JP4149671B2 - 周波数同期信号の位置を決定するための方法、装置、およびシステム - Google Patents

Description

【０００１】
背景
本発明は、一般に、周波数同期信号の位置を決定するための方法、装置、およびシステムに関連し、とりわけ、本発明は、送信機から送信され、通信システムの受信機により受信されたデータにおいて、周波数同期信号の位置を決定するための方法、装置、およびシステムに関連する。
【０００２】
どのような通信システムでも、送信機と受信機の間でメッセージが首尾よく交換するためには、受信機と送信機とが同期していることが重要である。無線通信システムにおいて、受信機が最適な受信を行うためには、送信機の周波数に合わせることが重要である。
【０００３】
典型的な無線通信システムでは、リモート局が無線エアインタフェースを介して1以上の基地局と通信する。基地局とリモート局の送信においてお互いの干渉を防止するために様々な手法が採用されてきた。
【０００４】
ある無線通信システムでは、隣接する基地局が相互に異なる搬送波周波数を割り当てられる。これは、ある基地局からの送信により、隣接した他の基地局とリモート局との通信に干渉を与えないようにするためである。そのような技術として、周波数分割多元接続（FDMA）技術と時分割多元接続（TDMA）がある。TDMAシステムでは、基地局が、搬送波上のフレーム内における特定の時間スロットを各リモート局に対して割り当てることができる。このように異なる時間スロットを割り当てることで、複数のリモート局は、同一の搬送波周波数のを用いて基地局と通信することができる。
【０００５】
他の無線通信システムとして、符号分割多重接続（CDMA）が採用するものがある。CDMAでは、各リモート局に他局と異なる符号が割り当てられ、これらの符号は相互に直交している。隣接した基地局は、直交符号を使用することで、同一の周波数を用いてリモート局とメッセージを交換できる。なお、直交符号は、どの基地局向けのメッセージであるかをも示している。
【０００６】
無線通信システムが、FDMA、TDMA、CDMA、これらの組み合わせ、または他のアプローチを採用するかどうかにかかわらず、通信を希望するエリアを提供している基地局とリモート局とが、時間及び周波数において同期していることが重要である。すなわち、リモート局の周波数基準は基地局の搬送波周波数に同期していなければならず、また、リモート局の時間基準は基地局の時間基準に同期しなければならない。一般に、この目的を達成すべく、周期的な同期信号が基地局からリモート局に送信される。
【０００７】
モバイル通信のためのヨーロッパグローバルシステム（GSM）標準に準拠したシステムでは、基地局の搬送波をデータの正常バースト（NB）と変調することによって、情報は基地局からリモート局に伝えられる。基地局の搬送波は、しばしば、基地局に移動局を同期させるために、周波数同期信号を生成するための周波数訂正バースト（FCB）や同期バースト（SB）と変調される。
【０００８】
一般的に、基地局の搬送波は、ガウシアン最小シフトキーキーング（GMSK）を用いてFCBと変調される。GSMシステムでは、FCBは148のシンボルシーケンスであり、各シンボルは0である。FCBは変調の後、正弦曲線信号に変わる。従って、結果として得られる周波数同期信号の周波数は1/4T Hzとなる。ここでTは、シンボル長を表している。Tは、一般に、周波数同期信号の周波数が約67.7 KHzであるようにするため、48/13（μｓ）である。FCBは最初の4回は、10のフレームごとに繰り返されて、5回目は11番目のフレーム上で繰り返される。このフレームシーケンスは、リモート局と基地局の間の同期を維持するために、限りなく繰り返される。
【０００９】
リモート局は、FCBの情報から、リモート局に割り当てられた時間スロットに対し大雑把に同期をとることができる。この大雑把な同期は、一般にFCBの8バースト後に続くSBの位置を特定するのに十分であり、また、SBが運ぶ情報を復号するのに十分である。SBを復号することによって得られた情報は、リモート局の周波数基準を基地局の搬送波周波数に精度よく合わせ、かつ、基地局によりそれに割り当てられた時間スロットにリモート局の時間基準を適合させるために用いられる。
【００１０】
CDMAを採用しているシステムでは、各基地局は、周波数同期信号を、例えばパイロットシーケンスの形式にて送信する。各パイロットシーケンスは、特定の基地局に割り当てられた周波数だけでなく、可能なら特定の基地局に割り当てられない周波数をいくつかあるいは全て用いて送信される。もしパイロットシーケンスを送信するための周波数がすでに基地局に割り当てられているならば、パイロットシーケンスは、その基地局により使用されているの他の周波数よりも大きな電力で送信されるだろう。パイロットシーケンスにより変調された搬送波を受信した各リモート局は、それぞれ信号を復調する。その結果、各リモート局は、自己に向けられた信号を受信できるとともに、異なるパイロットまたは搬送波を用いて、隣接した基地局の信号強度を測定できる。この情報は、リモート局により、受信されたどのパイロットシーケンスが最も強い信号強度であるかを決定するために用いられ、それに応じてリモート局の周波数基準は適切な搬送波周波数に調整される。
【００１１】
リモート局の周波数基準と基地局の搬送波周波数との周波数偏差は、復調された周波数同期信号から検出される。例えば、GSMシステムにおいて、変調された周波数同期信号の周波数（これは67.7 KHzとして知られている。）と、受信された周波数同期信号の周波数（ベースバンドへと復調される。）との差は、リモート局の周波数基準におけるエラーの直接的な測定値となる。CDMAシステムにおいて、リモート局の周波数基準において、既に知られている最も強いパイロットシーケンスの周波数と復調されたパイロットシーケンスの周波数との差は、リモート局における周波数基準のエラーの測定値として使われる。
