JP3980486B2 - 周波数オフセット推定器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、推定された誤差をその後に補正することを可能にするため周波数オフセットまたは誤差を推定する処理に関する。特に、本発明は、例えば、無線受信機における復調の精度を高めるように誤差を校正するために適用可能である。

図１はある形式の無線受信機の概略図である。この受信機は、増幅器２に接続されたアンテナ１を含み、増幅器はアンテナによって受信された無線周波数信号を増幅する。増幅器の出力は帯域通過フィルタ３に通される。フィルタを通過した信号は、依然として無線周波数信号であり、次に、ミキサ４において発振器５によって発生させられた信号と混合することによってダウンコンバートされる。図１の受信機では、ミキサ４は無線周波数信号を中間周波数（ＩＦ）へダウンコンバートする。次に、中間周波数信号は、ミキサ６において発振器７によって発生させられた信号と混合することによって、別の中間周波数、または、ベースバンドへダウンコンバートされる。帯域通過フィルタ８はミキサ４とミキサ６の間で使用され、帯域通過フィルタ９はミキサ６の後で使用される。ＩＦ信号またはベースバンド信号は、信号にエンコードされたシンボル・ビットストリームを決定するために復調用の復調器１０へ送られる。

変調の一つの形式は周波数偏移変調（ＦＳＫ）である。ＦＳＫ変調の場合、シンボルは、中心周波数周辺での信号の周波数変動（周波数シフト）として信号にエンコードされる。特に、信号がＦＳＫ変調を使用して変調されるときに重要なことは、復調器のシンボル推定器ポートへの入力として受信された受信信号がキャリア周波数の公称値に対して中心周波数の偏差を生じないことである。偏差を生じた場合、信号が誤って復号化される可能性が高くなる。このような偏差は、例えば、伝送周波数の誤差、または、（例えば、発振器５と７によって発生させられ）受信機で使用されるミキシング周波数の誤差から生ずる。

受信信号の中心周波数の偏差に対処するため、復調器は、この偏差を推定し、この偏差に起因する復調誤差を回避するため信号を補償するか、または、復調処理を調整する。

データが受信機へ連続的に送信されるのではなく、例えば、パケットとしてバースト的に送信されるとき、受信信号の中心周波数のシフトの推定に関する競合する要求が生じる可能性がある。受信パケットの開始時には、偏差についての推定値を直ちに連続的に追跡し、復調処理を直ちに開始できるようにするため、短期間に亘って偏差を平均化することが好ましい。このため、推定処理の際に短い時定数フィルタを使用することが要求される。受信されるパケットの数が増加してくると、推定処理のノイズを低減し、偏差をより高精度で推定するため、より長期間に亘って偏差を平均化することが好ましくなるであろう。そのためには、より長い時定数フィルタを使用することが求められる。

本発明によれば、複数の周波数シフトされたシンボルを搬送する入力信号の所定の中心周波数からのオフセットを推定する周波数オフセット推定装置が提供される。この装置は、シンボルを推定するために入力信号を復調する復調器と、入力信号と中心周波数の信号との間で、瞬時周波数差の第１の所定の個数の直前の最大値及び最小値の平均を決定することによりオフセットの第１の推定値を形成する第１のフィルタと、入力信号と最大の正側周波数シフト及び負側周波数シフトを有するシンボルの復調器による推定値に関連した中心周波数の信号との間で、瞬時周波数差の値の平均を決定することによりオフセットの第２の推定値を形成する第２のフィルタと、周波数誤差の出力推定値として第１の推定値または第２の推定値を選択するセレクタと、を有する。

好適には第１の所定の個数は１より多い。好適には第１の所定の個数は１０未満であり、より好ましくは６未満である。最も好ましくは、第１の所定の個数は、２、３または４である。

第２のフィルタは、入力信号と最大の正側周波数シフトを有するシンボルの復調器による推定値に関連した中心周波数の信号との間で、瞬時周波数差の値の第１の平均を決定する第１の有限インパルス応答フィルタと、入力信号と最大の負側周波数シフトを有するシンボルの復調器による推定値に関連した中心周波数の信号との間で、瞬時周波数差の値の第２の平均を決定する第２の有限インパルス応答フィルタと、第１の平均と第２の平均の平均を決定する平均化ユニットと、を備えている。

これらのフィルタは、各シンボルのサンプリング時間に応じて１シンボルにつき１個の瞬時周波数差に適用してもよく、或いは、各シンボル期間中に複数の瞬時周波数差に適用してもよい。

