CN1402927A - 使接收机和正交调幅信号同步的方法和装置 - Google Patents

使接收机和正交调幅信号同步的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供了使接收机和正交调幅(QAM)信号同步的方法和装置。接收机包括第一可控单元(601)，用于通过控制定时来响应定时控制信号，通过它将接收信号转换为解调复数采样。另外，包括码元检测器(603)，根据复数采样生成表示接收码元的检测决策。还有装置(401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411、412、413、414、415、602)，通过使复数解调采样和从检测决策得出的复数关联变量(C)关联，生成QAM信道的一个或多个复数基带等效脉冲响应值作为关联结果。通过对关联结果的适当的后处理，消除了由电缆旋转基带等效脉冲响应和由发射机升频调制器与接收机解调器间的未知相位差引起的对变化的敏感性。定时控制信号由关联结果的后处理得到。

Description

使接收机和正交调幅信号同步的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及使接收机和输入信号同步的技术领域。特别地，本发明涉及为接收机级生成控制信号的技术，所述接收机级在接收机中为正交调幅(QAM)信号而将输入信号转换成同步采样流。
背景技术
当数字信号以模拟形式传输过一定距离时，为了正确再生原始数字信号，接收装置必须与发送装置的操作同步。接收装置必须使用一种可足够准确地知道接收到的模拟信号中连续码元的定时的装置。
图1显示的是在接收装置101中利用采样的受控定时将模拟输入信号转化成一列数字采样的公知原理。此种情况下，定时受控的采样单元102直接采样模拟信号。连续的模拟信号被转换成一列连续的模拟采样。A/D转换单元103将每个采样转换成相应的数字值105。采样单元102中使用的采样定时取决于定时控制信号104的值。
图2显示的是在接收装置201中生成一列定时受控的数字采样的另一公知原理。利用此原理，采样的定时并不受控，且通过数字信号处理获得对应于受控定时时刻(timing instant)的数字值。通过A/D单元203，采样单元202的输出转换成相应的数字值206，且通过可控的数字滤波器构造最终的数字值207。通过数字地对输入值206进行插值形成可控数字滤波器204的输出值，从而输出值对应于由定时控制信号205指示的定时时刻。
使接收机同步意味着生成定时控制信号104或205使接收机的操作和发射机的同步。根据本发明的观点，定时控制信号进一步用于将模拟输入信号转换成一列具有受控定时的数字值的方法是不重要的。
在接收机中生成定时控制信号的方法取决于一些因素，其中有接收信号的码元频率和发射机用于构成模拟信号的调制方法。本发明主要涉及比特频率在每秒兆位到十兆位级的QAM信号。
QAM本身是作为调制方法为人所知，其中一些形式的幅值调制用于以90度相位差相互分开的两个载波成分。正如“DigitalCommunication(数字通信)”(E.A.Lee，D.G.Messerschmitt；KluwerAcademic Publishers；1994)中所述，传统的QAM接收机主要用于所谓的NSLM或非线性谱线法来生成定时控制信号。但是，例如在现代的有线调制解调器连接中，比特频率倾向于很高且各个带宽很宽，以至于传输信道中引起的振幅失真严重地复杂化了为进行有效的QAM同步而使用的NSLM。对实际应用中遇到的几兆赫的带宽和铜导线长度，传输频带的上限可比此带宽的最低频率承受更多的20到30分贝的衰减。
上述书籍也说明了其它已知的同步方法。在基带频率上进行传输的有线通信系统中，利用所谓的相干同步方法很普遍，其依赖于已知的传输信道的脉冲响应的主波形。此时传输信道的概念必须在广泛意义上进行解释，不仅包含实际的电缆而且还有滤波器、线变压器和发射机及接收机中其它有关的组成部件，通过它们信号可在接收机中确定脉冲响应值的点之前传输。
图3a显示的是确定用于PAM(脉幅调制)调制基带传输，比如2B1Q编码传输(一个四进制线路码中两比特)的信道的五个脉冲响应值的公知装置。一列连续采样被输入延迟线(delay line)，其中五个延迟元件301～305的每一个每次保持一个采样。信号检测器(未显示)做出检测决策，得到某一实数。此实数输入并联的乘法器306～310，且乘法结果在并联的低通滤波器311～315中低通滤波。我们可将滤波输出指定为h1～h5。图3b显示了示例情况下坐标系中的值，其中横轴代表时间，纵轴代表滤波结果的幅值，单位是任意的。
