專(zhuān)利名稱(chēng)：基于多狀態(tài)控制的載波捕獲系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)傳輸，特別涉及數(shù)字電視地面單載波廣播傳輸系統(tǒng)中
對(duì)載波的初始捕獲過(guò)程，通過(guò)利用幀結(jié)構(gòu)中的PN序列的擴(kuò)頻增益而可靠、快 速地捕獲載波。
背景技術(shù)：
在無(wú)一線數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機(jī)中的載波恢復(fù)模塊是最基礎(chǔ)的模塊。特別 在數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中，由于調(diào)諧器(高頻頭)的輸出中頻信號(hào)存在載波 頻率的不穩(wěn)定性，以及可能存在的多普勒頻差等影響，接收到的射頻信號(hào)將會(huì)
存在較嚴(yán)重的載波偏差。載波偏差的存在將導(dǎo)致接收信號(hào)的相位模糊，無(wú)法解 調(diào)出正確的發(fā)送信號(hào)，同時(shí)也將導(dǎo)致定時(shí)同步、信道估計(jì)無(wú)法進(jìn)行。
通常在數(shù)字接收機(jī)中，在收到信號(hào)后一般首先要做的就是載波的捕獲。載 波恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)方法從實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上可以分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)這兩種；從載波恢復(fù)的算 法上可以分為數(shù)據(jù)輔助的(DA)、數(shù)據(jù)判決(DD)和不依賴(lài)數(shù)據(jù)的(NDA、 NDD)算法。
采用利用導(dǎo)頻數(shù)據(jù)輔助的算法實(shí)現(xiàn)載波捕獲，數(shù)據(jù)判決的算法實(shí)現(xiàn)載波跟 蹤，結(jié)構(gòu)是閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。
一般在數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中，為了信道恢復(fù)和幀同步，其幀結(jié)構(gòu)總包 括已知數(shù)據(jù)段(幀頭)和凈數(shù)據(jù)段(幀體)，例如在美國(guó)ATSC二階循環(huán)結(jié)構(gòu) 中，存在已知的828符號(hào)的場(chǎng)同步信號(hào)(Field);在ADTB-T系統(tǒng)中的一階循 環(huán)結(jié)構(gòu)中，存在已知的1024符號(hào)的幀同步信號(hào)；在DMB-T的幀結(jié)構(gòu)中，存在 已知的-420荷號(hào)的幀同步信號(hào)；在DVB-T系統(tǒng)中，雖然不存在己知的信號(hào)， 但是循環(huán)段前綴(CP)循環(huán)相等的特性存在同樣起到已知信號(hào)的作用。同時(shí)為 了能夠快速地捕獲載波，在ATSC系統(tǒng)、ADTB-T系統(tǒng)以及DVB-T中設(shè)計(jì)了導(dǎo) 頻信號(hào)的插入。對(duì)于存在導(dǎo)頻的系-統(tǒng)(如美國(guó)的ATSC系統(tǒng))，其傳統(tǒng)的載波恢復(fù)原理是-利用—信號(hào)頻譜中導(dǎo)頻固定的發(fā)送位置與接收到信號(hào)頻譜中導(dǎo)頻的實(shí)際位置的 偏差來(lái)估計(jì)載波偏差；其傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是將接收的信號(hào)通過(guò)一個(gè)窄帶濾波 器濾出導(dǎo)頻信號(hào)，再通過(guò)COSTAS鎖相環(huán)路來(lái)控制數(shù)控振蕩器(NCO)來(lái)鎖定 載波。
對(duì)于DVB-T多載波系統(tǒng)，其傳統(tǒng)的載波恢復(fù)原理是利用循環(huán)段前綴(CP) 循環(huán)相等的特性，即假設(shè)兩段信號(hào)在發(fā)送時(shí)完全相等，由于載波偏差存在的原 因使得接收到的這兩段信號(hào)存在初始相位的差別，通過(guò)將這兩段數(shù)據(jù)作共軛相 乘(匹配)，提取相位差可以得到載波偏差的估計(jì)。
傳統(tǒng)利用導(dǎo)頻進(jìn)行載波恢復(fù)算法的缺陷在于由于多徑信道的存在，使得 無(wú)線信號(hào)受到頻率選擇性衰落，導(dǎo)頻有可能被衰落，從而使得恢復(fù)載波環(huán)路的 輸入信噪比過(guò)低，將更加突出任何鎖相環(huán)路存在的捕獲范圍與鎖定精度之間的
矛盾，而且更惡劣的是在導(dǎo)頻被完全打掉的情況下，鑒相輸出使得載波頻率穩(wěn) 定但殘留實(shí)際頻偏大，即是所謂的載波假鎖，此時(shí)載波環(huán)路系統(tǒng)穩(wěn)定，但由于 殘留頻偏大導(dǎo)致系統(tǒng)性能差。對(duì)于帶導(dǎo)頻的發(fā)送信號(hào)，接收信號(hào)r(t)可以表示 為<formula>formula see original document page 7</formula> ( 1 )
其中內(nèi)^W為導(dǎo)頻信號(hào)，s'W為發(fā)送的調(diào)制信號(hào)，A/為載波偏差，A(/)為
信道的沖擊響應(yīng)，"(o為高斯噪聲。 一般在頻域上，導(dǎo)頻信號(hào)是若干個(gè)幅度枏
等的S脈沖，則上述(1)式的頻域變換為
VMtr (2)
其中a為導(dǎo)頻信號(hào)中每個(gè)單頻信號(hào)的幅度(取1/#是為了功率歸一
化)，M為導(dǎo)頻信號(hào)中包含單頻信號(hào)的個(gè)數(shù)(在ATSC系統(tǒng)中M=l)。對(duì)于利 用導(dǎo)頻進(jìn)行的裁波恢復(fù)算法，在(2)式中真正有用于載波恢復(fù)的信號(hào)僅有；
^y,，而^/ + 40^(/^^/)都是相對(duì)噪聲。所以對(duì)于載
波鎖相環(huán)路來(lái)說(shuō)，-其輸入-信噪比僅為<formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 8</formula>
其中，c為發(fā)送的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)針對(duì)導(dǎo)頻頻點(diǎn)的窄帶濾波器后的功率，ct2
為高斯噪聲功率。從(3)式可以看出輸入信噪比是很低的，因?yàn)橐沟脤?dǎo)頻
力m
所占的功率小(使得系統(tǒng)更有效率)《就必須小，如果信道在導(dǎo)頻頻點(diǎn)的
頻域響應(yīng)^" + a,)正好是被衰落的，則輸入信噪比sw《"被進(jìn)一步惡化。而鎖相 環(huán)路的輸出相位方差與輸入信噪比存在以下近似的關(guān)系
<formula>formula see original document page 8</formula>纖,.
