JP3973933B2 - 曲線当てはめによる位相同期ループ初期化 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル変調信号のコーヒレントな復調の方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル変調信号のコーヒレントな復調のためには、送信信号に対して受信信号の搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットへ受信機が同期されていることが必要である。もし補正されないままになると、受信機における搬送波周波数オフセットは信号のコンステレーション（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）を回転させて、決定領域の境を過ぎて受信信号が回転するたびにエラーを導くかもしれない。搬送波位相オフセットはまた、送信されるコンステレーションに固定的な回転を導入して、送信機に対する受信機における決定領域の不整合によるエラーを引き起こすかもしれない。
【０００３】
先行技術においては一般に、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを獲得し追跡するために、受信機が位相同期ループ（ＰＬＬ）を採用している。初期化の間に、ＰＬＬは搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットに同期する。この期間の後に、ＰＬＬはこれら２つの変数を追跡する。
【０００４】
連続送信システムについては、この獲得期間が全送信インターバルの間に１度しか必要とされないので、この獲得期間はデータのスループットにさして影響しない。しかしながら、パケットをベースとするシステムでは、各パケットが１つの獲得位相を必要とするので、この獲得期間はデータのスループットに否定的な影響を有し得る。
【０００５】
前記の諸理由により、位相同期ループの状態変数の初期値を敏速かつ正確に推定して、これにより獲得期間を減少するような改良された信号処理方法への需要が存在する。本発明は、上述の需要を満たす方法と装置を供給する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、信号処理アルゴリズムを使用して位相同期ループを初期化する方法と装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施例において、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する方法が開示される。この方法は、（１）一連のディジタル変調信号を推定するステップと、（２） 前記推定された諸位相の各々から変調フォーマットにより導入される角回転を除去し、この位相回転は基準信号により計算されるステップと、（３）前記角回転の除去後に前記推定された諸位相から１セットの値を導出し、この値のセットが前記搬送波周波数および推定される位相オフセットの関数であるステップと、（４）前記値を処理して、搬送波周波数と位相オフセットの推定を決定するステップを含む。この実施例において、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットが、位相同期ループ（ＰＬＬ）初期化するために使用されている。
【０００８】
もう１つの実施例において、搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定する装置が提供される。この装置は、（１）一連のディジタル変調信号の位相を推定する位相カルキュレータと、（２）変調フォーマットにより導入される角回転を除去して、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットを表現する一連の位相値を発生する除去変調モジュールと、（３）推定モジュールが搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定することにより、前記推定モジュールが一連の位相値へ前記曲線当てはめアルゴリズムを適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットにより異なる線形関数を発生する前記推定モジュールを含む。更にもう１つの実施例では、この装置は更に、位相カルキュレータ・モジュールにより発生された位相推定値を修正するアンラップ（ｕｎｗｒａｐ）モジュールを含む。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の諸目的は、下記の好ましい実施例の詳細の説明を添付図面を参照して読むことにより一層完全に理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面に例示される本発明の好ましい実施例を説明するにあたって、分りやすくするために特定の技術が使用される。しかしながら本発明はそのように選択された特定の技術用語に限定されることを意図せず、従ってそうした各特定の技術用語は、類似の目的を達成するために類似の仕方で作用する全ての技術的な均等物を含むことを理解すべきである。
【００１１】
諸図面一般と特に図１ないし図６を参照して、本発明の方法と装置が開示される。
【００１２】
図１は、位相同期ループ（ＰＬＬ）１００の基本構成をブロック図形式で図示する。数値制御発信器（ＮＣＯ）１２０は、入力信号
【外１】
の位相を追跡する信号
【外２】
を発生する。ＮＣＯ１２０の出力は、ループ・フィルタにより発生される制御信号
【外３】
により制御される。出力信号
【外４】
の周波数は、信号ｃ（ｎ）に従って変化する。図１に示すように、ＮＣＯは積分器および正弦信号発生器により実施できる。電圧または数値制御発信機を実施する方法は当業界によく知られており、図１に例示した以外の種々の公知の実施をこれに置きかえることができる。
【００１３】
図１に示すように二つの信号
【外５】
および
【外６】
から位相検出器１３０により計算される位相エラー信号
【外７】
により、位相整合が測定される。位相検出器１３０は、たとえば二つの信号の間の位相差分に関する出力を有する低域フィルタに後続されるミクサにより実施できる。位相検出器の他の実施方法も使用できる。
【００１４】
周波数フィルタ１１０として本書に表現されるループ・フィルタは、エラー信号
【外８】
を濾過して制御信号
【外９】
を発生し、制御信号
【外１０】
は、ＮＣＯ１２０により使用されてその出力
【外１１】
を発生する。ループ・フィルタ１１０は、利得
【外１２】
