JP2006523420A - Ｍ−ｄｐｓｋチャネルにおけるタイミング同期 - Google Patents

Abstract

本発明は、差動位相偏移（ＤＰＳＫ）変調を用いた通信チャネル、特に、ＲＦ無線通信チャネル上の受信機で、送信されたデータ・パケット（５）とのタイミング同期化（３０）の改善された方法を開示する。本発明は、ディジタル信号処理のため必要な回路、特に、乗算器の複雑さを低減する。本発明はまた、従来の既知の方法と比べて性能を増大する。

Description

［開示の分野］
この開示は、無線ディジタル通信システムに関し、詳細には、差動位相偏移信号を用いたディジタル同期に関する。

［背景］
ディジタル通信において、バイナリ情報は、送信機から受信機へシンボルのシーケンスを介して通信され、そして各シンボルは、１組の状態を有する。これらのシンボルの異なる状態を用いて、送信されるべき情報ビットを表す。各シンボルは、１又はそれより多いビットを表し得る。

無線ディジタル通信において、送信されるべき信号は、搬送波周波数と呼ばれるその周波数中心を特定の周波数へ偏移させることにより変調される。変調の１つの特定の方法は、シンボル周期と呼ばれる或る一定の周期の持続時間の間搬送波周波数の位相を変える方法であり、そこにおいて、シンボルの位相は、ディジタル情報を表す。この変調方法は、位相偏移変調（ＰＳＫ）と呼ばれる。

ＰＳＫ変調されたシンボルの受信機での検出は、送信機の局部発振器周波数と受信機の局部発振器周波数との間の正確な一致を必要とする。２つの周波数のいずれの不一致も、受信機での情報ビット・ストリームを回復する能力を劣化させる。２つの発振器間の周波数差は、受信機で見られる搬送波周波数誤差と呼ばれる。受信機の信頼性への周波数誤差の影響は、差動位相偏移（ＤＰＳＫ）変調を用いることにより最小にすることができ、そのＤＰＳＫ変調においては、情報ビットは、現在のシンボルとその前のシンボルとの間の位相差の中に符号化される。この位相差がＭ個の状態を有する場合、そのＤＰＳＫ変調は、Ｍ−ＤＰＳＫ変調と呼ばれる。

２−ＤＰＳＫと呼ばれるＤＰＳＫの最も単純なバージョンにおいては、いずれの隣り合ったシンボル同士間に２つの有り得る位相差、典型的には、ゼロ度及び１８０度（πラジアン）がある。従って、各シンボルは、１ビットを表す。２より多い位相状態を用いることにより、複数のビットを各シンボルにより表し得る。例えば、４−ＤＰＳＫは、１シンボル当たり４つの有り得る位相差異を要求する２ビットを表す。一般的に、この種類の変調方法は、Ｍ−ＤＰＳＫと呼ばれ、ここで、Ｍは有り得る位相変化の整数であり、それは、典型的には２の累乗であり、そして各シンボルは、ｌｏｇ_２（Ｍ）ビットを表す。

複数の送信機が１つの通信チャネルを共用するディジタル通信においては、単一の送信に含まれる送信されるシンボルのシーケンスは、１つのパケットに特定のフォーマットを用いて編成される。パケットは、典型的には、ＡＧＣ（自動利得制御）のためのプリアンブル・フィールド、受信機がタイミング及び搬送波周波数に関して送信機と同期するための同期化フィールド、メッセージＩＤフィールド、誤り訂正フィールド、並びにデータ・ペイロード（ｄａｔａ ｐａｙｌｏａｄ）のような異なるフィールドを含む。パケットを受信するため、受信機は、その局部周波数及びパケット到着タイミングを送信機のそれに対して同期させねばならない。そのような特定のディジタル通信実行標準の一例は、一般的に、ブルートゥース・ハイ・レート（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｈｉｇｈ Ｒａｔｅ）と呼ばれて知られている。

