JP2010517337A - 受信デジタル信号のシンボル同期方法および同方法を使ったデジタル信号受信機 - Google Patents

Abstract

受信デジタル信号のシンボル同期の方法およびデジタル信号受信装置が提供される。方法は、受信デジタル信号と１シンボル遅延させた受信信号との相関を取って、最も強い経路と他の経路の組み合わされた効力として第一の相関結果を取得し；前記第一の相関結果から最も強い経路の効果を実質的に除去して最も速い経路の寄与を示す第二の相関結果を取得し；FFT処理を開始するためのシンボル同期タイミングを決定するよう、最も速い経路の最大相関値およびその位置を探索するステップを有する。デジタル信号受信装置は、最も強い経路の効果を実質的に除去することを通じて最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定するシンボル・タイミング検出ユニットによって特徴付けられる。

Description

本発明は、デジタル信号受信技術に、より詳細には受信デジタル信号のシンボル同期方法および同方法を使ったデジタル信号受信装置に関する。

デジタル信号受信システムにとって、同期は一つの決定的に重要な問題であり、OFDMシステムにおいてはシンボル・タイミング、周波数同期およびサンプル・クロック同期を含む。高速フーリエ変換（FFT）を置く位置を決定するシンボル・タイミングについては、この位置の適正な選択は、FFT後のすべてのアルゴリズムに主要なパフォーマンス上の影響をもつ。したがって、取得の早期に良好なタイミングを達成することが望ましい。

いくつかの現行のシステム、たとえば直交周波数分割多重（OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing）システムでは、受信信号は一般に、図１に示されるようなフレーム構造をもつ。ここで、有効シンボルは保護区間（GI: guard interval）によって分離されており、各保護区間は当該有効シンボルの終わりの部分のコピーである。高速フーリエ変換（FFT）前に使用できるパイロットはないので、シンボル・タイミングは巡回的な保護区間によって推定されることになる。

通常、シンボル・タイミング決定は、受信信号と１シンボル遅延させた受信信号との相関値を計算し、相関値のピークを決定し、タイミングを取得し、そのタイミングが受信信号についてのFFT処理開始のための指標として使われる。

通常の推定アルゴリズムは、タイミング位置に対応する最大相関ピークを探索する。これらのアルゴリズムの基本原理は、シフト自己相関である。巡回的プレフィックス、すなわち保護区間が当該有効シンボルの終わりの部分のコピーなので、それらの相関は大きな相関ピーク値をもつ。相関ピークを探索する通常の方法は、次式

で表現できる。

ここで、r_l,nはl番目のシンボルのn番目の受信サンプル〔標本値〕であり、r_l,n+NはそのNサンプル遅延、n_rは探索開始位置、N_gは保護区間の長さ、n_εは推定されるシンボル・タイミング位置、Λ_r(n_r)は時刻n_rにおける受信信号の尤度関数である。

この方法は、AWGN、ETSI-レイリー／リシアン、ETSI-リシアンおよびいくつかの中程度に分散性のチャネルのもとで有効である。しかしながら、単一周波数ネットワーク（SFN: Single Frequency Network）チャネルのような長経路チャネル、特に最初に到着する経路が最強の経路ではなく、最強の経路が最初の経路から、その保護区間にわたるチャネル遅延からさえも遠く隔たっている二経路チャネルでは、通常の推定アルゴリズムはわずかな努力しか与えない。平均ピークまたは最大ピークの位置を推定するのみであり、結果として、受信機のシンボル・タイミング誤差は非常に大きい。通常の方法が使われる場合、第一の経路は無視され、シンボル間干渉（ISI: Inter-Symbol Interference）が生成される。したがって、ISIを避けるために第一の経路を探索し、チャネル推定モジュールにすべてのチャネル・インパルス応答（CIR: Channel Impulse Response）を「見させる」ことが望ましい。

できるだけ早期に良好なタイミングを達成するためにどのようにして最も速いタイミングを検出するかに焦点を当てた多くの研究がある。強いSFNチャネルにおける同期は、チャネルのインパルス応答の中間点を見出す二重相関法を使って達成できる。結果として、第一の有用な経路は相変わらず捨てられる。二経路の距離が保護区間に達するか、さらにはそれより大きくなる場合、誤差はより大きくなる。さらに、二重相関法は単一相関より多くのメモリ資源を必要とする。

