CN1905544A - 数字残留单边带调制系统载波恢复装置及其恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字残留单边带调制系统载波恢复装置，包括高通滤波器、希尔伯特滤波器、第一导频跟踪环路、低通滤波器、第二导频跟踪环路、导频幅度估计模块、直流去除模块。高通滤波器对信号取出边带信号；希尔伯特滤波器取出处于一个边带上的导频信号并经过增益调整后，送入第一导频跟踪环路作频谱搬移后，再通过低通滤波器后，送入第二导频跟踪环路；在第一导频跟踪环路的频率锁定后，通过对导频跟踪环路输入信号和数字可控振荡器信号的处理，估计导频信号的强度，并调节导频跟踪环路输入信号的增益，并送入直流去除模块，去除导频信号；两个导频跟踪环路生成的载波信号进行合成，得到一个合成的载波恢复信号。

Description

数字残留单边带调制系统载波恢复装置及其恢复方法

技术领域

本发明涉及一种数字残留单边带(VSB：Vestigial Side Band)调制系统载波恢复装置及其恢复方法，特别涉及一种数字电视接收机的残留单边带调制信号的载波恢复装置及其恢复方法。

背景技术

目前北美的地面数字电视广播标准所采用的残留单边带调制(VSB：Vestigial Side Band)方式，利用现有的模拟电视广播频段来发送数字电视广播信号。为了减少对目前模拟电视广播的影响，以及在低载噪比的环境下可靠传输数字电视信号，标准中采用了信道均衡器以及多种的信道编码方式，来保证信号的正常接收。另外，与模拟电视不同，数字电视在接收信号质量低于一个门限时，接收机不能正常工作，完全看不到图像；反之，如果高于这个门限时，则能几乎无误差地恢复出图像信号。这就要求数字电视接收能在恶劣信道条件下能正常工作。

接收机的解调器要解调出信号要求实现三个功能：符号同步的定时恢复，载波恢复以及信道均衡。定时恢复是使接收机的符号时钟同步于发射机的符号时钟，保证接收机实现最佳的符号时间采样；载波恢复是把射频/中频的信号频谱搬移到基带，实现基带信号恢复的过程；均衡是为了去除由于信道中的多径效应而引起的符号间干扰(ISI：Inter-Symbol Interference)。

VSB系统中在基带信号的直流处加入了0.3dB的导频信号，用于辅助载波恢复。当VSB信号偏离基带时，该直流信号成为一个单频信号，在VSB接收机中，可以用锁相环来来锁定导频信号，得到恢复后的导频信号用来解调VSB信号，使其恢复到基带。导频信号处于VSB信号中间，并且对于导频信号而言，VSB的数据调制信号是一种调制噪声。在接收机的导频信号锁相环中，这些调制信号被当作噪声来处理。

美国专利US Patent 6005640采用了导频锁相环的方法，来实现VSB信号的载波恢复。

为了提取导频信号，可以在锁相环之前采用窄带滤波器。同时，为了抑制数据调制噪声，需要尽可能地使用带宽很窄的滤波器。但是，这样会导致锁相环无法跟踪输入信号所有的频率和相位漂移。然而，由于家电消费品的成本因素，不可能采用高等级的调谐器来保证射频信号处理不带来一定的频率和相位漂移。

