CN1068158C - 去除数字fm接收机中的低频干扰 - Google Patents

Abstract

在具有解调器的数字FM接收机中，该解调器接收无线信号及由此产生其行为确定解调器输出的相位样本，一个用于从相位样本中去除低频干扰信号的装置把相位样本变换成频率样本，然后把它进行高通滤波以产生滤波的频率样本。然后，滤波的频率样本被变换成滤波的相位样本，它可按照已知的技术进一步被解调。把相位样本变换成频率样本是通过一阶差分电路进行的。把滤波的频率样本变换成滤波的相位样本是通过积分器进行的。解调器进一步配有用于在无线电信号中检测低频干扰信号的存在的电路。

Description

去除数字FM接收机中的低频干扰

背景

本发明涉及用于从接收到的载有数字信息的角调制信号中去除低频干扰的技术，具体地涉及用于从接收到的角调制信号的相位样本中去除这种干扰的技术。

通过使用数字信息调制载波信号的方法来传送数字信息的技术是熟知的。调制解调器是为此目的而设计的熟知的器件。为响应于日益增长的对于移动容量的要求，已把调制解调器设计成带有接口用于在无线媒体上传送信息，例如蜂窝电话技术。

在这方面，已知的是在数据传输中使用对二进制数据的曼彻斯特编码(也称为分相编码)。采用这种技术的一个这样的系统的实例是北美的AMPS(高级移动电话服务)系统。曼彻斯特编码首先通过把每个信息比特表示为2-比特码字或字符来实施的：一个“1”比特由字符“10”表示，一个“0”比特由字符“01”表示。然后，编码的数字信息通过调频(FM)被加到无线电载频上。

用于解调曼彻斯特编码数字FM信号的多种方法是熟知的。一种优选的技术被公开揭示于Panl W.Dent的美国专利申请序号NO.08/053,860，题为“用于曼彻斯特编码的FM信号的解调器”，(“Demodulator For Manchestercoded FM signals”),1993年4月29日登记，此处特地引用，以供参考。该优选的技术的一个特征在于，不是像在先有技术中那样把接收的无线信号加到鉴频器，而是根据接收信号的相位或复数矢量值的行为进行解调。信息比特的极性可通过对曼彻斯特字符的中部位置的相位偏移的测量来确定。从多个候选的相位参考确定一个相位参考作为用于比较字符中间的相位的基准。相位可在字符的起始点和结尾点处被测量和被平均，或在每个字符期间被测量多次，以产生参考相位。

对于使用优选的解调技术的宽带数据调制解调器的正常运行，重要的是接收基本上没有干扰的信号的能力。不幸的是，当信号从无线媒体被接收时，干扰可从各种来源发生。具体地，已经发现，一种当前正在使用的特定类型的蜂窝电话系统产生很大的慢变残余FM分量，它会对宽带数据调制解调器造成严重的问题。这种残余FM分量已发现是频率为36Hz及最大频率偏差约为1KHz的正弦，尽管这些参量可能随时间而变化。当所接收的曼彻斯特-编码信号被解调时，这种残余FM有害物造成更快速地变化的频率误差(因而也是相位误差)，且变化量大于解调器的相位平均电路(它包括频率误差估测器)可处理的总量。结果，可能丢失约50％的闪烁和突发消息(blank and burst message)，这是不能接受的。概述

因此，本发明的一个目的是提供在一种数字FM接收机中用于去除低频干扰的技术，这种数字FM接收机采用了基于所接收的信号的相位或复矢量值的行为的解调技术。

本发明的另一个目的是附加提供用于在所接收的数字FM信号中检测低频干扰存在的技术。

按照本发明的一个方面，上述的和其它的目的可通过在具有解调器的数字FM接收机中的一个装置来达到，它接收无线电信号及由此信号产生其行为确定解调器输出的相位样本，此装置是用来从相位样本中去除低频干扰信号的。此装置把相位样本变换成频率样本，然后把它进行高通滤波以产生滤波的频率样本。然后滤波的频率样本被变换成滤波的相位样本，它可按照已知的技术进一步被解调。把相位样本变换成频率样本是通过一阶微分电路进行的。把滤波的频率样本变换成滤波的相位样本是通过积分器进行的。

