CN1389057A - 相位序列中相位跳变的检测和校正 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于MPSK(M=2ⁿ)调制的任何接收机,其中误差校正装置被使用来校正Tretter类型的频率误差,以及在这个装置的上游,有基于对接收符号作出的判决的相位估值装置。当频率误差是这样,以使得基于某个符号在判决中造成错误时,这个错误是由在得出的相位估值序列中的±π/2^n－1的相位跳变转换的。于是所得到的频率估值是不准确的。按照本发明的接收机包括用于根据对符号作出的判决来计算被称为初始序列的相位序列的装置,以及用于检测和校正这个初始序列中的相位跳变,以便把被称为最后序列的相位序列提供给所述频率误差估值装置的装置。应用:交互式数据传输系统－网络头端。

Description

相位序列中相位跳变的检测和校正

                        发明领域

本发明涉及一种通信系统，包括至少一个发射机和一个打算接收来自PSK调制的符号的接收机，以及包括用于根据符号相位序列来估值有关符号的频率误差的估值装置。本发明还涉及打算被使用于这样的通信系统的接收机。

本发明也涉及根据符号相位序列估值与来自PSK调制的接收符号有关的频率误差的方法，以及涉及检测和校正来自PSK调制的符号的初始相位序列中的相位跳变的方法。

本发明最后涉及包括用于实施这种方法的指令的计算机程序。

                        发明背景

这样的基于相位序列的、有关接收符号的频率误差的估值算法，例如在M.Morelli和U.Mengali的论文“Feedforward FrequencyEstimation for PSK：a Tutorial Review(PSK的前向频率估值：指导性回顾)”的4.1节中描述，见杂志“European Transactions onTelecommunications，Vol.9，No.2，March-April 1998”。这个算法被称为Tretter算法或最小平方法。

为了得到这样的相位序列，已知要使用相位估值算法，它根据对各种接收符号作出的判决来估值有关接收符号的相位。例如，使用期望最大值算法，这种算法在F.Daffara和J.Lamour的、题目为“Comparison between digital recovery technique in thepresence of frequency shift(存在频率漂移时数字恢复技术之间的比较)”的、“International Conference on Communications，New Orleans，USA，1994年5月1日-5日，Vol.2，第940和945页”的会议报告的3.3段中描述。

提出的问题如下：在包括2ⁿ点的PSK调制中，两个相邻的点具有π/2^n-1的相位差。当频率误差是这样，使得基于某个符号在判决中造成错误时，这个错误是由在得到的相位估值序列中的±π/2^n-1的相位跳变转换的。可能得到的相位跳变的数目取决于分组中包含的符号的数目和初始频率差值。

当相位序列(被用来应用Tretter算法)包括一个或多个相位跳变时，得到的频率估值是不准确的。本发明的主要目的是提供对这个问题的解决方案。

                        发明概要

为此，按照本发明的、以及如开头段落中描述的通信系统的特征在于，所述接收机包括用于根据对符号作出的判决计算相位序列(被称为初始序列)的计算装置；以及用于检测和校正这个初始序列中的相位跳变以把一个相位序列(被称为最后序列)提供给所述频率误差估值装置的装置。

有利地，所述用于检测和校正相位跳变的装置包括：

-修正装置，用于修正所述初始序列，以便生成多个修正的序列，它们每个都补偿相位跳变配置，

-计算装置，用于计算确定初始序列和修正序列的直线方程，

-计算装置，用于为初始序列和修正序列计算在初始或修正相位与通过相应的直线方程产生的相位之间的平均差值，所述最后序列由平均差值最小的序列构成。

                        附图简述

参照后面描述的实施例，借助于非限制性的例子，可了解和阐明本发明的这些和其它方面。

在图上：

图1是按照本发明的通信系统的例子的图，

图2是描述相位估值方法的步骤的流程图，

图3是描述由按照本发明的相位跳变校正和检测装置使用的操作的流程图，

图4是包括一个相位跳变的相位序列的表示，

图5是包括两个相位跳变的相位序列的表示，

图6是通过本发明得到的结果的曲线形式表示。

                     优选实施例描述

在图1上，给出按照本发明的通信系统的例子。这个通信系统包括交互用户终端1，它们是本发明意义内的发射机，以及头端站2，它是本发明意义内的接收机。头端站2发射第一频段Ku(12-14GHz)内的信号。这些信号被卫星3中继到交互用户终端1。交互用户终端在第二频段Ka(20-30GHz)中发射信号。这些信号被卫星3中继到头端站2。