【００１２】
従って、基地局にリモート局を同期させるためには、基地局から送信された周波数同期信号を正確に検出すること、および基地局のリモート局の周波数基準と搬送波周波数との周波数偏差を推定することが重要である。
【００１３】
周波数同期信号を検出するための数多くの技術が提案されている。このような技術の一つとして、ルーズベ・アタリウス他らによる1998年2月20日に出願された「周波数同期信号を検出するための方法及び装置」という米国特許出願において開示された技術があり、この技術をここに参考文献として取り込む。この検出方法では、周波数同期信号を検出するために、受信信号の同相成分と直交位相成分間の類似性を用いる。
【００１４】
また、基地局の搬送波周波数とリモート局の周波数基準との周波数偏差を推定するための数多くの技術が提案されている。このような技術の一つとして、1997年11月17日に、ルーズベ・アタリウス他らによって出願された米国特許出願No．08/971，666において開示された技術があり、この技術をここに参考文献として取り込む。この推定方法は、周波数オフセットを推定するために、検出された周波数同期信号の連続したサンプル間の位相差を用いる。
【００１５】
周波数オフセットを正確に推定し、それから、リモート局を基地局の搬送波周波数に同期させるためには、例えば、フレーム中のFCBの位置を見つけるがごとく、リモート局により受信されたデータの中から、周波数同期信号の実際の位置を見つけることは重要である。さもなければ、周波数オフセットの推定において使用される信号は、周波数同期信号と完全に一致しないおそれがあり、結果として最適な周波数合わせができないかもしれない。従って、受信機により受信されたデータの中から検出された周波数同期信号の位置を決定する必要がある。
【００１６】
要約
従って、本発明の目的は、周波数同期信号の位置を決定することである。本発明の例示的な実施形態によると、この目的および他の目的は、送信機から送信され、受信機により受信されたデータの中から周波数同期信号の位置を決定するための方法、装置、およびシステムにより達成される。受信機により検出された信号を代表するピーク値が求められ、受信機の周波数基準と送信機の搬送波周波数間の周波数オフセットが推定され、推定された周波数オフセットの精度を示す品質指数が推定される。
【００１７】
周波数同期信号の位置は、求められたピーク値と推定された品質指数を、予め定められたピーク値と品質しきい値と比較することによって決定される。例えば、ピーク値がピーク閾値以上であるか、品質指数が品質しきい値以下であるかの如くである。予め定められたしきい値条件の両方が満たされている時には、ピーク値、周波数オフセット、および品質指数は蓄積される。しきい値条件のうちのどちらも満たされない時には、周波数同期信号の位置は、蓄積されている最大のピーク値および蓄積された最小の品質指数の位置と一致させる。
【００１８】
詳細な説明
以下の説明では、GSMの無線通信システムを対象とするが、これは単に説明の便宜上の目的に過ぎない。従って、本発明はGSMに制限されることはなく、他の標準を採用する種々の通信システムに適用可能である。
【００１９】
図１は、本発明を実装できる例示的な通信システムを示している。システムは、最低1つの送信機100および最低1つの受信機150を含む。送信機100と受信機150は図1においてそれぞれ基地局と移動局として描かれている。送信機は様々な形態で実施が可能であり、例えば地球上の中継器または衛星中継器等に適用可能である。また、受信機も様々な形態で実施が可能であり、例えば固定のセルラー端末（ワイアレス・ローカル・ループ）にも適用可能である。基地局と移動局は、図1に描かれ、また、以下において説明されているが、これは説明の便宜上の目的に過ぎない。
【００２０】
基地局100と移動局150は無線エアインタフェース125を経て通信する。各隣接した基地局100は特定の搬送波周波数を割り当てられる。各基地局100は具体的な時間スロットを各移動局150に割り当てる。
【００２１】
基地局100と通信するために、移動局150は、基地局100に対し時間と周波数が同期していなければならない。すなわち、移動局150の周波数基準と時間基準は、基地局100により割り当てられた搬送波周波数と時間スロットとに、それぞれ同期されなければならない。CDMAシステムにおいて、移動局150は、送信された基地局の搬送波周波数と符号ワードとに同期しなければならない 。
【００２２】
移動局150を同期させるために、基地局100は周波数同期信号を移動局に送信する。例えば、GSM標準の基地局100を採用しているシステムでは、周波数同期信号を形成すべく、FCBによってその搬送波周波数を変調する。
【００２３】
移動局150は、基地局100から送信された周波数同期信号を含む信号を受信して復調する。例示的な実施形態によると、周波数同期信号の検出は如何なるものを採用しても構わず。例えば前述した「周波数同期信号を検出するための方法と装置」と表題を付けられた米国特許出願において開示された方法を用いてもよい。この米国特許出願において開示された方法のうちの1つを説明に役立てる目的で以下に説明する。
【００２４】
受信された周波数同期信号の同相成分と直交成分の類似性は、FCBなどの周波数同期信号を検出するために使用できる。
【００２５】
受信された同期信号y(n)の同相成分と直交成分は次のように表現できる。
【００２６】
【数１】

