一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法.pdf

本发明涉及一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法。现有锁定检测方法在信号质量比较差时性能明显下降，具体表现为错判和漏判概率过高，接收机系统不稳定。本发明用整符号点与半符号点的平均半径差作为判定锁定的标志量，把该平均半径差在门限比较器中与门限比较，根据比较规则输出锁定指示信号，如果平均半径差或绝对值其大于一个正门限值则判定为定时恢复已经锁定。采用本方法在信号质量比较差的情况下，用以判定锁定的标志量的统计特性在锁定前后仍然有明显的变化，从而可以准确的判断定时恢复是否锁定。

1.  一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法，其特征在于该方法用整符号点与半符号点的平均半径差作为判定锁定的标志量，把该平均半径差在门限比较器中与门限比较，根据比较规则得到比较结果并输出给控制状态机。

2.  如权利要求1所述的一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法，其特征在于所述的整符号点与半符号点的平均半径差的提取方法为：整符号点I/Q数据(I(n)，Q(n))经过乘加运算得到整符号点功率P(n)＝I(n)²+Q(n)²；半符号点I/Q数据(I(n-1/2)，Q(n-1/2))经过乘加运算得到半符号点功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)²+Q(n-1/2)²；整符号点功率P(n)经开平方运算得到整符号点半径R(n)＝P(n)^1/2，半符号点功率P(n-1/2)经开平方运算得到半符号点半径R(n-1/2)＝P(n-1/2)^1/2；整符号点半径R(n)与半符号点半径R(n-1/2)经减法运算得到当前半径差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)；当前半径差e(n)经过平均运算得到平均半径差E(m)。

3.  如权利要求1所述的一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法，其特征在于所述的比较规则为如果平均半径差大于一个正门限值则比较结果为有效，否则为无效。

4.  如权利要求1所述的一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法，其特征在于所述的比较规则为如果平均半径差的绝对值大于一个正门限值则比较结果为有效，否则为无效。

一种用于QAM和PSK信号的定时锁定检测方法
                        技术领域
本发明属于数字信号传输领域，特别涉及一种用于QAM(正交幅度调制)和PSK(相移键控)信号的定时锁定检测方法。
                        背景技术
在数字接收机中，为了正确恢复所发送的数据，需要准确的符号定时恢复。后续模块(如均衡器，判决器等)一般必需在定时恢复锁定之后才能启动，所以需要正确及时的判断定时恢复已经锁定。一种传统的QAM(正交幅度调制)或PSK(相移键控)信号接收机定时锁定检测方法是以整符号点与半符号点的平均功率差作为锁定检测的标志量，当该平均功率差或其绝对值大于某设定门限时认为定时恢复已经锁定。这方面的技术可以参见G.Karam等人的论文“LOCK DETECTOR FOR TIMINGRECOVERY”(IEEE1996)。
图1是实现这种传统定时锁定检测的结构示意图。整符号点数据101(I(n)，Q(n))经过乘加器103，得到整符号点功率P(n)＝I(n)²+Q(n)²；半符号点数据102(I(n-1/2)，Q(n-1/2))经过乘加器104，得到半符号点功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)²+Q(n-1/2)²；整符号点功率P(n)与半符号点功率P(n-1/2)经减法器105，得到当前功率差e(n)＝P(n)-P(n-1/2)；当前功率差e(n)经过平均器106，得到平均功率差E(m)；平均功率差E(m)在门限比较器107中与门限比较，结果输出到锁定指示器108，如果平均功率差E(m)大于门限则判定为定时恢复已经锁定，输出锁定指示信号。
