CN1032103C

CN1032103C - 包括幅度均衡器的调制解调器

Info

Publication number: CN1032103C
Application number: CN93100920A
Authority: CN
Inventors: 迈基·C·拉辛; 斯蒂芬·雷·布莱克威尔
Original assignee: Universal Data Systems Inc
Current assignee: Universal Data Systems Inc
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1996-06-19
Anticipated expiration: 2013-01-28
Also published as: CA2128609C; SI9300043A; JPH07504072A; CN1081550A; BR9305798A; EP0624287A4; ES2164654T3; EP0624287B1; DE69330874D1; WO1993015552A1; EP0624287A1; US5434884A; CA2128609A1; DE69330874T2

Abstract

一种调制解调器(100)，包括针对幅度抖动失真而补偿接收信号(10)的均衡器，接收的信号包括根据预定点阵调制的符号，每个点代表一个符号，调制解调器首先提取经调制的符号，提供包含有幅度抖动失真的已提取的符号R(k)，然后根据所提取的符号识别预定点阵的信号点Pn(k)，调制解调器再根据幅度抖动失真确定误差信号(76)，并且针对幅度抖动失真用误差信号补偿后续提取的符号。

Description

本申请人在此结合参照1988年10月11日公开的Michael D Turner等人的美国专利US4,777,640号“频率自适应相位抖动补偿器”(“Freqyency Adaptive Phase Jitter Canceler”)，从字面上和具有同样的效果方面该专利似乎作了充分完全的阐述。

本申请涉及一种通信信号接收设备。该设备包括(但不限于)为了使已调制的数字数据免于幅度抖动而至少在这一方面补偿接收到的通信信号的装置。

目前，数据通信数据(“DCE”)，例如调制解调器，被用来在数字数据终端装置(“DTE”)之间，如个人计算机、工作站等，在线路上如电话线上传输数字数据。在某些情况下，包括数字数据的通信信号的调制是以一串符号的形式根据信号点的预定传输点阵来进行的。传输点阵的每个信号点代表一个数字码或值。每个符号基本上被调制在与符号串中所代表的所需的值相应的传输点阵的信号点上，从而传输通过此信道。在接收DCE处，从通信信号中把这些符号提取出来。并且根据每个提取的符号从信号点的接收点阵中把信号点识别出来，这些信号点被用来从该调制的通信信号中恢复数字数据。

在电话网络上进行信号通信的过程中，其失真的根源被认为是抖动失真，而且它主要是从60Hz和/或20Hz振铃信号耦合正弦波失真而引起的。通常在接收DCE中使用均衡功能以便从接收到的通信信号中除去线性失真，但是因为适时增益低，均衡器不能消除抖动失真成分。

抖动失真由相位和幅度两部分组成，人们已经认识到在使用普通的接收点阵时，对于调制解调器之间标准数据通信格式来说，影响调制解调器性能的主要因素是抖动失真的相位抖动分量。因此，调制解调接收机包括一个或多个相位抖动消除电路，用来减小通信信道中的相位抖动的正弦波分量。这种相位抖动消除电路的一个例子可以在MichaelD.Turner等的美国专利US4,777,640中找到，前面已指出该专利作为参考。

因为普通的接收点阵的信号点的离散，抖动失真的幅度抖动分量对调制解调器的性能仅有很小的影响。然而，期望不久的将来较高数据比特率通信将问世，由于通信信道的带宽基本上是固定的，所以增加接收点阵的信号点的数目也就提高了数据比特率，从而压缩了其间的距离。因此，与这些被压缩的接收点阵相结合的高速调制解调器似乎对幅度抖动更为敏感。例如：所期待的19.2K比特/秒的高速调制解调接收机中2％幅度抖动就能影响调制解调器的性能。在这些情况下，幅度抖动影响高速调制解调器性能使信号失真的情况和相位抖动影响低速调制解调器性能的情况是一样的。相应地，对于所期望的较高速度的调制解调器来说，为了进一步的改善性能，其均衡器不仅需要具备消除相位抖动的性能，而且还要具备消除幅度抖动的功能。

