CN1630978A - 数字锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对中频信号进行解调的数字锁相环(PLL)12。数字锁相环12在其相位检测器中包括两个坐标旋转数字计算机24和30。可以借助于增益控制电路27、符号检测器20、载波监视电路28和可调环路滤波器32来改善PLL 12的健壮性。

Description

数字锁相环

本发明涉及用于对调幅信号进行解调的数字锁相环(PLL)，更详细地说，本发明涉及用于广播信号，例如电视信号的中频调制器的锁相环，它具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混频器和相位转移电路。

通常的数字锁相环常常用于对调制信号进行解调。在这种情况下，被发送的信息信号借助于PLL从调制载波信号中被解调出来。广播信号，特别是电视信号常常用调幅方法进行调制。因此，在接收机电路中使用PLL，为的是借助于利用载波再生的同步解调从调幅中频中识别信息传递信号。

数字相位比较电路用来将调幅输入信号的载波相位与比较信号的相位进行比较。比较信号是通过相位比较电路的反馈产生的。为此，包括输入信号和反馈信号之间的相位误差的相位比较电路的输出信号，通过环路滤波器传送给可控振荡器。

可控振荡器输出一个信号，将所述信号调整到与输入信号同相，使得相位比较电路能够滤除载波信号。相位比较电路常常包括数字混频器，它将可控振荡器的输出与输入信号混频，以便能够从载波信号过滤出信息信号。为此，将载波信号的相位旋转到0度。此外，相位比较电路包括相位转移电路，相位转移电路将数字混频器检测到的相位误差转换成对应的输出信号，借助于该输出信号来激活环路滤波器。

在EP 0486095 A1中，公开了一种带有数字相位比较电路的数字接收电路。借助于希尔伯特滤波器，输入信号被变换成两个正交信号。通称为同相信号(I通道)和正交相位信号(Q通道)的所述两个信号被加到数字相位比较电路上。相位控制信号也加到数字相位比较电路上。数字相位比较电路将两个输入信号与相位比较信号混频，使得由载波频率修正过的I通道信号和Q通道出现在输出端。相位比较信号可以是相位比较电路的反馈输出信号。在这种情况下，接收到的调幅信号就能够借助于所示电路进行解调。

然而，已经证明，通常的中频解调器在日常运行中都是不稳定的，特别是因为在通常运行的振幅过调制中，会出现低信号强度、不需要的FM/PM调制、不良的信噪比及静态载波频率误差。因此，结论就是传统的PLL可能是不稳定的，或者不能提供任何稳定的解调结果。

因此，本发明要解决的技术问题就是保证数字PLL的稳定的现场运行。本发明要解决的另一个问题就是要改善电视接收机的图像和声音质量。本发明要解决的又一个问题就是要可靠地消除在正常运行中出现的干扰。

为了解决这些问题，本发明提出一种数字PLL，在这种PLL中，相位转移电路显示一种带有π的相位误差的周期性转移函数，因此能够抑制由于输入信号振幅过调制而产生的π相移。与传统的相位转移电路(其中转移函数的周期为2π)相反，本发明的相位转移电路的转移函数的周期为π。在-π/2和π/2之间的周期性转移函数为最佳。在振幅过调制情况下，出现载波信号的符号反转，这导致PLL开始对载波信号进行再调整。然而，这是不需要的。根据本发明，对于π/2＜φ＜3π/2的所有相位值(即负的实分量)，输入信号在原点被映射，如矢量图中表示的。因此，相位转移电路的输出信号总具有正的实分量。在过调幅的情况下，在相位转移电路中不会出现180度的相移，PLL保持在锁定状态。

如果相位转移电路采用权利要求2中的形式，可以有利地将该相位转移电路集成。

转移函数最好对应于权利要求3。在这种情况下，最好产生类似锯齿形的转移函数。

本发明的相位转移电路不进行任何输入信号的极性计算。这样，在相位转移电路的输出端将出现关于信号的极性多义性。这种多义性可以象权利要求4所述的那样解决。使用辅助设备可以确定输入信号的极性，因而由相位转移电路引起的多义性就可以解决。