を特徴とする比例制御により実現される。あるいは、周波数フィルタ１１０は図１の場合のように比例・積分（ＰＩ）制御として実現できる。ループ・フィルタを実施する他の方法も同様に使用できる。図１のＰＬＬ１００は、入力信号
【外１３】
の位相を出力信号
【外１４】
の位相へリンクする伝達関数に関連させることができる。
【００１５】
例示のＰＬＬ１００は、二次項（二次ＰＬＬ）を有する伝達関数を特徴とする。制御理論において知られるように、ある
【外１５】
次ループは、ループの入力が既知であれば、将来の値を初期値から予言できる
【外１６】
状態変数により記述できる。二次ＰＬＬについては、これら二つの状態変数は初期値が推定される搬送波位相オフセットおよび搬送波周波数オフセットであり得るし、従って獲得位相中のそれらの定常状態値に帰結される。
【００１６】
先行技術で遂行されるように、ＰＬＬ１００の初期動作において伝達関数の帯域幅内の周波数を有する基準信号が、ＮＣＯ１２０により使用されて、入力信号の周波数へ同期する。この基準信号は初期搬送波周波数オフセット
【外１７】
および初期搬送波位相オフセット
【外１８】
により初期化され、これらはペア
【外１９】
により表現される。本発明の諸原則により、ペア
【外２０】
は、図２により下記するような信号処理方法を使用して計算される。
【００１７】
図２は、ＰＬＬ１００を初期化する方法を例示する。ＰＬＬ初期化モジュール２００は入力として一連のデジタル変調信号をとり、ペア
【外２１】
を生成して、これをＰＬＬおよびＮＣＯ初期化モジュール２５０へ渡して、ＰＬＬ１００により使用される基準信号を生成する。図２に例示するように、計算位相モジュール２１０が入力としてデジタル変調記号
【外２２】
を取り、この記号
【外２３】
の位相
【外２４】
を推定する。例えばＢＰＳＫコンステレーションから導かれた記号
【外２５】
から、計算位相モジュール２１０が４５゜に等しい位相推定
【外２６】
を発生する。図５の表５００は詳細を後述するが、記号
【外２７】
（列５０６）と位相
【外２８】
（列５０８）の間のマッピングの例を提供する。この位相推定は角度数、ラジアン、または角度数またはラジアンのあらゆる他の測定バージョンで表現できる。
【００１８】
一つの実施例において、計算位相モジュール２１０の出力は度数で表現され、間隔［−１８０,１８０］の中にある。代りにこの出力は間隔［０，３６０］の中にあってもよい。
【００１９】
除去変調モジュール２２０が、下にある変調フォーマットによりもたらされる角回転効果を除去して、搬送波周波数および搬送波位相オフセットのみによる位相推定
【外２９】
を発生する。除去変調モジュール２２０の動作は図３Ａおよび３Ｂにより説明される。
【００２０】
図２へ戻って説明すると、アンラップ（ｕｎｗｒａｐ）・モジュール２３０が位相推定
【外３０】
を開いて（ｕｎｗｒａｐ）、
【外３１】
の線形バージョン
【外３２】
を生成する。このモジュールは図４Ａと４Ｂにより説明される。
【００２１】
本発明の一つの実施例によれば曲線あてはめアルゴリズムが線形位相推定
【外３３】
に適用されて推定値のペア
【外３４】
を生成する。これは曲線あてはめアルゴリズム・モジュール２４０により達成される。直線あてはめアルゴリズム・モジュール２４０は、ペア
【外３５】
に関する一次多項関数により一連の線形位相推定値
【外３６】
を近似する。
【００２２】
一つの実施例において再帰的最小二乗法（ＲＬＳ）が曲線あてはめ法の実施に使用される。ＲＬＳ法は、線形位相推定値
を成分として有する観察ベクトルｙに近似するためにこのように使用される。最小平均二乗平均法（ＮＭＳ）アルゴリズムまたはカルマン・フィルタリング法のような他のアルゴリズムも使用できる。
【００２３】
線形位相推定値のベクトルｙは、ベクトルｕ＝［ｕ（０），ｕ（１），…，ｕ（Ｎ−１）］Tおよびこれに加えてノイズ・ベクトルｔ＝［ｔ（０），ｔ（１），…，ｔ（Ｎ−１）］T（すなわちｙ＝ｕ＋ｔ）として表現できるノイズの多いデータのベクトルである。成分ｕ（ｎ）は、ペア
による線形方程式により表現でき、ここでＴsは、サンプリング周期（秒）であり、
【外３７】
は度数であり、
【外３８】
はヘルツによる搬送波周波数オフセットである。
【００２４】
観測ベクトルｙはまた方程式
【外３９】
でモデル化でき、ここで
【外４０】
は、（Ｎｘ２）マトリックスであって、ｉ＝０，．．．，Ｎ−１について
に等しい行
【外４１】
における成分
【外４２】
を有する。
【外４３】
は、推定すべきマトリックスのパラメータであり、
に等しい。
【外４４】
についての最小二乗解法は、方程式
【外４５】
により、与えられる。
【外４６】
に等しい推定値
【外４７】
は、ＲＬＳまたはカルマン・フィルタリング・アルゴリズムを使用して再帰的に計算できる。そうしたアルゴリズムは当業者によく知られている。推定値を計算するための他の方法も同様に使用できる。
【００２５】
ペア
【外４８】
の推定はＲＬＳ法により説明される。ＲＬＳ法の背後にある基本的概念は、新しい測定値が利用可能になるときにその最小二乗推定値を連続的に更新することである。時間
【外４９】
は、下記のように書き直される。
【数１】
ここで
である。時間ｎにおける
【外５０】
の最小二乗（ＬＳ）推定値は、下記の再帰を使用して再帰的に計算できることを示している。
【数２】
Ｐ0は既知であるかまたは正確に推定されると仮定し、またはＣnは決定論的であるのでＫNは事前計算できる。Ｐ＝０を、正しく初期化する方法はそれを大きな対角行列に等しくセットすることである。たとえば
であり、
とすると、この２ｘ１ベクトルＫの最初の１０個の値は下記の通り与えられる。
【数３】
【００２６】
再帰４および５へのベクトルＫを適用することにより、推定値
【外５１】
が獲得され、こうしてペア
【外５２】
が計算される。
【００２７】
ＰＬＬおよびＮＣＯ初期化モジュール２５０により表現されるような状態変数初期化モジュールは、曲線当てはめアルゴリズム・モジュール２４０から得られる搬送波周波数・位相オフセット推定値を使用して、ＰＬＬ１００の諸状態変数を初期化する。
【００２８】
図３Ａは、図２に示される除去変調モジュール２２０の種々の構成要素を例示する。除去変調モジュール２２０は、一つまたはそれ以上のメモリ素子３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃと通信するように構成された除去変調ロジック３００を含む。図３Ａに示される除去変調ロジック３００の動作は、図３Ｂに示されるフローチャートから容易に理解できる。除去変調ロジック３００は、全ての受信記号について、チャネル歪みにより引き起こされる先行シンボルに関する角回転を推定する。メモリ素子３０１ａ、３０１bおよび３０１ｃが、除去変調ロジック３００により先行する記号処理インターバルから現在の記号処理インターバルへ更新され搬送波されたＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ、ＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇ、Ｓｔａｔｅのような変数の値を保持するために使用される。
