JP2004533768A - Ofdm変調を用いて1対多ポイントシステムにおける複数ユーザーの下流における同期の方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(技術分野)
本発明は、通信分野に関するものであり、より詳細には、下流チャンネルすなわちヘッドオン装置とユーザと間のリンクにおいて同期を行うようにヘッドオン装置と種々のユーザの間の双方向通信に適用できる。ここで、電気ネットワークが通信手段として使用されて、複数のサービスがこの通信手段を介してユーザに提供できる。
【0002】
(発明の目的)
本発明の目的は、電気ネットワークにおける下流チャンネルにおける新しい、非常に安全な、時間と周波数の同期処理を提供することである。この処理は、典型的には、電気ネットワークを介するデータの送信の間に存在する高い雑音レベルと周波数選択による固有の問題を防止し、これにより、下流チャンネルにおける同期の誤った指示の発生を防止する。
【0003】
この発明の処理を用いて、種々のユーザの受信部が、下流チャンネルで受け取られる信号から始めて、ヘッドエンド送信機により使用される周波数で同期する。さらに、ここに説明される処理を用いて、また、受信信号のサンプルにしたがって、各々のユーザの受信部は、受け取ったサンプルの中のどのサンプルが同じ信号に属するかを知る。すなわち、各々のユーザの受信部は各シンボルの開始を知る。
この発明は、特に、スペイン特許出願第20003024号(「電気ネットワークを介して1対多ポイントデータのディジタル送信のためのシステムと方法」)に記載されたシステムにおいて種々のユーザの同期を取るために考えられた。
【0004】
(背景技術)
OFDM信号のための種々の同期法が従来から知られているが、それらのいずれも、送信の手段が電気ネットワークである1対多ポイントシステムにおいて同期の誤った指示を防止するのに必要な高い安全レベルに達していない。
周知のように、電気ネットワークは、むずかしい通信媒体である。なぜなら、ネットワークでの異なる装置の接続と接続切断がラインにおいて電圧のピークとインピーダンスの変動を生じるので、チャンネル応答は時間と共に変わる。
【0005】
公知の同期法の中で、時間同期法についての米国特許第5732113号に記載された方法では、2つの同じ半分からなる1つの同期シンボルを用いる。ここで、同期を行うため、本発明で提案されるより少ない数のサンプルが使用され、また、電気ネットワークで非常にありふれたインパルス雑音がより大きな程度で同期に影響する。これは、インパルス雑音はその定義により少数のサンプルに影響する時折の雑音であるので、本発明により提案される方法よりこの処理に影響するためである。したがって、1つの同期シンボルのみを用いる方法は、電気ネットワークを介する通信システムでは望ましくない。
同期を実行するために少数のサンプルを使用することによる同期の計算すなわち推定において、1つの同期シンボルの使用はより大きな変動を意味するということをここで指摘しなければならない。
【0006】
P. Mooseは、2つの同等なシンボルを用いるという概念を発表した("A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction, IEEE Trans. on comm., vol. 42, pp2908-2914, 1994)。しかし、これらのシンボルは、本発明におけるように時間同期をとるために考えられたのではなく、アナログ変換の周波数の誤りを推定するために使用されている。
最後に、アナログ変換の周波数の誤りを訂正するため相関のアークタンジェントを用いて周波数同期を実行することは、従来から知られている(たとえば、米国特許第5732113号、またはMooseの論文)。この発明では周波数同期を実行するため、各々のユーザの受信部におけるアナログ/ディジタル変換器でのサンプル周波数誤差の推定を行うが、このことは従来の技術から大きく異なっている。
【0007】
(発明の開示)
この発明では、OFDM変調を用いる1対他ポイントの送信システムにおける複数のユーザのための下流チャンネルで周波数と時間の同期を、通信手段として電気ネットワークを用いて実行する。このため、本発明では、ヘッドエンドから前記の複数のユーザへの下流チャンネルを介して送られる情報における同期シーケンスを送信する。この方法は、ヘッドエンド装置によりすべてのユーザの装置へ周期的に送信される2つの同一の同期シンボルを用いて同期シーケンスを生成するので、ユーザの装置は、受信した同期シーケンスを検出して、ユーザの装置における受信部に含まれるアナログ/ディジタル変換器におけるサンプル周波数を推定し訂正するか、または、周波数を同期して、ディジタル信号を再サンプルし、同時に、時間を同期して、各OFDMシンボルが開始する時刻を推定する。
【0008】
本発明により、同期シーケンスは、従来から知られているように、最も類似しているという基準を最大にすることにより検出するが、時間の同期が、受信したシーケンスの中の2つのシンボルのサンプル(複数)の相関の最大値の計算から始まることは新規である。ここで、この最大値は、相関ピークの平坦なゾーンの中点である。その大きさを、サンプルの数で表すと、シンボルの間の干渉(ISI)がないときの循環的接頭部(prefix)のサンプルの数に等しい。また、周波数同期を、最大相関値として決定される時刻における相関の角度を計算することにより実行する。
【0009】
相関最大値は、受信された信号のパワーの予め決められたしきい値を超える相関ピーク(複数)を検出することにより計算される。この最大値は、相関ピークの平らなゾーンの中点として得られ、このピークの大きさは、サンプルの数で表わすと、シンボルの間の干渉(ISI)がないときの循環的接頭部のサンプルの数に等しい。ここで、循環的接頭部は、シンボル間の干渉を避けるために通常追加される接頭部であり、しきい値は、(通常は電気ネットワークに影響するインパルス雑音による)誤った警告による同期データ取得の確率を最小にするように固定される。また、相関γ(m)は、以下の式
【0010】
【数5】
【0011】
