JP2010050594A - シンボルタイミング再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の規模をできるだけ小さく、且つ処理遅延を小さくしたシンボルタイミング再生装置を提供する。
【解決手段】このシンボルタイミング再生装置１は、受信機で受信した受信信号から仮のシンボルタイミング位置の推定を行う仮シンボルタイミング位置推定部１３と、仮のシンボルタイミング位置とその前後をサンプル点とした複数の数値系列を作成する数値系列作成部１４と、複数の数値系列の各々の分散値を算出する分散値算出部１５と、最小となる分散値を検索する分散最小値検索部１６と、最小の分散値を与えるサンプル点のタイミングをシンボルタイミングとして出力するシンボルタイミング出力部１７と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばデジタル通信の受信機に用いられるシンボルタイミング再生装置に関する。

デジタル通信の受信機においては、高速にシンボルタイミング同期を確立することが重要である。シンボルタイミング同期方式としてはゼロ交差点を検出する方法が多く用いられている。しかし、伝搬路特性が刻々と変化するデジタル移動無線等の多値変調方式へのこの方法の適用は、ゼロ交差点のジッタが大きくなり、同期引き込みに要する時間が長くなるという問題がある。このため、近年様々な方式が提案されている。

非特許文献１及び特許文献１は、従来のシンボルタイミング再生装置についての文献である。
株式会社 昭晃社 ディジタル移動通信 藤野忠 p133〜 特開平１１−１１２５８９号公報

図５は、非特許文献１のシンボルタイミング再生装置２の構成図である。
このシンボルタイミング再生装置２は、同期検波部２０と、第１、第２アナログ／デジタル変換部（以下、「Ａ／Ｄ変換部」という。）２１、２２と、二乗部２３と、狭帯域のバンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」という。）２４と、再生クロック補間部２５と、シンボルタイミング位置検出部２６と、を備えている。

受信機で受信された受信信号は、入力端子に入力されて同期検波部２０に送られる。同期検波部２０は、受信信号を検波して同相成分（Ｉ成分）と直交成分（Ｑ成分）とからなるベースバンド信号を生成する。ベースバンド信号のＩ成分、Ｑ成分は、それぞれ第１、第２Ａ／Ｄ変換部２１、２２でデジタルデータに変換される。その後、デジタルデータは二乗部２３で二乗され、ＢＰＦ２４で濾波された後に再生クロック補間部２５に入力されて、クロック再生処理が行われる。シンボルタイミング位置検出部２６は、再生されたクロックからシンボルタイミングの位置を検出して、検出したシンボルタイミングを出力端子から出力する。

シンボルタイミング再生装置２では、受信信号の伝送路に遅延歪みが存在する場合に、出力端子から出力されるシンボルタイミングと受信信号の波形の最適識別点が必ずしも一致しない。遅延歪みが発生すると、受信信号に含まれるクロックの遅延量が周波数成分毎に異なるために、図７に示すようにアイパターンに波形歪みが生じる。シンボルタイミング再生装置２は、主に受信信号の基本シンボル周波数に一致する成分を抽出する構成となっているために、抽出したクロック位相により決まるシンボルタイミング位置が、遅延量の異なる他の周波数成分に関しては必ずしも最適な識別点にはならない。再生したシンボルタイミングと最適な識別点が一致しない場合、特性劣化の要因になる。そのために、シンボルタイミング再生装置２を用いる場合には、遅延歪みが存在しても最適な識別点をシンボルタイミング位置として出力できるような工夫が必要である。

特許文献１のシンボルタイミング再生装置は、以上のような非特許文献１のシンボルタイミング再生装置２の問題を解決するものである。図６は、特許文献１のシンボルタイミング再生装置３の構成図である。
特許文献１のシンボルタイミング再生装置３は、同期検波部３０と、第１、第２Ａ／Ｄ変換部３１、３２と、数値系列作成部３３と、Ｘ個（Ｘ：自然数）の分散値算出部３４１〜３４Ｘと、分散最小値検索部３５と、シンボルタイミング位置検出部３６と、を備えている。