【００２９】
除去変調モジュール・ロジック３００は、二相位相シフトキーイング変調（ＢＰＳＫ）の実施で例示されているが、このロジックは多相ＰＳＫ（ＭＰＳＫ）または多重直交振幅変調（Ｍ−ＱＡＭ）のようなあらゆる二次元変調について実施できる。ＢＰＳＫの実施については、もし搬送波周波数オフセット
【外５３】
が
【外５４】
を満足すれば除去変調ロジック３００を適用できる。より大きな搬送波周波数オフセットについては、一つの記号から他への位相シフトが９０度を超え、位相シフトが転送される信号によるかまたは搬送波オフセットが困難であるかの決定が為される。一般にＭＰＳＫ変調については、もし搬送波周波数オフセット
【外５５】
が
【外５６】
を満足すれば変調オフセットが除去される。
【外５７】
が前記の式を満足しない場合には、受信者に知られるトレーニング・シーケンスが使用されて、
【外５８】
で与えられる不確定を除去する。
【００３０】
図３Ｂのフローチャートは、例示の実施において除去変調ロジック３００により遂行される種々のステップを図示する。この機能の開始（ステップ３０３）において、今回初めてモジュールがコールされたかどうかのテストが遂行される（ステップ３０５）。もしＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇ変数が１に等しければ、「Ｙｅｓ」分岐が取られ、除去変調モジュール２２０が出力位相を入力位相に等しくセットする。（ステップ３１０）。ステップ３１５とステップ３２０で、ＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ変数とＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇ変数が０へリセットされる。
【００３１】
ステップ３０５においてＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが０に等しければ、フローチャートが「ＮＯ」分岐に沿ってステップ３３０へ進行する。ステップ３３０で、入力位相値は、その値にＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ変数の値を加えることにより回転される。ステップ３３５で、回転された入力値が必要ならばたとえばＭＡＴＬＡＢに書かれたコードの下記のソフトウエア手段を使用して［−１８０゜，１８０゜］の範囲に限定される。
【数４】
【００３２】
ステップ３４０で回転された入力位相値と現在の状態の間の位相差がＭＡＴＬＡＢコードにより下記の例示のように計算される。
【数５】
【００３３】
ステップ３４５で、除去変調ロジック３００は、たとえば上記のソフトウエア手段を使用して、ＴｅｍｐＰｈａｓｅのような位相差が範囲［−１８０゜，１８０゜］に限定されることを確実にする。ステップ３５０で出力位相が計算され、ステップ３５５でＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎが更新される。ステップ３５０とステップ３５５は、下記のＭＡＴＬＡＢコードのようなソフトウエア手段を使用して達成できる。
【数６】
【００３４】
ステップ３５７で、上述のものと同等のソフトウエア手段により［−１８０゜，１８０゜］の範囲にＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎが限定される。
【００３５】
図３Ｂに図示されるように、ステップ３０４で除去変調ロジック３００がその動作を終結する以前に、ステップ３６０で、その状態の値を出力位相に等しく設定することにより、現在の状態変数が更新される。
【００３６】
図４Ａは、図２のアンラップ位相モジュール２３０を図示する。アンラップ位相モジュール２３０は、図４Ｂに示されるフローチャートで動作が記述されるアンラップ位相ロジック４００を含む。アンラップ位相ロジック４００は、除去延長モジュール２２０から受信される位相値のシーケンス上でモジュロ演算を遂行する。図４Ｂのフローチャートにより記述されるように、［−１８０゜，１８０゜］の間の限定位相値θ2（ｎ）がその絶対値へ変換され、これが位相値のシーケンスの一次多項式表現を可能にする。
【００３７】
図４Ｂは、アンラップ位相ロジック４００を実施するのに使用できるフローチャートを実施する。テスト・ステップ４０５はＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが１に等しいかどうかを決定し、この場合は「Ｙｅｓ」分岐が取られる。もしＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが０に等しければ、アンラップ位相ロジック４００は「Ｎｏ」分岐に沿って進行する。
【００３８】
もし「Ｙｅｓ」分岐が取られると、ステップ４０１で出力位相が入力位相に等しくセットされて、ステップ４１５とステップ４２０でＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎとＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが０へリセットされる。
【００３９】
もし「Ｎｏ」分岐が取られると、ステップ４３０で入力位相値へＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎの値が加えられることにより、回転位相値が計算される。ステップ４３５で、回転位相値と現在の状態値の間の位相差が計算される。ステップ４３０とステップ４３５は、下記のＭＡＴＬＡＢコードのようなソフトウエア手段を使用して達成できる。
【数７】
【００４０】
ステップ４４０で、アンラップされた装置が、計算され、ステップ４４５でＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ値が更新される。ステップ４４０と４４５はＭＡＴＬＡＢで書かれた下記の例示的なソフトウエア手段を使用して実施できる。
【数８】
【００４１】
ステップ４５０で、現在状態値が更新されてステップ４０４が処理が終了する。
【００４２】