因为当把本发明的装置应用到没有低频干扰的无线电信号时，解调器可能产生恶化的性能，所以在本发明的另一方面，解调器进一步配有用于在无线信号中检测低频干扰信号的存在的电路并根据此检测结果选择滤波的或原先的相位样本，使它加到进一步的解调器电路。

按照一个实施例，此检测是通过对频率样本进行低通滤波及测量在会出现低频有害分量(如果有的话)的频带内的能量来进行的。然后把该测量的能量值和一阈值进行比较。如果测量的能量超过阈值，则低频干扰信号是存在的。

另外，此检测可通过在解调器内包括一个用于存储那些已知产生低频噪声的基站的基站系统识别号(ID)的表格的存储器来完成。然后，对信号有害分量的检测可通过把所接收的系统的ID和包含在表格中的那些ID进行比较来完成。二者一致就表明存在低频干扰。

在另一个替换的实施例中，在解调器中提供有用于从相位样本中去除低频干扰信号的装置，以产生纠正的解调信号。解调器还配有用于在不带有本发明装置的好处的条件下解调无线信号的装置，借此产生未纠正的解调信号。每个纠正的和未纠正的解调信号被检验以得出错误含量(例如，通过对每个解调信号进行循环冗余检验)，然后根据它们各自的误差含量，从纠正的和未纠正的解调信号中选择出解调器的输出。

根据本发明的一个实施例，其中在无线电信号中检测低频干扰信号的存在的步骤包括以下步骤：

从频率样本中去除与高于第二预定频率的频率有关的能量以产生第二滤波的频率样本；

测量第二滤波的频率样本的能量值；以及

把第二滤波的频率样本的能量值与预定的能量值进行比较，当第二滤波的频率样本的能量值超过预定能量值时，产生一个在无线电信号中存在有低频干扰信号的指示。

根据本发明的另一个实施例，其中在无线电信号中检测低频干扰信号的存在的步骤包括以下步骤：

接收与发送无线电信号的基站相关的系统识别值；

确定接收的系统识别值是否和表格装置中所存储的至少一个预定的系统识别值相一致，如果发现一致，则表示在无线电信号中存在有低频干扰信号。

根据本发明的另一个实施例，其中分别选择的步骤包括当第一错误量小于第二错误量时选择纠正的解调信号或当第一错误量不小于第二错误量时选择未纠正的解调信号的步骤。

附图简述

通过阅读以下结合附图所作的详细说明，将明白本发明的目的和优点，其中：

图1(a)和1(b)显示了按照本发明的一个方面的低频干扰去除器的解说性实施例；

图2是按照本发明的发明性低频干扰去除器的另一个优选实施例的框图；

图3是对于采用本发明的低频干扰去除器优选实施例的解调器工作在100km/hr的汽车速度下的平衰落的测试结果图；

图4是采用本发明的低频干扰去除器的解调器的框图，它还包括按照本发明的另一方面的能检测是否存在有害分量的电路；

图5是按照本发明的有害分量检测器的一个实施例的框图；

图6是按照本发明的有害分量检测器的另一个实施例的框图；

图7是引用按照本发明的另一方面的用于减小与高通滤波非有害的接收信号有关的性能恶化的另一种方法的解调器的框图。详细描述

现在将参照附图描述本发明的各种特性，在图中，同样的部件用同样的参考字符来表示。

现在将参照图1所示的框图来描述本发明的低频干扰抑制器100的第一实施例。低频干扰抑制器100具有用于接收相位样本101的输入端，这些相位样本是优选地由按照在美国专利申请号NO.08/053,860中所描述的技术对于曼彻斯特-编码FM信号的解调器(图上未示出)所产生的，该专利在此引用以供参考。假定相位样本101因存在上述的不想要的低频干扰而受损害。

