CN1688146A - 适用于高阶qam的自适应均衡与载波恢复方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明属数字通信技术领域，具体分析为一种适用于高阶正交幅度调制(QAM)的数字均衡与载波恢复联合算法及其电路结构。高阶QAM信号由于受到载波频偏与信道失真的相互影响使得解调变得困难，本发明采用了盲均衡、鉴频、鉴相、最小均方误差自适应均衡四个步骤来获得稳定的均衡与载波恢复性能。该算法能够在256QAM模式下捕获9％波特率的载波频偏。在提出算法的基础上，本文还给出了它的电路实现结构。

Description

适用于高阶QAM的自适应均衡与载波恢复方法及其电路

技术领域

本发明属数字通信技术领域，具体涉及一种针对高阶QAM信号的自适应均衡和载波恢复方法及其电路结构。

背景技术

在数字化信息时代对巨大信息量传输的迫切需求下，各种现代调制解调技术都在追求可靠的高速传输速率。数字通信技术的发展使得各种通信应用呈现出相互融合的趋势，比如电话网、有线电视网与互联网的“三网合一”趋势。要在同一有线信道中实现诸多通信应用，需要节约有限的频谱资源，提高频谱利用率，实现高速数据传输。

正交幅度调制(QAM)技术频谱利用率高，抗噪性能强，从而广泛应用于高清数字电视广播、电缆调制解调器(Cable Modem)、及数字微波传输等宽带通信领域。特别对于数字有线电视广播的应用，采用QAM技术可以在一路8MHz/6MHz频道中传输一套高清数字电视或2-4套标清数字电视信号。

在QAM通信系统中，高性能解调器是保证高速数据传输的关键。数字通信技术、微电子技术及集成电路设计技术的发展使得在单芯片上实现高速QAM解调器成为可能。高速解调器的实现不仅需要稳定的高性能解调算法，而且需要完成解调算法到超大规模集成电路(VLSI)结构的映射，最后再完成芯片设计。高性能解调器的算法研究及VLSI实现是实现高速数据传输的核心技术，本发明涉及的高速QAM解调器主要应用于数字有线电视的接收。

对于高阶QAM信号，其星座点之间距离与相位差都变小，因而盲均衡与载波恢复更加困难。若直接进行载波恢复，则由于恶劣信道造成信号失真严重，信噪比降低，很难找到有效的载波恢复算法能直接消除载波频偏；若直接进行均衡，则由于频偏影响造成QAM信号星座图的旋转，均衡很难完全获得收敛，一般只能部分补偿信道失真。

因此，要实现高阶QAM信号的载波恢复与盲均衡，不仅需要采用高性能的算法而且还需要合理的操作步骤。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高性能的适用于高阶QAM信号的自适应均衡和载波恢复混合算法及其实现电路，以便能够在恶劣信道下稳定的实现自适应均衡的收敛并纠正大的载波频偏。

本发明所提出的适用于高阶QAM信号的自适应均衡与载波恢复算法，分为盲均衡、鉴频、鉴相、最小均方误差自适应均衡四个步骤，具体如下：

第一步，采用恒模系数更新算法(CMA)[1]进行盲均衡。CMA算法力图减少信号的矩与参考电平之间的均方值，并以此为判据更新均衡器的抽头系数。由于载波频偏仅造成QAM信号的旋转，并不影响信号的矩，因此CMA算法可以在有频偏的情况下工作。

第二步，采用本发明提出的鉴频算法迅速捕获较大载波频偏。

该鉴频算法针对高阶QAM信号的特点，提出了一种改进的基于相位极性判决(Polarity-decision)算法，能够显著提高载波频偏捕捉范围。

该算法的原理如图1所示，它选择QAM星座图最外圈的点(如C、D、E点)来计算相位误差。由于最外圈的点受周围点的影响比内部的点(如A点)所受影响要小很多，从而大大降低了误判的概率。该算法采用了极性判决的方法来计算相位误差，即只需要输入信号的软判决就可以判断载波频偏的极性。

对星座图中最外圈的信号点X，当其落在带“+”的区域(即正区域)时，相位极性判断为正，当落在带“-”的区域(即负区域)时，相位极性判断为负，计算方法如下式：

其中P_d为鉴频器的输出，当它为+1时，需要增加载波频率；为-1时，减少载波频率；为0时，载波频率保持不变。

该鉴频算法可大大提高载波恢复环路的频偏捕获范围，减少捕获时间。但是其稳态相位误差较大，因此还需要做进一步的处理。

第三步，进行鉴相，即采用判决导向的鉴相算法[1]完成载波频偏的精确锁定以及残余相位偏差的消除。由于鉴频算法捕获到大的载波频偏后，其锁定抖动比较大，而且信号还存在一定的相位偏差，因此，完成频偏锁定后需采用稳态相位抖动比较小的判决导向算法来。只有在精确消除了QAM信号的载波频偏与相位偏差后才能采用进一步的均衡算法来提高接收信号的稳态均方误差。