本申请公开了一种接收信号用的调制解调器，该信号包括基于信号点的预定点阵的调制符号，每个点代表一个符号。该调制解调器包括：

提取已调制的符号的装置，用以提供提取的符号R(k)，该提取的符号包含幅度抖动失真；

根据预定的标准，识别与所提取的符号相应的预定的点阵信号点Pn(k)的识别装置；

根据所提取的符号和信号点确定表示度抖动失真的误差信号的确定装置；和

相应于误差信号的补偿装置，用以识别装置识别对应的信号点之前针对幅度抖动失真补偿至少一个后续提取的符号。

下面将结合附图说明本说明。

图1是按照本发明的包括幅度抖动均衡器的调制解调器的第一个实施例的原理方框图。

图2是描述信号点点阵的坐标图。

图3是第一幅度抖动跟踪器的原理方框图。

图4是进一步详述图3的幅度抖动跟踪器的原理方框图。

图5是第二幅度抖动跟踪器的原理方框图。

图1是一个包括用作DCE的接收部分的接收机的调制解调器100的原理方框图。参照图1，所接收的信号10带有幅度抖动失真，该信号是通过通信信道传输的，例如可能是电话线路。通常信号10包括以预定的信号点阵为基础调制的符号。如所周知的，该点阵包含多个点，每个点代表一个符号，而每个符号代表一个被传输的值。

收到的信号10首先由包括自动增益控制电路的普通低通滤波器12滤波并放大。然后，由变换器14在取样信号16控制的可控取样速率下对已滤波的信号进行模-数变换(“A/D”)。A/D变换器14的取样数字数据由普通的解调器18解调，并且由均衡器22补偿被解调的输出信号20，在本实施例中，该均衡器可以是经曲的最小均方值型均衡器。

均匀衡器22的输出是经补偿的接收信号24，该信号控制普通的定时环26，以提供取样信号16，本实施例中，取样率被调整到接近于形成接收信号10的输入符号串的符号或波特率的4倍。元件14、18、22和26的组合用来从接收信号10中提取被调制的符号串，并且把它们作为提取的符号经过信号线28送到判定运算器198，通常第k个被提取的符号表示为R(k)。

在判定运算器198中，根据预定的标准识别对应于所提取的符号R(k)的预定接收点阵的信号点P_n(k)。按照本实施例，用于信号点识别的标准是以该接收点阵最接近于所提取符号的信号点为基础的。一旦该信号点P_n(k)被识别出来，它就可以被用来恢复与其相对应的值。

图2是说明信号点识别过程的一幅图，因为每个所提取的符号包括同相位分量I和正交分量Q，图上的横坐标(或“X”)轴和纵坐标(或“Y”)轴分别代表I分量和Q分量。图2上仅仅展示了接近点阵包括信号P₁-P₄的第一象限，可以理解为，所描述的原理也可以用于该接收点阵的其他三个象限。

相应地，一个所提取的符号可以用一个矢量，如用矢量R来表示，而每个信号点也可以用矢量表示。在本实施例中，误差矢量E可以从接收点阵的每个信号点到所考虑的提取符号矢量R的来测出，并且认为具有最小幅值误差矢量的信号点为被识别的信号点。图2中，信号点P₁具有最小的指向所提取的符号矢量R误差矢量，那么该信号点被认为是最接近的信号点。

一旦判定运算器198根据提取的符号R(k)识别出信号点P_n(k)，该信号点就经过信号通路32被加到译码器30。对应于识别出的信号点P_a(k)的数字数据在译码器30中被恢复出来。然后，这个数据经通路34作为被接收的比特输出去。

另外，判定运算器198把基于所提取的符号R(k)和信号点P_n(k)的复合误差信号E(k)经过信号通道36和66送到均衡器22。均衡器22包括对应于误差信号的补偿装置，用以补偿后续的提取符号R(k＋1)。因为均衡器22在信号通路上处在判定运算器198之前，所以在决策运算器198识别与后续的提取符号相应的信号点P_n(k＋1)之前进行了后续的补偿。这样，均衡器22使用误差信号E(k)对后续提取符号R(k＋1)进行调整以便减小其后续误差的幅度。如上所述，均衡器22一般不能除掉来自接收信号的抖动失真。

为了便于说明，图2中所描述的被提取的符号R被认为仅仅包括抖动型失真。相应地，误差矢量E由幅度抖动分量和相位抖动分量组成。在该图中，幅度抖动失真分量用Ea来表示，而且该分量和识别的信号点P₁的矢量处在一条线上。另外，相位抖动失真分量用E_p来表示，它垂直于被识别的信号点矢量。