【００２７】
【数２】

【００２８】
ここで、√P、ΔF、ν_I(n)及びν_Q(n)は、それぞれ、搬送波の振幅、周波数基準と搬送波周波数F_s間の周波数オフセット、同相の雑音成分、直交位相の雑音成分を表している。
【００２９】
もし移動局が基地局に同期しているならば、すなわちΔF=0であるなら、FCBの正弦曲線区間ごとに、4つのサンプルが含まれている。さらに、FCBのy_I(n)、およびy_Q(n)成分は、π/2だけシフトされた位相であり、それゆえ、1つのサンプルだけお互いに異なっている。従って、FCBと一致する受信信号について、y_Q(n)は、y_I(n)を1インデックスだけ遅延させることにより得られる。
【００３０】
もし移動局が基地局に同期していないならば すなわちΔF≠0であるならば、y_Q(n)は、y_I(n-1)と等しくはならない。
【００３１】
【数３】

【００３２】
FCBに対応する信号について、y_I(n-1)とy_Q(n)との相互相関をとると、以下の相互相関r_IQ(1)が得られる。
【００３３】
【数４】

【００３４】
式4からわかるように、y_I(n-1)とy_Q(n)との相互相関は、受信信号とFCBとが一致している時には、いつでもピークを結果として生じる。ピーク値は、搬送波振幅と周波数オフセットΔFとに依存する。ΔFが大きくなると、ピーク値が減少する。もし信号が、例えばNBまたは雑音と一致すれば、y_I(n-1)とy_Q(n)との相互相関は全く生じない。従って、相互相関値が、予め定められた検出しきい値と少なくとも同じ大きさであるか否かを決定することにより、基地局から送信された信号がFCBと一致しているかどうかを決定できる。
【００３５】
FCBを検出するために相互相関を実施する際に考慮すべき、いくつかの潜在的な問題がある。第１の問題は、伝播損失に起因して衰える搬送波振幅の変化である。搬送波振幅の変化は式4のピーク値に影響し、検出しきい値の選択を困難にする。
【００３６】
搬送波振幅変化の影響を低減するために、受信データy(n)を正規化する。正規化は、受信された信号y(n)を平面座標系から極座標系に変換したのち、信号を平面座標系に再変換する。これは、平面座標系から極座標系への変換のためのテーブルと、極座標系から平面座標系への変換テーブルといった2つのテーブルによって実施可能である。正規化は、第１のテーブルを用いて、受信信号の同相成分と直交成分とに対応する信号位相を得て、さらに、第２のテーブルを用いて、信号位相と単位振幅とから正規化された同相成分と直交成分とを得ることで実現される。
【００３７】
上述の相互相関技術を使ってFCBを検出するためには、式４の右側の量が最初に決定されなければならない。この値を決定する一つの方法は、相互相関値r_IQ(1)を次の通り推定することである。
【００３８】
【数５】

【００３９】
ここで、e{ r_IQ(1)}推定された相互相関値を示しており、length(Ψ)はFCBの長さ、すなわち、FCBの中のシンボル数を示している。従って、FCBの長さに対応する受信信号の多くのサンプルのそれぞれについて、y_I(n-1)とy_Q(n)とを乗算し、これらの積の平均をとることにより、式４の相互相関値が推定される。
この平均化処理に必要なメモリ容量を減らすために、式５の推定方法は、伝達関数を用いた移動平均（MA）処理により作成できる。
【００４０】
【数６】

【００４１】
ここで、すべての係数{b_k}は1/148と等しい。このMA処理は、148サンプル長のメモリを持つフィルタで実現できる。
【００４２】
MA処理は、次の伝達関数を有する自動回帰（AR）処理へと書き直される。
【００４３】
【数７】

【００４４】
ここで、A(z)は、B(z)より小さいオーダーをともなう多項式であり、R(z)は残りの項である。残りの項R(z)は、またバイアスを称され、以下に1/A(z)がB(z)に近づくかに依存する値である。理想的に、1/A(z)はB(z)を大きく逸脱することはなく、バイアスR(z)は小さくなるはずである。式７は、次のように近似される。
【００４５】
【数８】

【００４６】
ここで、0＜α＜1であり、一定値Cは、z = 0での利得を調整するために使用される。αのための簡単な選択は、1-1/128である。これならCが1/128と等しくなるからである。2つの電力に関連するαをもつ利点は、128による除算は、７ビットの簡単な右シフトによって実施できることである。式8の近似は指数平均である。これはメモリを有するフィルタによって実現でき、このメモリは近似的に、(１−α)^-1=128サンプル長である。
【００４７】
図２は、周波数同期信号を検出するための装置を例示している。装置は、与えられた時間nに、基地局から受信した信号y(n)の同相成分y_I(n)と直交成分y_Q(n)とが入力される正規化器210を含んでいる。これらの成分は、クリッチロウ氏に付与された米国特許No．5276706の技術のような適当な技術を用いることで得られる。
【００４８】
正規化器210により、y_I(n)とy_Q(n)とが正規化される。これにより、例えば、フェーディングの影響を低減できよう。図２とともに上述したように、正規化器210は変換テーブルによって実施できる。正規化された同相成分は遅延回路210を通過し、1サンプル時間だけ遅延される。この遅延した同相成分と正規化された直交成分とが、デローテータ222で逆回転され、ベースバンドに移行し、次にLPフィルタ225で低域ろ過することで背景雑音を除去し、ローテータ227で、回転させることにより中央周波数に戻される。そして、これらの成分は、乗算器230で乗算され、平均化器245で相互相関値の推定値e{r_IQ(1)}を得るために平均化される。
【００４９】
平均化器245は、例えば、次の伝達関数を有する移動平均により実施されうる。
【００５０】
【数９】