每个终端1包括数据源10和信道编码装置12。信道编码装置传递N符号的分组，它们包含前同步符号和数据符号。这些分组然后被发送到滤波装置13，最后到调制装置14，后者使用具有频率f_c的本地振荡器。

头端站2包括解调装置20，它们使用具有频率f_c+Δf₀/Ts(其中Δf₀是相对于符号频率的归一化频率差值，以及Ts是符号持续时间)和初始相位Θ₀的本地振荡器。头端站2还包括滤波装置21和采样装置22，后者采样滤波器21的输出信号，以便传递被称为接收符号的符号。该已接收符号被发送到频率恢复装置23，它估计归一化频率差值Δf₀，和校正接收符号，以便补偿估计的差值f₀。频率恢复装置23传递频率校正的符号。这些频率校正的符号被发送到相位恢复装置24。相位校正的和频率校正的符号最后发送到信道译码装置25，它传递数据27。

在这里描述的例子中，相位恢复装置24包括相位与频率估值装置50和相位校正装置51。相位估值装置50是参照图2描述的。它们由一个打算被经过L次的环路组成。在下文中，下标m(m＝1到L)是环路计数器。因此每个m值相应于一次环路路径。环路包括：

-传统的相位估值装置52(例如期望最大值)，用于产生相关于符号分组r_k ^(m-1)(m＝1到L，和k＝1到q，其中q≤N)的初始相位序列S1，

-装置53，用于根据初始序列S1计算相关于所述分组的频率误差，

-装置54，用于校正分组的符号的频率，以便校正所述频率误差，

-环路装置55，把频率校正的符号r_k ^(m)提供给相位估值装置52，用于下一个通过环路的路径，

-以及环路输出装置56，把相位估值装置52估值的相位(或直接地，要作出的校正)和要被校正的符号提供到相位校正装置51。

计算装置53根据由相位估值装置52产生的初始相位序列S1计算相关于同一个分组的符号r_k ^(m-1)的频率误差估值f_m。这个相位序列S1的值处在-∞和+∞之间。计算装置53包括：

-装置60，用于检测和校正相位跳变，以便校正这个初始序列S1和传递最后序列S2，

-装置62，通过应用Tretter算法计算可能最接近序列S2的数值的直线的斜率。所得到的斜率构成相关于分组符号的频率误差估值f_m。正是这个频率误差被发送到频率校正装置54。在频率校正后得到的符号，r_k ^(m)＝rk^(m-1).e^-2πjkfm，被发送到相位估值装置52，用于新的通过环路的路径。在最后的通过环路的路径(m=L)期间，要被校正的符号r_k ^(L-1)和要对这些符号作出的相位校正 被发送到相位校正装置51。

用于检测和校正相位跳变的装置60显示于图3。它们包括：

-用于修正初始序列，以便补偿多个相位跳变配置的装置100；该校正装置100产生每个相应于相位跳变配置的校正的多个修正序列；

-装置110，用于计算确定初始序列和修正序列的直线方程，

-计算装置120，用于为初始序列和修正序列计算在初始或修正相位与通过相应的直线方程产生的相位之间的平均差值，所述最后序列是由平均差值最小的序列构成的。

检测和校正相位跳变的装置60的使用是不同的，它取决于希望校正的相位跳变的数目。但应用的方法保持为相同的。因此，本发明可应用于任意数目的相位跳变。现在描述检测和校正相位跳变的装置60的实施例的两个例子：

-第一例，其中检测和校正相位跳变的装置60打算校正单个±π/2的相位跳变；

-第二例，其中检测和校正相位跳变的装置60打算校正在同一个方向的两个±π/2的相位跳变；这个第二例相应于其中发送的分组是53八位位组的ATM信元的最可能的情形。

在将要描述的例子中，修正装置100逐个相位地修正初始序列S1。但是，为了减小要执行的计算数目，有可能逐个相位组地修正序列。这等价于只补偿某些的相位跳变配置。

现在参照图4描述检测和校正相位跳变的装置60的实施例的第一例。在图4上，给出包括+π/2的相位跳变的初始序列S1的例子。检测和校正相位跳变的装置60的功能是检测相位跳变的位置和方向，然后校正它。所以，如图3所示，它们执行以下的运算：