第四步，最小均方误差算法(LMS)进行自适应均衡。在消除载波频偏和相偏后，QAM信号星座图不再旋转，与此同时，均衡器的系数更新算法切换到LMS算法^[3]，并重新启动均衡器系数更新。LMS算法具有很好的收敛性能，能够对信道失真进行精确的补偿，以获得均衡的全局收敛。调节均衡器系数更新的步长大小可以提高LMS均衡算法的收敛速度。

综上所述，本文提出的载波恢复与自适应均衡混合算法通过以上四个步骤，可以有效解决载波恢复环路与均衡器在恶劣信道情况下协同工作的问题。

上述算法的电路实现，可以采用如图2所示的结构。它主要由前馈均衡器1和9、反馈均衡器3、鉴相器5、鉴频器6、环路滤波器7、判决器2和4、数控振荡器8经电路连接构成。模块之间的连接关系可描述如下：

解调器接收的QAM信号分为同相与正交两路，用I和Q表示；I和Q信号分别送入前馈均衡器1和9，前馈均衡器1和9的输出与数控振荡器8的输出正弦载波相乘，进行频率和相位的校正；校正完后的信号与反馈均衡器3的输出相加，得到均衡器的软判决输出s(n)；均衡器的软判决输出送给鉴频器5进行鉴频操作；软判决的输出经过判决器2和4得到硬判决输出h(n)；软判决和硬判决一起送给鉴相器5进行鉴相操作；鉴频器6和鉴相器5的输出送给环路滤波器7进行滤波；环路滤波器7的输出控制数控振荡器6的振荡频率。

在该电路中，前馈均衡器1、9和反馈均衡器3支持CMA和LMS算法，而鉴频器6实现本发明提出的鉴频算法，鉴相器采用判决导向的鉴相算法[1]。

该电路的基本工作原理为：带有频偏和失真的基带QAM信号I和Q首先送到前馈均衡器1、9，并用CMA算法进行初步的均衡；在初步均衡完成后，把均衡器的软判决输出送给鉴频器6进行鉴频操作，鉴频器6的输出控制环路滤波器7及数控振荡器8产生一对正弦载波，从而纠正前馈均衡器1和9输出信号的频偏；在频偏纠正完成后，关闭鉴频器6，启动鉴相器5，纠正残余的相位偏差；在相位偏差纠正完成后，启动前馈均衡器1、9和反馈均衡器3，并采用LMS算法进行系数更新。在完成以上过程后，由判决器2、4根据软判决产生最终的硬判决输出

本发明针对高阶QAM信号提出了对噪声不敏感的载波恢复与均衡混合算法。该混合算法实现结构简单，能显著提高系统中载波恢复环路的频偏捕获能力，并减小了稳态相位误差，保证了高阶QAM信号的解调，从而使得解调器能够实现高速数据传输。验证结果表明，该混合算法的实现显著提高了系统性能。

附图说明

图1 为鉴频算法原理图示。

图2 为载波恢复与自适应均衡算法的电路结构图。

图3 载波恢复环路锁定频偏的曲线图。

图4 256-QAM下均衡和载波恢复实现过程。其中(a)为CMA均衡后的星座图，(b)为鉴频后的星座图，(c)为鉴相后的星座图，(d)为LMS均衡后的星座图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

将本发明提出自适应均衡与载波恢复混合算法及其电路实现结构应用于数字电视解调器中。该数字电视解调器支持欧洲的数字电视广播标准(DVB-C)，支持4，16，64，256QAM。所采用的电路结构就是图1所示的架构。

输入QAM信号I、Q的信噪比为36dB，波特率为6.9M，载波频偏为600KHz。前馈均衡器1和9采用了8个抽头的有限冲击响应(FIR)滤波器，结构为转置型，反馈均衡器3采用了16个抽头的FIR滤波器；环路滤波器7采用了一个比例、积分滤波器，其传递函数为 $H_{\mathrm{LP}}\left(Z\right)=K_1+\frac{K_2}{1+Z^{-1}},$ 其中K₁，K₂为比例因子，其取值分别为2^-4，2^-8；

针对数字电视应用，图1所示电路的工作原理和步骤如下：

1、首先进行CMA均衡。CMA均衡由前馈均衡器1、9和反馈均衡器3完成。所采用的算法[1]如下：

H(n+1)＝H(n)+μs(n)[R-|s(n)|²]sgn[X^*(n)]

其中参考电平 $R^2=\frac{E\left({\left|\right|a\left|\right|}^4\right)}{E\left({\left|\right|a\left|\right|}^2\right)},$ ‖a‖是QAM星座的矩；H(n)为均衡器的系数，s(n)为软判决结果，X(n)为均衡器的输入采样值，X^*(n)表示X(n)的共轭，μ为均衡器系数更新的步长，其取值为2^-10。

2、采用鉴频器进行鉴频运算，得到频率偏差值，并进行纠正。鉴频器6接受均衡器的软判决输出s(n)，并据此判断当前的本地载波频率是低于理论值，还是高于理论值。判断的依据为：