欧州特許出願EP1005204は、所定の時間の間にタイミング検出ステップにおいて検出される諸タイミングのうちで最も速いタイミングを選択することによって上述した問題を解決することをねらいとするシンボル同期誤差低減方法を開示している。図２および図３を参照すると、この発明の一つの実施形態では、最も速いタイミングの検出部をもつデジタル信号受信装置が提供される。図２はデジタル信号受信装置の構成の一部を示し、ここで、受信信号はA/Dコンバータ１０１においてデジタル信号に変換され、次いで遅延器１０２において１シンボル遅延させられ、乗算器１０３が受信信号の１シンボル遅延した受信信号との相関値を計算し、積分器１０４が計算された相関値を積分し、減算器１０５および決定器１０６が、受信信号の各フレームの相関値のピークを検出するために決定を実行する。決定器１０６から出力される相関値のピークに関し、最も速いタイミングの検出部１０７は複数の受信フレームのそれぞれについてのピークを比較し、最も速いシンボル同期をFFT処理開始タイミングとして出力する。図３は、最も速いタイミングの検出部１０７の通常の構成の一部を示している。ここで、カウンタ２０１は受信信号の各フレームについてピーク検出されたタイミングにおいて計数動作を中断し、スイッチ２０２は計数された数値を切り換えてそれぞれのメモリ２０３に出力し、比較器が記憶された数値を計算し、最小の数値を最も速いシンボル同期タイミングとして出力する。

上記のように、この発明は、シンボル同期取得の精度を改善し、マルチパス環境のもとでの誤差の可能性を低下させるデジタル信号受信装置を提供することをねらいとする。しかしながら、それでもまだ方法論的に込み入っており、計算のためのメモリ資源の必要性は高い。

したがって、デジタル信号受信のシンボル同期のための改善された方法であって、従来技術の欠点を克服するものを開発することが望ましい。

本発明は、デジタル信号受信のための改善されたシンボル同期方法およびこの方法を使ったデジタル信号受信装置を提供する。

本発明のある側面によれば、マルチパス環境における受信デジタル信号のシンボル同期のための方法が提供される。ここで、本方法は、受信デジタル信号と１シンボル遅延させた受信信号との相関を取って、最強の経路と他の経路の組み合わされた努力として第一の相関結果を取得し；前記第一の相関結果の最大相関値およびその位置を探索するステップを含み；先行ステップの第一の相関結果から最強の経路の効果を実質的に除去して最も速い経路の寄与を示す第二の相関結果を取得し；前記除去するステップ後に最も速い経路寄与に対応する最大相関値およびその位置を探索し；上記諸ステップを繰り返すことを通じて、検出された最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定することを特徴とする。

本発明のもう一つの側面によれば、マルチパス環境においてデジタル信号を受信するデジタル信号受信装置であって、受信デジタル信号と１シンボル遅延させた受信信号との相関を取る相関ユニットを含み、最も強い経路の効果を実質的に除去することを通じて最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定するシンボル・タイミング検出ユニットと、最も速い経路の決定されたシンボル同期タイミングを使って受信信号に対してフーリエ変換処理を実行するフーリエ変換ユニットとを有することを特徴とする。ここで、シンボル・タイミング検出ユニットは、最大相関値およびその位置を探索する第一の比較器と；最も強い経路の効果を実質的に除去する減算器と；最も強い経路の効果が除去されたのちに最大の相関値およびその位置を探索して最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定する
第二の比較器とを有する。

最も強い経路の影響が除去されるので、最も速い経路は単純なアルゴリズムにおいて効率的に検出できる。有利には、最も速い経路のタイミングがマルチパス環境のもとでのシンボル同期において使用される。したがって、受信機のシンボル・タイミング誤差が低減され、シンボル間干渉（ISI）が回避される。

デジタル信号受信装置における相関値計算を示す概略図である。 従来式のデジタル信号受信装置の構成の一部を示す概略的なブロック図である。 図２に示した従来式のデジタル信号受信装置中の、最も速いタイミングの検出部の構成の一部を示す概略的なブロック図である。 二経路環境において得られる相関結果を示す例示的な図である。 図４の相関結果の簡略化された図であって、最も強い経路の効果が除去されて相関を計算する理論を示す図である。 本発明に基づくシンボル同期方法の詳細なプロセスを示す流れ図である。 本発明に基づくデジタル信号受信装置のある実施形態の構成の一部を示す概略図である。

本発明は、デジタル信号受信のための改善されたシンボル同期方法およびこの方法を使ったデジタル信号受信装置を提供する。本発明の概要は、FFTの処理の開始のために最も速いシンボル同期タイミングを使い、最も強い経路の効果を除去することを特徴とする。本発明の実施形態について、これから付属の図面を参照して記載する。