符号检测器最好采用权利要求5中的形式。在信号积累的情况下，能够以高的慨率确定正确的输入信号极性。

正如本发明还将提出的那样，通过将装配有锁相环的数字PLL来解决本发明的问题，所述数字PLL用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器，所述数字PLL具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混频器和相位转移电路，并且包括载波监视器，其中，可以借助于所述载波监视器来检测载波信号强度的下限值，并且如果检测到下限值则可以停用相位转移电路。在低信号强度条件下，由相位转移电路计算的相位误差变得不精确。例如，由于噪音的缘故，计算出错误的相位误差，这种误差引起不希望有的PLL活动。为了避免这个问题，借助于载波监视电路来检测载波信号强度。如果载波信号强度的相对振幅降到给定限制值以下，就可以停用相位转移电路。特别是当坐标旋转数字计算机以线性方式运行时，在低强度条件下将出现误差。这些将引起不希望有的PLL活动。然而，如果相位转移电路，即坐标旋转数字计算机被停用，则可以抑制所述不希望有的活动。

正如权利要求7中声明的那样，可以有利地撤消PLL的活动。通过将同相信号设置为最大值，正交相位信号设置为0值，就可以将相位转移电路的输出设置成0值。这就可以保证PLL保持备用状态。

正如本发明还将提出的那样，同样通过数字锁相环来解决本发明的问题，所述数字锁相环用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调，所述数字锁相环具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，其中，相位比较电路包括数字混频器和相位转移电路。所述数字PLL的特征在于：数字环路滤波器自动地连接到增益控制电路，并且可以随增益控制电路的输出而变地设置环路滤波器的带宽。增益控制电路最好是振幅增益控制器(AGC)。如果通过增益控制电路确定了以下事实：在输入端(调谐器)输入信号仅仅需要稍微放大并且信号强度很高，那么，噪音干扰对PLL的控制特性只有轻微影响。从另一方面来说，如果确定了以下事实：为了把中频信号放大到足够高的振幅，需要相当大的放大倍数，那么，应该假设，信号的噪音也被放大，并对PLL的控制特性具有负作用。PLL对噪音的灵敏度愈低，可以设置的环路滤波器的带宽就愈大，环路滤波器最好采用有源低通(PI元件)形式。

最好按权利要求10那样控制环路滤波器的变化。其优点在于，可以使其适应不同的信号质量。通过调整环路滤波器的带宽可以使PLL没有噪音。

正如本发明还将提出的那样，同样通过数字PLL来解决本发明的问题，所述数字PLL用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器，所述数字PLL具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混频器和相位转移电路，数字PLL的特征在于：数字环路滤波器包括锁频环；相位转移电路输出信号的梯度可以借助于锁频环来确定；数字可控振荡器可以借助于所述确定的梯度来设置；其中，即使载波信号频率偏离标称频率0至1.6MHz，也可以通过设置数字可控振荡器来使锁相环进入锁定状态。相位转移电路输出信号的梯度提供了有关输入信号和相位控制信号之间的频率误差有多大的信息。随所述确定的梯度而变地激活数字可控振荡器。在实际输入信号的频率和标称频率之间的偏差大的情况下，出现大的梯度，这导致DCO在整个频率范围快速运行。如果两个频率相互逼近的话，梯度也将减小，使得PLL更加缓慢地逼近载波信号，一直到锁定PLL的范围，使相位一致。这样一种设备能在自动站搜索的情况中得到良好的应用。

特别是可以有利地象权利要求12中那样确定梯度。在数字锁频环情况下，将第n个输出值与前面第n-1个输出值比较。差值提供了有关相位控制信号和载波频率相位之间的相位误差有多大的信息。频率误差愈大，锁频环穿过PLL的搜索字段的速度愈快。

