CN1258166A - 具有训练模式的自适应信道均衡器 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理包含地面广播高清晰度电视信息的解调(18)残留边带(VSB)信号的自适应信道均衡器(50),它自适应地工作在盲、训练和直接判定模式。VSB信号的特征在于数据帧格式由一系列数据字段构成,每个数据字段包含由一个字段同步段开始的数据段。在检测到字段同步段之后的VSB数据字段期间,通过使接收的训练数据再循环(35)经过均衡器好几次而加速均衡。

Description

具有训练模式的自适应信道均衡器
本发明涉及信号的自适应信道均衡，该信号可以包含高清晰度电视信息。
在接收机从以码元形式传送数字信息的调制信号中恢复数据通常要求三种功能：用于码元同步的定时恢复、载波恢复(频率解调到基带)以及信道均衡。定时恢复是一种使接收机时钟(时基)同步于发射机时钟的过程。这允许接收的信号在最佳点被及时抽样，以减少与接收码元值的直接判决处理相联系的限幅误差的可能性。载波恢复是一种使所接收的RF信号在被下变频到较低的中频通带(例如基带附近)之后被移频到基带，以恢复调制的基带信息的过程。
许多数字数据通讯系统使用自适应均衡来补偿在信号传输信道上的干扰和改变信道状态的效应。均衡过程估计传输信道的传递函数，并且将该传递函数的逆应用于所接收的信号以便减少或消除失真效应。信道均衡一般使用滤波器去除例如由于传输信道的频率相关时变响应产生的接收信号幅度和相位失真，因此提供改进的码元判决能力。均衡去除由包括传输信道的低通滤波效应的传输信道干扰引起的基带码元间干扰(ISI)。ISI使得给定码元的值被前面和后面的码元值失真，实质上表示为码元“重影”，因为ISI包括相对于一个给定判决区域的参考码元位置的提前和延迟的码元。
自适应均衡器实质上是一个自适应数字滤波器。在使用自适应均衡器的系统中，必需提供一种修改滤波器响应的方法以便充分地补偿信道失真。可以得到一些算法用于修改滤波器系数并由此修改滤波器响应。一种广泛使用的方法应用最小均方值(LMS)算法。在这种算法中，通过改变作为表示误差信号函数的系数值，迫使均衡器输出信号近似一个参考数据序列。通过从参考数据序列中减去均衡器输出信号形成这个误差信号。随着误差信号趋近于零，均衡器趋近于收敛，因此均衡器输出信号和参考数据序列近似于相等。
当均衡器操作启动时，通常未将系数值(滤波器抽头加权值)设定在产生足够信道失真补偿的值上。为迫使均衡器系数初始收敛，一个公知的“训练(training)”信号可以用作参考信号。例如伪随机数(PN)序列的训练信号已经广泛地用于通讯装置如电视接收机和电话调制解调器中。在传输中使用已知的PN序列训练信号的主要好处是可以精确地获得误差，并且可以训练均衡器以在发射和接收数据之前和期间均衡传输信道。
在发射机和接收机将训练信号编程。通过从自适应均衡器输出减去本地产生的训练信号的接收机拷贝在接收机形成误差信号。训练信号如已知的帮助打开接收信号初始闭合的“眼”特性。在与训练信号自适应之后，“眼”已经大大地打开并且均衡器转换到直接判决操作模式。在这种模式中通过使用来自均衡器输出的实际码元值而不是使用训练信号获得滤波器抽头加权值的最后收敛。直接判决均衡模式能够比周期性地使用发射的训练信号的方法更快地跟踪和消除时变信道失真。为了给直接判决均衡提供可靠的收敛和稳定的系数值，判别的大约90％必须是正确的。训练信号帮助均衡器获得这90％的正确判决水平。
在一些系统中，“盲(bind)”均衡用于提供均衡器系数值的初始收敛并且迫使“眼”打开。在盲模式中，响应使用一个已知函数或算法计算的误差信号粗略地调节滤波器系数。最通用的盲均衡算法是恒定模数算法(CMA)和减缩构象算法(RCA)。这些算法在例如Proakis的数字通讯，McGraw-Hill：NewYork，1989和Godard的“两维数据通讯系统的自恢复均衡和载波追踪”，见IEEE Transaction on Communications(IEEE通信文集)，Nov.1980中进行了讨论。简单地说，CMA取决于如下事实，在判定瞬间，所检测的数据码元的模数应该落在定义不同直径的若干(构象)圆圈之一的点的轨迹上。RCA依赖于在主要发射构象内形成“超构象”。首先迫使数据信号适合于一个超构象，然后超构象被细分以包括整个构象。