を用いて計算される。ここで、mは相関の計算の時刻であり、r(k)は時刻kに受信されたサンプルであり、r*(k+n)は時刻k+nに受信されたサンプルの複素共役であり、l=Nであり、n=N+Lである。ここで、Nは同期シーケンスにおけるシンボルの中の1つのシンボルのサンプルの数であり、LはOFDMシンボルにおける循環的接頭部のサンプルの数である。この相関の式は、受信された信号のN+Lサンプルだけ離れている2つの区間のNサンプルの数学的相関である。
【0012】
前記のパワーは、以下の式
【数6】
により計算される。すなわち、パワーはモデムにおいて受信されるサンプルのモジュールの平方として計算できる。
【0013】
この発明における方法は、相関とパワーの反復計算を含む。ここで、反復して計算される相関をP(d)で表し、反復して計算されるパワーをR(d)で表し、dは、相関の計算の時刻を表す。受信されたサンプルを、受信部に記憶し、さらに、前記の部分積も記憶して、相関P(d)の反復計算は、以下の式を用いる。
P(d)=P(d-1)+(rdr* d− (N+L))-(rd− Nr* d-(N+L)-N)
そして、パワーR(d)は、以下の式
R(d)=R(d−1)+|rd|2−|rd−N|2
を用いて計算する。ここに、rdは、現在のサンプルであり、rd− NはNサンプル前に受信部に到達したサンプルであり、Nは、同期シーケンスの中の1つのシンボルにおけるサンプルの数であり、r* d−(N+L)は、N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役であり、r* d−(N+L)−Nは、2N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役であり、Lは、OFDMシンボルの循環的接頭部 サンプルの数である。
【0014】
相関の反復計算では、前のサンプルについて計算された相関値に、現在のサンプルとN+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役との積を加算し、この結果から、Nサンプル前に受信されたサンプルと2N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役との積を減算する。
同様に、パワーの反復計算では、前のサンプルについて計算されたパワー値を現在のサンプルの平方に加算し、現在のサンプルのNサンプル前に受信されたサンプルの平方を減算する。
【0015】
この発明における方法では、周波数誤差が予め決められたしきい値より小さいとき、実数部分は、虚数部よりずっと大きいので、計算を簡単にするため、相関の実数部分のみを使用することを予測する。
【0016】
この発明における方法は、相関値を、パワー値と定数Cとの積と比較することにより、同期シーケンスの検出を実行して、インパルス雑音による同期データ取得の確率を最小にする。したがって、サンプルのための同期シーケンスと最適時刻が、相関モジュールが、得られたパワー値について前述のしきい値以上であるときに、検出される。
2つの同一の同期シンボルは、固定された情報および/または擬似的にランダムな情報から選択的に構成される。この情報は、同期シンボルの中のキャリア(carrier)の中で送られ、受信の際には既知である。
【0017】
受信部におけるサンプル周波数の同期と時間の同期とは、1つのデータ取得ステージと追加ステージを構成する。データ取得ステージは、決まった数の同期シーケンスの探索からなり、この決まった数の同期シーケンスが十分に決定されれば、それらのシーケンスは正当化され、周波数誤差の訂正は、その次の追加ステージに移る前に実行される。
【0018】
時間同期のためのデータ取得ステージは、受信部による1つの同期シーケンスの検出のための待ちステージを含む。発信装置が周期的に同期シーケンスを送信しているので、この待ちステージでは、次の決められた数の同期シーケンス(決められた数のサンプルで分離されている)の到達を待つ。これは、すべて、追加ステージに移る前に起こり、誤った警報による同期のデータ取得の確率を減らす。
【0019】
時間同期のデータ取得に続いて、時間同期のための追加ステージがある。ここで、下流チャンネルによりユーザに送られる同期シーケンスを検出する。この追加ステージでは、受信されなかったシーケンスの数を数えつづけ、ある決められた限界を超えると、時間データ取得ステージに戻らせる。
【0020】
同期シーケンスが時間同期における追加ステージに到達するたびに、この発明の方法に含まれる1つのステージで、OFDMシンボルの開始をマークする時刻が変更される。この変更は、ユーザの受信部に通常含まれている時間ドメインから周波数ドメインへの変換のステージに適用される1グループのサンプルの変動により実行される。これにより、等化(equalization)により訂正される、復調された信号点配置における位相の変化すなわち回転を生じる。さらに、等化シーケンスは、好ましくは同期シーケンスの後で送信される。
【0021】
この発明における方法は、受信部のアナログ/ディジタル変換器におけるマスタ周波数を与えるために使用される発振器が十分に正確である場合、周波数同期ステージを抑える可能性を含む。
周波数同期データ取得ステージに関して、重要なことは、それが、時間同期データ取得ステージの後で起こることである。このステージは、サンプル周波数の誤差の推定を含み、この推定は、この計量(metric)の最大の時刻における相関角度から始まり、以下の式
【0022】
【数7】
を用いて、この計量の最大値(複数)の平らなゾーンの中心に位置される時刻を用いる。ここで、Mは、ヘッドオン送信機に通常含まれているインターポレータ(interpolator)の補間因子とユーザの受信機に通常含まれているデシメータ(decimator)におけるデシメータ因子であり、fcはキャリア周波数であり、fsはサンプル周波数であり、Δfsはサンプル周波数の誤差である。したがって、相関角度は、虚数部と実数部の比のアークタンジェントを用いて最適時刻で計算される。前の比Δfsから始めて、計量の最大値(複数)の平らなゾーンの中点にある時刻を最適の時刻として、これらのステップを、サンプル周波数の誤差の推定があるしきい値より小さくなるまで、反復する。
【0023】
他方、追加ステージは、各キャリアにおける信号点配置の回転を補償するため回転素子(rotor)を用いること、または、訂正素子(corrector)を用いて周波数誤差の訂正を続けること、または、この2つを同時に行うことを含む。
【0024】
