CN1235377C - 数字载波恢复装置 - Google Patents
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Abstract
一种涉及数字信息传输的数字载波恢复装置，包括有A/D采样器及数字载波恢复锁相环，该数字载波恢复锁相环又包括：相位旋转器、载波检测器、判决器、环路滤波器和数控振荡器，其中：A/D采样器作用是：对来自射频接收器件的中频正交幅度调制信号进行采样，将模拟信号变换到数字信号；相位旋转器作用是：对基带信号进行矢量旋转，旋转角度由数控振荡器给出；载波检测器作用是：根据旋转后的信号与经过判决器后的信号的角度差，计算角度差值；环路滤波器作用是：对角度差值信号进行滤波，得到旋转角度控制信号；数控振荡器作用是：对旋转角度控制信号进行累加，并与标准模相减将旋转角度输出。
Description
技术领域
本发明涉及数字信息的传输，尤其涉及一种数字载波恢复装置。
背景技术
现有数字视频广播中，通常采用正交幅度调制QAM(QuadratureAmplitude Modulation)方式传递视频信号，但因经调制后的信号是基带信号，所以必须再用载波调制方式将其调制为射频信号，才能通过同轴电缆进行发送，数字视频广播接收机接收到射频接收信号后，也必须将调制载波去除，以提取出基带信号，然后对基带信号进行解调，获得原始的视频传递信号。目前的载波去除(恢复方案)一般采用模拟电路或数字和模拟混合的电路。
数字视频广播系统中，正交幅度调制QAM基带数据信号要首先通过高频调制后，才能通过同轴电缆发送发送，接收端也必须经过解调后，才能获得基带信号。
经调制后的正交幅度调制QAM基带数据信号为正交幅度调制QAM信号，可表示为：
a*cos(ωct)+b*sin(ωct)＝Acos(ωct+Φ)
其中，ωc为调制频率，可由发送设备自由选择。
上述的正交幅度调制QAM信号经过射频变换、发送、射频接收、声表面波滤波器处理后，信号可表示为：
Acos(ωmt+φ+θm)
其中ωm可为36MHz，θm为固定相移。
也就是说，经过接收机射频接收和声表面滤波器处理后，获得是的是载频36MHz的中频正交幅度调制QAM信号，只有用载波恢复技术将该载波去除，才能获得基带正交幅度调制QAM信号，可见载波恢复实际上就是调制信号的解调过程。
对于上述的载波恢复过程，常见的方法是采用图1所示的系统进行载波恢复，其步骤如下：
首先，利用28.8MHz本地信号进行模拟混频，混频后的信号中除必然包含的7.2MHz差频信号外，其他便为高频信号；
接着，混频信号经低通滤波器滤波，将载频7.2MHz的正交幅度调制QAM信号取出，供后面载波恢复锁相环使用；
然后，将取出的正交幅度调制QAM信号经载波恢复锁相环恢复，即完成解调工作。
上述载波恢复是利用正交信号sin(ωct)和cos(ωct)与正交幅度调制QAM信号相乘，得到同相/正交分离后的基带信号而完成载波恢复的。另外，载波恢复也可直接在36MHz中频进行，不过此时对压控振荡器VCO的性能要求较高。
但是，上述载波恢复锁相环却存在如下缺点：
首先，因为载波恢复锁相环中的压控振荡器VCO是通过模拟电路实现的，所以有系统设计困难，功耗大，性能受环境影响大的缺点。
其次，压控振荡器VCO输出模拟信号，会使完全正交的sin(ωct)和cos(ωct)信号非常难以获得，主要是π/2模拟移相网络的精度难以保证，进而使解调结果受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高且性能强的数字载波恢复装置。
本发明所的技术方案为：这种数字载波恢复装置，包括有A/D采样器及数字载波恢复锁相环，该数字载波恢复锁相环又包括：相位旋转器、载波检测器、判决器、环路滤波器和数控振荡器，其中：
A/D采样器作用是：对来自射频接收器件的中频正交幅度调制信号进行采样，将模拟信号变换到数字信号，采样频率是正交幅度调制信号中基带信号频率的四倍以上；
相位旋转器作用是：对基带信号进行矢量旋转，旋转角度由数控振荡器给出；
