專利名稱：數(shù)字廣播及交互式系統(tǒng)中提供載波同步的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)，特別是數(shù)字廣播系統(tǒng)。
背景技術：
廣播系統(tǒng)包含了對高質(zhì)量傳輸?shù)男枨?，?shù)字技術使得這種高質(zhì)量傳輸成為可能。數(shù)字革命改變了寬帶業(yè)務的提供方式，包括音頻和視頻編排以及數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為用于支持這種寬帶業(yè)務的一種可行方案脫穎而出。因此迫切需要用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率和帶寬有效的調(diào)制和編碼，以提供噪聲通信信道下的可靠通信。由這種系統(tǒng)支持的廣播應用中，廣泛使用連續(xù)模式的調(diào)制解調(diào)器。在低信噪比(SNR)環(huán)境中性能好的編碼與這些調(diào)制解調(diào)器在同步(例如載波相位和載波頻率)方面是不一致的。
常規(guī)數(shù)字廣播系統(tǒng)需要在幀結(jié)構(gòu)中使用除正常開銷比特的訓練符號之外的額外的訓練符號，用于它們的同步過程。在信噪比(SNR)低的情況下，尤其需要增加開銷；當高性能編碼與高階調(diào)制結(jié)合使用時，這種環(huán)境是典型的。傳統(tǒng)上，連續(xù)模式調(diào)制解調(diào)器運用一個反饋控制環(huán)來捕獲并跟蹤載波頻率和相位。在這個同步過程中，F(xiàn)EC(前向糾錯)編碼數(shù)據(jù)域被簡單地忽略了，該FEC編碼數(shù)據(jù)域例如是包含已知的數(shù)據(jù)符號的塊碼的前同步碼。這種純粹基于反饋控制環(huán)的常規(guī)方法容易導致強的射頻(RF)相位噪聲和熱噪聲，造成高的周期滑移率以及整體接收機性能的差錯基底。因此這些方法具有以下負擔，為了某種性能目的而在訓練符號方面增加了開銷，以及有限的捕獲范圍和長的捕獲時間。此外，這些常規(guī)同步技術依賴于特定的調(diào)制方案，從而阻礙了使用調(diào)制方案的靈活性。
因此，需要一種提供不受相位噪聲和熱噪聲影響的同步的數(shù)字通信系統(tǒng)。還需要一種實現(xiàn)簡單并盡可能少地使用訓練符號的載波同步方法。還需要提供一種能提供調(diào)制獨立性的靈活的同步技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對這些以及其它需要，其中一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中用于提供載波同步的方法使用低密度奇偶校驗(LDPC)碼和高階調(diào)制方案。與常規(guī)的連續(xù)模式調(diào)制解調(diào)器不同，該載波同步方法基于逐段的原則估計載波頻率和相位，并且在段間連續(xù)地跟蹤載波頻率。FEC(前向糾錯)幀的前同步碼和可選的導頻塊(即聚集的導頻符號)幫助載波同步，作為段邊界。在一個示例性實施例中，一個物理層的幀包括一個前同步碼，它可以用來幫助載波同步，當不需要額外的導頻符號時，該幀還包括一個FEC碼字?；蛘?，導頻符號插入過程將FEC碼字分為多個碼段，并將一個導頻塊以唯一字(UW)的形式插入到該物理層幀的每個碼段之前。前同步碼和可選的導頻塊作為訓練塊。載波同步過程利用訓練塊來估計載波頻率和相位，并且為每一個新的段重新初始化相位跟蹤環(huán)。頻率捕獲過程包括計算移除數(shù)據(jù)后的連續(xù)波(CW)信號的自相關。接收信號的載波頻率基于累積自相關值的展開相位的加權(quán)和來進行估計。對于頻率跟蹤，實現(xiàn)一個前饋結(jié)構(gòu)用來產(chǎn)生估計值，并且根據(jù)來自訓練塊(即前同步碼和/或UW)的相位估計，對于每一個LDPC幀進行一次載波頻率修正。對于相位跟蹤，利用一個具有最大似然(ML)檢測器的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)。雙掃描PLL基于逐段的原則跟蹤載波相位，通過正向和反向掃描數(shù)據(jù)段，基于過去和未來的樣本來估計載波相位。當沒有導頻塊出現(xiàn)時，一個段可以是一個完整的FEC碼字，或者當插入導頻塊時，它可以是一個碼段。以上的處理有益地降低了為了載波同步而引入額外開銷的需要，大大減少了周期滑移率，并限制了錯誤傳播的影響，而且在低信噪比(SNR)環(huán)境中工作很好，提供了很好的抗熱噪聲和相位噪聲的性能。此外，該頻率估計過程提供了一個大的頻率捕獲范圍和短的捕獲時間。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一個方面，公開了一種在數(shù)字廣播以及交互式系統(tǒng)中提供載波同步的方法。該方法包括接收通過載波信號發(fā)送的一個幀，其中該幀包括一個段或由眾多開銷域分隔開的多個段，且該開銷域包括一個導頻塊，該導頻塊被選擇性地插入該幀中以輔助載波信號的載波同步。該方法還包括基于開銷域產(chǎn)生關于載波信號的估計相位值。該方法還包括，基于估計相位值并且基于載波信號過去的樣本和載波信號未來的樣本，對段中關于一個隨機數(shù)據(jù)域的載波信號的相位進行估計。該方法還進一步包括，基于開銷域或隨機數(shù)據(jù)域，對載波信號的頻率進行估計，其中該估計步驟在該幀上基于逐段的原則完成。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一個方面，公開了一種用于提供支持衛(wèi)星網(wǎng)絡中數(shù)字廣播和交互式業(yè)務的載波同步的方法。該方法包括通過衛(wèi)星通信信道接收一個幀，該幀包括一個前同步碼，和具有相應的唯一字作為訓練符號的眾多碼段。該方法還包括，基于前同步碼、唯一字以及前同步碼和唯一字的組合其中之一，估計對應于該幀的相位信息。此外，該方法還包括基于已估計的相位估計對應于該幀的頻率信息。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一個方面，公開了一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中支持載波同步的方法。該方法包括確定一個插入點是否符合一個幀的一個前同步碼域的位置，其中該插入點基于該幀中一些預定數(shù)目的符號。該方法還包括，如果該幀的位置與前同步碼域不符合，則插入一個導頻塊，用于輔助插入點處的載波同步。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一個方面，公開了一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中用于支持載波同步的發(fā)射機。該發(fā)射機包括一個裝置，該裝置用于確定一個插入點是否符合一個幀的一個前同步碼域的位置，其中該插入點基于該幀的一些預定數(shù)目的符號。該發(fā)射機還包括，如果該幀的位置與前同步碼域不符合，則插入一個導頻塊，用于輔助插入點處的載波同步。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一個方面，公開了一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中用于支持載波同步的裝置。該裝置包括一個混頻器，配置該混頻器用于接收一個低密度奇偶校驗(LDPC)編碼信號。該裝置還包括一個第一相位估計器，配置該相位估計器用于估計信號中關于一個訓練塊的相位；以及一個連接至第一相位估計器的頻率估計器。該頻率估計器輸出基于相位估計的頻率估計。該裝置還包括一個連接至第一相位估計器的第二相位估計器，用于產(chǎn)生最終的相位估計。
在下面的詳細描述中，簡單地通過闡述一些具體的實施例和實施方式，包括意圖用來實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，可以顯而易見地看出本發(fā)明的其它方面、特征，以及優(yōu)勢。本發(fā)明也可以有其它及不同的實施例，并且它的若干細節(jié)可以在各明顯的方面進行修改，而不偏離本發(fā)明的本質(zhì)和范圍。因此，附圖和描述實際上應被視作是示例性的，而非限制性的。


