JP3908791B2 - キャリヤレス振幅位相（ｃａｐ）信号のためのシンボルタイミング復元回路網 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明はディジタル信号処理システムにおけるシンボルタイミング復元（ＳＴＲ）回路網に関する。より具体的には、本発明はＳＴＲ回路網内に置かれていて、キャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号と共に使用されることを目的とした誤差推定器に関する。
関連技術の説明
キャリヤレス振幅位相（Ｃａｒｒｉｅｒｌｅｓｓ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｐｈａｓｅ−ＣＡＰ）はＦＴＴＣ（Ｆｉｂｅｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｃｕｒｂ：ファイバ・ツー・ザ・カーブ）ケーブル配信システム用に選択された変調フォーマットである。参考になる情報を記載した文献としては、ＤＡＶＩＣ １．０ 規格パート０８、下位層プロトコルと物理インタフェース（ＤＡＶＩＣ １．０ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐａｒｔ ０８， Ｌｏｗｅｒ Ｌａｙｅｒ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ａｎｄ ＰｈｙｓｉｃａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ）、１９９５（Ｒｅｖ．５．０）およびＷｅｒｎｅｒ，Ｊ．Ｊ．著「キャリヤレスＡＭ／ＰＭに関する解説（Ｔｕｔｏｒｉａｌ ｏｎ ＣａｒｒｉｅｒｌｅｓｓＡＭ／ＰＭ）」、Ｊｕｎｅ ２３，１９９２， ＵＴＰ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｆｏｒｕｍ， ＡＮＳＩ Ｘ ３Ｔ９．５ ＴＰ／ＰＭＤ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐがある。ＣＡＰは周波数分割チャネル方式を採用しないシングルチャネル・システムを目的としている。このシステムは、図１に示すような、直交周波数シフトパルス成形フィルタを使用してＩとＱシンボルコンポーネント（成分）をフィルタにかけることによって「パスバンド（通過帯域）」信号を直接に生成している。このパスバンドはＤＣより若干上にあるため、ＰＯＴＳ（Ｐｌａｉｎ Ｏｌｄ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ）がＣＡＰと同じツイストペア・チャネル上に共存することを可能にし、インパルスノイズ発生器（ｉｍｐｕｌｓｅ ｎｏｉｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）によって影響を受けやすいバンドを回避することを可能にしている。ＰＯＴＳ信号周波数はＤＣとＣＡＰ周波数スペクトラムの間のバンドを占有している。ＣＡＰレシーバはトランスミッタ側のパルス成形フィルタと周波数応答が類似しているパルス成形フィルタを使用しており、そのフィルタ出力は直接にサンプリングされ、データ復元のためのハードまたはソフト判断データとして利用されている。図２はＣＡＰレシーバの一部を示すブロック図である。
シンボルタイミング復元（ＳＴＲ）システムにおいてタイミング誤差（ｔｉｍｉｎｇ ｅｒｒｏｒ）を検出するための手法は、この分野ではいくつかのものが知られている。最も有用な手法の１つは、Ｆｌｏｙｄ Ｍ． Ｇａｒｄｎｅｒ著「サンプルレシーバ用のＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ タイミング誤差検出器（Ａ ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ Ｔｉｍｉｎｇ−Ｅｒｒｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ）」という題名の論文（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｖｏｌｕｍｅ−３４， Ｎｏ． ５， Ｍａｙ， １９８６）に記載されている。この論文には、同期式バンド制限ＢＰＳＫまたはＱＰＳＫデータストリームのタイミング誤差を検出するための、比較的単純なアルゴリズム、つまり、手法が記載されている。この手法では、シンボル当たり２サンプルだけがオペレーション（動作）のために要求されている。２サンプルの１つはシンボル検出のためにも使用されている。この手法は他のコンテクスト（状況、場面）では公知であるが、ＣＡＰ信号処理のコンテクストでは知られていない。
発明の概要