図５は、ＰＬＬ初期化モジュール２００の種々なモジュールにより発生される位相値を含む表５００を示す。表５００はまた一連の送信されたビット（列５０２）とともに送信される記号、すなわち「コンステレーション・ポイント」（列５０４）および受信される記号（列５０６）を示す。列５０８は、図２の位相モジュール２１０により発生された位相値を収納する。列５１０は、図２の除去変調モジュールにより発生される位相値を収容する。列５１２は、図２のアンラップ位相モジュール２３０により発生される位相値を収容する。
【００４３】
図６は、一連の位相値θ3（ｎ）へ曲線当てはめアルゴリズムを適用することにより得られる例示的な曲線を図示する。図６に示すように、前述のような搬送波位相オフセット推定値
【外５９】
および搬送波周波数オフセット推定値
【外６０】
の関数として線形に表現された１１番目の位相値を予測するために、１０個の入力位相値が使用される。雑音のある位相データは入力位相値を表現し、ＬＳおよびＲＬＳ曲線当てはめは雑音のあるデータへの直線近似を表現し、ＬＳおよびＲＬＳ予測子は、ＲＬＳ法を使用して得られる予測値である。
【００４４】
ＰＬＬの状態変数の初期値を推定するためにデジタル処理アルゴリズムを使用することは、キャリア周波数オフセットおよびキャリア位相オフセットの正確な推定を供給することにより、獲得時間を減少することを可能にする。本発明の方法はソフトウエア、ハードウエアまたはそれらの組合せを含む多数の異なった方法で実施できる。それはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）内に埋め込まれたソフトウエアで実施できるし、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として実施できる。他の実施方法もまた使用できる。
【００４５】
本発明を特定の実施例に言及して例示してきたが、本発明の範囲以内に明らかに入る種々の変更と修正が当業者に自明である。本発明は前記の特許請求の範囲の精神と範囲内で広く保護されることを意図している。
【００４６】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
【００４７】
（１） ディジタル変調信号の搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する方法であって、
（ａ） 一連のディジタル変調信号の１つまたはそれ以上の位相を推定することと、
（ｂ） 前記推定された諸位相の各々から変調フォーマットにより導入される角回転を除去し、この回転は基準信号に基いて決定されることと、
（ｃ） 前記角回転の除去後に前記推定された諸位相から１セットの値を導出し、この値が前記推定される搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットの関数であることと、
（ｄ） 前記値を処理して、前記搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットの推定値を決定することを含む前記方法。
【００４８】
（２） （ｅ） 前記推定される搬送波周波数と前記位相オフセットにより位相同期ループの諸変数を初期化する第１項記載の方法。
【００４９】
（３） ステップ（ｃ）が、前記諸値のセットを導出するためにアンラップ位相関数を使用する第１項記載の方法。
【００５０】
（４） ステップ（ｄ）の処理が再帰的最小二乗法に基く推定アルゴリズムを使用する第１項記載の方法。
【００５１】
（５） ステップ（ｄ）の処理がカルマン・フィルタリング法に基く推定アルゴリズムを使用する第１項記載の方法。
【００５２】
（６） ステップ（ｄ）の処理が最小二乗平均法に基く推定アルゴリズムを使用する第１項記載の方法。
【００５３】
（７） 搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを回復する方法であって、
（ａ） 複数の記号を含む変調信号を受信することと、
（ｂ） 第１記号の角位置を決定することと、
（ｃ） 第２信号の角位置を決定することと、
（ｄ） 第２信号から変調を除去して調節されてない角度シーケンスを生成することと、
（ｅ） 前記調節されてない角度シーケンスを曲線当てはめすることにより、前記搬送波波の位相オフセットと周波数オフセットを推定することを含む前記方法。
【００５４】
（８） （ｆ） 前記調節されてない角度シーケンスをアンラップして、位相不連続を補償するステップを更に含む第７項記載の方法。
【００５５】
（９） ステップ（ｆ）が再帰的最小二乗法に基いて前記曲線当てはめを遂行する第７項記載の方法。
【００５６】
（１０） ステップ（ｆ）がカルマン・フィルタリング法に基いて前記曲線当てはめを遂行する第７項記載の方法。
【００５７】
（１１） ステップ（ｆ）が最小二乗平均法に基いて前記曲線当てはめを遂行する第７項記載の方法。
【００５８】
（１２） 前記搬送波位相オフセットと前記搬送波周波数オフセットが位相同期ループ内で初期化パラメータとして使用される第７項記載の方法。
【００５９】
（１３） 搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定する装置であって、
（ａ） 一連のディジタル変調信号の位相を推定する位相カルキュレータと、
（ｂ）変調フォーマットにより導入される角回転を除去して、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットを表現する一連の位相値を発生する除去変調モジュールと、
（ｃ） 推定モジュールが搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定することにより、前記推定モジュールが前記一連の位相値へ前記曲線当てはめアルゴリズムを適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットによる線形関数を発生する前記推定モジュールを含む前記装置。
【００６０】
（１４） （ｄ） 位相カルキュレータ・モジュールにより発生された前記位相推定値を絶対値へ変換するアンラップ・モジュールを更に含む第１３項記載の装置。
【００６１】
（１５） 更に位相同期ループと結合されて、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットの推定値により前記位相同期ループを初期化する第１３項記載の装置。
【００６２】
（１６） 前記推定モジュールが前記曲線当てはめアルゴリズムを前記一連の位相値ヘ適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットを推定する第１３項記載の装置。
【００６３】