【００５１】
これは、式8にC = 1/128とα = 1-1/128とを代入したものである。移動平均はLPフィルタを用いて実施できる。この手法なら、FIRフィルタで平均化するほどの複雑さを必要としなくてすむ。もし推定された相互相関値が、予め定められた検出しきい値と同じくらい少なくとも大きいピークを持っているならば、基地局から送信された信号はFCBと一致しているといえる。
【００５２】
図２での周波数選択的フィルタは、遅延回路210と乗算器230の間に配置されているが、正規化器210の前であればどのような他の適当な位置に配置してもよいことは理解できよう。
【００５３】
推定された相互相関値e{ r_IQ(1)}は、基地局の搬送波周波数と移動局の周波数基準との間の周波数オフセットを決定するために、実際の相互相関値 r_IQ(1)の代わりに用いられる。
【００５４】
図３は、周波数同期信号を検出する例示的な方法を示している。この方法は、受信信号の同相成分(I)と直交成分（Q）とが正規化されるステップ310から始まる。ステップ320で、正規化されたＩ成分及びＱ成分は、背景雑音を除去するためろ過（フィルタリング）される。そして、ステップ330で、ろ過及び正規化されたＩ成分は遅延される。ステップ320と330の順序は逆でもよく、すなわち、Ｉ成分を遅延させた後で、正規化されたＩ成分とＱ成分をろ過してもよい。
【００５５】
ステップ340で、正規化とろ過のされたＱ成分は、遅延、ろ過及び正規化されたＩ成分と乗算される。ステップ350で、これらの成分が予め定められた数の受信信号のサンプルと乗算されたかを決定する。例えば、これは、FCBの長さと一致するサンプル数である。もし乗算されていなければ、処理はステップ310に戻る。これらの成分が予め定められた数の受信信号のサンプルと乗算されていれば、ステップ360で、この積は平滑化、例えば、平均化され、相互相関値の推定値が得られる。ステップ370で、この結果が、予め定められたしきい値より大きいか判断される。もし大きくなければ、検出された信号は、周波数同期信号と一致せず、処理はステップ310に戻る。もし推定された相互相関値が、予め定められたしきい値より大きければ、検出された信号は周波数同期信号と一致し、検出処理はステップ380で終了する。検出された周波数同期信号は、受信された周波数同期信号の周波数オフセットを推定するために使用でき、移動局は、推定された周波数オフセットに基づいて基地局に同期できる。いったん移動局が基地局に同期したら、図３において示された方法は、同期を維持するために繰り返される。
【００５６】
例示的な実施形態によると、移動局の周波数基準と基地局の搬送波周波数との間の周波数オフセットは、前述の米国特許出願No．08/971，666において開示された技術を含む、他の様々な方法を用いて推定できる。なお、本発明の説明に役立てるために、この出願である一つの方法を説明する。
【００５７】
信号対雑音比(SNR)がP/σ_ν ²＞＞1と等しいなら、実際に受信された同期信号y(n)の位相は、初期位相Θを0とすれば、次のように表せる。
【００５８】
【数１０】

【００５９】
ここで、ν_φ(n)は0平均の白ガウシアン位相雑音ノイズを示す。
そこで、実際に受信された信号y(n)の周波数オフセットをΔFと仮定すれば、式１０は次のように書き直される。
【００６０】
【数１１】

【００６１】
これは、白色ノイズを持つ傾き2π(ΔF/F_ｓ+1/4）の直線と一致する。従って、周波数オフセットΔFの推定は、式１１における傾きを推定することと関連する。既知の指数2π/4を減算すると、この傾きは、次式の２乗誤差の和を最小化することによる、線形回帰方法用いて推定できる。
【００６２】
【数１２】

【００６３】
ここで、e｛ΔF｝は、推定された周波数オフセットであり、Φ(n)=Φ_y(n)である。この推定は、雑音ν_φ(n)がガウシアンなら最尤(ML)推定になる。
【００６４】
時間指数Ψのセットは、初期時間n₀の選択に依存する。例えば、Ψ=｛-（N₀-1）/2，…，0，…，（N₀-1）/2｝のように（ここで、N₀は奇数とする。）、指数Ψを非対称となるようにｎ₀を選択するのが都合がよい。このように時間指数のセットを採用すれば、周波数オフセットは次式のように推定できる。
【００６５】
【数１３】

【００６６】
周波数オフセットを推定するために必要なメモリの量を減らすために、FCBのN₀サンプルは、それぞれM位相差を有するＮのグループにグループ化することができる。そして、各グループのそれぞれの和を計算できよう。すなわち、周波数オフセットを推定するために、検出された周波数同期信号の連続して収集されたサンプル間の位相差のブロック和を用いることができる。これなら、連続して収集されたサンプル間の個々の位相差を用いずにすむ。この手法により、周波数オフセットの推定に必要な計算量を減らすことができる。
【００６７】
FCBの位相サンプルを種々のブロックに分割することによって、式１３の和は次の通り表現される。
【００６８】
【数１４】

【００６９】
ここで、NとMは、それぞれブロックの数と、個々のブロックにおけるサンプルの数を示している。従って、サンプルの全体の数N₀=NMとなる。
【００７０】
式１４の右側の項は、Mi+j-(N₀-1)/2においてj=(M-1)/2とすることで近似できる。ブロック位相の和 Φ_M(i)=Σ_j=0 ^m-1Φ(Mi+j)を導入すると、式１４は次のように近似できる。
【００７１】
【数１５】

【００７２】
これを式１３に代入すると、周波数オフセットΔF_Mは次のように推定できる。
【００７３】
【数１６】

【００７４】
さらに、必要なメモリ量を減らすために、線形回帰方法を用いて、個々のサンプルをシフトせずに位相の分散の補償と、メモリでの位相シフト追跡と改善する。FCBの連続して収集されたサンプルについて位相差は、この手法で使われる。
【００７５】
連続した位相の和Φ_M(k)は、お互いに次のように関連する。
【００７６】
【数１７】

【００７７】
位相サンプルが等距離なので、Φ_M(k)は、その初期値Φ_M(k₀)と、FCBの連続して収集されたサンプル間の位相差の和ΔΦ_M(j)とに関連し次のように表せる。
【００７８】
【数１８】