本発明の原理によれば、ＣＡＰ信号のためのシンボルタイミング復元回路網は、受信したＣＡＰ信号におよびＣＡＰ信号バンドの中心周波数の基準信号に応答して動作する乗算器を含んでいる。乗算器の出力信号は誤差推定器に入力され、誤差推定器からタイミング誤差信号出力が得られる。この誤差信号はシンボルサンプリング回路を含む回路網のオペレーションを制御するために使用される。この推定器、例えば、Ｇａｒｄｎｅｒ型推定器は搬送周波数オフセットにほとんど影響されない。
【図面の簡単な説明】
図１は従来のＣＡＰトランスミッタを示す図である。
図２は従来のＣＡＰレシーバを示す図である。
図３はＣＡＰ信号に用いたときの、ＳＴＲ誤差推定器の好ましい実施形態を示す図である。
図４ａはフィルタ処理されていないシンボルデータ・インパルスストリームを示す図である。
図４ｂはＱＡＭパルス成形フィルタ特性を示す図である。
図４ｃはＱＡＭベースバンド複素スペクトラムを示す図である。
図４ｄはＱＡＭ ＩＦ／ＲＦスペクトラムを示す図である。
図４ｅは複素ベースバンドに復調されたＱＡＭを示す図である。
図４ｆはＣＡＰ ＩおよびＱパルス成形フィルタ特性を示す図である。
図４ｇはＣＡＰスペクトラムを示す図である。
図４ｈは復調されたＣＡＰ信号を示す図である。
図４ｉは複素ベースバンドにシフトされたときのＣＡＰ信号周波数を示す図である。
図５は、図３に示すＳＴＲ誤差推定器が置かれているシンボルタイミング復元回路網を示す図である。
発明の詳細な説明
以下の説明では、種々の図中の同様エレメントは同様の番号をつけて示されている。
ＣＡＰ信号に使用されるＳＴＲ誤差推定器の好ましい実施形態１０は図３に示されている。Ｇａｒｄｎｅｒの手法を基礎とする、従来技術のＳＴＲ誤差推定器１２からはＳＴＲ誤差出力を得ている。Ｇａｒｄｎｅｒ型推定器は搬送周波数オフセットにほとんど影響されない。推定器１２は図示のように、加算器、乗算器および遅延要素（Ｚ^-1）の回路配置を有する。ＳＴＲ誤差推定器１２は公知であるので、ここで詳しく説明することは省略する。ＳＴＲ誤差推定器１２への入力は、４つの乗算器サブ回路１６ａ〜１６ｄおよび２つの加算回路１８ａ、１８ｂを含んでいる複素乗算器回路１４から与えられる。前置の直交パルス成形・バンドパスフィルタ（例えば、図２中のフィルタＰｉとＰｑ）からの２つの直交信号ＩｒとＱｒはそれぞれ回路１６ａ〜１６ｄへの一対の入力となる。つまり、信号Ｉｒは乗算器１６ａと１６ｃへの入力となり、信号Ｑｒは乗算器１６ｂと１６ｄへの入力となっている。数値制御発振器（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ −ＮＣＯ）１６は、そのＣＡＰ中心周波数に対応する固定周波数Ｆｃで動作し、その中心周波数のコサイン（余弦）およびサイン（正弦）出力信号を発生する。そのコサイン信号は乗算器１６ａと１６ｄへの第２の入力として与えられ、サイン信号は乗算器１６ｂと１６ｃへの第２の入力として与えられる。そのＣＡＰ信号の既知特性である、その中心周波数はレジスタ１９によって与えられる。その出力は加算器２０に与えられ、加算器２０の出力はディレイエレメント（遅延要素）２２に与えられる。そのディレイエレメント２２の出力はひとつのループをなして加算器２０にフィードバックされている。ディレイエレメント２２の出力はサイン／コサイン・ルックアップテーブル（Ｓｉｎ／Ｃｏｓ ＬＵＴ）２４への入力としても与えられ、ルックアップテーブルからは、コサインと−サインの直交出力が複素乗算器１４への入力として得られる。ＮＣＯ１６と複素乗算器１４を、搬送周波数オフセットに影響されないＧａｒｄｎｅｒ型推定器と一緒に追加すると、公知のＱＡＭシンボルタイミング復元手法が使用できる。そのＣＡＰ信号は、そのＣＡＰ信号の中心周波数で、ＮＣＯ１６から与えられた複素指数（ｃｏｓ＋ｓｉｎｅ）信号に応答して、乗算器１４の作用によってベースバンドにシフトされる。
この好適実施形態１０では、シンボルタイミング復元の目的のためにＣＡＰ信号のスペクトラムをベースバンドにシフトすることは、エレメント１４と１６によって行っている。このスペクトル的にシフトされたＣＡＰのシンボル情報はＣＡＰ中心周波数Ｆｃで回転（スピン）しているが、スペクトルの内容はベースバンドＱＡＭと類似している。図４ａ〜図４ｉはＱＡＭ信号とＣＡＰ信号のスペクトラムの関係を示している。ＣＡＰフィルタ（例えば、図２中のフィルタＰｉとＰｑ）は図４ｆに示すようなフィルタ応答性を示し、図４ａに示すワイドなベースバンドシンボルデータ・インパルスストリームから図４ｇに示すようなフィルタ処理された信号を得ている。Ｆｓはシンボル周波数である。その結果、そのＣＡＰ信号はレシーバの周波数シフト・ルートかさ上げ余弦フィルタ（ｒｏｏｔ ｒａｉｓｅｄ ｃｏｓｉｎｅ ｆｉｌｔｅｒ）（例えば、図２中の同位相フィルタと直角位相フィルタ）によってフィルタにかけられるとき、図４ｈに示すように復調され、そのデータは正しいタイミングでサンプリングすることによって復元される。搬送波復元回路網は要求されない。タイミング復元回路網だけが必要である。受信されたＣＡＰスペクトラムが図４ｉに示すようにベースバンドにシフトされると、そのスペクトラムは図４ｅに示す復調ＱＡＭ信号に一致し、そのタイミング復元方法は公知である。Ｇａｒｄｎｅｒ ＳＴＲ誤差推定手法では、ランダムなコンステレーション（配列、集合）データによって刺激されたとき、シンボルタイミング位相誤差に平均的に比例関係に有るＳＴＲ誤差の出力値を生じさせている。スクランプリングによるか、あるいは高エントロピ符号化データ（ｈｉｇｈ ｅｎｔｒｏｐｙ ｃｏｄｅｄ ｄａｔａ）を使用することにより、あるいはその両方によってランダム化されているランダム化ビットストリームがオペレーションのために必要である。このことは、ＱＡＭ ＳＴＲ誤差推定器の場合にも当てはまる。ＳＴＲループ内のフィルタ（図５中の１１０）はＳＴＲ誤差推定値を平均化する。