本发明的目的是提供一种具有训练模式的自适应信道均衡器。根据本发明的原理，通过使接收的训练数据再循环通过均衡器获得更快的均衡。在处理VSB调制信号的高清晰度电视接收机的情况下，训练数据在字段同步间隔之间的数据字段间隔内被再循环若干次。
图1是先进的电视接收机如高清晰度电视(HDTV)接收机的一部分方块图，它包括一个按照本发明原理的工作在训练模式下的自适应均衡器系统。
图2描述了根据大联盟(Grand Alliance)HDTV系统的VSB信号的数据帧格式。
图3示出一个数据字段的字段同步分量的格式。
图4详细示出图1中训练信号再循环网络。
图5描述了有助于理解图4中网络工作的波形。
图6详细示出图1中自适应信道均衡器。
在图1的电视接收机中，调制的模拟HDTV输入信号由输入网络14处理，输入网络14例如包括RF调谐电路、一个用于产生中频通带输出信号的双变频调谐器以及适当的增益控制电路。接收的信号是如由美国大联盟HDTV系统建议使用的8-VSB调制信号。这样一种VSB信号由一个一维数据码元构象表示，其中只有一个轴包含要被接收机恢复的量化的数据。为了简化该图，未示出用于使所示出的功能块同步的信号。
如1994年4月14日大联盟HDTV系统规范中描述的，VSB传输系统以图2所示规定的数据帧格式发射数据。在抑制载波频率上一个小导频信号加到发射的信号以帮助在VSB接收机获得载波锁定。参照图2，每个数据帧包括两个字段，每个字段包括832个多电平码元的313个段。每个字段的第一段称为字段段，而剩余的312个段是数据段。数据段包含MPEG可兼容的数据包。每个数据段包括一个四码元段同步字符，后面跟随828个数据码元。如图3所示，每个字段段包括一个四码元段同步，后面跟随着一个字段同步分量，它包括预定的511个码元伪随机数(PN)序列和三个预定的63个码元PN序列，中间一个在相继的字段中被反相。VSB模式控制信号(定义VSB码元构象大小)跟随着最后的63个PN序列，它后面跟随有保留的码元和从先前字段复制的12个预编码码元。
来自图1中单元14的通带输出信号经过VSB解调器和载波恢复网络18被转换为基带信号。在这个例子中网络18包含按大联盟HDTV系统规范以及在IEEE Transactions on Consumer Electronics(消费电子文集)，1995年8月，W.Bretl等人的文章“用于大联盟数字电视接收机的VSB调制解调器子系统设计”中的描述设置的电路。简单地说，载波恢复可以通过使用包含在广播VSB信号中的小导频信号分量的频率和锁相环实现。来自网络18的输出基带信号仅包含沿着实数轴恢复的I信道数据码元。来自网络18的解调的码元信息通过模数转换器19转换为数字数据流。
数据段同步恢复和码元时钟(定时)恢复由单元15完成，它可以包括如大联盟HDTV系统规范和前面提到的Bretl等人文章中描述的网络。当已经获得段同步和定时恢复时产生段同步检测输出信号。恢复的段同步用于再生一个适当的相控码元时钟，该时钟由模数转换器19用于控制数据流码元抽样。
模数转换器19的输出施加到字段同步检测器17。大联盟HDTV规范和Bretl等人的文章还讨论了适用于提供字段同步检测的网络。当已经检测到字段同步分量时检测器17提供一个字段同步检测输出信号到微处理器66。如将结合图4和5讨论的，来自单元19的数字数据由本发明的训练数据再循环网络35处理。如将结合图6详细讨论的，来自网络35的输出信号施加到自适应均衡器网络50。来自网络50的均衡的基带输出信号由单元60译码并且由输出网络64处理。译码器60包括例如已知的和上面提到的Bretl的文章中描述的格构译码、数据解交织器、Reed-Solomon纠错和音频/视频译码器网络。输出处理器64包括音频/视频处理器和音频/视频再现装置。