(4)
其中^:r為鎖相環(huán)路所設(shè)定的環(huán)路^寬， 為環(huán)路鎖定后(載波偏差恢復(fù)
后)載波的相位抖動(dòng)方差，該值輸出越大則信噪比損失越大。所以利用導(dǎo)頻捕
獲載波的算法受信道影響較大，鎖定精度和捕獲范圍的矛盾較突出，會(huì)反過(guò)來(lái)
影響均衡器對(duì)信道的補(bǔ)償過(guò)程。
利用己知數(shù)據(jù)或者帶循環(huán)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)匹配得到載波估計(jì)算法的缺
陷在于由于已知數(shù)據(jù)的存在會(huì)影響頻譜效率，所以已知數(shù)據(jù)所占的比例總是
很小，又由于利用一段已知數(shù)據(jù)只能得到一次有效的載波偏差的估計(jì)，其估計(jì)
或者環(huán)路的更新速率將是很小的，這將導(dǎo)致載波的恢復(fù)時(shí)間加長(zhǎng)。另一方面利
用相關(guān)進(jìn)行的載波恢復(fù)算法，都存在^模糊度的限制，將會(huì)導(dǎo)致載波估計(jì)精度
和載波估計(jì)范圍的矛盾。假設(shè)兩段已知的信號(hào)，這兩段信號(hào)之間的發(fā)送延時(shí)為
、由于pn序列良好的自相關(guān)性有利于分離多徑的影響，就不妨設(shè)這兩段已
知信號(hào)是一段完全一樣的pn序列，記為pw(0以及pw(卜^ ，其中 (^k:t;7^7;。這樣在接收端僅考慮載波偏差，這兩段信號(hào)不再相等，互相之
間有2"4巧的初始相位偏差，如果2;^^《2"則可以通過(guò)兩段數(shù)據(jù)的相關(guān)后提取 相位得到V的估計(jì)，但是如果2^4^1〉277，則無(wú)法提取2"a^準(zhǔn)確值(2"模糊 度)使得a,的估計(jì)錯(cuò)誤。這要求巧要設(shè)計(jì)為較小的值，但這樣會(huì)要求己知數(shù)據(jù) 段插入得較為頻繁，影響數(shù)據(jù)頻譜效寧。
綜上所述，利用導(dǎo)頻的載波捕獲方法更新速率快，不會(huì)降低頻譜效率，但
是受信道影響較大，捕獲精度較差，M存-在載波假鎖；利用已知數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)
行的載波捕獲算法精度可以較高，但是更新速率慢，載波捕獲范圍受限，頻譜 效率有所降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種新 的同時(shí)利用導(dǎo)頻和PN序列的，基于多狀態(tài)控制的載波捕獲及跟蹤的方法，以 同時(shí)達(dá)到更大的載波偏差捕獲范圍、更精細(xì)的載波捕獲精度、更魯棒的載波捕 獲可靠度。即，同時(shí)采用導(dǎo)頻捕獲、利用PN相關(guān)掃頻捕獲、PN捕獲等載波恢 復(fù)算法，同時(shí)動(dòng)態(tài)的判斷載波的估計(jì)狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)來(lái)選擇適用的載波 恢復(fù)算法及相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供一種載波捕獲系統(tǒng)，包括掃頻捕獲模塊，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行掃頻
捕獲，并輸出掃頻捕獲是否成功的掃頻捕獲指示信號(hào)；PN捕獲模塊，在所述掃頻 捕獲指示信號(hào)表示掃頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲，并輸出PN捕獲是否成功的PN 捕獲指示信號(hào)；狀態(tài)控制模塊，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述掃頻捕獲模塊以 及PN捕獲模塊之間的動(dòng)態(tài)切換。
如上所述的載波捕獲系統(tǒng)，還包括導(dǎo)頻捕獲模塊，接收輸入信號(hào)并輸出導(dǎo) 頻捕獲是否成功的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)，所述掃頻捕獲模塊在所述導(dǎo)頻捕獲模塊輸出 的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲不成功時(shí)進(jìn)行掃頻捕獲，所述PN捕獲模塊在所 述導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)療PN捕獲，所述狀態(tài)控制模塊，根 據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述導(dǎo)頻捕獲模塊、掃頻捕獲模塊以及PN捕獲模塊之 間的動(dòng)態(tài)切換。
如上所述的載波捕獲系統(tǒng)，所述PN捕獲模i夬包 g::用于恢復(fù)大范圍載波偏差 狀態(tài)的PN粗捕獲模塊和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的PN細(xì)捕獲模塊，所述PN 細(xì)捕獲模塊在PN粗捕獲成功后工作。
如上所述的載波捕獲系統(tǒng)，所述PN粗捕獲模塊—和所述PN細(xì)捕獲模塊共用相 同的硬件結(jié)構(gòu)，包括實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地PN—信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值的相 關(guān)器；根據(jù)所述相關(guān)器輸出的PN相關(guān)峰值，査找預(yù)定的角度査找表以獲得相應(yīng)的 相位角度的查找表模塊；以及根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位角度差獲得
估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加的累加器。
如上所述的載波捕獲系統(tǒng)，對(duì)于PN粗捕獲，所述相鄰的兩^g數(shù)據(jù)為同一幀內(nèi)
的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為相 兩-個(gè)幀。
本發(fā)明還提供一種載波捕獲方法，包括掃頻捕獲步驟，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行掃
頻捕獲，并輸出掃頻捕獲是否成功的掃頻捕獲指示信號(hào)；PN捕獲步驟，在所述掃 頻捕獲指示信號(hào)表示掃頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲，并輸出PN捕獲是否成功的 PN捕獲指示信號(hào)；狀態(tài)控制步驟，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述掃頻捕獲步 驟以及PN捕獲步驟之間的動(dòng)態(tài)切換。
如上所述的載波捕獲方法，還包括導(dǎo)頻捕獲步驟，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)頻捕
獲并輸出導(dǎo)頻捕獲是否成功的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)，所述掃頻捕獲步驟在所述導(dǎo)頻捕
獲步驟輸出的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲不成功時(shí)進(jìn)行掃頻捕獲，所述PN捕 獲步驟在所述導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲，所述狀態(tài)控 制步驟，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述導(dǎo)頻捕獲步驟、掃頻捕獲步驟以及PN 捕獲步驟之間的動(dòng)態(tài)切換。
如上所述的載波捕獲方法，所述PN捕獲步驟包括用于恢復(fù)大范圍載波偏差 狀態(tài)的PN粗捕獲步驟和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的PN細(xì)捕獲步驟，所述PN 細(xì)捕獲在PN粗捕獲成功后進(jìn)行。
如上所述的載波捕獲方法，所述PN粗捕獲步驟和所述PN細(xì)捕獲步驟共用相 同的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述PN粗捕獲步驟和所述PN-細(xì)捕獲步驟分別包括將輸 入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值；根據(jù)所述PN相關(guān)峰值，査找預(yù) 定的角度查找表以獲得相應(yīng)的相位角度；以及根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的 相位角度差獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加。
如上所述的載波捕獲方法，對(duì)于PN粗捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為同一幀內(nèi) 的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