(a)把Tretter算法应用于由相位_j(j＝0到q-1)构成的初始序列S1，得出确定这个序列的直线方程D₀。这个方程被写为：

D₀：y＝a₀.x+b₀具有：

a₀＝α.S′-β.S和b₀＝γ.S-β.S′其中

α＝12/(q.(q²-1))，β＝6/(q.(q+1))以及

γ＝2(2q-1)/(q(q+1))

当认为相位的不确定性对于无论哪个j都是恒定的时，这些表示式可以从以下的书中第523和524页上显示的计算中很容易地得出，该书是W.H.Press，S.A.Teukolsky，W.T.Vetterling和B.P.Flannery的、题目为“Numerical Recipes in C，the art ofscientific computing，second edition(用C语言的数字方法，科学计算技术，第二版)”，Cambridge University Press，1995年出版。

(b)计算在初始序列S1的相位_j与来自直线方程D₀的相位y(j)之间的初始平均差值(σ₀)²。

(c)初始序列S1从末尾(序号q-1的符号)开始逐点运行；下标i是表示相位跳变的位置的计数器(i＝q-1，…，0)。

(d)对于每个步骤，相位_j(j＝q-i，…，q-1)被修正+π/2，这样，得到修正的序列C_i ⁺。这个序列C_i ⁺因此由以下相位组成：

(e)对于每个步骤计算一个直线方程D_i ⁺，该直线确定修正序列C_i ⁺。这个方程被写为：

D_i ⁺：y＝(a_i)⁺.x+(b_i)⁺具有：

a_i ⁺＝α.(S_i′)⁺-β.(S_i)⁺和b_i ⁺＝γ.(S_i)⁺-β.(S_i′)⁺其中

和

也就是说， ${a_i}^{+}=a_0+\mathrm{\α}.\frac{\mathrm{\π}}{2}.i.(q-\frac{i+1}{2})-\mathrm{\β}.i.\frac{\mathrm{\π}}{2}=a_0+\left({A_i}^{+}\right)$ 具有 $\left({A_i}^{+}\right)=\mathrm{\α}.\frac{\mathrm{\π}}{2}.i.(q-\frac{i+1}{2})-\mathrm{\β}.i.\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 以及 ${b_i}^{+}=b_0+\mathrm{\γ}.i.\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}.\frac{\mathrm{\π}}{2}.i.(q-\frac{i+1}{2})=b_0+\left({B_i}^{+}\right)$ 具有 $\left({B_i}^{+}\right)=\mathrm{\γ}.i.\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}.\frac{\mathrm{\π}}{2}.i.(q-\frac{i+1}{2})$

(f)对于每个修正序列C_i ⁺，计算在修正序列C_i ⁺的相位_j ⁺与来自直线方程D_i ⁺的相位y(j)之间的平均差值(σ_i ⁺)²。

(g)在-π/2的初始序列的相位_j(j＝q-i…，q-1)被修正时重复进行运算(c)到(f)。对于i的每个值，得出另一个修正序列C_i ^-。它是由相位 组成的。

(h)最后序列S2由其平均差值最小的序列组成。

对于不太复杂的使用，根据初始的平均差值(σ₀)²计算平均差值(σ_i ⁺)²。可以得出：

+b₀[(A_i ⁺).q.(q-1)+2.(B_i ⁺).q-π.i] $+a_0\[\frac{\left({A_i}^{+}\right).q.(q-1).(2q-1)}{3}+\left({B_i}^{+}\right).q.(q-1)-\frac{\mathrm{\π}}{2}.i.(2q-i-1)\]$ 通过在(σ_i ⁺)²的表达式中用-π代替π，用-(A_i ^-)代替(A_i ⁺)，用-(B_i ^-)代替(B_i ⁺)，可以得出平均差值(σ_i ^-)²。

现在参照图5描述用于检测和校正相位跳变的装置60的实施例的第二例。图5上显示包括+π/2的两个相位跳变的初始序列S1的例子。在步骤(d)，对于从序号q-k-p到q-k-1的p个符号，相位被修正+π/2，以及对于从序号q-k到q的k个符号，相位被修正+π(k在1与q之间变化，以及p在1与q-k之间变化)。