（１７） 位相同期ループ（ＰＬＬ）の状態変数を初期化する信号処理アルゴリズムを使用して、ディジタル変調信号の搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを正確に推定する方法と装置。受信される一連の信号から一連の位相値が推計され（２１０）、この一連の位相値から変調フォーマットによる角効果が除去される（２２０）。ＲＬＳアルゴリズム（２４０）の１つの実施例に基づく曲線当てはめアルゴリズム（２４０）が、それから一連のアンラップ位相値（２３０）へ適用されて、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術の２次位相同期ループ（ＰＬＬ）である。
【図２】本発明によるＰＬＬ初期化モジュールのブロック図である。
【図３】Ａは、除去変調モジュールを図示するブロック図である。
Ｂは、除去変調モジュールにおけるフローチャートである。
【図４】Ａは、位相アンラップ・モジュールを図示するブロック図である。
Ｂは、位相アンラップ・モジュールにおけるフローチャートである。
【図５】ＰＬＬ初期化モジュールの各モジュールの出力における位相値の表である。
【図６】本発明による方法と装置の性能をグラフ形式で図示したものである。
【符号の説明】
１００ 位相同期ループ（ＰＬＬ）
１１０ ループ・フィルタ、周波数フィルタ
１２０ 数値制御発信機（ＮＣＯ）
１３０ 位相検出器
２００ ＰＬＬ初期化モジュール
２１０ 計算位相モジュール
２２０ 除去変調モジュール
２３０ アンラップ・モジュール
２４０ 曲線当てはめモジュール
３００ 除去変調モジュール
３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ メモリ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル変調信号のコーヒレントな復調の方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル変調信号のコーヒレントな復調のためには、送信信号に対して受信信号の搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットへ受信機が同期されていることが必要である。もし補正されないままになると、受信機における搬送波周波数オフセットは信号のコンステレーション（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）を回転させて、決定領域の境を過ぎて受信信号が回転するたびにエラーを導くかもしれない。搬送波位相オフセットはまた、送信されるコンステレーションに固定的な回転を導入して、送信機に対する受信機における決定領域の不整合によるエラーを引き起こすかもしれない。
【０００３】
先行技術においては一般に、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを獲得し追跡するために、受信機が位相同期ループ（ＰＬＬ）を採用している。初期化の間に、ＰＬＬは搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットに同期する。この期間の後に、ＰＬＬはこれら２つの変数を追跡する。
【０００４】
連続送信システムについては、この獲得期間が全送信インターバルの間に１度しか必要とされないので、この獲得期間はデータのスループットにさして影響しない。しかしながら、パケットをベースとするシステムでは、各パケットが１つの獲得位相を必要とするので、この獲得期間はデータのスループットに否定的な影響を有し得る。
【０００５】
前記の諸理由により、位相同期ループの状態変数の初期値を敏速かつ正確に推定して、これにより獲得期間を減少するような改良された信号処理方法への需要が存在する。本発明は、上述の需要を満たす方法と装置を供給する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、信号処理アルゴリズムを使用して位相同期ループを初期化する方法と装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施例において、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する方法が開示される。この方法は、（１）一連のディジタル変調信号を推定するステップと、（２） 前記推定された諸位相の各々から変調フォーマットにより導入される角回転を除去し、この位相回転は基準信号により計算されるステップと、（３）前記角回転の除去後に前記推定された諸位相から１セットの値を導出し、この値のセットが前記搬送波周波数および推定される位相オフセットの関数であるステップと、（４）前記値を処理して、搬送波周波数と位相オフセットの推定を決定するステップを含む。この実施例において、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットが、位相同期ループ（ＰＬＬ）初期化するために使用されている。
【０００８】
もう１つの実施例において、搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定する装置が提供される。この装置は、（１）一連のディジタル変調信号の位相を推定する位相カルキュレータと、（２）変調フォーマットにより導入される角回転を除去して、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットを表現する一連の位相値を発生する除去変調モジュールと、（３）推定モジュールが搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定することにより、前記推定モジュールが一連の位相値へ前記曲線当てはめアルゴリズムを適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットにより異なる線形関数を発生する前記推定モジュールを含む。更にもう１つの実施例では、この装置は更に、位相カルキュレータ・モジュールにより発生された位相推定値を修正するアンラップ（ｕｎｗｒａｐ）モジュールを含む。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の諸目的は、下記の好ましい実施例の詳細の説明を添付図面を参照して読むことにより一層完全に理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面に例示される本発明の好ましい実施例を説明するにあたって、分りやすくするために特定の技術が使用される。しかしながら本発明はそのように選択された特定の技術用語に限定されることを意図せず、従ってそうした各特定の技術用語は、類似の目的を達成するために類似の仕方で作用する全ての技術的な均等物を含むことを理解すべきである。