本發(fā)明提供一種PN載波捕獲系統(tǒng)，包括用于恢復(fù)大范圍載波偏差狀態(tài)的 PN粗捕獲模塊和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的PN細(xì)捕獲模塊，所述PN細(xì)捕 獲模塊在PN粗捕獲成功后工作。 —
如上所述的PN載波捕獲系統(tǒng)，所述PN粗捕獲模塊和所述PN細(xì)—樣^^莫塊共 用相同的硬件結(jié)構(gòu)，包括實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PNlf"關(guān)峰值
的相關(guān)器；根據(jù)所述相關(guān)器輸出的PN相關(guān)峰值，査找預(yù)定的角度查找表以,相 應(yīng)的相位角度的查找表模塊；以及根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位角度差
獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加的累加器。
如上所述的PN載波捕獲系統(tǒng)，對(duì)于PN粗捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為周一 幀內(nèi)的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
本發(fā)明還提供一種PN載波捕獲方法，包括用于恢復(fù)大范圍載波偏差狀態(tài) 的PN粗捕獲步驟和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的PN細(xì)捕獲步驟，所述PN細(xì) 捕獲在PN粗捕獲成功后進(jìn)行。
如上所述的PN載波捕獲方法，所述PN粗捕獲步驟和所述PN細(xì)捕獲步驟共 用相同的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述PN粗捕獲步驟和所述PN細(xì)捕獲步驟分別包括 將輸入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值；根據(jù)所述PN相關(guān)峰值，査 找預(yù)定的角度査找表以獲得相應(yīng)的相位角度；以及根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù) 據(jù)的相位角度差獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加。
如上所述的PN載波捕獲方法，對(duì)于PN粗捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為同一 幀內(nèi)的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于硬件簡(jiǎn)單，不增加額外開(kāi)銷(xiāo)，魯棒性強(qiáng)。在各個(gè)信道 條件下，均可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)載波頻率偏差的跟蹤與捕獲。且恢復(fù)得到的信號(hào)載 波頻率控制字準(zhǔn)確和穩(wěn)定、方差小，抖動(dòng)小，有助于后續(xù)均衡器的穩(wěn)定工作， 從而提高系統(tǒng)的整體性能。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的多狀態(tài)控制的載波捕獲方法的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的多狀態(tài)控制的載波捕獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的掃頻捕獲模塊的結(jié)構(gòu)框圖。 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的多狀態(tài)控制的載波捕獲方法的系統(tǒng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)移流程圖。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的多狀態(tài)控制的載波捕獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行系統(tǒng)仿真獲得的NCO控制字的屏幕 信號(hào)截圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明適用于包含了己知數(shù)據(jù)段和導(dǎo)頻的數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)，如 美國(guó)ATSC系統(tǒng)，或者其它新的數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)。只要這些新的系 統(tǒng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上有以下特點(diǎn)
1. 一定長(zhǎng)度的已知序列以一定的周期(周期可定義為一幀長(zhǎng)度)插入在 數(shù)據(jù)流中，該己知序列以具有較好的偽隨機(jī)(PN)特性，并固定以VSB、 QAM、 OQAM、 PSK這幾種調(diào)制方式中的一種進(jìn)行單載波的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制；
2. 發(fā)送信號(hào)可以包含導(dǎo)頻，導(dǎo)頻的個(gè)數(shù)M有限， 一般例如0SM《4。也 就是說(shuō)，發(fā)送信號(hào)可以不包含導(dǎo)頻。
利用上述系統(tǒng)應(yīng)包含的這兩個(gè)特點(diǎn)，本發(fā)明使用多種載波捕獲方法來(lái)捕獲 載波，更重要的是多種載波捕獲方式在狀態(tài)機(jī)的控制下動(dòng)態(tài)的切換，保證當(dāng)前 系統(tǒng)總是采用最合適的載波捕獲方式。多種載波捕獲方式包括利用導(dǎo)頻捕獲、 利用PN相關(guān)掃頻捕獲、利用PN相關(guān)幀內(nèi)粗捕獲、利用PN相關(guān)幀間細(xì)捕獲等。 為了下文敘述方便，將這些捕獲方式簡(jiǎn)稱(chēng)為導(dǎo)頻捕獲、掃頻捕獲、PN粗捕 獲、PN細(xì)捕獲。
本發(fā)明所述的基于多狀態(tài)控制的載波捕獲方法，它是由內(nèi)部狀態(tài)控制器 (見(jiàn)圖2)根據(jù)系統(tǒng)所處的狀態(tài)自適應(yīng)地選擇正確的載波捕獲方式，它含有以 下?tīng)顟B(tài)Init表示初始狀態(tài)，Pilot-On表示導(dǎo)頻捕獲狀態(tài)，SweepFreq表示掃頻 捕獲狀態(tài)，PN-C表示PN粗捕獲狀態(tài)，PN-F表示PN細(xì)捕獲狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移 流程圖見(jiàn)圖1。
如圖1所示，其具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及各個(gè)狀態(tài)的工作步驟如下初始狀態(tài)
IOI輸入的數(shù)據(jù)首先進(jìn)入導(dǎo)頻捕獲狀態(tài)102;
在導(dǎo)頻捕獲狀態(tài)，如果導(dǎo)頻捕獲成功則輸出狀態(tài)指示信號(hào)Pilot-lock,指示
狀態(tài)控制器控制系統(tǒng)進(jìn)入PN粗捕獲狀態(tài)104;如果導(dǎo)頻捕獲不成功則判斷是
否溜時(shí)，如果超時(shí)則輸出狀態(tài)指示信號(hào)Pilot-Miss (表示導(dǎo)頻捕獲不成功)，指
示狀態(tài)控制器控制系統(tǒng)進(jìn)入掃頻捕獲狀態(tài)108，否則返回到導(dǎo)頻捕獲狀態(tài)102
進(jìn)行導(dǎo)頻捕獲。
在導(dǎo)頻捕獲狀態(tài)102，首先，將接收到的信號(hào)通過(guò)窄帶濾波器(示于圖2〉，
濾出導(dǎo)頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)窄帶濾波器輸出的導(dǎo)頻信號(hào)可表示為-
>;,(,)=41//"+ ，
VM (5)
在上式中，VF為導(dǎo)頻信號(hào)中每個(gè)單頻信號(hào)的幅度，M為導(dǎo)頻信號(hào)中包含 單頻信號(hào)的個(gè)數(shù)(在ATSC系統(tǒng)中M=l) ， ^" + ^)為信道頻域響應(yīng)在乂 + V
上的值，W^為復(fù)高斯噪聲n (t)經(jīng)過(guò)針對(duì)第i個(gè)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)的窄帶帶通濾波器 的輸出。其次，窄帶濾波器輸出的信號(hào)，輸入到鑒相器(示于圖2)進(jìn)行鑒相， 其核心鑒相方程可表示為
S(力,"Cy,(0) 卩(,) (6)
上式中乂(0為^(0的實(shí)部，Z")為乂'W的虛部，w'g"0為取符號(hào)運(yùn)算。經(jīng)過(guò)
