JP4150345B2 - 初期周波数推定及びフィードバックトラッキングによる周波数エラー訂正システム - Google Patents

Description

本発明は、周波数エラー訂正ユニット及び方法に関し、具体的には、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ:wireless local area network）通信システムに関するものである。

通信システムにおいて、送信機と受信機とでメッセージの交換を成功させるために、受信機を送信機と同期させることが重要である。無線通信システムにおいて、最適な受信を行うために送信機の周波数に受信機を調整することが特に重要である。

ワイヤレスローカルエリアネットワークは、有線ＬＡＮの拡張として又は有線ＬＡＮに代えて実装されるフレキシブルデータ通信システムである。ＷＬＡＮシステムは、ワイヤ接続の必要性を最小限に抑えるために無線周波数又は赤外線技術を使用して電波でデータを伝送及び受信する。従って、ＷＬＡＮシステムでは、データ接続性にユーザ移動性が組み合わされている。

今日、大部分のＷＬＡＮシステムは、信頼性のある、セキュアな通信システムにおける使用のために開発されたスペクトル拡散技術、広帯域無線周波数技術を用いている。スペクトル拡散技術は、帯域効率と引き替えに信頼性、統合性、及び安全性を得るように設計されている。スペクトル拡散無線システムとして、二つの形式、即ち周波数ホッピングとダイレクトシーケンスシステムとが頻繁に使用されている。

ダイレクトシーケンススペクトル拡散システムにおいて、かなり高いレベルの周波数及び情報ビットレートを有するコードワード又はコード信号を使用して各データをコード化することによって拡散が行われる。周波数がより幅広い帯域にわたって信号が“拡散”することで、結果として、出力スペクトル密度が比較的小さくなり、それ故、ダイレクトシーケンススペクトル拡散信号を伝送するデバイスからの干渉による悪影響が小さくなっている。ダイレクトシーケンススペクトル拡散では、データを拡散するために送信機と受信機に知らされている擬似乱数ノイズコードワードが用いられる。コードワードは、伝送される情報ビットで乗算された（又は排他的論理和演算された）された一連の“チップ”で構成されている。多くのワイヤレスネットワークは、データをコード化及び拡散するために周知のバーカーコード（Barker Code）を使用するＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠している。バーカー（Barker）コードワードは、予め定義された１１チップのシーケンスで構成されている。バーカー（Barker）コードワードの１シーケンス全体は、情報を含むシンボルにより占有された時間内に伝送される。

ＩＥＥＥ８０２．１１規格は、比較的高速度によるデータ伝送を可能にするためにＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格に拡張されている。８０２．１１ｂ規格は１１ビットバーカー（Barker）チップに追加して、高速度データ伝送のために８ビット相補コードキー（ＣＣＫ；complementary code keying）アルゴリズムを用いる。

データ転送速度は又、直交位相偏移キーイング（ＱＰＳＫ）変調を含む比較的高次の変調技術を用いることでシンボルレートを超えるように改善される場合がある。そのような変調技術に従って、各ビットは可能な限り多数の位相により表される。従って、送信機は、“インフェーズ：位相内（in-phase）”（Ｉ）信号又は“Ｉチャンネル”と呼ばれる第１信号と、同周波数における９０°位相偏移正弦波キャリアの“クワドラチャ：直交（quadrature）”（Ｑ）信号又は“Ｑチャンネル”と呼ばれる、二つの信号を生成する。

ダイレクトシーケンススペクトル拡散技術を用いるワイヤレスＬＡＮのＩＥＥＥ８０２．１１規格は、送信機に対して受信機をトレーニングするために、トレーニングプリアンブルを用いる。各送信データメッセージは、次にデータフィールドが続く最初のトレーニングプリアンブルを含む。このプリアンブルは、受信機が同期することに関して必要な操作の実行可能なことを確実にするための同期フィールドを含む。プリアンブル長に関して２つのオプションが定義されている。即ち、長いプリアンブルと短いプリアンブルである。８０２．１１ｂ規格システムの全部は、長いプリアンブルに対応しなけらばならない。音声及びビデオのような特定的なデータを伝送するとき、短いプリアンブルオプションがネットワークスループットの効率を高めるように規格に与えられる。プリアンブルの同期フィールドは、長いプリアンブルでは１２８ビット、短いプリアンブルでは５６ビットで構成されている。

