快速恢复锁相环中锁定的丢失的方法和装置 本发明涉及一种用于使锁相环(PLL)能够恢复锁定的丢失且用于重获取由该PLL跟踪的信号的方法和装置。本发明在任意类型的通信接收机，包括(但不限定)被用于接收数字数据，、数字视频、和/或数字音频信息的卫星调制解调器中是有用的。
卫星调制解调器是一用于对包含有数字数据、数字视频、和/或数字音频信息的被数字地调制的载波进行转换和解调的接收器。该载波信号通常被进行QPSK(正交相移键控)或OQPSK(偏移正交相移键控)调制。然而，该载波可选择地被进行M-ary psk(相移键控)调制。其它的调制格式也可被使用。尽管卫星调制解调器可被提供为独立的产品，更通常地被作为一集成的接收器解码器(IRD)中地元件。
该卫星调制解调器通过获取、跟踪、同步、并解调一(信号在其上被传送的)载波来接收该信号。然后将数字视频、数字音频、和数据向下传送给一数字后端处理区用于以一常规方式重构可观看的视频信号和可听闻的音频信号。
当出现载波接收的瞬时(例如，数毫秒级)中止时，视频和音频数据变为无效。这可使视频和音频持续地不被提供给观看者，导致正被观看的服务(例如电视节目)中不可接受的中断或间隙。例如，当音频数据为无效时，音频输出可被静噪直至音频变为有效。如果卫星调制解调器没有很快速地对载波进行重获取和解调，将会出现明显的静噪和/或视频的人为现象(artifact)。
载波接收的瞬时中止可由各种原因造成。更常见的一些原因是来自雷达和地面情况、雷电、和电力线瞬变现象(别误作为电压降压或停电)的射频(RF)干扰。由于IRD产品在世界范围内被使用，它们在包含一些或全部上述问题的多种环境情况下工作。使用现有技术的装置，中止的恢复时间有时将达到三秒，在该持续时间内会出现视频和音频静噪(消隐)。
提供一种用于快速地恢复一接收的载波的瞬时丢失的方法和装置是有利的。提供一种可成功地恢复经卫星接收的一载波的瞬时丢失是特别有利的。本发明提供了一种具有上述和其它优点的方法和装置。
为了使一接收机(例如卫星IRD、卫星调制解调器等)的瞬间中止的恢复时间最小，本发明将该接收机中的解调器控制信号保持在一规定的窗口内，一旦中止的实际原因已退去，一快速复位将允许该接收机尽可能快地重获取和解调该信号(假设该接收机在标称规定的参数内工作)。
根据本发明的一种方法保证了快速恢复一接收的载波的瞬时丢失。提供了具有一环路滤波器的一载波跟踪环路。还提供了一导引环路，用于将该载波跟踪环路保持在适当的位置以快速恢复锁定的瞬时丢失。当出现一影响该载波跟踪环路的瞬变情况时，该瞬变情况被检测到。例如，由一向前纠错处理器检测的一异常高的位差错率(BER)可指示这样一瞬变情况。
响应于检测到一瞬变情况，该环路滤波器被净化(flushed)视预期的该瞬变情况的长度而定的一时间。例如，已确定雷电在通信信号中的瞬变影响通常持续约5毫秒。20毫秒的净化时间段将因此多于足够对一雷电感应的瞬变的补偿。
在该净化步骤中，当该环路滤波器被净化时，该环路滤波器输出电压被强制朝向一预定的基准值(例如，在由具有一上和下阈值的“窗口”确定的范围内)以使该载波跟踪环路的频率中的任何变化最小。作为一示例，该窗口可包括自约1伏的标称环路滤波器电压的约±0.1伏的范围。在该净化步骤结束后，该载波跟踪环路试图引入该载波的频率和相位。
在正常载波操作期间的净化步骤之前，该载波跟踪环路以一环路带宽BW工作。一导引环路将该载波跟踪环路导引至适当的位置用于快速恢复而不会不利地影响正常的跟踪操作。在一实施例中，当载波跟踪是有效的时，一处理器测量该环路滤波器输出电压，通过将若干分离的电压源加至该环路滤波器输出电压，慢慢地将该环路滤波器输出电压导引至该预定基准电压。这些分离的电压源可通过数/模转换器(DAC)而被提供。在正常的解调器载波跟踪中，缓慢DAC(slowDAC)变化引起对环路滤波器输出电压的对应的大小相等且方向相反的改变，导致期望的导引至该预定基准电压。瞬变事件将可能强制载波环路脱离锁定，驱使环路滤波器输出电压离开该基准电压(正常的跟踪点)并到上和下阈值的窗口外。该净化将环路滤波器输出电压返回到在该瞬变事件之前的值(或该值附近)。
