數字符號定時恢復網絡的制作方法

專利名稱：數字符號定時恢復網絡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個數字符號定時恢復網絡。
由以符號形式傳載數字信息的調制信號中恢復數據要求在接收機端有三個功能用于符號同步的定時恢復，載波恢復(頻率解調到基帶)，和信道均衡。定時恢復是一個處理過程，通過它，接收機的時鐘(時基)與發射機時鐘同步。這使得所接收的信號可以在時間上的最優點被抽樣，從而減少與所接收符號值的判決引導過程有關的限幅誤差。載波恢復是一個處理過程，通過它，所接收的RF(射頻)信號在被下變頻到更低的中頻頻帶(例如，接近基帶)之后，被頻移到基帶以使得可以恢復調制的基帶信息。自適應的信道均衡是一個處理過程，通過它，可以補償在信號傳輸信道中條件改變和干擾的影響。這一過程通常采用濾波器來去除由于傳輸信道的頻率隨時間變換特征引起的幅度和相位失真。
根據本發明的原理，通過由響應于來自本地信道均衡器的一個輸出信號的段同步檢測器的符號定時恢復網絡的合作來增強符號定時的恢復。


圖1是包括本發明原理的定時恢復裝置的高清晰度電視(HDTV)接收機的一部分的框圖。
圖2顯示了根據在美國的大聯盟(Grand Alliance)HDTV陸上廣播系統的VSB調制信號的數據幀格式。
圖3詳細顯示了圖1中的段同步檢測器和符號時鐘定時恢復網絡。
圖4顯示了有助于理解圖3中的操作的信號波形。
在圖1中，陸上廣播的模擬輸入HDTV信號由一個包括射頻(RF)調諧電路的輸入網絡14和包括由于產生一個中頻(IF)輸出信號的雙變頻調諧器的中頻處理器16，和一個適合的自動增益控制(AGC)控制電路來處理。在該實施例中，所接收的信號是一個由大聯盟所建議并在美國采用的，載波抑制的多電平8—VSB的調制信號。這種VSB信號由一個一維數據符號星座來表示，其中只有一個坐標包含將由接收機來恢復的量化數據。為了簡化附圖，未顯示為所示功能決定時的信號。
如大聯盟HDTV系統規范(1994年，4月14日)中所述的，VSB傳輸系統采用如圖2中所示的數據幀格式來傳載數據。在被抑制的載波頻率處的小導頻信號被加在所發射的信號中以有助于在VSB接收機端實現載波鎖定。參照圖2，每一個數據幀包括兩個場，其中每個場包括832多電平符號的313段。每一場的第一段被稱為場同步段，而其余的312段被稱為數據段．數據段典型地包含MPEG兼容的數據包。每個數據段包含四個符號段同步分量，其后緊跟著828個數據符號。每個場分量包含一個四符號段同步分量，其后緊跟著包含預定的511符號偽隨機數(PN)和三個預定63符號PN序列的場同步分量，所述的511符號偽隨機數序列在連續場中被反相。一個VSB模式控制信號(定義了VSB符號星座尺寸)緊跟著最后的63PN序列，該控制信號緊跟著96個保留符號和由前面場復制來的12個符號。
繼續圖1，來自單元15的通帶IF輸出信號被一個模擬／數字轉換器19變換為一個數字符號數據流。來自ADC19的輸出數字數據流被一個解調器／載波恢復網絡22解調到基帶。該過程是鎖相環響應在所接收的VSB數據流中的小參考導頻載波來完成的。單元22產生一個輸出I—相解調符號數據流。單元22可以包括在大聯盟系統規范中所述類型，或在共同未決的美國專利申請序列號No．90／140257(T．J．Wang于1998年八月26日提交)中所述類型的解調器。
與ADC19有關的是根據本發明的段同步發生器和符號時鐘恢復網絡24。網絡恢復來自所接收的隨機數據的每一數據幀的重復性數據段同步分量。該段同步被用于再生一個相位適當的時鐘，例如，10．76M符號／秒，該時鐘被用于控制由模擬／數字轉換器19對數據流符號的抽樣。如上結合附圖3和4所討論的，網絡24使用一個四符號相關參考圖案和有關的符號數據相關器來檢測段同步。