信号は２個のシンボルだけを使用してエンコードしてもよい。

Ｐが２より大きいときにＰ通りの異なる周波数偏差を使用する変調方式の場合、第２のフィルタはＰ個の有限インパルス応答フィルタにより構成してもよく、各有限インパルス応答フィルタは、これらのＰ通りのシンボルのうちの一つのシンボルに対する瞬時周波数差の推定を対象にする。Ｐ個のフィルタの出力は、周波数誤差の推定値を得るために組み合わされ、および／または、選択される。

周波数オフセット推定装置は、入力信号と中心周波数の信号との間で、瞬時周波数差の第２の所定の個数の直前の最大値及び最小値の平均を決定することによりオフセットの第３の推定値を形成する第３のフィルタを具備してもよい。第２のフィルタは、第１の有限インパルス応答フィルタ及び第２の有限インパルス応答フィルタに対する初期値として第３の推定値を利用するように適合させられる。

第２の所定の個数は、好ましくは、第１の所定の個数より多い。第２の所定の個数は、好ましくは、４以上である。

好適には、データバーストを受信すると、復調器は、入力信号と同期し、同期が実現されたかどうかを示す同期信号を供給するように適合させられる。

第２のフィルタは、第１の有限インパルス応答フィルタ及び第２の有限インパルス応答フィルタを初期化するため、同期が実現されたことを示す同期信号に応答することができる。

セレクタは、同期信号が同期は実現されていない旨を示す場合には第１の推定値を選択し、同期信号が同期は実現されている旨を示す場合には第２の推定値を選択するため、同期信号に応答することができる。

復調器は、周波数シフト信号を生成するため、周波数誤差の出力推定値に対応した量だけ入力信号の周波数をシフトさせる周波数シフト処理部と、周波数シフト信号のシンボルを推定するシンボル推定器と、を含む。このようなシフトは、入力信号の推定周波数誤差を打ち消すような方向へ行われる。或いは、復調器は、入力信号の瞬時周波数を検知し、検知された周波数を表す検知周波数信号を生成するセンサと、検知周波数信号を受信し、周波数誤差の出力推定値に対応した量だけシフトさせられた検知された周波数を表す周波数シフト信号を形成する周波数シフト処理部と、周波数シフト信号のシンボルを推定するシンボル推定器と、を含む。或いは、復調器は、入力信号の瞬時周波数を複数の周波数閾値と比較することにより入力信号のシンボルを推定するシンボル推定器と、周波数誤差の出力推定値に対応した量だけ閾値をシフトさせる閾値周波数シフト処理部と、を含む。このようなシフトは、入力信号の推定周波数誤差を補償するような方向へ行われる。

周波数オフセット推定装置は無線信号受信機に備え付けることができる。無線信号受信機は、特許請求の範囲のいずれかの請求項に記載された周波数オフセット推定装置と、無線周波数信号を受信するアンテナと、入力信号を形成するため、無線周波数信号を別の中間周波数またはベースバンドへダウンコンバートするダウンコンバージョン手段と、を含む。

以下では、一例として添付図面を参照して本発明を説明する。

図２の受信機には、図１を参照して説明したようにアンテナ１、フィルタ２、８及び９、ミキサ４、６、および、発振器５及び７が設けられる。復調器１０の形式は、後述するように新規性がある。

図２の受信機では、復調器へ入力されたときの信号の瞬時周波数を検知するセンサユニット１１が設けられる。センサユニット１１の入力は、復調器への入力１３に接続される。センサユニット１１は周波数弁別回路でもよい。センサユニット１１が供給する出力１４は、復調器へ入力された信号の瞬時周波数を示す。

センサユニット１１の出力１４は、３個のフィルタ１５、１６及び１７へ供給される。フィルタ１５は短い時定数フィルタである。フィルタ１６は中間の長さの時定数フィルタである。フィルタ１７は長い時定数フィルタである。

復調器は、補償信号を出力１９で形成するようにセンサユニット１１からの出力に周波数補償を加える周波数補償器１８を含む。補償器によって加えられる補償は、フィルタ１５、１６及び１７から２０で表されるように補償器へ入力される制御信号に依存する。

