JP2000512813A6

JP2000512813A6 - 加入者端末における周波数ドリフト補正

Info

Publication number: JP2000512813A6
Application number: JP1997519832A
Authority: JP
Inventors: エバンス，アラン; チェン，ホーレン
Original assignee: Stanford Telecommunications Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2016-11-19

Abstract

加入者端末の送信機（１２）の周波数を補正するため用いられる発振器周波数ドリフトを評価するために加入者端末の受信機の周波数オフセット（９）を計測することにより、且つ基地局から加入者への周波数補正のフィードバックによって、加入者端末における低コスト発振器（５）の使用を可能にする、一点対多点のシステムにおける加入者端末における周波数ドリフトを最小化するための周波数通信システムおよび方法が記載される。

Description

発明の背景
居住ユーザ、業務ユーザその他のユーザ間の情報およびデータの転送量の増加要求が、供給が追いつくより早く生長し続けている。このような情報の需要は、色々な形態のテレビジョン・システム、ケーブル・システム、ファイバ／ケーブルのハイブリッド・システム、および無線システムからなる様々な形態で供給されている。局所多点配信システム（ＬＭＤＳ）および多重チャネル多点配信サービス（ＭＭＤＳ）は、事例として、放送ビデオ、ビデオ・オン・デマンド、マルチメディア機能、対話型ビデオ、高速遠隔ＬＡＮ／インターネット・アクセス、電話、テレコンピューティング、スピード学習、ビデオ会議、電子販売／マーケティング、遠隔医療、ホーム・ショッピング、および高速コンピュータ・データ・リンクの如き一方向および二方向の放送サービスを提供する。両システムは、例えば、地域ＴＥＬＣＯ中央局（ＣＯ）即ちケーブル「ヘッドエンド」施設から放送サービスを供給する無線インフラストラクチャ（下層基盤）を提供することができる。図１は、このようなシステムを示している。システム例は、３つの基本的構成要素、即ち、ヘッドエンド施設、基地局即ちハブ局のシステム、および多数のまたは複数の加入者局を含んでいる。システム全体は、重複しないセルの地理的構造からなっており、これにおいては、各地理的セルは１つの基地局により支援される多数の加入者局を持つことができる。複数の基地局が、１つのヘッドエンドにインターフェースされている。
図１に示されるように、ヘッドエンドは、システム全体に分配されるべき全ての信号を集めることにより、星形形態を形成する。ヘッドエンドは星形の中心にあり、基地局がヘッドエンドを包囲し、加入者がその各々の基地局を包囲している。集められる信号の事例として、ディジタル・ビデオが衛星リンクを介して集められ、電話システム・インターフェースがクラス５スイッチを介して提供され、そして／または高速のディジタル・データ・ネットワークが高速データ・スイッチを介してインターフェースされる。ヘッドエンドに対するデータやヘッドエンドからのデータは、それぞれ加入者局のその地理的「セル」にサービスを提供するよう割当てられた地域基地局のシステムへ分配される。
基地局が多数の加入者から受信するこのような一点対多点のシステムにおいては、加入者から基地局への（以下本文では、上流方向と呼ぶ）伝送周波数の不確実性を低減するのに効果的である。例えば、バースト時分割多元接続（ＴＤＭＡ）または周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）のいずれかの連続モードにおいては、狭帯域データ伝送の周波数不確定性は、一つの加入者が隣接する周波数チャネルにおける他の加入者に干渉するおそれがある多重周波数チャネルを含む。このようなチャネル間の干渉を避けるために、隣接する周波数チャネル間に大きな未使用の保護周波数帯がしばしば要求されて、非効率な周波数帯の使用を招く。
バースト・モード（ＴＤＭＡ）広帯域システムにおいては、加入者からの信号は、各バーストの間に取得されねばならない。バースト・モード・システムにおいては、各バーストは、典型的に、同期のためのプリアンブル、実際のデータおよび保護周波数帯からなっている。チャネル効率の尺度は、総バースト長に対するデータの比率である。加入者送信の周波数不確定性が変調シンボル・レートに比して大きいほど、１つのバーストの初めにおける同期プリアンブルが長くなければならず、チャネル効率を低減する。所与の加入者局部発振器の安定性―これは、典型的に、安価な発振器に対しては約１０パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ）である―に対して、加入者送信周波数エラー量は搬送波無線周波数（ＲＦ）に比例する。その結果、この問題は、１０ｐｐｍにおいて、これらのサービスに対して現在利用可能な比較的高い周波数帯域、即ち極超短波（ＵＨＦ）（０．３〜３ＧＨｚ）、超高周波（ＳＨＦ）（３〜３０ＧＨｚ）および極超高周波（ＥＨＦ）（３０〜３００ＧＨｚ）において特に厳しく、対応する搬送波周波数エラーは、ＵＨＦ、ＳＨＦおよびＥＨＦに対してそれぞれ３〜３０ＫＨｚ、３０〜３００ＫＨｚおよび３００〜３０００ＫＨｚである。本発明は、０．３〜３００ＧＨｚのレンジにおける加入者周波数エラーの問題を解決する低コストの解決法を提供する点で特に有効である。