図５では、シンボルタイミング制御回路網１００のコンテキストにおけるタイミング誤差推定器１０を示す。シンボルタイミング回路網１００は図２に示す従来のＣＡＰレシーバに関して説明したものと同じように、同位相フィルタＰｉ１０２、直角位相フィルタＰｑ１０４、シンボルサンプリング回路１０６、およびシンポル−データ・マップ（ｓｙｍｂｏｌ−ｔｏ−ｄａｔａ ｍａｐ）１０８と関連づけられている。同位相フィルタ１０２のＩｒ出力は誤差推定器１０への一方の入力となる。直角位相フィルタＰｑ１０２のＱｒ出力は誤差推定器１０への他方の入力となる。誤差推定器１０は、図３を参照して説明した誤差推定器に類似している。ＣＡＰ信号を回路網１４と１６（図３）の手段によってべースバンド（図４ｉ）にシフトすると、図４ｅに示すように、復調されたＱＡＭ信号のスペクトラムに一致するスペクトラムが得られるが、そのタイミング復元方法は公知である。
ユニット１０からのそのＳＴＲ誤差信号は、ループフィルタ１１０の入力に与えられ、その出力はタイミング発振器１１２への入力となり、そこから出力シンボルタイミング情報１１４が得られる。この情報は基本的にサンプリングクロックとなって、回路１０６のシンボルサンプリング・オペレーションを制御するものである。ＳＴＲループ内でローパスフィルタを使用すると、ＳＴＲ誤差推定値の平均値が得られる。フィルタ１１０は公知のように、２次の比例・積分フィルタ（ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ， ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｆｉｌｔｅｒ）である。フィルタ１１０からの出力信号はアナログ−ディジタル・コンバータ（図示せず）に送られ、そこから発振器１１２に渡される。タイミング発振器１１２は信号処理クロックを生成する電圧制御発振器にすることも、シンボルタイミング復元システムをベースとするインタポレータ（補間器）内のＮＣＯにすることも可能である。ひとつのこれに適したクロック信号処理は共に係属中で、現在許可されている米国特許出願０８／７２１，７８０（Ｐａｕｌ Ｇ． Ｋｎｕｔｓｏｎ他、１９９６年９月２５日出願）に記載されている。シンボルタイミング情報１１４はサンプリング回路１０６の制御入力に与えられ、そこで受信信号パターンの「アイ」オープニングでシンボルデータが捕捉（キャプチャ）される。サンプラ１０６は、フィルタ１０２と１０４がアナログであれば、アナログ−ディジタル・コンバータで構成し、フィルタ１０２と１０４がディジタルであれば、補間器で構成することができる。
以上、好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、この分野の通常の知識を有するものならば理解されるように、本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、本発明の構造と機能は種々態様に変更し、改良することが可能である。例えば、推定器１２は搬送周波数オフセットにほぼ影響されない限り、あるいは回路網が搬送周波数Ｆｃにロックされていれば、Ｇａｒｄｎｅｒ型以外のものにすることも可能である。また、サンプラ１０６は図５においてフィルタ１０２と１０４の前に置くことも可能であり、その場合には、サンプラ１０６はフィルタの前でアナログ−ディジタル・コンバータまたは補間器の働きをすることになる。サンプラ１０６をその位置に置くと、図示のようにフィルタ１０２と１０４の後に置いた場合に比べて、４倍の、高いサンプリングレートが得られることになる。

Claims (10)

1. キャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システムであって、
   ある信号に応答して、前記ＣＡＰ信号の中心周波数で、該ＣＡＰ信号をべースバンドに向かってシフトさせるための出力信号を生じさせる基準信号発生器と、
   前記ＣＡＰ信号を受けるための第１入力端子と、前記基準信号発生器からの前記出力信号を受けるための第２入力端子と、出力端子とをもつ複素乗算器と、
   前記乗算器からの前記出力信号に応答して、シンボルタイミング誤差を表す信号を生じさせる誤差推定器とを備えていることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記タイミング誤差を表す信号に応答して、タイミング制御信号を生じさせる制御回路網と、