象权利要求13那样构成数字PLL是有利的。通过以旋转方式运行的坐标旋转数字计算机可以将输入信号与相位控制信号混合，使得输入信号载波的相位在0方向旋转。由于坐标旋转数字计算机不执行任何乘法，只执行移位和加法运算，所以它是先进的。这就大大地压缩了复杂性。坐标旋转数字计算机还允许把输入信号以同相信号和正交相位信号的形式与DCO信号进行比较。

上述锁相环在电视接收机的电视信号中的应用构成了本发明的主题。

借助于本发明的锁相环，可以大大降低中频解调器的误差灵敏度。

将参照附图所示的实施例进一步说明本发明，但是，本发明不局限于那些实施例。附图中：

图1示出了本发明的中频解调器的方框图；

图2示出了相位转移电路的转移函数。

图1示出了用于电视信号接收机(未示出)的调谐器的中频信号4的解调器2。解调器2包括模拟/数字转换器6、抽取滤波器8、希尔伯特滤波器10和数字锁相环(PLL)12。数字奈奎斯特滤波器14、低通滤波器16、全通滤波器18、符号检测器20和增益控制电路22以及视频输出20a、音频输出20b、调谐器控制输出22b和中频放大器控制输出22a也都设置在解调器2中。

数字PLL 12包括以旋转方式运行的坐标旋转数字计算机24、低通滤波器26、载波监视电路28和以线性方式运行的坐标旋转数字计算机30，它们一起构成相位检测器12a。环路滤波器方框12b由低具有可调带宽的通滤波器32和锁频环(FLL)34构成。数字PLL 12还包括数字可控振荡器(DCO)36。

由接收天线接收到的电视信号由调谐器(未示出)放大，然后转换成中频信号。中频信号由振幅增益控制器(AGC)(未示出)再次放大，并作为中频信号4加到解调器2上。

在解调器2中，借助于采样频率近似为54MHz的模拟/数字转换器6，对中频信号4进行采样。所述数字信号由抽取滤波器8用因子2以它的采样速率抽样，并加到希尔伯特滤波器10。借助于希尔伯特滤波器10将中频信号转换成两个相移为90度的信号。一方面，这些信号是相位与中频信号的相位对应的同相信号(I通道)，和相位相对于中频信号的相位移动了90度的正交相位信号(Q通道)。I通道信号和Q通道信号都加到数字PLL 12。

在数字PLL 12中，参考载波是由输入信号构成，并通过反向旋转至0H来进行解调。

首先，数字PLL 12处于未锁定状态。就是说，在坐标旋转数字计算机24上的输入信号的相位和频率不同于DCO 36上的输出信号的相位和频率。坐标旋转数字计算机24的输出信号没有被解调，而是通过低通滤波器26首先滤波，以便抑制载波的色彩和声频信号。

所述信号通过载波监视电路28加到坐标旋转数字计算机30。所述坐标旋转数字计算机30执行一个相移。输入信号通过线性转移函数被转换成对应的输出信号。所述输出信号通过低通滤波器32被加到DCO 36。坐标旋转数字计算机30的输出信号另外还加到锁频环34。

为了对坐标旋转数字计算机24的输入信号进行解调，DCO 36的相位必须与输入信号的相位一致。坐标旋转数字计算机30的输出信号提供了有关DCO 36和输入信号之间的瞬时相位误差的信息。为了对它进行量化，控制信号由FLL 34和低通滤波器32的输出构成。