二つの経路を含み、最初に到着する経路が最も強い経路でないことがありうるチャネル・モデルを考えると、本発明の主たる発想は、最も強い経路の効果を除去し、推定基準として閾値を使うことである。図４を参照すると、DVB-Tシステム・フレーム構造（2kモード）に基づく受信信号と１シンボル遅延された受信信号との相関値の例示的な図が示されている。ここで、チャネル遅延は[0 60]μs、相対チャネル電力は[−5 0]dB、最大ドップラー周波数は50Hzである。図４では、二つの主たるピークがある。第一のピークは−5dBの経路からであり、第二のピークは0dBの経路からである。このプロファイルから二つの相関ピークの距離を区別することは難しい。最も速い経路、すなわち最初に到着する経路に対応する第一のピークは、最大ピークの立ち上がり期間に潜没され、該立ち上がりは最初に到着する経路および二番目に強い経路の両方の寄与となっている。したがって、第一のピークは、該第一のピークへの最大ピークの効果を除去することによって決定できる。

本発明によれば、最大ピークの第一のピークへの影響は、線形多様性（linear variety）と同様の方法で推定できる。相関結果は単に三角曲線のようであり、三角曲線の頂部が相関ピーク、すなわち最大相関値であり、これが最も強い経路の寄与あるいは全経路の共通寄与と見なされる。図５は、図４の相関の簡略化された図であり、計算理論を例解する。ここで、x軸は探索位置のインデックス、yラベルは対応する最大相関値、aは第二の経路、すなわち最も強い経路の位置とされ、bは最も強い経路の対応する最大相関値である。Gは最も強い経路の分布長であり、一般に、これは保護区間の長さである。今、次の結果：

が得られる。

最大ピークより前の位置のみが考慮されるので、n_rはaより小さくなければならない。すると、最初に到着した経路についての相関値は、最も強い到着した経路の効力を除去することによって計算できる：
Λ′_r(n_r)＝Λ_r(n_r)−y(n_r) (3)
ここで、Λ′_r(n_r)は、最初に到着した経路から帰結した推定される相関値であり、Λ_r(n_r)は最初に到着した経路および最も強い経路から帰結した相関値である。

次のステップは、最も強い経路の効果が除去されたのちに最大相関値を探索することである。検出されたΛ′_r(n_r(max))が所定の閾値を超えていると、最初の経路の位置が最も速いシンボル同期タイミングとして成功裏に決定される。

図４で参照されるように式(1)の相関結果上で見ることのできる最大ピークが二つの経路の共通の寄与であることを注意しておくべきである。特に二つの経路が互いに非常に近い場合にそうである。すなわち、最大値Mは二つの経路の効力であり、bは最大相関値M以下である。したがって、bは最大相関値Mの正しい値に等しい、すなわちb＝μ×Mである。ここで、Mは最大相関値、比μは1以下の値でその初期値は1である。第一の経路が成功裏に推定されない場合、比の値μは少し低下する。すなわち、wを定数、たとえばw＝0.05としてμ_次＝μ_今−wとする。しかしながら、比の値はいかなる限定もなく低下させられる。比の値が所定のレベルに達し、推定がまだ成功しない場合には、探索プロセスは停止され、最も強い経路が第一の経路と見なされる。

本発明の主たる推定手順を図６に基づいて例解する。ステップ４０１では、受信信号についての、１シンボル遅延された受信信号との第一の相関結果Λ_r(n_r)がまず先に述べたような式(1)を通じて計算される。ステップ４０２では、任意の種類の従来式アルゴリズムにおいて最大相関ピークが探索される。次いで、ステップ４０３において、最初に到着した経路についての第二の相関結果が、式(3)
Λ′_r(n_r)＝Λ_r(n_r)−y(n_r)
に従って最も強い到着した経路の効果を除去することによって計算される。

その後、ステップ４０４で、最も強い経路の効果なしで最大相関値が再び探索され、１シンボル期間を通じたΛ′_r(n_r(max))のピーク値が見出され、その位置n_r(max)が記録される。これが最も速い到着経路に対応する。ステップ４０５では、前記探索の結果が所定の閾値と比較され、検出された結果が信頼できかつ有効であるかどうかが判定され、最も速い経路に対応するピークの位置が判定される。Λ′_r(n_r(max))が所定の閾値を超えていれば、推定される相関値は、最も速い経路の位置に対応するとして成功裏に決定され、決定の成功回数に1加えられる。ステップ４０７におけるように成功回数が所定の値に達した場合は、最終的な決定された位置の出力はすべてのn_r(max)の平均結果であり、よって、タイミング探索手順は完了する。そうでない場合には、ステップ４０２に進む。Λ′_r(n_r(max))が所定の閾値を下回る場合、すなわちステップ４０４の探索が失敗する場合、比μが減らされる、すなわち、たとえばw＝0.05としてμ_次＝μ_今−wとし、ステップ４０２に戻る。