受信機で受信された受信信号は、入力端子に入力されて同期検波部３０に送られる。同期検波部３０は、受信信号を検波してＩ成分とＱ成分からなるベースバンド信号を生成する。ベースバンド信号のＩ成分及びＱ成分は、それぞれ第１、第２Ａ／Ｄ変換部３１、３２でデジタルデータに変換される。数値系列作成部３３は、デジタルデータからベースバンド信号の振幅値或いは振幅の二乗値を１シンボル当たりＸ個の数値系列にして出力する。各数値系列は、受信信号をＸ個のサンプル点に分割したときの各サンプル点の振幅値或いは振幅の二乗値の列である。分散値算出部３４１〜３４Ｘでは、１シンボル当たりＸ個の数値系列のそれぞれのバラツキを表す分散値を算出する。算出されたＸ個の分散値は、分散最小値検索部３５で最小値が検索される。最小の分散値をとる数値系列となるサンプル点が、シンボルタイミング位置としてシンボルタイミング出力部３６を介して出力端子から出力される。

図８は、特許文献１のシンボルタイミング再生装置３による、電力の分散値とアイパターンの位置関係を示した図である。電力の分散値は、アイパターンの開口が最大となるタイミングで最小値をとる。そのために、分散値が最小となるタイミングをシンボルタイミングとすることで、最適な識別点を抽出可能である。

特許文献１のシンボルタイミング再生装置３は、上記の通り、非特許文献１のシンボルタイミング再生装置２で生じる問題を解決する。しかし、特許文献１のシンボルタイミング再生装置３は、分散値を算出するための分散値算出部３４１〜３４Ｘが多数必要となり、装置全体が大規模になり、また処理遅延が大きくなる。特に、シンボルタイミング再生を高精度で行う場合には、１シンボル当たりのサンプル点（数値系列の数）を多くする必要があり、分散値算出部が多数必要になる。そのために、装置規模及び処理遅延の問題が深刻になる。

本発明は、上記の問題に鑑み、装置の規模をできるだけ小さくし、且つ処理遅延を小さくしたシンボルタイミング再生装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決する本発明のシンボルタイミング再生装置は、受信機で受信した受信信号から仮のシンボルタイミング位置の推定を行う仮シンボルタイミング位置推定部と、前記仮のシンボルタイミング位置とその前後をサンプル点とした複数の数値系列を作成する数値系列作成部と、前記複数の数値系列の各々についてそのバラツキを表す分散値を算出する分散値算出部と、最小となる前記分散値を検索する分散最小値検索部と、最小の分散値を与えるサンプル点のタイミングをシンボルタイミングとして出力するシンボルタイミング出力部と、を備える。

数値系列を仮のシンボルタイミング位置とその前後についてのみ作成するために、従来のように１つのシンボル全体について作成する必要がなく、数値系列の数を大幅に減らすことができる。そのために、分散値算出部を少なくすることができ、装置全体を小さくすることができる。また、処理遅延も小さくできる。

前記数値系列作成部は、例えば前記受信信号の振幅値或いは振幅の二乗値の数値系列を作成する。
前記分散値算出部は、例えば前記数値系列を構成する数値の二乗の平均値から前記数値の平均値の二乗を減算して、当該数値系列の分散値を算出する。前記分散値算出部は複数設けられており、前記分散値算出部の各々で並列処理することで前記複数の数値系列から各々の分散値を算出する構成であってもよい。

本発明のシンボルタイミング再生装置は、前記受信信号の信号電力及び雑音電力を算出する伝送品質推定部と、前記信号電力及び前記雑音電力との比に応じて、前記数値の二乗の平均値及び前記数値の平均値を求めるための前記数値の個数を決める平均化数可変部と、を更に備えていてもよい。このような構成では、信号電力と雑音電力との比により表される伝送品質に応じて、平均化に用いる数値の個数が決められる。そのために、適切な処理量でシンボルタイミングを得ることができる。前記平均化数可変部は、例えば前記信号電力及び前記雑音電力と前記数値の個数との関係を表すテーブルを参照して個数を決める。

前記数値系列作成部は、例えば、前記数値系列を、前記仮のシンボルタイミング位置と前記受信信号の最適な識別点とのずれに応じた数だけ作成する。必要なだけ数値系列を作成するので、不要な処理を低減できる。

本発明のシンボルタイミング再生装置は、前記複数の数値系列に対して補間を行い、新たな数値系列を作成する補間処理部を更に備えていてもよい。この場合、前記分散値算出部は、前記新たな数値系列の分散値を算出する。

