JP2006166005A - 多値qamシンボルタイミング検出回路および多値qam通信信号受信機 - Google Patents

多値qamシンボルタイミング検出回路および多値qam通信信号受信機 Download PDF

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Abstract

【課題】多値QAM信号のシンボルタイミングを確実に検出する多値シンボルタイミング信号検出回路を提供する。
【解決手段】オーバーサンプリングI信号がI信号ヒストグラム形成部610に入力されると、この信号を絶対値演算して1シンボル長分バッファリングする。このバッファリングされたデータからオーバーサンプリング周波数に応じたサンプリングタイミングとこのタイミングでの振幅データとを抽出して、サンプルタイミング毎に振幅データを所定期間に亘りバッファリングする。これらのバッファリングされた振幅データから各サンプリングタイミングでの振幅データのヒストグラムを形成する。この振幅データのヒストグラムから、最も発生頻度の高い振幅データに対応するサンプリングタイミングを検出して、シンボルタイミングを取得する。
【選択図】 図2

Description

この発明は、振幅位相変調により情報を通信する多値QAM通信信号のシンボルタイミングを検出する多値QAMシンボルタイミング検出回路およびこれを備えた多値QAM通信信号受信機に関するものである。
情報伝達用のディジタル通信においては、同一パワーでより高速にたくさんの情報を伝送するために各種の変調方式が採用されている。この情報を伝送するための最小の単位としてシンボルが存在し、このシンボルを時系列に複数並べることで通信フレームが構成される。そして、1シンボルにより伝送可能な情報量が多いほど、通信系全体として、所定時間当たりに伝送できる情報量が多くなる。例えば、16値QAM変調方式の信号(以下、「16値QAM通信信号」と称す。)では1シンボルに4ビットの情報が与えられている。そして、QAM変調方式には、取り得る振幅および位相の設定により、16値QAM通信信号以外の多値QAM通信信号も存在する。
このような多値QAM通信信号では、通信フレームにシンボルタイミングを検出するためにユニークワードUWが最初に配置され、さらに所定シンボル数毎にパイロットシンボルPSが配置されている。例えば、インマルサットで用いられる16値QAM通信信号では、最初に40シンボルのユニークワードUWが配置され、29シンボル毎に1シンボルのパイロットシンボルPSが配置されている。これらユニークワードUWやパイロットシンボルPSは予め設定された信号であり、シンボルタイミングを検出し易くするために、通常はBPSK信号に見える信号に設定されている。
しかしながら、このようにユニークワードUWやパイロットシンボルPSを検出する方法では、ユニークワードUWが短い場合にシンボルタイミングの検出精度が低下したり、低いEb/N0の時にシンボルタイミング検出タイミングを所定精度まで高めるまで多くのサンプリング数が必要となったりする。このため、シンボルタイミングが検出できなかったり、検出できたとしても頻繁にシンボルタイミングを検出できるわけではない。
この課題を解決する方法として、特許文献1および特許文献2には、受信機でシンボルタイミング信号に応じた基準信号を生成して、この基準信号と受信した多値QAM通信信号とを比較し、シンボルタイミングを検出するシンボル同期装置が開示されている。また、特許文献3には、予め所定の閾値を設け、受信信号の振幅を時系列で観測しながら前記閾値と比較し、振幅の時系列特性曲線が閾値を表す線とクロスするタイミングをシンボルタイミングとして検出方法が開示されている。
特開2001−24562公報 特開2001−24563公報 特開2003−309613公報
しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載のシンボル同期装置では、受信機内でシンボルタイミング信号に応じた基準信号が必要となり、これに応じてこの基準信号を生成する手段も必要となる。このため、シンボルタイミング検出回路の構成および処理が複雑になってしまう。また、特許文献3に記載のシンボルタイミング検出方法では、閾値を予め設定しておかなければならず、この閾値設定が適切でなければシンボルタイミングを検出することができなかったり、誤検出が発生する。これを防止する方法として閾値を可変にする方法があるが、この方法ではユニークワードUWやパイロットシンボルPSが必要であり、結局ユニークワードUWやパイロットシンボルPSを使用しなければならない。この結果、前述のように閾値設定に時間がかかったり閾値設定が困難になったりする。