典型的に、この問題は、加入者端末における基準発振器のパーツ・パー・ミリオン単位で計測される周波数安定性が任意に小さいことを保証することにより解決される。この結果、温度で生じる周波数ドリフトを補償するため、特殊なエージング特性を持ち、あるいはサーミスタ・ネットワークまたは電気加熱炉を使用する高価な発振器を使用することになる。これらの解決法は、低コスト消費者遠距離通信装置に対して望まれるよりも数桁高価なものとなる。
安価な水晶発振器を用いる別の解決法は、フェーズ・ロック・ループＭ／Ｎ周波数シンセサイザにより送信機の局部発振器を受信機の局部発振器に隷属させることであり、ここでＭ／Ｎは受信機周波数に対する送信機周波数の比である。これは望ましくない。受信機搬送波再生フェーズ・ロック・ループ内部の受信機熱雑音が送信機局部発振器において位相ノイズを生じ、その結果ヘッドエンドで受取られる過度の位相ノイズを生じ、従ってビット・エラー・レート性能の劣化または低下を生じるからである。送信機局部発振器の位相ノイズを低減するために、受信機フェーズ・ロック・ループのノイズ帯域幅は任意に小さくされねばならず、このため、受信信号における位相ノイズを追跡する受信機フェーズ・ロック・ループの能力が低下して、加入者のビット・エラー・レート性能の劣化が生じる。
本発明の目的は、過大な位相ノイズの結果としてビット・エラー・レート性能を犠牲にすることなく、加入者伝送の周波数不確定性が安価な水晶発振器により任意に小さくなることを保証する低コストの周波数制御システムを提供することにある。
発明の概要
本発明は、送信機の局部発振器における周波数オフセットを補償するよう基準発振器の周波数ドリフトの評価を導出するため受信機の周波数オフセットの評価を利用する周波数制御システムおよび方法である。これにより、基地局または加入者端末において、ビット・エラー・レート性能の低下を生じることなく、加入者の遠距離通信装置における低コストの水晶発振器の使用を可能にする。
本発明は、０．３〜３００ＧＨｚ帯域で動作するＭＭＤＳおよびＬＭＤＳの如き一点対多点の地上通信システムにおける独特且つ有効な周波数制御を提供し、これにより加入者端末の送信機局部発振器のエラーが下記技術のいずれかあるいは両方において低減される。即ち、
１．基地局からの高周波数精度の基準放送信号と、加入者受信機における周波数エラーの計測から得られる評価とを用いて、加入者送信機局部発振器における周波数ドリフト／エラーを補償すること、
２．基地局受信機搬送波再生における各加入者の周波数エラーの計測から取得され、対応する加入者送信機局部発振器へ中継される個々の評価。
図面の簡単な説明
本発明の上記および他の目的、利点および特徴は、以降の記述および添付図面を考察すれば更に明らかになるであろう。
図１は、本発明を組み込んだ局所多点配信システム（ＬＭＤＳ）あるいは多重チャネル多点配信システム（ＭＭＤＳ）の概略ブロック図、
図２は、本発明を組み込んだ加入者周波数制御システムのブロック図、
図３は、本発明のディジタル・フェーズ・ロック・ループ・アーキテクチャのブロック図である。
特定の実施の形態の説明
加入者端末の周波数制御システムの例が図２に示される。アンテナからのＲＦ入力は、ダイプレクサ（１）を介して影像除去フィルタ（２）へ送られ、該フィルタが低周波側注入に対する影像周波数（ｆ_LO−ｆ_IF）である任意の信号を濾波する。ここで、ｆ_LOは受信機局部発振器の周波数であり、ｆ_IFは中間周波数である。受信機の第１ミキサ段（３）が、受信機の第１局部発振器（４）を用いて入力信号を中間周波数へダウンコンバートする。第１局部発振器は、同調を行うためのプログラム可能なプリスケーラを持つフェーズ・ロック・ループ・シンセサイザにより水晶発振器（５）の基準値から合成される。（ｆ_LO＋ｆ_RF）における第１ミキサからの影像は第１ミキサの影像フィルタ（６）により除去され、ここでｆ_RFは元のＲＦ入力の周波数である。直角位相ダウンコンバータ段（７）は受信機の第２局部発振器により、中間周波数信号を、電圧制御発振器（ＶＣＯ）（８）から導出されたベースバンドの同相および直角位相の信号と混合し、次に復調器（９）により復調される。
コヒーレントな復調のため、搬送波の位相は、典型的には、直角位相ダウンコンバータを介してフェーズ・ロック・ループを閉じることにより、再生される必要がある。これは、典型的に、第２局部発振器と入力信号との間の位相エラーから導出される制御電圧を電圧制御発振器（８）へフィードバックすることにより行われる。フェーズ・ロック・ループを実現するための方法が数多くある。