在完成净化步骤后，使用该环路带宽BW启动该载波跟踪环路。这例如可通过在净化之前迅即存储该环路带宽，且然后使用该存储值在该净化后以同一BW重开始载波跟踪而被实现。可选择地，一基准值可被使用以设定一标称环路BW值。
该向前纠错处理器可被使用以在载波跟踪和位定时被丢失后开始该载波跟踪环路与所述载波的重新同步。
公开了一种用于恢复一接收载波的瞬时丢失的装置。该装置包括具有一环路滤波器的一载波跟踪环路和用于该载波跟踪环路的一导引环路。提供有用于检测影响该载波跟踪环路的瞬变情况的出现的检测装置。该环路滤波器响应于该检测装置，被净化依据对该瞬变情况的预期长度而定的一时间段。提供有用于在正常跟踪且同时该环路滤波器帧被净化期间，将该环路滤波器的电压导引向一预定值的装置。该导引操作使净化操作期间的该载波跟踪环路的频率的变化最小且使载波跟踪恢复的成绩最大。然后，该载波跟踪环路试图引入该载波的频率和相位。
在一说明的实施例中，用于恢复一接收的载波的瞬时丢失的装置包括具有一环路滤波器和一振荡器的一载波跟踪环路。一向前纠错器在影响在载波跟踪环路的一瞬变情况出现时，提供一差错信号。一处理器被耦合以响应于该差错信号，将该环路滤波器净化依据预期的该瞬变情况的长度而定的一时间段。该处理器监视该环路滤波器的电压，并控制该振荡器以在该环路滤波器正被净化时，将该环路滤波器电压保持在一预定范围内，从而使当该环路滤波器被净化时的该载波跟踪环路的频率的变化最小。一实施例中的该处理器在所述载波跟踪环路的操作期间继续控制该振荡器，以将该环路滤波器电压保持在该预定范围内。
该环路滤波器可被实现为使它响应于该处理器以建立该载波跟踪环路的一带宽。而且，在这样一实施例中，该处理器可在该滤波器被净化后，控制该环路滤波器以将该带宽返回到一预定值。
图1为体现本发明的瞬变同步丢失恢复特征的接收器装置的方框图；
图2为说明本发明的在正常(非瞬态)操作期间的载波跟踪环路(CTL)导引操作的图形；
图3为根据本发明的用于导引该CTL以将该环路滤波器代入限度的程序的流程图；
图4为根据本发明的用于重获取一载波的程序的流程图；
图5为根据本发明的另一种载波重获取算法的流程图。
本发明实现了一接收的载波的瞬时丢失的快速恢复。具体地，当载波锁定的瞬时丢失出现时，一接收器的载波跟踪环路(CTL)被净化(例如被置零)。该CTL被净化依据于该瞬变情况的长度而定的一时间段。该CTL的净化可例如使用一可由一微处理器致动的开关而被实现。在等到瞬变过去后，该CTL使用其先前的环路带宽(即在该瞬变之前该环路工作时的带宽)或在一标称的操作带宽被启动且被允许引入频率和相位。在载波跟踪和位定时被恢复后，一常规的向前纠错(FEC)电路继续该重同步过程。
保持该CTL环路滤波器电压在或接近“环路净化”值的一后台进程执行继续跟踪以使在该“环路净化”出现时的频率Δ(即频率变化)最小。该快速恢复方法的一关键元素是假定在输入接收信号频率没有显著地改变且保持在该载波跟踪环路的该引入范围内的情况下。尽管在瞬变期间，位定时可能被丢失，假定在该瞬变影响退去后，该位定时环路自身获得。
为了使该CTL能在一环路净化后引入相位和频率，由该环路净化所引入的频率偏移必须在该环路噪声带宽内。为确保该条件，必须执行CTL跟踪环路滤波器电压朝向该环路净化电压的相同值的实时导引。图1提供了一系统方框图且图2说明了在正常解调器跟踪期间，即当没有瞬变情况时的CTL滤波器导引操作。
