專利名稱：一種用于qam和psk信號的定時鎖定檢測方法
技術領域：
本發明屬于數字信號傳輸領域，特別涉及一種用于QAM(正交幅度調制)和PSK(相移鍵控)信號的定時鎖定檢測方法。
背景技術：
在數字接收機中，為了正確恢復所發送的數據，需要準確的符號定時恢復。后續模塊(如均衡器，判決器等)一般必需在定時恢復鎖定之后才能啟動，所以需要正確及時的判斷定時恢復已經鎖定。一種傳統的QAM(正交幅度調制)或PSK(相移鍵控)信號接收機定時鎖定檢測方法是以整符號點與半符號點的平均功率差作為鎖定檢測的標志量，當該平均功率差或其絕對值大于某設定門限時認為定時恢復已經鎖定。這方面的技術可以參見G.Karam等人的論文“LOCK DETECTOR FOR TIMINGRECOVERY”(IEEE1996)。
圖1是實現這種傳統定時鎖定檢測的結構示意圖。整符號點數據101(I(n)，Q(n))經過乘加器103，得到整符號點功率P(n)＝I(n)2+Q(n)2；半符號點數據102(I(n-1/2)，Q(n-1/2))經過乘加器104，得到半符號點功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)2+Q(n-1/2)2；整符號點功率P(n)與半符號點功率P(n-1/2)經減法器105，得到當前功率差e(n)＝P(n)-P(n-1/2)；當前功率差e(n)經過平均器106，得到平均功率差E(m)；平均功率差E(m)在門限比較器107中與門限比較，結果輸出到鎖定指示器108，如果平均功率差E(m)大于門限則判定為定時恢復已經鎖定，輸出鎖定指示信號。
這種鎖定檢測方法在信號質量比較差時性能明顯下降，具體表現為錯判和漏判概率過高，從而造成接收機系統不穩定。比如，當信號中的高斯白噪聲干擾比較嚴重時，平均功率差E(m)的統計特性在鎖定前后變化不明顯，造成無法選擇合適的鎖定門限。這個問題無法通過調整平均器的平均點數來解決，因為如果平均點數過少，平均功率差E(m)會有嚴重的抖動，在不應該判為鎖定的時候也會經常超過門限；相反，如果平均點數過多，則在應該判為鎖定的時候，平均功率差E(m)仍然是一個比較小的值，相對與鎖定之前也沒有明顯的變化。
發明內容
本發明的目的是提供一種新的用于QAM和PSK信號定時鎖定檢測方法，使其在信號質量比較差的情況下，用以判定鎖定的標志量的統計特性在鎖定前后仍然有明顯的變化，從而準確的判斷定時恢復是否鎖定。
該方法用整符號點與半符號點的平均半徑差作為判定鎖定的標志量，把該平均半徑差在門限比較器中與門限比較，根據比較規則得到比較結果并輸出給控制狀態機。
所述的整符號點與半符號點的平均半徑差的提取方法為整符號點I/Q數據(I(n)，Q(n))經過乘加運算得到整符號點功率P(n)＝I(n)2+Q(n)2；半符號點I/Q數據(I(n-1/2)，Q(n-1/2))經過乘加運算得到半符號點功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)2+Q(n-1/2)2；整符號點功率P(n)經開平方運算得到整符號點半徑R(n)＝P(n)1/2，半符號點功率P(n-1/2)經開平方運算得到半符號點半徑R(n-1/2)＝P(n-1/2)1/2；整符號點半徑R(n)與半符號點半徑R(n-1/2)經減法運算得到當前半徑差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)；當前半徑差e(n)經過平均運算得到平均半徑差E(m)。
所述的比較規則為如果平均半徑差或其絕對值大于一個正門限值則則比較結果為有效，否則為無效。
本發明的定時鎖定檢測方法關鍵在于用整符號點與半符號點的平均半徑差作為判定鎖定的標志量，使遠離原點的符號點與靠近原點的符號點的權重相同，即使白噪聲干擾比較嚴重，整符號點半徑與半符號點半徑之間差值的統計特性在鎖定前后仍然有明顯的變化，使其在信號質量比較差的情況下，用以判定鎖定的標志量的統計特性在鎖定前后仍然有明顯的變化，從而準確的判斷定時恢復是否鎖定。
本發明的方法適用于各種正交幅度調制和各種相移鍵控調制信號，包括但不限于BPSk，QPSK，8PSK，16PSK，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM等。
圖1是傳統定時鎖定檢測方法的結構示意圖；圖2是高斯白噪聲較小時QPSK信號定時恢復鎖定前后的矢量空間分布示意圖；圖3是高斯白噪聲較大時QPSK信號定時恢復鎖定前后的矢量空間分布示意圖；圖4是本發明的一種具體實施方法；圖5是本發明的另一具體實施方法。
