TW494616B - Differentiate and multiply based timing recovery in a quadrature demodulator - Google Patents

Description

五、發明説明（1 ) 發明領域 本發明係屬於在解調一正交調變信號方法中之符號時序 恢復，一般係關於正交振幅調變之信號，及特別是一四相 位或正父相位偏移鍵控信號（QPSK) ’偏置-qpsk信號，或 差動-QPSK信號。解調方法解調器更特別者係關於如由 TIA/EIA所標準化之使用於IS-136之行動無線電系統及 PWT换線電話之一 π/4-DQPSK信號。此種穴/4-dqpSK信 號，除相位調變化外，特別顯示出有相對大之振幅變動， 即一非-固定之包封信號。本發明更關於用於此種正交調 變之信號之一解調器，一接收機及一收發機，原則上，解 調器適用於解調一零-IF或低-IF下行-轉換之正交信號。 發明背景 在美國專利第4,766,392號中，揭示一使用於零_IF接收 機中用於角調變信號之正交解調器，即該接收機能將一接 收之一角調變信號送至正交混波器以下行-轉換所接收之 角調變信號至基本波帶正交信號，一具有一零-IF之一同 相信號及一正交信號。解調器為一所謂之微分及乘積 (DAM)型解調器，其中微分及乘法裝置提供在資料路徑 中，而路徑中包含有一對微分器及乘法器，微分器之輸出 耦合至乘法器之輸入，及微分器之輸入尚交叉接至乘法器 之輸入。為獲得一 •理想，之FM解調器，提供有同相及正 交信號包封決定裝置，此包封決定裝置控制資料路徑中— 可變增益放大器之增益。該可變增益放大器耦合於用於減 去各別來自之乘法器之輸出信號之一減法器與輸出有一解 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 凋信號之一低通濾器之間。包封決定裝置與可變增益放大 的/、同形成一快速之AGC (自動增益控制）裝置，如果無 裝且’貝ll ~ 器將不適合用於解調調變之 L號，因為此信號為一非_固定振幅之信號，所以解調器 將無法如FM_解調器那樣的工作，原因為在正交混波後， 接收到之無電頻率角調變之信號中振幅變動造成一變形複 雜 < 信號。然而，一快速AGC是不想要的，因為一快速 AGC需要一較高之波帶寬及較高之電力消耗。特別是攜帶 式裝置’高電力消耗為不想要者。對π/4-DQpsK信號，在 零-IF上，微分器應為具有一高弘犯截止頻率，例如 10_2〇百萬赫，即高波帶寬濾波器（例如濾波器之高通 濾波器）。微分器應運作於一高線性之範圍，微分器之頻 率運作範圍及其3-dB截止頻率間較小之情況，為不適當 义情況，在此一情況下，解調器之BER (位元誤差率）之 結果將為非常差。 其他已知用於正交調變之信號（例如頻率或相位調變之 信號）之解調器包含以差動偵測裝置代替美國專利第 4,766,392號中所揭示之一”理想”解調器。在沒有特殊之技 術手段下，此種具有微分偵測裝置之解調器，因為無·較 佳之符號時序恢復並不適合用於解調π/心DQPSK信號或其 他非-固定包封正交調變之信號。 - π/4-DQPSK (解）—調變，在L Ε拉森著，1996年 A r t e c h Η 〇 u s e公司出版之"無線發射RF及微波電路設計 手冊”中之193-204頁内已予以說明。 —再：’數位相位鎖定回路(DPLL)為已知者，此種電路在 —正又解調器中特別適合於一符號時序恢復裝置。 發明簡要說明 ^ 月之目的為挺供一解碉方法，用來解調一具有一 最佳符號時序恢復之微分偵測型之一正交_調變之信號。 本發明之另一目的為提供有關於一正交調變之信號之符 唬率為低之一自動增益控制運作之解調方法。 本發明之另一目的為提供一簡單且有效之符號鎖定裝置 之解調方法。 按照本發明所提供之解調一正交-調變之信號之方法包 含： 將該正交調變之信號與一本地振盪器信號正交混波而產 生一同相及一正交信號，該同相及正交信號被下行-轉換 至該正交調變之信號之基本波帶形式； 對該同相及正交信號取樣以產生各別之同相信號樣本及 正交信號樣本，該取樣藉由該正交調變之信號中輸送之符 號之一符號率鎖定及由來自該同相及正交信號所產生之一 符號時序恢復信號所控制； 微分偵測該同相及正交信號樣本以自該符號而產生二進 位數字； 對有關於該同相及正交信號之時間微分而產生各別之一 第一及一第二微分信號； 將該正交信號乘以該第一微分信號而產生一第一輔助信 號，及將該同相信號乘以該第二微分信號而產生一第二輔 ^4616 五 發明説明（4 A7 B7