周波数同期を行うこれらの方法のうち第1の方法では、周波数ドメインにおける各キャリアにおける信号点配置の回転を補償する回転素子により受け取られる信号を乗算することを含む。この回転素子の値は、各キャリアにおける信号点配置の回転速度の計算を用いて計算される。
【0025】
各キャリアにおける信号点配置の回転速度を計算するため、この方法は、下流チャンネルでの送信の間にグリッドを送ることを含み、この送信は、固定された変調(好ましくは低い信号対雑音の変調)で、あるキャリア(複数)の中のシンボルを送信することを含む。ある期間の後で、すべてのキャリアが、ある時間、固定された変調を使用することを強いるように(すなわち、グリッドキャリアであることを強いられるように)、グリッドキャリアの位置は変更できる。ユーザは、情報の宛先であるか否かにかかわらず、それらのキャリアにおける変調された情報をアプリオリには知らない。
【0026】
最高周波数のキャリアにおける最大の回転から始めて、各キャリアにおける角度の2つの連続的測定の間の最大期間は固定されていて、この角度の測定はオーバーフローなしに達成される。NTは、1つの決められたキャリアの中の角度の2つの連続的測定の間のシンボルの最大数を表わす。したがって、すべてのキャリアがNTシンボルの1つのグリッドに属するように、また、
【0027】
【数8】
【0028】
すなわち、各シンボルの中のグリッドに属するキャリアの数のNTシンボルの間の総和がそのシステムにおけるキャリアの全体の数に等しいように、このグリッドはそのシステムのNキャリアにわたって分布できる。前の方程式では、Niは、シンボルiの中のグリッドに属するキャリアの数であり、したがって、NTシンボルに続いて、各キャリアにおける回転速度の新しい尺度が得られる。
【0029】
ヘッドオン装置は、情報を通信するために、(全ての他のキャリアでも起こるように)グリッドキャリアを使用しつづけるが、固定された変調を使用するという特性がある。グリッドキャリアの中の情報の宛先であるユーザも、全ての他のキャリアのユーザも、それらに使用される変調を知っていてその情報を回復でき、この受信を用いて、グリッドキャリアの回転速度を推定する。
【0030】
ユーザは、(その情報の宛先であってもそうでなくても、これらにより使用される変調を知っているので、)グリッドキャリアにより送られる情報を復調し、受信される信号点配置の信号点を、送信される信号点配置の信号点の推定と比較することにより、角度のずれを推定する。この角度と、NTサンプル前に計算された値との差を(グリッドの構成パラメータに依存して)計算し、2つの測定の間のシンボルの数で除算することにより、回転される角度が計算されている各キャリアにおける信号点配置の回転速度の推定が得られる。
【0031】
周波数変調を行うステージの第2の方法は、1つのシンボルの中の各々のキャリアの信号点配置の回転角の測定により周波数誤差を推定することと、周波数訂正素子を用いてこの誤差を訂正することを含む。この測定は、相関角と同等である。
上述の方法は、電気ネットワークにおける下流チャンネルでのデータ送信において、時間と周波数の同期の確実な同期を可能にする。
【0032】
(発明を実施するための最良の形態)
本発明は、以下に添付の図面を参照して説明されるが、これは例示であり、発明を限定するものではない。
前に述べたように、本発明は、ヘッドエンドと種々のユーザの間の電気ネットワークを介する双方向通信に適用でき、その目的は、直交周波数分割多重(OFDM)変調を用いる1対多ポイントシステム(たとえばスペイン特許出願第200003024号参照)において同期を可能にする方法を提供することである。
【0033】
現在の技術において周知であるように、ヘッドエンド送信機は、逆離散フーリエ変換(IDFT)を行うモジュール1を用いて、送られる信号を周波数ドメインから時間ドメインへ変換(translation)する。OFDM(直交周波数分割多重)シンボルは、モジュール1にて、ベースバンドにおいて、および、時間ドメインにおいて、得られる。IDFTを出るとき、その信号は、位相I(たとえば出力exitの実数部分)と直角位相(クァドラチュア)Q(虚数部分)に分離されていて、これらは、循環的接頭部発生器2に入力され、循環的接頭部発生器2は、この変調において通常起こりうるような、多重チャンネルにおけるシンボルの受信によるシンボルの間の干渉を防止するため、および、可能なエコーを吸収するため、循環的接頭部を各OFDMシンボルに追加する。
【0034】
これに続いて、インターポレータ因子Kを用いるインターポレータ(interpolator)3を以前に通った信号が、変調器ID4に(同位相と直角位相で)導入される。
その後、同位相と直角位相で変調された信号は、加算器5に入力され、加算器5の出力は、アナログ/ディジタル変換器6に接続される。アナログ/ディジタル変換器6は、アナログ部品(分離器、増幅器、フィルタ)に接続されて、信号を電気ネットワークに導入する。信号は電気ネットワークを介して種々のユーザに送られる。種々のユーザにおいて、受信部は、ネットワークから(分離器とアナログフィルタを用いて)信号をとり、その信号を、アナログ/ディジタル変換器7に送る。アナログ/ディジタル変換器7に接続される復調器IQ8は、低域通過フィルタ10を用いて、同位相と直角位相の信号をオーダーMのデシメータ9に送る。これに続いて、信号は、(再サンプルをする場合は)再サンプルフィルタ12を用いて循環的接頭部抽出器11に送られる。その後、信号は、離散フーリエ変換(DFT)を行うモジュール13を用いて時間ドメインから周波数ドメインへ変換される。
【0035】
1つの現実の例では、サンプル周波数の誤差は、装置の実装によっては、装置の発振器28aと28bの間にある差によって生じる。ここで、変換器6におけるサンプル周波数fsは、正確には、変換器7におけるサンプル周波数に対応しない。数学的には、受信部におけるサンプル周波数はfs+Δfsであり、Δfsは、種々の装置における発振器の間で上述の差により生じた周波数変動である。
【0036】
サンプル周波数の誤差は、変調における各キャリアにおける信号点配置をシンボルごとに回転させる。この問題と同時に、サンプル周波数の誤差は、システムにおける減衰と雑音を引き起こす。したがって、ユーザの変換器7におけるサンプル周波数が変換器6におけるサンプル周波数と同じであるように、受信部における同期を用いてこの誤差を訂正する必要がある。
【0037】