具體實施例方式
下面首先以QPSK(4相移鍵控)信號為例，說明本發明的工作原理和有效性。
如圖2所示，定時鎖定前，整符號點和半符號點都將隨機的分布在整個矢量空間內(半徑為R3的圓形區域)，并且整符號點和半符號點的統計特性是一致的。因此，定時恢復鎖定前整符號點于半符號點之間的平均功率差趨于0。
定時鎖定后，沒有載波和相位誤差的情況下，整符號點主要分布于圓形區域A1、A2、A3和A4內；半符號點主要分布于圓形區域B1、B2、B3、B4和B5內，也有少量的半符號點分布于圓形區域A1、A2、A3和A4內。定時鎖定后，存在載波或相位誤差的情況下，整符號點所在的A1、A2、A3和A4區域將沿著半徑為R1的圓旋轉分布于平均半徑為R1的環狀帶內；半符號點所在的B1、B2、B3、B4和B5區域將沿著半徑為R2的圓旋轉分布于平均半徑為R2的環狀帶和B5區域內，另外少量的分布于圓形區域A1、A2、A3和A4內的半符號點將沿著半徑為R1的圓旋轉分布于平均半徑為R1的環狀帶內。由于高斯白噪聲比有用信號的功率小得多，所以A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5的半徑比R1，R2小得多。因此，定時恢復鎖定后，整符號點與半符號點之間的平均功率差是一個較大的正數，所以使用傳統的鎖定檢測方法和本發明提供的鎖定檢測方法都可以方便的區分鎖定前后的統計特性。
如圖3所示，由于高斯白噪聲加大，造成A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5的半徑增大到接近R1，R2的程度。因此，定時恢復鎖定后整符號點功率與半符號點功率的統計特性相近以至于不能方便的區分，造成傳統的鎖定檢測方法的有效性明顯下降。
分析圖2和圖3中的分布情況可以發現高斯白噪聲較小和較大兩種條件下，鎖定之后整符號點半徑的數學期望都趨近于R1，半符號點半徑的數學期望都趨近于R1/4+R2/2+Rb/2。圖1所示的傳統鎖定檢測方法在高斯白噪聲較大時信能下降的根本原因是計算整符號點功率和半符號點功率的過程中，相當于增大了遠離原點的分布區域的權重，造成統計特性在鎖定前后變化不大。本發明的鎖定檢測方法則解決了傳統鎖定檢測方法的這一問題，使遠離原點的分布點與靠近原點的分布點的權重相同，即使白噪聲干擾比較嚴重，整符號點半徑與半符號點半徑之間差值的統計特性在鎖定前后仍然有明顯的變化。
如圖4所示，根據本發明實現的一種定時鎖定檢測裝置包括兩組輸入數據流整符號點I/Q數據401，半符號點I/Q數據402；兩個乘加器乘加器403，乘加器404；兩個開平方器開平方器405，開平方器406；減法器407，平均器408，門限比較器409，鎖定指示器410。
兩組輸入數據流整符號點I/Q數據401和半符號點I/Q數據402，分別以串行方式配對輸入，即一組整符號點I/Q數據401(I(n)，Q(n))對應一組半符號點I/Q數據402(I(n-1/2)，Q(n-1/2))。整符號點I/Q數據401和半符號點I/Q數據402來自于接收機中的定時恢復電路。接收的信號是QAM調制信號。
兩個乘加器乘加器403和乘加器404以與整符號點I/Q數據401和半符號點I/Q數據402相同的節拍進行平方和運算。每輸入一組整符號點I/Q數據401，乘加器403輸出整符號點功率P(n)＝I(n)2+Q(n)2，每輸入一組半符號點I/Q數據402，乘加器404輸出半符號點功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)2+Q(n-1/2)2。本領域的技術人員應該明了，為了節省硬件資源乘加器403和乘加器404進行平方和運算時可以對運算精度進行靈活調整，相應的輸出相差一個常數倍數。
兩個開平方器開平方器405和開平方器406計算輸入值的算術平方根。每輸入一個整符號點功率P(n)，開平方器405進行一次開平方操作，得到整符號點半徑R(n)＝P(n)1/2。每輸入一個半符號點功率P(n-1/2)，開平方器406進行一次開平方操作，得到半符號點半徑R(n-1/2)＝P(n-1/2)1/2。實際實現時，開平方器405和開平方器406可以使用查找表電路實現，也可以使用分段折線逼進開平方曲線的方法實現，也可以使用其他專門的運算器進行。本領域的技術人員應該明了，為了節省硬件資源開平方器405和開平方器406進行開平方運算時可以對運算精度進行靈活調整，相應的輸出相差一個常數倍數。