したがって、本発明の目的は、ユニークワードUWやパイロットシンボルPSを用いることなく、また、予め設定した基準信号や閾値を用いることなく受信した多値QAM通信信号のみでシンボルタイミングを検出することができる多値QAMシンボルタイミング検出回路を提供することにある。また、この多値QAMシンボルタイミング検出回路を用いた多値QAM通信信号受信機を構成することにある。
この発明は、多値QAM通信信号のシンボルタイミングを検出する多値QAMシンボルタイミング検出回路において、所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号の振幅データを1シンボル周期単位でバッファリングして、オーバーサンプリング周波数に応じたサンプリングタイミング毎の振幅データを検出するサンプリング点振幅検出手段と、1シンボル周期内の各サンプリングタイミングに対応する振幅データをそれぞれ所定期間に亘りバッファリングするサンプリングタイミング別振幅データバッファ手段と、該サンプリングタイミング別振幅データバッファ手段毎に記憶された所定期間内の振幅データのヒストグラムを形成する振幅ヒストグラム形成手段と、該振幅ヒストグラム形成手段の結果から最も検出頻度の高い振幅データに対応したサンプリングタイミングをシンボルタイミングとして検出するシンボルタイミング検出手段と、を備えたことを特徴としている。
また、この発明の多値QAMシンボルタイミング検出回路は、所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号を絶対値演算して絶対値信号を生成する絶対値演算手段を備え、サンプリング点振幅検出手段で、多値QAM通信信号の絶対値信号を用いて振幅データを検出することを特徴としている。
これら構成では、所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号における各サンプリングタイミングに対応する振幅データが検出されてサンプリングタイミングとともに1シンボル長毎にバッファリングされる。この際、所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号を絶対値演算した絶対値信号を用いてサンプリングしても良く、絶対値信号を用いるとサンプリング数が増加する。1シンボル長単位分の振幅データは、対応するサンプリングタイミング毎に所定シンボル数分バッファリングされて、このバッファリングされた振幅データのヒストグラムがサンプリングタイミング毎に形成される。
ここで、雑音が除去されたQAM通信信号(QAM通信信号に限ることなく、振幅変調および位相変調したディジタル通信信号)ではどのようなシンボル配列であってもシンボルタイミングは常に同じ振幅で現れるので、前述のヒストグラムを形成した1シンボル長分のサンプリングタイミングの中には、同じ振幅の検出頻度が高いタイミングが存在するはずである。これは、図4に示すようにQAM通信信号のアイパターンが、シンボルタイミングで所定の振幅に収束することでも分かる。図4は16値QAM通信信号の絶対値信号のアイパターンの概略図である。このように、16値QAMではシンボルタイミングにおいて2つの振幅値に振幅が収束する。
従って、この同じ振幅の検出頻度が高いタイミングを検出することで、シンボルタイミングが検出される。
また、この発明の多値QAMシンボルタイミング検出回路は、所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号にI信号とQ信号とをそれぞれ用い、I信号を用いてサンプリングタイミング毎の振幅データのヒストグラムを形成するとともに、Q信号を用いてサンプリングタイミング毎の振幅データのヒストグラムを形成し、I信号に対する振幅データのヒストグラムと、Q信号に対する振幅データのヒストグラムとからシンボルタイミングを検出することを特徴としている。
