出上；以及

第二加法器，用于把来自所述第二存储器的输出加到所述第一加法器的输出上。

4.如权利要求1所述的符号定时恢复电路，其特征在于所述控制信号发生器包括：

一个存储器，用于存储所述延时简化装置的输出；

一个选择信号发生器，用于把所述存储器的输出与“1”比较，并根据比较的结果产生一个选择信号；

一个选择装置，用于根据选择信号从所述整数抽取器或所述存储器的输出中选择和输出一个；

一个装置，用于从所述选择装置的输出中减去该选择信号；

一个判定单元，用于把所述减法装置的输出与“2”比较，并产生比较结果作为控制信号。

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