【００７９】
この結果を式１６のΦ_M(k)に代入すると式１９が得られ、周波数オフセットe{ΔF_M}は次のように推定できる。
【００８０】
【数１９】

【００８１】
ここで、Σ_k=0 ^N-1(k-(N-1)/2)=0なので、位相初期値Φ_M(k₀)は式１９になんの影響も及ぼさない。
【００８２】
周波数オフセットの推定に影響する種々の原因と、例えば雑音やフェーディングなどがある。仮に、推定された周波数オフセットが正確ではないならば、移動局の周波数基準は基地局の搬送波周波数に適切に同期しないであろう。従って、必要に応じて精度を調整できるように、推定された周波数オフセットの精度を決定することが重要である。
推定された周波数オフセットの精度を表す品質指数δを推定するための技術が米国特許出願No．08/971，666に開示されている。推定の品質指数e{δ}は、例えば、次式に示すように、M個の位相差の各和Nと、推定された周波数オフセットe｛ΔF_M｝との差の絶対値を加算することにより求められる。
【００８３】
【数２０】

【００８４】
理想的には、これらの差と、そして結果として得られた推定品質指数e{δ}は、0であるはずである。偏差があれば、それは雑音及び／または推定誤り存在することになる。従って、推定品質指数e｛δ｝がより低くなるにつれて 周波数オフセットの推定はより正確となる。
【００８５】
図４は、周波数オフセットと品質指数を推定するための装置の例示である。図４に例示するように、検出された周波数同期信号y(n)は、検出された信号のダイナミックレンジを制限する正規化器400で正規化される。正規化器400は、図２において示された正規化器210と同じ方法によりテーブルを用いて実現できる。最適な周波数オフセットの推定値を得るために、理想的には、FCBのサンプルだけが使われるべきである。従って、受信信号は、FCBを雑音から分離するために、FCBに関連する周波数帯域を選択すべく、周 波数選択性フィルタにより前置ろ過され、ゆえに信号対雑音比が改善される。
受信された信号は、シフタ410により、67.7KHzの中心周波数からベースバンドにシフトされる。シフトされた信号は、ＬＰフィルタ420により低域ろ過される。シフタ410は、図２に示したデローテータ222として実現可能である。フィルタによりろ過された信号y_LP(n)の位相Φ_yLP(n)は位相測定回路430において測定される。受信信号の連続したサンプルと復調された周波数同期信号との位相差Δφ_yy(n)は、微分器440において周知の技術により求められる。微分器440は、例えば高域ろ過フィルタにより実現できる。各位相差は、加算及びダンプ回路450において、蓄積されている直前の位相差と加算される。この加算及びダンプ回路450は、加算器と、FIRフィルタのようなフィルタにより、係数Mを単一に設定して実現される。また、位相差は他のデバイスによっても加算可能であり、例えば、積分及びダンプ回路、再設定可能な積分器若しくは低域ろ過フィルタを用いればよい。Mの位相差が加算されると和が蓄積される。すなわち、加算及びダンプ回路450から周波数オフセット推定回路460へと出力される。
【００８６】
周波数推定回路460は、周波数オフセットを推定すべく、検出された周波数同期信号について位相差のグループの重み付けされた和を計算し、周波数同期信号の連続したサンプル間の位相偏差を補償する。すなわち、位相シフトを追跡するためのメモリを必要とせずに、位相の展開を行う。周波数推定回路460は、遅延回路、アキュムレータ、および係数c_kを持つFIRフィルタで実現できる。
【００８７】
【数２１】

