CN1557077A - 用于从失真模拟信号中重构以符号率计时纪录的数据的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从由于在传输链路中传输而失真的信号中重构以符号率计时纪录的数据的方法和装置，为了提高数据恢复的质量，本发明的方法或装置均由数字电路技术来执行或实现。本发明的方法包括放大由于传输而衰减的信号幅度；滤除符号率以上的高频干扰频率；通过模/数转换器(3)将模拟信号离散化；为了得到均衡后的信号，利用数字实现的电缆近似滤波器(7)执行电缆近似；从均衡后的信号中恢复数据。
Description
本发明涉及一种用于从模拟信号中重构以符号率计时纪录的数据，特别是纯随机数据的方法和装置，该模拟信号在传输链路的传输中失真和衰减。
在数字传输系统中，将矩形或梯形脉冲形式的数字数据输入传输电缆中，例如金属或光学电缆，并利用该电缆另一端的接收机来对其接收。由于传输，数据信号的幅度发生衰减、相位角度和群延时出现失真，而且还叠加了低频和高频干扰。必须利用接收机中的装置对所得到的失真信号进行放大和均衡，并恢复数据信息。因此，现有的接收机基本包括四个部分，即放大器、均衡器、时钟恢复电路和数据恢复电路。
图2示出一种现有的用于重构数据的接收机，它主要基于模拟电路技术。该接收机路径包括一具有两个接收机输入端30、31的可变增益放大器(VGA)32，它用于放大输入端提供的信号；一噪声和串扰过滤器(高阶低通滤波器)，它在这里是作为一Bessel滤波器；以及一电缆近似滤波器，作为一SC双四边形或GmC滤波器。
电缆近似滤波器34之后连接有一模拟低通滤波器35，它滤除由噪声和不稳定信号所产生的高于传输频率即符号率的高频部分，从而抑制数据率以上的白噪声或有色噪声。
最理想的情况下，直到比较器36将信号离散化，接收机路径的整体传输函数相当于对一个频率在数量和相位上的电缆逆传输函数。因此，可完全补偿输入端31、32上提供的信号，并将其提供给数据恢复电路。
为了调节信号的幅度，利用均衡滤波器35之后的峰值检测器或幅度检测器38以及电平检测器39对信号进行加权，根据幅度的数量调节放大器32的增益。根据该设定的增益，电缆近似滤波器34与电缆传输函数的多个不连续阶段相匹配。因此，为了尽可能精确的复制电缆传输函数的逆函数，与放大器32连结的均衡器控制单元37、电缆近似滤波器34、比较器36和电平检测器38要确定电缆近似系数。
模拟手段的缺点在于所用的噪声和串扰滤波器2和电缆近似滤波器3的设定极点和电气零位受到寄生极点和电气零位(null position)的影响，因此接收机的理想匹配函数相应的变坏。
另外，均衡和恢复数据的模拟实现对传输信道的制造公差和可用方差很敏感。另外，温度梯度和机械梯度也会限制接收机中的感应电路的工作质量，从而削弱了对失真和衰减的信号的无误差恢复。
另外，在模拟实现中，用于电缆近似的系数组的数目也受到限制，因此电缆近似的质量也很有限。这是由于通过系统模拟所得到的近似滤波器的多个系数只是在给定应用条件下对特定电缆类型的理想情形。应用条件的变化，例如不同电缆长度、不同温度等经常导致错误的数据检测，从而导致更高的误码率，即更差的数据恢复。
另外，必须注意到通常在高电缆衰减、特别是在大电缆长度的情况下，由于
特征，即电缆衰减与频率和电缆长度的相关性，从一个内插点或系数组到下一个内插点或系数组之间的距离对误差率具有决定意义。如果当电缆衰减很高时两个内差点之间的距离太大，则误码率远大于两个相邻内插点的中间值。为了防止电缆衰减的增加，必须降低内差点和系数组之间的距离，从而增加内插点的数目。
由于在均衡中模拟方法的随机影响和特征，这很难实现。
因此，本发明的一个目的是改进均衡和数据恢复的质量以显著降低误码率。
根据本发明，可通过权利要求1所述的方法和权利要求18所述的装置实现该目的。本发明的其他实施例在从属权利要求中进行限定。
由于数字元件例如数字滤波器的系数或参数在操作中很容易改变，因此本发明的实质内容在于以数字电路技术来实现本发明接收机中的大部分元件。另外，通过模/数方案可以显著的改进模/数方案中接收机对输入不稳定的兼容性。
本发明的其他优点在于可能通过模/数转换器的重复采样更简单的实现防混叠滤波器以及可能使电路与传输信道的所有特性相匹配。