相位样本101由一阶微分电路103变换成频率样本105，它确定在接续的样本之间的差值。这就是说，每个频率样本105表示每个样本的频率变化。频率样本105被按照模2π减小，然后被加到低通滤波器107，它以80K样本/秒的速率进行滤波，以便允许以因子8过采样10kbits/sec曼彻斯特-编码的数据。低通滤波器107优选地是二阶巴特沃斯(Butter worth)滤波器，它是通过双线生变换被映射到数字域的。该滤波器的半功率点频率(corner frequency)是150Hz。滤波器的用途是只通过有害分量。低通滤波器107的输出加到积分器113，它产生估测的相位有害分量115的模2π值。积分是以80KHz的速率完成的，它允许估测的相位有害分量115以正确的采样速率在减法器117中被从原先的相位样本的时间对准的复制件中减去。(时间对准是必须的，以补偿和产生估测的相位有害分量有关的延时。)为了达到这一点，积分器113的输出被加到减法器117的减数输入端。减法器117的另一个(正的)输入端接收来自延时线153的输出，延时线153使原先的相位样本101和估测的相位有害分量115时间上对准。在按照模2π减小以后，减法器117的输出是纠正的相位信号119，它被加回到用于曼彻斯特-编码FM信号的解调器以完成解调处理。

在图1(a)中所描绘的电路对于说明本发明的这方面的工作原理是有用的，但由于以80KHz的采样速率进行二阶低通滤波运行的需要所强加的更高的处理要求，它不是优选的。图1(b)显示了按照以上参照图1(a)所描述的原理工作的较少处理强度的电路。这里，低频干扰抑制器150包括多个上述参照图1(a)的相同部件。然而，一个差别是，低通滤波器155(等效于图1(a)所示的低通滤波器107)作用在以16KHz的速率而不是80KHz提供的频率样本。实际上，这样的样本可很容易地得到的。然而，为了测试此装置起见，这样的样本可通过把来自一阶微分电路103的80KHz频率样本105加到抗混淆有限冲击响应(FIR)低通滤波器151的方法很容易地被产生，该低通滤波器151将允许由抽选滤波器109所作的采样速率的降低。为此目的，FIR低通滤波器151优选地是具有6KHz的3dB截止频率的线性相位7-抽头滤波器。然后，低通滤波器155作用在抽选滤波器109的16KHz的输出样本上。低通滤波器155具有和以上参照图1(a)所述的低通滤波器107同样的频率响应，但必须对16KHz的较低的采样速率以双线性变换加以定标。然后，低通滤波器155的16KHz输出被加到采样保持电路111，它重复每个16KHz样本五次，以产生被加到积分器113的80KHz滤波样本的供给。如以上参照图1(a)所描述的，积分器113产生估测相位有害分量115的模2π值，它从原先相位样本101的时间对准复制件中被减去。

上述的用于去除数字FM接收机中的低频干扰的方案有几个缺点。首先，它对低通滤波器155的延时很敏感。例如，在对这类系统的测试时，有必要调节延时线153，使得原先的相位信号延时122个样本，以便达到和估测相位有害分量115的时间对准。另外，由于低通滤波器155是无限冲击响应(IIR)类型，所以不可能提供线性相位(恒定群时延)响应。因此，通过此滤波器的噪声经历了相位变化，通常不能抵消在原先相位波形中的噪声，即使两个信号是时间对准的。

现在参照图2，描述本发明的低频干扰抑制器200的另一个实施例。这个另一个实施例是优选的，因为它借助于把相位样本101变换成频率样本105，直接去除不想要的残余MF分量以及然后把纠正的频率样本变换成纠正的相位样本，再按照优选的技术对它进行解调，而避免了延时和噪声的相位失真问题。

这样，正如前面所述的实施例那样，低频干扰抑制器200具有用于接收相位样本101的输入端，这些相位样本是优选地由按照在美国专利申请号NO.08/053,860中所描述的技术用于曼彻斯特-编码FM信号的解调器(图上未示出)所产生的，该专利在此引用以供参考。再次假定相位样本101因存在上述的不想要的低频干扰而受损害。