   前記タイミング制御信号に応答して動作するシンボルサンプリング回路網とをさらに含み、
   前記推定器は前記搬送周波数の周波数オフセットにほぼ影響されないことを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
3. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記誤差推定器はＧａｒｄｎｅｒ型誤差推定器であることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記誤差推定器はＧａｒｄｎｅｒ型誤差推定器であり、
   前記基準信号発生器はサイン関数とコサイン関数を表す複素出力信号を生じさせ、
   前記乗算器は、それぞれが相互に直交関係にあるＣＡＰ信号を受ける一対の入力端子と、それぞれが前記サインおよびコサイン関数信号を受ける一対の入力端子と、該誤差推定器のそれぞれの入力端子に結合された一対の出力端子とをもつ複素乗算器であることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
5. 請求項３に記載のシステムにおいて、
   前記基準信号発生器は数値制御発振器であることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
6. キャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号を処理するためのシステムであって、ＣＡＰ入力とＩｒ出力をもつ同位相フィルタと、ＣＡＰ入力とＱｒ出力をもつ直角位相フィルタと、信号ＩｒとＱｒに応答して出力信号ＩｒｓとＱｒｓをもたらすサンプリング手段と、信号ＩｒｓとＱｒｓに応答してデータ出力をもたらすシンボル−データ・マップとを含んでいるシステムにおいて、
   入力としてＩｒとＱｒをもち、シンボルタイミング復元（ＳＴＲ）信号出力を生じさせる誤差推定器であって、
   信号ＩｒとＱｒに応答して、同位相出力と直角位相出力をベースハンドで生じさせ周波数シフタと、
   周波数シフタからのベースバンドの同位相出力と直角位相出力を２つの入力としてもち、ＳＴＲ信号を出力として発生する誤差推定器とを含んでいるシンボルタイミング誤差推定器と、
   前記ＳＴＲ信号をフィルタにかけて、フィルタ処理出力信号を発生するフィルタと、
   前記フィルタ処理出力信号を入力としてもち、シンボルタイミング情報信号を出力として生じさせる発振器とを備えていることを特徴とする改良されたキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
7. 請求項６に記載のシステムにおいて、周波数シフタは、
   入力として前記信号ＩｒとＱｒをもち、それぞれの２つの複素乗算器出力から同位相出力と直角位相出力をベースバンドで発生する複素乗算器と、
   中心周波数を入力としてもち、コサインとサインを出力としてもつ発振器とを含み、
   前記コサインとサインは該複素乗算器への２つの追加入力となっており、
   誤差推定器は複素乗算器の２つの出力を２つの入力としてもっていることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、前記数値制御発振器（１６）は、
   前記中心周波数を１つの入力としてもつミキサと、
   前記ミキサの出力を１つの入力としてもつディレイ手段であって、該ディレイ手段は該ミキサに接続されて、該ミキサへの第２の入力信号を形成する出力をもつディレイ手段と、
   該ディレイ手段からの出力信号を入力としてもつサイン／コサイン・ルックアップテーブルとを含み、
   前記サイン／コサイン・ルックアップテーブルは前記複素乗算器のための前記コサインおよびサイン信号を生じさせることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
9. 請求項６に記載のシステムにおいて、
   前記ＳＴＲ誤差推定器はＧａｒｄｎｅｒ型誤差推定器であることを特徴とするキャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号用のシンボルタイミング誤差処理システム。
10. キャリヤレス振幅位相（ＣＡＰ）信号に使用されるシンボルタイミング誤差推定器であって、
    直交信号ＩｒとＱｒを入力としてもち、２つの複素乗算器出力を生じさせる複素乗算器と、
    前記直交信号に応答して、シンボルタイミング誤差信号を出力として生じさせるＧａｒｄｎｅｒ型誤差推定器と、
    ある信号に応答して、前記ＣＡＰ信号の中心周波数で複素シヌソイド型出力信号を生じさせ、前記複素乗算器の入力に印加する発振器とを備えていることを特徴とするシンボルタイミング誤差推定器。

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