本发明用于从由于传输链路的传输而失真和衰减的信号中重构数据的方法包括下面的步骤：
a)放大信号幅度以补偿电缆衰减；
b)滤除符号率以上的高频干扰频率以及滤除有用信号的最低频谱分量以下的低频干扰；
c)通过重复采样的模/数转换器将模拟信号离散化；
d)为了得到均衡后的信号，利用数字实现的电缆近似滤波器形成电缆近似；
e)从均衡后的信号中恢复数据，输出恢复后的数据流，特别是该数据流与恢复后的时钟同步。
根据本发明最佳实施例，使用了模/数转换器，它对信号进行n次重复采样，且在此过程中最佳的将低频噪声转换为高于数据率的高频谱噪声分量。最佳的，使用一SD-ADC(Sigma Delta模/数转换器)，通过重复采样可以利用它的特定噪声成型特征。
这是本发明的另一实质方面。SD-ADC最好以n8的最小采样率来执行信号的重复采样。高的采样率将降低针对极点或截止频率对串联防混叠滤波器的要求，同时也降低了极点频率的稳定性。采样率的选择应当基于SD-ADC所需的噪声成型特征、通常执行的次数、防混叠滤波器的滤波类型，以及用于界定信号带宽的下级低通滤波。
模/数转换器以后一直到接收机的数据输出最好都由数字电路技术来实现。
最好由一滤波器(高阶数字低通滤波器)对模/数转换器输出的信号再次进行滤波，其中特别是抑制在符号率(传输频率)以上的外部(信道)噪声、量化噪声和噪声成型转换的噪声，因此有用信号的带宽限制在符号率之上。在这种安排中，数字滤波器最好具有非常窄的截止频率，特别是符号率以上10-20％或近似于符号率。
根据本发明最佳实施例，这样产生的带宽有限的信号的数据率通过抽取器转换为更低的时钟频率以便于进一步处理。特别是，这显著的减低了后面的滤波器级的电路复杂度(功耗)。
后面的滤波器级最好包括一数字高通滤波器，用于抑制在预定的更低的截止频率以下的偏移和DC分量，特别是数据流最低的频谱分量以下。
根据本发明最佳实施例，使用一数字电缆近似滤波器，特别是一FIR(有限脉冲响应)滤波器来补偿信道失真。由于在电缆近似滤波器之前已经将数据率抽取，因此对于这种滤波器电路复杂度特别是面积和电流损耗极大的减小。
由于反电缆衰减的复制，因此电缆近似滤波器的传输特性近似于高通滤波器。这导致可放大由有用信号频谱范围内的系数的有限字长和/或有限字宽产生的噪声(量化噪声)。该特性通常称为噪声增强。必须注意由于滤波器的实现是基于计算操作，因此字宽足够长。
接收级输入端处的放大器级的增益和数字电缆近似滤波器的特性可以调节，以适应操作中不断变化的应用条件。
根据本发明最佳实施例，一均衡器控制单元控制放大器级和数字电缆近似滤波器，该均衡器控制单元根据信号幅度选择并设定数字电缆近似滤波器的最佳滤波器系数组。
用于数字电缆近似滤波器的数据最好存储在RAM或ROM存储器中，但也可以通过数字接口从外部源中下载。
根据最佳实施例，为了改进随后的时钟和数据恢复，均衡后的信号的数据率在电缆近似滤波器之后增加。因此，最好提供一内插和滤波器单元，它还具有一用于抑制符号率以上的频率分量的数字低通滤波器，该符号率主要是由内插来产生的。
该内插和滤波器单元最好位于用于数据恢复的随后的数字锁相环路的控制环路之外。
锁相环路或PLL电路用于同步两个信号振荡的频率和相位，特别是时钟信号。在锁相环输出端输出的时钟信号与正常操作中输入端的输入时钟信号同步。
锁相环的控制环路最好包括一抽取器、一相位检测器和一用于设定时钟和相位控制特性的装置，特别是一定时回路滤波器。根据本发明最佳实施例，在相位检测器中所用的幅度阈值是由一峰值检测器(幅度检测器)来控制的。
另外，数字锁相环最好包括一用于同步输出数据的单元和一用于产生再生时钟的数字控制的振荡器，其中用于同步输出数据的单元提供了一与振荡器的时钟同步输出的数据流。
本发明PLL电路的实质是一位于锁相环输入端的抽取器。该锁相环根据相对于时钟同步的相位角度，从数据流中选择出具有正确相位角度的采样。该功能与一用于降低时钟频率的抽取器相结合。该抽取器的低通特性用于对噪声分量的进一步抑制。另外，优点在于降低了时钟频率、下面电路的所需面积和功耗。
根据本发明用于从由于在传输链路中传输而失真的信号中重构数据的装置，包括：
a)一用于补偿电缆衰减的可编程放大器；
b)一用于抑制符号率以上的高频干扰的低通滤波器，它包括一模拟防混叠和串扰滤波器；
c)一重复采样的模/数转换器，它具有用于离散化模拟信号的噪声成型特征；