周波数補償器の出力１９は、シンボル推定器２４、シンボル・タイミング・リカバリー・ユニット２２及び同期ユニット２６へ供給される。同期ユニットは、復調部２１を受信信号と同期させる。同期ユニット２６は、同期が実現されたかどうかを示す出力を２７で表されるように供給する。シンボル・タイミング・リカバリー・ユニットは、１９で表される信号のシンボルのタイミングを復元し、対応した出力をシンボル推定器２４へ供給する。シンボル推定器２４は、１９で表される補償信号によって表現された周波数を一つ以上の閾値と比較することにより補償信号からシンボルを復元し、どのシンボルが受信信号によって表現されているかを確定する。シンボル推定器２４の出力は、２５で表されるように復調部から出力されるシンボルストリームである。本例では、その結果は、受信信号の周波数が閾値よりも高いか低いかに応じて、２５で表される出力に「０」ビットまたは「１」ビットとして表現された２個のシンボルのうちの一方として与えられる。３個より多くのシンボルが含まれる他の変調方式を使用してもよい。

ある種の実施形態では、周波数推定器１８はシンボル推定器２４と統合する方が好都合である。例えば、シンボル推定器は、シンボル値を決定するため、周波数センサ１１の出力を、周波数誤差推定値２０から得られた閾値と比較するだけでもよい。

シンボルのパケットまたはバーストが受信機によって受信され始めたとき、パケットの第１のシンボルは、パケットへの同期を行うため受信機によって使用される。データがパケットで伝送される多くのシステムにおいて、各パケットは、受信機が同期ユニット２６を用いて同期することができるアクセスコードとしての役割を果たすシンボルの系列から始まる。

フィルタ１５は、受信機が各パケットの開始時にアクセスコードへの同期を行う前に、周波数誤差を推定するため使用される。フィルタ１５は、差分ユニット１５０、最大／最小ユニット１５１、及び、平均化ユニット１５２を含む。差分ユニット１５０は、受信されたときの信号の瞬時周波数を示すセンサユニット１１からの出力と、公称搬送周波数との間の差を決定する。尚、公称搬送周波数の値は零と一致してもよく、この場合、差分ユニットは不要であることに留意すべきである。差分ユニットから出力された差信号は、最大／最小ユニット１５１へ供給される。最大／最小ユニット１５１は、差信号の零交差の間隔毎に差信号の最大値と最小値を決定する。差信号が負になると、最大／最小ユニットは、次に差信号が正になるまでに最小値を決定する。差信号が正になると、最大／最小ユニットは、次に差信号が負になるまでに最小値を決定する。最大／最小ユニットは、直前のＮ個の最大値及び最小値を記憶部１５３に格納する。尚、Ｎは所定の数である。Ｎは、好適には比較的小さい数であり、例えば、２、３または４である。

より詳細には、最大／最小ユニットは、最大値レジスタ１５４、最小値レジスタ１５５及び零交差検出器１５６を含む。最大値レジスタ１５４は、差分ユニット１５０から出力された差信号を受け取り、差信号をその時点で最大値レジスタに格納されている値と比較し、差信号がその時点で最大値レジスタに格納されている値より大きければ、その時点で最大値レジスタに格納されている値を差信号の値で置き換える。最小値レジスタ１５５は、差分ユニット１５０から出力された差信号を受け取り、差信号をその時点で最小値レジスタに格納されている値と比較し、差信号がその時点で最小値レジスタに格納されている値未満であるならば、その時点で最小値レジスタに格納されている値を差信号の値で置き換える。零交差検出器１５６は、差分ユニット１５０から出力された差信号を監視し、その差信号が正から負の向きに零を交差することを検出したならば、零交差検出器１５６は、最大値レジスタの値を記憶部１５３の最大値部１５７に格納し、最大値レジスタを零にリセットする。零交差検出器は、差信号が負から正の向きに零を交差することを検出したならば、最小値レジスタの値を記憶部１５３の最小値部１５８に格納し、最小値レジスタを零にリセットする。最大値部１５７及び最小値部１５８は、直前のＮ個の最大値及び最小値を格納できるように長さＮのＦＩＦＯ（先入れ先出し）バッファとして実現してもよい。

Ｎ個の最大値及び最小値が記憶部１５３に格納されたら、平均化ユニット１５２は、それらの値の平均値を決定する。その平均値は、１５９で表されるようにフィルタ１５から周波数誤差の推定値として出力される。

この値Ｎはかなり小さい数、例えば、２、３または４になるように選択されるので、復調中のパケットよりも先行する受信信号は、フィルタ１５によって生成される周波数誤差の推定値に重大な影響を与えることがなく、かつ、周波数ドリフトは典型的に各パケットの先頭で最悪の状況になるので、フィルタ１５は周波数ドリフトを直ちに追跡することが可能である。また、誤差がかなり大きい可能性があるため、周波数推定器は直ちに各パケットの先頭で誤差を獲得しなければならない。その後、周波数推定器は、より低速での誤差でのドリフトを追跡することができる。