【００８８】
【数２２】

【００８９】
図４に示すように、品質指数推定回路470は、上の式２２に基づいて品質指数の推定値e{δ}を計算する。もし推定された品質指数e{δ}が、推定された周波数オフセットは十分に正確ではないことを示すなら、すなわち、推定された品質指数が予め定められたしきい値よりも大きいなら、推定された周波数オフセットは調整可能であり、再び計算される。
【００９０】
品質指数推定回路470は、M個の位相差からなるN個のグループのそれぞれと、推定された周波数オフセットとの間のN個の差を計算するN個の減算器と、前記N個の差についてそれぞれの絶対値を計算するためのN個の絶対値回路、および推定された品質指数e{δ}に前記N個の絶対値を加算するための加算器とにより実施可能である。説明を簡潔にするために、周波数オフセット推定回路460と品質指数推定回路470とを別々なものとして記載したが、もちろん、両者を結合して単一の機器にて実現してもよい。
【００９１】
図５Ａは、周波数オフセットを推定するための方法を例示する。この方法はステップ500から始まり、ここで、周波数同期信号の検出を改善するために、受信信号が前置ろ過される。次に、ステップ510で、検出された周波数同期信号のサンプルが収集される。ステップ520で、連続したサンプルが収集される。ステップ530で、連続して収集されたサンプル間の位相差が計算される。次に、ステップ540で、この位相差を蓄積されている他の位相差に加算する。ステップ550で、M個の位相差の加算が完了したか否かを判断する。もし完了していなければ、処理はステップ520に戻る。もしM個の位相差の加算が完了したならば、M個の位相差の和はステップ560でダンプされる。次に、ステップ570で、M個の位相差のについてN個の和が完了したか否かを判断する。もし、完了して否ければ、ステップ510に戻り、新しいサンプルが収集される。もし完了したなら、ステップ580でN個の和が加算される。例示的な実施形態によると、このステップは、N個の和について重み平均を計算するものであり、これは例えば 線形回帰によって実現でき、その結果として周波数オフセットの推定値が得られるものである。
【００９２】
図５Ｂは、品質指数の推定方法についての例示である。この処理は、周波数オフセットが推定された後に開始される。ステップ590で、Mにより重み付けされた周波数オフセットの推定値は、N個の差を生成すべく、M個の位相差についての和N個からそれぞれから引き算される。次に、ステップ600で、N個の差の絶対値が計算される。最後に、品質指数の推定値を生成するために、ステップ610でN個の絶対値が加算される。
【００９３】
上述したような技術は、基地局の搬送波周波数と移動局の周波数基準との間の周波数オフセットを推定するために、検出された周波数同期信号が使用される。移動局で受信されたデータの中から周波数同期信号の位置を検出することは、推定が他のデータではなく、実際の周波数同期信号を使って実行されるので、非常に重要である。
【００９４】
例示的な実施形態によると、周波数同期信号の位置は、検出された周波数同期信号に基づき判断され、推定された周波数オフセットと品質指数とに同期される。この処理は図６Ａに示されるような装置において実施され、この装置は、とりわけ移動局などの受信機に含められる。
【００９５】
図６Ａを参照すると、装置には状態メモリ620と630が含まれている。状態メモリ620は、例えば図４に示すように、移動平均器245によって出力された相互相関値、周波数オフセット推定器460により推定された周波数オフセットの推定値及び品質指数推定器470により出力された品質指数の如く、検出された周波数同期信号を代表するような信号が書き込まれる。
【００９６】
周波数オフセット推定方法（米国特許出願No．08/971，666において開示されたような技術など）は、推定のための必要なパラメータの数を減少させるために、Mによるサンプルレートを１０分の１にしている。従って、推定された周波数オフセットと品質指数のレートは、計算により求められた相互相関ピーク値のM分の１となる。これを説明するために、例示的な実施形態の装置は、Mによる、推定された周波数オフセットのレートと品質指数を展開するためのフィルタ610を含む。さらに、上述したような周波数同期信号の検出技術は、計算により求められた総合相関のピーク値の遅延は、結果として、同相成分を遅延させる。これを説明するために、推定された周波数オフセットと品質指数は、それらが相互相関ピーク値に同期するようにするための展開に先がけて、遅延ユニット600において時間N₀だけ遅延される。遅延ユニット600は、例えばバッファによって実現できる。
【００９７】
推定された周波数オフセットと品質指数値が展開され、計算により求められたピーク値と同期されると、相互相関ピーク値と品質指数とのそれぞれの最大値と最小値とを検索することによって周波数同期信号の位置を決定するための手法が用いられる。そのような最大値と最小値が生じるポイントは、周波数同期信号の位置と一致している。これは図６に示されている。
【００９８】
図６Ｂは、時間軸上でのピーク値、品質指数、および周波数オフセットの視覚的な表現である。図６Ｂには、ピーク値は最大で、しきい値以上であり、時間n_lにおけ品質指数は最小で、品質しきい値以下であることを示している。この時間n_lは周波数同期信号の位置と一致している。時間n_lにおける、対応する周波数オフセットも図に示されている。この時間後ほどなくして、ピークおよび品質しきい値の条件は外れてしまう。すなわち、ピーク値はピークしきい値より小さくなり、品質指数は品質しきい値より大きくなってしまう。それゆえ、時間n_lでの最大のピーク値および最小の品質指数は、周波数同期信号の位置を示すために使用できるのである。 再び図６Aを参照すると、局所的なピーク、周波数および品質値を含む極大値は、状態メモリ620に蓄えられる。局所的なピーク、周波数、および品質値は、それぞれ、計算により求められた相互相関ピーク値、推定された周波数オフセット、および推定された品質指数に対応している。
【００９９】