参见图1，一输入信号，例如自一卫星、电缆、或其他通信信道接收的RF信号被耦合至一调谐器12。该调谐器选择几个被传送的信号之一作进一步地处理，以提供服务例如视频节目给一用户。该调谐器频率通过一自动频率控制(AFC)环路被保持，该AFC环路包括一预标度输出13和一控制信号输入15。该预标度输出13被提供给一微处理器34，该微处理器响应其，提供该控制信号输入15。
调谐器12以一常规方式输出一中频(IF)信号给一解调器，例如一多相I/Q基带解调器14。多相解调器是众所周知的，例如，为了解调被正交调幅(QAM)、正交移相键控(QPSK)或偏移正交移相键控(OQPSK)信号的多相解调器。
如图1所示，解调器14响应于来自一压控振荡器(VCO)16的一本机振荡器频率。一预定标器18也接收该VCO输出以提供一环路控制信号给微处理器34。该微处理器经线路31上的一CTL VCO控制电压控制VCO输出频率。
解调器14输出基带的(即被解调的)同相(I)和正交相(Q)信号分量。这些基带分量被输入给模/数(ADC)转换器，该ADC转换器提供对应的I数据和Q数据给一载波跟踪环路相位检测器和和数/模转换器(DAC)26。该I和Q数据也被提供给常规的向前纠错(FEC)电路22。在图1所示的仅是各种可能实现的方案之一的实施例中，一位定时环路24接收来自ADC20的I数据和I-mid数据。该在现有技术中是众所周知的I-mid数据代表I信道眼图的中点数据。
CTL相位检测器和DAC26确定该I和Q数据输入的相位并将该信息转换成一模拟信号以输入给一CTL环路滤波器28。该环路滤波器可包括，例如，一运算放大器(op amp)积分器电路，该运算放大器(op amp)积分器电路包括一RC电路以提供积分。根据本发明，如以下更加全面地描述，一旦出现一瞬变信号，该CTL环路滤波器28被净化以实现快速恢复。一旦检测到一瞬时丢失情况，自微处理器34提供一环路净化信号。该环路净化信号可例如只不过是一将环路滤波器28中设置的RC积分器电路的电容接地的被开关的地。在这样一方案中，该环路净化使该电容电荷置零并将环路滤波器输出电压从供电偏置轨迹引导至一该环路被先前锁定时的恒定基准电压。在净化后，RC电路的电阻值将确定该环路的带宽(BW)。因此，可能通过提供一控制电压给该RC电路而控制净化后的该环路带宽。这样一控制电压可通过微处理器34经一BW控制信号29而被设定。
CTL环路滤波器28的输出包括一环路滤波器跟踪电压，该电压在一加法器30中被与来自滤波器38的一频率扫描和CTL环路滤波器导引信号相加。滤波器38可包括，例如，一电阻器/电容器(RC)电路，用于对输入给其的频率控制信号进行积分。具体地，滤波器38接收来自响应于微处理器34的DAC升和DAC降指令的一频率扫描DAC36的频率扫描信号。该DAC升和DAC降指令可响应于由微处理器执行的运算，根据需要提供对由滤波器38制约的CTL VCO控制电压的细或粗控制。
来自CTL环路滤波器28的环路滤波器跟踪电压也被提供给一ADC32,ADC32将该来自环路滤波器28的模拟电压转换成一对应的数字数据信号以输入给微处理器34。微处理器自该数字数据确定该环路滤波器跟踪电压的幅度是否在图2中所示的由一上边界40和一下边界44确定的一范围(“环路净化值窗口”)42内。如果该值在该正常的环路滤波器跟踪范围42外，微处理器将控制滤波器38的粗和/或细调整以缓慢地驱使该环路滤波器跟踪电压回到该范围42中的一点。
环路滤波器导引是除去该CTL之外，使用一电压跟踪环路而被实现的，该电压跟踪环路在一更低的带宽(相对于该CTL)上操作并运用相对于该CTL的“小信号”。这确保了加速(环路应力)效应不会引起解调器中的循环滑移或位差错。电压导引源是频率扫描DAC36，该频率扫描DAC36也被使用用于在获取期间频率扫描该CTL。