这种锁定检测方法在信号质量比较差时性能明显下降，具体表现为错判和漏判概率过高，从而造成接收机系统不稳定。比如，当信号中的高斯白噪声干扰比较严重时，平均功率差E(m)的统计特性在锁定前后变化不明显，造成无法选择合适的锁定门限。这个问题无法通过调整平均器的平均点数来解决，因为如果平均点数过少，平均功率差E(m)会有严重的抖动，在不应该判为锁定的时候也会经常超过门限；相反，如果平均点数过多，则在应该判为锁定的时候，平均功率差E(m)仍然是一个比较小的值，相对与锁定之前也没有明显的变化。
                        发明内容
本发明的目的是提供一种新的用于QAM和PSK信号定时锁定检测方法，使其在信号质量比较差的情况下，用以判定锁定的标志量的统计特性在锁定前后仍然有明显的变化，从而准确的判断定时恢复是否锁定。
该方法用整符号点与半符号点的平均半径差作为判定锁定的标志量，把该平均半径差在门限比较器中与门限比较，根据比较规则得到比较结果并输出给控制状态机。
所述的整符号点与半符号点的平均半径差的提取方法为：整符号点I/Q数据(I(n)，Q(n))经过乘加运算得到整符号点功率P(n)＝I(n)²+Q(n)²；半符号点I/Q数据(I(n-1/2)，Q(n-1/2))经过乘加运算得到半符号点功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)²+Q(n-1/2)²；整符号点功率P(n)经开平方运算得到整符号点半径R(n)＝P(n)^1/2，半符号点功率P(n-1/2)经开平方运算得到半符号点半径R(n-1/2)＝P(n-1/2)^1/2；整符号点半径R(n)与半符号点半径R(n-1/2)经减法运算得到当前半径差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)；当前半径差e(n)经过平均运算得到平均半径差E(m)。
所述的比较规则为如果平均半径差或其绝对值大于一个正门限值则则比较结果为有效，否则为无效。
本发明的定时锁定检测方法关键在于用整符号点与半符号点的平均半径差作为判定锁定的标志量，使远离原点的符号点与靠近原点的符号点的权重相同，即使白噪声干扰比较严重，整符号点半径与半符号点半径之间差值的统计特性在锁定前后仍然有明显的变化，使其在信号质量比较差的情况下，用以判定锁定的标志量的统计特性在锁定前后仍然有明显的变化，从而准确的判断定时恢复是否锁定。
本发明的方法适用于各种正交幅度调制和各种相移键控调制信号，包括但不限于BPSk，QPSK，8PSK，16PSK，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM等。
                        附图说明
图1是传统定时锁定检测方法的结构示意图；
图2是高斯白噪声较小时QPSK信号定时恢复锁定前后的矢量空间分布示意图；
图3是高斯白噪声较大时QPSK信号定时恢复锁定前后的矢量空间分布示意图；
图4是本发明的一种具体实施方法；
图5是本发明的另一具体实施方法。
                      具体实施方式
下面首先以QPSK(4相移键控)信号为例，说明本发明的工作原理和有效性。
如图2所示，定时锁定前，整符号点和半符号点都将随机的分布在整个矢量空间内(半径为R3的圆形区域)，并且整符号点和半符号点的统计特性是一致的。因此，定时恢复锁定前整符号点于半符号点之间的平均功率差趋于0。
定时锁定后，没有载波和相位误差的情况下，整符号点主要分布于圆形区域A1、A2、A3和A4内；半符号点主要分布于圆形区域B1、B2、B3、B4和B5内，也有少量的半符号点分布于圆形区域A1、A2、A3和A4内。定时锁定后，存在载波或相位误差的情况下，整符号点所在的A1、A2、A3和A4区域将沿着半径为R1的圆旋转分布于平均半径为R1的环状带内；半符号点所在的B1、B2、B3、B4和B5区域将沿着半径为R2的圆旋转分布于平均半径为R2的环状带和B5区域内，另外少量的分布于圆形区域A1、A2、A3和A4内的半符号点将沿着半径为R1的圆旋转分布于平均半径为R1地环状带内。由于高斯白噪声比有用信号的功率小得多，所以A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5的半径比R1，R2小得多。因此，定时恢复锁定后，整符号点与半符号点之间的平均功率差是一个较大的正数，所以使用传统的锁定检测方法和本发明提供的锁定检测方法都可以方便的区分锁定前后的统计特性。
如图3所示，由于高斯白噪声加大，造成A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5的半径增大到接近R1，R2的程度。因此，定时恢复锁定后整符号点功率与半符号点功率的统计特性相近以至于不能方便的区分，造成传统的锁定检测方法的有效性明显下降。