当检测到接收信号的这些同步分量时，单元15和单元17的段同步和字段同步检测电路将输出段同步检测和字段同步检测信号提供到控制信号发生器66(例如包括一个微处理器)。如将讨论的，微处理器66响应运些信号以将输出均衡器控制信号和输出参考PN(伪随机数序列)训练信号提供到均衡器50。PN训练信号序列是如大联盟HDTV规范规定的二进制数据的固定重复模式，并且是由控制信号发生器66从存储器77获得的预编程参考信号。因为存储的PN信号的数据模式是已知的，所以在字段同步间隔期间通过获得存储的参考PN信号和接收的数据流的PN训练信号分量之间的差值产生精确的误差。如将讨论的，均衡器控制信号控制多路复用器26、28和29在盲、训练和直接判定操作模式下的转换。
通过使训练信号数据再循环通过均衡器50，训练信号再循环块35促进更快的均衡。关于这方面已经确定一般在一个VSB数据帧的两个连续字段之间传输信道状态表现较少变化或没有变化。这样，根据本发明的原理，一旦检测到字段同步并且从接收的数据流获得发射的PN训练信号，则接收的训练数据被存储并且被再使用若干次以更新均衡器系数。在许多情况下这种再使用允许训练信号在跟随第一个检测字段同步的第一个字段期间打开码元数据流的“眼”特性。在后来的直接判定模式期间获得完全的均衡。
图4示出训练信号再循环网络35的细节。来自单元17的“I”码元数据流施加到多路复用器410和420的各个输入端。被均衡的输出数据从多路复用器410的输出端传送到均衡器50。来自多路复用器420的输出数据，从输入数据流提取的训练数据由缓冲存储器430存储。缓冲器430可以是一个随机存储器(RAM)或一个先进先出存储器(FIFO)，在这个例子中具有578个码元训练数据的存储容量，不过存储容量可以被设计成为满足一个特定系统的要求。存储器430的输出施加到多路复用器410的第二个信号输入端，并且也反馈到多路复用器420的第二个信号输入端。多路复用器410的转换控制由图1的控制信号发生器66产生的再循环信号提供，而多路复用器420的转换控制也由控制信号发生器66产生的保存信号提供。图5示出再循环信号和保存信号。
将图4和图5一起考虑，字段同步检测器17(图1)产生一个重复字段同步检测信号用于每个检测的字段同步。当检测到第一字段同步时，例如在一个复位状态之后如重新加电之后，控制信号发生器66产生一个具有578个码元持续时间的保存信号。这个信号由字段同步检测信号触发并且实质上是一个指令，该指令将随后出现在输入数据流中的训练信号数据写到存储器430。特别在这个例子中，多路复用器420传递第一578码元样本，这些样本出现在施加到多路复用器420信号输入端数据流的字段同步分量中。这578个码元构成图3示出的训练码元数据的一部分。这样四码元段同步、一个长的511码元PN序列以及一个短的63PN码元序列被捕获并且被保存在存储器430中。中间63码元PN序列在每隔一个数据字段同步分量被反相。为了减少硬件复杂性，在这个例子中只使用三个63码元序列的中第一个，不过所有三个63码元段可以与长的511码元分量用在其他系统中。
当训练数据被写到存储器430时，在输入数据流的训练数据通过多路复用器410到均衡器50。在保存信号的末尾，控制信号发生器66产生再循环信号，它最好具有578个码元的整数倍的持续时间。根据一个特定系统的需求预先将该整数倍(N)编程，使得在下一个字段同步分量出现之前，578个训练码元在数据字段期间重复一个预定的次数。同时，再循环信号施加到存储器70(图1)，该存储器存储本地参考版本的训练信号。在这个例子中，存储器70存储本地版本的包括第一578码元的信号。这个本地参考训练信号从存储器70输出并且与包含接收的训练数据的均衡输出信号相比较。当再循环信号存在时，存储器430的训练数据内容以自激形式从存储器430的输出经过多路复用器420的较低输入端被连续地再循环。同时，在再循环信号的持续时间内，训练数据被重复地从存储器430和输出多路复用器410的较低输入端传送到均衡器50，这里均衡器50重复地将包含在均衡输出信号中的从多路复用器410接收的训练信号与来自存储器70的本地参考训练信号相比较。
在再循环信号的末尾，如由一个本地产生的均衡误差(收敛)信号的预定可接受值表示的，如果已经获得足够的均衡，则均衡器在数据段间隔期间进入直接判定模式。否则，训练模式继续，因此对于后来的字段重复上述的训练数据再循环处理。