为了补偿相位抖动失真分量，通路36的误差信号E(k)被加到相位误差计算器40，分离出一个相位抖动失真误差信号46，该误差信号46被送到相位抖动跟踪器42和加法器44。相位抖动跟踪器42对应于相位抖动失真误差信号46产生一个相位抖动失真度信号48。该信号被加到加法器50和延时器52，该延时器把相位抖动失真角度项延量大约1波特或1个符号时间间隔，而后把它在加法器44中从相位抖动失真项46中减去。加法器44的输出控制载波环54产生一个载波角度项56，该载波角度项56和相位抖动失真角度项48在加法器50中相加产生一个总的相位角补偿信号58，它用符号q来表示。

在方框60中由补偿信号58相位补偿信号e^jq，并利用设置在信号通路28中的乘法器62来补偿通路28的后续提取的符号R(k＋1)。另外，补偿信号58在方框64中产生另一个相位补偿信号e^-jq，它被用来补偿通路36的误差信号与以影响调节均衡器22的相位补偿误差信号66。在本实施例中，使用设置在误差信号通路36中的乘法器68使误差信号乘以方框64的补偿信号。对调制解调器的相位抖动失真补偿部分的更加详细的描述可参照前面已经引证的美国专利US,4,777,640。

另外，关于本实施例，通路36的误差信号E(k)被加到幅度误差计算器70，以便求出一个归一化幅度抖动失真误差信号72。在本实施例中，计算器70把该相应的提取的信号R(k)的误差矢量E(k)投影到被识别的信号点P_n(k)的矢量上以求出非归一化误差信号E_a(k)。另外，用识别信号点矢量P_n(k)的绝对值去除误差信号E_a(k)，使其归一化，以便求出归一化的误差信号E_n(k)72。

在本实施例中，非归一化的误差信号E_a(k)是根据下列方程在计算器70中求出的：

E_{a} (k) = \frac{E_{x} P_{x} + E_{y} P_{y} + 1 / 2 (E_{x} P_{y} - E_{y} P_{x})}{| P_{n} (k) |}

其中E_x是E(k)的同相位分量；E_y是E(k)的正交分量；P_x是P_n(k)的同相位分量；P_y是P_n(k)的正交分量。归一化的误差信号E_n(k)根据下列方程求出：

E_{n} (k) = \frac{E_{a} (k)}{| P_{n} (k) |}

与幅度抖动失真的补偿有关，幅度抖动跟踪器74响应归一化误差信号E_n(k)72在通路76上产生补偿信号。

图3是适用于图1实施例幅度抖动跟踪器74的原理方框图。因为幅度抖动失真包括至少一个具有幅度和频率的正弦波分量，所以幅度抖动跟踪器74包括一个第二级锁相环94、相应于归一化误差信号E_n(k)的相位累加器98和一个相应于误差信号的电路82，相位累加器98用以提供补偿信号频率值84，电路82用以在86产生补偿信号幅值C₁。幅度值86和频率值84都加到乘法器88，乘法器88产生复合补偿信号76，用希腊字母α来表示。

幅度抖动跟踪器74在本实施例中的作用是使补偿信号76与提取符号的幅度抖动失真相匹配，这就使其补偿把相应的误差信号收敛于一个稳态值，最好基本上收敛为零。

更具体地讲，对每个提取的符号R(k)来说，归一化装置90将相应的误差信号E_n(k)72除以得出的幅度值C₁使其归一化，以便基本上除掉幅度波动。然后把归一化装置90的输出加到乘法器92的输入端，乘法器92的输出驱动第二级锁相环94，该锁相环用来在适当的方向上跟踪并调整频率值的增量相位96。最后得到的增量相位跟踪信号96加到相位累加器98，该相位累加器为后续提取的符号R(k＋1)产生一个相位相φi。

相位项φi由延时装置100延迟大约1个符号时间间隔，并加到方框102求出Cosφj值，然后送到乘法器92的另一输入端把归一化误差信号E_n(k)72倍增，以保证锁相环94对每个提取的符号在合适的方向上修正增量相位96。

另外，在方框104内建立相位项φj正弦值，来算出补偿信号频率值84。在运行时，使补偿信号频率值84和后续的提取符号的正弦波幅度抖动失真的频率相匹配，这样，具有频率值84的后续提取符号的补偿就把相应的误差信号收敛到基本上为零。

幅度抖动跟踪器74的电路82使归一化误差信号E_n(k)72与经过方框106延时一个符号的频率值84相关联，这样，基本上从幅值86中除掉了任何正弦波动。电路82还使幅值86匹配于幅度抖动失真正弦分量的幅值，这就使具有幅值86的后续提取符号的补偿把相应的误差信号收敛到基本为零。

