專利名稱：數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置及其恢復方法
技術領域：
本發明涉及一種數字殘留單邊帶(VSBVestigial Side Band)調制系統載波恢復裝置及其恢復方法，特別涉及一種數字電視接收機的殘留單邊帶調制信號的載波恢復裝置及其恢復方法。
背景技術：
目前北美的地面數字電視廣播標準所采用的殘留單邊帶調制(VSBVestigial Side Band)方式，利用現有的模擬電視廣播頻段來發送數字電視廣播信號。為了減少對目前模擬電視廣播的影響，以及在低載噪比的環境下可靠傳輸數字電視信號，標準中采用了信道均衡器以及多種的信道編碼方式，來保證信號的正常接收。另外，與模擬電視不同，數字電視在接收信號質量低于一個門限時，接收機不能正常工作，完全看不到圖像；反之，如果高于這個門限時，則能幾乎無誤差地恢復出圖像信號。這就要求數字電視接收能在惡劣信道條件下能正常工作。
接收機的解調器要解調出信號要求實現三個功能符號同步的定時恢復，載波恢復以及信道均衡。定時恢復是使接收機的符號時鐘同步于發射機的符號時鐘，保證接收機實現最佳的符號時間采樣；載波恢復是把射頻/中頻的信號頻譜搬移到基帶，實現基帶信號恢復的過程；均衡是為了去除由于信道中的多徑效應而引起的符號間干擾(ISIInter-Symbol Interference)。
VSB系統中在基帶信號的直流處加入了0.3dB的導頻信號，用于輔助載波恢復。當VSB信號偏離基帶時，該直流信號成為一個單頻信號，在VSB接收機中，可以用鎖相環來來鎖定導頻信號，得到恢復后的導頻信號用來解調VSB信號，使其恢復到基帶。導頻信號處于VSB信號中間，并且對于導頻信號而言，VSB的數據調制信號是一種調制噪聲。在接收機的導頻信號鎖相環中，這些調制信號被當作噪聲來處理。
美國專利US Patent 6005640采用了導頻鎖相環的方法，來實現VSB信號的載波恢復。
為了提取導頻信號，可以在鎖相環之前采用窄帶濾波器。同時，為了抑制數據調制噪聲，需要盡可能地使用帶寬很窄的濾波器。但是，這樣會導致鎖相環無法跟蹤輸入信號所有的頻率和相位漂移。然而，由于家電消費品的成本因素，不可能采用高等級的調諧器來保證射頻信號處理不帶來一定的頻率和相位漂移。
另一方面，在具有深衰落的惡劣信道下，導頻信號恰好處于深衰落的頻率處時，導頻信號幅度被衰落，影響載波恢復的性能直至載波恢復不能正常工作。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置及其恢復方法。
為解決上述技術問題，本發明提出了一種數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，包括高通濾波器，用于濾除邊帶以內的數據調制噪聲，得到上、下邊帶信號；希爾伯特濾波器，用于再濾除無用的邊帶，取出有用邊帶上的導頻信號；第一導頻跟蹤環路，用于接受經增益調整后的所述的導頻信號，進行第一次鎖定，濾除帶外干擾和寬帶噪聲；低通濾波器，用于接受第一次鎖定后的導頻信號并濾除數據調制噪聲以及干擾；第二導頻跟蹤環路，接受低通濾波器輸出信號并對頻率和相位誤差進行再次鎖定，跟蹤調諧器所引入的相位漂移；導頻幅度估計模塊，用于在第一導頻跟蹤環路頻率鎖定后，估計輸入導頻信號的幅度并據此動態調節輸入到導頻跟蹤環路信號的增益，還將估計出的導頻信號幅度送入直流去除模塊；直流去除模塊，對VSB基帶信號進行直流去除，所述VSB基帶信號由延遲后的VSB信號和經第一、第二導頻跟蹤環路兩次鎖定后的載波信號合成的本地恢復載波混頻得到。