受信機が、同期シンボルを検出し、受信機の内部クロックと同期フィールドのシンボルとを整合することで、プリアンブルに後続する伝送フレーム構造のフィールドを解釈する固定参照時間フレームを確立する。同期フィールドを含むプリアンブルは、メッセージ（データパケット）開始ごとに伝送される。

ワイヤレスＬＡＮ受信機の操作を行うとき、コード同期化は、コードが求められた情報の逆拡散にとって重要となるので必要である。良好な同期は、受信機に着信されるコード化された信号が、コードパターン配置及びチップ世代レートの両方と的確にタイミングが合致するときに実現される。

受信機と送信機における発振機は、製造欠陥、異なる温度等が原因で異なる周波数を与える場合があり、結果としてベースバンド信号の周波数ずれを引き起こすおそれがある。そのような周波数の差、又は周波数オフセットは、受信機側における周波数エラー訂正ユニットによって訂正される。

図１を参照すると、周波数同期は、繰り返し周波数エラー推定を入手することによって、又、入手したエラー推定に基づき入力信号の周波数エラー訂正を実行することによって得られることが示されている。このような訂正手順は、フィードバックループにおいて繰り返し実行される。

図１に示された周波数エラー訂正を実行する周波数エラー訂正ユニットは、図２を参照しながら説明されている。周波数エラー訂正ユニットは、受信した信号の周波数同期を得るために用いられた処理ループを実行している。受信した信号２００は、ミキサー２１０に適用される。ミキサー２１０の出力は、周波数エラーを計算するために周波数エラー検出機に送られる。周波数エラー検出機２３０の出力は、予め定義されたフィルタ機能と数値制御された発振機（numerically controlled oscillator:以下、ＮＣＯと記載する場合がある）２５０を有するループフィルタを介して処理される。ＮＣＯの出力も、又、検出された周波数エラーに関する訂正を行うよう周波数ループを完了するためにミキサ２１０に用いられる。

周波数エラー訂正ユニットは、それでもなお、多くの問題を有する。１つの問題は、周波数エラー訂正ユニットが受信機クロックと入力信号との間に周波数同期化を実現するために多大な時間のかかる多くのステップを必要とすることである。更に、第１周波数エラー訂正は、フィードバックループを完了した後にのみでしか実行できない。

比較的高速での周波数同期を得られるよう、改善された周波数エラー訂正が得られる。

本発明の１実施形態によると、周波数エラー訂正ユニットは、通信信号の検出された周波数エラーに基づき受信した通信信号の周波数を訂正するために与えられる。周波数エラー訂正ユニットは、通信信号を受信するための第１入力端末と、初期周波数エラー推定値を受信するための第２入力端末と、及び次に続く周波数エラー推定値を受信するための第３入力端末とを有する。周波数エラー訂正ユニットの出力端末は、周波数が訂正された通信信号を与え、入力信号の第１周波数エラー訂正は初期周波数エラー推定値に基づき実行されている。

本発明の他の態様によると、受信ユニットは、予め定義された同期データを含む通信信号を受信するために通信信号に用いられる。受信ユニットは、同期データ検出セクションと周波数エラー訂正セクションを含む。同期データ検出セクションは、受信した通信信号における予め定義された同期データを検出し、通信信号の周波数エラーの最初の推定値を計算する。周波数エラー訂正セクションは、周波数エラー推定値に基づき受信した通信信号の周波数を訂正し、初期周波数エラー推定値は同期データ検出セクションから受信される。

本発明の更なる態様において、周波数エラー訂正方法は、予め定義された同期データを含む受信した通信信号の周波数を訂正するために通信システムに与えられる。受信した通信信号の初期周波数エラー推定値は、予め定義された同期データを検出している間に得られる。得られた初期周波数エラー推定値に基づき、受信した通信信号の周波数の最初の訂正が実行される。続いてフィードバック周波数エラー推定値が受信され、それに従って周波数エラー訂正は実行される。