借助于所述控制信号校正DCO 36的频率和相位。通过调整DCO 36的输出信号，坐标旋转数字计算机24就能保证输入信号以同步的振幅解调状态出现在它的输出中。

如图2所示，坐标旋转数字计算机30显示转移函数38。转移函数38由-π/2和π/2之间的一段斜坡形成，其周期为π，因此得到锯齿形函数的结果。转移函数38呈现相移44。与周期为2π的传统的相移函数38a比较，它的，相移44出现在π/2处，与具有相位误差π的相移42相反。根据转移函数38，坐标旋转数字计算机30以这样的方式计算输入信号的相位误差，即，仅仅给出具有π/2和-π/2之间值的输出值。较高的相位误差为原点的映射。这就是说，仅仅计算输入信号振幅的实分量。在输入信号的矢量表示中，可以以这样方式来解释坐标旋转数字计算机30的转移函数，即，输入信号矢量在0点映射为负的实数值。

例如，在输入信号的振幅过调制的情况下，会出现180度的相移。由于坐标旋转数字计算机30仅仅计算输入信号振幅的实分量，因此，即使相移为180度，PLL 12也保持在备用状态。这样，振幅过调制就不会对PLL 12产生负面影响。

然而，由于输入信号的符号被坐标旋转数字计算机30消除了，所以必须在输出恢复。这可以借助于符号检测器20来实现。

符号检测器20将视频信号在整个线上进行积分。由于只有总信号的一小部分的符号被振幅过调制所修改，因此，通过在整个线上的积分就可能消除这部分修改。在符号检测器20中实现了符号恢复。

载波信号的包络常常只展现低的振幅。在这种情况下，信息信号可能逼近调幅情况的零跃变。然而，由于所述操作与振幅无关，并对低振幅中的误差很敏感，这将在坐标旋转数字计算机30中引起误差。由于这种原因，在0附近、近似2％的信号电平处停用坐标旋转数字计算机30。在载波监视电路28中，监视同相信号的大小。如果同相信号的大小降到限定值以下，就将同相信号设置成它的最大值。这可能是负的全偏移或者是正的全偏移，符号与各种电视标准有关。把正交相位信号设置为0。对于这种情况，坐标旋转数字计算机30的输出为0，并导致DCO 36的相位不能再调整。

电视信号常常驻留在边带调制中。在解调期间，视频信号必须借助于奈奎斯特滤波器14从两个驻留边带恢复。

例如，由噪音峰值产生的输入信号的误差，常常引起对PLL 12不希望有的活动。噪音对信号和PLL 12的控制特性的影响与中频信号的信号强度有关。中频信号的信号强度愈大，必须把所述信号的放大倍数设置得愈低。在这种情况下，误差也仅仅由信号噪音稍微作了放大。通过将增益控制电路22与低通滤波器32连接，可以随中频信号的信号电平的变化来控制12b中的环路滤波器的带宽。视频信号的暗电平的信号强度表示中频信号的信号强度。同步信号的信号强度由增益控制电路22监视。

一方面，增益控制电路22的结果要通过中频放大器的输出端22a传送给对中频信号进行放大的中频放大器。另一方面，增益控制电路22的结果要传送给低通滤波器32。这以测量信号强度的函数的形式调整了其带宽。信号强度愈大，信号噪音的影响就愈不明显。在这种情况下，可以选择大的低通滤波器32的带宽。如果信号强度低，在中频放大器中，信号噪音与中频信号一起放大。如果环路滤波器12b的带宽选择太大，所述噪音将引起对PLL 12的不希望有的控制。因此，信号强度低的地方，选择小的低通滤波器32带宽。通过控制低通滤波器32的带宽，PLL可能就没有噪音。PLL对信号杂音的反应就低。

当设置接收信道时，整个搜索频率通过PLL 12运行。在这样的情况下，DCO 36由环路滤波器32和FLL 34激活。DCO 36的频率和坐标旋转数字计算机24的输入信号的频率之间的差愈大，出现在坐标旋转数字计算机30的输出端的相位误差信号就愈陡峭。坐标旋转数字计算机30的输出信号的斜率由FLL 34测量。以所述梯度的函数的形式来校正DCO 36的频率。这样，即使在大的频率偏移，例如1.6MHz情况下，也能够锁定载波。这就允许快速电台(station)搜索。