本發明還提出了一種數字殘留單邊帶調制系統載波恢復方法來自定時恢復的信號經過高通濾波器后，取出了中心頻率為fs/4(fs為VSB調制信號的符號速率，10.76MHz)的邊帶信號；進一步采用希爾伯特濾波器，取出處于一個邊帶上的導頻信號；此導頻信號經過一次增益調整后，送入第一個導頻跟蹤環路(鎖相環)；在第一個導頻跟蹤環路的相位檢測器(復數乘法器)所作的fs/4頻譜搬移后，回到基帶的導頻信號(直流信號)通過一個帶寬極窄的低通濾波器后，送入第二個導頻跟蹤環路；在第一個導頻跟蹤環路的頻率鎖定后，通過對導頻跟蹤環路輸入信號和數字可控振蕩器信號的處理，估計輸入導頻信號的強度，并據此動態地調節導頻跟蹤環路輸入信號的增益；估計出的導頻信號幅度，送入直流去除模塊，去除導頻信號；從兩個導頻跟蹤環路各自的數字可控振蕩器(NCONumerically Controlled Oscillator)生成的載波信號進行合成，得到一個合成的載波恢復信號，用來對VSB信號進行解調；解調后的信號經過去除直流信號后，送入信道均衡器，消除符號間干擾(ISI)。
本發明由于采用了上述裝置和方法，即使在射頻采用低等級的調諧器的情況下，以及惡劣的信道環境下，載波恢復都能保證正常工作。
圖1是現有的VSB數字電視接收機的結構框圖；圖2是本發明的載波恢復裝置的詳細框圖；圖3是圖2中低通濾波器的結構圖；圖4是圖2中導頻幅度估計的結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是現有的VSB數字電視接收機的結構框圖。當通過天線接收到VSB調制方式的射頻信號，調諧器將用戶選定頻道的射頻信號進行頻譜搬移到中頻(IFintermediate frequency；一般廣泛采用44MHz)，并且通過聲表面波濾波器濾除接收頻道外的信號干擾。中頻信號通過適當放大后，驅動A/D，信號經過A/D后轉換成數字帶通信號。此帶通信號進入正交解調器，把VSB調制信號進一步進行頻譜搬移，使其中心頻率為fs/4，便于其后的定時恢復和載波恢復處理。
定時恢復使接收機的符號時鐘同步于發射機的符號時鐘，實現最佳的符號時間采樣。定時恢復后的信號進入載波恢復部，提取出接收信號中的載波后，利用它完成VSB基帶信號解調的頻譜搬移。當載波恢復后，在發射端為了輔助載波恢復而在VSB基帶信號的直流處插入的導頻信號也就不再需要，直流去除部去除此直流信號。
信道均衡器將消除由于電波傳播中多徑信道效應引入的符號間干擾以及基帶信號中殘留的相位噪聲。去除各種干擾噪聲后的VSB解調信號輸出到信道譯碼部，在信道譯碼部進行多種譯碼處理，準確無誤地恢復處發送端的傳送碼流(TSTransport Stream)。
圖2是本發明的載波恢復裝置的詳細框圖，相當于圖1中載波恢復部。正交解調后VSB信號的中心頻率為fs/4，等效為一個復基帶信號。導頻信號也處于復基帶信號的上邊帶或下邊帶(具體在哪一個邊帶取決于IF信號的頻譜位置以及正交解調的載波相位)。圖2中的高通濾波器首先濾除了邊帶以內的數據調制噪聲，得到上/下邊帶信號。下一步由希爾伯特濾波器再濾除一個無用的邊帶，取出了落在另一個邊帶上的導頻信號。
通過濾波取得的導頻信號經過增益調整后，被送入第一個導頻跟蹤環路。首先，輸入導頻信號與本地的NCO載波復數相乘，檢測到相位誤差。檢測到的相位誤差輸出到環路濾波器，之后控制NCO，完成頻率鎖定和相位鎖定。
進行過一次鎖定的導頻信號，殘留了一定的頻率誤差和相位誤差，并且其頻譜被搬移到基帶。處于基帶的導頻信號輸出到一個帶寬極窄的低通濾波器，濾除數據調制噪聲以及其他各種干擾。低通濾波器輸出信號到第二個導頻跟蹤環路，對殘留的頻率和相位誤差進行鎖定。除具體的環路濾波器參數外，第二個導頻跟蹤環路與第一個完全一樣，這里不再重復。