更なる実施形態において、位相差エラー検出機は近似式計算に基づき最初のエラー推定値を判断する。

更なる実施形態において、位相角Δψerrは、以下の方程式を用いることにより受信した通信信号の複合信号構成要素Ｉ及びＱから近似される。

更なる実施形態において、位相角Δψerrは以下の方程式を用いることにより受信した通信信号の複合信号構成要素Ｉ及びＱから近似される。

更なる実施形態において、初期周波数エラー推定値は、伝送フレームの初期を得ている間に計算される。

更なる実施形態によると、受信ユニットは、ワイヤレスＬＡＮ受信機である。

本発明の更なる実施形態に従うと、通信システムにおける通信信号を受信するための方法が用意される。この通信信号は、予め定義された同期データを含む。通信信号を受信した後、最初の周波数エラー推定値は、通信信号の予め定義された同期データを検出している間に計算される。受信した通信信号の周波数の第１訂正は、最初の周波数エラー推定値に基づき実行される。続いてフィードバック周波数エラー推定値が得られ、周波数エラー訂正はそれに従って実行される。

更なる実施形態において、周波数エラー推定値は、受信した通信信号の位相差エラーである。

更なる実施形態において、位相差エラーは、位相差エラー近似式を用いることによって計算される。

更なる実施形態において、位相角Δψerrは以下の方程式を用いることにより受信及び差分復調された（differentially demodulated）通信信号の構成要素Ｉ及びＱから近似式されている。

更なる実施形態において、位相角Δψerrは、以下の方程式を用いることにより受信及び差分復調された復調通信信号の構成要素Ｉ及びＱから近似される。

添付された図面は、本発明の趣旨を説明する目的で明細書の部分に包含され、且つこれを形成する。これらの図面が、本発明はどのように形成可能であるか及び使用可能であるかを説明及び記載された実施例のみに制限するものとして解釈されてはならない。本発明の更なる特性と有利性は、以下に示された添付図面のもっと具体的な記載によって明りょうになるだろう。

本発明を実施するための最良の形態

図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図３を参照すると、以下に記載された周波数エラー訂正の処理シーケンスが示されている。まず第１にステップ３００において初期周波数エラー推定値が、受信した通信信号から得られる。ステップ３１０にて前述の初期周波数エラー推定値に基づき、入力通信信号に第１周波数エラー訂正が行われる。初期周波数エラー推定値は、周波数エラー訂正ユニットを初期するための周波数エラー推定値を与える。最初に通信信号周波数の訂正を行うことで、受信した通信信号と受信機周波数を同期させるために繰り返すステップの数が減少する場合があるので、この処理機構は、次に続く従来の周波数エラー訂正手順を短縮するという有利な結果をもたらされ得る。

第１周波数エラー訂正の後、入力通信信号の周波数は、周波数が訂正された通信信号の周波数エラーを訂正するためのステップ（ステップ３２０）と入力通信信号の周波数を訂正する（ステップ３３０）ためのステップを含む閉鎖ループ内で同期化されている。周波数同期は、初期周波数エラー推定及び訂正を行うこと（ステップ３００，３１０）により、訂正数が比較的すくなく、また、比較的短時間で得られる場合がある。

上述した周波数同期を得るための手順を実行するための受信機アーキテクチャの詳細を図４のブロック図に示す。受信した通信信号４１０は、同期データ検出機４２０とミキサ４３０に用いられる。ミキサ４３０は、数値制御された発振機（ＮＣＯ）４４０の出力によって追加として組み込まれている。ミキサ４３０の周波数が訂正された出力信号は、周波数エラー推定のために周波数エラー検出機４５０に用いられる。周波数ユニット４２０又は周波数エラー検出機４５０のどちらか一方から受信された周波数エラー推定値は、ループフィルタ４６０に適用される。ループフィルタ４６０は測定された周波数エラー推定の一つを選択する。この推定は、引き替えに検出された周波数エラーを訂正するよう周波数ループを完了するために数値制御された発振機（ＮＣＯ）４４０に用いられる。