标号清单

2解调器

4中频信号

6模拟/数字转换器

8抽取滤波器

10希尔伯特滤波器

12数字锁相环(PLL)

12a相位检测器

12b环路滤波器方框

14数字奈奎斯特滤波器

16低通滤波器

18全通

20符号检测器

22增益控制电路

22a中频放大器输出

22b调谐控制器输出

24坐标旋转数字计算机

26低通

28载波监控电路

30坐标旋转数字计算机

32低通/环路滤波器

34锁频环(FLL)

36数字可控震荡器(DCO)

38坐标旋转数字计算机30的转移函数

40操作点

42过调制点

44相移

38a传统的相移电路的转移函数

Claims (13)

1.一种用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器的数字锁相环(PLL)，所述数字锁相环具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混合器和相位转移电路，其特征在于：所述相位转移电路包括具有π相位误差的周期性转移函数，以便能够消除由输入信号的振幅过调制引起的π相移。

2.如权利要求1所述的数字锁相环，其特征在于：所述相位转移电路采用以线性方式运行的坐标旋转数字计算机形式。

3.如权利要求1所述的数字锁相环，其特征在于：所述相位转移电路的转移函数是线性的。

4.如权利要求1所述的数字锁相环，其特征在于：在锁相环的下游设置符号检测器，其中，可以借助于所述符号检测器从输出信号确定视频信号的极性。

5.如权利要求4所述的数字锁相环，其特征在于：所述符号检测器包括积分器，其中，可以借助于所述积分器求所述输出信号的积分，因而可以从所述输出信号确定所述视频信号的极性。

6.一种用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器的数字锁相环，所述数字锁相环具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混合器和相位转移电路，其特征在于：所述锁相环包括载波监视电路，其中，可以借助于所述载波监视电路来检测载波信号强度大小的下限值，并且如果检测到所述下限值，则可以停用所述相位转移电路。

7.如权利要求6所述的数字锁相环，其特征在于：所述下限值的大小处于所述载波信号强度的最大值的0与10％之间。

8.如权利要求7所述的数字锁相环，其特征在于：所述载波监视电路包括同相信号(I通道)的输入端和正交信号(Q通道)的输入端；可以借助于所述载波监视电路来计算所述同相信号；以及如果所述同相信号达到所述下限值，则可以将所述正交相位信号设置为0值，并且可以将所述同相信号就设置为最大信号振幅。

9.一种用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器的数字锁相环，所述数字锁相环具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混合器和相位转移电路，其特征在于：所述数字环路滤波器自动地连接到增益控制电路，并且可以随所述增益控制电路的输出而变地设置所述环路滤波器的带宽。

10.如权利要求9所述的数字锁相环，其特征在于：如果所述增益控制电路检测到大的增益，那么可以压缩所述环路滤波器的带宽；以及如果所述增益控制电路检测到小的增益，那么可以放大所述环路滤波器的带宽。

11.一种用于对调幅信号进行解调，特别是用于广播信号的中频解调器的数字锁相环，所述数字锁相环具有数字相位比较电路、数字环路滤波器和数字可控振荡器，所述相位比较电路包括数字混合器和相位转移电路，其特征在于：所述数字环路滤波器包括锁频环(FLL)，可以借助于所述锁频环确定所述相位转移电路的输出信号的梯度并且可以借助于所述确定的梯度设置所述数字可控振荡器，其中，即使载波信号的频率与标称频率偏差0至1.6MHz，也可以通过调整所述数字可控振荡器使所述锁相环进入锁定状态。

12.如权利要求11所述的数字锁相环，其特征在于：所述锁频环采用数字电路的形式；所述相位转移电路的输出信号由单个数字编码值系列组成；以及可以借助于连续的单个值来计算所述梯度。

13.如权利要求1、6、9或11中的一个所述的数字锁相环，其特征在于：所述相位比较电路采用以旋转方式运行的坐标旋转数字计算机形式。

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