受信機と送信機との間のタイミングの同期化を実行する広く用いられているアプローチは、到来する被受信信号と所定の同期パターン信号との相関を計算する方法である。相関演算において、受信機は、所定の同期パターン信号を表す値のシーケンスを受信された信号値のシーケンスと乗算し、そしてこれらの乗算結果同士を加算して、相関を与える。相関の結果が或る一定のスレッショルドより上に行くとき、受信機は、パケットの到着が検出されたことを決定し、そして当該到着の時刻を用いて、前述の各フィールドの位置にマークを付す。このプロセスは、タイミング同期と呼ばれる。各相関計算に対して、乗算及び加算のシーケンスを計算することが要求され、そして各乗算は、２つのマルチビット（ｍｕｌｔｉ−ｂｉｔ）値の乗算である。この相関は、各サンプルが受信されるにつれて計算されることが必要である。相関を正規化して、到来する被受信信号の未知のパワー・レベルを補償するため、追加の回路が必要とされる。この正規化演算は、相関のための計算と同じオーダの計算を要求し、結果的に、従来の同期化アプローチは、パワー及びコストの面で不十分であることになる。

従って、必要とされるものは、無線通信システムにおいて、パケットの到着を検出するためパワー及びコストの面で効率的なタイミング同期を容易にする方法及び装置である。
［実施形態の詳細な説明］
以下のことは、２−ＤＰＳＫチャネル上に送信されたパケットのタイミング同期に適用された本開示の好適な実施形態である。当業者は、いずれの他のＭ−ＤＰＳＫシステムへのこの方法の拡張を容易に行うことができる。

図１において、復調器１０は、送信された信号５を受信する。なお、その送信された信号５の中に、搬送波周波数が、２−ＤＰＳＫを用いて変調されている。典型的には、送信された信号５は、ブルートゥースのハイ・レート又は中間レート、標準準拠信号、又は８０２．１１（ｂ）準拠標準のような無線信号であろう。復調器１０は、搬送波周波数を除去して、２−ＤＰＳＫベースバンド信号１５を生成する。当該２−ＤＰＳＫベースバンド信号１５は、複素値の信号であり、当該２−ＤＰＳＫベースバンド信号１５の実数部分は、同相信号（Ｉ）であり、当該信号の虚数部分は、直交信号（Ｑ）と呼ばれる。

アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）サンプリング・モジュール２０は、ディジタル・サンプル値の２つのシーケンスを、複素値のＩＱ信号１５から生成する。ビュー２６は、２つのシンボルの表示を有するサンプリングされた信号２５を示す。２つのシンボルのそれぞれの中心が、示されている。１シンボル当たり４サンプルの図示されたサンプリング速度は、典型的なサンプリング速度であるが、しかし他のサンプリング速度を用いることもできる。

同期検出モジュール３０は、サンプリングされた２−ＤＰＳＫベースバンド信号２５を用いて、パケット到着タイミング、又はパケットの開始を表すためシンボル中心サンプル・インデックス３５及びサンプル間隔フラクション（Ｓａｍｐｌｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）４５値を発生する。より詳細には、シンボル中心サンプル・インデックス３５及びサンプル間隔フラクション４５は、パケットの中の特定のシンボル中心の位置、典型的には同期パターンの最初のシンボルを識別する。この検出されたタイミングを用いて、パケットの残りのフィールドのタイミングを導出する。シンボル中心サンプル・インデックス３５は、同期パターン信号の一部分を表すビュー３８を参照すると、シンボル中心の前のサンプルを示し、サンプルｎ＋２は、インデックスされた又は識別されたサンプルである。サンプル間隔フラクション４５は、シンボル中心サンプル・インデックス３５からのシンボル中心の精細な時間推定を与える。サンプル間隔フラクション４５の値は、サンプル周期の一部を表し、このサンプル周期の一部を用いて、特定のサンプルに対する唯１つのインデックスにより得られるタイミング解像度より良好なタイミング解像度を与える。

図２において、位相差分検出モジュール１１０は、複素値のサンプリングされた２−ＤＰＳＫベースバンド信号２５を用いて、位相差分サンプル１１５を生成する。なお、この位相差分サンプル１１５は、シンボル分離（ｓｙｍｂｏｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を有する２つの信号値間の位相差を表す複素値である。シンボル分離は、重なっている部分を含まない１シンボル当たりのサンプルの数と理解される。例えば、１シンボルの間隔を有する２つの符号付きのサンプルは、ここで示されるように、ビュー２６（図１）におけるサンプルｎ＋１及びｎ＋５であろう。