さらに、ある例では、位相誤差αoも、復調器8における復調IQを行うために使用されるサイン関数に存在する。この場合、位相誤差は、各キャリアにおける信号点配置において一定の回転を生じ、その結果、等化器により訂正できるが、一方、この誤差の同期レベルでの特殊な訂正は必要でない。
【0038】
また、もう1つの問題は、OFDMシンボルの最初のサンプルが何であるかを受信部が正確には知らないということである。これは重大な問題であり、この情報なしでは、1つの循環接頭部に属するサンプルの数と、時間ドメインから周波数ドメインへの変換を実行するブロック13において導入されるべき数とを正確に知ることができない。もしDFT13に導入されるサンプルが種々の異なるシンボルからのサンプルを含むならば、そのシステムにおける信号対雑音比が大きく劣化し、これにより、キャリアとシンボルの間の干渉を生じる。このため、ユーザの受信部は、各サンプルがどのシンボルに対応するかを知る必要がある。
【0039】
したがって、ユーザの受信部を時間と周波数との両方において同期することが必要であり、これにより、同期シーケンス(複数)が送信機から送られ、同期制御モジュール15により取得され、サンプル周波数の誤差と、デシメータ9の出力で得られるサンプルから始まるOFDMシンボルの開始の時刻を推定する。これらの全てが以下に説明する過程で起こる。
【0040】
本発明の方法は、ヘッドオン装置からユーザの受信部へ周期的に送信される2つの同一の同期シンボル16を用いる同期シーケンスの発生を含む。この2つの同一の同期シンボル16は、受け取ったサンプル周波数の誤差と各シンボルの開始を同時に推定するために使用される。
2つの同期シンボルにおいて使用される、キャリアにより送信される情報は、固定されているかまたは擬似ランダムのシーケンスである。しかし、情報は2つのシンボルにおいて常に同じでなければならず、各受信部において知られていなければならない。
【0041】
受信部における同期を行うため、第1に必要なことは、同期シーケンスの検出であり、このため、同期制御モジュール15は、デシメータへの出力で得られるサンプルにおいて最大類似度の基準を適用する。この基準は他の応用においても知られており、以下の式
Λ(θ,ε)=|γ(θ)|cos(2πε+∠γ(θ))−ρξ(θ)
で定義される。ここに、θはサンプルの時刻であり、ε=Δf*(Ts+Tcp)(ここに、Tsは1つのシンボルの送信と受信の時間であり、Tcpは、循環的接頭部の時間である)は、送信と受信の発振器の間の差であって、類似性を見出すために関連される2つの区間の間の時間差と乗算され、また、以下の関係が成り立つ。
【0042】
【数9】
【0043】
【数10】
【0044】
【数11】
【0045】
ここに、lは、類似性を調べている上記の2つの区間のサンプルの数であり、nは、位相がずれていると分かったサンプルの数である。この場合、l=Nであり、n=N+Lであり、ここで、Nは同期シーケンスにおけるシンボルの1つにおけるサンプルの数であり、Lは、循環的接頭部の数である。したがって、γは、N+Lだけ離れたNサンプルの2つの区間の相関であり、ξはNサンプルのパワーである。
最大類似度の関数は、上記のコサインと上記の相関モジュール(γ)が最大であるときに、最大となる。
時間同期のため、相関最大値(γ)が使用される。これにより、最適な時刻すなわちθoptを得ることができる。
【0046】
周波数同期において、コサインは、
【数12】
であるときに最大となる。ここで、εは、バンドの中の信号を変換するときの周波数オフセットの推定値、すなわち、信号の中のすべてのトーン(tones)(キャリア)にとって等しい周波数誤差である。上の方程式においてn=0とすると、その結果は、Δfs<1/(Ts+Tcp)となり、εにその値を代入すると、以下の式が得られる。
【0047】
【数13】
【0048】
この展開は、アナログバンドへの変換を前提とし、したがって、変位は全てのキャリアにおいて等しい。アナログ信号はバンドの中に変換されないため、この種の誤差は、この発明では存在しない。このサンプリングにもかかわらず、周波数誤差が存在し、これが、周波数の変位を生じる。この変位は信号の中の前記のトーンのそれぞれで異なる。しかし、この変位がすべてのトーンで同じ符号であるため、εは、この誤差の測定値に比例し、推定値(estimator)として使用できる。この場合、相関角は、
【0049】
【数14】
に等しい。この式で、Mは、送信と受信において変換器の前と後での補間とデシメータの因子であり、fcはディジタルキャリアの周波数である。
【0050】
周波数誤差Δfsは、この方程式の他の因子が全て知られていると、前の式からより容易に明らかになる。
2つの同一の同期シンボル16からなる同期シーケンスは、固定された長さの時間で分離されて、耐雑音性を増加し、インパルス雑音による同期検出の確率を低下する。このため、受信部は、このシーケンスから始めて、どの時刻でもその同期を開始できる。図4は、1例を示し、この例では、2つの同期シンボル16の周期的送信は、"S"シンボルごとに送られる。
【0051】
同期シーケンスを検出するため、この発明は、上述の計量を使用する。ここで、最適な時刻において相関(値γ)とパワー(値ξ)は同じ値を持ち、その結果、パワー信号は、相関の最大値を検出するためのしきい値として使用される。最大の相関は、|γ|>C・ξの条件が与えられたとき、探索される。しきい値Cは、インパルス雑音による同期検出の確率を最小にするように決められた固定値である。1対の同じ同期シンボル16を用いて、相関は、理論的には単独のピークを持たず、むしろ、図3に示されるように、ピークは平坦部を持つ。この平坦部は循環的接頭部の中にあるシンボル(ISI)の間の相関なしでサンプルと同じ幅である。これらのサンプルのいずれも、同期シンボルの最後としてとられる。なぜなら、任意の他のサンプルをとっても、DFT13の出力での全てのサンプルにとって等しい位相のずれを生じるのみである。この位相のずれは、等化器により容易に訂正でき、受信で劣化を生じない。
【0052】
平坦部の中央のサンプルは、最適時間同期点としてとられ、ピークを検出するために使用される。