鑒相器輸出后的信號(hào)將進(jìn)入一個(gè)環(huán)路濾波器(見(jiàn)圖2),該環(huán)路濾波器的一個(gè) 例子可以是有源比例積分濾波器，其Z變化響應(yīng)是
，(Z):C,+"^y (7)
最后，環(huán)路濾波器的輸出則輸入給ll控振蕩器(NCO)(見(jiàn)圖2)以實(shí)現(xiàn) 對(duì)輸入數(shù)據(jù)的補(bǔ)償。
在掃頻捕獲狀態(tài)108，判斷掃頻捕獲是否成功，當(dāng)掃頻捕獲成功之后，輸 出狀態(tài)指示信號(hào)Sweep-Lock至狀態(tài)控制器，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入采用PN來(lái)恢復(fù)較大 范圍載波偏差狀態(tài)，即進(jìn)入PN粗捕獲104。在掃頻捕獲狀態(tài)中，采用串行的 掃頻結(jié)構(gòu)，將可能的頻差范圍分為q個(gè)子頻帶，子頻帶帶寬為W。以零頻為基 準(zhǔn)，在零頻正負(fù)兩邊以等l'sT1！(即子頻帶帶寬W)設(shè)定q個(gè)掃頻基準(zhǔn)點(diǎn)(q和 W可根據(jù)實(shí)標(biāo)情況按需設(shè)置)。在每一個(gè)掃頻基準(zhǔn)點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)頻率送入 數(shù)控振蕩器(NCO)，由NCO輸出對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)將經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)?數(shù)據(jù)與本地:PN序列進(jìn)行異步相關(guān)。其異步相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為
式中，假設(shè)已知PN序列-，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，輸入信號(hào)為r(n)， r乂n)為r(n)實(shí)部， 一(n)為r(n)虛部。
在每一個(gè)掃頻基準(zhǔn)點(diǎn)停留一定時(shí)間t (t的大小可根據(jù)實(shí)際情況按需選擇) 做假設(shè)檢驗(yàn)在t時(shí)間內(nèi)z(n)是否超過(guò)一預(yù)定的門(mén)限(該門(mén)限可根據(jù)系統(tǒng)要求
而按需確定)判斷該頻率基點(diǎn)是否正確，若不正確再切換到下一個(gè)頻率基點(diǎn)重
復(fù)上述假設(shè)檢驗(yàn)過(guò)程；若正確則將掃頻輸出固定于該基準(zhǔn)頻率點(diǎn)，發(fā)出掃頻捕 獲完成信號(hào)Sweep-Lock,指示狀態(tài)控制器轉(zhuǎn)入粗捕獲階段104。
在PN粗捕獲狀態(tài)104，當(dāng)經(jīng)過(guò)NCO補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)的載波頻率偏差已小于 某一預(yù)定門(mén)限值(Thresholdl)(其中，該門(mén)限可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求而按需確 定)，則輸出PN粗捕獲完成PN-C-Loek信號(hào)指示狀態(tài)控制器，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入 PN細(xì)捕獲狀態(tài)106;否則返回到PN粗捕獲狀態(tài)104
在PN粗捕獲狀態(tài)I04中，將接收到的數(shù)據(jù)串行輸入相關(guān)器(見(jiàn)圖2和圖 4)，與本地生成的PN數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘、累加，累加長(zhǎng)度為M。得到對(duì)應(yīng)的相關(guān) 值。在接收數(shù)據(jù)的PN段和本地產(chǎn)生的PN數(shù)據(jù)恰好對(duì)齊時(shí)，其相關(guān)峰值表示 為<formula>formula see original document page 14</formula>9) 分別得到相鄰的前M個(gè)數(shù)據(jù)和后M個(gè)數(shù)據(jù)的相關(guān)峰值，記為<formula>formula see original document page 14</formula>和
將得到的相關(guān)峰值輸入一個(gè)預(yù)定的角度查找表(圖2)，查表得到前M個(gè) 數(shù)據(jù)和后M個(gè)數(shù)據(jù)的相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的相位角度，分別表示為<formula>formula see original document page 14</formula>和 <formula>formula see original document page 14</formula>表示取相位角度。則估計(jì)得到的載波頻率偏差為
<formula>formula see original document page 14</formula>
將估計(jì)得到載波頻率偏差送入累加器(圖2)進(jìn)行累加，累加器的輸出再 送入數(shù)控振蕩器(NCO)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
在PN細(xì)捕獲狀態(tài)106，當(dāng)檢測(cè)出恢復(fù)得到的數(shù)據(jù)的載波偏差超出PN細(xì)捕 獲鎖定范圍(Threshold2，同樣該閾值也可以按需確定)時(shí)，則輸出PN細(xì)捕獲 失敗PN-F-Miss信號(hào)給狀態(tài)控制器，指示系統(tǒng)回退到PN粗捕獲狀態(tài)。
在PN細(xì)捕獲狀態(tài)106中，將接收到的數(shù)據(jù)串行輸入相關(guān)器(圖2)，與
本地生成的PN數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘、累加，累加長(zhǎng)度為N(N為-PN相關(guān)器的總長(zhǎng)度)， 得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)值。在接收數(shù)據(jù)的PN段和本地產(chǎn)生的--PNl(據(jù)恰好對(duì)齊時(shí)， 其相關(guān)峰值表示為
<formula>formula see original document page 15</formula>(11)
相鄰的兩幀的N個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的PN相關(guān)峰值，記為""""("、/。"-f和 ②/r(")咖—、將得到的相關(guān)峰值輸入一個(gè)預(yù)定的角度査找表(圖2)，查表得到 相鄰兩幀的PN相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的相位角度，分別表示為arg("^(")咖-f)和 arg(c^r(")一^) ， arg ()表示取相位角度。則估計(jì)得到的載波頻率偏差為
<formula>formula see original document page 15</formula> (12)。
將估計(jì)得到載波頻率偏差送入累加器(圖2)進(jìn)行累加，累加器的輸出再 送入數(shù)控振蕩器(NCO)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
如上所述的基于多狀態(tài)控制的載波捕獲方法，在各個(gè)工作狀態(tài)，都需要確 定一定的規(guī)則，用以判定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作進(jìn)程，并依此給出指示信號(hào)，指示狀 態(tài)控制器自適應(yīng)地進(jìn)行狀態(tài)切換。以下說(shuō)明了各個(gè)狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的判斷規(guī)則。
在導(dǎo)頻捕獲狀態(tài)102，是通過(guò)鎖相環(huán)路跟蹤濾出的導(dǎo)頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率的 粗捕獲。例如，根據(jù)鎖相環(huán)路的原理，在環(huán)路收斂時(shí)，NCO的控制字平穩(wěn)。因 此，可以依據(jù)NCO控制字的平穩(wěn)程度作為判斷載波是否鎖定的標(biāo)準(zhǔn)。如果在 一定時(shí)間內(nèi)，NCO控制字平穩(wěn)，則認(rèn)為載波鎖定，輸出Pilot-Lock信-號(hào)，轉(zhuǎn)入 PN粗捕獲階段104;若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，NCO控制字始終無(wú)法滿(mǎn)足平穩(wěn)條件， 就判定載波捕獲失敗，輸出Pilot-Miss信號(hào)，而轉(zhuǎn)入掃頻捕獲階段108。