ビット相関モジュール１２０の内部で、ビット回復モジュール１２２が、位相差分サンプル１１５を用いて、候補ビット・ストリーム１２７を発生し、そしてバイナリ相関モジュール１２６は、候補ビット・ストリーム１２７を所定の同期ビット・パターン１２４と相関させて、ビット相関値１２５を生成する。所定の同期ビット・パターン１２４のそれらの値は、特定の同期パターンが生成するであろう単一ビット値の期待されたシーケンスを表す単一ビットのシーケンスである。ビット相関モジュール１２０の動作は、図３を参照してより詳細に説明される。

信号相関モジュール１３０の内部で、サンプル相関モジュール１３２は、位相差分サンプル１１５を所定の同期シンボル・パターン１３４と相関させて、信号相関値１３５を生成する。シンボル中心での信号値が大きさにおいて等しいが、一方それらの極性が異なるので、所定の同期シンボル・パターン１３４は、そのシンボル中心での同期パターン信号の信号値を表すビットのシーケンスでもって表されることができる。それを行うことにより、相関演算における乗算及び加算／減算は、加算／減算のみに還元され、従ってコスト及びパワーを著しく低減する。一実施形態において、所定の同期シンボル・パターン１３４は、所定の同期ビット・パターン１２４と、それらが所定の同期ビット・パターン１２４と同じであることができる点で関連付けられる。信号相関値１３５は、４サンプル毎のサンプルを用いたサンプル・レートで相関値を表す。計算の効率を増すため、信号相関値１３５が、シンボルの中心にあると仮定された、１シンボル当たり唯１つのサンプルを用いて計算される。図４を参照する。この効率的なアプローチを用いて、所定の同期シンボル・パターン１３４は、＋１又は−１により表されるシンボル値のシーケンスまで低減（還元）され、従って、乗算が、加算及び減算に還元される。

タイミング検出論理モジュール１４０内のデータ・パケット検出モジュール１４２は、ビット相関値１２５を用いて、ピーク到着インディケータを発生する。ピーク決定モジュール１４４は、このピーク到着インディケータ及び信号相関値１３５を用いて、シンボル中心サンプル・インデックス３５及びサンプル間隔フラクション４５を発生する。

図３において、位相差分検出モジュール１１０が複素値のサンプリングされた２−ＤＰＳＫベースバンド信号２５から複素値の位相差分サンプル１１５を計算することが示される。信号２５からの各複素サンプルｘ（ｎ）が、１シンボル時間早く現れる複素サンプルの共役と乗算される。複素共役計算を用いて、２つのサンプルの位相差ｘ_ｄ（ｎ）を生成する。

ビット回復モジュール１２２において、位相差分サンプル１１５の実数部が、ゼロのスレッショルドに対して比較されて、位相差分サンプル１１５から候補ビット・ストリーム１２７を発生し、そこにおいて、候補ビット・ストリーム１２７の各ビットは、＋１又は−１のいずれかの値を有するよう取られる。位相差分サンプル１１５の虚数部は、この実施形態においては無視される。それは、所定の同期ビット・パターン１２４が、位相差がゼロ度のとき１で符号化され、そして位相差が１８０度のとき０で符号化されるからである。バイナリ相関モジュール１２６において、それぞれのビットが＋１又は−１のいずれかの値であるＫ個のビット（Ｓ′_１−Ｓ′_Ｋ）を有する所定の同期ビット・パターン１２４は、上記サンプル・レートで、１ビット・シフト・レジスタに格納されている候補ビット・ストリーム１２７からのビットと相関されて、ビット相関値１２５を発生する。示された実施形態は、４サンプルのシンボル分離を有する。この相関の結果、即ち、各サンプル時間に対して１マルチビット・ディジタル値は、ビット相関値１２５を構成する。バイナリ相関モジュール１２６における相関が標準の信号相関で用いられるマルチビット・ディジタル値の非常にコストのかかる乗算より単一ビット値の単純な乗算を用いるので、高い効率が実現されることに注目されたい。