其中P_d为频率是否低于理论值的标志。若P_d＝1，频率低于理论值；若P_d＝-1，频率高于理论值。P_d随后送入环路滤波器7进行滤波。环路滤波器7输出一个频率控制字去控制数控振荡器8，若当前频率低于理论值，则送出一个正的频率控制字，反之，则送出一个负的频率控制字。直到数控振荡器8的输出频率等于所需的理论值，则完成鉴频工作。

3.采用鉴相器进行鉴相操作，纠正相位偏差。在鉴频完成后，QAM信号的频偏已基本纠正，但还存在一定的相位偏差，因此需要采用鉴相器进行纠正。这里我们采用如下的鉴相算法[1]：

$e_k=I_k\·(Q_k-{\tilde{Q}}_k)-Q_k\·(I_k-\widetilde{I_k})$

其中I_k·，Q_k·为软判决输出， 为硬判决输出，e_k为鉴相器的输出。鉴相器的输出送入环路滤波器7，并控制数控振荡器8；若e_k为正数，表明本地载波相位超前，反之，表明相位滞后。数控振荡器根据e_k的值，相应的调整其输出正弦波的相位，直至完全消除相位偏差。

4.采用LMS自适应均衡算法[3]，最大限度消除信道失真的影响，提高信噪比。LMS自适应算法的公式如下：

H(n+1)＝H(n)+μ[h(n)-s(n)]sgn[X^*(n)]

其中H(n)为均衡器的系数，s(n)为软判决结果，X(n)为均衡器的输入采样值，h(n)为均衡器硬判决的结果，X^*(n)表示X(n)的共轭，μ为均衡器系数更新的步长，其取值为2^-10。通过前面三步操作，QAM信号的频率偏差、相位偏差已被纠正，因此LMS算法能够很好的工作，实现稳定的收敛。

通过以上四步操作，载波恢复和自适应均衡的工作得到了很好的实现。在256QAM模式下，鉴频器可以捕获9％波特率的载波频偏(如图3所示)。可以看出，在鉴频器开始工作后，大约经过8000个符号周期，鉴频器达到稳定的锁定状态。鉴频器的输出近似为一条直线。

图4显示了在256QAM模式下，自适应均衡和载波恢复联合算法实现的全过程。其中(a)表示经过CMA均衡后的星座图。由于载波频偏的影响，不能识别出星座图的样子；(b)表示鉴频(FD)后的星座图，星座图不再旋转，但仍存在一定的相位偏差；(c)表示鉴相(PD)后的星座图，可以看出，此时载波频偏和相偏均已被纠正，星座图已可分辨；由于残余噪声还比较大，星座点还不够清晰；(d)表示LMS均衡收敛后的星座图，此时星座点完全分开，信噪比大大提高。通过上述四个步骤，载波频偏、相偏以及信道失真都得到了纠正，很好地完成了载波恢复与自适应均衡功能。

参考文献：

[1]Godard D N.Self-recovering equalization and carrier tracking in two dimensional data communicationsystems.IEEE Trans.On Commu.，1980，28：1867-1875

[2]Treichler J R.A new approach to multipath correction of constant modulus signals.IEEE Trans ASSP，1983，31：459-471.

[3]Widrow B，et al.，Stationary and nonstationary learning characteristics of the LMS adaptive filter.Proc.IEEE，vol.64，1976，pp.1151-1162.

Claims (2)

1、一种适用于高阶正交幅度调制的自适应均衡与载波恢复方法，其特征在于分为盲均衡、鉴频、鉴相、最小均方差自适应均衡四个步骤，具体如下：

(1)采用恒模系数更新算法(CMA)进行盲均衡；

(2)采用鉴频算法捕获载波偏差，该鉴频算法采用极性判决方法来计算相位误差，对于星座图中最外圈的信号点x，

P_d为鉴频器的输出，当P_d为+1时，需要增加载波频率；P_d为-1时，减少载波频率；P_d为0时，载波频率保持不变；

(3)采用判决导向的鉴相算法完成载波频偏的锁定以及残余相位偏差的消除；

(4)采用最小均方误差算法进行自适应均衡。

2、一种适用于高阶正交幅度调制的自适应均衡与载波恢复方法的实现电路，其特征在于由前馈均衡器(1、9)、反馈均衡器(3)、鉴相器(5)、鉴频器(6)、环路滤波器(7)、判决器(2)、(4)、数控振荡器(8)经电路连接构成；其中，解调器接收的QAM信号分为同相与正交两路，用I和Q表示；I和Q信号分别送入前馈均衡器(1、9)，前馈均衡器(1、9)的输出与数控振荡器(8)的输出正弦载波相乘，进行频率和相位的校正；校正完后的信号与反馈均衡器(3)的输出相加，得到均衡器的软判决输出s(n)；均衡器的软判决输出送给鉴频器(5)进行鉴频操作；软判决的输出经过判决器(2、4)得到硬判决输出h(n)；软判决和硬判决一起送给鉴相器(5)进行鉴相操作；鉴频器(6)和鉴相器(5)的输出送给环路滤波器(7)进行滤波；环路滤波器(7)的输出控制数控振荡器(6)的振荡频率。

Images