分析图2和图3中的分布情况可以发现：高斯白噪声较小和较大两种条件下，锁定之后整符号点半径的数学期望都趋近于R1，半符号点半径的数学期望都趋近于R1/4+R2/2+Rb/2。图1所示的传统锁定检测方法在高斯白噪声较大时信能下降的根本原因是计算整符号点功率和半符号点功率的过程中，相当于增大了远离原点的分布区域的权重，造成统计特性在锁定前后变化不大。本发明的锁定检测方法则解决了传统锁定检测方法的这一问题，使远离原点的分布点与靠近原点的分布点的权重相同，即使白噪声干扰比较严重，整符号点半径与半符号点半径之间差值的统计特性在锁定前后仍然有明显的变化。
如图4所示，根据本发明实现的一种定时锁定检测装置包括两组输入数据流：整符号点I/Q数据401，半符号点I/Q数据402；两个乘加器：乘加器403，乘加器404；两个开平方器：开平方器405，开平方器406；减法器407，平均器408，门限比较器409，锁定指示器410。
两组输入数据流：整符号点I/Q数据401和半符号点I/Q数据402，分别以串行方式配对输入，即一组整符号点I/Q数据401(I(n)，Q(n))对应一组半符号点I/Q数据402(I(n-1/2)，Q(n-1/2))。整符号点I/Q数据401和半符号点I/Q数据402来自于接收机中的定时恢复电路。接收的信号是QAM调制信号。
两个乘加器：乘加器403和乘加器404以与整符号点I/Q数据401和半符号点I/Q数据402相同的节拍进行平方和运算。每输入一组整符号点I/Q数据401，乘加器403输出整符号点功率P(n)＝I(n)²+Q(n)²，每输入一组半符号点I/Q数据402，乘加器404输出半符号点功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)²+Q(n-1/2)²。本领域的技术人员应该明了，为了节省硬件资源乘加器403和乘加器404进行平方和运算时可以对运算精度进行灵活调整，相应的输出相差一个常数倍数。
两个开平方器：开平方器405和开平方器406计算输入值的算术平方根。每输入一个整符号点功率P(n)，开平方器405进行一次开平方操作，得到整符号点半径R(n)＝P(n)^1/2。每输入一个半符号点功率P(n-1/2)，开平方器406进行一次开平方操作，得到半符号点半径R(n-1/2)＝P(n-1/2)^1/2。实际实现时，开平方器405和开平方器406可以使用查找表电路实现，也可以使用分段折线逼进开平方曲线的方法实现，也可以使用其他专门的运算器进行。本领域的技术人员应该明了，为了节省硬件资源开平方器405和开平方器406进行开平方运算时可以对运算精度进行灵活调整，相应的输出相差一个常数倍数。
减法器407：计算两个输入信号的差值。每输入一组整符号点半径R(n)与半符号点半径R(n-1/2)，减法器407计算他们的差值，得到当前半径差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)。本领域的技术人员应该明了，为了节省硬件资源减法器407进行减法运算时可以对运算精度进行灵活调整，相应的输出相差一个常数倍数。
平均器408：对输入信号进行统计平均。可以使用累加器实现，也可以使用各种低通滤波器实现。平均器408对当前半径差e(n)进行平滑滤波，得到平均半径差E(m)。本领域的技术人员应该明了，通过修改平均器408的参数可以调整输出的平均半径差E(m)与当前半径差e(n)的数学期望的近似程度，当平均器408的平均点数足够多(或者说低通滤波器的带宽足够窄)时，可以认为平均器408输出的平均半径差E(m)近似等于当前半径差e(n)的数学期望乘以某常数倍数。
门限比较器409：将平均半径差E(m)与某设定门限进行比较，当平均半径差E(m)大于一个正门限值时产生一个指示信号。本领域的技术人员应该明了，可以通过调整该门限值以适应不同的调制方式和信号质量。
锁定指示器410：是一个用于根据门限比较器409的比较结果和当前的状态输出锁定与失锁信号的状态机。该状态机至少应该包含两个状态：锁定和未锁定。至少应该包含一个输入信号：比较器输出的平均半径差与门限的大小比较关系。至少应该包含一个输出信号，用来表示目前定时恢复是否已经锁定。本领域的技术人员应该明了，根据不同的判定规则，锁定指示器410可以是一个只包含锁定和失锁两个状态转换的状态机，也可以是一个包含更多其他状态转换的状态机。