在掃頻捕獲狀態(tài)108，在每一基頻點(diǎn)停留一定時(shí)間t，進(jìn)行有關(guān)該基頻點(diǎn)合 理性的假設(shè)檢驗(yàn)。因?yàn)樵趻哳l捕獲狀態(tài)之后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入的是PN恢復(fù)載波狀態(tài)， 其工作的依據(jù)是輸入數(shù)據(jù)與本地PN序列相關(guān)的相關(guān)峰值。因此，在某一個(gè)基 頻點(diǎn)上，如果在給定時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)到相關(guān)峰值，則輸出掃頻捕獲成功Sweep-Lock 信號(hào)，轉(zhuǎn)入采用PN來(lái)恢復(fù)較大范圍載波偏差狀態(tài)，否則更換基準(zhǔn)頻點(diǎn)，重復(fù) 上述過(guò)程。在采用PN來(lái)恢復(fù)較大范圍載波偏差狀態(tài)或者在采用PN來(lái)恢復(fù)小 范圍載波偏差狀態(tài)， 一旦檢測(cè)到?jīng)]有相關(guān)峰值，則狀態(tài)機(jī)將自動(dòng)回退到掃頻捕 獲狀態(tài)108。
在PN粗捕獲狀態(tài)104,當(dāng)剩余載波頻率偏差在給定門(mén)半艮(Thresholdl-)苑圍 內(nèi)，則給出PN粗捕獲完成PN-C-Lock信號(hào)，轉(zhuǎn)入PN細(xì)捕獲階段106。
在PN細(xì)捕獲狀態(tài)106，當(dāng)檢測(cè)到剩余載波頻率偏差超出給定門(mén)限 (Threshold2)范圍，則輸出PN細(xì)捕獲失敗PN-F-Miss信號(hào)，退回到PN粗捕獲 狀態(tài)104;否則繼續(xù)停留在PN細(xì)捕獲狀態(tài)106，直至載波完全鎖定。
如上所述的基于多狀態(tài)控制的載波捕獲方法，由內(nèi)部狀態(tài)控制器根據(jù)系統(tǒng) 所處的狀態(tài)自適應(yīng)地選擇正確的載波捕獲方式，其中多種載波捕獲方式在狀態(tài) 機(jī)的控制下動(dòng)態(tài)的切換，保證當(dāng)前系統(tǒng)總是采用最合適的載波捕獲方式。但是， 如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，本發(fā)明不限于以上所述的載波捕獲方式的動(dòng)態(tài) 切換。例如，在不存在導(dǎo)頻的情況下，可以?xún)H僅使用后三種載波捕獲方式的動(dòng) 態(tài)切換。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明靈活使用現(xiàn)有技術(shù)中的多種 載波捕獲方式，利用多狀態(tài)控制進(jìn)行靈活的動(dòng)態(tài)切換。
如圖2所示，基于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多狀態(tài)控制的載波捕獲方法的載 波捕獲系統(tǒng)含有以下模塊復(fù)乘器201，導(dǎo)頻捕獲模塊202，掃頻捕獲模塊203， PN粗捕獲和細(xì)捕獲模塊204，信號(hào)疊加器205， NCO模塊206,狀態(tài)控制器207。 這些組件構(gòu)成了如圖2所示的環(huán)路用以恢復(fù)載波偏差，其各部件之間的相互連 接關(guān)系如圖所示并如下所述輸入帶載波偏差的準(zhǔn)基帶信號(hào)(即輸入數(shù)據(jù))與 復(fù)乘器201的輸入連接，復(fù)乘器的另一個(gè)輸入與NCO模塊206的輸出連接， 復(fù)乘器201的輸出即是恢復(fù)了載波偏差的基帶信號(hào)輸出。同時(shí)，復(fù)乘器201的 輸出同^t進(jìn)入導(dǎo)頻捕獲模塊202、掃頻捕獲模塊203以及PN粗捕獲和細(xì)捕獲 模塊204。狀態(tài)控制器模塊207也同時(shí)與導(dǎo)頻捕獲模塊202、掃頻捕獲模塊203 以及PN粗捕獲和細(xì)捕獲模塊204連接，用以控制這三個(gè)模塊工作的先后次序。 狀態(tài)控制器模塊207也同時(shí)與導(dǎo)頻捕獲模塊202、掃頻捕獲模塊203以及PN 粗捕獲和細(xì)捕獲模塊204的輸出通過(guò)信號(hào)疊加器205疊加后進(jìn)入NCO模塊2恥。 NCO ，Ii央206的輸出進(jìn)入到復(fù)乘器201用以恢復(fù)輸入信號(hào)的載波偏差。
#^頻捕獲模塊2_02包含三個(gè)模塊窄帶濾波器、鑒相模塊和環(huán)路濾波器。 導(dǎo)頻捕獲模塊的這種結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域所公知的，本發(fā)明不針對(duì)1壬何特定的導(dǎo)頻捕 獲模塊，而是可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何導(dǎo)頻捕獲模塊。
在導(dǎo)頻捕獲鎖定的情況下，導(dǎo)頻捕獲模塊202會(huì)發(fā)出導(dǎo)頻捕—獲成功指示信
號(hào)給狀態(tài)控-制器207，控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)入粗捕獲階段，同時(shí)導(dǎo)頻捕獲模塊-202 的輸出將保持；但是，如果在導(dǎo)頻被信道衰落的情況下，導(dǎo)頻捕獲不成功，同
樣需要發(fā)出導(dǎo)頻捕獲失敗信號(hào)給狀態(tài)控制器207，指示系統(tǒng)轉(zhuǎn)入掃頻捕獲階段， 同時(shí)導(dǎo)頻捕獲模塊202的輸出將置0。
掃頻捕獲模塊203在導(dǎo)頻捕獲模塊202無(wú)法捕獲載波的情況下工作。圖3 示出了掃頻捕獲模塊203的結(jié)構(gòu)框圖。
如圖3所示，掃頻捕獲模塊的實(shí)現(xiàn)將內(nèi)部分為3個(gè)子模塊掃頻控制器301、 相關(guān)峰值檢測(cè)模塊303、以及頻率查找表模塊302。相關(guān)峰值檢測(cè)模塊303做 異步相關(guān)檢測(cè)，并與門(mén)限比較。該模塊輸出控制信號(hào)至掃頻控制器，指示是否 有相關(guān)峰值超過(guò)門(mén)限。掃頻控制器301控制頻率查找表切換停留頻點(diǎn)，輸出初 始偏移頻差至NCO模塊206。掃頻控制器301同時(shí)給出狀態(tài)指示信號(hào)給狀態(tài)控 制器指示掃頻模塊的工作狀態(tài)。掃頻捕獲模塊的這種結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域所公知的， 本發(fā)明不針對(duì)任何特定的掃頻捕獲模塊，而是可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何掃頻 捕獲模塊。
返回圖2， PN粗捕獲在掃頻捕獲成功或?qū)ьl捕獲成功后開(kāi)始工作。 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的PN粗捕獲和PN細(xì)捕獲模塊204包含了三個(gè)模塊 相關(guān)器，角度査找表和累加器。相關(guān)器用于實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)與本地PN數(shù)據(jù)的相 關(guān)，產(chǎn)生PN相關(guān)峰值；該模塊輸出的相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)將送入角度査找表模 塊，，得到對(duì)應(yīng)的相位角度；輸出的相位角度又串行輸入累加器；在累加器 模塊中，首先將相鄰的前M個(gè)數(shù)據(jù)和后M個(gè)數(shù)據(jù)的相位角度相減得到角度差， 然后對(duì)得到的角度差乘以系數(shù)W2"M)之后，進(jìn)行累加。這里，M的值是可以 按需設(shè)定的。
PN細(xì)捕獲在PN粗捕獲成功后開(kāi)始工作。
在本實(shí)施例中，PN細(xì)捕獲模塊與PN粗捕獲模塊共用相同的硬件結(jié)構(gòu)20^ 來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以分別實(shí)現(xiàn)PN細(xì)捕獲模塊與PN粗捕獲模塊。
在本實(shí)施例的PN捕獲模塊中，采用長(zhǎng)度為L(zhǎng)的PN相關(guān)器，如圖4所示， 該相關(guān)器采用橫向結(jié)構(gòu)的下IR (有限沖擊響應(yīng))濾波器，它由若干寄存器、若 干乘法器和若干加法器組成。一 信號(hào)輸入寄存器的末端；除最前端的寄存器外每 個(gè)寄存器的輸出輸入下一個(gè)寄存器；每個(gè)寄存器的輸出同時(shí)輸入到對(duì)應(yīng)的乘&_—
器中，與相應(yīng)的抽頭系M乘，抽頭的值固定為已知PN序列的值；每M個(gè)乘 法器的輸出輸入到1個(gè)加法器中；這L/M個(gè)加法器加和的輸出由L/M個(gè)寄存 器做第一級(jí)的鎖存，即第一級(jí)的延時(shí)線；第一級(jí)延時(shí)線的輸出根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)速 度的需要還可以做第二級(jí)的延時(shí)線，最終的延時(shí)線的加和輸出作為PN相關(guān)器 的輸出。第一級(jí)的L/M個(gè)延時(shí)線鎖存器的輸出就是間隔為M(M可取多個(gè)值) 的相鄰PN序列的相關(guān)峰值。在PN細(xì)捕獲階段，此時(shí)所用的PN相關(guān)峰值就可 以取每一幀時(shí)間內(nèi)，PN相關(guān)器最終產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度相關(guān)峰值，這樣由相關(guān)帶 來(lái)的增益最高。PN粗捕獲和PN細(xì)捕獲模塊可以共用一個(gè)相關(guān)器，這使得PN 粗捕獲和PN細(xì)捕獲實(shí)現(xiàn)不增加硬件復(fù)雜度。