本發(fā)明利用附圖以舉例的方式，而不是用限制的方式進行說明，在附圖中，相同參考數(shù)字表示相似的單元，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，利用低密度奇偶校驗(LDPC)碼的數(shù)字廣播系統(tǒng)的圖示；圖2是用于圖1所示系統(tǒng)中數(shù)字發(fā)射設備的示例性的發(fā)射機的圖示；圖3是圖1所示系統(tǒng)中示例性數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的圖示；圖4A和4B分別是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于圖1所示系統(tǒng)中的示例性幀結(jié)構(gòu)的圖示以及用于在該幀結(jié)構(gòu)中插入導頻塊的過程的流程圖；圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頻率捕獲過程的流程圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頻率跟蹤過程的流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的載波同步模塊的圖示，該模塊利用附加導頻塊操作，以用于低信噪比(SNR)的8相移鍵控(PSK)調(diào)制；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的作用于圖4A中幀結(jié)構(gòu)的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的圖示；圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于雙掃描PLL的PLL的圖示；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的流程圖；圖11是用于圖10中雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的環(huán)路濾波器的圖示；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的載波同步模塊的圖示，該模塊操作用于QPSK(正交相移鍵控)調(diào)制而不需要附加導頻塊；圖13是用于圖12中的載波同步模塊的頻率捕獲過程的精調(diào)諧子過程的流程圖；圖14是用于圖12中載波同步模塊的頻率跟蹤過程的流程圖；圖15是圖10中雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的相位組合階段的流程圖；以及圖16是根據(jù)本發(fā)明的實施例，能執(zhí)行與載波同步有關的各個過程的計算機系統(tǒng)的圖示。
具體實施例方式
描述一種設備、方法和軟件，用于在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中有效地提供載波同步。在下面的描述中，為達到說明的目的，闡述了大量具體的細節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，本領域中的技術人員可以明顯看出，本發(fā)明的實踐可以沒有這些具體細節(jié)，或者采用一個等效配置。在其它例子中，眾所周知的結(jié)構(gòu)和裝置以方框圖的形式示出，以防止對本發(fā)明不必要的含糊理解。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用低密度奇偶校驗(LDPC)碼的一個數(shù)字廣播系統(tǒng)的圖示。該數(shù)字通信系統(tǒng)100包括一個數(shù)字發(fā)射設備101，它產(chǎn)生用于通過通信信道103向一個或多個數(shù)字調(diào)制解調(diào)器105進行廣播的信號波形。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通信系統(tǒng)100是一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它支持例如音頻和視頻廣播業(yè)務以及交互式業(yè)務。交互式業(yè)務包括例如電子節(jié)目指南(EPG)，高速因特網(wǎng)接入，交互式廣告，電話，以及電子郵件業(yè)務。這些交互式業(yè)務還可以包括諸如按次付費收看，電視商務，視頻點播，準視頻點播以及音頻點播業(yè)務等電視業(yè)務。在此環(huán)境下，調(diào)制解調(diào)器105是衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器。
這些調(diào)制解調(diào)器105通過檢查嵌入廣播數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)(如圖4所示)中的前同步碼和/或唯一字(UW)而實現(xiàn)載波同步，因此減少了額外開銷的使用，尤其是用于訓練目的的額外開銷。該數(shù)字調(diào)制解調(diào)器105在下文中參照圖3更加全面地進行描述。
在這個離散通信系統(tǒng)100中，發(fā)射設備101產(chǎn)生一個代表媒體內(nèi)容(例如音頻、視頻、文本信息、數(shù)據(jù)等)的可能消息的離散集合；每個可能消息具有一個相應的信號波形。這些信號波形被通信信道103衰減或改變。為了對抗噪聲信道103，發(fā)射設備101利用了LDPC碼。
由發(fā)射設備101產(chǎn)生的LDPC碼使得可以高速實現(xiàn)而不引起任何性能損失。這些從發(fā)射設備101輸出的結(jié)構(gòu)化LDPC碼避免將少數(shù)校驗節(jié)點分配到由于調(diào)制方案(例如8PSK)而已經(jīng)對信道差錯脆弱的比特節(jié)點。這種LDPC碼具有可并行化的解碼過程(與turbo碼不同)，它有益地包含了例如加法、比較和查表等簡單操作。此外，精心設計的LDPC碼并不表現(xiàn)出任何差錯基底的跡象。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，發(fā)射設備101使用一種相對簡單的編碼技術，如下面圖2所示，產(chǎn)生基于奇偶校驗矩陣(它們促進解碼時的有效存儲器存取)的LDPC碼，以和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器105進行通信。
圖2是用于圖1所示系統(tǒng)中數(shù)字發(fā)射設備的示例性的發(fā)射機的圖示。一個發(fā)射機200配備有LDPC編碼器203，后者接收來自信息源201的輸入，并且輸出適合于接收機105處的糾錯處理的更高冗余度的已編碼流。信息源201產(chǎn)生來自離散字符集X的k個信號。LDPC碼用奇偶校驗矩陣確定。另一方面，編碼LDPC碼一般需要指定生成矩陣。即使可能利用高斯消去從奇偶校驗矩陣得到生成矩陣，所得到的矩陣也不再是稀疏矩陣，而存儲一個大的生成矩陣可能會很復雜。
編碼器203使用一種簡單的編碼技術，向調(diào)制器205產(chǎn)生來自字符集Y的信號，該編碼技術通過將結(jié)構(gòu)加在奇偶校驗矩陣上而只利用奇偶校驗矩陣。具體地講，通過約束矩陣的某部分為三角形而給奇偶校驗矩陣設置一個限制。這種限制導致可以忽略的性能損失，因而構(gòu)成了具有吸引力的折衷。
調(diào)制器205將來自編碼器203的已編碼消息映射到信號波形，發(fā)送到發(fā)射天線207，該天線207將這些波形通過通信信道103發(fā)射。該已編碼消息從而被調(diào)制并被發(fā)送至發(fā)射天線207。從發(fā)射天線207的發(fā)射傳播到數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，如下文所述。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的情況下，來自天線207的發(fā)射信號通過衛(wèi)星進行中轉(zhuǎn)。
圖3是圖1所示系統(tǒng)中示例性的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的圖示。數(shù)字調(diào)制解調(diào)器300作為調(diào)制器/解調(diào)器，支持發(fā)射和來自發(fā)射機200的信號的接收。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，調(diào)制解調(diào)器300具有一個前端模塊301，它提供對接收自天線303的LDPC已編碼信號的濾波和符號定時同步，以及一個載波同步模塊302，它提供對輸出自前端模塊301的信號的頻率和相位的捕獲和跟蹤。一個解映射器305完成對輸出自載波同步模塊302的接收信號的解映射。解調(diào)后，該信號被轉(zhuǎn)發(fā)至一個LDPC解碼器307，通過產(chǎn)生消息X′試圖重建原始源消息。