定时控制信号基本上作为值h1～h5的修改过的线性组合。简单的可能性是通过PI(比例积分)控制器得到差值h1-h3且将其输出作为定时控制信号。实际实施可比图3a的示意图更简单：差值可从延迟线的元件直接计算，从而仅需要一个乘法器和一个低通滤波器。延迟线可有多种功能：比如其可同时是接收机中最后的预均衡器的部件。
已知的相干同步的方法很适合CAP(无载波幅相调制)，但由于不知道与QAM相关的传输信道的脉冲响应的主波形而不适用于基于QAM的传输。此时必须注意发射机的上变频/调制电路认为是传输信道的一部分。若我们在下变频器/解调器电路之前选择接收机中脉冲响应的估计点(通频带的情况)，则信道脉冲响应波形的不确定来自于当脉冲进入信道时，波形取决于用于上变频器/调制器的正弦和余弦函数相位的瞬时值这个事实。在相干同步中，认为信号是在发射机中进入信道的“脉冲”。在接收机中脉冲响应是在检测到的码元的帮助下测量的。在QAM调制系统中，用于上变频/调制的正弦和余弦函数相位不需保持与后继码元相同。只当升频调制(upmodulation)频率是码元频率的整数倍时，相位才和后继的信号保持相同；在这种情况下，若输入信号是QAM或CAP调制的，则接收机中无法区分。
发明内容
本发明的目的是提供一种使接收机和QAM调制信号同步的方法和装置，不出现上述现有技术的问题。
通过确定基带等效信道脉冲响应(或部分的脉冲响应)的实部和虚部，通过消除实部和虚部波形中不确定性的影响，并利用生成定时控制信号时获得的脉冲值，可实现本发明的目的。
下面文字中，代表信号实部和虚部的一对采样称为复数采样。本发明在QAM调制系统中实现了相干同步原理的应用和其优点。对现有技术方案的改进基于波形的不确定性来自于复数平面中复数脉冲响应值的不明旋转这个事实。利用基带等效脉冲响应的实部和虚部的信息，可以构造波形足够确定的脉冲。
根据本发明的方法的特征在于，其包括以下步骤：
通过使一个或多个解调的复数采样和由检测决策得到的复数关联变量关联，生成一个或多个具有实部和虚部的关联结果；
同时利用所述的关联结果的实部和虚部来构造一个或多个辅助变量，其对由电缆旋转基带等效脉冲响应或由发送机升频调制器和接收机解调器间的相位差引起的变化并不敏感。
由所述的辅助变量生成定时控制信号。
本发明也应用于同步装置，其特征在于包括：
通过使一个或多个解调复数采样与由检测决策获得的关联变量关联，为QAM信道生成一个或多个复数基带等效脉冲响应值的装置；
生成定时控制信号，从而利用所述的复数基带等效脉冲响应值的实部和虚部的信息的装置。
另外，本发明应用于接收机，其特征在于包括：
由检测决策获得复数关联变量的装置；
通过使一个或多个解调复数采样与所述的关联变量关联，为QAM信道生成一个或多个复数基带等效脉冲响应值作为关联结果的装置；
生成定时控制信号，以便于利用所述的复数基带等效脉冲响应值的实部和虚部的信息的装置，连接所述装置以向可控解调器和采样器单元提供定时控制信号。
在现有技术的说明中，我们指出由于与不确定波形有关的问题，相干同步的公知基本原理对基于QAM的连接不适用。本发明提供了解决此问题的方法，结果是即使在宽传输频带下也可很好适用于QAM调制信号的改进的相干同步方法和设备。
我们现在考虑在下变频/解调之后，将接收机中脉冲响应估计点进一步移到基带级。此后，我们事实上考虑作为具有实部和虚部的复数值的等效基带信道。等效基带信道本身是普遍用于QAM或CAP调制系统的分析和模拟任务中的概念(例如“Digital Communication(数字通信)”(E.A.Lee，D.G.Messerschmitt；Kluwer Academic Publishers；1994)所述)。转移到基带解决了与后继码元有关的不确定的升频调制载波相位的问题，但不能完全解决目前还包括解调器的传输信道的不确定的脉冲响应的问题。原因之一是因为发射机和接收机中升频调制和解调载波间的未知相位差。另一原因是传输电缆中的相位旋转；相位旋转量取决于传输频带处的电缆传递函数，且在接收机中不可能区分由电缆引起的相位旋转和上述的本征发射机-接收机相位差。由于上述原因，QAM调制系统的基带等效信道的实部和虚部的主波形是基本上不确定的。
进行复数关联的第一步是把代表解调信号的已存连续复数采样与复数关联变量相乘(其与检测到的复数码元相关但不相等)。相乘的低通滤波结果是一个(多个)基带等效信道的复数脉冲响应值。信号频带的电缆传递函数和发射机的升频调制器及接收机的解调器间的未知相位差的特性会使脉冲响应值的实部和虚部过于不确定，以至于不能单独用于生成定时控制信号。所以第二步是构造辅助变量，通过利用代表基带等效脉冲响应的复数值的实部和虚部的信息，辅助变量可足够确定。