另一方面，在具有深衰落的恶劣信道下，导频信号恰好处于深衰落的频率处时，导频信号幅度被衰落，影响载波恢复的性能直至载波恢复不能正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种数字残留单边带调制系统载波恢复装置及其恢复方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种数字残留单边带调制系统载波恢复装置，包括高通滤波器，用于滤除边带以内的数据调制噪声，得到上、下边带信号；希尔伯特滤波器，用于再滤除无用的边带，取出有用边带上的导频信号；第一导频跟踪环路，用于接受经增益调整后的所述的导频信号，进行第一次锁定，滤除带外干扰和宽带噪声；低通滤波器，用于接受第一次锁定后的导频信号并滤除数据调制噪声以及干扰；第二导频跟踪环路，接受低通滤波器输出信号并对频率和相位误差进行再次锁定，跟踪调谐器所引入的相位漂移；导频幅度估计模块，用于在第一导频跟踪环路频率锁定后，估计输入导频信号的幅度并据此动态调节输入到导频跟踪环路信号的增益，还将估计出的导频信号幅度送入直流去除模块；直流去除模块，对VSB基带信号进行直流去除，所述VSB基带信号由延迟后的VSB信号和经第一、第二导频跟踪环路两次锁定后的载波信号合成的本地恢复载波混频得到。

本发明还提出了一种数字残留单边带调制系统载波恢复方法：来自定时恢复的信号经过高通滤波器后，取出了中心频率为fs/4(fs为VSB调制信号的符号速率，10.76MHz)的边带信号；进一步采用希尔伯特滤波器，取出处于一个边带上的导频信号；此导频信号经过一次增益调整后，送入第一个导频跟踪环路(锁相环)；在第一个导频跟踪环路的相位检测器(复数乘法器)所作的fs/4频谱搬移后，回到基带的导频信号(直流信号)通过一个带宽极窄的低通滤波器后，送入第二个导频跟踪环路；在第一个导频跟踪环路的频率锁定后，通过对导频跟踪环路输入信号和数字可控振荡器信号的处理，估计输入导频信号的强度，并据此动态地调节导频跟踪环路输入信号的增益；估计出的导频信号幅度，送入直流去除模块，去除导频信号；从两个导频跟踪环路各自的数字可控振荡器(NCO：Numerically Controlled Oscillator)生成的载波信号进行合成，得到一个合成的载波恢复信号，用来对VSB信号进行解调；解调后的信号经过去除直流信号后，送入信道均衡器，消除符号间干扰(ISI)。

本发明由于采用了上述装置和方法，即使在射频采用低等级的调谐器的情况下，以及恶劣的信道环境下，载波恢复都能保证正常工作。

附图说明

图1是现有的VSB数字电视接收机的结构框图；

图2是本发明的载波恢复装置的详细框图；

图3是图2中低通滤波器的结构图；

图4是图2中导频幅度估计的结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有的VSB数字电视接收机的结构框图。当通过天线接收到VSB调制方式的射频信号，调谐器将用户选定频道的射频信号进行频谱搬移到中频(IF：intermediate frequency；一般广泛采用44MHz)，并且通过声表面波滤波器滤除接收频道外的信号干扰。中频信号通过适当放大后，驱动A/D，信号经过A/D后转换成数字带通信号。此带通信号进入正交解调器，把VSB调制信号进一步进行频谱搬移，使其中心频率为fs/4，便于其后的定时恢复和载波恢复处理。

定时恢复使接收机的符号时钟同步于发射机的符号时钟，实现最佳的符号时间采样。定时恢复后的信号进入载波恢复部，提取出接收信号中的载波后，利用它完成VSB基带信号解调的频谱搬移。当载波恢复后，在发射端为了辅助载波恢复而在VSB基带信号的直流处插入的导频信号也就不再需要，直流去除部去除此直流信号。

信道均衡器将消除由于电波传播中多径信道效应引入的符号间干扰以及基带信号中残留的相位噪声。去除各种干扰噪声后的VSB解调信号输出到信道译码部，在信道译码部进行多种译码处理，准确无误地恢复处发送端的传送码流(TS：Transport Stream)。

图2是本发明的载波恢复装置的详细框图，相当于图1中载波恢复部。正交解调后VSB信号的中心频率为fs/4，等效为一个复基带信号。导频信号也处于复基带信号的上边带或下边带(具体在哪一个边带取决于IF信号的频谱位置以及正交解调的载波相位)。图2中的高通滤波器首先滤除了边带以内的数据调制噪声，得到上/下边带信号。下一步由希尔伯特滤波器再滤除一个无用的边带，取出了落在另一个边带上的导频信号。