在發(fā)射側(cè)，調(diào)制解調(diào)器305利用一個LDPC編碼器309對輸入信號編碼。編碼后的信號被調(diào)制器311調(diào)制，可以使用多種調(diào)制方案一例如BPSK(二進制相移鍵控)，QPSK，8PSK，16APSK(幅度相移鍵控)，或者其它高階調(diào)制。
圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性幀結(jié)構(gòu)的圖示。通過舉例示出了一個經(jīng)過LDPC編碼的幀400，它可以支持例如衛(wèi)星廣播和交互式業(yè)務。在這種情況下，該幀結(jié)構(gòu)將一個LDPC幀400(例如用于8PSK調(diào)制)分為15個碼段401(例如每段16時隙，每個時隙占用90個符號)，并且在兩個段401之間插入14個唯一字(UW)403。UW的插入過程在下文中參照圖4B進行說明。在一個示例性實施例中，每一個UW 403具有36個符號(PSK)。一個前同步碼405作為一個物理層報頭(表示為“PLHEADER”)并占用一個時隙。在這個幀結(jié)構(gòu)中，該前同步碼405和UW 403作為訓練塊；UW 403作為導頻塊被選擇性地插入。雖然幀400按照一個支持衛(wèi)星廣播和交互式業(yè)務(并且符合數(shù)字視頻廣播(DVB)—S2標準)的幀結(jié)構(gòu)進行描述，但是應被認可，本發(fā)明的載波同步技術可以應用于其它的幀結(jié)構(gòu)。
圖4B示出了在圖4A的幀結(jié)構(gòu)中插入導頻塊的過程的流程圖。用于載波相位跟蹤的這個訓練導頻結(jié)構(gòu)可以在一個數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中實現(xiàn)，以對抗嚴重的相位噪聲。在步驟411中，導頻插入過程等候預定數(shù)目的符號(即插入點)。接著，確定導頻位置是否符合前同步碼的位置，如步驟413所示。如果該位置是指定用于前同步碼的，則導頻塊不插入(步驟415)；否則按照步驟417插入導頻塊。
例如，在圖4A的幀結(jié)構(gòu)中，導頻插入過程每1440個符號插入導頻塊。在這種情況下，該導頻塊包括36個導頻符號。舉例來說，在物理層幀400中，第一個導頻塊在PLHEADER后的1440個符號處插入，第二個導頻塊經(jīng)過2880個符號后插入，以此類推。如果導頻塊的位置與下一個PLHEADER的起始處一致，則該導頻塊不插入。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，載波同步模塊302(圖3)利用前同步碼405和/或UW 403用于載波頻率和相位同步。如前文所述，常規(guī)情況下，包含已知數(shù)據(jù)符號(例如前同步碼405)的FEC已編碼數(shù)據(jù)在連續(xù)模式調(diào)制解調(diào)器中被忽略了。也就是說，前同步碼405和/或UW 403用于載波同步，即用于輔助頻率捕獲和跟蹤以及相位跟蹤環(huán)的操作。因此，將前同步碼405和UW 403看作“訓練”或“導頻”符號，單獨或共同地組成一個訓練塊。
載波頻率同步過程在下面的圖5和圖6中更加全面地進行描述，它采用一個前饋頻率估計器用于頻率捕獲和跟蹤。在一個示例性實施例中，估計器僅僅操作于訓練塊，因此它與調(diào)制方案無關。
圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頻率捕獲過程的流程圖。在這個例子中，載波同步模塊302執(zhí)行頻率捕獲過程，因此可以使用不同的調(diào)制方案(例如BPSK，QPSK，8PSK，16APSK等)。這個頻率捕獲過程基本上包括兩個步驟。首先，按照步驟501，確定移除數(shù)據(jù)的連續(xù)波(CW)的自相關。其次，如步驟503，基于自相關的相位的加權(quán)和來估計載波頻率。
如步驟501中的自相關的計算，在圖5B中更加全面地描述。在步驟511中，基于已知的訓練模式移除數(shù)據(jù)調(diào)制，以得到CW信號。之后，按照步驟513，在一個LDPC幀內(nèi)計算自相關，如下Rf(m)=Σs=014Σk=0n-1(xs,k+mfps,k+mf*)(xs,kfps,kf*)*,m=1,...,L,]]>其中f是幀的標號，s是UW的標號，k是符號的標號，ps是已知的訓練符號，假設LDPC和8PSK幀格式。
在步驟515中，自相關基于若干LDPC幀進行累積，如下R(m)=Σf=0N-1Rf(m)]]>最后的頻率估計基于以下公式Δf^=12πTsΣm=0L-1wmΔ(m)]]>wm=3[(2L+1)2-(2m+1)2][(2L+1)2-1](2L+1),m=1,...,L-1]]>其中Ts是符號周期，且Δ(m)=arg[R(1)],m=0mod[arg(R(m+1))-arg(R(m)),2π],m=1...,L-1]]>以上的頻率捕獲過程顯示出極好的性能。僅少數(shù)的自相關(L)在少數(shù)LDPC幀(N)上計算就可以得到好的性能，例如，當L＝16，N＝5，Es/No＝6.7dB，RMS(均方根)頻率誤差為8.9×10-5。捕獲時間與載波頻率偏移無關，且僅由所需的估計精度決定。例如，如果需要的殘余頻率為3×10-4，只需要五個LDPC幀來獲得達到該頻率偏移，成功率為99.999％。該頻率估計過程還具有大的頻率捕獲范圍(大于20％的符號率)，非常小的估計方差，并且在低SNR下(甚至在0dB)工作很好。該方法對熱噪聲和相位噪聲也具有穩(wěn)健性。此外，以上的方法有益地使得易于實施為例如在VLSI(超大規(guī)模集成電路)芯片中的數(shù)字邏輯。
載波頻率捕獲階段完成之后，開始頻率跟蹤過程，如下文所討論。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頻率跟蹤過程的流程圖。如前文所述，頻率跟蹤過程具有一個前饋結(jié)構(gòu)。通過舉例的方式，按照需要額外的導頻塊的情況，例如在低信噪比下的8PSK調(diào)制，說明頻率跟蹤操作。在步驟601中，根據(jù)前同步碼和UW估計相位，利用如下公式φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*]]]>其中xk是接收的符號，pk是已知的UW模式，Nu是UW的長度。在步驟603中，頻率估計如下Δf^=12π(Ns+Nu)TsΣm=0M-1wmmod[φm+1-φm,2π]]]>wm=3[(2M+1)2-(2m+1)2][(2M+1)2-1](2M+1),m=0,...,M-1,M=14]]>其中Ns是碼段的長度，即16個時隙，1440個符號，且Nu是唯一字的長度，它等于36，M是一個LDPC幀中UW的數(shù)目，例如8PSK調(diào)制中，M為14。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，頻率跟蹤過程基于根據(jù)前同步碼和UW的相位估計，對每個LDPC幀進行一次載波頻率的估計和修正。
以上的頻率跟蹤方案提供了一些益處。因為該過程是前饋的，不需要擔心其穩(wěn)定性。并且，因為每個LDPC幀都進行一次載波頻率估計，該過程可以容納一個大的頻率斜坡(例如30KHz)。此外，該過程對熱噪聲和相位噪聲具有穩(wěn)健性。例如在6.7dB時，當僅存在AWGN(加性高斯白噪聲)時，RMS頻率誤差確定為6.5×10-7，在存在AWGN加上相位噪聲時，RMS頻率誤差確定為6.2×10-6。在0dB時，RMS是1.3×10-6(只有AWGN)，以及6.3×10-6(AWGN加上相位噪聲)，也就是說，相位噪聲是估計誤差的主要來源。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的工作在跟蹤模式下的載波同步模塊，帶有幫助用于低SNR下8PSK調(diào)制的載波同步的附加導頻塊。接收到一個接收信號并轉(zhuǎn)發(fā)給匹配濾波器701。前饋(FF)頻率估計器703對每一個LDPC幀得到一個新的頻率估計，并將這個估計饋給環(huán)路濾波器712，接著送入一個寬帶混頻器705以修正頻率偏移。匹配濾波器701將UW輸出至UW相位估計器707，并將從接收信號中抽取的隨機數(shù)據(jù)輸出至一個塊載波相位估計器709，它基于隨機數(shù)據(jù)和關于UW的相位估計，向混頻器713產(chǎn)生碼段的相位估計。UW相位估計器707根據(jù)來自幀同步FSM(有限狀態(tài)機)711的每個輸入向FF載波頻率估計器703輸出UW相位估計，該FSM 711確定UW的位置。匹配濾波器701還將接收信號提供給混頻器713，后者將得到的信號輸出到解映射器305。