周波数同期を得るための処理は、図４のブロック図を参照しながら説明されている。入力通信信号の各伝送されたデータメッセージは、最初のトレーニングプリアンブルを含む。１２８同期フィールド又は５６同期フィールドを含むこのプリアンブルは、復調スキームを用いることにより伝送され、このスキームでは、I経路及びＱ経路がこの情報を包含する。受信機は、これらの同期記号を検出し、同期フィールドに続くフィールドの解釈に用いられる、一定の参照時間フレームを確立するために受信機内部クロックを同期フィールドにおけるシンボルに揃える。ワイヤレスＬＡＮ ＩＥＥＥフレームは、まず初めに同期ユニット４２０、具体的にはプリアンブル検出機（ＰＤＴ）によって検出される。プリアンブル検出ユニット４２０は、又、伝送した通信信号と受信した通信信号との間の周波数エラーに結びつく、送信機におけるローカル発振機と受信機におけるローカル発振機との間に周波数エラー推定を与える。初期周波数推定値は、以下に更なる詳細が記載されている予め定義された近似値に基づき計算されてよい。

周波数エラー推定値は、次に予め定義されたフィルタ機能を有するループフィルタ４６０及び数値制御された発振機（ＮＣＯ）４４０を介して処理される。ミキサ４３０は、周波数の訂正が行われるよう入力通信信号４１０を受信するために結合され、ミキサ４３０の操作を制御するために数値制御された発振機４４０に結合される。ミキサ４３０は、数値制御された発振機４４０により与えられた受信信号に従って、受信通信信号に周波数訂正を行わせる。

初期周波数エラー訂正の後、周波数同期ループは、ミキサ４３０からのフィードバック出力を受信する周波数エラー推定ユニット４５０と、ループフィルタ４６０と、数値制御された発振機４４０と、及びループを完了するためのミキサ４３０とによって形成される。同期操作は、図２に関連して記載された周波数エラー推定及び訂正手順に対応する。

上述したような構築は、従来のワイヤレスＬＡＮ受信機を有利に改善し得る。具体的には、従来の通信信号の周波数同期処理の端末の上流側に配置された別の処理セクションの同期ループに与えられる第１周波数エラー推定値を得ることによって周波数同期が短縮される。最初に得られた周波数推定値は、周波数エラーユニットにおいて初期値として即座に用いて、その結果同期手順を促進させる。

図５は、本発明の１実施形態に従ったループフィルタ４６０部分のもっと詳細なブロック図を示す。ループフィルタ４６０は、２つの異なるソースから周波数エラー推定値を受信する。即ち、外部ソースから初期周波数エラー推定値とフィードバック経路に与えられた次に続く周波数エラー推定値を受信する。ループフィルタ４６０は、入力通信信号の周波数エラー訂正を制御するのに適切な周波数エラー推定値を選択するためにセレクタ５００を含む。

セレクタ５００は、本発明の好適な実施形態に従って最初の周波数エラー推定値を受信するために、例えば、プリアンブル検出機４２０のような外部ソースに結合される。更に、セレクタ５００は、次に続く周波数エラー推定値を受信するためにフィードバック経路に配置された周波数エラー検出ユニット４５０に結合されている。追加として、セレクタ５００は、カレント周波数エラー推定値の適切なソースを選択するために信号を与える（図示されていない）制御ユニットに結合されている。受信した制御信号５３０に依存して、セレクタ５００は、数値制御された検出機４４０に用いられる適切な周波数エラー推定を出力する。セレクタ５００は、初期位相の間、伝送フレームのプリアンブルが検出された後でプリアンブル検出機から受信した初期周波数エラー推定値を与える。その後、周波数エラー検出機４５０により生成された受信周波数エラー信号は、数値制御された検出機４４０に用いられる。

図６を参照すると、数値制御された検出機モジュール（ＮＣＯ）４４０の一実施例が示されている。ループフィルタ４６０から受信した数値制御された検出機への入力信号５４０は、積分機６１０に送信される。積分機６１０は、遅延されたフィードバック出力信号を受信した入力信号６４０に追加するよう構成してもよい。積分機の出力は、ミキサ４３０に用いられる複合出力信号６４０，６５０を送るためにルックアップテーブル手段（look up table means）、ここでは参照テーブル６２０，６３０に結合される。

