《電子技術(shù)應(yīng)用》
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DVB-C接收機中的載波恢復(fù)電路設(shè)計

《電子技術(shù)應(yīng)用》
2008-03-28
作者:史曉鋒, 陳詠恩

  摘 要: 提出一種DVB-C" title="DVB-C">DVB-C基帶芯片中全數(shù)字載波恢復(fù)環(huán)路的解決方案。環(huán)路包括相位頻率檢測器、環(huán)路濾波器" title="環(huán)路濾波器">環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器和鎖定檢測器四個部分。根據(jù)廣播系統(tǒng)的特點,環(huán)路首先采用極性判決算法對頻率和相位偏移進行盲捕獲,然后切換到判決指示算法繼續(xù)跟蹤。通過對傳統(tǒng)相位檢測器" title="相位檢測器">相位檢測器輸出的簡單修改,使其平均值在捕獲階段反映頻偏的極性,從而把傳統(tǒng)的相位檢測器轉(zhuǎn)換為相位頻率檢測器。給出一種新的環(huán)路鎖定的判斷方法。在DVB-C系統(tǒng)中的仿真結(jié)果表明,環(huán)路可以捕獲符號率5%的頻偏,適用于高階" title="高階">高階QAM,并提供穩(wěn)定的收斂、準確的相位和頻率偏移的估計,使BER性能優(yōu)異。
  關(guān)鍵詞: 極性判決算法 判決指示算法 相位頻率檢測器 環(huán)路濾波器


  QAM調(diào)制因其高效的頻帶利用率而得到廣泛的應(yīng)用,例如歐洲數(shù)字廣播電視的有線標準(DVB-C)[1]采用16-、32-、64-、128- 和256-QAM作為調(diào)制方式進行傳輸。在這種廣播系統(tǒng)中,一個重要的問題就是每個接收機需要獨立地恢復(fù)出載波的相位和頻率。
  現(xiàn)有的載波恢復(fù)方法中,判決指示鎖相環(huán)DD-PLL(Decision Direct Phase Lock Loop)在穩(wěn)定時的相位噪聲最小,但只適合應(yīng)用于低階QAM,判決誤差隨星座階數(shù)升高而急劇增加,導(dǎo)致性能下降,參考文獻[2]和[3]中的DD-PLL的捕獲范圍只能達到符號率的1%左右。Jablon[4]提出針對高階QAM的簡化星座鎖相環(huán)RC-PLL(Reduce Constellation PLL),只適用位于星座圖頂角的點檢測相位誤差,捕獲較大范圍的頻偏,再切換到相位檢測器模式。但隨著星座階數(shù)的提高,頂角點出現(xiàn)概率變小,以致PLL鎖定時間很長,達不到令人滿意的性能。Kim和Choi[5]進一步提出的極性判決相位檢測算法實際是RC-PLL的一種推廣,通過調(diào)整選擇半徑、頂角點和其它半徑較大的點都可檢測相位誤差,使有效點出現(xiàn)的概率增加,減少了鎖定時間,其捕獲范圍約為符號率的4%。
  本文提出一種新的、適用于高階QAM的全數(shù)字載波恢復(fù)環(huán)路的解決方案。此方案在參考文獻[5]的基礎(chǔ)上采用一些保持和跟蹤算法,將相位與頻率檢測結(jié)合起來,成為一種PFD結(jié)構(gòu)[6];同時給出一種新的模式切換以及鎖定判斷的算法。經(jīng)基帶模型下的計算機仿真,證明了載波恢復(fù)環(huán)路的有效性。
1 相位檢測算法回顧
  若不考慮白噪聲,接收端未經(jīng)過載波同步的信號可表示為:
    r(n)=a(n)ej2π△fnT+△θ, n=0,1,…,k(1)
  式中,a(n)是第n個發(fā)送的符號,T為符號周期,△f為載波頻率偏移,△θ為相位偏移,r(n)與a(n)的相位差可表示為θra=2π△fnT+△θ。
1.1 DD-PLL
  DD-PLL的結(jié)構(gòu)如圖1所示。r(n)與數(shù)控振蕩器的輸出相乘產(chǎn)生相位經(jīng)過補償?shù)男盘杧(n),x(n)=r(n)e-jθ(n),x(n)經(jīng)過判決電路產(chǎn)生判決符號,相位檢測器的輸出為:
  