塊載波相位估計器709運用了載波相位跟蹤過程(在8PSK調(diào)制的示例性情況下)，該過程基于一個具有適合低SNR時使用的最大似然(ML)相位檢測器的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)。與常規(guī)的PLL不同，雙掃描PLL具有一些不同之處。雙掃描PLL基于逐段來跟蹤載波相位。兩段之間的相位跟蹤操作是相互獨立的。雙掃描PLL使用來自段的開頭和末尾的UW的相位估計，以初始化PLL中的相位和頻率分量，也作為相位參考，以確定是否發(fā)生了周期滑移。PLL系統(tǒng)中的周期滑移主要由超過環(huán)路跟蹤范圍的瞬時頻率引起。
由于傳統(tǒng)的PLL是一個因果性的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)基于過去的樣本估計載波相位。與之形成對照，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，雙掃描PLL通過如圖8所示正向和反向掃描數(shù)據(jù)段，基于過去和未來的樣本來估計載波相位。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的操作于圖4A中幀結(jié)構(gòu)的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)的圖示。為了抑制周期滑移，雙掃描PLL在相位掃描前估計段內(nèi)的瞬時頻率，并智能地組合來自正向和反向的相位估計作為最終的相位估計。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于雙掃描PLL的一個PLL的圖示，它執(zhí)行一個方向的相位掃描。雙掃描PLL可以在并行操作中使用兩個這種PLL 900，或者在串行實現(xiàn)中使用一個單獨的PLL 900依次運行。一個輸入混頻器901利用來自跟蹤環(huán)路的相位估計修正輸入信號的相位偏移。一個ML相位檢測器903估計旋轉(zhuǎn)信號的殘余相位誤差，并且將其通過環(huán)路濾波器905(在圖11中將更全面地描述)。環(huán)路濾波器905移除噪聲并跟蹤信號的頻率，并且通過向一個數(shù)控振蕩器(NCO)907發(fā)送相位估計來閉合鎖相環(huán)，該數(shù)控振蕩器將相位估計投影到同相坐標軸和正交坐標軸上。
在雙掃描PLL中使用的ML相位檢測器903是由最大似然準則推導出來的，它適合低SNR。該相位檢測器對每個接收符號xk估計其相位 如下θ^k=Im(xkd^k*),]]>其中 是對發(fā)送數(shù)據(jù)符號dk的軟估計，即d^k=Σm=0M-1e-||xk-cm||22σ2cmΣm=0M-1e-||xk-cm||22σ2,]]>M調(diào)制的維數(shù)，例如QPSK為4，8PSK為8；cm＝ej(2πm/M+π/M)星座圖點；σ2AWGN方差；符號*表示復共軛運算。
相位檢測器的SNR可以定義為SNRPD=A2σp2,]]>其中A是相位檢測器的增益，σp2是估計方差。用于8PSK調(diào)制的ML相位檢測器的SNR在6.6dB下為-4.5dB，比傳統(tǒng)的面向判決相位檢測器好3.5dB。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的流程圖。該雙掃描PLL在一個碼段內(nèi)的操作可以被分為三個階段(1)初始化，(2)雙掃描，以及(3)相位組合。在初始化過程中，使用如下公式從在當前碼段的開始和末尾的導頻塊即前同步碼和/或UW得到相位估計
φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*]]]>其中xk是接收符號，pk是已知的導頻模式，Nu是導頻塊的長度(UW為36，前同步碼為90)。
基于來自UW的展開的相位估計對一個碼段內(nèi)的瞬時頻率進行估計，能夠抑制周期滑移。這個估計，如步驟1001，由下式確定ω^=φn+1-φnNs+Nu]]>其中φn+1和φn分別是來自開頭和末尾的UW的相位估計，Ns是碼段的長度，例如1440。
相位展開操作由下式給出φn+1=φn+1+2π×floor(φn-φn+1+π2π)]]>其中floor(x)將x向負無窮大的方向四舍五入到最近的整數(shù)。
該雙掃描相位開始于步驟1003，其中在PLL掃描前，通過使接收符號xk乘以 移除了瞬時頻率偏移 即xkexp(-jω^k),k=0,...,Ns-1]]>其結(jié)果是一個新的xk。在一個示例性的實施例中，NCO 907中的寄存器被以 編程。
圖11示出用于圖10中雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的環(huán)路濾波器的圖示。如圖11所示，可以使用環(huán)路濾波器1100，其中正向掃描PLL中，環(huán)路頻率寄存器ω(k)初始化為0(步驟1005)；反向掃描PLL中，環(huán)路頻率寄存器ω(k)1101也初始化為0。在正向PLL中，相位寄存器ξ(k)1103初始化為來自開頭的UW的相位估計φn。對整個碼段從開頭到末尾進行掃描，如步驟1007所示，得到相位估計θf(m)，m＝0，...Ns-1(步驟1009)。
在反向PLL中，相位寄存器ξ(k)1103初始化為來自末尾的UW的相位估計 然后對整個碼段從末尾到開頭進行掃描，得到相位估計θr(m)，m＝0，...，Ns-1。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，同時執(zhí)行正向和反向掃描，從而提高了速度。換句話說，可以利用一個或多個PLL。在單個PLL的情況下，依次執(zhí)行正向和反向掃描。
最終的相位估計(如圖10所示)是來自正向和反向PLL掃描的相位估計及瞬時頻率估計的組合(根據(jù)步驟1011)。
通過可供選擇的以下過程，周期滑移的影響可以進一步被降低。在相位組合之前，該過程在兩個掃描的末尾均校驗是否有任何顯著的相位誤差，方法如下。在正向掃描的末尾，相位誤差定義為，ϵf=θf(Ns-1)+ω^(Ns-1)-φn+1,]]>其中下面的展開技術可以用于εfϵf=ϵf-2π×floor(ϵf+π2π)]]>同樣，相位誤差εr＝θr(0)-φn定義于反向掃描的末尾，其中同樣的展開技術用于εr。
如果|εf|＜te或|εr|＜te，其中te是一個預定的閾值，例如te＝π/M(對于8PSK為π/8)，則該掃描稱為“同步”，并且最終相位估計 由下式給出θ^(m)=(θf(m)+θr(m)+2π×floor(θf(m)-θr(m)+π2π))/2+ω^m,m=0,...,Ns-1]]>如果|εf|＞te且|εr|＞te，在段內(nèi)極有可能具有一個顯著的頻率變化，執(zhí)行以下步驟以處理這種特殊的情況。首先，用如下方法估計mc(在發(fā)生了這種顯著頻率變化之處)mc=|ϵr|(Ns-1)|ϵf|+|ϵr|]]>接著，正向PLL掃描從mc開始，ξ(mc)＝θf(mc)且ω(mc)=-ϵfNs-mc,]]>從mc至Ns-1執(zhí)行正向PLL掃描，從而得到一個用于該部分的新的θf(m)。反向PLL掃描也從mc開始，ξ(mc)＝θr(mc)且ω(mc)=-ϵrmc+1,]]>其中從mc至0執(zhí)行反向PLL掃描。得到用于該部分的新的θr(m)。
最終的相位估計 由下式給出θ^(m)=(θf(m)+θr(m)+2π×floor(θf(m)-θr(m)+π2π))/2+ω^m,m=0,...,Ns-1]]>在以上雙掃描PLL配置下，相位估計基于過去和未來的樣本。來自正向和反向掃描的相位估計是相關的，然而該過程中導致的噪聲卻是不相關的。因此，該過程可以使相位誤差的方差降低一半(即3dB)。
這個過程也可以產(chǎn)生好的相位跟蹤結(jié)果。具有DVB-S相位噪聲屏蔽的8PSK調(diào)制的RMS相位誤差為3.2度(在6.6dB下)，相比之下，傳統(tǒng)前向掃描PLL得到的RMS相位誤差為4.5度。這種逐段相位跟蹤，瞬時頻率估計和移除，以及雙掃描相位估計加上巧妙的相位組合有效地抑制了周期滑移的發(fā)生。
此外，該環(huán)路在接收到整個碼段(16個時隙)后可以立即開始相位跟蹤。根據(jù)一個示例性實施例，該PLL也僅需要小的存儲容量來緩沖16個時隙的I和Q樣本，以及1440個相位樣本(每一半分配給一個掃描)。由于瞬間頻率估計，該PLL對頻率殘余誤差(高達3×10-4)具有穩(wěn)健性。對于高階調(diào)制的相位跟蹤，例如8PSK，大的頻率偏移是十分有害的。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的載波同步模塊的圖示，該模塊操作中沒有幫助用于QPSK(正交相移鍵控)調(diào)制的載波同步的附加導頻塊。用于無導頻模式的載波同步過程與如參考圖7時所說明的用于導頻模式的是相似的。載波同步模塊302的操作通過僅利用一個時隙的前同步碼用于訓練；也即不使用UW。無導頻模式的頻率捕獲是一個兩步驟過程，包括利用前饋頻率估計器的粗頻率估計，和利用工作在捕獲模式的雙掃描PLL的細頻率估計。