相位样本101由一阶微分电路103变换成频率样本105，该微分电路确定在接续样本之间的差值。频率样本105按照模2π减小，然后被加到以80K样本/秒的速度进行滤波的高通滤波器201。为了降低处理要求，高通滤波器201优选地是以高通配置的一阶巴特沃斯滤波器。当然，二阶的或三阶的滤波器也能代替地被使用，但这会对低频干扰抑制器200强加更高的处理要求。巴特沃斯滤波器是优选的，因为它在通带内呈现平坦的响应。然而，这种类型的滤波器并不是必要条件；任何其它类型的高通滤波器都可替代地被使用。已经经验地确定，对用于这种应用的一阶滤波器，约为750Hz的半功率点频率(即-3dB)工作得最好。最高的半功率点频率对宽带数据伤害太多，而更低的半功率点频率会不足以衰减有害分量。

然后，滤波的频率样本203被加到积分器113，它的输出在按照模2π减小以后，就是纠正的相位样本205序列。

尽管图2所示优选实施例的简单性，但该装置全部以进来的相位样本101的80KHz的采样速率进行工作，因而，它对被利用来实现各种部件的处理硬件提出更多的要求。

上述的每个实施例的性能是借助于仿真进行评估的。首先，在不使用任何纠正的情况下，对于在静态高斯信道中具有或没有有害分量的接收信号，对用于曼彻斯特编码FM信号的解调器的性能进行了仿真。这些基线号显示，在没有有害分量的情况下，数据的解调从小于10dB的一个Eb/No值开始可近乎完善地完成，其中Eb被定义为(信号功率平均)/(比特率)，以及No被定义为(噪声功率平均)/(噪声带宽)。然而，当有害的噪声被加到所接收的信号上时，对于直到和包括31dB的每个Eb/No值，一百帧中的每个消息都被丢失。

对低频干扰抑制器100(图1(a)中所描绘的)的早先的版本(没有延时线153)的使用能够使丢失消息率在高的Eb/No数值下大为下降，但仍旧在静态高斯信道中产生在10dB值的91％的帧的损失。某些这种性能看来似乎可归因于在被加到减法器117的相位样本101和估测的相位有害分量115之间的误对准。为此，在试图时间对准带有估测的相位有害分量115的原先的相位样本101时，引入了延时线153。这就大大有助于性能，在10dB的Eb/No产生22％的丢失消息率。

图1(b)的实施例也被仿真来确定它如何影响对曼彻斯特编码FM信号的解调器的性能。在对由延时线153产生的延时量最优化以后，已发现在静态高斯信道中在大于10dB的Eb/No时丢失消息率可被恢复到零，但在10dB处，系统遭受到99％的丢帧率。

对于图2所示的低频干扰抑制器200的优选实施例进行同样的静态高斯仿真。已发现，这种配置把在10dB的Eb/No处的丢失消息率降低到8％。在以100km/hr的汽车速度的平衰落下对该实施例的测试结果被总结显示在图3的图形上。可以看到，虽然优选技术能够在所接收的信号受到噪声伤害时，把性能恢复到能接受的丢失消息的水平，但是要为当不存在有害分量时对部分宽带数据进行高通滤波付出代价。也就是，当不存在有害分量时，相对于不进行任何纠正的系统来说，出现某些性能上的损害。

按照本发明的另一方面，由于对无害的接收信号的高通滤波所带来的缺点被大大地减小了。现在参照图4，这是通过把低频干扰抑制器200部署在能进一步检测是否存在有害分量的系统中来完成的。当有害分量检测器401确定接收的信号已因噪声的引入而受到伤害时，检测器的输出(有害分量存在405)控制多路复用器(MUX)403来选择低频干扰抑制器200的输出。然后，MUX403的输出被加到按照已知技术工作的另一个解调电路(图上未示出)。然而，如果未检测到有害分量，那么有害分量检测器401使MUX403选择原先的相位样本101，借此避免了否则由于使用低频干扰抑制器200而会带来的性能的降低。

现在将参照图5描述有害分量检测器401的一个实施例。在此实施例中，有害分量检测器401′接收作为输入的由一阶微分电路103(见图2)产生的频率样本105。低通滤波器501对频率样本进行滤波，只允许那些处在低频有害分量会出现的频带中的频率分量通过。然后，滤波的频率样本503被加到能量测量电路505，它优选地借助于确定样本值的平方和来测量这些信号的强度。该能量测量值507被加到比较器509的一个输入端，以便把它和阈值511进行比较。当能量测量值507超过阈值511时，比较器产生有害分量存在信号405，它被加到图4所示的MUX403。为了确定适当的阈值，可对于大量信道条件有和没有有害分量存在时测量在有害分量频带中的能量。然后，可对两种情况画出能量分布的直方图。区分两种情况的阈值就可被定出和被选定。