図７を参照すると、本発明に基づくデジタル信号受信装置３００の構成の一部が、遅延器３０１、第一の乗算器３０２、最も速いタイミングの検出ユニット３０３およびFFTユニット３０４を有する。ここで、最も速いタイミングの検出ユニット３０３は第一の比較器３０５、第二の乗算器３０６、減算器３０７、第二の比較器３０８および平均部３０９を含む。遅延器３０１は受信信号を１シンボル遅延させる。第一の乗算器３０２は受信信号と、遅延器３０１で１シンボル遅延させられた受信信号の間の複素乗算処理を実行し、図４に示したような、受信信号および１シンボル遅延した受信信号についての第一の相関値結果を出力する。最も速いタイミングの検出ユニット３０３は、FFT処理を開始するための最も速いシンボル・タイミングを決定するために、最も早く到着した経路の推定を実行する。最も速いタイミングの検出ユニット３０３では、第一の比較器３０５は、任意の可能な通常の方法によって最大ピークを探索し、結果を出力するよう計算を実行する。第二の乗算器３０６は、第二の比較器３０８の推定結果に応じて最も強い経路の最大相関値を再計算する。減算器３０７は、第一の経路への最も強い経路の効力を除去する。第二の比較器３０８は、最も強い経路の効果を除去したのちの最大相関値を探索し、最大相関値が所定の閾値より低い場合に第二の乗算器３０６にフラグを送る。最後に、第二の比較器３０８からの出力が平均部３０９において平均され、FFT回路３０４に出力される。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲から外れることなくさまざまな変形および修正が可能でありうる。

Claims (10)

1. マルチパス環境における受信デジタル信号のシンボル同期の方法であって：
   ・ステップ１：受信デジタル信号と１シンボル遅延させた受信信号との相関を取って、最も強い経路と他の経路の組み合わされた効力として第一の相関結果を取得するステップと；
   ・ステップ２：前記第一の相関結果の最大相関値およびその位置を探索するステップとを含み；
   ・ステップ３：上記ステップの前記第一の相関結果から最も強い経路の効果を実質的に除去して最も速い経路の寄与を示す第二の相関結果を取得するステップと；
   ・ステップ４：上記除去するステップ後の最も速い経路寄与に対応する最大相関値およびその位置を探索するステップと；
   ・ステップ５：ステップ２ないしステップ４の反復を通じて、検出された最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定するステップとを特徴とする、
   方法。
2. ステップ３において、最も強い経路の相関値が、前記第一の相関結果の最大相関値の、ある割合に等しいことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ステップ４において、前記第二の相関結果の最大相関値およびその位置が、推定される相関値を所定の閾値と比較することによって探索され、推定される相関値が所定の閾値より大きい場合には前記最も早い経路の位置が一度決定され、そうでない場合にはステップ２に戻ることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 請求項３記載の方法であって、前記比の値が、前記推定される相関値が前記所定の閾値より大きくないときに前記最も早い経路の位置が決定されないたびに一度、ある値だけ減らされることを特徴とする、方法。
5. 請求項４記載の方法であって、前記比の値が所定のレベルに達し、かつ前記最も速い経路が一つも推定されていない場合、前記探索するプロセスが停止し、最も強い経路が最も早い経路として決定されることを特徴とする、方法。
6. ステップ５において、最も速い経路の決定の回数が所定の値に達した場合、前記最も速い経路のすべての推定された位置の平均結果が、シンボル同期タイミングとして決定されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の方法。
7. マルチパス環境においてデジタル信号を受信するデジタル信号受信装置であって、受信デジタル信号と１シンボル遅延させた受信信号との相関を取る相関ユニットを含み、
   最も強い経路の効果を実質的に除去することを通じて最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定するシンボル・タイミング検出ユニットと、
   最も速い経路の決定されたシンボル同期タイミングを使って受信信号に対してフーリエ変換処理を実行するフーリエ変換ユニットとを有することを特徴とする、
   デジタル信号受信装置。
8. 前記シンボル・タイミング検出ユニットが、
   最大相関値およびその位置を探索する第一の比較器と；
   最も強い経路の効果を実質的に除去する減算器と；
   最も強い経路の効果が除去されたのちに最大の相関値およびその位置を探索して最も速い経路のシンボル同期タイミングを決定する第二の比較器とを有することを特徴とする、
   請求項７記載のデジタル信号受信装置。
9. 前記シンボル・タイミング検出ユニットがさらに、
   最も速い経路のすべての推定された位置の平均結果を計算する平均部を有することを特徴とする、
   請求項８記載のデジタル信号受信装置。
10. 前記シンボル・タイミング検出ユニットがさらに、
    最も速い経路の推定結果に応答して最も強い経路の最大相関値を再計算する乗算器を有することを特徴とする、
    請求項８または９記載のデジタル信号受信装置。

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