この構成では、多値QAM通信信号がI信号とQ信号とから構成されることを利用し、I信号、Q信号毎に前述のヒストグラムを形成する。ここで、I信号でのQ信号でもシンボルタイミングは同じであるので、それぞれの信号のヒストグラムを加算しても検出されるシンボルタイミングは同じはずである。したがって、これらのヒストグラムを加算することで、サンプリングタイミング毎の振幅のサンプル数が実質的に2倍となり、検出精度が向上する。
また、この発明の多値QAM通信信号受信機は、前述の多値QAMシンボルタイミング検出回路を備えるとともに、該多値QAMシンボルタイミング検出回路から出力されるシンボルタイミング信号を用いて、多値QAM通信信号をダウンサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリング手段でサンプリングされたベースバンドの多値QAM信号を復調するベースバンド復調手段と、を備えたことを特徴としている。
この構成では、前述のように検出されたシンボルタイミングを用いて多値QAM通信信号の受信信号をダウンサンプリングしてベースバンド復調することで、確実に情報が復調される。
この発明によれば、受信した多値QAM通信信号のみで、シンボルタイミングを検出することができる。すなわち、従来のように基準信号を用いたり適当な閾値を設定することなく、簡易に且つ確実にシンボルタイミングを検出する多値QAMシンボルタイミング検出回路を構成することができる。
また、この発明によれば、この多値QAMシンボルタイミング検出回路を備えることで、多値QAM変調により伝送される情報を、確実に復調する多値QAM通信信号受信機を構成することができる。
本発明の実施形態に係る多値QAMシンボルタイミング検出回路について図1〜図3を参照して説明する。本実施形態では、多値QAM変調信号として16値QAM変調信号を利用した16値QAMシンボルタイミング信号検出回路について説明する。
図1は本実施形態に係るシンボルタイミング検出回路を備えた16値QAM通信信号受信機の概略構成を示すブロック図である。
図2は図1に示すシンボルタイミング検出回路の概略構成を示すブロック図である。
16値QAM通信信号受信機は、ミキサ1,2,π/2位相回路3、LPF4,5、シンボルタイミング検出回路6、ダウンサンプリング回路7a,7b、復調器8を備える。
16値QAM変調された通信信号のRF受信信号は中間周波数にダウンコンバートされて、16値QAMIF信号となってミキサ1とミキサ2とに分配入力される。
電圧制御発振器(VCO)10は、例えば、このVCO10を含むコスタスループ回路(図示せず)を用いて得られる位相差情報に基づき、所定のオーバーサンプリング周波数のI信号およびQ信号がミキサ1,2から出力されるように、所定周波数の局部発振信号を生成し、ミキサ1に出力するとともにπ/2位相回路3に出力する。π/2位相回路3は、入力された局部発振信号の位相をπ/2だけ移相(遅延)させてミキサ2に出力する。
ミキサ1は、入力された16値QAMIF信号をVCO10からの局部発振信号で直交変調することで、所定のオーバーサンプリング周波数のI信号(以下、単に「オーバーサンプリングI信号」と称する。)を生成して、ローパスフィルタ(LPF)4に出力する。LPF4はオーバーサンプリングI信号に含まれる不要な高調波成分を除去してシンボルタイミング検出回路6に出力するとともにダウンサンプリング回路7aに出力する。
また、ミキサ2は、入力された16値QAMIF信号を、π/2位相制御された局部発振信号で直交変調することで、所定のオーバーサンプリング周波数のQ信号(以下、単に「オーバーサンプリングQ信号」と称する。)を生成して、ローパルフィルタ(LPF)5に出力する。LPF5はオーバーサンプリングQ信号に含まれる不要な高調波成分を除去してシンボルタイミング検出回路6に出力するとともに、ダウンサンプリング回路7bに出力する。
シンボルタイミング検出回路6は、図2に示す構成を実現するハードウエアまたはソフトウエアからなり、後述する方法を用いて入力されたオーバーサンプリングI信号とオーバーサンプリングQ信号とからシンボルタイミングを検出して、シンボルタイミング信号をダウンサンプリング回路7a,7bに出力する。