现在将参照图6描述有害分量检测器401的另一个实施例。在此实施例中，有害分量检测器401″接收作为输入的正在与接收机设备进行通信的基站(图上未示出)的系统识别号(ID)601。此信息典型地由基站提供给移动台，表示该基站正在服务，这样移动台将知道它所在的那个蜂窝区。处理器603把系统识别号(ID)601和被存储在存储器605中的ID表607进行比较，存储器605优选地是只读存储器(ROM)。ID表607是通过收集已知是包含会产生不想要的低频噪声的特定类型的基站设备的所有蜂窝区的系统识别号(ID)来产生的。

如果处理器603确定，系统ID601和存储在表格607中的任一个ID一致，那么它就给出有害分量存在信号405。应当指出，尽管这种解决办法在原理上是对的，但可能不总是产生可靠的结果，因为蜂窝电话系统操作人员偶而把基站设备从一个蜂窝区地点移动到另一个蜂窝区地点。结果，表格607可能不总是代表最新的基站硬件的配置。然而，在任何给定的蜂窝区内所使用的基站设备类型是稳定的那样的地理区域中，这种实施例提供了一种实用的解决办法。

图7显示了用于减小与高通滤波无有害分量的接收的信号有关的性能恶化的另一种方法。此处，相位样本101像上述的那样被产生。这些样本被提供到两条并处理路径的每条路径。在一条路径上，相位样本101被直接提供给第一解调器电路701-1。在另一条路径上，相位样本101被提供给低频干扰抑制器200，它的输出被提供给在功能上等同于第一调制器电路701-1的第二调制器电路701-2。第一和第二调制器电路701-1,701-2的每个电路的输出接着被分别提供给两个循环冗余检验(CRC)电路703-1,703-2以及MUX705的各自的第一和第二输入端。从两个CRC电路703-1,703-2的输出被提供给处理器709，它确定产生最免除误差的结果的路径的识别号。由处理器709产生选择信号707，它使MUX705传递最免除误差的信号作为解调器700的解调输出709。

尽管这最后一种方法并不是上述解决办法中的最经济或最有效的，不过它是可行的。

本发明已被参照具体的实施例加以描述。然而，对于本领域技术人员很容易看到，有可能以除了上述的那些优选实施例以外的特定形式来体现本发明。这可在不背离本发明的精神下被完成。优选实施例仅仅是说明性的，总之不应当被看作为限制性的。本发明的范围由附加的权利要求来给出，而不是由前面的说明来给出，在权利要求范围以内的所有变动和等价物都打算被包括在权利要求之中。

Claims (16)

1．在数字FM接收机中，一种解调器装置，包括：

用于接收无线电信号的输入装置；

用于把无线电信号变换成相位样本的装置；

用于从相位样本去除低频干扰信号的装置，包括：

用于把相位样本变换成频率样本的第一装置；

用于从频率样本中去除与低于预定频率的频率有关的能量的高通滤波器装置，高通滤波器装置在滤波器输出端给出滤波的频率样本；以及

用于把滤波的频率样本变换成滤波的相位样本的第二装置。

2．根据权利要求1的解调器装置，其特征在于，其中第一装置是一阶微分电路。

3．根据权利要求1的解调器装置，其特征在于，其中第二装置是积分器。

4．根据权利要求1的解调器装置，其特征在于进一步包括：

用于检测在无线电信号中低频干扰信号的存在的检测装置；

选择装置，被耦接到检测装置，用于交替地选择相位样本或滤波的相位样本作为选择装置的输出：当在无线电信号中未检测出低频干扰信号时选择相位样本，或当在无线电信号中检测出低频干扰信号时选择滤波的相位样本；以及