载波检测器作用是：根据旋转后的信号与经过判决器后的信号的角度差，计算角度差值；
环路滤波器作用是：对角度差值信号进行滤波，得到旋转角度控制信号；
数控振荡器作用是：对旋转角度控制信号进行累加，并与标准模相减将旋转角度输出。
在进行载波恢复时，首先用A/D采样器对中频正交幅度调制信号进行采样，然后将采样后的信号经正交幅度调制进行解调，生成由I、Q两路互相正交的信号组成的正交幅度调制基带信号，接着对基带信号进行时钟恢复和匹配滤波处理，获得解调出的复数形式的基带信号，最后将复数形式的基带信号经由数字载波恢复锁相环进行载波恢复而完成解调。
其中，上述的相位旋转器是采用坐标旋转计算机电路CORDIC来实现相位旋转的，坐标旋转计算机电路CORDIC由多级角度旋转电路连接而成，每级旋转的角度由角度加法器的一个输入＝tan-1(2-i)控制，其中i＝0，1，2，...，10；
多级角度旋转电路采用如下的逻辑结构：
Xi+1＝Xi+d*Y右移i位
Yi+1＝X右移i位+d*Yi
d＝SGN[Zi]
其中，Zi代表第i级旋转的角度，Xi、Yi代表第i级旋转的坐标值；SGN为符号判决函数，如果输入数据为正，则输出1，如果输入数据为负，则输出-1；
多级角度旋转电路在输入端增加如下初始化过程：
Z0’＝Z0-dX*π/2
其中，dX＝SGN[Z0]，Z0是数控振荡器(15)的输出旋转角度(θ)，Z0’为初始化后的值，SGN为符号判决函数；
多级角度旋转后，对旋转的坐标值Xn、Yn进行固定系数乘法运算，得输出值X’、Y’：
X’＝Xn*k
Y’＝Yn*k；其中k＝0.6073；
其中，上述的载波检测器采用如下算法来计算角度差值Car_Err：
Err_I＝To_Slicer_I-From_Slicer_I
Err_Q＝To_Slicer_Q-From_Slicer_Q
Car_Err＝-Err_I×SGN(From_Slicer_Q)+Err_Q×SGN(From_Slicer_I)
其中SGN为符号判决函数，To_Slicer_I和To_Slicer_Q分别为输入判决器的I、Q路的值；From_Slicer_I和From_Slicer_Q分别为输出判决器的I、Q路的值，电路实现时检查数据的最高位Bit即可。
其中，上述的环路滤波器使用的是一阶环路滤波电路，一阶环路滤波电路由比例支路Kp加积分支路Ki构成，比例支路Kp对角度差值Car_Err进行乘比例系数Kp，积分支路对角度差值Car_Err进行累加再乘积分系数Ki的操作，两条支路的运行结果在加法器LPF合并，输出旋转角度控制信号Wk；Kp和Ki的值通过寄存器设定；一阶环路滤波电路中比例支路Kp和积分支路Ki的系数可分别通过移位器将各支路的系数减小，其系数切换由Lock信号控制，Lock信号将导致大滤波系数工作时累计在积分支路Ki中的值被锁存在寄存器Pll_Center中，并经加法器Center累加后输出调整旋转角度控制信号；移位器对比例支路Kp的系数右移5位，对积分支路Ki的系数右移7位，即比例支路Kp和积分支路Ki的系数分别缩小到原系数的1/32和1/128；
其中，上述的数控振荡器是一个累加器，对来自环路滤波器的旋转角度控制信号进行累加，减去固定标准模2π，输出旋转角度。
由于采用了上述的技术方案，所以本发明的载波恢复技术具有如下优点：
A：由于本发明的数字载波恢复锁相环用采用压控振荡器VCO，也不再需要模拟载波恢复电路中π/2移相电路，而是采用数字化设计，进而降低了系统设计难度，大大提高了运算精度和速度，且数字化设计有利于降低功耗和造价，所以本发明精度高且性能强；
B：采用坐标旋转计算机电路CORDIC实现相位旋转，比直接进行复数乘大大节省硬件资源，也不需要生成正弦和余弦值，有利于降低成本，简化运算，降低了设计难度；
C：载波检测器算法的简单，使实现非常容易；
D：环路滤波器使用一阶环路滤波电路，结构简单、适用，大滤波系数的应用加快滤波锁定速度，通过移位器降低滤波支路的系数，对旋转角度控制信号进行调整，使小滤波系数在可以捕捉的范围内保证正常工作，进一步提高精度，提高了本发明的工作可靠性和实用性；