助信號；及 讀差信 將該第一及第二輔助信號相減以形成— 號控制該鎖定。 尽♦明乃基於洞察到當使用微分偵測 ,一 τ，可在複雜> τ 仃-轉換之信號中之強烈包封變動中得 ^ 丨丁王J 一有利之處。 了解的是當使用於符號時序恢復路徑中 舻甘。 f 此一強烈變動 車又其所造成之不利影響更能帶來幫助， 丄—— 上了知到此強列i后 幅變動可將欲送到符號時序恢復裝置之 …、 估7 I唬中大的振幅峰 值丁以等化，亦即，振幅變動對該差信號具有一 p 響。 τ κ矽 裝 值得進-步了解的是，—f曼AGC料絕對的需要可達 成將要送至符號時序恢復裝置之信號之部分峰值之等化。 原則上有些AGC僅在資料路徑中用於保持信號在其自己 訂

提供之濾波器之動態範圍之内才是有需要及值得要的。 較佳的，符號時序恢復裝置係以一數位相位鎖定回路電 路來完成。 圖式簡要說明 圖1所示為一按照本發明之一收發機之一方塊圖。 圖2為一 τγ/4-DQPSK解調之一相位區域。 圖3為本發明在π/4-DQPSK解調器中之振幅變動。 圖4為本發明在一解調器中之一中間信號及一等化之中 間信號。 發明詳細說明 圖1所不為按照本發明之一收發機丨之方塊圖。收發機 494616 A7 B7 五、發明説明（5 ) 1包含發射機2及接收機3，發射機2及接收機3經一 Tx/Rx-雙工器或開關5及一帶通濾波器6耦合至天線4， 及天線4發射及接收正交調變之無線電頻專信號Tx及 Rx。在僅為一接收機功能情況時，發射機2及Tx/Rx-雙工 器或開關可被省略。 發射機2包含用於對基本波帶數位發射資料Td編碼之 一發射編碼器7。發射編碼器7包含用於自發射資料Td 產生二進位元符號Sy之一率聯-至-並聯轉換器8，一 π/4-DQPSK編碼器9，及低通濾波器10及11。串聯-至·並聯 轉換器8，π/4-DQPSK編碼器9，及濾波器1 0及11分別具 有一發射位元時脈輸入12，一發射符號時脈輸入13及一 參考時脈輸入14。發射編碼器7耦合至正交調變器15。 正交調變器15包含一第一混波器16，其一第一輸入17耦 合至濾波器10之輸出18及其第二輸入19經一九十度相 位偏移器21耦合至本地振盪器裝置20 ;及一第二混波器 22，其一第一輸入23耦合至濾波器11之一輸出24，及 其第二輸入25耦合至本地振盪器裝置20。正交調變器15 尚包含一組合器26用於將混波器16及22之輸出信號合 併。正交調變器15經一發射功率放大器27及一低通濾波 器28耦合至Tx/Rx-雙工器5。π/4-DQPSK發射編碼器7產 生一微分編碼之相位偏移鍵控信號。進入之位元流Td被 分開成二個位元符號群Sy，連續之符號Sy為具有座標落 於I或Q軸之每一符號在軸旋轉二個π/4或在相對於I或 Q軸旋轉π/4之QPOK之座標部分。在π/4-DQPSK信號中， 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 五 ‘發明説明（6 付唬由八分之一之等間隔相位 號之相位角僅在選擇之相位角才能=，：此：據出現符 2所示為πΜ-DQPSK解4周、一 4 一于下個付號’如圖 應於零度，唯—允許之；域。如出現符號sy對 _之軸上，如所顧…以為在相對於1或Q軸旋轉 干 如所鮮員不 < 自由ill > # 口占〇 示。此音如从％ C 目出見之付唬Sy起始之箭頭所 二…'sy後續出現之符號相位可能為45, 得出下— =35 1 °將m位角加至出現符號之相位 一 仃i目位角’微分相位角被加以發射。