載波同步模塊302基于雙掃描PLL提供跟蹤模式下的相位恢復。一個前同步碼相位估計器1201接收輸出自匹配濾波器1203的前同步碼。前同步碼相位估計器1201基于幀同步FSM(有限狀態(tài)機)1205輸出前同步碼的相位估計，該幀同步FSM確定新的前同步碼的位置并將它提供給雙掃描PLL 1207(與在導頻模式使用的相似)。該雙掃描PLL 1207也接收抽取自接收信號的隨機數(shù)據(jù)作為輸入。由雙掃描PLL 1207產(chǎn)生的相位估計饋至頻率估計器1209；最后，將產(chǎn)生自雙掃描PLL 1207的相位估計提供給混頻器1206，它基于相位估計，將來自匹配濾波器1203的信號旋轉(zhuǎn)后送到解映射器305。頻率估計器1209將頻率估計輸出至一個環(huán)路濾波器1211(例如同圖11中所示)，它跟蹤頻率偏移并將得到的信號提供給數(shù)控振蕩器(NCO)1213。NCO1213根據(jù)來自環(huán)路濾波器1211的頻率估計，將接收信號旋轉(zhuǎn)后送至寬帶混頻器1215。
載波同步模塊302有益地提供了極低信噪比(例如1dB)下的高性能，同時將訓練符號的使用降到最低。載波同步模塊302支持快速的載波頻率和相位捕獲(例如小于50ms)。
在本發(fā)明的一個實施例中，載波捕獲過程包括兩個階段粗頻率估計過程，和細頻率估計過程。粗頻率估計過程類似于在8PSK中使用的(圖5)。無導頻模式下的差別在于只使用90符號的前同步碼用于計算自相關。自相關的計算在一個LDPC幀中進行Rf(m)=Σk=0n-1(xk+mfpk+mf*)(xkfpkf*)*,m=1,...L,]]>其中f是幀的標號，k是符號的標號，ps是前同步碼中的已知數(shù)據(jù)符號，n等于90。于是基于若干LDPC幀對自相關進行累積，以確定最終頻率估計。
圖13是用于圖12中載波同步模塊的頻率捕獲過程的精調(diào)諧子過程的圖示。粗頻率估計結(jié)束之后，由載波同步模塊302執(zhí)行的頻率捕獲過程可以進入精調(diào)諧階段。精調(diào)諧過程基于頻率跟蹤環(huán)路，它的頻率誤差估計每一個LDPC幀執(zhí)行一次，并基于操作于捕獲模式的雙掃描PLL 1207的相位跟蹤結(jié)果，以及來自前同步碼的相位估計。在這種模式下，PLL具有更大的環(huán)路帶寬(例如2×10-3)以及更小的衰減因子(例如1.1)。
精調(diào)諧過程基于雙掃描PLL 1207(圖12)。該過程對每一個LDPC幀進行一次頻率誤差估計，并修正連接至寬帶混頻器1215的NCO1213。首先，θ^(m),m=0,...,Ns-1]]>(Ns是LDPC幀長度，例如對于QPSK為32400)定義為對于一個LDPC幀的相位跟蹤結(jié)果。
精調(diào)諧過程的開始是初始化幀計數(shù)器Nf為0，即步驟1301。在這個例子中，該過程重復8次(即Nf＝8)。在步驟1303中，用PLL對一個新的LDPC幀進行處理，該PLL初始化為基于前同步碼的相位估計；雙掃描PLL的操作在下文中更詳細地說明。然后確定正向或反向掃描是否同步(步驟1305)。如果正向或反向掃描(或二者都)同步，根據(jù)步驟1307，頻率誤差估計由下式給出f^e=θ^(Ns-1)-θ^(0)2πTsNs,]]>其中 是由雙掃描PLL 1207產(chǎn)生的最終相位估計，接著，NCO中的頻率修正為f^nco(n+1)=f^nco(n)+ρf^e,]]>其中ρ是環(huán)路濾波器1211的參數(shù)，例如0.5。
如果兩種掃描均不同步，則根據(jù)步驟1309，在精調(diào)諧操作中跳過該LDPC幀。如果發(fā)生了某一次數(shù)的頻率精調(diào)諧(如步驟1311和1313中所執(zhí)行的)，則根據(jù)步驟1315，環(huán)路進入跟蹤階段，如圖14所說明。
圖14是用于圖12中載波同步模塊的頻率跟蹤過程的流程圖。該載波頻率跟蹤過程類似于頻率捕獲階段的精調(diào)諧。該跟蹤過程對每一個LDPC幀，基于來自雙掃描PLL 1207的相位跟蹤結(jié)果，進行一次頻率誤差估計，并據(jù)此修正NCO 1213；只有當PLL 1207同步才執(zhí)行該過程。精調(diào)諧過程和這個頻率跟蹤過程的唯一差別在于雙掃描利用一個窄得多的環(huán)路帶寬(例如5×10-4)以及更大的衰減因子(例如2)操作。
在一個LDPC幀的末尾，跟蹤過程確定正向掃描或反向掃描是否同步，即步驟1401和1403。如果掃描同步，則根據(jù)步驟1405計算頻率誤差估計，如下f^e=θ^(Ns-1)-θ^(0)2πTsNs,]]>NCO 1213中的頻率用f^nco(n+1)=f^nco(n)+ρf^e]]>進行修正。如果正向掃描和反向掃描不同步，則根據(jù)步驟1407，跳過該LDPC幀。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，雙掃描鎖相環(huán)(PLL)過程的相位組合階段的流程圖。無導頻模式下的載波相位跟蹤過程是基于具有適于低SNR的ML相位檢測器的雙掃描PLL結(jié)構(gòu)。該過程基于逐幀的原則跟蹤載波相位。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，兩個LDPC幀之間的相位跟蹤操作是相互獨立的。該跟蹤過程使用來自當前幀的前同步碼和下一幀的前同步碼的相位估計，以初始化PLL中的相位分量。這些相位估計還提供一個相位參考，用于確定是否發(fā)生周期滑移。新的PLL通過正向和反向掃描數(shù)據(jù)段，基于過去和未來的樣本估計載波相位。為了抑制周期滑移，新的PLL巧妙地組合來自兩個方向的相位估計，作為最終的相位估計，如圖14所示。
用于雙掃描PLL的(圖9的)ML相位檢測器911是由最大似然準則推導出的。該相位檢測器估計每個接收符號xk的相位 如下θ^k=Im(xkd^k*),]]>其中 是對發(fā)送數(shù)據(jù)符號dk的軟估計，即，d^k=Σm=0M-1e-||xk-cm||22σ2cmΣm=0M-1e-||xk-cm||22σ2,]]>M調(diào)制維數(shù)，對于QPSK為4，對于8PSK為8；cm＝ej(2πn/M+π/M)星座圖點；以及σ2AWGN方差；符號*表示復共軛運算。
相位檢測器的SNR定義如下SNRPD=A2σp2,]]>其中A是相位檢測器的增益，σp2是估計方差。ML相位檢測器在1dB下的QPSK調(diào)制中的SNR為-4.1dB，比傳統(tǒng)面向判決相位檢測器好1.5dB。
與參照圖10描述的導頻模式操作相同，一個LDPC幀中的雙掃描PLL 1207操作具有三個階段。在初始化階段，從當前幀的開頭和末尾的前同步碼中得到相位估計φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*],]]>其中xk是接收符號，pk是已知的前同步碼模式，Nu是該前同步碼的長度(例如90)。因為LDPC相對較長(例如32400)，基于來自前同步碼的相位估計來估計瞬時頻率是困難的。然而，對于例如QPSK的低階調(diào)制的PLL比例如8PSK的高階調(diào)制中的PLL對相位噪聲和頻率誤差具有更強的穩(wěn)健性。
在雙掃描階段，正向PLL中，相位寄存器ξ(k)1103(圖10)初始化為來自開頭的前同步碼的相位估計φn。接著，從開頭到末尾對整個幀進行掃描，得到相位估計θf(m)，m＝0，...，Ns-1。在反向PLL中，相位寄存器ξ(k)1103初始化為來自末尾的前同步碼的相位估計φn+1，其中該過程從末尾到開頭掃描整個幀，以獲得相位估計θr(m)，m＝0，...，Ns-1。環(huán)路頻率寄存器ω(k)對于兩個方向均初始化為0。正向和反向掃描可以同時執(zhí)行。
其后，開始相位組合階段，即步驟1501。最終的相位估計是來自正向和反向掃描的相位估計的組合。在步驟1503中，該過程確定正向掃描是否同步；如果是，則確定反向掃描是否同步，即步驟1505。如果正向和反向掃描都同步，則最終的相位估計 如下式給出θ^(m)=(θf(m)+θr(m)+2π×floor(θf(m)-θr(m)+π2π))/2,m=0,...,Ns-1.]]>否則，如果只有正向掃描同步，則計算θ^(m)=θf(m),m=0,...,Ns-1,]]>如步驟1509所示。而如果只有反向掃描(按照步驟1511中確定)同步，則θ^(m)=θr(m),m=0,...,Ns-1]]>(步驟1513)。