【００１１】
諸図面一般と特に図１ないし図６を参照して、本発明の方法と装置が開示される。
【００１２】
図１は、位相同期ループ（ＰＬＬ）１００の基本構成をブロック図形式で図示する。数値制御発信器（ＮＣＯ）１２０は、入力信号
【外１】
【外２】
【外３】
【外４】
【００１３】
図１に示すように二つの信号
【外５】
【外６】
【外７】
【００１４】
周波数フィルタ１１０として本書に表現されるループ・フィルタは、エラー信号
【外８】
【外９】
【外１０】
【外１１】
【外１２】
【外１３】
【外１４】
【００１５】
例示のＰＬＬ１００は、二次項（二次ＰＬＬ）を有する伝達関数を特徴とする。制御理論において知られるように、ある
【外１５】
【外１６】
【００１６】
先行技術で遂行されるように、ＰＬＬ１００の初期動作において伝達関数の帯域幅内の周波数を有する基準信号が、ＮＣＯ１２０により使用されて、入力信号の周波数へ同期する。この基準信号は初期搬送波周波数オフセット
【外１７】
【外１８】
【外１９】
【外２０】
【００１７】
図２は、ＰＬＬ１００を初期化する方法を例示する。ＰＬＬ初期化モジュール２００は入力として一連のデジタル変調信号をとり、ペア
【外２１】
【外２２】
【外２３】
【外２４】
【外２５】
【外２６】
【外２７】
【外２８】
【００１８】
一つの実施例において、計算位相モジュール２１０の出力は度数で表現され、間隔［−１８０,１８０］の中にある。代りにこの出力は間隔［０，３６０］の中にあってもよい。
【００１９】
除去変調モジュール２２０が、下にある変調フォーマットによりもたらされる角回転効果を除去して、搬送波周波数および搬送波位相オフセットのみによる位相推定
【外２９】
【００２０】
図２へ戻って説明すると、アンラップ（ｕｎｗｒａｐ）・モジュール２３０が位相推定
【外３０】
【外３１】
【外３２】
【００２１】
本発明の一つの実施例によれば曲線あてはめアルゴリズムが線形位相推定
【外３３】
【外３４】
【外３５】
【外３６】
【００２２】
一つの実施例において再帰的最小二乗法（ＲＬＳ）が曲線あてはめ法の実施に使用される。ＲＬＳ法は、線形位相推定値
【００２３】
線形位相推定値のベクトルｙは、ベクトルｕ＝［ｕ（０），ｕ（１），…，ｕ（Ｎ−１）］Tおよびこれに加えてノイズ・ベクトルｔ＝［ｔ（０），ｔ（１），…，ｔ（Ｎ−１）］T（すなわちｙ＝ｕ＋ｔ）として表現できるノイズの多いデータのベクトルである。成分ｕ（ｎ）は、ペア
【外３７】
【外３８】
【００２４】
観測ベクトルｙはまた方程式
【外３９】
【外４０】
【外４１】
【外４２】
【外４３】
【外４４】
【外４５】
【外４６】
【外４７】
【００２５】
ペア
【外４８】
【外４９】
【数１】
【外５０】
【数２】
【数３】
再帰４および５へのベクトルＫを適用することにより、推定値
【外５１】
【外５２】
【００２７】
ＰＬＬおよびＮＣＯ初期化モジュール２５０により表現されるような状態変数初期化モジュールは、曲線当てはめアルゴリズム・モジュール２４０から得られる搬送波周波数・位相オフセット推定値を使用して、ＰＬＬ１００の諸状態変数を初期化する。
【００２８】
図３Ａは、図２に示される除去変調モジュール２２０の種々の構成要素を例示する。除去変調モジュール２２０は、一つまたはそれ以上のメモリ素子３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃと通信するように構成された除去変調ロジック３００を含む。図３Ａに示される除去変調ロジック３００の動作は、図３Ｂに示されるフローチャートから容易に理解できる。除去変調ロジック３００は、全ての受信記号について、チャネル歪みにより引き起こされる先行シンボルに関する角回転を推定する。メモリ素子３０１ａ、３０１bおよび３０１ｃが、除去変調ロジック３００により先行する記号処理インターバルから現在の記号処理インターバルへ更新され搬送波されたＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ、ＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇ、Ｓｔａｔｅのような変数の値を保持するために使用される。
【００２９】
除去変調モジュール・ロジック３００は、二相位相シフトキーイング変調（ＢＰＳＫ）の実施で例示されているが、このロジックは多相ＰＳＫ（ＭＰＳＫ）または多重直交振幅変調（Ｍ−ＱＡＭ）のようなあらゆる二次元変調について実施できる。ＢＰＳＫの実施については、もし搬送波周波数オフセット
【外５３】
【外５４】
【外５５】
【外５６】
【外５７】
【外５８】
【００３０】
図３Ｂのフローチャートは、例示の実施において除去変調ロジック３００により遂行される種々のステップを図示する。この機能の開始（ステップ３０３）において、今回初めてモジュールがコールされたかどうかのテストが遂行される（ステップ３０５）。もしＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇ変数が１に等しければ、「Ｙｅｓ」分岐が取られ、除去変調モジュール２２０が出力位相を入力位相に等しくセットする。（ステップ３１０）。ステップ３１５とステップ３２０で、ＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ変数とＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇ変数が０へリセットされる。
【００３１】
ステップ３０５においてＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが０に等しければ、フローチャートが「ＮＯ」分岐に沿ってステップ３３０へ進行する。ステップ３３０で、入力位相値は、その値にＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ変数の値を加えることにより回転される。ステップ３３５で、回転された入力値が必要ならばたとえばＭＡＴＬＡＢに書かれたコードの下記のソフトウエア手段を使用して［−１８０゜，１８０゜］の範囲に限定される。
【数４】
ステップ３４０で回転された入力位相値と現在の状態の間の位相差がＭＡＴＬＡＢコードにより下記の例示のように計算される。
【数５】
ステップ３４５で、除去変調ロジック３００は、たとえば上記のソフトウエア手段を使用して、ＴｅｍｐＰｈａｓｅのような位相差が範囲［−１８０゜，１８０゜］に限定されることを確実にする。ステップ３５０で出力位相が計算され、ステップ３５５でＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎが更新される。ステップ３５０とステップ３５５は、下記のＭＡＴＬＡＢコードのようなソフトウエア手段を使用して達成できる。