E：数控振荡器采用简单的累加器，使电路简单。
附图说明
图1为现有模拟载波恢复方案示意图；
图2为数字载波恢复方案示意图；
图3为本发明结构示意图；
图4为坐标旋转计算机电路原理示意图；
图5为载波检测器电路示意图；
图6为环路滤波器电路示意图；
图7为数控振荡器原理示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
根据图2、图3、图4、图5、图6和图7，本发明的数字载波恢复装置包括有A/D采样器和数字载波恢复锁相环1，其载波恢复过程如下：首先，A/D采样器对来自射频接收器件的中频正交幅度调制信号进行采样，将模拟信号变换到数字信号，采样频率是正交幅度调制信号中基带信号频率的四倍以上，然后，将采样后的信号经正交幅度调制进行解调，生成正交幅度调制基带信号，该基带信号由I、Q两路互相正交的信号组成，接着，基带信号经过时钟恢复和匹配滤波后，便可获得解调出的复数形式的基带信号，最后用数字载波恢复锁相环1对解调出的复数形式的基带信号进行载波恢复。
数字载波恢复锁相环1包括相位旋转器11、载波检测器12、判决器13、环路滤波器14和数控振荡器15。其中，相位旋转器11对基带信号进行矢量旋转，旋转角度由数控振荡器15给出；载波检测器12根据旋转后的信号与经过判决器13后的信号的角度差，计算角度差值Car_Err；环路滤波器14对角度差值Car_Err输入进行滤波处理，并得到旋转角度控制信号Wk；数控振荡器15对旋转角度控制信号Wk进行累加，并与标准模2π相减后输出旋转角度θ。
相位旋转器11采用坐标旋转计算机电路CORDIC来实现相位旋转，坐标旋转计算机电路CORDIC由多级角度旋转电路连接而成，每级旋转的角度由角度加法器的一个输入＝tan-1(2-i)控制，其中i＝0，1，2，...，10，为了达到比较好的精度，通常需要进行9到10级旋转，如图4所示，多级角度旋转电路采用如下的逻辑结构：
Xi+1＝Xi+d*Y右移i位
Yi+1＝X右移i位+d*Yi
d＝SGN[Zi]
其中，Zi代表第i级旋转的角度，Xi、Yi代表第i级旋转的坐标值；SGN为符号判决函数，如果输入数据为正，则输出1，如果输入数据为负，则输出-1。
如果只使用坐标旋转计算机电路多级旋转，实际上只能获得(-π/2，π/2)的旋转范围，这个操作相当于先进行π/2角度的旋转，故可以将旋转范围扩大到(-π，π)，满足载波恢复应用要求，所以必须在多级角度旋转电路的输入端增加如下初始化过程：
Z0’＝Z0-dX*π/2
其中，dX＝SGN[Z0]，Z0是数控振荡器(15)的输出旋转角度(θ)，Z0’为初始化后的值，SGN为符号判决函数。
载波检测器12采用如下算法，计算角度差值Car_Err：
Err_I＝To_Slicer_I-From_Slicer_I
Err_Q＝To_Slicer_Q-From_Slicer_Q
Car_Err＝-Err_I×SGN(From_Slicer_Q)+Err_Q×SGN(From_Slicer_I)
其中SGN为符号判决函数，To_Slicer_I和To_Slicer_Q分别为输入判决器13的I、Q路的值；From_Slicer_I和From_Slicer_Q分别为输出判决器13的I、Q路的值，其电路原理如图5所示，电路实现时检查数据的最高位Bit即可。
环路滤波器14使用一阶环路滤波电路，一阶环路滤波电路由比例支路Kp加积分支路Ki构成，比例支路Kp对角度差值Car_Err进行乘比例系数Kp，积分支路对角度差值Car_Err进行累加再乘积分系数Ki的操作，两条支路的运行结果在加法器LPF合并，输出旋转角度控制信号Wk；Kp和Ki的值通过寄存器设定；一阶环路滤波电路中比例支路Kp和积分支路Ki的系数可分别通过移位器将各支路的系数减小，其系数切换由Lock信号控制，Lock信号将导致大滤波系数工作时累计在积分支路Ki中的值被锁存在Pll_Center寄存器Z-1中，并经加法器Center累加后输出调整旋转角度控制信号Wk；移位器对比例支路Kp的系数右移5位，对积分支路Ki的系数右移7位，即比例支路Kp和积分支路Ki的系数分别缩小到原系数的1/32和1/128，如图6所示，一阶环路滤波器以如下方式运行：