如果兩個掃描都不同步，則，按照步驟1515，θ^(m)=θf(m),m=0,...,Ns/2-1θr(m),m=Ns/2,...,Ns-1]]>與導頻模式相同，在相位組合前，該過程在兩個掃描的末尾校驗是否存在顯著相位誤差，如下。在正向掃描的末尾，相位誤差定義為εf＝θf(Ns-1)-φn+1，其中將以下展開技術用于εf，即，ϵf=ϵf-2π×floor(ϵf+π2π).]]>如果|εf|＜te，其中te是預定的閾值，例如te＝π/M(對于QPSK為π/4)，則斷言該正向掃描同步。同樣，在反向掃描的末尾，定義相位誤差εr＝θr(0)-φn。同樣的展開技術可以用于εr。如果|εr|＜te，則認為該反向掃描同步。
以上載波相位跟蹤過程，不論操作于QPSK或8PSK調(diào)制，都顯示出好的性能特性，由此例如雙掃描對熱噪聲和相位噪聲具有穩(wěn)健性。RMS相位跟蹤誤差也很低(例如對于DVB-S相位噪聲屏蔽為1dB的QPSK調(diào)制僅有3.3度)。
圖16圖示了一個計算機系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例可以實施于該計算機系統(tǒng)。該計算機系統(tǒng)1600包括總線1601或其它通信裝置用于信息通信，以及一個連接總線1601的處理器1603用于處理信息。計算機系統(tǒng)1600還包括連接至總線1601的主存儲器1605，例如隨機存取存儲器(RAM)或其它動態(tài)存儲設備，用于存儲信息和由處理器1603執(zhí)行的指令。主存儲器1605還可以用于存儲執(zhí)行指令過程中處理器1603要處理的臨時變量或其它中間信息。計算機系統(tǒng)1600還包括一個連接至總線1601的只讀存儲器(ROM)1607或其它靜態(tài)存儲設備，用于存儲用于處理器1603的靜態(tài)信息和指令。一個存儲設備1609，例如磁盤或光盤，附加地連接至1601，用于存儲信息和指令。
計算機系統(tǒng)1600可以通過總線1601連接至顯示器1611，例如陰極射線管(CRT)，液晶顯示器，有源陣列顯示器，或等離子顯示器，用于對計算機用戶顯示信息。輸入設備1613，例如包括字母數(shù)字和其它鍵的鍵盤，連接至總線1601，用于與處理器1603之間的信息和命令選擇的通信。另一種用戶輸入設備是光標控制器1615，例如鼠標，跟蹤球，或光標方向鍵，用于與處理器之間的方向信息和命令選擇的通信，以及用于控制顯示器1611的光標移動。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，計算機系統(tǒng)1600可以提供各種載波同步過程，它響應執(zhí)行包含于主存儲器1605的指令系列的處理器1603。主存儲器1605可以從例如存儲設備1609的另一個計算機可讀媒體讀入這種指令。這個包含于主存儲器1605的指令系列的執(zhí)行使得處理器1603執(zhí)行在此描述的過程步驟。多處理配置中的一個或多個處理器也可以用于執(zhí)行包含于主存儲器1605中的指令。在可供選擇的實施例中，硬布線模塊可以被代替或結(jié)合軟件指令使用來執(zhí)行本發(fā)明的實施例。因此，本發(fā)明的實施例并不限于任何硬件模塊與軟件的具體組合。
計算機系統(tǒng)1600還包括一個通信接口1617，它連接至總線1601。該通信接口1617提供與連接至本地網(wǎng)絡1621的網(wǎng)絡鏈路1619的雙向數(shù)據(jù)通信。例如，通信接口1617可以是一個數(shù)據(jù)用戶線路(DSL)卡或調(diào)制解調(diào)器，綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)絡(ISDN)卡，電纜調(diào)制解調(diào)器，或電話調(diào)制解調(diào)器，以提供連接至相應種類的電話線路的數(shù)據(jù)通信。作為另一個例子，通信接口1617可以是局域網(wǎng)(LAN)卡(例如用于以太網(wǎng)絡或異步傳輸模式(ATM)網(wǎng)絡)，以提供連接至兼容的LAN的數(shù)據(jù)通信。也可以實現(xiàn)無線鏈路。在任何此類實現(xiàn)中，通信接口1617發(fā)送并接收攜帶代表各類信息的數(shù)字數(shù)據(jù)流的電信號，電磁信號或光信號。此外，通信接口1617可以包括外圍接口設備，例如通用串行總線(USB)接口，PCMCIA(個人電腦存儲卡國際協(xié)會)接口，等等。
網(wǎng)絡鏈路1619典型地通過一個或多個網(wǎng)絡提供向其它數(shù)據(jù)設備的數(shù)據(jù)通信。例如，網(wǎng)絡鏈路1619可以提供通過本地網(wǎng)絡1621至主機1623的連接，它對網(wǎng)絡1625(例如，一個廣域網(wǎng)(WAN)或現(xiàn)在一般稱作“因特網(wǎng)”的全球數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡)或由業(yè)務提供者操作的數(shù)據(jù)設備具有連通性。本地網(wǎng)絡1621和網(wǎng)絡1625都使用電信號，電磁信號，或光信號來傳送信息和指令。通過各種網(wǎng)絡的信號以及網(wǎng)絡鏈路1619上和通過通信接口1617的信號與計算機系統(tǒng)1600進行數(shù)字數(shù)據(jù)的通信，它們是承載信息和指令的載波波形示例性的形式。
計算機系統(tǒng)1600可以通過網(wǎng)絡、網(wǎng)絡鏈路1619和通信接口1617發(fā)送消息和接收數(shù)據(jù)，包括程序代碼。在因特網(wǎng)的例子里，一個業(yè)務器(沒有示出)可以通過網(wǎng)絡1625，本地網(wǎng)絡1621和通信接口1617發(fā)送被請求的代碼，該代碼屬于用于執(zhí)行本發(fā)明的一個實施例的應用程序。處理器1603可以執(zhí)行接收到的發(fā)送代碼且/或?qū)⒃摯a存儲到存儲設備169或使用其它非易失性的存儲方式，用于以后執(zhí)行。計算機系統(tǒng)1600可以用這種方式得到載波形式的應用代碼。
此處用到的術語“計算機可讀媒體”涉及任何參與將指令提供給處理器1603用于執(zhí)行的媒體。這種媒體可以采取多種形式，包括但不限于非易失性的媒體，易失性的媒體，和傳輸媒體。非易失性的媒體包括例如光盤或磁盤，例如存儲設備1609。易失性的媒體包括動態(tài)存儲器，例如主存儲器1605。傳輸媒體包括同軸電纜，銅線，和光纖，包括構(gòu)成總線的601金屬線。傳輸媒體也可以采取例如通過射頻(RF)和紅外(IR)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生的聲波，光波或電磁波的形式。計算機可讀媒體的一般形式包括例如軟盤，軟磁盤，硬盤，磁帶，任何其它磁媒體，CD-ROM，CDRW，DVD，任何其它光媒體，穿孔卡片，紙帶，光學測標紙，任何其它帶有孔或其它可用光學方法辨認的標記的模式的物理媒體，RAM，PROM，和EPROM，F(xiàn)LASH-EPROM，任何其它存儲芯片或磁帶，載波，或任何其它計算機可讀的媒體。
各種形式的計算機可讀媒體可以用于將指令提供給處理器以用于執(zhí)行。例如，用于執(zhí)行至少本發(fā)明的一部分的指令起初可以加載在一個遠程計算機的磁盤上。在這種情況下，遠程計算機將指令下載到主存儲器中并將利用調(diào)制解調(diào)器通過電話線路發(fā)送這些指令。本地計算機系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器接收電話線路上的數(shù)據(jù)，利用紅外發(fā)射機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成紅外信號，并將該紅外信號發(fā)射到便攜式計算設備，例如個人數(shù)字助理(PDA)和膝上型電腦。便攜式計算設備上的紅外檢測器接收到由紅外信號承載的信息和指令，并且將數(shù)據(jù)置于總線上。該總線將數(shù)據(jù)傳送至主存儲器，處理器從該主存儲器中取出并執(zhí)行指令。主存儲器接收的指令可以在處理器執(zhí)行之前或之后選擇性地存儲在存儲設備中。