d)一数字实现的电缆近似滤波器，用于获取一均衡后的信号；和
e)一最佳的数字锁相环，用于从均衡后的信号中恢复数据和时钟。
本发明的装置最好还包括：
f)一用于抑制符号率以上的高频干扰频率的低通滤波器，它最好作为一数字噪声和串扰滤波器；
g)一用于抑制有用信号的最低频谱分量以下的低频干扰的高通滤波器；
h)一用于降低时钟频率的抽取器；
i)一内插器，后接一低通滤波器，用于增加时钟频率并作为一整形滤波器。
在下面的部分中，将接合附图更详细的说明本发明，其中附图为：
图1示出根据本发明一实施例的主要是数字实现的接收机。
图2示出通过模拟电路技术制成的现有接收机。
图1中的均衡器10的接收机路径包括(从左到右)：一作为VGA级的放大器1、和一模拟低通滤波器2以及一重复采样的模/数转换器3，该模拟低通滤波器2形成用于下级重复采样模/数转换器3的防混叠和串扰滤波器。一低通滤波器4与模/数转换器3连接，用于抑制符号率以上的噪声分量并限制基波频率以上的信号带宽，这样可以抑制外部噪声、量化噪声和噪声成型转换的噪声。
模/数转换器作为SD-ADC(sigma-delta ADC)，它对所提供的信号进行n次重复采样。由于该重复采样，可以利用转换器的噪声成型特性。
为了通过因子m减小数据率，其中最好m＝5-10，在数字低通滤波器4和数字电缆近似滤波器7之间提供一数字抽取器5。
一数字高通滤波器与抽取器5连接，它用于低频噪声的滤除以及低于数据流的最低频谱分量的偏移和DC分量抑制。
均衡器10的输出形成一数字FIR滤波器7，它作为一电缆近似滤波器用于补偿电缆失真。
另外，提供了一数字均衡器控制单元8，它根据信号幅度控制放大器1和FIR滤波器。
利用包括一内插单元11和一低通滤波器12的内插和滤波单元19。将在均衡器10的输出端输出的均衡后的信号线性的内插并限制在其带宽内。此时，低通滤波器12用于抑制符号率以上的频率分量，这些频率分量是由内插产生的。
接收机还包括一数字锁相环，该锁相环包括形成锁相环一部分的抽取器13。控制环路还包括一相位检测器15，用于根据恢复出的时钟来确定被检测的数据的相位误差；一定时回路滤波器，用于调节时钟控制特性。
定时回路滤波器17与相位检测器15，抽取器13和一被控制的用于产生再生时钟的振荡器18连接。该相位检测器15与抽取器13、定时回路滤波器17、峰值检测器14以及一同步装置16连接，该峰值检测器14用于再调节在相位检测器15中所用的阈值，同步装置16在数据输出端(数据)提供一数据流，该数据流与振荡器18的时钟同步。在时钟输出端(时钟)输出该时钟。
至于图2所示的常用接收机，已经在背景技术中对它进行了说明。
附图标记列表
1放大器 2模拟低通滤波器 3模/数转换器 4数字低通滤波器5数字抽取器 6数字高通滤波器 7电缆近似滤波器 8均衡器控制单元 9存储器装置 10均衡器 11内插单元 12低通滤波器 13抽取器 14峰值检测器 15相位检测器 16同步单元 17定时环路滤波器 18可控制振荡器 19内插和滤波器单元 20数字锁相环 30、31信号输入 32模拟放大器 33模拟低通滤波器 34模拟电缆近似滤波器 35模拟低通滤波器 36比较器 37数字均衡器控制单元 38模拟电平检测器 39模拟峰值检测器
Claims (27)
1.一种用于从由于传输链路的传输而失真和衰减的信号中重构数据的方法，该数据以符号率计时纪录，该方法包括下面的步骤：
a)放大由于传输而衰减的信号幅度；
b)滤除符号率以上的高频干扰频率；
c)通过重复采样的模/数转换器(3)将模拟信号离散化；
d)为了得到均衡后的信号，利用数字实现的电缆近似滤波器(7)
执行电缆近似；
e)从均衡后的信号中恢复原始数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：为了将低频噪声转换为高频谱，特别是高于数据率，模/数转换器(3)对所提供的数据信号进行n次重复采样。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：利用位于模/数转换器(3)和电缆近似滤波器(7)之间的数字滤波器(4)滤除高频干扰。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：为了获得抽取后的信号，利用至少一个因子m＝2来降低离散信号的数据率，最好因子为5-10或更多。