构造辅助变量的简单方法是：
辅助变量＝(脉冲响应的实部)2+(脉冲响应的复数部分)2。
辅助变量(实数或复数)也可通过其它方法构造，但根据本发明构造辅助变量的所有方法的共同特点是使用了基带等效脉冲响应值的实部和虚部。
获得的辅助变量可基本上用于生成定时控制信号，正如在先前知道的相干同步方法中一样。
附图说明
作为本发明特征的新特点在所附权利要求书中具体说明。但是，发明本身，包括其构造和操作方法，以及它的其它目的和优点，将结合附图由下面的具体实施例的说明得到最好的理解。
图1显示的是将模拟信号转换成具有受控定时的数字采样的已知系统；
图2显示的是将模拟信号转换成具有受控定时的数字采样的另一已知系统；
图3a显示的是为基带信道生成脉冲响应值的已知装置；
图3b显示的是从图3a的装置中获得的一些示例值；
图4显示的是根据本发明为QAM信道生成的基带等效脉冲响应值和用于生成定时控制信号的辅助变量；
图5a～5c显示的是从图4的装置中获得的一些示例值；
图6示意显示了根据本发明一个实施例的同步装置；以及
图7显示的是根据本发明一个实施例的方法。
优选实施例说明
图1～3b结合现有技术已经讨论过，故本发明下面的说明将集中在图4～7。
图4显示的是根据本发明的一个实施例，确定用于QAM调制传输的信道的五个复数基带等效脉冲响应值和相应的辅助变量。应了解的是，实际上并不一定是五个值，在此使用此数只是为了示例的目的。来自解调信号的一列连续复数采样输入到延迟线，其中五个延迟元件401～405的每一个每次保持一个复数采样。码元检测器(未显示)做出检测决策，得到某一复数，这就是检测码元值。我们可用s表示检测码元值。将它供应给复数变量构建单元420，其将检测码元值转换成我们表示为C的复数变量。
复数变量C不同于检测码元值s。但是，在两者之间肯定存在某一关系。为了分析此关系，我们可将s写作a+jb，其中j是虚数单位。确定C值的一些有用的、任取其一的规则是：
使C值成为s的共轭复数，即C＝a-jb
C＝a或C＝b
若a≥0，则C＝+k，以及若a＜0，则C＝-k，其中k为常数
若b≥0，则C＝+k，以及若b＜0，则C＝-k，其中k为常数
C＝c-jd，其中若a≥0则c＝+p，以及若a＜0则c＝-p；若b≥0则d＝+t，以及若b＜0则d＝-t，其中p和t为常数。
总之，我们可用以下形式写出C和s的关系式
C＝z(f1-jf2)，
其中z是除零之外的复数常数，f1＝f1(s)是s的第一实值函数，f2＝f2(s)是s的第二实值函数，且函数f1和f2另外与s＝a+jb的实部和虚部相关，从而f1的符号和a的符号一样，f2的符号和b的符号一样。我们必须记住，实数是复数的子集，故即使z和C定义为复数，z或C或两者的虚部也可能为零。
复数变量C的值输入并联的乘法器406～410，其中它分别乘以延迟线的单元401～405中保持的复数采样。在并联的低通滤波器411～415中低通过滤乘法结果。我们可将滤波后的输出表示为h1～h5，其中黑体字强调并联低通滤波器411～415的输出仍是复数形式。
值h1～h5代表基带等效脉冲响应的复数采样，且其是构造辅助变量a1～a5的单元421的输入。
图5a～5c间的差异说明了根据本发明，基带等效脉冲响应的实部和虚部的波形的不确定性和用于生成定时控制信号的辅助变量的确定性。图5a显示了一些基带等效脉冲响应值h1～h5的示例的实部(最上面的线形图)和虚部(中间的线形图)。垂直单位是任意的。另外，图5a在最下面的线形图中显示了构造为复数值h1～h5的完全平方值(实部和虚部的平方和)的辅助变量。构造辅助变量的方法不是唯一可能的选择，不同方法的共同要素是利用实部和虚部构造辅助变量。在图5b和图5c中显示了相似的结果，但发射机和接收机中电缆和/或调制和解调波函数之间的相位差已改变。当电缆改变时，在信号频带它的传递函数的特性也改变。由图5a～5c可见，表示h1～h5的实部和虚部的线形图出现显著改变。由图5a～5c可见，表示辅助变量的线形图保持不变。
应该了解的是当电缆改变时，辅助变量并不是确切一样的，但主波形是足够确定的，可用于生成定时控制信号。当改变电缆时，辅助变量的特性和基带传输情况(例如2B1Q)下的脉冲响应的特性相似。一般来说，若我们采用极坐标hi＝r(cosθ+jsinθ)，我们可由基带等效脉冲响应值hi指示辅助变量ai的生成：