在图6所示的均衡器网络中，解调的数字输入信号包含数字数据以及由传输信道干扰和后生物引起的码元间干扰(ISI)。这个输入信号施加到起均衡器作用的实数(相对于复数)前馈滤波器(FFF)20，例如码元率间隔(“T-间隔(T-spaced)”)均衡器，在这种情况下它作为一个数字FIR滤波器实现。如将讨论的，均衡器滤波器20的系数值(抽头加权值)由来自多路复用器26的系数控制信号自适应地控制。
由加法器24将来自滤波器20的均衡信号与来自起均衡器作用的判定反馈滤波器30的均衡信号组合。DFF30去除没有被FFF20去除的码元间干扰。均衡器滤波器30的系数值(抽头加权值)也由来自多路复用器26的系数控制信号(即转换的误差信号)自适应地控制。被DFF30均衡的输入信号由多路复用器28提供。在盲和直接判定操作模式期间FFF20和DFF30具有响应系数控制信号修改(更新)的系数值。FFF20和DFF30都是数字FIR滤波器，它们各自完成均衡功能。当一起考虑时，这些滤波器表示一个集合均衡器50，用于均衡到译码器60的输入信号。FFF20均衡前重影分量，而DFF30均衡后重影分量。从初始接收到输入信号开始FFF20和DFF30以线性无限冲激响应(IIR)模式工作。FFF20和DFF30都是FIR器件，但反馈操作使得DFF30作为IIR器件工作。
来自加法器24的输出信号是均衡器50的输出信号。加法器24的输出耦合到一个网络，该网络包括多路复用器26和28、限幅器40、减法组合器21以及提供CMA盲自适应算法的源25。
在下面描述的均衡器50操作中，为了简化描述，暂时忽略初始再循环训练信号数据的过程。
如将解释的，当检测到字段同步和段同步分量时，多路复用器26响应微处理器66对于不同操作模式产生的控制信号提供两个信号中任一个到FFF20和DFF30的系数控制输入端。来自多路复用器26的这些信号包括来自单元25的响应于均衡器输出信号的CMA盲自适应算法，以及来自减法组合器21输出的误差信号。误差信号表示限幅器40的输入信号和第三多路复用器29的输出之间的差值。组合器21的输出是限幅误差信号或训练误差信号，这里
   限幅误差＝限幅器40的输出-均衡器输出
   训练误差＝PN参考信号-均衡器输出
当产生训练误差信号时，均衡器输出是接收的数据流的PN训练信号分量。
多路复用器28响应来自微处理器66的均衡器控制信号提供三个输入信号中任何一个到DFF30的信号输入端。这些信号包括如经过直接连接施加到多路复用器28的第一输入端(1)的均衡器50输出信号，施加到多路复用器28的第二个输入端(2)的来自限幅器40的输出信号，以及施加到多路复用器28的第三个输入端(3)的来自存储器70和单元66的存储PN参考信号。
响应来自微处理器66的均衡器控制信号选择多路复用器29的输入。多路复用器29在字段同步间隔期间接收参考PN训练信号序列作为输入，而在其他时间接收来自限幅器40的输出信号。多路复用器29的输出施加到减法组合器21，这里它与来自均衡器50的输出信号进行差值计算以产生误差信号。误差信号表示限幅器40和均衡器50输出信号之间的差值，或者参考PN信号和包含在均衡器50输出信号中的接收数据流的PN信号分量之间的差值。
在操作中，均衡器50呈现出一种初始状态、一个盲工作模式、一个数据直接训练模式、一个直接判定模式以及一个稳态均衡状态。当接收的8-VSB信号的特性八级“眼”图呈现一个非收敛的闭合眼图时，盲模式出现。当一个打开的“眼”图出现时，训练和直接判定操作随后出现。应该注意如果接收的训练信号分量被立刻检测到则“眼”图不必打开。在这种情况下，甚至在“眼”图打开之前，只要检测到训练信号分量就使用它。
在初始状态中，在获得定时锁定(定时恢复)之前，当解调器18试图相对于自动增益控制(AGC)、定时和载波锁定接收的信号时，FFF20和DFF30闲置。这时除了一个抽头值复位在预定的非零初始值以外，施加到多路复用器26和28的均衡器控制信号导致FFF20和DFF30的所有抽头的系数值复位并且保持在零值上。均衡器控制信号的这个动作冻结滤波器系数值以防止在实际有用的均衡过程开始之前系数值中发生不希望的随机变化。另一方面，FFF20和DFF30可以预加载最后已知的有效系数值。在这个初始状态，多路复用器26和28表现出零输出。这时多路复用器29的输出是一个“不用考虑”状态。