ダウンサンプリング回路7aは、LPF4から入力されたオーバーサンプリングI信号を、シンボルタイミング検出回路6から出力されるシンボルタイミング信号で同期するとともに、ダウンサンプリングして、ベースバンドI信号のサンプリングデータを復調器8に出力する。また、ダウンサンプリング回路7bは、LPF5から入力されたオーバーサンプリングQ信号を、シンボルタイミング検出回路6から出力されるシンボルタイミング信号で同期するとともに、所定のサンプリング周期でダウンサンプリングして、ベースバンドQ信号のサンプリングデータを復調器8に出力する。ここで、ダウンサンプリング回路7a,7bが本発明の「サンプリング手段」に相当する。
復調器8は、入力されたベースバンドI信号のサンプリングデータとベースバンドQ信号のサンプリングデータとを用いて、既知の方法で16値QAM変調により設定された情報を復調する。ここで、復調器8が本発明の「ベースバンド復調手段」に相当する。
次に、シンボルタイミング検出回路6のより具体的な構成について説明する。
図2に示すように、シンボルタイミング検出回路6は、I信号ヒストグラム形成部610と、Q信号ヒストグラム形成部620と、ヒストグラムデータ加算部640と、シンボルタイミング検出部630とを備える。
I信号ヒストグラム形成部610は、絶対値演算部611、タイミング振幅抽出部612、1シンボル長バッファ613、タイミング振幅バッファ614a〜614n、振幅ヒストグラム形成部615a〜615nを備える。Q信号ヒストグラム形成部620は、絶対値演算部621、1シンボル長バッファ622、タイミング振幅抽出部623、タイミング振幅バッファ624a〜624n、振幅ヒストグラム形成部625a〜625nを備える。ここで、タイミング振幅抽出部612,622が本発明の「サンプリング点振幅検出手段」に相当し、タイミング振幅バッファ614a〜614n,624a〜624nが本発明の「サンプリングタイミング別振幅データバッファ手段」に相当し、振幅ヒストグラム形成部615a〜615n,625a〜625nが本発明の「振幅ヒストグラム形成手段」に相当する。
I信号ヒストグラム形成部610とQ信号ヒストグラム形成部620との処理内容について説明する。なお、I信号ヒストグラム形成部610とQ信号ヒストグラム形成部620とでは、処理する信号がI信号であるかQ信号であるかの違いがあるのみで、信号処理は実質的に同じであるので、説明は省略する。この際、絶対値演算部611と絶対値演算部621とが対応し、タイミング振幅抽出部612とタイミング振幅抽出部622とが対応する。さらに、1シンボル長バッファ613と1シンボル長バッファ623とが対応し、タイミング振幅バッファ614a〜614nとタイミング振幅バッファ624a〜624nとがそれぞれ対応し、振幅ヒストグラム形成部615a〜615nと振幅ヒストグラム形成部625a〜625nとが対応する。
I信号ヒストグラム形成部610の絶対値演算部611にオーバーサンプリングI信号が入力されると、絶対値演算部611は、入力されたオーバーサンプリングI信号の絶対値演算を行い、絶対値信号をタイミング振幅抽出部612に出力する。
タイミング振幅抽出部612は、オーバーサンプリングI信号のサンプリングタイミングとこのタイミングでの振幅データとを1シンボル長の時間分毎に1シンボル長バッファ613にバッファリングする。そして、タイミング振幅抽出部612は、サンプリングタイミングと振幅データとが1シンボル長分だけ1シンボル長バッファ613にバッファリングされると、各サンプリングタイミングに応じたタイミング番号とこの番号に応じた振幅データとをタイミング振幅バッファ614a〜614nに出力する。ここで、タイミング番号は、サンプリングタイミングを取得する毎に順次更新され、1シンボル長分だけ更新されると初期化されて、同様にタイミング番号の更新が繰り返される。すなわち、1シンボル周期毎に同じタイミング番号が出力される。
タイミング振幅バッファ614a〜614nは、それぞれに異なる特定のタイミング番号の振幅データをバッファリングする。このため、タイミング振幅バッファ614a〜614nは、オーバーサンプリング周波数の周期で1シンボル長の周期を除算した個数分だけ備えられている。言い換えれば、例えば、9倍のオーバーサンプリングでは9個のタイミング振幅バッファが備えられている。
