專利名稱：利用雙導頻實現數字化傳輸中的載波恢復的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線傳輸中的信號同步技術，特別涉及數字化傳輸中利用導頻信號實現載波恢復的方法及裝置。
典型的無線傳輸系統包括發射機和接收機。數字化調制技術往往將數字信號進行編碼，再加入必要的輔助信息，如同步信號、導頻信號等。編碼后的數字信號經過信道濾波及數模轉換后形成基帶信號。該基帶信號經過上變頻器被調制到相應的頻帶后發送。在接收端，調諧器和下變頻器將高頻信號變換到基帶后經模數轉換器得到數字信號，該數字信號經過處理后被恢復成與發送端一致的信息。
由于發射機和接收機中用于產生上下變頻器頻率的振蕩器存在頻率偏差，并且，接收機中低質量的振蕩器存在比較大的頻率漂移，從而導致發射機和接收機之間的載波頻率始終存在相當大的偏差。在絕大多數數字化傳輸系統中，接收機的載波頻率必須與發射機的載波頻率一致才能保證系統的正常工作。因此，接收機中的載波恢復是必需的。
一般，單個導頻就可以實現載波恢復，如美國ATSC標準的VSB傳輸方案。然而，在有近的強多徑信號存在時，信號頻譜會出現很深的谷。當多徑信號處于一定的延遲或一定的相位，或多徑信號的延遲與相位緩慢變化時，該單一導頻有可能被大幅度衰減，以至無法實現載波恢復。
另一方面，發射機和接收機中數字信號部分使用的時鐘信號也分別來自于不同的振蕩器。這兩個振蕩器之間的頻率差、相位差始終存在。在眾多的載波恢復方案中，載波恢復受到時鐘頻率差和相位差的影響，兩者相互作用，載波恢復難以得到精確的實現。一般情況下，先恢復載波，再在此基礎上恢復時鐘。
本發明的目的是針對偏置正交幅度調制(Offset QAM)提供一種簡潔、精確和可靠的實現數字化傳輸中載波恢復的方法。該方法不僅能迅速、可靠地恢復載波的頻率和相位，還能在時鐘尚未恢復時獨立工作，不受系統時鐘的影響。
本發明的另一目的是提供一種利用本發明設計的方法實現數字化傳輸中載波恢復的裝置。
本發明設計的載波恢復方法是這樣的針對偏置正交幅度調制方式，在該調制信號上下邊帶上分別加一個導頻信號。加入導頻信號并經調制后信號的基帶頻譜如圖2所示，信號帶寬為8MHz，上下邊帶為有效帶寬(7.14MHz)的12％，即0.86MHz。在下變頻時，將輸入信號引入兩個下變頻單元，兩個下變頻單元與AFC(自動頻率控制)低通濾波器、限幅器和乘法器協同工作得到上下邊帶的S曲線的誤差信號，該誤差信號經過APC(自動相位控制)低通濾波器得到的直流信號用于調節兩個變頻單元的振蕩器。上邊帶的I通道信號與下邊帶的I通道信號在AFC低通濾波之前經加法器線性相加，上邊帶的Q通道信號與下邊帶的Q通道信號在乘法器之前線性相加，同時參與調節振蕩器，從而實現載波的恢復。
利用雙導頻實現載波恢復的基本原理是，分別對上下邊帶的導頻頻率進行測量，得到fL和fU。在沒有載波頻率和時鐘頻率偏差的情況下fCR＝fCTfL＝fCR-3.57MHzfU＝fUR+3.57MHzfCR是接收機中的載波頻率，fCT是發射機中的載波頻率，3.57MHz是上下導頻頻率差的一半。從而，fL+fU＝2fCRfU-fL＝7.14MHz在有載波頻率和時鐘頻率偏差的情況下fCR＝fCT+ΔfC
fL＝fCR+ΔfC-3.57MHz-ΔfCLK/2fU＝fCR+ΔfC+3.57MHz+ΔfCLK/2ΔfC是載波頻率偏差，ΔfCLK是時鐘頻率偏差。從而，ΔfC＝(fL+fU)/2-fCR上式中-fCR在下變頻的過程中完成。可以看到，上述求ΔfC的表達式中不含有ΔfCLK，所以即使存在時鐘頻率偏差，載波也能被準確地恢復，得到圖5或圖6的基帶頻譜。在時鐘恢復之后，即可得到圖2的基帶頻譜。
載波的恢復可以在基帶信號實現，即在模數轉化之前，此時下變頻采用模擬下變頻方法；也可以在數字信號處理中實現，即在模數轉換之后，此時下變頻采用數字下變頻方法。
利用雙導頻實現數字化傳輸中的載波恢復的裝置，主要包括下變頻單元、AFC低通濾波器、限幅器、乘法器、APC低通濾波器和兩個加法器。下變頻單元包括兩個變頻單元，輸入信號(模擬或兩倍采樣后的數字信號)分別進入這兩個變頻單元。每個變頻單元由一個振蕩器、90°相移和兩個乘法器構成。