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  若判決正確,,則x(n)相對a(n)的相位誤差為θxa(n)=θra(n)-θ(n),這一負反饋使環(huán)路達到穩(wěn)定。參考文獻[7]中提出了幾種簡化計算相位誤差的方法。令e(n),α為常數(shù),則公式(2)可表示為:
  

  對e(n)和x(n)取符號運算,則有:
  
  公式(6)的計算最簡單,但由于誤差和信號都只取符號位導(dǎo)致收斂速度變慢。另外,只有在判決多數(shù)正確時,DD-PLL才能達到同步,高階星座圖對相位更加敏感,判決錯誤的概率急劇增加,使得這種算法難以捕獲很大范圍的相位和頻率偏移


1.2 極性判決算法
  Kim和Choi針對DD-PLL的不足,提出一種新的PLL(這里稱為KC-PLL)。如圖2,KC-PLL的結(jié)構(gòu)與DD-PLL基本一致,只是在相位檢測器(PD)模塊中增加了一個功率檢測器,并將判決電路更換為極性判決電路。
  若x(n)≥τ,x(n)輸入極性判決電路,否則相位檢測電路輸出零,τ為預(yù)先定義的門限值。極性判決電路的輸出可以表示為:
  
  KC-PLL可以看作是DD-PLL的特例,當τ的取值使得星座圖中的有效點只為功率最大點時,則與RC-PLL一致,但收斂速度變慢;當τ取較小值時,一些不在對角線上的點使得相位抖動變大。圖3給出256-QAM調(diào)制式時不同τ值對應(yīng)的S曲線。可以看到,隨著τ值減小,S曲線中的線性區(qū)間也減小。

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2 解決方案
  本文提出的載波恢復(fù)環(huán)路的結(jié)構(gòu)如圖4,其中包括一個相位/頻率檢測器(PFD)、環(huán)路濾波器(LF)、數(shù)控振蕩器(DCO)和鎖定檢測器。下面對每個模塊做詳細介紹。
2.1 PFD
  上一節(jié)中介紹的兩種算法,實質(zhì)上都只是采用PD而非PFD。通常,為捕獲更大范圍的頻偏有以下幾種方法:
  (1)在環(huán)路中插入非線性成分。相位檢測器與環(huán)路濾波器中間,或者環(huán)路濾波器本身含有非線性成分,使環(huán)路參數(shù)隨相位檢測器的輸出而變化。
  (2)掃頻。這是最常用的捕獲頻率偏移的方法。參考文獻[8]中指出,掃頻的最大速率不超過環(huán)路自由頻率的一半,這一局限導(dǎo)致捕獲速度慢。
  (3)頻率檢測器(FD)。FD原來用在時鐘恢復(fù)和Costas環(huán)路的載波恢復(fù)中,最為典型的是平方律相關(guān)器,參考文獻[9]中給出了幾種不同F(xiàn)D的特點。


  第一種方案不適合數(shù)字電路實現(xiàn),第二種方案雖然捕獲范圍最大,但時間也最長。FD最初作為一個獨立的模塊與PD并行使用,捕獲階段啟動FD,跟蹤階段切換到PD。Sari在參考文獻[6]中提出,在原有的PD算法中增加一些保持方法,使PD輸出的平均值反映頻率偏移的極性,從而將PD與FD結(jié)合起來,成為統(tǒng)一的PFD。如圖5上圖所示,若頻偏為負,則PD的輸出曲線應(yīng)有負的斜率,并在x(n)穿過極性判決的邊界時跳到正值,圖5下圖顯示了頻偏為正時相應(yīng)的曲線。定義z(n)作為保持電路的輸出,α是一個正的參數(shù),則有
  