図３は、横軸位相偏移変調（ＱＰＳＫ）タイプの変調のためのディジタル・フェーズ・ロック・ループの構成を一例として示すが、本発明は他の変調技術にも同様に適用し得る。前と同様に、直角位相ダウンコンバータ（２１）が、同相および直角位相のベースバンド・アナログ信号をマッチド・フィルタ（２２）へ送り、このフィルタ出力はシンボル・エポック（ｓｙｍｂｏｌｅｐｏｃｈ）（図示せず）においてサンプリングされる。横軸位相偏移変調され且つ決定に支配される位相検知器（２３）は位相エラー評価値を生じ、該評価値は、復調のため所要のループ・ノイズ性能を達成するようループ・フィルタ（２４）により濾波される。ループ・フィルタの出力は、公称周波数に加算されると（２５）、電圧制御発振器（２６）を制御するのに適する電圧へ変換され得る新たな周波数評価値を表わす。
受信機による初期の信号取得後に、送信局部発振器は基準水晶発振器の周波数ドリフトを直ちに補償する。基地局における周波数基準は加入者端末の基準水晶発振器よりも数桁安定であるから、加入者搬送波位相再生における測定された周波数エラーは、加入者の基準水晶発振器によって生じたものと仮定し得る。初期周波数オフセットが除去された後、周波数エラーは周期的に、周囲温度の変動に起因して恐らくは１分当たり１度、更新される必要があるだけである。周波数ドリフトは遅いので、低コストのマイクロコントローラによってソフトウエア的に実現することができる。
典型的に、ＱＰＳＫ復調器のディジタル集積回路が、周波数エラーを利用可能にする。これは、図３に示される如きループ・フィルタのアキュムレータから得ることができ、あるいは該集積回路は周波数オフセットを評価するための別個のアルゴリズムを用い得る。周波数エラーの評価は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサあるいはディジタル信号プロセッサにより周期的に読出すことができ、所望のノイズ性能を達成するためソフトウエアにおいて処理することができる。マイクロコントローラ、マイクロプロセッサあるいはディジタル信号プロセッサは、過渡的な局部発振器（図２の１１）における周波数エラーを除去するため送信フェーズ・ロック・ループ・シンセサイザにおけるプリスケール分割器を調整することができる。
本発明は、上流側がバースト・モードにある場合に特に適しており、従って送信局部発振器のドリフト／エラーの制御を全ての加入者からの全てのバーストに対して、および各加入者の送信バースト間に行うことができる。一般に、周波数調整は、基地局の復調器におけるサイクル・スリップおよびビット・エラーの生起を避けるため、誘導される周波数段階が基地局の搬送波再生アルゴリズムのループ帯域幅よりはるかに小さくなるように、充分に小さくすることができる。このような小さな段階調整は、加入者局部発振器の周波数ドリフトが遅いゆえに有効である。
加入者端末の処理要件を低減する代替的な技術は、下記のように働く。各加入者の送信における周波数エラーは、ＣＦＥにおいて基地局により計算されて、送信周波数の補正あるいは調整のために制御チャネル、あるいは下流側データにおける帯域内周波数信号により各加入者に中継される。このことは、基地局における１つの復調器が１つの周波数チャネルにおける全ての加入者にサービス可能であるバースト・アップストリーム・システムにおいて特に望ましい。このような構成においては、各加入者の送信周波数エラーは、基地局の搬送波再生アルゴリズムにおいてエラーから計算される。
Ａ．ハードウエア構成
周波数エラーの評価の処理はまた、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサあるいはディジタル信号プロセッサによる介入およびソフトウエア処理を必要とすることなく、ハードウエアで完全に行うことができる。これは、実際には、送信機局部発振器周波数が受信機局部発振器周波数に隷属する周波数ロック・ループとなる。
変調シンボル・レートと搬送波再生フェーズ・ロック・ループとの帯域幅のある偶発的な組合わせに対しては、送信機局部発振器における再生された搬送波をコヒーレント的に折り返すことも可能である。これは、実際に、送信機局部発振器が受信機局部発振器に隷属し、位相ロックされるフェーズ・ロック・ループを結果としてもたらす。
Ｂ．ディジタル的な構成
電圧制御発振器は、あるディジタル的な構成においては全ディジタルの数値制御発振器で置換することができる。更にまた、ＲＦアップコンバージョンのための送信機局部発振器を固定し、変調器自体が、周波数ドリフト補償を行って変更可能な中間周波数を送信ミキサへ与える数値制御発振器を含むことができる。
利点の概要
本発明にしたがって、全ての加入者局から周波数エラーを低減することにより、隣接するＦＤＭＡチャネル間に過剰な周波数帯域は必要とされず、これによりスペクトル使用を改善する。更に、全ての加入者局から周波数エラーを低減することにより、基地局における各加入者の信号の迅速な取得が達成可能であり、これにより有効なＴＤＭＡ上流方向動作を可能にする。
本発明について望ましい実施の形態に関して記述したが、他の実施の形態、応用および修正が当業者には明らかであることが理解されよう。