通过滤波取得的导频信号经过增益调整后，被送入第一个导频跟踪环路。首先，输入导频信号与本地的NCO载波复数相乘，检测到相位误差。检测到的相位误差输出到环路滤波器，之后控制NCO，完成频率锁定和相位锁定。

进行过一次锁定的导频信号，残留了一定的频率误差和相位误差，并且其频谱被搬移到基带。处于基带的导频信号输出到一个带宽极窄的低通滤波器，滤除数据调制噪声以及其他各种干扰。低通滤波器输出信号到第二个导频跟踪环路，对残留的频率和相位误差进行锁定。除具体的环路滤波器参数外，第二个导频跟踪环路与第一个完全一样，这里不再重复。

经过两次锁定后的两个NCO的载波信号进行合成，形成了最后的本地恢复载波，并与延迟后的VSB信号进行混频，得到VSB基带信号。解调好的VSB基带信号输出到直流去除，去除其中不再需要的直流(即导频信号)。

当第一个导频跟踪环路的频率锁定后，导频幅度估计模块开始估计输入导频信号的幅度，并且根据导频幅度动态调节输入到导频跟踪环路信号的增益。另一方面，估计出的导频信号幅度被送入直流去除模块，使其能准确无误地去除畸变后的VSB信号中的导频分量。

图3为图2中低通滤波器的实现结构图。输入信号进行块平均后，进行1/N速率的下采样，使信号的采样速率降为原来的1/N。采样后的低速率信号进入窄带低通滤波器，彻底滤除直流以外的各种干扰和噪声。之后进行N倍上采样，信号速率恢复到输入信号的采样速率。上述N为8到64的整数。

图4为图2中导频幅度估计的结构图。导频输入复信号的正交相与NCO的同相相乘后，进行块平均以滤除噪声。滤除噪声后的信号即为估计出的导频幅度，输出到直流去除模块。另外，根据估计的导频幅度和系统提供的一系列门限，产生一个增益控制信号，决定导频输入信号增益的大小。迟滞控制是为了防止在门限附近的频繁切换。

本发明的双导频跟踪环路，可以跟踪由调谐器或其他发送/接收环节引入的所有的频率/相位漂移。第一个环路采用了低环路增益，保证了自己环路的数据调制噪声抑制性能，同时可以分担少部分的频率相位跟踪能力要求。两个环路之间的低通滤波器在进入第二个导频跟踪环路的相位误差检测器之前就滤除了带外干扰，来保证第二个环路的不会引入过多的带外干扰。当然低通滤波器本身也会对第二个环路的相位跟踪能力有一定的影响。第二个环路采用高环路增益，从而具有强的相位跟踪性能。双环路的结构和适当的参数配置，既保持了良好环路噪声性能，又能很好跟踪输入信号中的频率/相位漂移。

两个环路之间的低通滤波器的设计特点：为了更好地去除带外干扰，需要对信号进行带宽非常窄的滤波。在通常采用的有限冲击向应(FIR：Finite Impulse Response)滤波器的设计中，这通常需要阶数非常多的FIR才能达到滤波要求，对电路实现不利。本发明通过对信号平均后下采样的处理，降低进入FIR滤波器信号的采样速率，大大降低了FIR滤波器所需要的阶数，有利于电路实现。

导频幅度检测以及导频输入导频信号增益的动态调整：在实际信道传输环境中，由于多径效应引起了频率选择性衰落。在某些特定环境下，导频恰好处于频率的深衰落的地方，导致接收信号中导频幅度大大降低，最终导致导频跟踪环路不能正常工作。本发明通过估计输入导频信号的幅度，并根据导频被衰落的情况，动态地调节输入导频信号的增益，保证导频跟踪环路的正常工作。

Claims (7)