フィルタ１６はフィルタ１５と類似している。構成要素１６０から１６９は、それぞれ、構成要素１５０から１５９と対応しているが、最大値記憶部１６７及び最小値記憶部１６８は、より多数であるＭ個の直前の最大値及び最小値を格納し、これに応じて平均化ユニット１６２は、これらの記憶部に格納された直前のＭ個の最大値及び最小値に関して平均化する。ＭはＮより大きい数である。典型的なＭの値は４から１０の範囲に収まる。フィルタ１６は、周波数誤差のより長い平均化、即ち、より長い時定数に亘る平均化を行うが、復号化されているパケットよりも先行する受信信号による影響が大きくなる。

フィルタ１５とフィルタ１６の間で構成要素を重複させるのではなく、フィルタ１５は、平均化ユニット１５２と等価的であって、最大値記憶部１６７及び最小値記憶部１６８に格納された直前のＮ個の値を平均化するユニットを設けることによって実現してもよい。

フィルタ１７は、２個の１次ＩＩＲ（有限インパルス応答）フィルタ１７１及び１７２と、制御ユニット１７３と、平均化ユニット１７４と、差分ユニット１７５と、を含む。フィルタ１７は、フィルタ１６の出力１６９を受け、２７で表される同期が実現されたことを示す信号を受ける。制御ユニットは、信号２７によって同期が実現されたことが示されるとき、フィルタ１７１及び１７２を作動する。次に、制御ユニットは、フィルタ１７１及び１７２の初期値をフィルタ１６から１６９に出力された周波数誤差の推定値でセットすることによってフィルタ１７１及び１７２を初期化する。差分ユニット１７５は、瞬時に検出された受信周波数と公称周波数の間の差を決定する。シンボル・タイミング・リカバリー・ブロック２２によって各「０」ビットが検出された時点で決定された差は、ＩＩＲフィルタ１７１に供給される。各「１」ビットが検出された時点で決定された差は、ＩＩＲフィルタ１７２に供給される。このようにして、フィルタ１７１は、「０」ビットの検出に対応した周波数オフセットを平均化し、一方、フィルタ１７２は、「１」ビットの検出に対応した周波数オフセットを平均化する。これらのフィルタの出力は、周波数誤差の推定値を表現するフィルタ１７２の出力１７６を形成するため、平均化ユニット１７５によって平均化される。

フィルタ１７１及び１７２の値の初期化は、様々な方法で実行することができる。一つの方法では、正側の周波数偏差を推定するＩＩＲフィルタは、Ｍ個の最大値の平均を用いて初期化され、負側の周波数偏差を推定するＩＩＲフィルタは、Ｍ個の最小値の平均を用いて初期化される。或いは、正側の周波数偏差を推定するＩＩＲフィルタは、周波数誤差に想定周波数偏差を加えた和を用いて初期化され、負側の周波数偏差を推定するＩＩＲフィルタは、周波数誤差から想定周波数偏差を減じた差を用いて初期化される。想定周波数偏差は変調方式に基づいて決定することができる。

図中、１５０、１６０及び１７３として別々に示されている差分ユニットは単一ユニットとして実現してもよい。

受信機の動作中に、フィルタ１５及び１６は、周波数誤差の最新推定値を１５９及び１６９に供給するため連続的に動作する。フィルタ１７は、その時点で受信されたパケットに対して同期が実現されたときに作動され、それ以外の場合に、フィルタ１７１及び１７２は出力を生じない。

フィルタ１５及び１７によってそれぞれ１５９及び１７６に生成された推定値はマルチプレクサ２８に供給される。マルチプレクサ２８は、同期が実現されたことを示す２７における信号によって切り替えられる。マルチプレクサ２８の出力は、２０で表される制御入力を周波数補償器１８へ供給する。その時点のパケットに対する同期が実現される前に、マルチプレクサ２８は、１５９で表されるフィルタ１５からの信号を制御信号として周波数補償器１８へ供給する。同期が実現されたとき、マルチプレクサは、１７６で表されるフィルタ１７からの信号を制御信号として周波数補償器へ供給する。

周波数補償器１８への制御信号は、公称搬送周波数からの受信信号の中心周波数の推定オフセットを示す。周波数補償器は、１３で表される信号に対して対応した補正を加える。

信号の周波数が検出された後に入力信号の検出された周波数にシフトを加えるのではなく、他の方法を使用してもよい。例えば、シンボル推定器２４によって使用される周波数閾値は、入力信号に加えられるシフトに対して逆向きにシフトさせてもよく、その場合、出力２０はシンボル推定器２４へ供給され、周波数補償器１８を省略することができる。