在获得粗略定时之后，接着使用CMA算法的盲均衡过程开始。在字段同步段之间实现盲模式。这发生在检测到接收信号的段同步分量时。载波锁定和AGC锁定是存在的。在这时段同步检测信号传送到微处理器66，该处理器接着产生适当的均衡器控制信号。在检测到接收信号的字段同步分量之前盲均衡的过程包括使用CMA算法。特别地，施加到多路复用器26的均衡器控制信号使得多路复用器26从它的输入端(1)传送CMA算法到FFF20和DFF30的系数控制输入端，而施加到多路复用器28的控制信号使得多路复用器28从它的输入端(1)传送均衡器输出信号到DFF30的信号输入端。在盲均衡间隔期间多路复用器29的输出端是一种“不用考虑”的状态。
当检测到字段同步分量之后获得定时锁定时，训练和直接判定均衡的过程随后发生。在每个数据帧的字段同步间隔期间当获得接收的PN信号分量时直接数据训练模式出现。字段同步分量的存在启动PN序列训练模式的开始。如结合图4和5讨论的，这时字段同步检测信号传送到微处理器66，它接着产生适当的均衡器控制信号。在字段同步间隔期间当得到接收的PN训练分量并且在检测到字段同步之后从存储器70获得参考PN信号时，分别施加到多路复用器26、28和29的控制信号使得(a)训练误差信号经过多路复用器26耦合到FFF20和DFF30的系数控制输入端，(b)参考PN信号经过多路复用器28被传送到DFF30的信号输入端，以及(c)参考PN信号经过多路复用器29被耦合到组合器21。
在每个数据帧的非字段同步间隔期间当正进行基于限幅器的直接判定均衡时，分别施加到多路复用器26、28和29的控制信号使得(a)限幅误差信号经过多路复用器26耦合到FFF20和DFF30的系数控制输入端，(b)限幅器40的输出经过多路复用器28被传送到DFF30的信号输入端，以及(c)限幅器40的输出经过多路复用器29被耦合到组合器21。在已经获得均衡之后的稳态工作期间，用于直接判定操作的上述信号状态经常发生。操作模式                Mux26到FFF、       Mux28到DFF           Mux29输出
                    DFF系数控制        信号输入初始状态                    0                   0                 ……盲均衡                     CMA             均衡输出               ……训练(字段同步间隔)      训练误差           参考PN信号           参考PN直接判定(非字段同       限幅误差           限幅器输出           限幅器输出步间隔)
在再循环过程响应训练信号再循环信号期间，与训练模式相联系的均衡器控制信号的持续时间被延长。在自适应均衡的初始阶段期间根据本发明原理的再循环训练信号数据出现。自适应均衡的初始阶段可以作为就预期的信号状态进行编程的软件功能使用盲均衡、再循环训练信号，或者这些过程的预定组合。训练信号再循环可以有选择地执行或者当检测到第一个字段同步段时不执行。在跟随第一个字段同步段间隔的字段同步间隔之后的数据段间隔中，如果数据“眼”图没有打开可以重复盲均衡。训练信号再循环可以有选择地执行或者当检测到第二个字段同步时不执行，对于直接判定模式依次类推。
根据一个给定系统和期望的信号状态的要求，可以在一个预定整数周期，例如3-4或10-15个周期上发生再循环或重复训练信号数据。作为某些信息的函数，均衡系统被微处理器控制在两个再循环序列之间转换。例如，在一个16-VSB调制信号的情况下可能需要仅仅一个数据字段内训练数据的2或3次重复来收敛均衡器。另一方面，一个健全性较弱的8-VSB调制的地面广播信号可能要求训练数据10或15次重复以达到收敛。过大数量的训练数据重复次数是耗费时间的，因此是不希望的。