Start信号为低电平时将使环路滤波器14输入设为零，从而清除环路滤波器14各寄存器中锁存的值；当Start信号为高电平时，角度差值Car_Err开始输入，此时环路滤波器14首先用大滤波系数进行工作，进行大范围的锁定和捕捉，经过一定时间后，再切换到小滤波系数，以保证锁定后的稳定性，其系数切换如上所述。
由于数字载波恢复锁相环1的捕捉速度基本上是固定的，Lock信号通过计数器就可以简单控制，环路滤波器14的输出旋转角度控制信号Wk在数字载波恢复锁相环1稳定后，旋转角度控制信号Wk将用于控制数控振荡器15，产生载波旋转角度。
数控振荡器15是一个累加器，对来自环路滤波器14的旋转角度控制信号Wk进行累加，减去固定标准模2π，输出旋转角度θ，如图7所示，该电路是一个简单的累加器，对来自环路滤波器14的输出进行累加，由于是角度的累加，必须保证角度值在(-π，π)，所以适用了模2π电路对超过该范围的值进行处理，也就是减去固定值2π，数控振荡器15的输出θ控制坐标旋转计算机电路CORDIC的旋转角度。
Claims (11)
1.一种数字载波恢复装置，包括A/D采样器，A/D采样器对接收到的中频正交幅度调制信号进行采样，将模拟信号变换到数字信号，采样频率是正交幅度调制信号中基带信号速率的四倍以上，采样后的信号经正交幅度调制的解调，生成正交幅度调制基带信号，该基带信号由I、Q两路互相正交的信号组成，基带信号经过时钟恢复和匹配滤波，获得解调出的复数形式的基带信号，其特征在于：利用数字载波恢复锁相环(1)对解调出的复数形式的基带信号进行载波恢复，该数字载波恢复锁相环(1)包括相位旋转器(11)、载波检测器(12)、判决器(13)、环路滤波器(14)和数控振荡器(15)，其中，相位旋转器(11)对基带信号进行矢量旋转，旋转角度由数控振荡器(15)给出；载波检测器(12)根据旋转后的信号与经过判决器(13)后的信号的角度差，计算角度差值；环路滤波器(14)对角度差值输入进行滤波处理，并得到旋转角度控制信号；数控振荡器(15)对旋转角度控制信号中进行累加，并与标准模相减后输出旋转角度。
2.根据权利要求1所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的相位旋转器(11)采用坐标旋转计算机电路CORDIC实现相位旋转，坐标旋转计算机电路CORDIC由多级角度旋转电路连接而成，每级旋转的角度由角度加法器的一个输入＝tan-1(2-i)控制，其中i＝0，1，2，...，10。
3.根据权利要求2所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的多级角度旋转电路采用如下的逻辑结构：
Xi+1＝Xi+d*Y右移i位
Yi+1＝X右移i位+d*Yi
d＝SGN[Zi]
其中，Zi代表第i级旋转的角度，Xi、Yi代表第i级旋转的坐标值；SGN为符号判决函数，如果输入数据为正，则输出1，如果输入数据为负，则输出-1。
4.根据权利要求2或3所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的多级角度旋转电路在输入端增加如下初始化过程：
Z0’＝Z0-dX*π/2
其中，dX＝SGN[Z0]，Z0是数控振荡器(15)的输出旋转角度θ，Z0’为初始化后的值，SGN为符号判决函数。
5.根据权利要求2或3所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的多级角度旋转后，对旋转的坐标值Xn、Yn进行固定系数乘法运算，得输出值X’、Y’：
X’＝Xn*k
Y’＝Yn*k；其中k＝0.6073。
6.根据权利要求1所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的载波检测器(12)采用如下算法，计算角度差值Car_Err：