單元28通過將每一個接收的數據段與保存在接收機的存儲器中的一個理想參考信號進行比較來檢測數據場同步分量。除了場同步，場同步信號還提供一個用于自適應信道均衡器34的訓練信號。單元30執行NTSC共信道干擾檢測和拒收。然后，信號由自適應均衡器34來自適應地均衡，該均衡器工作在封閉和后繼的判決引導模式。均衡器34可以是在大聯盟HDTV系統規范中和在W．Bretl等人所提出的“ VSB Modem Subsystem Design for Grand Alliance DigitalTelevision Receivers，”(IEEE Transactions on ConsumerElectronics，1995年八月)中所述的類型。均衡器34還可以是在Shiue等人的共同未決的美國專利申請No．09／102885中所述的類型。均衡器34的輸出有利地幫助了將要描述的網絡24的操作。
均衡器34校正信道失真，但是相位噪聲隨機地繞符號星座旋轉。相位跟蹤網絡36消除在來自均衡器34的輸出信號中的殘留相位和增益噪聲，它包括未由前面的載波恢復網絡響應導頻信號來消除的相位噪聲。該相位校正信號然后由單元40格狀解碼(trellis decode)，由單元42去交織，由單元44校正Reed—Solomon誤差，和單元46使用公知的過程進行去量化。然后，解碼的數據流由單元50進行音頻、視頻和顯示處理過程。圖1的功能塊，除了根據本發明的原理進行修改的定時恢復網絡之外，可以使用在大聯盟HDTV系統規范(1994年，4月4日)中和在前述的Bretl等人的論文中所述類型的電路。
在單元22中的解調過程是由自動相位控制(APC)環來實施以使用已知技術實現載波恢復。鎖相環使用作為初始捕獲的基準的導頻分量，和一個用于相位捕獲的普通鑒相器。導頻信號被嵌入所接收的數據流，該數據流包含體現一個類似的隨機噪聲的圖樣。隨機數據通過解調器APC環的濾波過程而被基本忽略．到ADC19的10．76M符號／秒的輸入信號是一個接近基帶的信號，它具有在5．38MHz處的VSB頻譜中心和在2．69MHz處的導頻分量。在來自單元22的解調數據流中，導頻分量被下移頻到DC。所解調的數據流被提供給段同步和符號時鐘定時恢復網絡24，如圖3所詳細顯示的。當重復性的數據段同步脈沖由所接收的數據流的隨機數據圖樣中恢復時，段同步被用于通過再生一個被適當定相的符號率抽樣時鐘來實現適當的符號定時，以控制模擬／數字轉換器19的抽樣操作。
圖4顯示了對于根據大聯盟HDTV規范的8—VSB調制星座廣播信號的，一個具有相關數據段的八電平(—7到+7)數據段的一部分。該段同步在每一個數據段的開始端產生并占據4個符號間隔。該段同步由一個對應于從+5到—5的段同步脈沖的幅度電平的圖樣1—1—11來定義。
四個符號段同步每隔832個符號產生一次，但是因為數據具有一個類似隨機的，噪聲的特征，所以很難在解調的VSB數字數據流中定位。為了在這種情況下恢復段同步，解調的I信道數據流被提供給一個數據相關器的輸入，而具有1—1—1 1特征的參考圖樣被提供給相關器的輸入，用以與解調的數據進行比較。相關器對每832個符號與參考圖樣的一致性產生增強。所增強的數據事件由與相關器有關的累加器累積。插入隨機的(未增強的)相關相對于增強的相關段同步分量而消失。該過程是公知的。用于以此方式來恢復段同步的網絡是公知的，例如，由大聯盟HDTV規范和由前述的Bretl等人的論文中知道的。
圖3詳細顯示了段同步和定時恢復網絡24。來自解調器22的輸出數據流被提供給鑒相器310的信號輸入端和提供給開關318。開關318可被編程以在段同步恢復路徑上將來自解調器22的輸出信號或來自均衡器34的輸出信號傳載給一個832符號相關器320。鑒相器310的其他信號輸入端接收來自在包括相關器324的段同步恢復路徑上的段同步發生器328的輸出信號。相關參考圖樣發生器330連接到相關器320，和段積分器和累加器324。參考圖樣發生器330提供一個1—1—11段同步參考圖樣(見圖4)。