これらタイミング振幅バッファ614a〜614nはそれぞれ所定個数の振幅データをバッファリングすると、これらの振幅データをそれぞれ振幅ヒストグラム形成部615a〜615nに出力する。ここで、バッファリングする振幅データの個数、すなわち、ヒストグラムの作成に利用する受信信号の時間長(本発明の「所定期間」に相当する。)は、後述するシンボルタイミング検出部630でシンボルタイミングが他のサンプリングタイミングに対して判別可能な程度になるように適宜設定すればよい。言い換えれば、雑音が多くシンボルタイミングが検出しにくければ所定期間を長くし、雑音が少なくシンボルタイミングが検出しやすければ所定期間を短くすればよい。
振幅ヒストグラム形成部615a〜615nは、入力された振幅データのヒストグラムを形成して、すなわち、振幅データ毎の発生頻度を算出して、ヒストグラムデータ加算部640に出力する。
このようなサンプリングタイミング毎の振幅データのヒストグラム形成はオーバーサンプリングQ信号に対しても行われる。
ヒストグラムデータ加算部640は、オーバーサンプリングI信号に対する各振幅ヒストグラム形成部615a〜615nから出力された振幅データのヒストグラムと、オーバーサンプリングQ信号に対する各振幅ヒストグラム形成部625a〜625nから出力された振幅データのヒストグラムとを入力し、サンプリングタイミング毎に設置された加算機641a〜641nのそれぞれで加算してシンボルタイミング検出部630に出力する。
シンボルタイミング検出部630は、入力されたサンプリングタイミング毎の振幅データのヒストグラムを統合して、図3に示すような振幅データの統合ヒストグラムを形成する。
図3は、振幅データの統合ヒストグラムを示す図である。なお、図3ではオーバーサンプリングを9倍すなわちサンプリングタイミングを9点とし、振幅データの分解能を、振幅「0」を含む8段階にしてサンプリングした結果を示す。また、各サンプリングタイミングでのサンプリング個数mは「32」とした結果を示す。また、サンプリングタイミング番号CH1〜CH9は、この順で時系列に並んでいるものである。
図3に示す結果では、サンプリングタイミング番号CH1における振幅「3」の発生頻度が他のサンプリングタイミング番号CH2〜CH9での特定振幅の発生頻度よりも突出している。また、同様にサンプリングタイミング番号CH1における振幅「1」の発生頻度が他のサンプリングタイミング番号CH2〜CH9での振幅「1」の発生頻度よりも突出している。
ここで、サンプリングタイミング毎の振幅データの発生頻度には特徴があり、前述のようにシンボルタイミングでは基本的に同じ振幅データとなるので、同じ振幅データの発生頻度が他のサンプリングタイミングより突出する。
したがって、同じ振幅データの発生頻度が高いサンプリングタイミングを検出することで、シンボルタイミングを検出することができる。
シンボルタイミング検出部6は、シンボルタイミングを検出するとシンボルタイミング信号を生成して前述のようにダウンサンプリング回路7a,7bに出力する。
このような構成を用いることで、ユニークワードUWやパイロットシンボルPSを利用することなくシンボルタイミングを検出することができる。そして、この際、予めシンボルタイミング検出のための基準信号や閾値を設定しておく必要がなく、容易に且つ確実にシンボルタイミングを検出することができる。
また、このようなシンボルタイミング検出回路を備えることで、確実に16値QAM通信信号を復調する16値QAM通信信号受信機を構成することができる。
なお、前述の説明では、16値QAM通信信号について示したが、16値QAMに限ることなく、データマッピングが方形配置となる多値QAMであれば、前述の構成を適用することができ、前述の効果を奏することができる。
また、前述の説明では、I信号とQ信号とを用いてヒストグラムを形成したが、I信号のみまたはQ信号のみでヒストグラムを形成しても良い。しかしながら、I信号とQ信号とを用いることで、一方のみを用いる場合よりもサンプリング数が倍増するのでより高精度にシンボルタイミングを検出することができる。
また、前述の説明では、サンプリングする時間の長さを長くすることにより精度を向上できることを説明した。しかしながら、次に示す方法を用いることで、サンプリングする全体の長さを長くすることなく精度(感度)を向上することができる。