图4更详细地描述第二级锁相环94、相位累加器98和电路82。参照图4，乘法器92的输出在方框110获得W²jT²的增益，而后方框110的输出在由加法器112和一个符号时间间隔延时器114组成的累加器上累加，被累加的结果送到加法器116的一个输入端。乘法器92的输出还在方框118获得增益aωjT(此处a是常数)，其结果送到加法器116的另一个输入端，加法器116的结果成为后续符号的估算增量相位96，该结果加到由加法器120和一个符号间隔延时器122组成的累加器98，累加器98的输出提供后续符号的相位角φj。

电路82包括一个自适应适时滤波器，更具体地说，误差信号E_n(k)72在乘法器126中乘以经过106延迟一个符号时间间隔的频率值84。在128，该乘法器126的输出获得增益K，对于提取符号的每一个来说，这些结果信号都用由加法器130和一个符号时间间隔延时器132组成的累加器累加起来。累加得到幅值86，该幅值基本上没有正弦波波动，而且具有与误差信号E_a(k)72的幅度相关联的平均值。

图5描述适用于图1的调制解调器的幅度抖动跟踪器74′的另一实施例500。这个实施例包括线性预测器功能，根据归一化误差信号E_a(k)72提供补偿信号a76，用来补偿后续提取的符号。该误差信号E_n(k)72在乘法器140中用形成为补偿信号a76的信号进行补偿，产生一个中间误差信号E_A(k)。在该实施例中，方框142形成一个补偿该误差信号的信号1-a。然后在加法器144中从中间误差信号E_A(k)中减去补偿信号a76，产生第二中间误差信号β(k)。具有m个抽头的延时级的延迟线146使第二中间误差信号β(k)通过它的多个延时级。每一级i都以相应的级增益Ci工作，以便提供相应的多个抽头输出信号，这些信号在加法器48中相加，产生后续提取符号的补偿信号a76的估算信号149。每个级增益Ci都由中间误差信号E_A(k)的作用来更新，如方框150中所示。一个符号时间间隔延时器152使估算信号149产生补偿信号a76。

再参照图1，用通路76的补偿信号在方框160中产生一个信号用来补偿通道28上的后续提取的符号，以便产生用于判定运算器198的已补偿的提取符号，来识别与其相对应的信号点。在本实施例中，通路28的提取符号由160所形成的信号(1/1-a)来补偿，其补偿方法是用设置在通路28上的乘法器162把被提取的符号乘以(1/1-a)。类似地，用来调节均衡器22的通路66上的误差信号由信号(1-a)来补偿，该信号(1-a)是用补偿信号a76在方框164内形成的，以便产生通路66上的补偿误差信号。在本实施例中，由方框164形成的信号用设置在通路66上的乘法器166来与通路66的误差信号相乘。

而且，在使用判定运算器198识别信号点之前，被均衡的通道28的被提取的符号的幅度抖动失真和相应抖动失真就分别用相应的幅度抖动跟踪器74和相位抖动跟踪器42作了补偿。一旦对提取的符号进行了抖动失真的补偿，最后的经补偿的符号，就更接近于它们的所期望的信号点，这样就能达到合适的信号点的识别，从而改善了调制解调接收机的性能。

返回来参照图1，那些本领域的普通技术人员都知道图中的滤波器12、A/D变换器14、解调器18、定时环26、译码器30和判定运算器198起典型的调制解调器作用，而其余元件合起来起普通均衡作用。

如上所述，抖动失真既包括相位分量也包括幅度分量。现有的调制解调均衡器的主要缺点是它们没涉及到幅度抖动失真的问题，在高比特率之下，如19.2千比特/秒，幅度抖动失真就使调制解调器很难达到满意的性能。例如：象5％这样低的幅度抖动失真都将引起相当高的接收的比特误差，或许至少达到3％的程度，那么，比特误差率(“BER”)＝0.03。在调制解调通信应用中，如此高的比特误差率通常是不能被接受的。这就意味着这种调制解调器不能用于所要求的应用之中。

然而，按照本发明的包括幅度抖动均衡器的调制解调器，通过对至少99％的不希望的幅度抖动失真进行有效地补偿来解决这个问题。换句话说，剩留在提取的符号中来被补偿的幅度抖动失真的量以大约为100∶1的比率减小。