來自相關器320的輸出被單元324積分并累加。段同步發生器328包括一個具有預定閾值的比較器并通過在相應于段同步間隔的數據流中適當時間處產生段同步分量來對單元324的輸出作出響應。這是在增強的數據事件(段同步的產生)的累積超過預定閾值時發生的。段同步分量的產生標志著已經捕獲到信號。該事件是由保存在發生器328的寄存器中的數據來指示的。該寄存器由控制器344來監測以確定信號捕獲是否已經發生，如上所述。
鑒相器310執行定時恢復功能。鑒相器310比較由單元328產生的段同步的相位與在來自單元22的解調數據流中出現的段同步的相位，并產生一個表示符號定時誤差的輸出誤差信號。該誤差信號由自動相位控制(APC)濾波器334進行低通濾波以產生一個適合于控制一個10．76MHz的壓控晶體振蕩器(VCXO)336的信號。振蕩器336提供一個10．76MHz的符號抽樣時鐘給ADC 19。該抽樣時鐘當相位誤差信號通過APC的操作基本為零時，表現出正確的定時，指示該符號定時(時鐘)恢復已完成。由單元328產生的段同步還提供給其他解碼電路和自動增益控制(AGC)電路(未示)。濾波器334的輸出提供給檢測器340的輸入。指示信號鎖定(捕獲)是否已經完成的同步發生器328的輸出331被提供給微控制器344的一個輸入。
開關318是可任選的，但是可以被編程以在同步恢復路徑上將解調器22的輸出或均衡器34的輸出傳載給相關器320。在圖示的優選實施例中，開關318被編程以連續地將自適應均衡器34的輸出連接到相關器320。在具有不同操作要求的另一個系統中，例如，開關318可以被編程以當系統是第一次上電或復位時，初始地將解調器322的輸出連接到相關器320，并隨后在一個預定事件間隔之后將均衡器34的輸出連接到相關器320。
在圖3的優選實施例中，初始地，當系統是第一次上電或在系統被復位之后，VCO 336被設置來在預定的穩定頻率處運行。在該實例中，該頻率相應于在預定頻率范圍中的一個極端(最大或最小)頻率值．該初始頻率顯著地偏離所希望的符號定時頻率或其倍數，這是因為已觀察到均衡器34在盲操作模式中通過使用這樣的初始頻率比使用非常接近所希望的定時頻率能更快地收斂。利用經由開關318連接到相關器320的均衡器輸出，均衡器34被復位并被允許在一個預定(編程的)時間量，例如50ms中收斂．該時間間隔是相應于均衡器要足夠穩定地工作所需要的時間來選擇的。該時間間隔可以根據一個特定系統的要求來經驗性地確定。此時，當均衡器工作已經穩定，包括單元320，324，328和310的相位控制網絡被復位并被允許經濾波器334和振蕩器336的控制電壓輸入349來控制振蕩器336的運行。振蕩器336由上述的初始(復位)預定頻率條件開始工作。
所述的控制機制改善了定時恢復網絡的性能，這是因為它的輸入數據的諸如多徑圖象的信道損害被均衡器34顯著地減少或消除了。具體地，定時恢復機制改善了網絡在強多徑條件下捕獲和保持信號的能力。所公開裝置的在諸如多徑的不利條件下恢復段同步的能力增強了符號定時恢復過程的速度和精確性。
當開始信號捕獲時，自適應均衡器34在盲模式中使用諸如常模數算法(CMA)的公知的盲均衡算法來工作。在，例如50ms的時間之后，均衡器的輸出被認為好到足夠有助于用于由振蕩器336產生一個適當的抽樣時鐘的段同步和定時恢復過程。在已經建立了ADC單元19的符號定時和適當的抽樣時鐘之后，網絡24繼續接收來自均衡器34的均衡的輸出信號以改善在，例如強多徑信號條件下的跟蹤性能。此時，均衡器34典型地以一種穩定狀態的判決引導模式工作。