环路滤波器电压由微处理器34测量，微处理器34将它与标定的环路净化值窗口相比较。如果该电压在该窗口内，到频率扫描DAC36的输入不被改变。如果该电压在该限度之外，则该频率扫描DAC被调整(以一步长和不超出该CTL跟踪动态的一速率)直至该CTL跟踪滤波器电压在该被指定的限度内。该瞬变恢复方法仅在CTL跟踪滤波器电压达到该环路净化值(在该被指定的窗口内)后才是有效的。
现有技术的硬件(例如由美国加利福尼亚的通用仪器公司提供的DigiCipher Ⅱ系统(“DCⅡ”))不能启始该过程直至起始载波锁定的至少15秒后。这是由于被用于“环路应力”修正的“缓慢DAC”功能的充电时间常数所致。该缓慢DAC被要求以使到CTL的加速输入最小，以使不引起循环滑移或位差错。
在本发明中，提供了一类似的缓慢DAC功能，且一旦被接合，可进行朝向被标定的目标值的修正。具体地，自微处理器34输出的“缓慢DAC”经线路37被提供以在CTL环路跟踪期间提供粗控制。该信号被使用以转换滤波器38的电容以在跟踪期间缓慢DAC输出变化。目的是尽快地导引该CTL环路滤波器跟踪电压33以实现该目标值，以使解调器可被准备以进行快速重获取程序。对这些DAC的修正可以是很快的，例如在约1.0MHz每秒加速进入CTL的数量级上。这假定了使用8位的分辨率，由微处理器34提供给频率扫描DAC36的细DAC控制的约1.28MHz频率控制范围。这样的执行将提供对初始获取后出现20秒的瞬变活动且然后每5秒一次的加强的恢复。
在图3中提供了CTL环路导引过程的流程图。该过程开始于框50，当FEC电路22(图1)检测到全部FEC锁定时。然后，假定刚刚出现例如信道变化的一事件，开始如框52所示的对信号的一等待(例如15秒)以稳定下来(settle out)。然后通过微处理器34(经缓慢DAC功能和/或经DAC升和DAC降控制信号)开始滤波器38的粗调整，且在框54确定CTL环路滤波器输出28是否在表示正常环路滤波器跟踪的窗口42内。如果是，依靠包括调谐器预标度13和控制信号15的AFC电路以保持正确的调谐器频率。
如果该CTL环路滤波器不在该适当的限度内，微处理器34将根据需要起始频率扫描DAC36的细或粗调整，以将CTL环路滤波器带回到操作的该正常窗口内。该步骤由框56表示。在框58进行一短暂的等候(例如5毫秒)，且在框54再对CTL环路滤波器进行测试以确定它是否在操作的该适当的限度内。该过程将继续直至该CTL环路滤波器在该预定窗口内(即如图2中数字42指示的，带有正常跟踪的操作)。
一旦实现该CTL环路滤波器目标值，快速重获取恢复的程序被起始。该程序被示出在图4的流程图中，当接收到一里德一所罗门(RS)中断时，从框60开始该程序。该里德一所罗门中断是由使用众所周知的里德一所罗门非二进制线性分组码来修正符号差错的一常规的编码器生成的。
一旦生成里德一所罗门中断，表示接收的信号必须被重获取，一试错过程被开始，在该过程中，数字接收器中包含的常规的韦特比解码器被调整以通过多相信号构象的所有可能的组合来转动和翻转该韦特比处理。该过程由框62表示。在框64，确定是否已实现重同步。如果是，不需要重获取该信号且控制被引向RS重同步程序，该程序重同步该FEC的剩余部分。另一方面，如果在经框62和64的几次努力后未取得韦特比重同步，CTL环路滤波器28被继续净化一较短的时间，例如20毫秒(或如果根据不同类型的瞬变情况提供一自适应控制，持续一可变的时间)。该净化持续时间被设定以包纳一瞬变的整个预期的时间段。