Claims

０．３〜３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）レンジにおいて、ＲＦ通信信号を複数の関連する加入者局に対して送信し且つ該加入者局から受信する少なくとも１つの基地局を有する無線通信システムにおける、加入者局から前記基地局に対するＲＦ送信の周波数不確定性を低減するシステムであって、
前記加入者局の各々が、送受信チャネルを持つ送受信機手段と、前記送信チャネルにおける送信ミキサと、前記受信チャネルにおける受信ミキサと、基準発振器と、該基準発振器に接続された制御可能な送信および受信局部周波数源と、第１の復調器手段と、前記第１の復調器手段を前記受信ミキサに接続するダウンコンバータ手段と、前記ダウンコンバータ手段に接続された電圧制御発振器手段と、搬送波位相エラー補正信号を前記電圧制御発振器手段に供給するため前記第１の復調器手段を接続する手段と、前記送信周波数源の周波数を調整するため該送信周波数源を前記第１の復調器手段に接続する手段とを有するシステム。
前記基準発振器が水晶発振器である請求項１記載の無線通信システム。
前記制御可能な送信および受信局部周波数源がプログラマブル・フェーズ・ロック・ループ周波数シンセサイザである請求項１記載の無線通信システム。
前記ダウンコンバータが直角位相ダウンコンバータである請求項１記載の無線通信システム。
前記受信ミキサを前記ダウンコンバータに接続する影像除去フィルタ手段を含む請求項１記載の無線通信システム。
０．３〜３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）レンジにおいてＲＦ通信信号を複数の関連する加入者局へ送信し且つ該加入者局から受信する少なくとも１つの基地局を有する一点対多点の星形の地上無線通信システムにおける、低コストの局部発振器を有する前記加入者局の各々から前記基地局へのＲＦ送信の周波数不確定性、ドリフトあるいはエラーを低減するシステムであって、Ａ）前記基地局と、周波数エラーを計測して前記加入者局の低コスト局部発振器における周波数ドリフト・エラーを補償する加入者局の手段とからの高精度の基準放送信号と、Ｂ）前記基地局において各加入者の周波数ドリフト／エラーの計測から得た評価を提供し、該計測されたエラーを対応する加入者局へ中継して当該加入者の送信局部発振器における周波数ドリフト／エラーを補償することと、のうちの１つ以上を実行する手段を組み込んだシステム。
各加入者局における前記基準発振器が低コストの水晶発振器である請求項６記載の無線通信システム。