根據圖3裝置的一個特征，來自單元348的DC控制電壓349被用于移動振蕩器336的工作頻率范圍。這是由包括檢測器340、微控制器344和電平移動器348的網絡來完成的。該網絡改善了下述的符號捕獲性能和頻率捕獲性能。檢測器基本上通過感應在濾波器334的輸出端的預定DC電平來監測振蕩器336的穩態工作條件。同步發生器328提供一個這是已經實現信號捕獲的輸出信號331。控制器344響應來自檢測器340的輸出信號和響應來自同步發生器328的輸出信號331用以使得電平移動器348產生一個控制電壓349，該控制電壓使得振蕩器移動其工作頻率范圍，直至達到一個穩態工作頻率。在每一次移動振蕩器工作頻率范圍時，重復信號捕獲過程。重復信號捕獲過程包括將網絡元件復位并將VCO 336設置為工作在一個預定的初始頻率，如上所述。
壓控晶體振蕩器(VCXO)，諸如由振蕩器336所使用的，具有一個有限的頻率范圍，在此范圍中，振蕩器可以一個穩定的，線性的，控制電壓對輸出頻率轉換函數，或響應曲線的關系來工作。為了增大該線性工作頻率范圍，如果在給定時間內未實現信號捕獲，則來自單元348的DC控制電壓349將振蕩器轉換函數移動到不同的頻率范圍，而不改變所需的線性特征。該頻率范圍移動能力調整由正確的穩態頻率有關的振蕩器穩態工作電壓以產生更可靠符號定時捕獲。
檢測器340、微控制器344和電平移動器348的配置允許比在沒有這些元件(即，振蕩器336只由濾波器334的輸出單獨控制)的傳統結構中可能得到的更寬的頻率范圍內來捕獲符號定時。在傳統結構中，如果振蕩器響應于濾波器334的輸出而產生的頻率范圍不包括所接收符號的實際符號頻率，則定時環將不會鎖定而由ADC19所提供的抽樣將遭受危害。此外，振蕩器頻率對控制電壓的線性響應可以會隨著控制電壓偏離它的中值而惡化。這一影響可能在穩態振蕩器工作要求頻率控制電壓(來自濾波器334)接近其極值(最大或最小值)時，導致定時恢復網絡的捕獲性能惡化。包括元件340，344，和348的該網絡顯著地減少或消除了這些性能惡化。
當來自檢測器340和發生器328的控制信號這是所接收的信號已被正確地捕獲時，微控制器344保持當前工作條件，但是當在預定時間內未捕獲信號，則經由單元348上下移動振蕩器336的頻率范圍。
當微控制器344的工作被初始化時，例如在被復位之后，控制器344使得電平移動器348根據振蕩器336的參數和整個系統的工作參量來輸出一個預定的，標準的DC電壓。該標準控制電壓使得振蕩器336將它的控制電壓對輸出頻率轉換函數居中置于其標準位置。然后，經由所討論的元件320、324、328和330來嘗試符號定時恢復。如果因為實際符號定時頻率在振蕩器的當前頻率范圍之上使得恢復過程失敗，則控制器344將引導單元348產生一個不同的控制電壓，導致由振蕩器控制電壓對頻率響應所覆蓋的不同的頻率范圍。這一新頻率范圍可包括實際的符號定時頻率。如果在預定“時間耗盡”期間未實現信號捕獲，則移動頻率范圍。如上所述，控制器344監測濾波器334和在同步發生器328中的一個寄存器的輸出和以確定是否實現了信號捕獲，即，通過與發生器328所恢復的，與段同步間隔一致的同步所證明的。如果在“時間耗盡”期間未實現信號恢復，則如上所述選擇一個不同的振蕩器頻率和重復信號捕獲過程。如果在預定時間之后，濾波器334的輸出這是振蕩器336處于一個穩態工作條件而控制電壓指示段同步已被恢復，則頻率范圍將不移動。
在另一個實施例中，捕獲信號的失敗可通過由Reed—Solomon誤碼檢測和校正單元44(圖1)的高誤碼輸出來指示，該單元44可以由微控制器344來監測。當Reed—Solomon誤碼檢測器指示在性能好中的誤差可忽略，則表明信號被捕獲，從而振蕩器的操作將保持不變。
當符號定時對于一個特定信道被首次捕獲，符號定時頻率是未知的。雖然發射器和接收器符號頻率應是相同的，但是在接收器端可能產生顯著的變化。在此例中，在每一信號捕獲失敗之后，將由控制器344實施一個預定的搜索指令，或算法以確定將要使用的下一個居中的控制電壓，即，大于或小于初始值。例如，在簡單例子中，電平移動器348響應于來自控制器344的指令只提供兩個可用的控制電壓。第一次是使用初始的、或缺省的控制電壓。如果實現定時鎖定的嘗試失敗，則第二個控制電壓和相關的頻率范圍將響應來自控制器344的指令而被使用。在更復雜的系統中，電平移動器348可以提供三個或更多的控制電壓和相關的頻率范圍。