如上所述，結(jié)合附圖2和附圖3，本發(fā)明所述的基于多狀態(tài)控制的載波捕 獲方法，其相應(yīng)的整個(gè)載波恢復(fù)系統(tǒng)的工作流程為輸入數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)復(fù)乘器 201進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)入導(dǎo)頻捕獲模塊202，在該模塊中，先用 窄帶濾波器濾出導(dǎo)頻信號(hào)，然后由鎖頻鎖相環(huán)FPLL對(duì)載波頻偏進(jìn)行捕獲和跟 蹤。在一定時(shí)間內(nèi)，不斷檢測(cè)環(huán)路濾波器的輸出值(即NCO的輸入)，若發(fā) 現(xiàn)連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)，環(huán)路濾波器的輸出值平穩(wěn)，則發(fā)出Pilot-Lock指示信號(hào)給 狀態(tài)控制器207，控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入PN粗捕獲；若在給定時(shí)間范圍內(nèi)，濾波 器輸出始終不能達(dá)到平穩(wěn)，則判斷導(dǎo)頻捕獲失敗，發(fā)出Pilot-Miss信號(hào)，指示 狀態(tài)控制器207控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入掃頻捕獲。
若系統(tǒng)轉(zhuǎn)入的是掃頻捕獲模塊203，則掃頻捕獲模塊203開(kāi)始工作。它以 一定的周期更換基準(zhǔn)頻率點(diǎn)。在每一個(gè)基頻點(diǎn)，都停留一段固定的時(shí)間，進(jìn)行 相關(guān)峰值檢測(cè)，若在該時(shí)間范圍內(nèi)，始終沒(méi)有檢測(cè)到相關(guān)峰值，則更換到下一 個(gè)頻點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)掃頻成功后，掃頻捕獲模塊203發(fā)出Sweep-Lock 信號(hào)給狀態(tài)控制器207，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入PN粗捕獲和PN細(xì)捕獲模塊204。
在PN粗捕獲階段，當(dāng)鑒^i得到的頻率偏差，在一定時(shí)間內(nèi)，都穩(wěn)定的小 于某一個(gè)門(mén)限值，則輸出PN-F-Lock信號(hào)，指示狀態(tài)控制器207轉(zhuǎn)入PN細(xì)捕 獲。
在PN細(xì)捕獲階段，由于和PN粗捕獲的基本原理相同，且兩個(gè)階段并不 會(huì)同時(shí)工作，因此可以與PN粗捕獲模塊復(fù)用相同的硬件，以節(jié)省資源。在PN 細(xì)捕獲階段，如果發(fā)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi):鑒頻4尋到^]頻率偏差始終超過(guò)了某一門(mén)限，
則發(fā)出PN-F-Miss信號(hào)給狀態(tài)控制l207， ^S制系統(tǒng)回退到PN粗捕獲階段。
盡管以上結(jié)合本發(fā)明新穎的PN捕獲技術(shù)(包括PN粗捕獲和PN細(xì)捕獲) 描述了本發(fā)明，但是值得注意的是，PN捕獲技-術(shù)并不僅限于以上所描述的， 而是可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何已知的PN捕獲技術(shù)。以下結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的PN 捕獲技術(shù)描述本發(fā)明
如圖5-6所示，由于根據(jù)該實(shí)施例基于多狀態(tài)控制的載波捕獲的方法和裝 置與以上實(shí)施例的區(qū)別僅僅在于PN捕獲階段，因此在此略去相同的描述，僅 詳細(xì)給出PN捕獲狀態(tài)下PN捕獲模塊的操作。
在PN捕獲狀態(tài)504，當(dāng)經(jīng)過(guò)NCO補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)的載波頻率偏差已小于某 一預(yù)定門(mén)限值(Threshold)(其中，該門(mén)限可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求而按需確定)， 則輸出PN捕獲完成PN-Lock信號(hào)指示狀態(tài)控制器，導(dǎo)頻捕獲結(jié)束；否則輸出 PN捕獲失敗PN-Miss信號(hào)給狀態(tài)控制器，指示系統(tǒng)重新進(jìn)行PN捕獲。
在PN捕獲狀態(tài)504中，將接收到的數(shù)據(jù)串行輸入相關(guān)器(見(jiàn)圖5和圖6)， 與本地生成的PN數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘、累加，累加長(zhǎng)度為M(這里，M的值是可以 按需設(shè)定的)，得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)值。在接收數(shù)據(jù)的PN段和本地產(chǎn)生的PN數(shù) 據(jù)恰好對(duì)齊時(shí)，其相關(guān)峰值表示為
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'=。 (13)
分別得到相鄰的前M個(gè)數(shù)據(jù)和后M個(gè)數(shù)據(jù)的相關(guān)峰值，記為ewT(")"/。"-c和
<formula>formula see original document page 19</formula> 。
將得到的相關(guān)峰值輸入一個(gè)預(yù)定的角度查找表(圖6)，査表得到前M個(gè) 數(shù)據(jù)和后M個(gè)數(shù)據(jù)的相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的相位角度，分別表示為arg("^"(")6—-c)和 arg(a^r("),—c) ， arg ()表示取相位角度。隨后將該枏位角度輸入運(yùn)算模塊(圖
6)，則其中估計(jì)得到的第一載波頻率偏差為<formula>formula see original document page 19</formula> (14)
在PN捕獲狀態(tài)504，可以同時(shí)得到另一組相關(guān)長(zhǎng)度的 ，即將接收到 的數(shù)據(jù)串行輸入相關(guān)器(圖6)，與本地生成的+N數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘、累加，累 加長(zhǎng)度為N (N為PN相關(guān)器的總長(zhǎng)度)，得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)值。在接收數(shù)據(jù)的 PN段和本地產(chǎn)生的PN數(shù)據(jù)恰好對(duì)齊時(shí)，其相，關(guān)峰值表示為'=。 (15)
相鄰的兩幀的N個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的PN相關(guān)峰值，記一為-f和
""^")。,-f。將得到的相關(guān)峰值輸入一個(gè)預(yù)定的角度査找表(圖6)，査表得到
相鄰兩幀的PN相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的相位角度，分別表示為^("^(")一M-f)和
arg("^(")。,—) ， arg ()表示取相位角度。隨后將該相位角度輸入運(yùn)算模塊，
則其中估計(jì)得到的第二載波頻率偏差為
Ap2 = arg(ow(")。/敏-f) _ arg(co/r(")&,附—F) (16)
綜上，Apl是在相隔M個(gè)符號(hào)時(shí)間(M/fs， fs為時(shí)鐘頻率)得到的角度差，
A^2是在相隔N (N>M)個(gè)符號(hào)時(shí)間(N/fs)得到的角度差，由于求得的角度
差只能是-;r到;r之間，具有2;r的模糊度，因此必須結(jié)合Apl， Ap2才能得到正
確的角度差 —
△p = rtW( 1*iV)*360 + ~2 (17) 360*M
其中round是實(shí)現(xiàn)四舍五入的函數(shù)，A^與A伊2是同一量綱，因此運(yùn)算模塊 輸出的總的頻差為
A/ = ^^ (18)