如圖所 ;，微分相位角在發射位元流Td中對下一符號可如二個 〈函數加以映射。指定對-出現符號Sy纟零度之相 位角，一-135才目位角可加至位元，，〇〇，，之下一組及-45度， ^度，及I35度之相位角將各別的加至下一組位元”01”， 1〇，11。目為在一發射之信號中對於一長串之〇s或ls 相位轉換總是發生的，在接收器中符號時序恢復較相位調 變〈其他形式容易。圖2進-步示出由接收機3自另-收 發機所收到之接收信號Rx之一 π/4βΕ)(^ρ§κ之接收向量 Ve 〇 接收機3包含耦合於Tx/Rx雙工器或開關5之一低雜音 放大器30。放大器30耦合至具有一用於接收一被濾波及 放大之正叉調變之信號s(t)之輸入32之一正交解調器 31。解調器31包含有一混波器33之正交混波裝置，該混 波器33之第一輸入34耦合至輸入32，及其一第二輸入 35耦合至本地振盪器20 ;及一混波器36，該混波器36 之第一輸入37搞合至輸入32及其一第二輸入38經九十 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

發明説明（ =偏移…合至本地振盡器。混波器33產生一同 號Λ1:昆波器36產生一正交信號q'，同相及正交信 號Q在零-if或低^信號下行-轉換為正交調變之信 :广基本波帶形式。在同相分支，接收機3尚包含— 低通滤波器5〇 ’ -可變増益放大器51，及-低通 厂波為52 ’及在正交部分分支，接收機3尚包括一連續 ::通遽波器53，一可變增益放大器54，及一低通遽波 -^。接收機3尚包含一自動增益裝置％，用於測定由 可變增益放大器51及54產生之各別之輸出信號之位準， 所測得之位準控制可變增益放大器51及54之增益。由解 狀觀點來看，按照本發明之接收機3，原則上自動增益 控制可被省略。當存在時’自動増益控制較符^々之符 號率為低。自動增益控制中某些峰值觸發係作為符號時序 恢復 < 一信號，且此種信號仍適合於控制時序恢復。基本 上，按照本發明之接收機3，自動增益控制被應用用於保 持信號在濾波器50，52 , 53及55之動態範圍以内。濾波 姦52及55之輸出57及58上分別出現有信號〗，及q,之被 濾波之形式I及Q。 接收機3尚包括取樣裝置60用於對同相信號及正交信 號I及Q取樣而產生各別之同相信號及正交信號樣本Ι(κ) 及/Q(K)，及一微分偵測器61耦合至取樣裝置6〇。取樣裝 置60包含各別之類比至數位轉換器63及控制取樣在一 t=kT之比值之取樣控制裝置64及65，其中t為時間，k 為整數值’ T為取樣之期間。微分偵測器61在接收到正 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 494616 A7 B7 五、發明説明（8 ) 交調變之信號Rx中對每一微分偵測之接收到符號Sy提供 二個位元xk及yk，按照微分公式： xk=-sign [Q(k)I(k-l)-I(k)Q(k-l)]，及 yk=-sign [I(k)I(k-l)+Q(k)Q(k-l)]，sign 為已知 signum 函數， 如果 x〉0，sign (x)=l，如果 x=0，sign (x)=0，如果 x<0，sign (x)=-l。x為signum函數之獨立變數。 微分偵測與接收之複雜信號s(t)中之包封之失真變形無 關，此種振幅變形或振幅變動，如圖3所示，發生於一 π/4-DQPSK内，原因為π/4-DQPSK信號之特性，及事實上 快速AGC未被用以對此一變形加以等化，且該美國專利第 4,766,392號所說明之一 3里想'FM解調器亦未應用。但當 美國專利第4,766,392號之慢AGC予以應用時，FM-解調器 便不再理想。則在美國專利第4,766,392號中混波器22及25 之輸出之信號[I.(dQ/dt)-Q.(dI/dt)]將顯示強大之振幅變化及 將無法使用用於偵測π/4-DQPSK信號。