【数６】
ステップ３５７で、上述のものと同等のソフトウエア手段により［−１８０゜，１８０゜］の範囲にＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎが限定される。
【００３５】
図３Ｂに図示されるように、ステップ３０４で除去変調ロジック３００がその動作を終結する以前に、ステップ３６０で、その状態の値を出力位相に等しく設定することにより、現在の状態変数が更新される。
【００３６】
図４Ａは、図２のアンラップ位相モジュール２３０を図示する。アンラップ位相モジュール２３０は、図４Ｂに示されるフローチャートで動作が記述されるアンラップ位相ロジック４００を含む。アンラップ位相ロジック４００は、除去延長モジュール２２０から受信される位相値のシーケンス上でモジュロ演算を遂行する。図４Ｂのフローチャートにより記述されるように、［−１８０゜，１８０゜］の間の限定位相値θ2（ｎ）がその絶対値へ変換され、これが位相値のシーケンスの一次多項式表現を可能にする。
【００３７】
図４Ｂは、アンラップ位相ロジック４００を実施するのに使用できるフローチャートを実施する。テスト・ステップ４０５はＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが１に等しいかどうかを決定し、この場合は「Ｙｅｓ」分岐が取られる。もしＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが０に等しければ、アンラップ位相ロジック４００は「Ｎｏ」分岐に沿って進行する。
【００３８】
もし「Ｙｅｓ」分岐が取られると、ステップ４０１で出力位相が入力位相に等しくセットされて、ステップ４１５とステップ４２０でＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎとＦｉｒｓｔＴｉｍｅＦｌａｇが０へリセットされる。
【００３９】
もし「Ｎｏ」分岐が取られると、ステップ４３０で入力位相値へＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎの値が加えられることにより、回転位相値が計算される。ステップ４３５で、回転位相値と現在の状態値の間の位相差が計算される。ステップ４３０とステップ４３５は、下記のＭＡＴＬＡＢコードのようなソフトウエア手段を使用して達成できる。
【数７】
ステップ４４０で、アンラップされた装置が、計算され、ステップ４４５でＡｃｃｕｍＲｏｔａｔｉｏｎ値が更新される。ステップ４４０と４４５はＭＡＴＬＡＢで書かれた下記の例示的なソフトウエア手段を使用して実施できる。
【数８】
ステップ４５０で、現在状態値が更新されてステップ４０４が処理が終了する。
【００４２】
図５は、ＰＬＬ初期化モジュール２００の種々なモジュールにより発生される位相値を含む表５００を示す。表５００はまた一連の送信されたビット（列５０２）とともに送信される記号、すなわち「コンステレーション・ポイント」（列５０４）および受信される記号（列５０６）を示す。列５０８は、図２の位相モジュール２１０により発生された位相値を収納する。列５１０は、図２の除去変調モジュールにより発生される位相値を収容する。列５１２は、図２のアンラップ位相モジュール２３０により発生される位相値を収容する。
【００４３】
図６は、一連の位相値θ3（ｎ）へ曲線当てはめアルゴリズムを適用することにより得られる例示的な曲線を図示する。図６に示すように、前述のような搬送波位相オフセット推定値
【外５９】
【外６０】
【００４４】
ＰＬＬの状態変数の初期値を推定するためにデジタル処理アルゴリズムを使用することは、キャリア周波数オフセットおよびキャリア位相オフセットの正確な推定を供給することにより、獲得時間を減少することを可能にする。本発明の方法はソフトウエア、ハードウエアまたはそれらの組合せを含む多数の異なった方法で実施できる。それはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）内に埋め込まれたソフトウエアで実施できるし、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として実施できる。他の実施方法もまた使用できる。
【００４５】
本発明を特定の実施例に言及して例示してきたが、本発明の範囲以内に明らかに入る種々の変更と修正が当業者に自明である。本発明は前記の特許請求の範囲の精神と範囲内で広く保護されることを意図している。
【００４６】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
【００４７】
（１） ディジタル変調信号の搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する方法であって、
（ａ） 一連のディジタル変調信号の１つまたはそれ以上の位相を推定することと、
（ｂ） 前記推定された諸位相の各々から変調フォーマットにより導入される角回転を除去し、この回転は基準信号に基いて決定されることと、
（ｃ） 前記角回転の除去後に前記推定された諸位相から１セットの値を導出し、この値が前記推定される搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットの関数であることと、
（ｄ） 前記値を処理して、前記搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットの推定値を決定することを含む前記方法。
【００４８】
（２） （ｅ） 前記推定される搬送波周波数と前記位相オフセットにより位相同期ループの諸変数を初期化する第１項記載の方法。
【００４９】
（３） ステップ（ｃ）が、前記諸値のセットを導出するためにアンラップ位相関数を使用する第１項記載の方法。
【００５０】
（４） ステップ（ｄ）の処理が再帰的最小二乗法に基く推定アルゴリズムを使用する第１項記載の方法。
【００５１】
（５） ステップ（ｄ）の処理がカルマン・フィルタリング法に基く推定アルゴリズムを使用する第１項記載の方法。
【００５２】
（６） ステップ（ｄ）の処理が最小二乗平均法に基く推定アルゴリズムを使用する第１項記載の方法。
【００５３】
（７） 搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを回復する方法であって、
（ａ） 複数の記号を含む変調信号を受信することと、
（ｂ） 第１記号の角位置を決定することと、