  PFD首先采用極性判決算法捕獲頻偏,為簡化實現(xiàn),算法中的τ值固定。鎖定檢測器檢測到頻偏被捕獲后,PFD切換到PD算法,進入跟蹤模式。
2.2 LF
  參見圖4,環(huán)路濾波器是一個簡單的一階比例積分濾波器,其傳遞函數(shù)為:
  

  由于捕獲和跟蹤階段采用兩種不同的模式,濾波器也采用兩組不同的參數(shù),粗調(diào)階段放大帶寬,加速捕獲過程,細調(diào)階段減小帶寬,降低相位噪聲。采用鎖定檢測器控制參數(shù)的切換時機。
2.3 DCO
  DCO為一簡單的累加器" title="累加器">累加器,輸出補償相位。在實現(xiàn)時為避免溢出,將DCO的輸出限制在[-π,π]之間,采用如下處理:
  
  累加器輸出相位的正弦和余弦值可用查表或者CORDIC算法計算得到。由于CORDIC算法采用迭代的方式計算,在實現(xiàn)時關(guān)鍵路徑很長,如果采用流水結(jié)構(gòu)[10],則延遲很大,環(huán)路不穩(wěn)定,因此本文采用查表方法實現(xiàn)。
2.4 鎖定檢測器
  鎖定檢測器控制環(huán)路模式切換以及鎖定判斷。典型的鎖定檢測算法的計算量很大,參考文獻[5]中利用PD輸出的平均值判斷是否鎖定,但是,當存在頻偏時,PD輸出的平均值有一定的斜率,不適合作為檢測算法。
  本文提出的鎖定檢測方法根據(jù)環(huán)路捕獲的頻偏信息工作。環(huán)路穩(wěn)定后,LF積分支路的累加器的值即為頻偏值,其輸出是類似圖8中的曲線。圖8表明,在環(huán)路未鎖定前,頻偏值的變化很大,而當頻偏被捕獲后,累加器的輸出穩(wěn)定在一個固定值左右,本文的檢測方法就是根據(jù)這個特點設(shè)計的。設(shè)累加器輸出為ω(n),鎖定檢測器按以下步驟工作:
  (1)取N個ω(n)值累加,,然后與上一個累加值相減,取絕對值,△s(m)=s(m)-s(m-1),進入(2)。
  (2)取一計數(shù)器cnt,計數(shù)范圍為[thH,thL],初始值為[thH+thL]/2,βH和βL為兩個正的參數(shù),且βHL。如果
  
  進入(3)。
  (3)如果,返回(1)。當cnt(m+1)>thH時,判斷環(huán)路鎖定,而當cnt(m+1)<(thH+thL)/2時,判斷環(huán)路失鎖。
  這種方法的優(yōu)點是:模塊只需要兩個加法器和一個計數(shù)器,實現(xiàn)簡單;通過調(diào)節(jié)模塊中的參數(shù),可以方便地應(yīng)用到對鎖定檢測有不同要求的環(huán)路中;與參考文獻[5]不同的是,在檢測到環(huán)路鎖定后,模塊繼續(xù)工作,通過觀測計數(shù)器的值判定環(huán)路當前的狀態(tài),從而能夠檢測到某些原因造成的環(huán)路失鎖。
3 仿真結(jié)果
  本文提出的載波恢復(fù)環(huán)路的性能在DVB-C信道模型中得到了驗證。下面給出仿真環(huán)境的參數(shù),符號率7MHz,信道帶寬8MHz,匹配濾波器滾降系數(shù)0.15。環(huán)路的工作分三個模式,簡化星座圖快速捕獲模式RCF(Reduce Constellation Fast)、簡化星座圖慢速捕獲模式RCS(Reduce Constellation Slow)和全星座判決模式FCD(Full Constellation Decision)。RCF模式下,PFD采用極性判決算法,LF采用較大的增益和帶寬;RCS模式下,PFD算法不變,LF采用較小的增益和帶寬;FCD模式下,PFD采用PD算法,LF參數(shù)不變。