如图5所示，根据本发明实现的另一种定时锁定检测装置包括一组输入数据流：整符号点与半符号点交替数据501，乘加器502，开平方器503，寄存器504，减法器505，平均器506，门限比较器507，锁定指示器508。
一组输入数据流：以半个符号周期节拍输入整符号点与半符号点交替数据501，该数据流的特征在于，将整符号点I/Q数据和半符号点I/Q数据以串行方式配对交替输入，即先输入一组整符号点I/Q数据的组合(I(n)，Q(n))，紧接着输入一组半符号点I/Q数据的组合(I(n-1/2)，Q(n-1/2))，以此循环。整符号点与半符号点交替数据501一般来自于接收机中的定时恢复电路。接收的信号可以是PSK调制信号。
乘加器502：以半个符号周期节拍交替计算整符号点与半符号点交替数据501的平方和。每输入一组整符号点I/Q数据的组合(I(n)，Q(n))，乘加器502输出整符号点功率P(n)＝I(n)²+Q(n)²，紧接着输入一组半符号点I/Q数据的组合(I(n-1/2)，Q(n-1/2))，乘加器502输出半符号点功率P(n-1/2)＝I(n-1/2)²+Q(n-1/2)²。乘加器502的输出是整符号点功率P(n)与半符号点功率P(n-1/2)的交替数据流。本领域的技术人员应该明了，为了节省硬件资源乘加器502进行平方和运算时可以对运算精度进行灵活调整，相应的输出相差一个常数倍数。
开平方器503：以半个符号周期节拍交替计算整符号点半径与半符号点半径。每输入一个整符号点功率P(n)，开平方器503进行一次开平方操作，得到整符号点半径R(n)＝P(n)^1/2。紧接着输入一个半符号点功率P(n-1/2)，开平方器503再进行一次开平方操作，得到半符号点半径R(n-1/2)＝P(n-1/2)^1/2。开平方器503的输出是整符号点半径R(n)与半符号点功率半径R(n-1/2)的交替数据流。实际实现时，开平方器503可以使用查找表电路实现，也可以使用分段折线逼进开平方曲线的方法实现，也可以使用其他专门的运算器进行。本领域的技术人员应该明了，为了节省硬件资源开平方器503进行开平方运算时可以对运算精度进行灵活调整，相应的输出相差一个常数倍数。
寄存器504：以半个符号周期节拍对开平方器503的输出的整符号点半径R(n)与半符号点半径R(n-1/2)的交替数据流进行半个符号周期的延迟。当寄存器504的输入为半符号点半径R(n-1/2)时，寄存器504的输出正好为整符号点半径R(n)。
减法器505：以符号周期节拍计算整符号点半径R(n)与半符号点半径R(n-1/2)的差值。如前所述，当寄存器504的输入为半符号点半径R(n-1/2)时，寄存器504的输出正好为整符号点半径R(n)，这时减法器505进行一次减法运算，得到当前半径差e(n)＝R(n)-R(n-1/2)，并以符号周期节拍输出该差值。本领域的技术人员应该明了，为了节省硬件资源减法器505进行减法运算时可以对运算精度进行灵活调整，相应的输出相差一个常数倍数。
平均器506：以符号周期节拍对输入信号进行统计平均。可以使用累加器实现，也可以使用各种低通滤波器实现。平均器506对当前半径差e(n)进行平滑滤波，得到平均半径差E(m)。本领域的技术人员应该明了，通过修改平均器506的参数可以调整输出的平均半径差E(m)与当前半径差e(n)的数学期望的近似程度，当平均器506的平均点数足够多(或者说低通滤波器的带宽足够窄)时，可以认为平均器506输出的平均半径差E(m)近似等于当前半径差e(n)的数学期望乘以某常数倍数。
门限比较器507：将平均半径差E(m)与某设定门限进行比较，当平均半径差E(m)的绝对值大于一个正门限值时产生一个指示信号。本领域的技术人员应该明了，可以通过调整该门限值以适应不同的调制方式和信号质量。
锁定指示器508：是一个用于根据门限比较器507的比较结果和当前的状态输出锁定与失锁信号的状态机。该状态机至少应该包含两个状态：锁定和未锁定。至少应该包含一个输入信号：比较器输出的平均半径差与门限的大小比较关系。至少应该包含一个输出信号，用来表示目前定时恢复是否已经锁定。本领域的技术人员应该明了，根据不同的判定规则，锁定指示器508可以是一个只包含锁定和失锁两个状态转换的状态机，也可以是一个包含更多其他状态转换的状态机。
本发明提供的使用整符号点与半符号点的平均半径差作为定时锁定检测标志量的定时锁定检测方法，可以用节省的资源实现在信号质量较差的条件下可靠的工作。
尽管本发明是参照其优选实施例来具体描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离有所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。