在收敛前的数据段期间，当正在再循环训练数据时，直接判定均衡器操作是不起作用的。这是由发生器66响应再循环信号(图5)提供适当的均衡器控制信号到多路复用器26和28实现的。如下面讨论的，在每个再循环信号的末尾，均衡器再次能够如需要的工作在直接判定模式或盲模式。
在一个给定字段内(例如在获得字段同步之后的第一个字段内)完成一个预定数量的训练数据重复之后，检验均衡器性能以确定是否均衡器已经获得收敛。这可以在下一个字段例如第二个字段期间通过禁止再循环控制信号并且进入直接判定模式实现。如果直接判定操作产生一个大的限幅误差信号，表示没有获得收敛，则在下一个(第三个)字段期间禁止直接判定操作并且在下一个数据字段期间响应再循环控制信号重复训练数据的预定重复次数。这个过程一直持续到限幅误差信号表示已经获得收敛。如前面表中表示的，当运种情况发生时，再循环信号被禁止，在非字段同步(数据段)间隔期间允许直接判定模式，而在字段同步间隔期间允许直接数据训练模式。
可能需要在若干字段上再循环训练信号以获得收敛。另一方面，如果例如在再循环的一个或两个字段之后没有达到收敛，则可以在与再循环训练数据过程的一些预定协同组合中使用盲均衡模式。
虽然本发明在上下文中就电视接收机进行了描述，本发明还可以应用于其他通讯装置中，例如在调制解调器或COFDM网络中使用训练信号或等同物。

Claims (10)

1.一个用于处理从传输信道接收的数据流的系统，所述数据流包含递归训练数据分量(PN序列)，所述系统的特征在于：
解调器(18)，响应所述数据流产生解调信号；
自适应信道均衡器(50)，响应所述解调信号并且具有包括响应所述训练数据分量的训练模式的多种操作模式；其中
在所述训练模式的预定间隔期间接收的训练数据分量(PN)由所述均衡器使用好几次(35)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数据流包含一个包括递归训练数据分量的接收残留边带(VSB)调制信号和由VSB码元构象表示的高清晰度视频数据，所述数据具有由包括一个字段同步分量的一系列数据帧构成的数据帧形式，该字段同步分量位于多个数据段的前面。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于在跟随第一个检测的字段同步分量的第一个数据字段期间再次使用所述接收的训练数据分量。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述再次使用的训练数据包含在所述第一个检测的字段同步分量中。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述再次使用训练数据分量由小于所有所述接收训练数据的数据构成。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述训练数据由多个伪随机数(PN)序列构成；以及
所述再次使用训练数据由小于所有所述PN序列的数据构成。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述多个PN序列包括一个反相PN序列(中间PN63序列)，该序列从一个数据字段到下一个数据字段反相；以及
所述再次使用训练数据由小于所有所述PN序列的数据构成，该所述PN序列不包括所述反相PN序列。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述再次使用训练数据由所述PN序列的前两个(PN511，PN63)构成。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述训练数据包括一个第一PN序列(PN511)和三个后来的、相对短一些的PN序列(PN63…)；以及
所述再次使用训练数据由所述PN序列的前两个构成。
10.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述预定间隔包括一个字段同步间隔和一个数据字段的多个数据段间隔。
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