本發明應用微分偵 測來代替及使用等化信號來作符號時序恢復。 接收機3尚包含一符號時序恢復裝置70，經一限制器 71耦合至正交混波裝置31，在先於接收資料之前（未示出） 收到一前置（preamble)信號（未示出）時，自同相及正交 信號I及Q產生一符號時序恢復Sr。符號時序裝置70可 為一數位鎖相回路電路，此乃業界所熟知。符號時序恢復 Sr決定取樣裝置60之取樣瞬間t=kT。取樣需在接收之信 號一眼-圖（e y e - d i a g r a m )面中最佳之眼-開孔之瞬間。此 種眼-圖面為已知之技藝。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） A7 B7 五、發明説明（9 ) 按照本發明，可藉由一微分器及乘法器72藉由各別之 微分$ 73及74對有關之同相與正交信號I及q之時間微 分可獲得一等化之信號以便產生一第一及第二微分信號 dl/dt及dQ/dt，及由有關之乘法器75及76將信號dI/dt乘 以信號Q及將信號dQ/dt乘以信號I而產生各別之輔助信 號A及B。一差信號a-B由信號A及B藉一差形成

Cdiffei:ence forming)裝置77來形成，信號α·β完全 與一理想FM解調器之輸出信號完全不同，且為非常適合 為用於控制符號時序恢復裝置7〇之一信號，原因為一微 分之相位信號之縮放並不影響在受到限制之微分之相位信 號之極性及零交叉。慢AGC有幾分峰值觸發差信號Α-Β 〇 圖4所示為在輸出57及58加上有快速AGC之一信號 v(t)，亦即一理想FM-解調器之信號之一信號，如圖所 不’在差形成裝置77之輸出78上，一中間之信號a-B， 不用AGC，或一低峰（slightly peaked)之中間信號（A_ B)f具有慢AGC，按照本發明之解調器31，信號v(t) , (A-B) ’（A-BV為在一符號期間τ之等化頻率變化Af , t為時 間，ΔΡΔφ/Δΐ，Δφ為在一符號期間之相位變化。信號Α·Β 為一理想FM解調器輸出之一縮放形式，由Γ2來縮放，^ 為收到之信號之載波包封： (A_B)=I.dQ/dt-Q.dI/dt=r2.d(p/dt. 由圖3可以看出，收到之信號Γι之包封大小在一符號期 間約為一 π/4相位變化，較收到之信號Γ2之包封之大小為 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 494616 A7 B7 五、發明説明（1G ) 大，在一符號期間約在3π/4相位變化，即微分及乘法裝置 72對於+/-π/4相位變化較對於+Λ3π/4相位變化具有一甚 高之增益。此種增益中之變動對信號v(t)有一等化作用， 即在信號v(t)中用於非常小之r值所發生之r2縮放之頻率 突波可被去除。使用慢AGC時，（如圖4中之信號（A-B)’ 所示）仍可等化該信號v(t)。由於通常出現於一理想FM解 調器中之頻率突波在符號路徑中已被微分及乘法裝置（DAM) 72予以去除，微分器73及74可以第一階高通濾波器來完 成。例如可較在一理想FM解調器之資料路徑中之DAM 有甚小之截止頻率，對位元誤差率而言不會有不利之影 響。 微分及乘法裝置72可以數位方式來實施，在此情形 下，二個額外之類比至數位轉換器（未示出）係用來對信號 I及Q取樣而產生用於數位DAM 72之取樣。一數位DAM 72之實施可為一簡單可程式化之符號處理器等等。依上述 公式求出A-B之實施方式。此外，基本波帶解調器部分， 即，混波器33及36以後之部分，亦可藉此種可程式化之 信號處理器來執行。在此情況，濾波器50，52，53及 55，放大器51及54，AGC裝置56，DAM 72，限制器71 及差形成裝置77為可程式化之電腦裝置。如何實施數位 低通及高通漉波器，減法器及放大器為已知之技藝，當實 施數位時，DAM 72僅需要一低取樣率，即每秒四個樣 本，即可獲得一適當之符號時序恢復。 就以上所討論，明顯的對於精於此一技藝之士而言，本 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 494616 A7 B7 五、發明説明（11 ) 發明及如以下由所附之申請專利範圍所限制之精神及範圍 内多種之修改可被做出，本發明並不限於所提供之實施 例。"包含”一字並不排除這些列出於申請專利範圍中之其 他元件或步驟之出現。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 卜f?月丨，