此外，当按照比特误差率测量时，按照本发明的这种调制解调器甚至提供更大的性能上的改进。因为接收到数据流中相应的比特误差将按照更大的比率减小，实际上改进到至少10000比1。因此，最终用户可以期望得到大约0.0003％的比特误差率，也就是BER＝0.000003。

对用户来说，总的收益当然是能得到在高速应用中工作的调制解调器的产品。这是因为按照本发明的调制解调器的直接结果，能将幅度抖动失真和相应的比特率改进到使调制解调器速度确实达到19.2Kb/s的程度，也许能更高，从而具有满意的接收比特误差。

上面已经描述了按照本发明的包括幅度抖动均衡器的调制解调器各种实施例，如下的权利要求限定了本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于接收信号的调制解调器(100)，该信号包括基于信号点的预定点阵的调制符号，每个点代表一个符号，该调制解调器包括；与解调器(18)耦合的变换器(14)，该解调器(18)与均衡器(22)耦合，而该均衡器通过定时环(26)与变换器(14)相耦合，所述变换器(14)、解调器(18)和均衡器(22)提取符号R(k)，该被提取的符号包含幅度抖动失真；

与幅度抖动跟踪器(74)耦合的计算器(70)，所述计算器(70)和抖动跟踪器(74)根据预定的标准识别与所提取的符号相应的预定点阵信号点P_n(k)；

该计算器(70)根据所提取的符号和信号点确定代表幅度抖动失真的误差信号(72)；和

相应于误差信号的均衡器(22)，用以在识别装置识别相应于到达的信号点之前对于幅度抖动失真补偿至少一个后续提取的符号。

2.如权利要求1的调制解调器，其特征在于：R(k)和P_n(k)是包括同相位分量和正交分量的复合信号，误差信号E(k)是以R(k)和P_n(k)之间的差值为基础的；所述确定装置包括把E(k)投影到P_n(k)上以求出非归一化误差信号的投影装置。

3.如权利要求2的调制解调器，其特征在于：所述确定装置包括把非归一化误差信号对P_n(k)的绝对值进行归一化的装置，以形成补偿装置用的归一化误差信号。

4.如权利要求2的调制解调器，其特征在于：确定装置包括根据下列方程求出非归一化误差信号E_a(k)的装置：

E_{a} (k) = \frac{E_{x} P_{x} + E_{y} P_{y} + 1 / 2 (E_{x} P_{y} - E_{y} P_{x})}{| P_{n} (k) |}

其中E_x是E(k)的同相位分量；

E_y是E(k)的正交分量；

P_x是P_n(k)的同相位分量；

E_y是P_n(k)的正交分量。

5.如权利要求4的调制解调器，其特征在于：所述确定装置包括根据下列方程求出归一化误差信号E_n(k)的装置：

E_{n} (k) = \frac{E_{a} (k)}{| P_{n} (k) |}

6.如权利要求1的调制解调器，其特征在于：所述补偿装置包括响应于误差信号的幅度抖动跟踪器(74)，用来产生为补偿至少一个后续提取符号使用的补偿信号(76)。

7.如权利要求6的调制解调器，其特征在于：所述幅度抖动跟踪器包括使补偿信号匹配于提取符号的幅度抖动失真的装置，使这种补偿把相应的误差信号收敛于稳态值。

8.如权利要求6的调制解调器，其特征在于：所述幅度抖动失真包括至少一个具有正弦渡分量幅度和正弦渡分量频率的正弦波分量；且所述幅度抖动跟踪器包括：

响应误差信号提供补偿信号频率值的第一提供装置(94，98)；

响应误差信号提供补偿信号幅度值的第二提供装置(82)；和

用来把补偿信号频率值和补偿信号幅度值复合成合成补偿信号的复合装置(88)。

9.如权利要求1的调制解调器，其特征在于：所述补偿装置包括相应于误差信号(72)的线性预测器装置(74′)，用来为补偿至少一个后续提取符号而提供补偿信号(76)。

10.如权利要求9的调制解调器，其特征在于：所述线性预测器装置包括：

用基于补偿信号(76)的信号来补偿误差信号(72)的装置，以提供中间误差信号；

使中间误差信号与延时的补偿信号相复合而提供第二中间误差信号的装置；

具有多个抽头延时级的延时线装置(146)，该延时线装置用来使第二中间误差信号通过其多个抽头延时级，每级容量都受相应级的增益影响，以提供相应的多个抽头输出信号；

根据中间误差信号更新多个级增益的装置；和

复合多个抽头输出信号以提供补偿信号的装置。