図７を参照すると、ミキサ４３０の一実施例が示されている。ミキサ４３０は、受信した複合通信信号に周波数訂正を施し、複合の周波数訂正信号を出力する。図７に示されたように複合通信信号は、数値制御された発振機４４０により生成された複合信号で増殖されている。特定的には、複合入力信号の各入力サンプルには、数値制御された発振機４４０から受信した共役複素数値（conjugate complex value）が乗算される。入力信号の各々は、各増幅機が入力複合通信信号の１つのコンポーネントと複合訂正信号の１つのコンポーネントに接続されるように、４つの増幅器７１０，７２０，７３０，７４０のそれぞれに結合されている。

ミキサ４３０の出力信号は、更に（図示されていない）追加の処理モジュールによって処理され、又同時に、周波数エラー推定及び訂正のためのフィードバックにもなる。

一実施形態によると、周波数エラー推定値はプリアンブル検出機４２０において、プリアンブル検出の間、計算されている。プリアンブル検出機は、出力信号としてプリアンブル検出信号と周波数エラーの初期推定値を与える。第１周波数推定値を得るために求められた信号構成要素は、プリアンブル検出操作自体から得られるので、最初の周波数エラー推定を与えるためのプリアンブル検出機にタスクが追加されても、ハードウェア構成が非常に複雑になるという結果にはならない。

プリアンブル検出機は、受信した通信信号の位相差エラー、例えば、理想的なデータ群に対して受信及び差分復調された通信信号の回転角度を測定する。

周波数エラーの一般的な近似値としての位相差エラーは、以下の方程式に基づいて計算可能である。

なお、Ｑ及びＩは、プリアンブル検出機内で受信した通信信号に差分復調を用いた後の複素数成分に対応する。

上述した方程式の結果は、例えば、以下の２つの近似式アプローチの１を用いることによって近似値計算される場合がある。記載された第１の近似式計算は以下の仮定に基づく：

この仮定に基づいて位相角計算は以下のように近似式が求められ得る：

位相角計算のこの種の近似式計算は、用いられたハードウェア構築において除算操作が可能であるときに好適に用いられる。

第２の近似式アプローチに関して、受信ユニットのパワー正常化は的確に動作していることが仮定される。このような状態において、以下の仮定が有効である：

これらの仮定に基づき位相角は、以下のように近似式計算が可能である：

第２に記載されたこの近似式計算は、ハードウェアの最も低い抗力を要するので有利でな可能性がある。

これらの近似式計算では、結果として近似エラーの程度がそれぞれ異なるものとなる。これら両方の近似式計算アプローチから得られる各近似計算エラーは、各々図８，図９に示されている。図８と図９に見られるように、近似式計算エラー量は、第２の近似式計算を行ったときに増加している。従って、近似式エラーが所望の近似式計算エラー範囲を超えた結果になった場合には、第１位相角近似式計算を選択すべきである。

以上、プリアンブル検出機によって実行された位相差エラー検出を、上述された２近似式計算アプローチに関連して記載したが、これらの近似式アプローチに制限されるものではない。当業者であれば、他の近似式が行われても、又は近似式が行わないようにしてもよいことが理解されるであろう。

産業上の利用の可能性

本発明は、明りょうに産業上の処理及び産業上の製品に有利的に使用可能である。

周波数エラー訂正手順を表すフローチャートである。 周波数エラー訂正ユニットの構成要素を表すブロック図である。 受信した通信信号において周波数エラーを訂正する処理を表すフローチャートである。 通信システムにおける受信ユニットに包含された周波数エラー訂正ユニットの構成要素を表すブロック図である。 図４に示された周波数エラー訂正ユニットの構築に示されたループフィルタモジュールの構築の一部を表すブロック図である。 図４に示された構築に包含される数値制御された発振機モジュールの構築を表すブロック図である。 図４の構築に示されたミキサモジュールの構築を表すブロック図である。 第１近似式計算ルールを行うときの周波数エラー計算の近似式の一実施例を表す。 第２近似計算ルールを行うときの周波数エラー計算の近似式の一実施例を表す。

Claims (10)