   A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 ^ I 一種解調一正交調變信號（S(t))之方法，該方法包含： 將該正交調變信號與一本地振盪器信號正交混波以 產生一同相信號⑴及正交信號（Q)，該同相及正交信號 (I，Q)為該正交調變之信號之下行-轉換之基本波帶形 式； 對該同相及正交信號（I，Q)取樣以產生各別之同相信 號樣本（I(k))及正交信號樣本（Q(k))，該取樣由一符號 時序恢復信號（Sr)控制，該符號時序恢復信號（Sr)為藉 對該正交調變信號（s(t))中輸送之符號之一符號率鎖定 而自該同相及正交信號（I，Q)產生者； 微分偵測該同相及正交信號樣本（(I(k)，Q(k))，以自該 符號產生二進位數字； 對有關於該同相及正交信號（I，Q)之時間微分以產生 各別之一第一及一第二微分信號； 將該第一微分信號乘以該正交信號（Q)以產生一第一 輔助信號（A)及將該第二微分信號乘以該同相信號⑴以 產生一第二輔助信號（B);及 將該第一及第二輔助信號（A，B)相減以形成一差信號 (A-B)，該差信號（A-B)用以控制該鎖定。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該同相及正交信 號（I，Q)在進行該取樣及該微分之前分別進行可變增益 放大，及由該可變增益放大所產生之各別輸出信號位 準被測定，該被測定之位準決定用於控制該可變增益 放大之一增益控制信號。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐) 申請專利範圍 3·如申請專利範圍第2項之方法，其中該可變增益放大 之該控制運作較該符號率之運作為慢。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該鎖定藉由相位 鎖定一參考時脈信號之相位至該差信號之一相位而執 行’該參考時脈信號之相位鎖定之版本為該符號時序 恢復信號。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該差信號在控制 該鎖定之前先被限制。 6· —種用於一正交解調信號之解調器，該解調器包含： 一輸入（32) ’該輸入（32)用於接收該正交調變之信號 (s(t))； 一本地振盪器（20); 正交混波裝置（33, 36)耦合，至輸入（34, 37, 35, 38)， 輸入（32)及該本地振盪器（2〇)，正交混波裝置（33, 36)用 於產生一同相信號（I)及一正交信號（Q)，該同相及正 交信號（I，Q)為下行-轉換之基本波帶或該正交調變之 信號（s(t))之低頻率形式； 耦合至該正交混波裝置（33, 36)之符號時序恢復裝置 (70)，藉由鎖至該正交調變信號所發射之一符號 之符號比率而自該同相及正交信號（I，Q)產生一符號時 序恢復信號（Sr); 取樣裝置（62, 63)，該取樣裝置（62, 63)耦合至該正交 混波裝置（33, 36)，用於對該同相及正交信號（I，Q)取樣 以便產生各別之同相信號樣本（I(k))及正交信號樣本 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 叫 4616 A8 B8 C8 ____D8_ 六、申請專利範圍 (Q(k))，該取樣裝置（62, 