上邊帶的I通道信號與下邊帶的I通道信號在AFC低通濾波器之前經加法器線性相加得到兩個邊帶合成的I通道信號，上邊帶的Q通道信號與下邊帶的Q通道信號線性相加得到兩個邊帶合成的Q通道信號，兩個邊帶合成的I通道信號經AFC低通濾波器得到上下導頻分別與載波之間的頻率差別之和，其他信號被AFC低通濾波器濾除。該信號經過限幅器得到±1的輸出，該±1的輸出信號用于開關兩個邊帶合成的Q通道信號的相位誤差信號的極性，形成典型的AFC的S曲線。該S曲線的誤差信號的極性取決于上下邊帶振蕩頻率之和高于或低于兩倍的載波頻率。如果振蕩頻率之和高于兩倍的載波頻率，該S曲線的誤差信號的極性取+1；反之，該S曲線的誤差信號的極性取-1。該誤差信號經過APC低通濾波器得到的直流信號同時用于調整兩個變頻單元的振蕩器。當載波頻率被鎖定后，電路成為典型的鎖相環鎖定相位。從而得到所需恢復的載波頻率。
由于導頻信號有兩個，即使有近的強多徑信號存在，兩個導頻信號都因多徑信號而同時被大幅度衰減的可能性大為降低。此時，無論上導頻或下導頻都可以單獨完成載波恢復。可見，利用雙導頻實現載波恢復比使用單一導頻更準確、更可靠。
以下結合附圖進一步描述本發明的實施方案。
圖1為典型的數字化傳輸的系統框圖。
圖2為偏置正交幅度調制信號的基帶頻譜。
圖3為接收機中的載波頻率低于發射機中的載波頻率，但沒有時鐘偏差時的基帶頻譜。
圖4為接收機中的載波頻率高于發射機中的載波頻率，但沒有時鐘偏差時的基帶頻譜。
圖5為接收機中的時鐘頻率低于發射機中的時鐘頻率，但沒有載波偏差時的基帶頻譜。
圖6為接收機中的時鐘頻率高于發射機中的時鐘頻率，但沒有載波偏差時的基帶頻譜。
圖7為接收機中的載波頻率高于發射機中的載波時鐘頻率，時鐘頻率高于發射機中的時鐘頻率時的基帶頻譜。
圖8為接收機中的載波頻率低于發射機中的載波時鐘頻率，時鐘頻率高于發射機中的時鐘頻率時的基帶頻譜。
圖9為接收機中的載波頻率高于發射機中的載波時鐘頻率，時鐘頻率低于發射機中的時鐘頻率時的基帶頻譜。
圖10為接收機中的載波頻率低于發射機中的載波時鐘頻率，時鐘頻率低于發射機中的時鐘頻率時的基帶頻譜。
圖11是本發明利用雙導頻實現載波恢復的原理圖。
圖12為被振蕩器13和振蕩器14搬移到直流附近的信號頻譜。
事實上，載波偏差在數百赫茲，時鐘偏差在數十赫茲。為突出載波偏差及時鐘偏差，在圖3至圖10的各圖中，將偏差做了放大顯示處理。從圖3至圖10中可以看到，載波頻率的偏差導致整個頻譜的偏移，當接收機載波頻率高于發射機的載波頻率時，頻譜向上移動，當接收機載波頻率低于發射機的載波頻率時，頻譜向下移動；時鐘頻率的偏差導致頻譜寬度的變化，當接收機時鐘頻率高于發射機的時鐘頻率時，頻譜寬度低于8MHz，當接收機時鐘頻率低于發射機的時鐘頻率時，頻譜寬度高于8MHz。
基帶信號的雙導頻結構是這樣形成的在偏置正交幅度調制過程中，輸入數據經編碼后與同步信號混合，然后送入I通道。在I通道的數據上隔點加上幅度為56.56的直流分量，采樣頻率為14.28MHz，從而在上下邊帶的中心分別加上一個0.15dB導頻信號。
在圖11中，輸入信號(模擬或兩倍采樣后的數字信號)進入兩個下變頻單元A和B。變頻單元A由振蕩器14、90°相移7、乘法器3和乘法器4構成，變頻單元B由振蕩器13、90°相移6、乘法器1和乘法器2構成。振蕩器13和振蕩器14由同一振蕩源產生，如頻率合成器或通過模擬鎖相環鎖定。
振蕩器13和振蕩器14分別產生相應的振蕩頻率fA和fB將上下邊帶的導頻信號搬移到直流附近，如圖12所示。上邊帶的I通道信號與下邊帶的I通道信號在AFC低通濾波器10之前經加法器8線性相加得到兩個邊帶合成的I通道信號，上邊帶的Q通道信號與下邊帶的Q通道信號經加法器9線性相加得到兩個邊帶合成的Q通道信號。兩個邊帶合成的I通道信號經AFC低通濾波器10得到上下導頻分別與載波之間的頻率差別之和，其他信號被AFC低通濾波器10濾除。該信號經過限幅器11得到±1的輸出，該±1的輸出信號用于開關兩個邊帶合成的Q通道信號的相位誤差信號的極性，形成典型的AFC的S曲線。該S曲線的誤差信號的極性取決于上下邊帶振蕩頻率之和高于或低于兩倍的載波頻率。如果振蕩頻率之和高于兩倍的載波頻率，該S曲線的誤差信號的極性取+1；反之，該S曲線的誤差信號的極性取-1。該誤差信號經過APC低通濾波器12得到的直流信號同時參與調節振蕩器13和振蕩器14。當載波頻率被鎖定后，電路成為典型的鎖相環鎖定相位。在存在時鐘頻率偏差時得到圖5或圖6的基帶頻譜，在時鐘頻率恢復后得到圖2的基帶頻譜。