図４は、信号相関モジュール１３０の特定の実現形態を示す。それぞれが＋１又は−１の値を有するＫ個の単一ビット値（Ｓ^＊ _１−Ｓ^＊ _Ｋ）を有する所定の同期シンボル・パターン１３４は、サンプル相関モジュール１３２により上記シンボル分離（４ビット毎）で位相差分サンプル１１５と相関される。この結果が、マルチビット値を格納する先入れ先出しレジスタ・スタックに格納される。この相関の結果、即ち、各サンプル時間に対して１マルチビット値は、信号相関値１３５を構成する。サンプル相関モジュール１３２に用いられるサンプルがシンボル分離にあるので、且つ所定の同期シンボル・パターン１３４が＋１又は−１のシーケンスであるので、サンプル相関モジュール１３２における乗算は、加算及び減算に単純化されることに注目されたい。

図５は、タイミング検出論理モジュール１４０の特定の実施形態を示す。データ・パケット検出モジュール１４２のレジスタＲ_２（４）及びＲ_２（５）は、ビット相関値１２５の２つの連続値を連続的に格納する。Ｒ_２（４）の中の値が（パケット・フォーマットに用いられる特定の同期パターンに適している）スレッショルドＰより大きく、且つＲ_２（５）の中の値がＲ_２（４）の中の値より小さいとき、同期パターン又はパケットが検出され、そしてピーク到着インディケータがアサートされ、それがピーク決定モジュール１４４を活性化する。

ピーク決定モジュール１４４は、５個の連続の信号相関値１３５を連続的に格納する。これらの値は、レジスタＲ_１（１）乃至Ｒ_１（５）に格納される。信号相関値Ｒ_１（４）及びビット相関値Ｒ_２（４）は、Ｒ_１（５）及びＲ_２（５）が対応するサンプル時間と同じサンプル時間に対応する。ピーク到着インディケータが設定されるとき、レジスタＲ_１（１）乃至Ｒ_１（５）の中の値は、ピーク到着インディケータの直前のシンボル時間にわたる信号相関値である。ピーク決定モジュール１４４におけるピーク同調アルゴリズムは、シンボル中心サンプル・インデックス３５として、最大値を有するレジスタＲ_１（１）乃至Ｒ_１（５）を選択する。この最大値及びその隣接値を多項式推定で用いて、２次多項式曲線ピークを見つける。シンボル相関値と一致した非線形多項式に基づくこのピークは、真のピーク到着時間をより高い解像度で表す。シンボル中心サンプル・インデックス３５は、真のピークの前のサンプル・インデックスであり、そしてサンプル間隔フラクション４５は、シンボル中心サンプル・インデックス３５から推定の真のピークまでのフラクショナルなサンプル間隔（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｓａｍｐｌｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ）を表す。

本出願における様々な機能及び構成要素は、データ・プロセッサ、又は複数の処理装置のような情報処理機械を用いて実行され得る。そのようなデータ・プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、ディジタル信号プロセッサ、状態機械、論理回路、及び／又は、ディジタル情報を操作命令に基づいて又は事前定義された要領で操作するいずれの装置であり得る。一般的に、ブロック図により表された様々な機能及びシステムは、本明細書にリストされた１又はそれより多い実現技術を用いて当業者により容易に実現される。命令を発行するデータ・プロセッサを用いるとき、その命令はメモリに格納される。そのようなメモリは、単一のメモリ装置又は複数のメモリ装置であり得る。そのようなメモリ装置は、読み出し専用メモリ・デバイス、ランダム・アクセス・メモリ・デバイス、磁気テープ・メモリ、フロッピィ・ディスク（登録商標）メモリ、ハード・ドライブ・メモリ、外部テープ、及び／又はディジタル情報を格納するいずれの装置であり得る。データ・プロセッサが、その機能のうちの１又はそれより多くの機能を状態機械又は論理回路を介して実行するとき、対応の命令を格納するメモリは、状態機械及び／又は論理回路を含む回路内に組み込まれ得るか、又はそれは、当該機能が組み合わせ論理を用いて実行されるので必要でない場合もあることに注目されたい。そのような情報処理機械は、コンピュータ、パーソナル・ディジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、ハンドヘルド計算装置、ケーブル・セットトップ・ボックス、インターネット・ケーブル・デバイス（例えば、セルラフォンのような）、及び類似のもののようなシステム、又はその一部であり得る。