上記のような本発明により、数値系列を仮のシンボルタイミング位置とその前後についてのみ作成するために、数値系列の数を大幅に減らすことができる。そのために、分散値算出部を少なくすることができ、装置全体を小さくすることができる。また、処理遅延も小さくできる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のシンボルタイミング再生装置１の構成図である。シンボルタイミング再生装置１は、同期検波部１０と、第１、第２Ａ／Ｄ変換部１１、１２と、仮シンボルタイミング位置推定部１３と、数値系列作成部１４と、分散値算出部１５と、分散最小値検索部１６と、シンボルタイミング出力部１７とを備えている。シンボルタイミング再生装置１は、例えば受信機に内蔵され、受信機により受信した受信信号のシンボルタイミング再生に用いられる。

受信機で受信された受信信号は、入力端子に入力されて同期検波部１０に送られる。同期検波部１０は、受信信号を検波してＩ成分とＱ成分からなるベースバンド信号を生成する。ベースバンド信号のＩ成分及びＱ成分は、それぞれ第１、第２Ａ／Ｄ変換部１１、１２でデジタルデータに変換される。これらのデジタルデータは、仮シンボルタイミング位置推定部１３及び数値系列作成部１４に入力される。

仮シンボルタイミング位置推定部１３は、遅延歪みがある場合に推定するシンボルタイミング位置と最適識別点との間に一定のずれが生じるような回路でよく、例えば、非特許文献１のシンボルタイミング再生装置２の二乗部２３〜シンボルタイミング位置検出部２６までの構成をそのまま用いることができる。仮シンボルタイミング位置推定部１３により算出された仮シンボルタイミング位置情報は、数値系列作成部１４に送られる。

数値系列作成部１４は、デジタルデータに変換されたベースバンド信号から、仮シンボルタイミング位置情報による仮シンボルタイミング位置とその前後の（ｘ−１）個の位置をサンプル点として、ｘ個の数値系列を作成する。仮シンボルタイミング位置以外のサンプル点の位置や数は、受信信号の伝搬路の周波数特性や、受信信号の波形と仮シンボルタイミング位置との関係から決定する。事前に仮シンボルタイミング位置と最適識別点とのずれ量がわかるならば、サンプル点の位置や数を、マージンや誤差、温度変化による特性変化などを考慮して決める。例えば、開発時にオシロスコープなどで波形を観測し、その結果からサンプル点の位置や数を決める。
従来は、１シンボルをＸ等分してサンプル点を決めていたが、この実施形態では、仮シンボルタイミング位置の前後にサンプル点を決めればよい。そのために、従来よりもサンプル点を大幅に減少させることができる。
各数値系列は、下記の式（１）、（２）のｘｎに相当する。数値系列ｘｎは、受信信号の振幅値或いは振幅の二乗値から算出される。数値系列作成部１４で作成された数値系列は、分散値算出部１５へ送られる。分散値算出部１５は、ｘ個の数値系列からそれぞれのバラツキを表す分散値を算出する。

分散値の算出について説明する。図２は、受信信号のアイパターンの例示図である。従来は、１シンボルをＸ等分したサンプル点の振幅値或いは振幅の二乗値について、それぞれＮシンボル分の平均化処理を実行し、各サンプル点の振幅値或いは振幅の二乗値の平均値（ｍ₀〜ｍ_X）を算出する。しかし、本実施形態では、図２に示すように、数値系列作成部１４により仮シンボルタイミング位置とその前後の位置をサンプル点として作成されたｘ個（図２では５個）の数値系列により、各サンプル点の振幅値或いは振幅の二乗値の平均値（ｍ₀〜ｍ_X）を算出する。次いで、算出した平均値を用いて各サンプル点の分散値（σ₀ ²〜σ_X ²）を算出する。
式（１）は、数値系列ｘ_nの平均値ｍを算出する式であり、式（２）は、分散値σ²を算出する式である。
ｍ＝（ｘ₀＋ｘ₁＋…＋ｘ_N-1）／Ｎ … 式（１）
σ²＝｛（ｘ₀−ｍ）²＋（ｘ_１−ｍ）²＋…＋（ｘ_N-1−ｍ）²｝／Ｎ
＝｛（ｘ₀ ²＋ｘ₁ ²＋…＋ｘ_N-1 ²）／Ｎ｝−ｍ² … 式（２）