如果載波恢復在基帶信號進行，即在模數轉化之前，此時下變頻采用模擬下變頻方法，上述載波恢復裝置所用的濾波器、乘法器和90°相移等都是處理模擬信號的相應裝置；如果載波恢復在數字信號處理中進行，即在模數轉換之后，此時下變頻采用數字下變頻方法，上述載波恢復裝置所用的濾波器、乘法器和90°相移等都應置換為處理數字信號的相應裝置。
導頻本身雖然只有0.15dB能量，但集中在兩點上，可以可靠地實現時鐘恢復。在有近的強多徑信號存在時，兩個導頻信號都因多徑信號而同時被大幅度衰減的可能性極小。此時，無論上導頻還是下導頻都可以單獨完成載波恢復，如同美國ATSC標準的VSB系統一樣，電路無需改動。
權利要求
1.一種利用雙導頻實現數字化傳輸中的載波恢復的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在經偏置正交幅度調制的調制信號的上下邊帶上分別加上一個導頻信號；(2)將需要下變頻的輸入信號引入兩個下變頻單元；(3)上邊帶的I通道信號與下邊帶的I通道信號在AFC低通濾波(10)之前經加法器(8)線性相加得到兩個邊帶合成的I通道信號，上邊帶的Q通道信號與下邊帶的Q通道信號在乘法器(5)之前經加法器(9)線性相加得到兩個邊帶合成的Q通道信號；(4)兩個邊帶合成的I通道信號經AFC低通濾波器(10)得到上下導頻分別與載波之間的頻率差別之和，該信號經過限幅器得到±1的輸出用于開關兩個邊帶合成的Q通道信號的相位誤差信號的極性，形成典型的AFC的S曲線；(5)將S曲線的誤差信號經過APC低通濾波器(10)得到的直流信號用于調節兩個變頻單元的振蕩器，從而得到所需恢復的載波。
2.根據權利要求1所述的利用雙導頻實現數字化傳輸中的載波恢復的方法，其特征在于載波恢復在模數轉換之前進行，下變頻采用模擬下變頻方法。
3.根據權利要求1所述的利用雙導頻實現數字化傳輸中的載波恢復的方法，其特征在于載波恢復在模數轉換之后進行，下變頻采用數字下變頻方法。
4.一種利用權利要求1所述方法實現數字化傳輸中的載波恢復的裝置，主要包括下變頻單元、AFC低通濾波器、限幅器、乘法器、加法器和APC低通濾波器，其特征在于下變頻單元包括兩個變頻單元，輸入信號分別進入這兩個變頻單元，每個變頻單元由一個振蕩器、90°相移和兩個乘法器構成；上、下邊帶的I通道信號分別經乘法器(3)、乘法器(1)后由加法器(8)線性相加，加法器(8)的輸出經AFC低通濾波器(10)和限幅器(11)得到±1的輸出，上邊帶的Q通道信號與下邊帶的Q通道信號分別經90°相移(7)、乘法器(4)與90°相移(6)、乘法器(2)在乘法器(5)之前經加法器(9)線性相加，乘法器(5)接收限幅器(11)及加法器(9)的輸出，其輸出經APC低通濾波器(12)得到的直流信號用于調節振蕩器(13)和振蕩器(14)，從而得到所需要恢復的載波。
5.根據權利要求6所述的實現數字化傳輸中的載波恢復的裝置，其特征在于所述的低通濾波器、乘法器和相移等都是處理模擬信號的相應裝置。
6.根據權利要求6所述的實現數字化傳輸中的載波恢復的裝置，其特征在于所述的低通濾波器、乘法器和相移等都是處理數字信號的相應裝置。
全文摘要
本發明公開了一種利用雙導頻實現數字化傳輸中的載波恢復的方法,以及利用該方法恢復載波的裝置。本發明中,上下邊帶合成I通道信號經AFC低通濾波器得到上下導頻分別與載波之間的頻率差別之和,該信號經過限幅器得到的輸出信號用于開關上下邊帶合成的Q通道信號的相位誤差信號的極性,將該誤差信號經過APC低通濾波器得到的直流信號用來調節振蕩器,從而快速、準確地實現了載波恢復。本發明的裝置簡單、適用,能很好地實現載波恢復。
文檔編號H04L27/34GK1381974SQ0111540
公開日2002年11月27日 申請日期2001年4月24日 優先權日2001年4月24日
發明者張文軍, 夏勁松 申請人:上海奇普科技有限公司