在第一次已經捕獲信道符號之后，檢測器340將來自濾波器344的穩態電壓與代表在一個小預定工作范圍中的最佳電壓的本地參考電壓進行比較。控制器344在存儲器中保存振蕩器電壓對頻率轉換函數應調整的方向以將來自單元348的控制電壓放置到接近于預定最佳值處。控制器344將這一控制電壓值用作在下次捕獲該信道時的缺省值。
所述的移動操作有利地擴展了可被捕獲的符號頻率的范圍。還有，在第一次捕獲之后可以使用最佳估計，而不是由當捕獲一個信道的相同點處開始對最佳振蕩器控制電壓對頻率居中電壓的搜索。另外，振蕩器控制電壓向它的用于捕獲的最佳值移動，消除對時間符號定時頻率的精確性上的依賴性和在由于諸如分量值容差的實現容差所引起的振蕩器電壓對頻率響應中的變化。
權利要求
1．在一個用于處理所接收的包含一個圖象表示信號的數據流的系統中的裝置，該裝置包括一個響應所接收信號而產生一個恢復的同步分量的同步恢復網絡；一個響應所接收信號和響應所恢復的同步分量而產生一個符號定時信號的符號定時恢復網絡；一個響應所接收信號來產生一個均衡的信號的信道均衡器(34)；其中所述的同步恢復網絡另外還響應所述均衡的信號。
2．權利要求1的裝置，其特征在于，所述的接收信號包括一個包含由符號星座表示的高清晰度視頻數據的殘留邊帶(VSB)調制信號，具有一個由連續數據幀構成的數據幀格式的所述數據包括一個在具有相關段同步分量的多個數據段之前的場同步分量；和所恢復的同步分量是所述的段同步分量。
3．權利要求2的裝置，其特征還在于，一個包括模擬／數字轉換器的輸入網絡響應于所述接收的信號和響應于一個抽樣定時信號，而一個解調器響應于來自所述轉換器的輸出信號而產生一個解調信號；和一個信道均衡器響應于所述解調的信號而產生一個均衡的信號；其中，所述的同步恢復網絡響應于所述解調的信號而產生所述的同步分量并另外響應于所述均衡的信號；和所述符號定時恢復網絡響應于所述解調的信號和響應于所述恢復的同步分量而產生所述抽樣的定時信號。
4．權利要求1的裝置，其特征在于，所述均衡的信號由工作在盲模式下的所述均衡器產生。
5．一個用于處理所接收的包含一個圖象表示信號的數據流的方法，該方法的特征在于包括以下步驟對所述接收的信號進行信道均衡；響應于由所述均衡步驟產生的均衡的信號來恢復所接收信號的同步分量；和響應于由所述恢復步驟產生的恢復的同步分量來產生一個符號抽樣定時信號。
6．權利要求5的方法，其特征在于，所述的接收信號包括一個包含由符號星座表示的高清晰度視頻數據的殘留邊帶(VSB)調制信號，具有一個由連續數據幀構成的數據幀格式的所述數據包括一個在具有相關段同步分量的多個數據段之前的場同步分量；和所恢復的同步分量是所述的段同步分量。
全文摘要
一個用于處理包含陸上廣播高清晰度電視信息的VSB調制信號的接收機包括一個用于產生一個數字數據流的輸入模擬/數字轉換器(19)。一個符號定時恢復和段同步恢復網絡(24)為數字轉換器(19)產生一個正確定時的抽樣時鐘。該符號定時恢復包括一個響應于來自段同步恢復發生器(328)的輸出的鑒相器(310),該段同步恢復發生器依次又響應于一個來自自適應信道均衡器(34)的均衡信號。受控振蕩器(336)為數字轉換器產生一個抽樣時鐘。該控制網絡(340,344,348)移動振蕩器的頻率范圍以保持所需的用于增強符號定時捕獲的線性操作。
文檔編號H04N5/08GK1280445SQ0012046
公開日2001年1月17日 申請日期2000年7月10日 優先權日1999年7月9日
發明者A·R·布伊勒特, J·S·斯特瓦特 申請人:湯姆森許可公司