図３は式（１）、（２）の処理を実行するための分散値算出部１５の構成図である。分散値算出部１５は、第１、第２乗算部１５１、１５６、第１、第２累積部１５２、１５３、第１、第２除算部１５４、１５５、及び減算部１５７を備えている。
数値系列作成部１４から入力された数値系列ｘｎに含まれる数値は、第１乗算部１５１で二乗されて第１累積部１５２に送られる。第１累積部１５２では、数値系列ｘｎが含むｎ＝０〜（Ｎ−１）までのＮ個の数値の二乗値を加算する。加算結果は、第１除算部１５４でＮで除算される。これにより、入力データの二乗平均が得られる。入力データの二乗平均は、減算部１５の加算端子に入力される。また、入力端子から入力された数値系列ｘｎは、第２累積部１５３にも送られる。第２累積部１５３では、数値系列ｘｎが含むｎ＝０〜（Ｎ−１）までのＮ個の数値を加算する。加算結果は、第２除算部１５５でＮで除算される。除算結果は、第２乗算部１５６で二乗されて、平均の二乗値が得られる。平均の二乗値は、減算部１５７の減算端子に入力される。このようにして減算部１５７からは、数値系列と同数のｘ個の入力データσ²の分散値が得られる。分散値σ²は、分散最小値検索部１６に送られる。

分散最小値検索部１６は、分散値算出部１５で算出されたｘ個の分散値から最小値を検索する。シンボルタイミング出力部１７は、分散最小値検索部１６で検索された最小値の分散値となる数値系列のサンプル点をシンボルタイミングとして決定して、出力端子から再生したシンボルタイミングを出力する。

なお、分散値算出部１５をｘ個並列に設けると、ｘ個の分散値の算出を並列に実行することができ、処理遅延の低減につながる。ｘ個の分散値算出部１５の各々が並列処理によりｘ個の分散値を算出する。数値系列の数が従来よりも少ないために、分散値算出部１５をｘ個設けても、装置全体が従来ほど大きくなることはない。
また、数値系列作成部１４により、仮シンボルタイミング位置と受信信号の波形の最適識別点とのずれに応じて、作成する数値系列ｘｎの数を可変にできる構成とすることで、演算量を抑えて、消費電力の低減が図られる。具体的には、仮シンボルタイミング位置と受信波形の最適識別点とのずれが比較的小さいと判断した場合、作成する数値系列ｘｎの数を少なくすることで不要な処理を低減できる。仮シンボルタイミング位置と受信波形の最適識別点とのずれは、例えば、オシロスコープなどでモニタすることで確認することができる。
さらに、数値系列作成部１４で作成される数値系列ｘｎに対して、補間処理により数値系列を新たに作成すると、サンプリング速度が比較的遅い場合でも、高速サンプリングと同等の性能を実現できる。この場合、数値系列作成部１４内部もしくは数値系列作成部１４の後段に、図示しない補間処理部が設けられる。補間処理部は、例えばラグランジェ２次補間により、数値系列ｘｎの補間処理を行う。

＜変形例＞
図４は、図１のシンボルタイミング再生装置１の変形例の構成図である。このシンボルタイミング再生装置１Ａは、シンボルタイミング再生装置１の構成に、伝送品質推定部１８及び平均化数可変部１９を更に有した構成である。伝送品質推定部１８は、受信信号から当該受信信号がどの程度雑音などで歪んでいるかを表す伝送品質情報を生成して、平均化数可変部１９に送る。平均化数可変部１９は、伝送品質情報から、分散値算出部１５の第１、第２累積部１５２、１５３で累積される数値の個数及び第１、第２除算部１５４、１５５で除算する際の分母となる平均化数Ｎを決めて、分散値算出部１５に送る。分散値算出部１５では、この平均化数Ｎに応じて分散値を算出する。

伝送品質推定部１８は、例えば、受信信号の信号電力と雑音電力とを算出する。或いは、伝送品質推定部１８は、第１、第２ＡＤ変換部１１、１２の出力信号を２乗することで受信電力を算出する。信号電力と雑音電力、或いは受信電力は、伝送品質情報として平均数可変部１９に送られる。
平均化数可変部１９は、伝送品質推定部１８から送られた伝送品質情報により、式（１）、（２）に用いられる平均化数Ｎを決める。平均化数可変部１９は、例えば、伝送品質情報と平均化数Ｎとの関係を表すテーブルを有する。例えば、伝送品質情報の信号電力と雑音電力の比（例えば、Ｓ／Ｎ比）によりテーブルを参照することで、平均化数Ｎが決まるようになっている。