將該估計(jì)得到總的載波頻率偏差送入低通濾波器(未示出)，低通濾波器 的輸出再送入數(shù)控振蕩器(NCO)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。同^f，如圖6所示， 該實(shí)施例的PN捕獲模塊604包含了三個(gè)模塊相關(guān)器，角度查找表和運(yùn)算模 塊。相關(guān)器用于實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)與本地PN數(shù)據(jù)的相關(guān)，產(chǎn)生以上PN相關(guān)峰值； 該模塊輸出的相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)將送入角度査找表模塊，査表得到對(duì)應(yīng)的相位 角度；輸出的相位角度輸入運(yùn)算模塊；在運(yùn)算模塊中，分別獲得以上所述的第 一和第二頻差，之后通過(guò)圓整結(jié)合獲得總的載波頻率偏差。本發(fā)明不針對(duì)任何 特定的PN捕獲模塊，而是可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何PN捕獲"瞎塊。
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可應(yīng)用在數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)中。以下描述本發(fā)明 的一種具體應(yīng)用實(shí)例?？紤]到信道條件惡劣，導(dǎo)頻信號(hào)可能被嚴(yán)重衰^而且 存在比較大的載波頻率偏差。因此，在強(qiáng)多徑情況下采用^^于多狀態(tài)控制的載 波捕獲方法來(lái)實(shí)現(xiàn)載波同步。系統(tǒng)的一個(gè)基本幀稱(chēng)為信號(hào)幀，信號(hào)l泉由頓頭和
幀體兩部分組成。
具體的幀結(jié)構(gòu)可如下表示
幀頭(595個(gè)符號(hào))幀體(含系統(tǒng)信息)(3780個(gè)符號(hào)) 幀頭均采用I、 Q^同的QPSK調(diào)制，符號(hào)速率為7.56M。 幀頭PN序列采用10階m序列的截短，幀頭信號(hào)的長(zhǎng)度為595個(gè)符號(hào)， 是長(zhǎng)度為1023的m序列的前595個(gè)碼片。
幀頭信號(hào)的長(zhǎng)度為1023的m序列可由一個(gè)Fibonacci型線性反饋移位寄存 器(LFSR)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)"0"到+1值及"1"到-1值的映射變換為非歸零的二進(jìn) 制信號(hào)。
對(duì)幀頭和幀體經(jīng)過(guò)組幀后形成的基帶數(shù)據(jù)在士符號(hào)速率/2位置插入雙導(dǎo) 頻，兩個(gè)導(dǎo)頻的總功率相對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)功率為O.ldB。
強(qiáng)多徑信道采用典型的中國(guó)8信道，且頻率偏差較大。在這種信道條件下， 由于導(dǎo)頻信道受到嚴(yán)重衰落，傳統(tǒng)的僅使用導(dǎo)頻進(jìn)行載波捕獲的方法是無(wú)法穩(wěn) 定工作的；而由于存在較大的頻率偏差，即使采用PN部分相關(guān)相關(guān)峰值也不 明顯，因此，僅依靠PN恢復(fù)載波在這種情況下也是行不通。因此，采用基于 本發(fā)明的多狀態(tài)控制的載波捕獲方法。
在掃頻捕獲階段，以連續(xù)4幀信號(hào)的NCO控制字之和作為一個(gè)觀察樣本。 若在規(guī)定時(shí)間600ms內(nèi)，連續(xù)6次，相鄰樣本的差值都在一個(gè)很小的范圍內(nèi)， 則判斷NCO控制字平穩(wěn)，導(dǎo)頻捕獲成功，轉(zhuǎn)入PN粗捕獲階段；如果超過(guò)600ms， 仍不滿(mǎn)足上述平穩(wěn)條件，則認(rèn)為導(dǎo)頻捕獲失敗，轉(zhuǎn)入掃頻捕獲階段。
在掃頻捕獲階段，子頻帶帶寬設(shè)置為10khz，子頻帶數(shù)為64。在每一個(gè)子 頻帶停留10幀長(zhǎng)度時(shí)間(約為7ms)，判斷是否有合理的相關(guān)峰值。
在PN捕獲階段，其工作原理是，將接收到的數(shù)據(jù)與本地PN相關(guān)，利用 前后間隔M (M較小)的兩段同等長(zhǎng)度的PN序列的相關(guān)峰值的相位差估計(jì)得 到相應(yīng)的頻率偏差。
在不考慮噪聲影響的情況下，其前M個(gè)數(shù)據(jù)和后M個(gè)數(shù)據(jù)的相關(guān)值可分 別表示為
<formula>formula see original document page 21</formula>
<formula>formula see original document page 22</formula>
其中，M代表相同長(zhǎng)的PN序列間隔的距離(以符號(hào)數(shù)表示)，T表示符 號(hào)周期，P(O表示本地PN數(shù)據(jù)。由上兩式可以看出，前后M序列相關(guān)值的相 位差為
<formula>formula see original document page 22</formula>
由上式可以看出，A^具有^的頻率模糊度，也就是說(shuō)僅在^范圍內(nèi)的相
位差才可被鑒別出來(lái)。因此，在使用該公式時(shí)，應(yīng)首先保證由頻率偏差所引起
的相位差在^范圍內(nèi)，即k^^"。由此可以估計(jì)出載波頻率偏差為 A/ 二Ap/(2;rMr) (14)
由上式可以得出，M越小，可以鑒別得到的載波頻率偏差范圍越大，但同 時(shí)精度就會(huì)越低。
在PN粗捕獲階段，就是選用較小的M使系統(tǒng)所能糾正的頻率偏差范圍增 大。通過(guò)PN粗捕獲，可在較大范圍內(nèi)估計(jì)得到載波頻率偏差并做出補(bǔ)償。當(dāng) 系統(tǒng)殘留的頻率偏差比較小，再轉(zhuǎn)入PN細(xì)捕獲階段。
PN細(xì)捕獲階段，其工作原理和PN粗捕獲基本相同。也是根據(jù)間隔一定時(shí) 間的相同長(zhǎng)度的PN序列相關(guān)峰值的相位差，估計(jì)相應(yīng)的載波頻率偏差，但是 在PN粗捕獲階段，間隔時(shí)間較短，而在細(xì)捕獲階段，間隔時(shí)間要相對(duì)長(zhǎng)很多， 達(dá)到一幀的時(shí)間，即利用某一幀的已知PN序列相關(guān)值與后一幀的已知PN序 列相關(guān)值來(lái)估計(jì)相位差。因?yàn)樵谙嗤布l件下A^的精度基本一致，通過(guò)選取 伺幅為一幀時(shí)間長(zhǎng)的相關(guān)值，估計(jì)得到的載波頻率偏差的分辨率可大大提高。
在PN粗捕獲階段M分別取128和256，利用同一信號(hào)幀幀頭的PN序列 中相鄰的前12S(256)和后128 (256)的相關(guān)值進(jìn)行鑒頻。在PN細(xì)捕獲階段， M取4375，即為一信號(hào)幀的長(zhǎng)度，此時(shí)，采用相鄰兩幀幀頭的512相關(guān)峰值進(jìn) 行鑒頻。
按照上述方案搭建系統(tǒng)仿真，其N(xiāo)CO控制字如圖5所示。由圖5可以明
顯看出，由于受到信道衰落:影響，導(dǎo)頻信號(hào)衰落明顯，但是導(dǎo)頻捕獲還是基本
能夠鎖定。導(dǎo)頻捕獲成功后，轉(zhuǎn)入PN粗捕獲和細(xì)捕獲階段。在轉(zhuǎn)入PN細(xì)捕 獲階段，NCO控制字迅速收斂；后再轉(zhuǎn)入PN細(xì)捕獲階段，NCO控制字基本穩(wěn) 定，且抖動(dòng)很小。
由此顯而易見(jiàn)基于多狀態(tài)控制的載波捕獲方法的優(yōu)越性。
權(quán)利要求
1.一種載波捕獲系統(tǒng)，其特征在于，包括掃頻捕獲模塊，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行掃頻捕獲，并輸出掃頻捕獲是否成功的掃頻捕獲指示信號(hào)；PN捕獲模塊，在所述掃頻捕獲指示信號(hào)表示掃頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲，并輸出PN捕獲是否成功的PN捕獲指示信號(hào)；狀態(tài)控制模塊，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述掃頻捕獲模塊以及PN捕獲模塊之間的動(dòng)態(tài)切換。
2. 如權(quán)利要求1所述的載波捕獲系統(tǒng)，其特征在于，還包括-導(dǎo)頻捕獲模塊，接收輸入信號(hào)并輸出導(dǎo)頻捕獲是否成功的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)， 所述掃頻捕獲模塊在所述導(dǎo)頻捕獲模塊輸出的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲不成功時(shí)進(jìn)行掃頻捕獲，所述PN捕獲模塊在所述導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲，所述狀態(tài)控制模塊，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述導(dǎo)頻捕獲模塊、掃頻 捕獲模塊以及PN捕獲模塊之間的動(dòng)態(tài)切換。