經過兩次鎖定后的兩個NCO的載波信號進行合成，形成了最后的本地恢復載波，并與延遲后的VSB信號進行混頻，得到VSB基帶信號。解調好的VSB基帶信號輸出到直流去除，去除其中不再需要的直流(即導頻信號)。
當第一個導頻跟蹤環路的頻率鎖定后，導頻幅度估計模塊開始估計輸入導頻信號的幅度，并且根據導頻幅度動態調節輸入到導頻跟蹤環路信號的增益。另一方面，估計出的導頻信號幅度被送入直流去除模塊，使其能準確無誤地去除畸變后的VSB信號中的導頻分量。
圖3為圖2中低通濾波器的實現結構圖。輸入信號進行塊平均后，進行1/N速率的下采樣，使信號的采樣速率降為原來的1/N。采樣后的低速率信號進入窄帶低通濾波器，徹底濾除直流以外的各種干擾和噪聲。之后進行N倍上采樣，信號速率恢復到輸入信號的采樣速率。上述N為8到64的整數。
圖4為圖2中導頻幅度估計的結構圖。導頻輸入復信號的正交相與NCO的同相相乘后，進行塊平均以濾除噪聲。濾除噪聲后的信號即為估計出的導頻幅度，輸出到直流去除模塊。另外，根據估計的導頻幅度和系統提供的一系列門限，產生一個增益控制信號，決定導頻輸入信號增益的大小。遲滯控制是為了防止在門限附近的頻繁切換。
本發明的雙導頻跟蹤環路，可以跟蹤由調諧器或其他發送/接收環節引入的所有的頻率/相位漂移。第一個環路采用了低環路增益，保證了自己環路的數據調制噪聲抑制性能，同時可以分擔少部分的頻率相位跟蹤能力要求。兩個環路之間的低通濾波器在進入第二個導頻跟蹤環路的相位誤差檢測器之前就濾除了帶外干擾，來保證第二個環路的不會引入過多的帶外干擾。當然低通濾波器本身也會對第二個環路的相位跟蹤能力有一定的影響。第二個環路采用高環路增益，從而具有強的相位跟蹤性能。雙環路的結構和適當的參數配置，既保持了良好環路噪聲性能，又能很好跟蹤輸入信號中的頻率/相位漂移。
兩個環路之間的低通濾波器的設計特點為了更好地去除帶外干擾，需要對信號進行帶寬非常窄的濾波。在通常采用的有限沖擊向應(FIRFinite Impulse Response)濾波器的設計中，這通常需要階數非常多的FIR才能達到濾波要求，對電路實現不利。本發明通過對信號平均后下采樣的處理，降低進入FIR濾波器信號的采樣速率，大大降低了FIR濾波器所需要的階數，有利于電路實現。
導頻幅度檢測以及導頻輸入導頻信號增益的動態調整在實際信道傳輸環境中，由于多徑效應引起了頻率選擇性衰落。在某些特定環境下，導頻恰好處于頻率的深衰落的地方，導致接收信號中導頻幅度大大降低，最終導致導頻跟蹤環路不能正常工作。本發明通過估計輸入導頻信號的幅度，并根據導頻被衰落的情況，動態地調節輸入導頻信號的增益，保證導頻跟蹤環路的正常工作。
權利要求
1.一種數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，其特征是，包括高通濾波器，用于濾除邊帶以內的數據調制噪聲，得到上、下邊帶信號；希爾伯特濾波器，用于再濾除無用的邊帶，取出有用邊帶上的導頻信號；第一導頻跟蹤環路，用于接受經增益調整后的所述的導頻信號，進行第一次鎖定，濾除帶外干擾和寬帶噪聲；低通濾波器，用于接受第一次鎖定后的導頻信號并濾除數據調制噪聲以及干擾；第二導頻跟蹤環路，接受低通濾波器輸出信號并對頻率和相位誤差進行再次鎖定，跟蹤調諧器所引入的相位漂移；導頻幅度估計模塊，用于在第一導頻跟蹤環路頻率鎖定后，估計輸入導頻信號的幅度并據此動態調節輸入到導頻跟蹤環路信號的增益，還將估計出的導頻信號幅度送入直流去除模塊；直流去除模塊，對VSB基帶信號進行直流去除，所述VSB基帶信號由延遲后的VSB信號和經第一、第二導頻跟蹤環路兩次鎖定后的載波信號合成的本地恢復載波混頻得到。