信号電力と雑音電力の比が比較的低い場合には、平均化数Ｎを多く設定し、比較的高い場合には平均化数Ｎを少なく設定する。つまり、伝送品質が劣悪であると判断した場合には、平均化数Ｎを多く設定することにより、平均化処理時の雑音耐性を高めることが可能になる。伝送品質が良好であると判断した場合には、平均化数Ｎを少なく設定することにより、不要な処理を減らすことができ、処理遅延の低減及び消費電力の低減を図ることができる。

本実施形態のシンボルタイミング生成装置の構成図。 受信信号のアイパターンの例示図。 本実施形態のシンボルタイミング再生装置に用いられる分散値算出部の構成図。 本実施形態のシンボルタイミング再生装置の変形例の構成図。 非特許文献１のシンボルタイミング生成装置の構成図。 特許文献１のシンボルタイミング生成装置の構成図。 受信信号のアイパターンの例示図。 特許文献１のシンボルタイミング再生装置による、電力の分散値とアイパターンの位置関係を示した図。

符号の説明

１，１Ａ，２，３…シンボルタイミング生成装置、１０，２０，３０…同期検波部、１１，２１，３１…第１Ａ／Ｄ変換部、１２，２２，３２…第２Ａ／Ｄ変換部、１３…仮シンボルタイミング推定部、１４，３３…数値系列作成部、１５，１５Ａ，３４１〜３４ｎ…分散値算出部、１５１…第１乗算部、１５２…第１累積部、１５３…第２累積部、１５４…第１除算部、１５５…第２除算部、１５６…第２乗算部、１５７…減算部、１６，３５…分散最小値検索部、１７，３６…シンボルタイミング出力部、１８…伝送品質推定部、１９…平均化数可変部、２３…二乗部、２４…ＢＰＦ、２５…再生クロック補間部、２６…シンボルタイミング位置検出部

Claims (8)

1. 受信機で受信した受信信号から仮のシンボルタイミング位置の推定を行う仮シンボルタイミング位置推定部と、
   前記仮のシンボルタイミング位置とその前後をサンプル点とした複数の数値系列を作成する数値系列作成部と、
   前記複数の数値系列の各々についてそのバラツキを表す分散値を算出する分散値算出部と、
   最小となる前記分散値を検索する分散最小値検索部と、
   最小の分散値を与えるサンプル点のタイミングをシンボルタイミングとして出力するシンボルタイミング出力部と、を備える、
   シンボルタイミング再生装置。
2. 前記数値系列作成部は、前記受信信号の振幅値或いは振幅の二乗値の数値系列を作成する、
   請求項１記載のシンボルタイミング再生装置。
3. 前記分散値算出部は、前記数値系列を構成する数値の二乗の平均値から前記数値の平均値の二乗を減算して、当該数値系列の分散値を算出する、
   請求項１又は２記載のシンボルタイミング再生装置。
4. 前記分散値算出部は複数設けられており、前記分散値算出部の各々で並列処理することで前記複数の数値系列から各々の分散値を算出する、
   請求項３記載のシンボルタイミング再生装置。
5. 前記受信信号の信号電力及び雑音電力を算出する伝送品質推定部と、
   前記信号電力及び前記雑音電力との比に応じて、前記数値の二乗の平均値及び前記数値の平均値を求めるための前記数値の個数を決める平均化数可変部と、を備えている、
   請求項３又は４記載のシンボルタイミング再生装置。
6. 前記平均化数可変部は、前記信号電力及び前記雑音電力と前記数値の個数との関係を表すテーブルを備える、
   請求項５記載のシンボルタイミング再生装置。
7. 前記数値系列作成部は、前記数値系列を、前記仮のシンボルタイミング位置と前記受信信号の最適な識別点とのずれに応じた数だけ作成する、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のシンボルタイミング再生装置。
8. 前記複数の数値系列に対して補間を行い、新たな数値系列を作成する補間処理部を更に備えており、
   前記分散値算出部は、前記新たな数値系列の分散値を算出する、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のシンボルタイミング再生装置。

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