3. 如權(quán)利要求1所述的載波捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述PN捕獲模塊包括-用于恢復(fù)大范圍載波偏差狀態(tài)的PN粗捕獲模塊和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的 PN細(xì)捕獲模塊，所述PN細(xì)捕獲模塊在PN粗捕獲成功后工作。
4. 如權(quán)利要求3所述的載波捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述PN粗捕獲模塊和 所述PN細(xì)捕獲模塊共用相同的硬件結(jié)構(gòu)，包括實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值的相關(guān)器； 根據(jù)所述相關(guān)器輸出的PN相關(guān)峰值，査找預(yù)定的角度査找表以獲得相應(yīng)的相位角度的査找表模塊；以及根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位角度差獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加的累加器。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的載波捕獲系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)于PN粗捕獲， 所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為同一幀內(nèi)的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相鄰的兩 段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
6. —種載波捕獲方法，包括掃頻捕獲步驟，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行掃頻捕獲，并輸出掃頻捕獲是否成功的掃頻捕獲指示信號(hào)；PN捕獲步驟，在所述掃頻捕獲指示信號(hào)表示掃頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲， 并輸出PN捕獲是否成功的PN捕獲指示信號(hào)；狀態(tài)控制步驟，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述掃頻捕獲步驟以及PN捕獲 步驟之間的動(dòng)態(tài)切換。
7. 如權(quán)利要求6所述的載波捕獲方法，其特征在于，還包括 導(dǎo)頻捕獲步驟，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)頻捕獲并輸出導(dǎo)頻捕獲是否成功的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)，所述掃頻捕獲步驟在所述導(dǎo)頻捕獲步驟輸出的導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕 獲不成功時(shí)進(jìn)行掃頻捕獲，所述PN捕獲步驟在所述導(dǎo)頻捕獲指示信號(hào)表示導(dǎo)頻捕獲成功時(shí)，進(jìn)行PN捕獲，所述狀態(tài)控制步驟，根據(jù)各指示信號(hào)自適應(yīng)地控制所述導(dǎo)頻捕獲步驟、掃頻 捕獲步驟以及PN捕獲步驟之間的動(dòng)態(tài)切換。
8. 如權(quán)利要求6所述的載波捕獲方法，其特征在于，所述PN捕獲步驟包括: 用于恢復(fù)大范圍皿偏差狀態(tài)的PN粗捕獲步驟和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的 PN細(xì)捕獲步驟7所述PN細(xì)捕獲在PN粗捕獲成功后進(jìn)行。
9. 如權(quán)利要求8所述的載波捕獲方法，其特征在于，所述PN粗捕獲步驟和 所述PN細(xì)捕獲步驟共用相風(fēng)的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述PN粗捕獲步驟和所述PN 細(xì)捕獲步驟分別包括將輸入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值；根據(jù)所述PN相關(guān)峰值，査找預(yù)定的角度查找表以獲得相應(yīng)的相位角度；以及 根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位角度差獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并 進(jìn)行累加。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的載波捕獲方法，其特征在于，對(duì)于PN粗捕獲， 所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為同一幀內(nèi)的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
11. 一種PN載波捕獲裝置，其特征在于，包括 用于恢復(fù)大范圍載波偏差狀態(tài)的PN粗捕獲模塊；和用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的PN細(xì)捕獲模塊， 其中所述PN細(xì)捕獲模塊在PN粗捕獲成功后工作。
12. 如權(quán)利要求11所述的PN載波捕獲裝置，其特征在于，所述PN粗捕獲 模塊和所述PN細(xì)捕獲模塊共用相同的硬件結(jié)構(gòu)，包括實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值的相關(guān)器； 根據(jù)所述相關(guān)器輸出的PN相關(guān)峰值，査找預(yù)定的角度査找表以獲得相應(yīng)的相 位角度的査找表模塊；以及根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位角度差獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加的累加器。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的PN載波捕獲裝置，其特征在于，對(duì)于PN粗 捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為同一幀內(nèi)的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相 鄰的兩段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
14. 一種PN載波捕獲方法，包括 用于恢復(fù)大范圍載波偏差狀態(tài)的PN粗捕獲步驟；和 用于恢復(fù)小范圍載波偏差狀態(tài)的PN細(xì)捕獲步驟，其中所述PN細(xì)捕獲在PN粗捕獲成功后進(jìn)行。
15. 如權(quán)利要求14所述的PN載波捕獲方法，其特征在于，所述PN粗捕獲 步驟和所述PN細(xì)捕獲步驟共用相同的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述PN粗捕獲步驟和所 述PN細(xì)捕獲步驟分別包括將輸入信號(hào)與本地PN信號(hào)相關(guān)以產(chǎn)生PN相關(guān)峰值；根據(jù)所述PN相關(guān)峰值，査找預(yù)定的角度查找表以獲得相應(yīng)的相位角度；以及 根據(jù)相鄰兩段PN數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的相位角度差獲得估計(jì)的載波頻率偏差，并進(jìn)行累加。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的PN載波捕獲方法，其特征在于，對(duì)于PN粗 捕獲，所述相鄰的兩段數(shù)據(jù)為同一幀內(nèi)的相鄰兩段數(shù)據(jù)；對(duì)于PN細(xì)捕獲，所述相 鄰的兩段數(shù)據(jù)為相鄰的兩個(gè)幀。
全文摘要
提出一種新的同時(shí)利用導(dǎo)頻和PN序列的，基于多狀態(tài)控制的載波捕獲及跟蹤的方法，以同時(shí)達(dá)到更大的載波偏差捕獲范圍、更精細(xì)的載波捕獲精度、更魯棒的載波捕獲可靠度。即，同時(shí)采用多種載波捕獲方法，同時(shí)動(dòng)態(tài)的判斷載波的估計(jì)狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)來(lái)選擇適用的載波捕獲方法及相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明還提供一種新穎的PN載波捕獲方法和裝置。
文檔編號(hào)H04L25/03GK101110602SQ20061002915
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者何大治, 張文軍, 菁 柴, 梁偉強(qiáng), 管云峰, 胡強(qiáng)斌 申請(qǐng)人:上海高清數(shù)字科技產(chǎn)業(yè)有限公司