Err_I＝To_Slicer_I-From_Slicer_I
Err_Q＝To_Slicer_Q-From_Slicer_Q
Car_Err＝-Err_I×SGN(From_Slicer_Q)+Err_Q×SGN(From_Slicer_I)
其中SGN为符号判决函数，To_Slicer_I和To_Slicer_Q分别为输入判决器(13)的I、Q路的值；From_Slicer_I和From_Slicer_Q分别为输出判决器(13)的I、Q路的值，电路实现时检查数据的最高位比特即可。
7.根据权利要求1所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的环路滤波器(14)使用一阶环路滤波电路，一阶环路滤波电路由比例支路Kp加积分支路Ki构成，比例支路Kp对角度差值Car_Err进行乘比例系数Kp，积分支路对角度差值Car_Err进行累加再乘积分系数Ki的操作，两条支路的运行结果在加法器(LPF)合并，输出旋转角度控制信号Wk；Kp和Ki的值通过寄存器设定。
8.根据权利要求7所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的一阶环路滤波电路中比例支路Kp和积分支路Ki的系数可分别通过移位器将各支路的系数减小，其系数切换由Lock信号控制，Lock信号将导致大滤波系数工作时累计在积分支路Ki中的值被锁存在寄存器Pll_Center(Z-1)中，并经加法器(Center)累加后输出调整旋转角度控制信号Wk。
9.根据权利要求8所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的移位器对比例支路Kp的系数右移5位，对积分支路Ki的系数右移7位，即比例支路Kp和积分支路Ki的系数分别缩小到原系数的1/32和1/128。
10.根据权利要求1所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的数控振荡器(15)是一个累加器，对来自环路滤波器(14)的旋转角度控制信号Wk进行累加，并减去固定标准模2π，输出旋转角度θ。
11.根据权利要求4所述的数字载波恢复装置，其特征在于：所述的数控振荡器(15)是一个累加器，对来自环路滤波器(14)的旋转角度控制信号Wk进行累加，减去固定标准模2π，输出旋转角度θ。
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENZHEN HAISI SEMICONDUCTOR CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: HUAWEI TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20081010 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20081010 Address after: HUAWEI electric production center, Bantian HUAWEI base, Longgang District, Shenzhen, Guangdong Patentee after: Haisi Semiconductor Co., Ltd., Shenzhen Address before: HUAWEI Service Center building, 1 FA FA Road, Nanshan District science and Technology Park, Shenzhen, Guangdong Patentee before: Huawei Technologies Co., Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060104 |