ai＝g(hi)其中选择实值或复数值的函数g，从而
|g[r(cosθ+jsinθ)]-g[r(cos(θ+)+jsin(θ+))]|≤ε其中限制约束φ是任意相位差，且ε是较小的实常数，其值可通过模拟和/或实验方便地确定。
由辅助变量开始的定时控制信号的生成任务近似于在已知的基带传输情况下由脉冲响应值开始的定时控制信号的生成。简单的可能性是使差值a1-a3通过PI(比例积分)控制器并利用其输出作为定时控制信号。一般来说，我们可以注意到，例如，结合一些积分的辅助变量a1～a5的适当选择的线性组合可以用于生成定时控制信号。某一线性组合和线性组合中使用的潜在常系数都可通过模拟和/或实验方便地确定。
仅当升频调制和解调波函数的相位差改变时，辅助变量的改变才取决于由基带等效脉冲响应的实部和虚部构造它的方法。利用此例的平方和方法，辅助变量对于升频调制器和解调器间的相位差的变化完全不敏感。
图6显示了本发明的实施例，其中使用了上面说明的脉冲响应值的生成方案。图6中，未显示发射机、电缆、和模拟前端电路(线变压器，混合电路等)。在QAM调制信号的接收装置中，利用图1和图2所示的已知装置之一，第一单元601从发射机接收信号，将之解调并将其转换成采样序列。解调级可放在采样级之前或之后；后者通常用于调制解调器的应用中。若首先进行采样，随后只进行解调，应该注意的是，采样本身生成只在解调步骤才转换成复数采样的实数采样。任何情况下，包括任何顺序的采样和解调的过程最后都生成复数采样序列。
采样序列以自己的方式传过基带等效脉冲响应值发生单元602到检测器和解码器单元603。实际上，单元602可以和其它信号处理单元具有共同的部件；例如延迟线可同时是接收机中预均衡器的部件。检测器为每个接收到的码元作出决策并将其作为信号s提供给脉冲响应值发生单元602。由脉冲响应值发生单元602生成的基带等效脉冲响应值被输入给辅助变量发生单元605，其构建输入给定时控制发生单元604的辅助变量。它生成输入给单元601的定时控制信号，其中它控制采样器的定时或者可控数字滤波器的操作(图6并未明示)。定时控制信号可基本上是辅助值的线性组合。一个简单的可能性是通过PI(比例积分)控制器得到两个值的差，并利用其输出作为定时控制信号。
示意地，根据本发明的方法可构成一个封闭的控制回路。图7所示为本方法的一个实施例。步骤701中，解调并采样(或采样并解调)接收到的信号，且作出检测决策。也可进行一些其它的信号处理操作(例如均衡)，但图7未显示这些。在步骤702，检测决策转换成复数关联变量，且在步骤703，将这个结果和一个或多个解调信号的复数采样关联。在步骤704，通过利用关联结果的实部和虚部，构造一个或多个辅助变量，且在步骤705，所得到的结果用于生成实际的定时控制信号。在步骤701，定时控制步骤706对采样操作的定时或可控数字滤波器的操作产生作用，整个过程连续重复。
上述本发明的实施例并不意味着对所附的权利要求书构成限制。在上述说明中，基带等效脉冲响应值和辅助变量的数量都是五个的情况是示例性的，且很明显这不是唯一可能的选择。上述说明的另一个示例部分是与延迟线相关的相关电路的装置，这里描述清楚会引起实际实施中的差异。在现有技术的说明中，我们已指出优化和所述关联步骤相关的计算是公知的和可能的，所以需要更少的乘法器和滤波器。

Claims (10)

1.一种使接收机和正交调幅信号同步的装置，所述接收机包括：
第一可控单元(601)，用于通过控制定时而响应定时控制信号，在包含任何顺序的采样和解调的处理中，接收到的信号通过其转换为解调的复数采样；以及
码元检测器(603)，根据所述解调复数采样生成表示接收码元的检测决策(s)；
其特征在于，所述装置包括：
装置(401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411、412、413、414、415、602)，通过使一个或多个解调复数采样和由所述检测决策(s)得到的关联变量(C)关联，为QAM信道生成作为关联结果的一个或多个复数基带等效脉冲响应值(h1、h2、h3、h4、h5)；
装置(421、605、604)，用于生成定时控制信号，以便于利用所述复数基带等效脉冲响应值的实部和虚部的信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括装置(420)，其用于通过应用以下公式从所述检测决策(s)中得出所述复数关联变量(C)
C＝z(f1-jf2)，