相関は、反復して計算される。このため、同期制御モジュール15は、長さNのサーキュラ・バッファ17を含み、このバッファ17には、現在のサンプルとN+Lサンプル前に到達した共役サンプルの積が格納される。図6では、現在のサンプルは縦のライン18で表わされる。この値は、相関の現在の値に加算され、バッファの出力は、これから減算される。こうして、相関において、全てのメモリ位置の和が得られる。前述の積を得るため、バッファ17と同様に、n=N+Lの長さのバッファ19にサンプルを記憶することが必要である。
【0053】
次の式は、これを数学的に表わしている。
P(d)=P(d-1)+(rdr* d-(N+L))-(rd− Nr* d-(N+L)-N)
ここに、P(d)は相関であり、rdは、現在のサンプルであり、rd− NはNサンプル前に受信部に到達したサンプルであり、Nは、同期シーケンスの中の1つのシンボルにおけるサンプルの数であり、r* d−(N+L)は、N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役であり、r* d−(N+L)−Nは、2N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役である。
【0054】
パワーの計算も、相関のための計算と同様な過程に従って反復して行われる。この場合、式は以下のとおりである。
R(d)=R(d−1)+|rd|2−|rd−N|2
ここに、R(d)はパワーであり、rdは、現在のサンプルであり、rd− NはNササンプルプル前に受信部に到達したサンプルである。
【0055】
図7は、これらの計算の可能な具体化を示す。ここで、上側の分岐20において、パワーが上述の式を用いて計算され、下側の分岐21において、相関が上述の式を用いて計算される。2つの分岐20,21において、Z−N、Z−1、Z−(N+L)に対応する複数の遅延ブロック22が使用され、上述の反復式を計算するように、その指数部で示すサンプルの数の出力を遅延する。
【0056】
こうして計算されたパワーは、乗算器23においてしきい値Cと乗算され、その結果は比較器24に送られて、得られた相関値と比較される。こうして、ピーク検出器25により、図3に示される同期ピークが検出され、そして、検出されたピーク相関から始めて、好ましくはCORDIC回路26を用いて、アークタンジェントを用いる計量の角度の計算を進める。
【0057】
したがって、時間同期のデータ取得を行うため、受信部は、まず、既に説明した方法により同期シーケンスを検出するのを待つ。検出されると、予め決められた数のシンボルだけ後のもう1つの同期シーケンスの到達を待つ。
他方の同期シーケンスが到達しない場合、同期処理は初期状態に戻る。
【0058】
その反対に、第1の2つの同期シーケンスが正しく検出されたとき、もう1つの同期シーケンスの到着が待たれ、これと同様に、ある数の連続する同期シーケンスが検出される。これらの時刻において、検出された同期シーケンスが実際に存在すると仮定される。もし、あるサンプル区間の間に、予期される同期シーケンスが検出できなかったとき、再び初期状態に戻る。同期シンボルのシーケンスは、もし予期される区間の外側で検出されるなら、無視される。
【0059】
周波数における同期データ取得のステージについて、サンプル周波数を生成するため、受信部における高品質の発振器を使用できる。これによる、周波数データ取得ステージは必要でない。この場合、虚数部分が実質的に0であるので、最大にされるべき計量を計算するため、相関の実数部分のみが使用される。したがって、虚数部分を計算する必要はない。
【0060】
他方、もしサンプル周波数を発生する発振器が非常には正確でないとき、1度時間同期が要求されると、周波数における誤差は、各同期シーケンスで推定され、周波数訂正素子により訂正される。周波数訂正素子は、たとえば、受信において固定発振器28aなどの代りに発振器として使用できるVCXO28、または、再サンプル素子27と再サンプルフィルタ12であり、これらは後で説明される。周波数誤差を推定するため、相関角が、好ましくは、相関の虚数部分と実数部分の比のアークタンジェントを計算する上述のCORDIC26または同様な回路により計算される。相関角が分かると、既に説明したように、Δfsが上述の式から計算される。
周波数誤差の計算から始めて、周波数修正と誤差推定の反復計算が、推定値が予め決められたしきい値より小さくなるまで行われる。
【0061】
具体化の1例では、アナログ/ディジタル変換器7におけるサンプル周波数の誤差の訂正が、同期制御モジュール15により制御される電圧28により制御される発振器を用いて、行われ、十分なサンプル周波数に達するように行われる計算から始める。
【0062】
また、周波数訂正素子は、IQ復調器8に信号を出力する再サンプル素子27であっていてもよい。この場合、再サンプルフィルタ12は、循環的接頭部を取り出す前に再サンプルされた信号に適合する必要がある。受信においてサンプル周波数を発生するため電圧により制御される発振器であるVCXO28を用いる場合のように、周波数誤差の粗い訂正の別の方法が使用できるなら、これらのフィルタ12は必要でない。
【0063】
追加ステージは、ヘッドオン送信機が通常に機能しているステージすなわちデータを送信しているステージである。この追加ステージでは、受信されている同期シーケンスが知られているので、もし1つのシーケンスが欠けていても、欠けている同期シーケンスを数えるカウンタの値は増加される。このカウンタがある制限された値に達すると、データ取得ステージが再び実行される。
【0064】
同期シーケンスが到着すると、モジュール13に入る信号の数が変更され、同期制御モジュール15が、循環的接頭部減算モジュール11とモジュール13に作用して、選択されたサンプルが入ることを可能にする。シンボルが始まる時刻を変えたので、シンボルの開始を、循環的接頭部の異なるサンプルに変えたとき位相のずれが変化するので、等化器により再びイコライズする必要がある。このため、上述の等化を実行するため、一連の等化シンボルを同期シーケンスの後に含める。
【0065】
追加ステージについて記載しておかねばならないことは、周波数訂正素子が存在しているけれども、サンプル周波数には常に残留誤差が残っていて、受信で復調するとき、信号点配置の信号点の位置の回転を生じることである。この誤差は、累積していき、もし1つのシンボルの後であるキャリアの回転角が0.3°であれば、10シンボルの後では回転角は3°になる。
【0066】