図面の前述の詳細な説明においては、その一部を形成し、また、開示を実行し得る例示的な特定の実施形態を示す添付図面に言及した。これらの実施形態は、当業者がこの開示を実行するのを可能にする程十分に詳細に説明され、そして他の実施形態を利用し得ること、及び論理的、機械的、化学的及び電気的変更がこの開示の趣旨又は範囲を逸脱することなしに行い得ることが理解される筈である。当業者がこの開示を実行するのを可能にするためには必要でない詳細を避けるため、この記載は、当業者に既知である或る一定の情報を省略している。更に、この開示の教示を取り入れる多くの他の変更された実施形態が、当業者により容易に構成され得る。従って、本発明は、本明細書に記載した特定の形式に限定する意図ではなく、反対に、特許請求の範囲に合理的に含まれることができるような代替、変更及び等価物をカバーすることを意図するものである。

図１は、本開示を用いたシンボル及びパケット同期化に関連する無線ＤＰＳＫ受信機の一部分のブロック図である。 図２は、本開示に従った同期検出モジュールのブロック図である。 図３は、本開示の同期検出モジュールに含まれる位相差分検出モジュール及びビット相関モジュールの詳細なブロック図である。 図４は、本開示の同期検出モジュールに含まれる信号相関モジュールの詳細なブロック図である。 図５は、本開示の同期検出モジュールに含まれるタイミング検出論理モジュールの詳細なブロック図である。

Claims (12)