其中C是复数关联变量，z是除零之外的复数常数，f1＝f1(s)是检测决策s的第一实值函数，f2＝f2(s)是检测决策s的第二实值函数，且函数f1和f2另外和检测决策s的实部和虚部相关，从而f1的符号和实部的符号一样，f2的符号和虚部的符号一样。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于生成一个或多个复数基带等效脉冲响应值的装置包括：
延迟线(401、402、403、404、405)，用于暂时存储多个解调复数采样；
多个乘法器(406、407、408、409、410)，用于将多个暂时存储的解调复数采样与所述复数关联变量(C)相乘；以及
多个低通滤波器(411、412、413、414、415)，用于对所述乘法的结果进行滤波。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于生成定时控制信号的装(421，605，604)包括：用于构建辅助变量的装置，其对由电缆旋转所述复数基带等效脉冲响应或由发射机调制器与接收机解调器间的相位差引起的变化不敏感。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述用于生成定时控制信号的装置(421)包括用于获得所述关联结果的绝对值(模量)的装置。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述用于生成定时控制信号的装置(604)包括：
用于获得所述辅助变量的线性组合的装置；以及
比例积分控制器，其输入端连接到所述用于获得辅助变量的线性组合的装置，其输出端连接到所述第一可控单元。
7.一种用于接收、均衡、解调、采样和检测正交调幅信号的接收机，包括：
可控解调器和采样器单元(601)，用于通过控制定时而响应定时控制信号，在包含任何顺序的采样和解调的处理中，通过它将接收到的信号转换为复数采样；以及
码元检测器(603)，用于生成表示接收码元的检测决策(s)；
其特征在于，其包括：
装置(420)，用于由所述检测决策(s)得出复数关联变量(C)；
装置(401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411、412、413、414、415、602)，通过使一个或多个解调复数采样和所述关联变量(C)关联，为QAM信道生成作为关联结果的一个或多个复数基带等效脉冲响应值(h1、h2、h3、h4、h5)；
装置(421、605、604)，用于生成定时控制信号，以便于利用所述复数基带等效脉冲响应值的实部和虚部的信息，结合所述装置以便于为可控解调器和采样器单元(601)提供定时控制信号。
8.一种使接收机和正交调幅信号同步的方法，包括以下步骤：
利用响应于某一定时控制信号的受控过程，将接收到的信号转换(701)成解调的复数采样；以及
根据所述解调复数采样，生成(701)表示接收码元的检测决策；
其特征在于，包括以下步骤：
通过使一个或多个解调复数采样与由所述检测决策得到的复数关联变量相关联，生成一个或多个(703)具有实部和虚部的关联结果；
同时利用所述关联结果的实部和虚部构造(704)一个或多个辅助变量，其对由电缆旋转所述复数基带等效脉冲响应或由发射机升频调制器与接收机解调器间的相位差引起的变化不敏感；
由所述辅助变量生成(705)定时控制信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过应用以下公式，由所述检测决策得出(702)所述复数关联变量
C＝z(f1-jf2)，
其中C是复数关联变量，z是除零之外的复数常数，f1＝f1(s)是检测决策s的第一实值函数，f2＝f2(s)是检测决策s的第二实值函数，且函数f1和f2另外和检测决策s的实部和虚部相关，从而f1的符号和实部的符号一样，f2的符号和虚部的符号一样。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述生成(703)关联结果的步骤包括以下子步骤：
存储多个连续的复数解调采样；
将一个或多个复数采样与所述复数关联变量相乘；以及
对所述乘法的复数结果进行滤波；
同时利用所述关联结果的实部和虚部的步骤包括以下子步骤：
利用所述关联结果的实部和虚部来构造(704)一个或多个辅助变量，其对由电缆旋转所述基带等效脉冲响应和由发射机升频调制器与接收机解调器间的相位差引起的变化不敏感。
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