図8は、誤差がないサンプルの位置を星印で示している。10個のシンボルの後で(回転されている)信号点配置の位置は、円で示されていて、50個のシンボルの後では、十字で示されている。
もし残留誤差が訂正されていないなら、信号点配置の複数の信号点が次の象限に通過する時刻がきて、受信では、他の象限で送られた点として誤って解釈される。
【0067】
残留誤差に追随し訂正するため、等化モジュールに含まれる回転素子(rotor)が周波数ドメインで使用される。さらに、この回転素子を用いて、サンプル周波数の誤差が推定でき、この推定が周波数訂正素子(フィルタを備える再サンプル素子27またはVCXO28)への入力として使用できる。回転素子により推定される推定は、上述の説明から分かるように、アークタンジェントにより得られる推定よりも正確である。
回転素子を使用するため、周波数ドメインにおける各キャリアの信号点配置の回転速度が計算されねばならない。その後で、この回転が、受信した各シンボルについて補償される。
【0068】
電気ネットワークにおける周波数応答の変動は、(このシステムの設計において選択された時間シンボルのため)12個のシンボルの時間では重要でない。そのため、ある時間において、キャリアにおいて生じる回転はサンプル周波数の推定における残留誤差のみによるものであり、チャンネル応答の変化によるものでないと仮定できる。この理由のため、発明の1実施形態によると、16個のシンボルにおいて回転角へのチャンネルの影響は、サンプル周波数の誤差による回転角のため無視できると仮定できる。
この近似を用いて、サンプル周波数の誤差によるサンプルの間のキャリアk-esimaの位相回転は以下にように定義できることを示すことができる。
【0069】
【数15】
【0070】
【数16】
【0071】
ここに、fsは、名目上のサンプル周波数であり、Δfsは、サンプル周波数の誤差であり、Nはシンボルの中のサンプルの数であり、fcはIQ変調のために使用される周波数であり、Mはデシメータ9におけるデシメータ因子であり、Lは循環的接頭部のサンプルの数である。
周波数の残留誤差により生じた回転を訂正するため、受信した信号は回転素子推定値と反対の角度の複素指数関数と乗算されねばならない。
【0072】
各キャリアにおける信号点配置の回転速度を計算するため、下流チャンネルで1つの「グリッド」を送信する。この送信では、固定された変調(好ましくは、その復調のための低い信号対雑音比の変調)を用いる同期シーケンスに続いてシンボルの中のキャリア(複数)を送信する。グリッドキャリアの位置は、ある期間の後で、すべてのキャリアが、1つの時間または他の時間に、固定された変調を使用することを強いるように(すなわち、グリッドキャリアであることを強いるように)、変更できる。ユーザは、そのユーザが情報の宛先であるか否かにかかわらず、それらのキャリアにより送られる情報を知らない。
【0073】
システム設計により固定されるより高い周波数で、各キャリアにおいて生じる最大の回転と、種々の装置における送信用発振器と受信用発振器の間の差により固定されるサンプル周波数の誤差としてのΔfsとを用いて、オーバーラップやオーバーフローを生じることなく各キャリアにおける回転速度の推定ができるように、同じキャリアにおける2つの連続する回転角の間の位相差が180°(πラジアン)より小さいとき、各キャリアにおける回転角の2つの連続する測定の間の最長期間が固定されている。数学的にはこの期間は以下のように計算できる。
【0074】
【数17】
【0075】
【数18】
【0076】
【数19】
ただし、
【0077】
【数20】
【0078】
fmax_errorの値は、シンボルごとにキャリアk-esimaの回転角のための式を用いて得られて、以下の式のようになる。
【0079】
【数21】
【0080】
ここで、Pmax_errorは、最高のキャリアに対応する指標(index)であり、fsは種々の装置における名目上のサンプル周波数であり、Δfsはサンプル周波数の変動であり、Nはシンボルサンプルの数であり、fcはキャリア周波数であり、Mはデシメータ因子である。
異なったキャリアにおける2つの連続する回転角のこの最長期間とシンボル期間との除算により、以下の結果が得られる。
【0081】
【数22】
【0082】
ここに、NTは、あるキャリアにおける角度の2つの連続的測定の間のシンボル数の最大値であるので、グリッドは、このシステムにおいてNサンプルにわたって分布できる。このことから、シンボル当りのグリッドキャリアの数と、1測定期間内のグリッドでのグリッドシンボルの数(NT以下である)との積は、システムの中のキャリアの数Nに等しくなければならない。
【0083】
グリッドの分布の中の2つの可能な具体例は、1つのシンボルの中の全キャリアがグリッドキャリアであることを強制し、または、シンボル期間の中のキャリアを最大のN/NTキャリアに分布する。その目的は、最大のNTサンプルにおいて、回転角の測定が全キャリアにおいて行われ、Ntシンボルに続いて新しい測定過程が行われることである。
【0084】
ヘッドオン装置は、グリッドとして使用されるキャリアを使用しつづけ、(他のキャリアにおいても起こるように)希望の情報を送信するが、それらのキャリアにおいて固定された変調を使用することを強いる。ユーザは、グリッドキャリアにおける情報の宛先であるユーザも、そうでないユーザも、キャリアにおいて使用される変調を知っていて、この受信を用いて、グリッドキャリアにおける回転速度の推定を実行する。
【0085】
ユーザの装置は、(グリッドキャリアにより送られる情報の宛先であるか否かにかかわらず、キャリアにおいて使用されている変調を知っているので)その情報を復調し、受信された信号点配置の信号点を送られるべき信号点配置の信号点と比較することにより、角度のずれを推定する。(グリッドの構成パラメータに依存して)この角度と、複数のシンボル前に計算された角度との差を計算し、次に、2つの測定の間のシンボルの数で除算することにより、回転角が計算されていたキャリアにおける信号点配置の回転速度の推定が得られる。
【0086】