1、一种数字残留单边带调制系统载波恢复装置，其特征是，包括高通滤波器，用于滤除边带以内的数据调制噪声，得到上、下边带信号；希尔伯特滤波器，用于再滤除无用的边带，取出有用边带上的导频信号；第一导频跟踪环路，用于接受经增益调整后的所述的导频信号，进行第一次锁定，滤除带外干扰和宽带噪声；低通滤波器，用于接受第一次锁定后的导频信号并滤除数据调制噪声以及干扰；第二导频跟踪环路，接受低通滤波器输出信号并对频率和相位误差进行再次锁定，跟踪调谐器所引入的相位漂移；导频幅度估计模块，用于在第一导频跟踪环路频率锁定后，估计输入导频信号的幅度并据此动态调节输入到导频跟踪环路信号的增益，还将估计出的导频信号幅度送入直流去除模块；直流去除模块，对VSB基带信号进行直流去除，所述VSB基带信号由延迟后的VSB信号和经第一、第二导频跟踪环路两次锁定后的载波信号合成的本地恢复载波混频得到。

2、根据权利要求1所述的数字残留单边带调制系统载波恢复装置，其特征是，所述第一、第二导频跟踪环路包括复数乘法器、数字可控振荡器、环路滤波器，其中输入导频跟踪环路的导频信号与所述数字可控振荡器载波在所述复数乘法器复数相乘，检测出相位误差，再输出到所述环路滤波器，控制数字可控振荡器，完成频率和相位锁定。

3、根据权利要求2所述的数字残留单边带调制系统载波恢复装置，其特征是，所述第一导频跟踪环路采用低环路增益，第二导频跟踪环路采用高环路增益。

4、根据权利要求1、2或3所述的数字残留单边带调制系统载波恢复装置，其特征是，所述低通滤波器包括块平均、下采样、窄带低通滤波器、上采样，其中首先对输入导频信号进行块平均，进行1/N速率的下采样，采样后的低速率信号进入窄带低通滤波器，滤除直流外干扰和噪声，再进行N倍上采样，恢复信号速率到采样速率，其中N为8到64的整数。

5、根据权利要求1、2或3所述的数字残留单边带调制系统载波恢复装置，其特征是，所述导频幅度估计模块包括块平均、迟滞比较器；所述导频幅度估计模块首先将希尔伯特滤波器所输出信号的正交相与数字可控振荡器的同相相乘后进行块平均以滤除噪声、估计导频幅度，并将估计出的导频幅度输出到所述直流去除模块；根据估计的导频幅度和系统提供的门限，产生一个增益控制信号，决定导频输入信号增益大小；所述迟滞比较器用于防止门限附近的频繁切换。

6、一种数字残留单边带调制系统载波恢复方法，其特征是，包括：采用高通滤波器对经过信号取出边带信号；进一步采用希尔伯特滤波器，取出处于一个边带上的导频信号；所述导频信号经过一次增益调整后，送入第一导频跟踪环路；在第一导频跟踪环路的复数乘法器所作的频谱搬移后，回到基带的导频信号通过一个低通滤波器后，送入第二导频跟踪环路；在第一导频跟踪环路的频率达到粗同步后，通过对导频跟踪环路输入信号和数字可控振荡器信号的处理，估计输入导频信号的强度，并据此调节导频跟踪环路输入信号的增益；估计出的导频信号幅度，送入直流去除模块，去除导频信号；从两个导频跟踪环路各自的数字可控振荡器生成的载波信号进行合成，得到一个合成的载波恢复信号，用来对VSB信号进行解调；解调后的信号经过去除直流信号后，送入信道均衡器，消除符号间干扰。

7、根据权利要求6所述的数字残留单边带调制系统载波恢复方法，其特征是，所述高通滤波器取出边带信号中心频率为fs/4，其中fs为数字残留单边带调制信号的符号速率10.76MHz；所述第一导频跟踪环路的复数乘法器所作的频谱搬移为fs/4频谱搬移。

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