減法器407計算兩個輸入信號的差值。每輸入一組整符號點半徑R(n)與半符號點半徑R(n-1/2)，減法器407計算他們的差值，得到當前半徑差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)。本領域的技術人員應該明了，為了節省硬件資源減法器407進行減法運算時可以對運算精度進行靈活調整，相應的輸出相差一個常數倍數。
平均器408對輸入信號進行統計平均。可以使用累加器實現，也可以使用各種低通濾波器實現。平均器408對當前半徑差e(n)進行平滑濾波，得到平均半徑差E(m)。本領域的技術人員應該明了，通過修改平均器408的參數可以調整輸出的平均半徑差E(m)與當前半徑差e(n)的數學期望的近似程度，當平均器408的平均點數足夠多(或者說低通濾波器的帶寬足夠窄)時，可以認為平均器408輸出的平均半徑差E(m)近似等于當前半徑差e(n)的數學期望乘以某常數倍數。
門限比較器409將平均半徑差E(m)與某設定門限進行比較，當平均半徑差E(m)大于一個正門限值時產生一個指示信號。本領域的技術人員應該明了，可以通過調整該門限值以適應不同的調制方式和信號質量。
鎖定指示器410是一個用于根據門限比較器409的比較結果和當前的狀態輸出鎖定與失鎖信號的狀態機。該狀態機至少應該包含兩個狀態鎖定和未鎖定。至少應該包含一個輸入信號比較器輸出的平均半徑差與門限的大小比較關系。至少應該包含一個輸出信號，用來表示目前定時恢復是否已經鎖定。本領域的技術人員應該明了，根據不同的判定規則，鎖定指示器410可以是一個只包含鎖定和失鎖兩個狀態轉換的狀態機，也可以是一個包含更多其他狀態轉換的狀態機。
如圖5所示，根據本發明實現的另一種定時鎖定檢測裝置包括一組輸入數據流整符號點與半符號點交替數據501，乘加器502，開平方器503，寄存器504，減法器505，平均器506，門限比較器507，鎖定指示器508。
一組輸入數據流以半個符號周期節拍輸入整符號點與半符號點交替數據501，該數據流的特征在于，將整符號點I/Q數據和半符號點I/Q數據以串行方式配對交替輸入，即先輸入一組整符號點I/Q數據的組合(I(n)，Q(n))，緊接著輸入一組半符號點I/Q數據的組合(I(n-1/2)，Q(n-1/2))，以此循環。整符號點與半符號點交替數據501一般來自于接收機中的定時恢復電路。接收的信號可以是PSK調制信號。
乘加器502以半個符號周期節拍交替計算整符號點與半符號點交替數據501的平方和。每輸入一組整符號點I/Q數據的組合(I(n)，Q(n))，乘加器502輸出整符號點功率P(n)＝I(n)2+Q(n)2，緊接著輸入一組半符號點I/Q數據的組合(I(n-1/2)，Q(n-1/2))，乘加器502輸出半符號點功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)2+Q(n-1/2)2。乘加器502的輸出是整符號點功率P(n)與半符號點功率P(n-1/2)的交替數據流。本領域的技術人員應該明了，為了節省硬件資源乘加器502進行平方和運算時可以對運算精度進行靈活調整，相應的輸出相差一個常數倍數。
開平方器503以半個符號周期節拍交替計算整符號點半徑與半符號點半徑。每輸入一個整符號點功率P(n)，開平方器503進行一次開平方操作，得到整符號點半徑R(n)＝P(n)1/2。緊接著輸入一個半符號點功率P(n-1/2)，開平方器503再進行一次開平方操作，得到半符號點半徑R(n-1/2)＝P(n-1/2)1/2。開平方器503的輸出是整符號點半徑R(n)與半符號點功率半徑R(n-1/2)的交替數據流。實際實現時，開平方器503可以使用查找表電路實現，也可以使用分段折線逼進開平方曲線的方法實現，也可以使用其他專門的運算器進行。本領域的技術人員應該明了，為了節省硬件資源開平方器503進行開平方運算時可以對運算精度進行靈活調整，相應的輸出相差一個常數倍數。
寄存器504以半個符號周期節拍對開平方器503的輸出的整符號點半徑R(n)與半符號點半徑R(n-1/2)的交替數據流進行半個符號周期的延遲。當寄存器504的輸入為半符號點半徑R(n-1/2)時，寄存器504的輸出正好為整符號點半徑R(n)。