在步骤(d)得到的修正的序列因此被写为：

在步骤(e)计算的直线方程被写为：D_p，k ⁺：y＝(a_p，k ⁺).x+(b_p，k ⁺)具有：

(a_p，k)⁺＝α.(S_p，k′)⁺-β.(S_p，k)⁺和(b_p，k)⁺＝γ.(S_p，k)⁺-β.(S_p，k′)⁺其中

以及

也就是说， ${a_{p,k}}^{+}=a_0+\mathrm{\α}[\frac{\mathrm{\π}}{2}.p.(q-k-\frac{p+1}{2})+\mathrm{\π}.k.(q-\frac{k+1}{2})]-\mathrm{\β}[p\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{k\π}]=a_0+\left({A_{p,k}}^{+}\right)$ 具有 $\left({A_{p,k}}^{+}\right)=\mathrm{\α}[\frac{\mathrm{\π}}{2}.p.(q-k-\frac{p+1}{2})+\mathrm{\π}.k.(q-\frac{k+1}{2})]-\mathrm{\β}[p\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{k\π}]$ 和 ${b_{p,k}}^{+}=b_0+\mathrm{\γ}[p\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{k\π}]-\mathrm{\β}[\frac{\mathrm{\π}}{2}.p.(q-k-\frac{p+1}{2})+\mathrm{\π}.k.(q-\frac{k+1}{2})]=b_0+\left({B_{p,k}}^{+}\right)$ 具有 $\left({B_{p,k}}^{+}\right)=\mathrm{\γ}[p\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{k\π}]-\mathrm{\β}[\frac{\mathrm{\π}}{2}.p.(q-k-\frac{p+1}{2})+\mathrm{\π}.k.(q-\frac{k+1}{2})]$

对于不太复杂的实施方案，根据初始的平均差值(σ₀)²计算平均差值(σ_p，k ⁺)²。可以得出以下的表示式：+b₀[(A_p，k ⁺).q.(q-1)+2.(B_p，k ⁺).q-π(p+2k)] $+a_0[\frac{\left({A_{p,k}}^{+}\right).q.(q-1).(2q-1)}{3}+\left({B_{p,k}}^{+}\right).q.(q-1)-\frac{\mathrm{\π}}{2}.p.(2q-2k-p-1)-\mathrm{\π}.k.(2q-k-1)]$ $+q.{\left({B_{p,k}}^{+}\right)}^2+\left({A_{p,k}}^{+}\right).\left({B_{p,k}}^{+}\right).q.(q-1)+\frac{{\left({A_{p,k}}^{+}\right)}^2.q.(q-1).(2q-1)}{6}$ $-\frac{\mathrm{\π}}{2}.\left({A_{p,k}}^{+}\right).p.(2q-2k-p-1)-\mathrm{\π}.\left({A_{p,k}}^{+}\right).k.(2q-k-1)-\mathrm{\π}.\left({B_{p,k}}^{+}\right).(p+2k)+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{4}.(p+4k)$

通过在(σ_p，k ⁺)²的表示式中用-π代替π，用-(A_p，k ^-)代替(A_p，k ⁺)，用-(B_p，k ^-)代替(B_p，k ⁺)，得出平均差值(σ_p，k ^-)²。

可以看到，已描述的装置是有利地以计算机程序的形式被使用的计算装置，该计算机程序是打算由被放置在接收机中的微处理器执行的。

在图6上显示在参照图1和2描述的系统中按照本发明得到的结果。图6的曲线代表在以下三种情形下分组错误率(PER)对信号噪声比(SNR)的绘制结果：

-曲线R3：当没有检测到相位跳变时；

-曲线R2：当用按照本发明的方法检测和校正相位跳变时；

-曲线R1：对于高斯信道(对于相位或频率没有缺陷)。

这些曲线是对于以下条件得到的：

-QPSK调制，

-随机初始频率误差Δf₀处在符号频率的-1％和+1％之间，

-随机初始相位误差θ₀处在-π和+π之间，

-分组，包括48个符号的已知的前同步信号[a₁，…，a₄₈]和544个符号的有效负荷部分[a₄₉，…，a₅₉₂]，

-频率恢复算法(装置23所利用的)，它使用分组前同步信号，以及它在相位估值之前被应用，以使得在相位估值之前剩余的频率误差Δf₁小于或等于符号频率的0.3％，

-相位估值装置50，它由被通过L＝2次的环路组成，

-在发送时，里德所罗门编码和在64个状态中被穿孔的卷积编码。

本发明并不限于以上通过例子描述的实施例。更具体地，本发明涉及利用Tretter类型的频率误差校正设备和在这种设备的上游的相位估值设备(基于对接收符号作出的判决)的任何类型的接收机。