用于根据选择装置的输出产生解调信号的解调装置。

5．根据权利要求4的解调器装置，其特征在于，其中检测装置包括：

用于接收频率样本的输入装置；

用于从频率样本中去除与高于第二预定频率的频率有关的能量的低通滤波器装置，低通滤波器装置在低通滤波器输出端给出第二滤波的频率样本；

用于测量第二滤波的频率样本的能量值的装置；以及

用于把第二滤波的频率样本的能量值与预定能量值进行比较的装置，当第二滤波的频率样本的能量值超过预定能量值时，产生一个在无线电信号中存在有低频干扰信号的指示。

6．根据权利要求4的解调器装置，其特征在于，其中检测装置包括：

用于接收与发送无线电信号的基站相关的系统识别值的输入装置；

用于存储一个或多个预定的系统识别数值的表格装置；以及

用于确定接收的系统识别值是否和表格装置中所存储的一个或多个预定的系统识别值中的任一个值相一致的装置，如果发现一致，则表示在无线电信号中存在有低频干扰信号。

7．根据权利要求1的解调器装置，其特征在于进一步包括：

用于从滤波的相位样本产生纠正的解调信号的第一解调装置；

用于从原先的相位样本产生未纠正的解调信号的第二解调装置；

用于检测包含于纠正的解调信号中的第一错误量的第一错误检测装置；

用于检测包含于未纠正的解调信号中的第二错误量的第二错误检测装置；以及

选择装置，被耦接到第一和第二解调装置和第一和第二错误检测装置，用于根据第一错误量与第二错误量的比较结果分别选择纠正的解调信号或未纠正的解调信号作为选择装置的输出。

8．根据权利要求7的解调器装置，其特征在于，其中选择装置包括：

用于分别当第一错误量小于第二错误量时选择纠正的解调信号或当第一错误量不小于第二错误量时选择未纠正的解调信号的装置。

9．数字FM接收机中，一种解调无线电信号的方法，包括以下步骤：

接收无线电信号；

把无线电信号变换成相位样本；

执行从相位样本中去除低频干扰信号的程序，程序包括以下步骤：

把相位样本变换成频率样本；

从频率样本中去除与低于预定频率的频率有关的能量以产生滤波的频率样本；以及

把滤波的频率样本变换成滤波的相位样本。

10．根据权利要求9的方法，其特征在于，其中把相位样本变换成频率样本的步骤包括产生相位样本与原先的相位样本之间的差值。

11．根据权利要求9的方法，其特征在于，其中把滤波的频率样本变换成滤波的相位样本的步骤包括积分滤波的频率样本的步骤。

12．根据权利要求9的方法，其特征在于还包括以下步骤：

在无线电信号中检测低频干扰信号的存在；

当在无线电信号中未检测出低频干扰信号时选择相位样本，或当在无线电信号中检测出低频干扰信号时选择滤波的相位样本，用作为所选择的相位样本；以及

根据所选择的相位样本产生解调的信号。

13．根据权利要求12的方法，其特征在于，在无线电信号中检测低频干扰信号的存在的步骤包括以下步骤：

从频率样本中去除与高于第二预定频率的频率有关的能量以产生第二滤波的频率样本；

测量第二滤波的频率样本的能量值；以及

把第二滤波的频率样本的能量值与预定的能量值进行比较，当第二滤波的频率样本的能量值超过预定能量值时，产生一个在无线电信号中存在有低频干扰信号的指示。

14．根据权利要求12的方法，其特征在于，其中在无线电信号中检测低频干扰信号的存在的步骤包括以下步骤：

接收与发送无线电信号的基站相关的系统识别值；

确定接收的系统识别值是否和表格装置中所存储的至少一个预定的系统识别值相一致，如果发现一致，则表示在无线电信号中存在有低频干扰信号。

15．根据权利要求9的方法，其特征在于还包括以下步骤：

从滤波的相位样本产生纠正的解调信号；

从原先的相位样本产生未纠正的解调信号；

检测包含于纠正的解调信号中的第一错误量；

检测包含于未纠正的解调信号中的第二错误量；

根据第一错误量与第二错误量的比较结果，分别选择纠正的解调信号或未纠正的解调信号。

16．根据权利要求15的方法，其特征在于，其中分别选择的步骤包括当第一错误量小于第二错误量时选择纠正的解调信号或当第一错误量不小于第二错误量时选择未纠正的解调信号的步骤。

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