状態メモリ620に蓄えられた局所的なピーク、周波数、および品質値は、状態メモリ630、例えば遅延ユニット635などに書き込まれ、それから状態メモリ630から読み出される。相互相関ピーク値と品質指数価値は、例えば、比較回路625において、それぞれ予め定められたピークと品質しきい値と比較される。 もし、しきい値条件の両方が満たされていれば、すなわち、相互相関のピーク値がピークしきい値以上であり、かつ、品質指数値が品質しきい値以下であれば、例えば比較回路625において、遅延ユニット635から読み込んだ相互相関ピーク値が、状態メモリ620に蓄えられている計算により求められた連続のピーク値より小さいかを判断する。もし相互相関ピーク値が連続したピーク値より小さければ、局所的なピーク、周波数、および品質値は、対応する一連の極大値でもって更新される。
【０１００】
ピーク値の位置は、相互に関連する状態メモリ620のカウンタ627を用いて推定される。カウンタ627は、移動平均器245（図２に例示）、および周波数オフセット推定器460、および品質指数推定器470（図４に例示）から入力値の数をカウントし、周波数同期信号が検出されるとリセットされる。カウント値は、例えば遅延ユニット635などの状態メモリ630に蓄えられる。
【０１０１】
予め定められたしきい値条件のうちのどちらも満たされない時、すなわち相互相関ピーク値がピークしきい値より小さく、かつ、品質指数値が品質しきい値よりも大きいと、 比較回路625において、局所的なピーク値が0に等しいか否かを判断する。もし局地的なピーク値が0ではなければ、これは、すでに周波数同期信号が検出されたことを示す。従って、局所的な最大値は広域的な最大値として、例えばレジスタに書き込まれ、広域的なピークと品質を有する周波数同期信号が検出されると仮定される。その後、局所的な最大値は0にリセットされる。対応する周波数オフセットの推定値は、また、移動局の周波数基準と基地局の搬送波周波数間の周波数オフセットであると考えられる。この周波数オフセットは、移動局の周波数を基地局の搬送波周波数に合わせるために用いられる。
【０１０２】
図７は、周波数同期信号の位置を決定する方法の例示である。この方法は、ステップ700で始まり、ピーク、周波数オフセット及び品質値は、状態メモリ620から読み出される。ステップ705で、局所的なピーク、周波数オフセット、および品質値が状態メモリ630（例えば、遅延ユニット635）から読み出される。ステップ710で、カウンタの値は、たとえば遅延ユニット635のような状態メモリ630から読み出される。ステップ715で、カウンタ値は、カウンタ回路627において１を加算することで更新される。ステップ720で、広域的なピーク、周波数オフセット、および品質値が0と等しくされる。
【０１０３】
ステップ730で、相互相関のピーク値が予め定められたピークしきい値以上であるか、また、推定された品質指数値が予め定められた品質しきい値以下であるかどうかが決定される。もしこれらの条件のどれかが満たされなければ、ステップ735で局所的なピーク値が0でないか否かが判断される。もしステップ735で、局所的なピーク値が0と等しくなければ、これは、局所的なピーク値が最大値であることを示す。従って、広域的な最大値は、ステップ745で、局所的な値に設定され、局所的なピーク、周波数、および品質指数値は、ステップ750で、0に設定され、広域的な値は、ステップ755でレジスタに書き込まれる。この広域的な値は、移動局の周波数基準を基地局の搬送波周波数に合わせるために用いられる。
【０１０４】
もしステップ730で、相互相関のピーク値がしきい値以上であれば、推定された品質指数値が品質しきい値以下であると決定されると、ステップ760で、状態メモリ630から読出しだ局所的なピーク値より、状態メモリ620から読み出された一連のピーク値が大きいかどうかを判断する。もし大きければ、局所的なピーク、品質指数、および周波数オフセット値は、ステップ765で更新され、一方、カウンタはステップ775で0にセットされる。
【０１０５】
ステップ735、755及び775から処理はステップ780に進み、そこで、カウンタの値が状態メモリ630に書き込まれる。ステップ785で、局所的なピーク、遅延、周波数オフセット、および品質指数の値は、状態メモリ630に書き込まれ、ステップ700に戻る。
【０１０６】
本発明によると、送信機から送信され、受信機において受信されたデータの中から周波数同期信号の位置を決定するための方法、装置、およびシステムが提供される。これは受信機を、送信機の搬送波周波数に対して最適に調整すること保証する。
【０１０７】
なお、本実施形態では、GSMとCTSシステムについて説明してきたが、本発明の必須の特徴からはなれることなく、本発明を他の実施態様にて実施可能あることはいわゆる当業者により理解されよう。例えば、本発明は、他のモバイル通信システム、例えば、デジタルセルラー通信システム（DCS）標準やパーソナル通信サービス（PCS）標準を採用しているシステム、または周波数同期信号を検出する必要のある他のシステムにおいても適用可能である。従って、上述の実施形態は、権利範囲を制限するだめではなく、あくまで説明に役立てるために考慮されなければならない。
【図面の簡単な説明】
発明の特徴、目的、および利点は、付随図面を参照しつつ以下の明細書を読むことで明確になろう。
【図１】 本発明を実装できる通信システムを説明する図である。
【図２】 周波数同期信号を検出するための例示的な装置を説明する図である。
【図３】 周波数同期信号を検出する例示的な方法を説明する図である。
【図４】 周波数オフセットと品質指数を推定するための例示的な装置を説明する図である。
【図５Ａ】 周波数オフセットを推定する例示的な方法を説明する図である。
【図５Ｂ】 品質指数を推定する例示的な方法を説明する図である。
【図６Ａ】 周波数同期信号の位置を決定するための例示的な装置を説明する図である。
【図６Ｂ】 時間の上のピーク値、品質指数価値、および周波数オフセットを視覚的に表現した図である。
【図７】 周波数同期信号の位置を決定するための例示的な方法を説明する図である。