而且，通过应用这种方法可以检测和校正的相位跳变的数目是任意的。当发送的数据分组较长时，有可能有两个以上的相位跳变。在这种情形下，为了使得计算不会太复杂，可以有利地选择把数据分组划分成较小的部分，以便又在同一位置每个分组部分具有最大两个相位跳变。上述的方法因此可以应用到分组的每个部分。它提供各个相位跳变的位置和方向。然后，把相位校正π/2的倍数，作为跳变的方向和它们的数目的函数。这样，Tretter算法被应用到这个校正的序列，以得出最后频率估值。为了避免在分组的两个部分之间出现跳变，希望提供在同一个分组的各个部分之间的重叠。

通过考虑±2π/M的相位跳变(代替对于QPSK调制的±π/2)，所提出的方法通常被使用于任何的MPSK调制。

Claims (10)

1.一种通信系统，包括至少一个发射机(1)和打算接收来自PSK调制的符号的接收机(2)，以及包括估值装置(62)，用于根据符号相位序列来估值有关符号的频率误差，

其特征在于，所述接收机包括用于根据对符号作出的判决计算被称为初始序列(S1)的相位序列的计算装置(52)，以及用于检测和校正这个初始序列中的相位跳变以把被称为最后序列(S2)的相位序列提供给所述频率误差估值装置(62)的装置。

2.如权利要求1中要求的通信系统，其特征在于，所述用于检测和校正相位跳变的装置包括：

-修正装置(100)，用于修正所述初始序列(S1)，以便生成多个修正的序列(C_i ⁺；C_i ^-；C_p，k ⁺；C_p，k ^-)，它们每个都补偿相位跳变配置，

-计算装置(110)，用于计算确定初始序列(D₀)和修正序列(D_i ⁺；D_i ^-；D_p，k ⁺；D_p，k ^-)的直线方程，

-计算装置(120)，用于为初始序列和修正序列计算在初始或修正相位与通过相应的直线方程产生的相位之间的平均差值(σ₀ ²；(σ_i ⁺)²；(σ_i ^-)²；(σ_p，k ⁺)²；(σ_p，k ^-)²)，所述最后序列由平均差值最小的序列构成。

3.如权利要求2中要求的通信系统，其特征在于，所述初始序列逐个相位组地被更新。

4.一种打算要在如权利要求1或2的任一项中要求的通信系统中使用的接收机。

5.如权利要求4中要求的接收机，其特征在于，所述初始序列逐个相位组地被更新。

6.一种用于根据符号相位序列来估值有关来自PSK调制的接收符号的频率误差的方法，其特征在于，该方法包括计算步骤，用于根据对符号作出的判决计算被称为初始序列的相位序列，以及用于检测和校正这个初始序列中的相位跳变以便产生被称为最后序列的相位序列，供估值频率误差使用的步骤。

7.一种用于检测和校正在来自PSK调制的符号相位的初始序列中的相位跳变的方法，其特征在于，它包括：

-修正所述初始序列(S1)的步骤(c，d)，以便生成多个修正的序列，它们每个都补偿相位跳变配置，

-计算确定初始序列(a)和修正序列(e)的直线方程的步骤，

-计算步骤，为初始序列(a)和修正序列(f)计算在初始或修正相位与通过相应的直线方程产生的相位之间的平均差值，所述最后序列由平均差值最小的序列构成。

8.如权利要求7中要求的检测和校正相位跳变的方法，其特征在于，所述初始序列逐个相位组地被修正。

9.一种包括指令的程序，当所述程序由处理器执行时，所述指令用于执行如权利要求7中要求的、检测和校正相位跳变的方法的步骤。

10.一种包括指令的程序，当所述程序由处理器执行时，所述指令用于执行如权利要求6中要求的、估值有关接收符号的频率误差方法的步骤。

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