この場合、タイミング振幅抽出部612,622で各サンプリングタイミングの振幅データをバッファリングする際に、前回バッファリングした1シンボル長分のデータと、今回バッファリング1シンボル長分のデータとを部分的に重複される。この処理を行うことで、タイミング振幅バッファ614a〜614nや624a〜624nに出力されるサンプリングタイミングおよび振幅データが増加する。すなわち、サンプリング時間全体としては変化させることなく、サンプリング数を増加することができ、感度を向上させることができる。
本発明の実施形態の多値QAMシンボルタイミング検出回路の概略構成を示すブロック図 図1に示すシンボルタイミング検出回路の概略構成を示すブロック図 振幅データの統合ヒストグラムを示す図 16値QAM通信信号の絶対値信号のアイパターンの概略図
符号の説明
1,2−ミキサ、3−π/2位相回路、4,5−ローパスフィルタLPF、6−シンボルタイミング検出回路、7a,7b−ダウンサンプリング回路、8−復調器
610−I信号ヒストグラム形成部、620−Q信号ヒストグラム形成部、611,621−絶対値演算部、612,622−タイミング振幅抽出部、613,623−1シンボル長バッファ、614a〜614n、624a〜624n−タイミング振幅バッファ、615a〜615n、625a〜625n−振幅ヒストグラム形成部、630−シンボルタイミング検出部、640−ヒストグラムデータ加算部、641a〜641n−加算器

Claims (4)

  1. 多値QAM通信信号のシンボルタイミングを検出する多値QAMシンボルタイミング検出回路において、
    前記所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号の振幅データを1シンボル周期単位でバッファリングして、前記オーバーサンプリング周波数に応じたサンプリングタイミング毎の振幅データを検出するサンプリング点振幅検出手段と、
    前記1シンボル周期内の各サンプリングタイミングに対応する振幅データをそれぞれ所定期間に亘りバッファリングするサンプリングタイミング別振幅データバッファ手段と、
    該サンプリングタイミング別振幅データバッファ手段毎に記憶された前記所定期間内の振幅データのヒストグラムを形成する振幅ヒストグラム形成手段と、
    該振幅ヒストグラム形成手段の結果から最も検出頻度の高い振幅データに対応したサンプリングタイミングをシンボルタイミングとして検出するシンボルタイミング検出手段と、
    を備えたことを特徴とする多値QAMシンボルタイミング検出回路。
  2. 前記所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号を絶対値演算して絶対値信号を生成する絶対値演算手段を備え、
    前記サンプリング点振幅検出手段は、前記多値QAM通信信号の絶対値信号を用いて振幅データを検出する請求項1に記載のシンボルタイミング検出手段。
  3. 前記所定倍のオーバーサンプリング周波数で検出された多値QAM通信信号にI信号とQ信号とをそれぞれ用い、
    前記I信号を用いて前記サンプリングタイミング毎の振幅ヒストグラムを形成するとともに、前記Q信号を用いて前記サンプリングタイミング毎の振幅ヒストグラムを形成し、
    前記I信号に対する振幅ヒストグラムと、前記Q信号に対する振幅ヒストグラムとから前記シンボルタイミングを検出する請求項1または請求項2に記載の多値QAMシンボルタイミング検出回路。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれかに記載の多値QAMシンボルタイミング検出回路を備えるとともに、
    該多値QAMシンボルタイミング検出回路から出力されるシンボルタイミング信号を用いて、前記多値QAM通信信号をダウンサンプリングするサンプリング手段と、
    該サンプリング手段でサンプリングされたベースバンドの多値QAM信号を復調するベースバンド復調手段と、を備えたことを特徴とする多値QAM通信信号受信機。
JP2004354375A 2004-12-07 2004-12-07 多値qamシンボルタイミング検出回路および多値qam通信信号受信機 Pending JP2006166005A (ja)

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