1. 受信した通信信号の周波数を訂正するための通信システムにおける周波数エラー訂正ユニットであって、
   通信信号を受信するための第１入力端末と、
   初期周波数エラー推定値を受信するための第２入力端末と、
   フィードバック周波数エラー推定値を受信するための第３入力端末と、及び
   周波数エラーが訂正された通信信号を与えるための出力端末を含み、
   前記第２入力端末にて受信した前記初期周波数エラー推定値は、前記通信信号に含まれる同期データの検出の間に算出され、
   前記周波数エラー訂正ユニットは、更に、前記初期周波数エラー推定値と前記周波数エラー推定値とを受信して周波数エラー訂正のための周波数エラー推定値を出力するためのセレクタ（５００）を含み、前記セレクタ（５００）は、前記通信信号の前記周波数が最初に初期周波数エラー推定値に基づき修正され、その後の周波数訂正がフィードバック周波数エラー推定値に基づき行われるように、最初に初期周波数エラーを選択し、その後に前記フィードバック周波数エラー推定値を選択するものである、周波数エラー訂正ユニット。
2. 前記第２入力端末は、前記通信信号に含まれた前記同期データ検出のための同期データ検出デバイス（４２０）に接続されている、
   請求項１記載の周波数エラー訂正ユニット。
3. 前記同期データは、前記通信信号における伝送フレームのプリアンブルに組み込まれ、及び前記同期データ検出デバイス（４２０）は、プリアンブル検出機である、
   請求項２記載の周波数エラー訂正ユニット。
4. 前記初期周波数エラー推定値は、伝送フレーム同期の取得中に決定される、
   請求項３記載の周波数エラー訂正ユニット。
5. 前記第３入力端末は、前記周波数が訂正された通信信号のフィードバック経路に配された周波数エラー検出機（４５０）に結合されている、
   請求項１記載の周波数エラー訂正ユニット。
6. 予め定義された同期データを含む通信信号を受信するための通信システムにおける受信ユニットであって、
   受信した通信信号における前記予め定義された同期データを検出し、かつ、受信した通信信号の周波数エラーの初期推定値を計算するための同期データ検出セクション（４２０）と、
   周波数エラー推定値に基づいて受信した前記通信信号の前記周波数を訂正するとともに、初期周波数エラー推定値が前記同期データ検出（４０２）から受信される周波数エラー訂正セクション（４３０，４４０，４５０，４６０）と、
   フィードバック周波数エラー推定値を検出するための周波数エラー検出器（４５０）
   と、を有し、
   前記周波数エラー訂正セクション（４３０，４４０，４５０，４６０）は、前記初期周波数エラー推定値と前記周波数エラー推定値とを受信して周波数エラー訂正のための周波数エラー推定値を出力するためのセレクタ（５００）を含み、前記セレクタ（５００）は、前記通信信号の前記周波数が最初に初期周波数エラー推定値に基づき修正され、その後の周波数訂正がフィードバック周波数エラー推定値に基づき行われるように、最初に初期周波数エラーを選択し、その後に前記フィードバック周波数エラー推定値を選択するものである、受信ユニット。
7. 前記初期周波数エラー推定値に続く前記エラー推定値は、周波数が訂正された通信信号のフィードバック経路に配置された前記周波数エラー検出機（４５０）から得られる、
   請求項６記載の受信ユニット。
8. 前記同期データ検出セクション（４２０）は、前記初期周波数エラー推定値を判断するための位相差エラー検出機を含む、
   請求項６記載の受信ユニット。
9. 受信した通信信号の周波数を訂正するための通信システムにおける周波数エラー訂正方法であって、前記通信信号は予め定義された同期データを含み、かつ、
   前記受信した通信信号内の前記予め定義された同期データの検出中に得られた、前記受信した通信信号の初期周波数エラー推定値を受信し、かつ、フィードバック周波数エラー推定値を受信する過程と、
   前記受信した通信信号の初期周波数エラー推定値又は前記フィードバック周波数エラー推定値の何れか一方を選択し、この際、前記初期周波数エラー推定値が最初に選択され、その後にフィードバックエラー推定値がその後に選択されるようにする過程と、
   前記初期周波数エラー推定値に基づき前記受信した通信信号の周波数を最初に訂正する（３１０）過程と、
   その後に、受信された通信信号の前記周波数を、その後に選択されたフィードバック周波数エラー推定値に基づいて訂正する、方法。
10. 前記同期データが前記通信信号に含まれる伝送フレームのプリアンブルの一部である、
    請求項９記載の周波数エラー推定方法。

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