出願人は、本発明が請求の範囲に記載された事項に限定を加えることなく、暗黙的若しくは明示的に説明された特徴または特徴の組合せ、或いは、それらを一般化したものを包含するという点に注意を喚起する。上述の説明の点からみて、本発明の範囲内で種々の変形をなし得ることは当業者にとって自明であろう。

無線受信機の概略図。 無線受信機の概略図。

Claims (11)

1. 複数の周波数シフトされたシンボルを搬送する入力信号の所定の公称搬送周波数からのオフセットを推定する周波数オフセット推定装置であって、
   前記シンボルを推定するために入力信号を復調する復調器と、
   前記入力信号と前記公称搬送周波数の信号との間で、瞬時周波数差の第１の所定の個数の直前の最大値及び最小値の平均を決定することによりオフセットの第１の推定値を形成する第１のフィルタと、
   前記入力信号のシンボルについての前記復調器による評価に関連した前記公称搬送周波数と前記入力信号との間での瞬時周波数差の値の前記平均を決定することにより前記オフセットの第２の推定値を形成する第２のフィルタと、
   周波数誤差の出力推定値として第１の推定値または第２の推定値を選択するセレクタと、を有する装置。
2. 前記第１の所定の個数は、２、３、４または５である、請求項１に記載の周波数オフセット推定装置。
3. 前記第２のフィルタは、
   正側周波数シフトを有する前記入力信号のシンボルについての前記復調器による評価に関連した前記公称搬送周波数と前記入力信号との間での前記瞬時周波数差の前記値の第１の平均を決定する第１の有限インパルス応答フィルタと、
   負側周波数シフトを有する前記入力信号のシンボルについての前記復調器による評価に関連した前記公称搬送周波数と前記入力信号との間での前記瞬時周波数差の値の第２の平均を決定する第２の有限インパルス応答フィルタと、
   前記第１の平均および前記第２の平均の平均を決定する平均化ユニットと、
   を備えている、請求項１または２に記載の周波数オフセット推定装置。
4. 前記入力信号と前記公称搬送周波数の信号との間で、前記瞬時周波数差の第２の所定の個数の直前の最大値及び最小値の平均を決定することによりオフセットの第３の推定値を形成する第３のフィルタを更に有し、
   前記第２のフィルタは、前記第１の有限インパルス応答フィルタ及び前記第２の有限インパルス応答フィルタに対する初期値として前記第３の推定値を利用するように適合している、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定装置。
5. 前記第２の所定の個数は前記第１の所定の個数より多い、請求項４に記載の周波数オフセット推定装置。
6. 前記復調器は、データバーストを受信すると、前記入力信号と同期し、同期が実現されたかどうかを示す同期信号を供給するように適合している、請求項１から５のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定装置。
7. 前記第２のフィルタは、前記第１の有限インパルス応答フィルタ及び前記第２の有限インパルス応答フィルタを初期化するため、同期が実現されたことを示す前記同期信号に応答する、請求項４または請求項５に従属する請求項６に記載の周波数オフセット推定装置。
8. 前記セレクタは、前記同期信号が同期は実現されていないことを示す場合には前記第１の推定値を選択し、前記同期信号が同期は実現されていることを示す場合には前記第２の推定値を選択するように前記同期信号に応答する、請求項４から７のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定装置。
9. 前記復調器は、
   前記入力信号の前記瞬時周波数を検知し、検知された周波数を表す検知周波数信号を生成するセンサと、
   前記検知周波数信号を受信し、前記周波数誤差の前記出力推定値に対応した量だけシフトさせられた前記検知された周波数を表す周波数シフト信号を形成する周波数シフト処理部と、
   前記周波数シフト信号の前記シンボルを推定するシンボル推定器と、
   を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定装置。
10. 前記復調器は、
    前記入力信号の前記瞬時周波数を複数の周波数閾値と比較することにより前記入力信号の前記シンボルを推定するシンボル推定器と、
    前記周波数誤差の前記出力推定値に対応した量だけ前記閾値をシフトさせる閾値周波数シフト処理部と、
    を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の周波数オフセット推定装置と、
    無線周波数信号を受信するアンテナと、
    入力信号を形成するため、前記無線周波数信号を中間周波数またはベースバンドへダウンコンバートするダウンコンバージョン手段と、
    を有する無線信号受信機。

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