（ｃ） 第２信号の角位置を決定することと、
（ｄ） 第２信号から変調を除去して調節されてない角度シーケンスを生成することと、
（ｅ） 前記調節されてない角度シーケンスを曲線当てはめすることにより、前記搬送波波の位相オフセットと周波数オフセットを推定することを含む前記方法。
【００５４】
（８） （ｆ） 前記調節されてない角度シーケンスをアンラップして、位相不連続を補償するステップを更に含む第７項記載の方法。
【００５５】
（９） ステップ（ｆ）が再帰的最小二乗法に基いて前記曲線当てはめを遂行する第７項記載の方法。
【００５６】
（１０） ステップ（ｆ）がカルマン・フィルタリング法に基いて前記曲線当てはめを遂行する第７項記載の方法。
【００５７】
（１１） ステップ（ｆ）が最小二乗平均法に基いて前記曲線当てはめを遂行する第７項記載の方法。
【００５８】
（１２） 前記搬送波位相オフセットと前記搬送波周波数オフセットが位相同期ループ内で初期化パラメータとして使用される第７項記載の方法。
【００５９】
（１３） 搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定する装置であって、
（ａ） 一連のディジタル変調信号の位相を推定する位相カルキュレータと、
（ｂ）変調フォーマットにより導入される角回転を除去して、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットを表現する一連の位相値を発生する除去変調モジュールと、
（ｃ） 推定モジュールが搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定することにより、前記推定モジュールが前記一連の位相値へ前記曲線当てはめアルゴリズムを適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットによる線形関数を発生する前記推定モジュールを含む前記装置。
【００６０】
（１４） （ｄ） 位相カルキュレータ・モジュールにより発生された前記位相推定値を絶対値へ変換するアンラップ・モジュールを更に含む第１３項記載の装置。
【００６１】
（１５） 更に位相同期ループと結合されて、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットの推定値により前記位相同期ループを初期化する第１３項記載の装置。
【００６２】
（１６） 前記推定モジュールが前記曲線当てはめアルゴリズムを前記一連の位相値ヘ適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットを推定する第１３項記載の装置。
【００６３】
（１７） 位相同期ループ（ＰＬＬ）の状態変数を初期化する信号処理アルゴリズムを使用して、ディジタル変調信号の搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを正確に推定する方法と装置。受信される一連の信号から一連の位相値が推計され（２１０）、この一連の位相値から変調フォーマットによる角効果が除去される（２２０）。ＲＬＳアルゴリズム（２４０）の１つの実施例に基づく曲線当てはめアルゴリズム（２４０）が、それから一連のアンラップ位相値（２３０）へ適用されて、搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術の２次位相同期ループ（ＰＬＬ）である。
【図２】本発明によるＰＬＬ初期化モジュールのブロック図である。
【図３】Ａは、除去変調モジュールを図示するブロック図である。
Ｂは、除去変調モジュールにおけるフローチャートである。
【図４】Ａは、位相アンラップ・モジュールを図示するブロック図である。
Ｂは、位相アンラップ・モジュールにおけるフローチャートである。
【図５】ＰＬＬ初期化モジュールの各モジュールの出力における位相値の表である。
【図６】本発明による方法と装置の性能をグラフ形式で図示したものである。
【符号の説明】
１００ 位相同期ループ（ＰＬＬ）
１１０ ループ・フィルタ、周波数フィルタ
１２０ 数値制御発信機（ＮＣＯ）
１３０ 位相検出器
２００ ＰＬＬ初期化モジュール
２１０ 計算位相モジュール
２２０ 除去変調モジュール
２３０ アンラップ・モジュール
２４０ 曲線当てはめモジュール
３００ 除去変調モジュール
３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ メモリ素子
Claims (2)
- ディジタル変調信号の搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットを推定する方法であって、
（ａ） 一連のディジタル変調信号の１つまたはそれ以上の位相を推定することと、
（ｂ） 前記推定された諸位相の各々から変調フォーマットにより導入される角回転を除去し、この回転は基準信号に基いて決定されることと、
（ｃ） 前記角回転の除去後に前記推定された諸位相から１セットの値を導出し、この値が前記推定される搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットの関数であることと、
（ｄ） 前記値を処理して、前記搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットの推定値を決定することと、
（ｅ） 前記推定される搬送波周波数オフセットと搬送波位相オフセットにより位相同期ループの変数を初期化すること
を含む前記方法。 - 搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定する装置であって、
（ａ） 一連のディジタル変調信号の位相を推定する位相カルキュレータと、
（ｂ）変調フォーマットにより導入される角回転を除去して、搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットを表現する一連の位相値を発生する除去変調モジュールと、
（ｃ） 推定モジュールが搬送波位相オフセットと搬送波周波数オフセットを推定することにより、前記推定モジュールが一連の位相値へ前記曲線当てはめアルゴリズムを適用して、前記搬送波周波数オフセットと前記搬送波位相オフセットによる線形関数を発生する前記推定モジュールと、
（ｄ） 位相カルキュレータ・モジュールにより発生された前記位相推定値を絶対値へ変換するアンラップ・モジュールとを含み、
（ｅ） 推定された前記搬送波周波数オフセットおよび搬送波位相オフセットの値により前記位相同期ループを初期化する
前記装置。
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