減法器505以符號周期節拍計算整符號點半徑R(n)與半符號點半徑R(n-1/2)的差值。如前所述，當寄存器504的輸入為半符號點半徑R(n-1/2)時，寄存器504的輸出正好為整符號點半徑R(n)，這時減法器505進行一次減法運算，得到當前半徑差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)，并以符號周期節拍輸出該差值。本領域的技術人員應該明了，為了節省硬件資源減法器505進行減法運算時可以對運算精度進行靈活調整，相應的輸出相差一個常數倍數。
平均器506以符號周期節拍對輸入信號進行統計平均。可以使用累加器實現，也可以使用各種低通濾波器實現。平均器506對當前半徑差e(n)進行平滑濾波，得到平均半徑差E(m)。本領域的技術人員應該明了，通過修改平均器506的參數可以調整輸出的平均半徑差E(m)與當前半徑差e(n)的數學期望的近似程度，當平均器506的平均點數足夠多(或者說低通濾波器的帶寬足夠窄)時，可以認為平均器506輸出的平均半徑差E(m)近似等于當前半徑差e(n)的數學期望乘以某常數倍數。
門限比較器507將平均半徑差E(m)與某設定門限進行比較，當平均半徑差E(m)的絕對值大于一個正門限值時產生一個指示信號。本領域的技術人員應該明了，可以通過調整該門限值以適應不同的調制方式和信號質量。
鎖定指示器508是一個用于根據門限比較器507的比較結果和當前的狀態輸出鎖定與失鎖信號的狀態機。該狀態機至少應該包含兩個狀態鎖定和未鎖定。至少應該包含一個輸入信號比較器輸出的平均半徑差與門限的大小比較關系。至少應該包含一個輸出信號，用來表示目前定時恢復是否已經鎖定。本領域的技術人員應該明了，根據不同的判定規則，鎖定指示器508可以是一個只包含鎖定和失鎖兩個狀態轉換的狀態機，也可以是一個包含更多其他狀態轉換的狀態機。
本發明提供的使用整符號點與半符號點的平均半徑差作為定時鎖定檢測標志量的定時鎖定檢測方法，可以用節省的資源實現在信號質量較差的條件下可靠的工作。
盡管本發明是參照其優選實施例來具體描述的，但本領域的技術人員應該理解，在不脫離有所附權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種修改。
權利要求
1.一種用于QAM和PSK信號的定時鎖定檢測方法，其特征在于該方法用整符號點與半符號點的平均半徑差作為判定鎖定的標志量，把該平均半徑差在門限比較器中與門限比較，根據比較規則得到比較結果并輸出給控制狀態機。
2.如權利要求1所述的一種用于QAM和PSK信號的定時鎖定檢測方法，其特征在于所述的整符號點與半符號點的平均半徑差的提取方法為整符號點I/Q數據(I(n)，Q(n))經過乘加運算得到整符號點功率P(n)＝I(n)2+Q(n)2；半符號點I/Q數據(I(n-1/2)，Q(n-1/2))經過乘加運算得到半符號點功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)2+Q(n-1/2)2；整符號點功率P(n)經開平方運算得到整符號點半徑R(n)＝P(n)1/2，半符號點功率P(n-1/2)經開平方運算得到半符號點半徑R(n-1/2)＝P(n-1/2)1/2；整符號點半徑R(n)與半符號點半徑R(n-1/2)經減法運算得到當前半徑差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)；當前半徑差e(n)經過平均運算得到平均半徑差E(m)。
3.如權利要求1所述的一種用于QAM和PSK信號的定時鎖定檢測方法，其特征在于所述的比較規則為如果平均半徑差大于一個正門限值則比較結果為有效，否則為無效。
4.如權利要求1所述的一種用于QAM和PSK信號的定時鎖定檢測方法，其特征在于所述的比較規則為如果平均半徑差的絕對值大于一個正門限值則比較結果為有效，否則為無效。
全文摘要
本發明涉及一種用于QAM和PSK信號的定時鎖定檢測方法。現有鎖定檢測方法在信號質量比較差時性能明顯下降，具體表現為錯判和漏判概率過高，接收機系統不穩定。本發明用整符號點與半符號點的平均半徑差作為判定鎖定的標志量，把該平均半徑差在門限比較器中與門限比較，根據比較規則輸出鎖定指示信號，如果平均半徑差或絕對值其大于一個正門限值則判定為定時恢復已經鎖定。采用本方法在信號質量比較差的情況下，用以判定鎖定的標志量的統計特性在鎖定前后仍然有明顯的變化，從而可以準確的判斷定時恢復是否鎖定。
文檔編號H04L27/34GK1614963SQ200410054278
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月3日 優先權日2004年9月3日
發明者龐智博, 黃智杰, 張明 申請人:杭州國芯科技有限公司