1. ディジタル位相偏移信号（５）を受信するための第１の入力と、ディジタル位相偏移ベースバンド信号（１５）を与えるための出力とを備える復調器（１０）と、
   前記復調器の出力に結合された入力と、サンプリングされたディジタル位相偏移ベースバンド信号（２５）を与えるための出力とを備えるアナログ／ディジタルサンプリング・モジュール（２０）と、
   前記復調器の出力に結合された入力と、受信されたシンボルの中心に対するサンプルの事前定義された関係を有する前記サンプリングされたディジタル位相偏移ベースバンド信号のサンプルを識別するシンボル中心サンプル・インデックス（３５）を与えるための第１の出力と、前記シンボル中心サンプル・インデックスにより識別されたサンプルから前記受信されたシンボルの推定された中心までのサンプル周期のフラクショナルな部分を識別するサンプル間隔フラクション（４５）を与えるための第２の出力とを備える同期検出モジュール（３０）と
   を備える差動位相偏移信号受信機。
2. 前記受信されたシンボルの中心に対するサンプルの前記事前定義された関係が、前記受信されたシンボルの中心の直前のサンプルを識別する請求項１記載の差動位相偏移信号受信機。
3. 前記受信されたシンボルが同期パターンの一部である請求項１記載の差動位相偏移信号受信機。
4. 前記同期検出モジュールが、
   前記のサンプリングされたディジタル位相偏移ベースバンド信号を受け取り、位相差分サンプル（１１５）のシーケンスを生成するための位相差分検出モジュール（１１０）と、
   前記位相差分検出モジュールに応答する信号相関モジュール（１３０）と、を備え、
   前記信号相関モジュールが、サンプル相関モジュール（１３２）を含み、
   前記サンプル相関モジュール（１３２）が、位相差分サンプルのシーケンスを受け取るための第１の入力と、所定の同期シンボル・パターン（１３４）を受け取るための第２の入力とを有し、
   前記所定の同期シンボル・パターンが、所定の同期ビット・パターンと関連付けられ、
   前記サンプル相関モジュールが、シンボル相関値を生成し、
   前記同期検出モジュールが更に、前記信号相関モジュールに応答して、シンボル中心サンプル・インデックス及びサンプル間隔フラクションを発生するタイミング検出モジュール（１４０）を備える
   請求項１記載の差動位相偏移信号受信機。
5. 前記同期検出モジュールが更に、前記位相差分検出モジュールに応答するビット相関モジュール（１２０）を備え、
   前記ビット相関モジュールが、位相差分サンプルのシーケンスに応答して、回復された候補ビット・ストリーム（１２７）を生成するビット回復モジュール（１２２）を含み、
   前記ビット相関モジュールが、バイナリ相関モジュール（１２６）を含み、
   前記バイナリ相関モジュールが、前記の回復された候補ビット・ストリームを受け取るための第１の入力と、所定の同期ビット・パターン（１２４）を受け取るための第２の入力とを有し、
   前記バイナリ相関モジュールが、ビット相関値（１２５）を生成し、
   前記タイミング検出モジュールが更に、前記ビット相関モジュールに応答する
   請求項４記載の差動位相偏移信号受信機。
6. 前記タイミング検出モジュールが、データ・パケットの到着を前記ビット相関値の比較に基づいて検出するためのデータ・パケット検出モジュール（１４２）を含む請求項５記載の差動位相偏移信号受信機。
7. 多項式推定を用いて、サンプル間隔フラクション値を決定するためのピーク同調モジュール（１４４）を更に備える請求項５記載の差動位相偏移信号受信機。
8. 差動位相偏移信号受信機であって、
   差動位相偏移変調信号を受信して、位相差分サンプル（１１５）のシーケンスを生成するための位相差分検出モジュール（１１０）と、
   前記位相差分検出モジュールに応答するビット相関モジュール（１２０）と、を備え、
   前記ビット相関モジュールが、位相差分サンプルのシーケンスに応答して、回復された候補ビット・ストリーム（１２７）を生成するビット回復モジュール（１２２）を含み、
   前記ビット相関モジュールが、バイナリ相関モジュール（１２６）を含み、
   前記バイナリ相関モジュールが、前記の回復された候補ビット・ストリームを受け取るための第１の入力と、所定の同期ビット・パターン（１２４）を受け取るための第２の入力とを有し、
   前記バイナリ相関モジュールが、ビット相関値（１２５）を生成し、
   前記差動位相偏移信号受信機が更に、前記位相差分検出モジュールに応答する信号相関モジュール（１３０）を備え、
   前記信号相関モジュールが、サンプル相関モジュール（１３２）を含み、
   前記サンプル相関モジュールが、位相差分サンプルのシーケンスを受け取るための第１の入力と、所定の同期シンボル・パターン（１３４）を受け取るための第２の入力とを有し、
   前記サンプル相関モジュールが、位相差分サンプルの選択されたサブセットについて相関を実行し、
   前記信号相関モジュールが、信号相関値（１３５）を生成し、
   前記差動位相偏移信号受信機が更に、前記ビット相関モジュールに応答し且つ前記信号相関モジュールに応答するタイミング検出論理モジュール（４０）を備え、
   前記タイミング検出論理モジュールが、同期インディケータをビット相関値及び信号相関値に基づいて発生する、差動位相偏移信号受信機。
9. 受信された差動位相偏移信号を同期化する方法であって、
   差動位相偏移変調信号（５）を受信するステップと、
   前記差動位相偏移変調信号を復調して、ベースバンド差動位相偏移信号（１５）を生成するステップと、
   前記ベースバンド差動位相偏移信号から導出された位相差分サンプル（１１５）のシーケンスを決定するステップと、
   前記位相差分サンプルのシーケンスから候補ビット・ストリーム（１２７）を回復するステップと、
   前記候補ビット・ストリームを所定の同期ビット・パターンと相関させて、ビット・ストリーム相関値（１２５）を生成するステップと、
   シンボル分離において前記位相差分サンプルのシーケンスを所定の同期シンボル・パターンと相関させて、信号相関値（１３５）を生成するステップと、
   ビット・ストリーム相関値をスレッショルドと比較して、データ・パケットを検出するステップと、
   前記の検出されたデータ・パケットのピーク同調を実行して、サンプル間隔フラクションを前記信号相関値に基づいて決定するステップと、
   前記の検出されたデータ・パケットの開始時間に関する同期化タイミングを、前記の検出されたデータ・パケット及び前記サンプル間隔フラクションに基づいて決定するステップと
   を備える方法。
10. １組の位相差分サンプル内の位相差分サンプルのサブセットが、前記所定の同期シンボルとの相関中に用いられる請求項９記載の方法。
11. データ・パケットを前記のビット相関値同士の比較に基づいて検出するステップを更に備える請求項９記載の方法。
12. 前記差動位相偏移変調信号信号が、受信されたブルートゥース標準準拠信号である請求項９記載の方法。
    

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