因此，本發(fā)明的各種實施例提供了一種在利用低密度奇偶校驗(LDPC)碼和高階調(diào)制方案的數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中達到載波同步的方法。物理層的幀包括一個前同步碼和多個碼段。在一個示例性的實施例中，一個唯一字(UW)被選擇性地插入到每個碼段之前作為一個導頻塊。該前同步碼(以及可選導頻塊)作為一個訓練塊。載波同步過程利用訓練塊來估計載波頻率和相位，并為每個新的段重新初始化相位跟蹤環(huán)路。頻率捕獲過程包括計算數(shù)據(jù)移除后的連續(xù)波(CW)信號的自相關。接收信號的載波頻率基于累積自相關值的展開相位的加權(quán)和進行估計。對于頻率跟蹤，實現(xiàn)前饋結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生估計，并且對每一個LDPC幀，基于來自訓練塊(即前同步碼和/或UW)的相位估計對載波頻率進行一次修正。對于相位跟蹤，利用一個具有最大似然(ML)相位檢測器的雙掃描鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)。雙掃描PLL基于逐段的原則跟蹤載波相位，以基于過去和未來的樣本，通過正向和反向掃描數(shù)據(jù)段來估計載波相位。當沒有導頻塊存在時，一個段可以是一整個FEC碼字，或者當有導頻塊插入時，一個段可以是一個碼段。以上配置有益地減少了用于載波同步而引入額外開銷的需要，并且極大地降低了周期滑移率，限制了其錯誤傳播的影響。所述的配置在低SNR環(huán)境中也工作很好，提供了對熱噪聲和相位噪聲的良好抵抗能力。此外，頻率估計過程提供了一個大的頻率捕獲范圍和短的捕獲時間。因此，以上方法有益地提供了快速和有效的載波同步。
雖然對本發(fā)明的描述聯(lián)系了一些實施例和實施方式，但是本發(fā)明并不限于而是覆蓋了各種明顯的修改和等效的配置，它們都屬于所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中提供載波同步的方法，該方法包含以下步驟接收通過載波信號發(fā)送的一個幀，其中該幀包括一個段或多個由多個開銷域分隔開的段，所述開銷域包括一個導頻塊，該導頻塊被選擇性地插入該幀中以輔助載波信號的載波同步；基于開銷域產(chǎn)生關于載波信號的估計相位值；基于所述估計相位值并且基于載波信號過去的樣本和載波信號未來的樣本，對段內(nèi)一個隨機數(shù)據(jù)域相關的載波信號的相位進行估計；以及基于開銷域或隨機數(shù)據(jù)域，對載波信號的頻率進行估計，其中所述估計步驟在該幀上基于逐段執(zhí)行。
2.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中導頻塊與隨機數(shù)據(jù)域無關。
3.一種按照權(quán)利要求2的方法，其中導頻塊顯示出一種模式，該模式基于按照預定的序列加擾的連續(xù)波(CW)信號。
4.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中導頻塊的長度為36個符號，且段的長度為1440個符號。
5.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中一個開銷域包括一個前同步碼，在發(fā)射機處插入導頻塊，配置該發(fā)射機以發(fā)送所發(fā)送的幀，且執(zhí)行下面的步驟確定導頻插入位置是否符合前同步碼的位置；以及如果該位置不是指定用于前同步碼的，則插入導頻塊。
6.一種按照權(quán)利要求5的方法，該方法還包含等候預定數(shù)目的符號，其中該預定數(shù)目的符號對應于段的長度。
7.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中隨機數(shù)據(jù)域具有由包括二進制相移鍵控(BPSK)，正交相移鍵控(QPSK)，8PSK，16幅度相移鍵控(APSK)，32APSK，以及高階正交幅度調(diào)制(QAM)之一的調(diào)制方案指定的符號。
8.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中該幀通過衛(wèi)星通信信道(103)發(fā)送。
9.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中該段包括按照低密度奇偶校驗(LDPC)碼進行編碼的信息。
10.一種按照權(quán)利要求9的方法，其中接收信號通過連續(xù)模式傳輸進行發(fā)送。
11.一種按照權(quán)利要求9的方法，其中開銷域包括一個前同步碼，且該前同步碼和導頻塊按照不同的調(diào)制方案進行調(diào)制。
12.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中開銷域包括前同步碼，該方法還包含以下步驟從對應于開銷域的接收信號中得到連續(xù)波(CW)信號；計算多個關于CW信號的自相關值；在各段上累積自相關值；以及基于累積的自相關值的展開相位的加權(quán)和，輸出載波信號的頻率。
13.一種按照權(quán)利要求12的方法，其中根據(jù)下式從接收信號中得到CW信號xkpk*其中xk是對應于開銷域的接收信號，pk是開銷域中關于信號的已知模式，且*是復共軛運算。
14.一種按照權(quán)利要求12的方法，其中自相關值基于多個幀上的開銷域，并按照下式對每幀得到一個自相關值Rf(m)=Σs=0NpΣk=0n-1(xs,k+mfps,k+mf*)(xs,kfps,kf*)*,m=1,...,L]]>其中f是幀的標號，s是開銷域的標號，Np是一幀中開銷域的數(shù)目，k是符號的標號，xk是接收信號，ps是已知的訓練符號，其中計算出的自相關值按照下式在多個幀上積累R(m)=Σf=0N-1Rf(m).]]>
15.一種按照權(quán)利要求14的方法，其中按照下式輸出頻率Δf^=12πTsΣm=0L-1wmΔ(m)]]>wm=3[(2L+1)2-(2m+1)2][(2L+1)2-1](2L+1),m=1,...,L-1′]]>其中Ts是符號周期，并且
16.一種按照權(quán)利要求12的方法，該方法還包含以下步驟估計幀中每個開銷域的載波相位值；且基于展開的估計載波相位值的加權(quán)和來計算頻率。
17.一種按照權(quán)利要求16的方法，其中開銷域的估計載波相位值基于φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*]]]>其中xk是關于開銷域的接收符號，pk是開銷域中的已知模式，Nu是開銷域的長度。
18.一種按照權(quán)利要求17的方法，其中對于每幀進行一次估計頻率，如下Δf^=12π(Ns+Nu)TsΣm=0M-1wmmod[φm+1-φm,2π]]]>wm=3[(2M+1)2-(2m+1)2][(2M+1)2-1](2M+1),m=0,...,M-1]]>其中M是一幀中開銷域的數(shù)目。
19.一種按照權(quán)利要求1的方法，該方法還包含以下步驟基于一幀或多幀上的開銷域，得到粗的頻率估計；將粗頻率估計應用于前端混頻器(705)以修正接收信號的頻率偏移；以及使用從開銷域之一和隨機數(shù)據(jù)域得到的頻率估計，對每幀進行一次殘余頻率跟蹤。
20.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中開銷域包括對應于各段的前同步碼和導頻塊，對于每一個段，開銷域的估計載波相位值對應于段的開頭和末尾；該方法還包含以下步驟基于開銷域從估計載波相位值估計瞬時載波頻率；對每一個段，用鎖相環(huán)(PLL)(900)對該段的隨機數(shù)據(jù)域執(zhí)行正向相位掃描，該鎖相環(huán)用來自段開頭的開銷域的估計載波相位值初始化；對每一個段，用鎖相環(huán)(PLL)(900)對該段的隨機數(shù)據(jù)域執(zhí)行反向相位掃描，該鎖相環(huán)用來自段末尾的開銷域的估計載波相位值和瞬時載波頻率初始化，其中在正向掃描和反向掃描之前移除了瞬時載波頻率；確定正向掃描或反向掃描是否同步；以及在隨機數(shù)據(jù)域上，通過組合瞬時載波頻率值、正向掃描相位估計和反向掃描相位估計，計算最終相位估計。
21.一種按照權(quán)利要求20的方法，其中開銷域的估計載波相位值基于φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*],]]>其中xk是關于開銷域的接收符號，pk是開銷域中的已知模式，Nu是開銷域的長度，瞬時頻率估計按照下式確定ω^=φn+1-φnNs+Nu,]]>其中φn+1和φn是分別來自相應段的開頭和末尾的開銷域的相位估計，Ns是幀中段的長度，其中φn+1在瞬時頻率估計之前首先經(jīng)過相位展開運算，由下式給出φn+1=φn+1+2π×floor(φn-φn+1+π2π),]]>其中floor(x)將x向負無窮大的方向四舍五入到最近的整數(shù)。
22.一種按照權(quán)利要求21的方法，最終的相位估計 按照下式計算θ^(m)=(θf(m)+θr(m)+2π×floor(θf(m)-θr(m)+π2π))/2+ω^m,m=0,...,Ns-1]]>其中θf(m)和θr(m)分別是正向掃描相位估計和反向掃描相位估計。