この具体化の1例では、周期が16シンボルであると仮定する。このため、16シンボルごとに、全てのキャリアがある時間でグリッドキャリアとして使用されていて、もしたとえば全部で32キャリアあると、グリッドの1つの形は、グリッドとして2つのキャリアをおき、シンボルごとに位置を変更しつづける。この場合、ヘッドオン装置は、情報を送るためにこれらのキャリアの使用を続けるが、しかし、低い信号対雑音復調の要請(たとえばQPSK)を持つ変調により変調され、ユーザは、(グリッドキャリアにより送られる情報の宛先であるか否かにかかわらず、QPSKで送られることを知っているので、)情報を復調する。その期間が終わると、すなわち、16個のシンボルに続いて、全キャリアについての回転角の値の新しい測定が行われ、したがって、各キャリアにおける回転速度の新しい測定が行われる。この場合、それらのキャリアにおける回転速度を計算するため、このキャリアの中で送られるQPSKシンボルがまず復調される。受信された信号点配置の信号点と座標軸により形成される角度が、送られる信号点配置の信号点の角度から減算され、これにより、このキャリアにおいて生じる角度のずれが分かる。新しい角度が、16シンボルごとにこのキャリアについて計算される。そして、最近計算された角度と16シンボル前に計算された角度との差が16で除算され、シンボルごとの回転速度が分かる。この推定は、前の推定とともに、低域通過フィルタに送られて、突然のチャンネル変化による変動を除去し、また、この推定における雑音の影響を減らす。収束過程を加速するため、種々のキャリアについての結果の周波数平均が実行できる。
【0087】
回転素子を用いた訂正は、信号と、周波数ドメイン、すなわち、モジュール13(特に等化器)における複素指数関数との乗算を含む。簡単にするため、また、この段階における誤差が小さいため、複素指数関数の実数部分を1とし、虚数部分をラジアンで推定した角度とすることができる。
【0088】
全てのキャリアにおけるこれらの回転の平均の計算結果は以下のとおりである。
【0089】
【数23】
【0090】
この平均値は、周波数のこの誤差を正確に訂正するために使用できる周波数誤差の推定値である。このため、この推定値は、より正確な値を得るため、周波数訂正素子(再サンプル素子27と再サンプルフィルタ12またはVCXO28)への入力として使用される。発明の他の実施形態では、アークタンジェントを計算するのに十分な回路、好ましくは上述のCORDIC26、によりアークタンジェントのために得られた相関角から始まる推定が、この段階で使用できる。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】ヘッドエンド送信機のブロック図の最後の部分である。ヘッドエンド送信機により、同期シーケンスとデータが本発明において説明される方法により送られる。送信機の残りの部分は、発明の理解に関連しないので、含まれない。
【図2】周波数訂正を行うVCXOを用いて、本発明における方法により受信部の同期を行う下流チャンネルにおける同期シーケンスを検出するユーザの受信機の開始を示す図である。
【図3】再サンプル素子を周波数訂正を行うフィルタと共に用いる、本発明による受信部の同期を行う他の可能な例を示す図である。
【図4】相関と、受信部により得られたサンプルのしきい値と乗算されるパワーの1例のグラフである。この図は、相関の最大値が種々の例において受信部に維持されていることを明らかに示している。
【図5】下流チャンネルにおいて送られる同期シーケンスの例を示す図である。この同期シーケンスは、2つの同一のOFDMシンボルからなり、下流チャンネルにおいて、S個のシンボルごとに周期的に送られる。
【図6】サーキュラーバッファを用いて受信部に到達したサンプルから始まる、相関とパワーの計算を説明する図である。
【図7】受信部にその時刻に到達したサンプルから始めて、パワーと訂正の計算を行う、本発明による1例のブロック図である。
【図8】シンボルの始めとこのときに受信部によりとられたサンプルの間の複数のサンプルにおける差により受信において生じる信号点配置QPSKの回転のグラフである。
【符号の説明】
【0092】
7 アナログ/ディジタル変換器、 8 復調器、 9 デシメータ、 12 フィルタ、 16 同一の同期シンボル、 27,28 周波数訂正素子。
Claims (18)
- OFDM変調を用いる1対多ポイントシステムにおける複数ユーザーの下流における同期の方法であり、ヘッドエンドと種々のユーザの間での電気ネットワークを介しての双方向通信に適用可能であり、複数のOFDMシンボルにおいて循環的接頭部を追加または抽出する手段を備え、前記の装置の送信と受信とディジタルバンド変換のシステムにおいてインターポレータとデシメータを備え、ヘッドエンドから前記の複数のユーザへの下流チャンネルを介して送られる情報における同期シーケンスを送信して、受信において、周波数と時間の同期をとる方法であって、
ヘッドエンド装置から下流チャンネルによりすべてのユーザの装置へ周期的に送信される2つの同一の同期シンボルを用いて同期シーケンスを生成し、
すべてのユーザの装置では、受け取った前記の同期シーケンスを検出して、ユーザの装置における受信部に含まれるアナログ/ディジタル変換器におけるサンプル周波数を、周波数を同期して、推定して訂正するか、または、ディジタル信号の再サンプルを行い、同時に、時間を同期して、各OFDMシンボルが開始する時刻を推定する、方法。 - 請求項1に記載された方法であって、
受け取った2つのシンボルのサンプルの相関最大値の計算から時間の同期が始まるように、最も類似しているという基準を最大にすることにより同期シーケンスの検出を行い、この最大値は、相関ピークの平らなゾーンの中点であり、その大きさを、サンプルの数で表すと、シンボルの間の干渉がないときの循環的接頭部のサンプルの数に等しく、相関最大値が決定される時刻における相関の角度を計算することにより周波数同期を実行する、方法。 - 請求項2に記載された方法であって、
前記の相関最大値が、パワーと定数Cとの積に対応するしきい値を超える相関ピークを検出することにより計算され、この最大値は、相関ピークの平らなゾーンの中点になり、その大きさを、サンプルの数で表すと、シンボル(複数)の間の干渉がないときの循環的 接頭部のサンプルの数に等しく、定数Cの値は、誤った警告を発生する確率を最小にするように固定され、前記の相関は、以下の式
- 請求項2または3に記載された方法であって、
サンプルと、好ましくはさらに現在のサンプルとNサンプル前に到達したサンプルの複素共役との部分積とを記憶し、
以下の式
P(d)=P(d-1)+(rdr* d-(N+L))-(rd− Nr* d-(N+L)-N)
R(d)=R(d−1)+|rd|2−|rd−N|2