5.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：利用数字滤波器(6)滤除预定更低截止频率以下的低频分量，特别是直流分量。
6.如前述权利要求5所述的方法，其特征在于：在执行电缆近似之前，滤除低频分量。
7.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：利用数字FIR滤波器执行电缆近似。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：利用数字实现的均衡器控制单元(8)来控制信号幅度的放大和电缆近似。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：设定电缆近似所需要的系数组临时存储在存储器装置(9)中。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：将抽取后的、离散的信号内插以增加数据率。
11.如前述权利要求10所述的方法，其特征在于：为了抑制符号率以上的高频分量以及为了执行信号整形，利用低通滤波器(12)对内插后的、离散的信号进行过滤。
12.如前述权利要求10或11所述的方法，其特征在于：为了恢复时钟和数据，在锁相环(20)的控制环外侧执行内插和低通滤波。
13.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：PLL电路(20)产生再生的时钟，该时钟与信号时钟同步。
14.如前述权利要求10-13之一所述的方法，其特征在于：在对内插后、过滤后的离散信号的数据率进行抽取，该抽取发生在锁相环(20)的控制环中。
15.如前述权利要求14所述的方法，其特征在于：利用峰值检测器(14)和相位检测器(15)控制抽取。
16.如前述权利要求14或15所述的方法，其特征在于：利用定时环路滤波器(17)来调节锁相环的时钟控制特性。
17.如前述权利要求13所述的方法，其特征在于：恢复后的数据与再生的时钟同步输出。
18.用于从由于在传输链路中传输而失真和衰减的模拟信号中重构(纯随机的)数据的装置，该数据以符号率进行计时纪录，该装置包括：
a)一用于放大传输中衰减的信号幅度的放大器(1)；
b)一用于抑制符号率以上的高频干扰的低通滤波器(2)；
c)一用于离散化模拟信号的模/数转换器(3)；
d)一数字实现的电缆近似滤波器(7)，用于产生实质均衡后的、离散信号；
e)一数字锁相环(20)，用于从均衡后的信号中恢复数据。
19.如权利要求18的装置，其特征在于：为了将低频噪声转换为高频谱，特别是高于数据率，模/数转换器(3)对所提供的数据信号进行n次重复采样。
20.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于：为了滤除符号率以上的高频干扰，在模/数转换器(3)之后提供一数字低通滤波器(4)。
21.如权利要求20的装置，其特征在于：在低通滤波器(4)之后提供一抽取器(5)，以便于获取抽取的、离散信号以提供给随后高通滤波器(6)。
22.如权利要求18-21中任一个的装置，其特征在于：提供一高通滤波器(6)，用于率除预定的更低截止频率以下的低频分量，特别是直流分量。
23.如权利要求18-22中任一个的装置，其特征在于：提供一用于信号均衡的数字电缆近似滤波器(7)，特别是一FIR滤波器。
24.如权利要求18-22中任一个的装置，其特征在于：提供一均衡器控制单元(8)，用于控制放大器(1)的设定和电缆近似滤波器(7)的特性。
25.如权利要求24的装置，其特征在于：用于控制电缆近似滤波器(7)的系数组临时存储在存储器装置(9)中。
26.如权利要求18-25中任一个的装置，其特征在于：提供一数字内插和滤波级(19)，用于对均衡后的、抽取后的离散信号进行内插和滤波。
27.如权利要求18-26中任一个的装置，其特征在于：提供一数字锁相环(20)，他用于数据和时钟的恢复且包括一数字抽取器(13)。
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