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  圖6 給出64-QAM調(diào)制模式下△f=0.04/T時環(huán)路的工作過程。
  圖7給出LF積分支路累加器的輸出曲線。上圖為從系統(tǒng)開始工作到環(huán)路進入FCD模式的全部過程,下圖為模式切換處放大的曲線,從這里可以清晰地看到環(huán)路捕獲的頻偏為0.04/T,且相位抖動逐漸變小。

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  圖8給出判決誤差的均方值,考察環(huán)路在每種工作模式下輸出的信號噪聲比,星座圖的坐標按照(±1,±3,…,±2n-1)取值。
  圖9給出△f=0.05/T時,64-、128-和256-QAM的BER曲線。需要指出的是,環(huán)路應(yīng)用于32-QAM與128-QAM時,RCF與RCS模式下星座圖中的有效點不在對角線上,造成相位抖動大,達到鎖定的時間比較長。
  本文提出了一種用于DVB-C接收機中的載波恢復(fù)環(huán)路。設(shè)計的主要目的是環(huán)路能夠應(yīng)用于各種QAM調(diào)制方式,尤其是非正方型與高階星座圖,并能夠捕獲大范圍頻率偏移。仿真結(jié)果表明,此環(huán)路極大提高了頻偏捕獲范圍,雖然極性判決算法因為只利用對角線附近的點造成相位抖動較大,但這一問題在捕獲頻偏后切換到PD模式得到解決。文中使用的PFD比傳統(tǒng)的PD只增加了有限的資源,但適合應(yīng)用到各種載波恢復(fù)環(huán)路中。環(huán)路支持16-、32-、64-、128-和256-QAM調(diào)制方式,捕獲的頻偏范圍在高階QAM時達到5%,低階時達到8%,并提供穩(wěn)定收斂和準確的相位頻率偏移估計, 使BER性能優(yōu)異。
參考文獻
1 EN 300429 V1.2.1. Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for cable systems. Apr. 1998
2 Yamanaka K. A multilevel QAM demodulator VLSI with wideband carrier recovery and dual equalizing mode. IEEE Solid-State Circuits,1997;32(7):1101~1107
3 Tan L. A 70-Mb/s variable-rate 1024-QAM cable receiver IC with integrated 10-b ADC and FEC decoder.IEEE Solid-State Circuits,1998;33(12):2205~2218
4 Jablon N K. Joint blind equalization, carrier recovery, and timing recovery for high-order QAM signal constellations. IEEE Trans. Signal Processing,1992;40(6):1383~1398
5 Kim K Y. and Choi H J. Design of carrier recovery algo-rithm for high-order QAM with large frequency acquisition range. In:IEEE International Conference on Communications (ICC′01),2001;4(6):1016~1020
6 Sari H and Moridi S. New phase and frequency detectors for carrier recovery in PSK and QAM systems. IEEE Trans. Commun.,1998;36(9):1035~1043
7 Moridi S and Sari H.Analysis of four decision-feedback carrier recovery loops in the presence of intersymbol inter-ference. IEEE Trans. Commun., 1985;33(6):543~550
8 Gardner F M. Phaselock technique. New York: Wiley,1979
9 Natali F D. AFC tracking algorithms. IEEE Trans. Commun.1984;COM-32(8):935~947
10 Chuang T P, Huang C C and Hsiao Sh F. Design of a CORDIC-based SIN/COS intellectual property (IP) using predictable sign bits.In:ESSCIRC 2001.Proceedings of the 27th European,2001;277~280

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