を用いて相関とパワーの計算を反復して行い、ここで、P(d)は相関であり、R(d)はパワーであり、rdは、現在のサンプルであり、rd− NはNサンプル前に受信部に到達したサンプルであり、r* d−(N+L)は、N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役であり、r* d−(N+L)−Nは、2N+Lサンプル前に受信されたサンプルの複素共役である、方法。 - 請求項3に記載された方法であって、
周波数誤差が予め決められたしきい値より小さくなると、前記の相関の実数部のみを使用して計算を単純化することを特徴とする方法。 - 請求項3〜5のいずれかに記載された方法であって、
Cを、パワーとCの積がしきい値として使用できるように前記のパワーと乗算される因子とするとき、前記の同期シーケンスの検出は、誤った警告の確率を最小にするため前記の相関値をパワー値とCの積と比較することにより実行され、|γ|>Cξの条件が与えられたとき、同期シーケンスとそのサンプルのための最適な時刻が探索される、方法。 - 請求項1に記載された方法であって、
前記の2つの同一の同期シンボルが、固定された情報と擬似的にランダムな情報のいずれかからなることを特徴とする方法。 - 請求項1〜6のいずれかに記載された方法であって、
受信部におけるサンプル周波数の同期と時間の同期は、1つのデータ取得ステージとその追加ステージとからなり、データ取得ステージは、決まった数の同期シーケンスの探索、粗い周波数誤差訂正、及び、両方の同期のための追加ステージへの移動からなる、方法。 - 請求項8に記載された方法であって、
時間同期のためのデータ取得ステージは、予め決められた数のシンボルまたは同期シーケンスの到達が始まる1つの同期シーケンスの、位置または時刻での、検出のための待ちステージを設けて、追加ステージに移る前に誤った警報による同期のデータ取得の確率を減らす、方法。 - 請求項8または9に記載された方法であって、
前記の時間同期のデータ取得ステージに続いて、追加ステージがあり、この追加ステージでは、下流チャンネルによりユーザに送られた同期シーケンスを検出し、受信されなかったシーケンスの数を数えつづけ、ある決められた限界を超えると、時間データ取得ステージに戻る、方法。 - 請求項8または10に記載された方法であって、
時間同期に続く追加ステージにおいて、OFDMシンボルの開始をマークする時刻の変更が、新しい同期シーケンスが到着するたびに起こり、この変更は、ユーザの受信部により予測される時間ドメインから周波数ドメインへの変換のステージにおいて適用される1グループのサンプルの変動により実行され、これにより、等化により訂正される、復調された信号点配置における位相の変化すなわち回転を生じ、さらに、等化シーケンスが、好ましくは同期シーケンスの後で送信される、方法。 - 請求項8に記載された方法であって、
受信部の中のアナログ/デジタル変換器におけるサンプル周波数を生成するために使用される発振器が十分に正確である場合、前記の周波数同期データ取得ステージが抑えられる、方法。 - 請求項8に記載された方法であって、
前記の周波数同期データ取得ステージが、時間同期データ取得ステージの後で起こり、このステージは、この計量の最大の時刻における相関角度から始まるサンプル周波数の誤差の推定を含み、この推定は、以下の式
前記の周波数同期データ取得ステージは、さらに、周波数訂正素子を用いてこの誤差を補償する補償ステージを備え、この補償ステージは、選択的に電圧により制御される発振器または再サンプル素子とそれに接続されるフィルタからなり、前記の式から始めて、虚数部と実数部の比のアークタンジェントを計算して、前記の式によりΔfsを求め、これらのステップが、サンプル周波数の誤差の推定があるしきい値より小さくなるまで反復される、方法。 - 請求項8または13に記載された方法であって、
前記の周波数同期に続く追加ステージは、信号点配置の回転速度が受信された各キャリアにおいて計算されている周波数ドメインにおいて各キャリアにおける信号点配置の回転を補償する回転素子により受け取られる信号を乗算することを含む、方法。 - 請求項14に記載された方法であって、
受け取られた各キャリアにおける信号点配置の回転速度を計算するため、下流チャンネルでの送信の間にグリッドが送られ、これは、グリッドキャリアが情報を送るために使用されるとき、ヘッドオン装置に、位置が時間とともに変化するグリッドキャリアとして知られるキャリアにおいて、固定された変調、好ましくは低い信号対雑音比の変調、を使用させて、
ユーザが、グリッドキャリアの位置を知り、そのユーザがグリッドキャリアにより送られる情報の宛先であるか否かにかかわらず、これら2つにより使用される変調を知って、これらのキャリアにおけるライン特性モニタの処理を行い、ここに、ユーザは、それらのキャリアにおける変調された情報を、当該ユーザがこの情報の宛先であるか否かにかかわらず、前もって知らない、方法。 - 請求項15に記載された方法であって、
最高周波数でキャリアにおける最大の回転から始まる前記のグリッドのための最大期間が、オーバーフローが生じないように固定されていて、シンボルの数で表わしたグリッドの期間、すなわち、1つの決められたキャリアの中の角度の2つの連続的測定の間のシンボルの最大数がNTであり、そのグリッドは、すべてのキャリアがNTシンボルの間にそのグリッドに属するように、かつ、
- 請求項15または16に記載された方法であって、
受信において回転速度を計算するため、ユーザは、ヘッドオン装置により送られる情報の宛先であるか否かにかかわらず、グリッドキャリアにより使用される復調を前もって知ってグリッドキャリアにより送られる情報を復調し、通信される信号点配置に関する回転角度を計算して、それらの角度を同じキャリアについての以前の計算結果と比較して2つ角度推定値の間の時間で除算することにより、これらのキャリアの回転速度を計算する、方法。 - 請求項15または17に記載された方法であって、
前記の追加ステージにおいて、周波数誤差を、1つのシンボルにおける各々のキャリアの信号点配置の回転角の平均値を測定することにより求め、この誤差を、周波数訂正素子により訂正し、ここで、この平均値が相関角に等しい、方法。
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