63)受該符號時序恢復信號（Sr) 控制； Φ - 微分偵測裝置（61 )，該微分偵測裝置（61)用於對該同 相及正交樣本(I(k)，Q(k))來之該信號微分偵測，及用於 對該偵測之符號產生二進位數字； 微分及乘法裝置（73, 74, 75, 76)，該微分及乘法裝置 (73, 74, 75, 76)用於對有關於該同相及正交信號（〗，Q)之 時間微分以便產生各別之一第一及一第二微分信號， 及將該第一微分信號乘以正交信號（Q)而產生一第一輔 助信號（A)及將該第二微分信號乘以該同相信號⑴而產 生一第二輔助信號（B);及 用於將該第一及第二輔助信號（A，B)相減形成一差信 號（77)之裝置，該差信號（A-B)控制該符號時序恢復裝 置（70)。 7·如申請專利範圍第6項之解調器，包含用於放大該同 相信號之一第一可變增益放大器（51)及用於正交信號之 一第二可變增益放大器（55)，該第一及第二放大器（51， 55)具有各別之增益控制輸入及耦合於混波器（33, 36)與 該取樣裝置（62, 63)之間，及用於偵測該可變增益放大 器（51，54)各別輸出信號之位準之位準測定裝置（56) ’ 該測定之位準用於控制該可變增益放大對該增益控制 之輸出做決定提供一增益值。 8·如申請專利範圍第6項之解調器，其中該符號時序恢 復裝置（70)由一數位相位鎖定回路形成，鎖定藉由一參 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 494616 A8 B8 C8 __ D8 六、申請專利範圍 考時脈信號之相位鎖定至該差信號之一相位來達成， •該參考時脈信號之一相位鎖定形式為符號時序恢復信 號（Sr) 〇 9.如申請專利範圍第6項之解調器，包含耦合於微分及 乘法裝置（73, 74, 75, 76)與該符號時序恢復裝置（70)之間 之限制裝置（71)。 10·—種接收機（1)，該接收機（1)包括一接收機前端（6, 5, 30) 及耦合至該接收機前端之一天線（4)，該天線（4)接收一 正交調變之信號（s(t))，及包含用於解調正交調變之信 號之解調器，該解調器包含： 一輸入（32)，該輸入（32)用於接收該正交調變之信號 (s(t))； 一本地振盪器（20); 正交混波裝置（33, 36)，耦合至輸入（34, 37, 35, 38)， 輸入（32)及該本地振盪器（20)，該正交混波裝置（33, 36) 用以產生一同相信號（I)及正交信號（Q)，該同相及正交 信號（I，Q)為該正交調變之信號（s(t))之下行-轉換之基 本波帶形式； 符號時序恢復裝置（70)，耦合至該正交混波裝置（33, 36)用於自該同相及正交信號（1，Q)藉由鎖定該正交調變 之信號（s(t))輸送之符號中之符號率而產生一符號時序 恢復信號（Sr); 取樣裝置（62, 63)，耦合至該正交混波裝置（33, 36)， 用於對該同相信號及正交信號（I，Q)取樣以便產生各別 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 朽 4616 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 之同相信號樣本（I(k))及正交信號樣本（Q(k)),該取樣 •裝置（62，63)受该付號時序恢復信號（以）控制； 微分偵測裝置（61)，用於自該同相及正交信號樣本 (I(k)，Q(k))微分偵測該符號，及用以自該偵測之符號產 生二進位數字； 微分及乘法裝置（73, 74, 75, 76)，用於對該同相及正 父仏號（I，Q)有關之時間微分以便產生各別之一第一及 一第二微分信號，及將該第一微分信號乘以該正交信 號（Q)以產生一第一輔助信號（A)及對第二微分信號乘 以同相信號（I)以產生一第二輔助信號;及 用以形成一差信號（77.)之裝置，該差信號刀由該第 一及第二輔助信號（A, B)相減而得，該差信號（a_b)控 制該符號時序恢復裝置（7〇)。 19·