23.一種按照權(quán)利要求1的方法，其中開銷域包括沒有插入導頻塊的前同步碼，該方法還包含以下步驟估計關于段的開頭和末尾的前同步碼的載波相位值，其中末尾處的前同步碼對應于下一個幀；利用鎖相環(huán)(PLL)(900)對幀的隨機數(shù)據(jù)域執(zhí)行正向相位掃描，該鎖相環(huán)用來自幀的開頭的前同步碼的估計載波相位值初始化；利用鎖相環(huán)(PLL)(900)對幀的隨機數(shù)據(jù)域執(zhí)行反向相位掃描，該鎖相環(huán)用來自下一幀的開頭的前同步碼的估計載波相位值初始化；確定正向掃描或反向掃描是否同步；以及響應于確定步驟，通過組合正向掃描相位估計和反向掃描相位估計，計算最終載波相位估計。
24.一種按照權(quán)利要求23的方法，其中PLL包括一個基于最大似然(ML)規(guī)則的相位檢測器(903)，估計相位值計算如下θ^k=Im(xkd^k*),]]>其中xk是接收符號， 是發(fā)送數(shù)據(jù)符號dk的軟估計，d^k=Σm=0M-1e||xl-cm||22σ2cmΣm=0M-1e||xk-cm||22σ2,]]>M是調(diào)制的維數(shù)，cm＝ej(2πm/M+π/M)是星座圖點；σ2是加性高斯白噪聲(AWGN)的方差，且*是復共軛運算。
25.一種按照權(quán)利要求23的方法，該方法還包含以下步驟確定正向掃描和反向掃描是否失去同步；以及如果正向掃描或反向掃描沒有失去同步，則從幀的開頭和末尾的最終相位估計的差值計算出載波頻率偏移值。
26.一種按照權(quán)利要求25的方法，其中頻率估計由下式確定f^e=θ^(Ns-1)-θ^(0)2πTsNs,]]>其中 是頻率估計， 是隨機數(shù)據(jù)域上的最終相位估計，Ns是段的長度，Ts是符號周期。
27.一種按照權(quán)利要求25的方法，該方法還包括以下步驟通過計算在掃描的末尾從PLL獲得的相位估計值與從鄰近該段末尾的開銷域獲得的相位估計值的差，在一次掃描的末尾計算相位誤差；展開相位誤差；以及將展開的相位誤差與一個閾值進行比較；以及如果展開的相位誤差小于該閾值，則確定該相位掃描同步。
28.一種按照權(quán)利要求1的方法，該方法還包括以下步驟達到載波同步之后，按照二進制相移鍵控(BPSK)，正交相移鍵控(QPSK)，8PSK，16幅度相移鍵控(APSK)，32APSK，和高階正交幅度調(diào)制之一解調(diào)接收信號。
29.一種按照權(quán)利要求28的方法，該方法還包括以下步驟按照低密度奇偶校驗(LDPC)解碼過程，對解調(diào)后的信號進行解碼。
30.一種承載指令的計算機可讀媒體，用于在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中提供載波同步，所述指令經(jīng)過排列和執(zhí)行，以使得一個或多個處理器來完成權(quán)利要求1的方法。
31.一種用于提供支持通過衛(wèi)星網(wǎng)絡的數(shù)字廣播和交互式業(yè)務的載波同步的方法，該方法包括以下步驟通過衛(wèi)星通信信道(103)接收一個幀，該幀包括一個前同步碼和具有相應的唯一字的多個碼段作為訓練符號；基于前同步碼、唯一字和前同步碼與唯一字的組合，估計對應于該幀的相位信息；以及基于估計相位，估計對應于該幀的頻率信息。
32.一種按照權(quán)利要求31的方法，其中該幀是一個經(jīng)過低密度奇偶校驗(LDPC)編碼的幀。
33.一種按照權(quán)利要求32的方法，其中估計相位信息根據(jù)下式確定φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*],]]>其中xk是關于該幀的接收符號，pk是唯一字的已知模式，Nu是唯一字的長度。
34.一種按照權(quán)利要求33的方法，其中估計頻率信息按照下式確定Δf^=12π(Ns+Nu)TsΣm=013wmmod[φm+1-φm,2π]]]>wm=3[(2L+1)2-(2m+1)2][(2L+1)2-1](2L+1),m=0,...,L-1]]>其中Ns是碼段的長度，L基于碼段的數(shù)目。
35.一種按照權(quán)利要求33的方法，其中估計相位信息按照下式確定φn=arg[Σk=0Nu-1xkpk*],]]>其中xk是關于該幀的接收符號，pk是該前同步碼的已知模式，Nu是前同步碼的長度。
36.一種按照權(quán)利要求35的方法，該方法還包括如下步驟用φn初始化雙掃描鎖相環(huán)(PLL)(900)；以及按照下式輸出一個最終相位估計 θ^(m)=(θf(m)+θr(m)+2π×floor(θf(m)-θr(m)+π2π))/2+ω^m,m=0,...,Ns-1]]>其中θf(m)和θr(m)分別是正向掃描相位估計和反向掃描相位估計。
37.一種承載指令的計算機可讀媒體，用于提供支持通過衛(wèi)星網(wǎng)絡的數(shù)字廣播和交互式業(yè)務的載波同步，所述指令經(jīng)過排列和執(zhí)行，以使得一個或多個處理器來完成權(quán)利要求31的方法。
38.一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中支持載波同步的方法，該方法包含以下步驟確定一個插入點是否符合一個幀的一個前同步碼域的位置，其中該插入點基于該幀的預定數(shù)目的符號；以及如果該幀的位置不符合該前同步碼域，則在插入點處插入一個導頻塊，用于輔助載波同步。
39.一種按照權(quán)利要求38的方法，其中該幀按照低密度奇偶校驗(LDPC)編碼進行編碼。
40.一種按照權(quán)利要求39的方法，其中該幀通過衛(wèi)星通信信道(103)進行廣播。
41.一種按照權(quán)利要求40的方法，其中該幀具有一種符合數(shù)字視頻廣播(DVB)標準的結(jié)構(gòu)。
42.一種承載指令的計算機可讀媒體，用于支持數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中的載波同步，所述指令經(jīng)過排列和執(zhí)行，以使得一個或多個處理器來完成權(quán)利要求38的方法。
43.一種在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中用于支持載波同步的發(fā)射機，該發(fā)射機包含用于確定一個插入點是否符合一個幀的前同步碼域的位置的裝置，其中該插入點基于該幀的預定數(shù)目的符號；以及如果該幀的位置不符合該前同步碼域，用于在插入點處插入一個輔助載波同步的導頻塊的裝置。
44.一種按照權(quán)利要求43的發(fā)射機，其中該幀按照低密度奇偶校驗(LDPC)編碼進行編碼。
45.一種按照權(quán)利要求44的發(fā)射機，其中該幀通過衛(wèi)星通信信道(103)進行廣播。
46.一種按照權(quán)利要求45的發(fā)射機，其中該幀具有一種符合數(shù)字視頻廣播(DVB)標準的結(jié)構(gòu)。
47.一種用于在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)中支持載波同步的設備，該設備包含混頻器(705)，配置該混頻器以接收低密度奇偶校驗(LDPC)編碼后的信號；第一相位估計器(707)，配置該相位估計器以估計關于信號中一個訓練塊的相位；連接至第一相位估計器(707)的頻率估計器(703)，該頻率估計器(703)輸出一個基于所述相位估計的頻率估計；以及連接至第一相位估計器(707)的第二相位估計器(709)，配置該相位估計器以產(chǎn)生最終的相位估計。
48.一種按照權(quán)利要求47的設備，其中該訓練塊包括前同步碼和前同步碼與多個插入的導頻塊的組合之一。
全文摘要
提供了一種用于在數(shù)字廣播和交互式系統(tǒng)(100)中支持載波同步的方法。載波同步模塊(302)接收一個或多個代表一個幀的信號，該幀包括一個或多個開銷域(例如前同步碼和可選的導頻塊，以及一個或多個由導頻塊分隔開的段)。該模塊(302)按照逐段的原則估計載波頻率和相位，并在段之間進行頻率跟蹤?；陂_銷域?qū)π盘柕妮d波相位進行估計。隨機數(shù)據(jù)域的載波相位估計是基于來自開銷域的估計相位值，并基于過去和未來的數(shù)據(jù)信號。此外，基于開銷域或隨機數(shù)據(jù)域，對信號的頻率進行估計。以上安排尤其適于數(shù)字衛(wèi)星廣播和交互式系統(tǒng)(100)。
文檔編號H04L27/00GK1630280SQ20041004908
公開日2005年6月22日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者蔣毅敏, 孫鳳文, 李琳南, 尼爾·貝克爾 申請人:直視集團公司