Claims (27)

1. 少なくとも１つの送信機および少なくとも１つの受信機を含む通信システムにおいて、送信機から送信され、受信機において受信されたデータの中から周波数同期信号の位置を決定する方法は、
   a) 送信機から送信され、受信機において検出された信号を表すピーク値を計算により求めるステップと、
   b) 送信機の搬送波周波数と受信機の周波数基準との間の周波数オフセットを推定するステップと、
   c) 推定された周波数オフセットを用いて品質指数を推定するステップと、
   d) ピーク値と品質指数とがそれぞれピーク及び品質の予め定められたしきい値条件を満たすか否かを決定するステップと、
   e) 予め定められたしきい値条件の両方が満たされているときは、ピーク値、周波数オフセット、および品質指数を蓄積して、上記ステップa)-d)を繰り返すステップと、
   f) 上記しきい値条件のうちのいずれか一つでも満たされないときは、蓄積されたピーク値および蓄積された品質指数の位置を周波数同期信号の位置として決定するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 上記決定のステップ(d)は、ピーク値がピークしきい値以上であるかを決定するとともに、品質指数が品質しきい値以下であるかを決定することを含む請求項１に記載の方法。
3. 上記しきい値条件のうちのいずれか一つでも満たされないときは、蓄積された最大のピーク値および蓄積された最小の品質指数の位置を周波数同期信号の位置として決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 予め定められたしきい値条件の両方が満たされているときは、計算により求められた後続のピーク値が、蓄積されているピーク値を超えるか否かを決定し、超えるならば、蓄積されているピーク値、周波数オフセット、および品質指数をそれぞれ後続の値へと更新するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 周波数オフセットと品質指数とをピーク値と同期させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 上記のピーク値を計算により求めるステップは、
   受信信号の同相成分を遅延させ、
   受信信号の同相成分と直交成分との積を、予め定められた数だけ計算し、
   相互相関ピーク値の推定値を生成すべく、遅延された同相成分と直交成分と積を平滑化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 上記周波数オフセットを推定するステップにおいて、
   g) 送信機から送信され、受信機により検出された信号について連続して収集されたサンプル間の位相差を決定するステップと、
   h) 上記位相差を蓄積された位相差に加算するステップと、
   i) M個の蓄積された位相差が加算されるまで、g)-i)のステップを繰り返すステップと、
   j) 蓄積された位相差が結果として０となるように、M個の蓄積された位相差の和をダンプするステップと、
   k) M個の蓄積された位相差の和をN個得られるまでg)-j)のステップを繰り返すステップと、
   l) 推定された周波数オフセットを生成すべく、M個の蓄積された位相差の和N個を加算するステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 上記品質指数を推定するステップにおいて、
   M 個の蓄積された位相差についての N 個ある和の一つと、推定された周波数オフセットとの差をN個計算し、
   N個の差について絶対値をとり、
   推定された品質指数を生成るために上記絶対値を加算することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 指数Mで周波数オフセットと品質指数を展開するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 少なくとも１つの送信機および少なくとも１つの受信機を含む通信システムにおいて、送信機から送信され、受信機において受信されたデータの中から周波数同期信号の位置を決定する装置であって、
    計算により求められたピーク値と推定された品質指数とが予め定められたしきい値条件を満たすか否かを決定するための比較回路と、
    予め定められたしきい値条件の両方が満たされているときは、ピーク値と品質指数とを蓄積するメモリとを含み、
    上記しきい値条件のうちのいずれか一つでも満たされないときは、周波数同期信号の位置を蓄積されたピーク値および蓄積された品質指数の位置へと一致させることを特徴とする装置。
11. 上記比較回路は、ピーク値がピークしきい値以上であるかを決定するとともに、品質指数が品質しきい値以下であるかを決定することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 上記しきい値条件のうちのいずれか一つでも満たされないときは、蓄積された最大のピーク値および蓄積された最小の品質指数の位置を周波数同期信号の位置として決定することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 予め定められたしきい値条件の両方が満たされているときは、上記比較回路は、計算により求められた後続のピーク値が、蓄積されているピーク値を超えるか否かを決定し、超えるならば、蓄積されているピーク値、周波数オフセット、および品質指数をそれぞれ後続の値へと更新することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 周波数オフセットと品質指数とをピーク値と同期させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
15. 受信信号の同相成分を遅延させる遅延素子と、
    受信信号の同相成分と直交成分との積を予め定められた数だけ計算する乗算器と、
    相互相関ピーク値の推定値を生成すべく上記積を平滑化する平滑回路とをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
16. 送信機から送信され、受信機により検出された信号について連続して収集されたサンプル間の位相差を計算する微分器と、
    上記位相差を蓄積された位相差に加算し、蓄積された位相差がM個になるまで加算し、蓄積された位相差が結果として０となるように、M個の蓄積された位相差の和をダンプする加算器と、
    ダンプされたM個の蓄積された位相差の和を受け取り、推定された周波数オフセットを生成すべく、M個の蓄積された位相差について和を合計でN個加算する周波数オフセット推定回路と、を含み、
    前記微分器は連続して収集されたサンプル間の位相差の計算を継続し、上記加算器は、位相差の蓄積と加算と、M個の差のダンプを、M個の差を加算して得られる和が合計でN個得られるまで繰り返すことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
17. M 個の蓄積された位相差についての N 個ある和の一つと、推定された周波数オフセットとの差を計算するN個の差分器と、
    N個の差について絶対値を計算する計算回路と、
    推定された品質指数を生成るために上記絶対値を加算する加算器とをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 指数Mで周波数オフセットと品質指数を展開する展開手段をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 送信機から送信され、受信機において受信されたデータの中から周波数同期信号の位置を決定するシステムであって、
    ピーク値を計算するピーク値計算システムと、
    周波数オフセットを推定する周波数オフセット推定システムと、
    品質指数を推定するシステム品質指数推定システムと、
    ピーク値と品質指数とが予め定めされたピークしきい値と品質しきい値の条件を満たすか否かを決定する決定手段と、
    予め定められたしきい値条件の両方が満たされているときは、ピーク値と品質指数とを蓄積する蓄積手段と、を含み、
    上記しきい値条件のうちのいずれか一つでも満たされないときは、周波数同期信号の位置を蓄積されたピーク値および蓄積された品質指数の位置へと一致させることを特徴とするシステム。
20. 上記決定手段は、ピーク値がピークしきい値以上であるかを決定するとともに、品質指数が品質しきい値以下であるかを決定することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
21. 上記周波数同期信号の位置を蓄積された最大のピーク値および蓄積された最小の品質指数の位置と一致させることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
22. 予め定められたしきい値条件の両方が満たされているときは、上記比較回路は、計算により求められた後続のピーク値が、蓄積されているピーク値を超えるか否かを決定し、超えるならば、蓄積されているピーク値、周波数オフセット、および品質指数をそれぞれ後続の値へと更新することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
23. 周波数オフセットと品質指数とをピーク値と同期させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
24. 上記ピーク値計算システムは、
    受信信号の同相成分を遅延させる遅延素子と、
    受信信号の同相成分と直交成分との積を予め定められた数だけ計算する乗算器と、
    相互相関ピーク値の推定値を生成すべく上記積を平滑化する平滑回路と、
    を含むことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
25. 上記周波数オフセット推定システムは、
    送信機から送信され、受信機により検出された信号について連続して収集されたサンプル間の位相差を計算する微分器と、
    上記位相差を蓄積された位相差に加算し、蓄積された位相差がM個になるまで加算し、蓄積された位相差が結果として０となるように、M個の蓄積された位相差の和をダンプする加算器と、
    ダンプされたM個の蓄積された位相差の和を受け取り、推定された周波数オフセットを生成すべく、M個の蓄積された位相差について和を合計でN個加算する周波数オフセット推定回路と、を含み、
    前記微分器は連続して収集されたサンプル間の位相差の計算を継続し、上記加算器は、位相差の蓄積と加算と、M個の差のダンプを、M個の差を加算して得られる和が合計でN個得られるまで繰り返すことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
26. 上記品質推定システムは、
    M 個の蓄積された位相差についての N 個ある和の一つと、推定された周波数オフセットとの差を計算するN個の差分器と、
    N個の差について絶対値を計算する計算回路と、
    推定された品質指数を生成るために上記絶対値を加算する加算器と、
    を含むことを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
27. 指数Mで周波数オフセットと品質指数を展開する展開手段をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載のシステム。

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