2.根據權利要求1所述的數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，其特征是，所述第一、第二導頻跟蹤環路包括復數乘法器、數字可控振蕩器、環路濾波器，其中輸入導頻跟蹤環路的導頻信號與所述數字可控振蕩器載波在所述復數乘法器復數相乘，檢測出相位誤差，再輸出到所述環路濾波器，控制數字可控振蕩器，完成頻率和相位鎖定。
3.根據權利要求2所述的數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，其特征是，所述第一導頻跟蹤環路采用低環路增益，第二導頻跟蹤環路采用高環路增益。
4.根據權利要求1、2或3所述的數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，其特征是，所述低通濾波器包括塊平均、下采樣、窄帶低通濾波器、上采樣，其中首先對輸入導頻信號進行塊平均，進行1/N速率的下采樣，采樣后的低速率信號進入窄帶低通濾波器，濾除直流外干擾和噪聲，再進行N倍上采樣，恢復信號速率到采樣速率，其中N為8到64的整數。
5.根據權利要求1、2或3所述的數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，其特征是，所述導頻幅度估計模塊包括塊平均、遲滯比較器；所述導頻幅度估計模塊首先將希爾伯特濾波器所輸出信號的正交相與數字可控振蕩器的同相相乘后進行塊平均以濾除噪聲、估計導頻幅度，并將估計出的導頻幅度輸出到所述直流去除模塊；根據估計的導頻幅度和系統提供的門限，產生一個增益控制信號，決定導頻輸入信號增益大小；所述遲滯比較器用于防止門限附近的頻繁切換。
6.一種數字殘留單邊帶調制系統載波恢復方法，其特征是，包括采用高通濾波器對經過信號取出邊帶信號；進一步采用希爾伯特濾波器，取出處于一個邊帶上的導頻信號；所述導頻信號經過一次增益調整后，送入第一導頻跟蹤環路；在第一導頻跟蹤環路的復數乘法器所作的頻譜搬移后，回到基帶的導頻信號通過一個低通濾波器后，送入第二導頻跟蹤環路；在第一導頻跟蹤環路的頻率達到粗同步后，通過對導頻跟蹤環路輸入信號和數字可控振蕩器信號的處理，估計輸入導頻信號的強度，并據此調節導頻跟蹤環路輸入信號的增益；估計出的導頻信號幅度，送入直流去除模塊，去除導頻信號；從兩個導頻跟蹤環路各自的數字可控振蕩器生成的載波信號進行合成，得到一個合成的載波恢復信號，用來對VSB信號進行解調；解調后的信號經過去除直流信號后，送入信道均衡器，消除符號間干擾。
7.根據權利要求6所述的數字殘留單邊帶調制系統載波恢復方法，其特征是，所述高通濾波器取出邊帶信號中心頻率為fs/4，其中fs為數字殘留單邊帶調制信號的符號速率10.76MHz；所述第一導頻跟蹤環路的復數乘法器所作的頻譜搬移為fs/4頻譜搬移。
全文摘要
本發明公開了一種數字殘留單邊帶調制系統載波恢復裝置，包括高通濾波器、希爾伯特濾波器、第一導頻跟蹤環路、低通濾波器、第二導頻跟蹤環路、導頻幅度估計模塊、直流去除模塊。高通濾波器對信號取出邊帶信號；希爾伯特濾波器取出處于一個邊帶上的導頻信號并經過增益調整后，送入第一導頻跟蹤環路作頻譜搬移后，再通過低通濾波器后，送入第二導頻跟蹤環路；在第一導頻跟蹤環路的頻率鎖定后，通過對導頻跟蹤環路輸入信號和數字可控振蕩器信號的處理，估計導頻信號的強度，并調節導頻跟蹤環路輸入信號的增益，并送入直流去除模塊，去除導頻信號；兩個導頻跟蹤環路生成的載波信號進行合成，得到一個合成的載波恢復信號。
文檔編號H04L27/06GK1905544SQ20051002818
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月27日 優先權日2005年7月27日
發明者龍必起, 楊勇, 何龍科 申請人:上海明波通信技術有限公司