例如，已发现由雷击引起的大多数瞬变的持续时间小于20毫秒，因此20毫秒的净化时间段通常对于这样的瞬变是足够的。这样，连续的环路净化或复位时间被选择为在使CTL能重获取之前的一“等待风暴过去”时间。该环路净化时间应尽可能地短，但要长到足以让瞬变退去。环路净化时间越长，传到数字视频传输途径而生成较多的可见人为现象的差错位越多。该瞬态恢复时间可以是对于在一具体地点通常经受的载波的瞬时丢失的类型，不管是雷电、瞬间RF漏失、瞬间RF干扰(例如雷达)、电力线诱发的瞬变(引起锁定的丢失而不复位该IRD)、或是其他现象，可被最优化的一用户可编程的特征。
在环路净化后，如框66指示的，微处理器34(经图1所示的BW控制信号29)将环路带宽(BW)设至一将启动重获取的的值。例如，该环路带宽可被设至先前的CTL跟踪带宽(即CTL正确跟踪接收的信号时的最后的带宽)。一旦该带宽被设定，如框68所示，在框70进行对载波获取的一短暂的等候(例如1毫秒)。然后，确定(框72)是否已实现载波锁定。如果否，该些粗和/或细DAC通过该微处理器跨越一不定性范围被扫描以试图实现载波锁定。
一旦实现载波锁定，确定(框74)是否已实现韦特比同步。如果否，该韦特比解码器将试图使用其标准算法进行重同步直至实现同步(框75)。如果不能实现韦特比同步，该CTL环路还没有成功地被重获取。要求返回到一全频率扫描(“重扫描”)以实现载波锁定。在这样的情况下，快速恢复未被实现。
一旦发生韦特比同步，确定(框76)是否已实现里德一所罗门同步。如果否，该RS解码器将试图以一种常规的方式进行重同步。一旦实现RS同步，全部FEC锁定可以一种常规的方式被追随。
所述方法的实验室测试表明具有对先前的获取恢复方法的许多改进的性能。该测试包括每10秒将一干扰CW载波(离标准载波10MHz)插入达5毫秒的时间段。该干扰将使CTL失掉锁定。在90％以上的时间，恢复是成功的且可见的影响被限定至某些宏块。
图5中说明了另一种载波重获取方法。该方法可能比图4中的方法要快，具有更少的环路净化的时间，且通常适用于瞬变时间段。
与图4关联描述的CTL环路滤波器条件也必须在图5中的实施例中被满足。图5中的框80、82、84、86、88、90、92、94和96分别对应于图4中的60、62、64、66、68、70、72、74和76。但是，当载波锁定被丢失时，如框92所示，环路净化被接合(假定一计数在一预定值下面，如框100、102、104所示)短于图4实施例中的时间(例如1毫秒而非20毫秒)，在其之后，CTL环路BW被设定(框88)且被允许获取1毫秒(框90)。如果不发生获取，该过程重复进行直至载波锁定实现或事件计数器达到最大预定值。使用该方法，很短(例如1毫秒)的瞬变被更快地恢复且较长(例如15毫秒)的瞬变也可被恢复。如框85所示，该计数器在第一环路净化之前被复位至零。
现在可以理解本发明提供了一种用于快速恢复一调制解调器，例如卫星或地面通信调制解调器中接收的载波的瞬时丢失的方法和装置。该调制解调器包括一载波跟踪环路滤波器，其电压被导引向一“引入窗口”内的一预定值以使当该环路被净化时的频率变化最小。当一瞬变发生时，该载波跟踪环路滤波器被净化约为该瞬变长度的一时间段。一旦该瞬变过去且该净化步骤被完成，该载波跟踪环路被启动，并试图引入接收的载波的频率和相位。该将跟踪环路保持在该引入窗口内以使“净化”且然后“启动”的方法提供快速恢复的程序已被表明对现有技术的瞬变情况恢复的方法进行了显著的改进。本发明适用于被模拟和数字执行的两种锁相环(PLL)接收器调制解调器。
尽管已结合各种优选实施例对本发明进行了描述。担可以理解在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，可作出许多改型和变化。