JP4560510B2 - 周波数偏移変調受信機の同期方法及び同期システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、周波数キー偏移（ＦＳＫ）変調を用いるデジタル通信システムにおける同期に関する。特に、本発明の一態様は、直交非干渉性ＦＳＫ変調を用いるシステムに適用され得る。

デジタル通信システムは、同期エラーに対して非常に強い感受性を示し得る。例えば、位相エラーは、許容水準に制御されていない場合、横軸振幅変調（ＱＡＭ）システムの正常な機能を阻害し得る。非干渉性ＦＳＫ受信機においては、信号を適切に受信するために、許容水準にある周波数の正確さを獲得しこれを維持する必要がある。同期は、取得位相及び追跡位相（ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｈａｓｅ）を含む２つの位相において起こり得る。受信機が信号を受信した後であっても、送信機は、そのローカル基準発振器（ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）の加熱等の要因から、通信中に周波数のドリフトを生じ得る。この場合、受信機は、同メッセージが進行するのに従い、送信機の周波数を追跡することになる。

一般に、デジタル通信受信機のソフトウェアの少なくとも３分の１は、信号の取得及び追跡の両方のための同期に向けられたものである。受信信号と送信信号とは、時間及び周波数の両方に関して同期する必要がある。性能エラーは、時間及び周波数の両方における同期エラーよりもたらされ得る。

従って、受信機と送信機との間で時間及び周波数の同期を有効に達成するためのシステムが求められる。
このようなシステムは、産業及び科学並びに医療（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ， Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ： ＩＳＭ）バンド用のアイデン・トーク・アラウンド装置（ｉＤｅｎ ｔａｌｋ−ａｒｏｕｎｄ）を組み込んだ任意の無線通信装置に適用され得る。ＩＳＭバンドは、電波スペクトルのうちのいくつかのバンドを含む。これらのバンドはライセンス化されておらず、種々の適用例に用いることが可能である。このようなテクノロジーを組み込んだ製品には、双方向無線通信装置、携帯電話、及びモデムが含まれ得る。

したがって、前述の不足点を克服するため、本発明の一つの趣旨は、周波数エラーが存在する際、信号取得中にタイミング同期を実行すべくデジタル通信受信機を用いる方法を提供する。同方法は、複数のデータスロットと、送信されるデータスロットのそれぞれに１つの同期語とを有する送信機からの信号を受信する工程と、各時点のそれぞれにて複数の相関値を生成する工程であって、同複数の相関値の各々は現時点に対して選択された同期シンボル間隔に対応することと、選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて、受信した信号を予測周波数の正弦波と相関付ける工程とを備える。同方法は、更に、各時点にて複数の相関値を収集することと、複数の相関値を、ＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じて位相補正し、それによって、複数の位相補正後同期シンボル相関値のベクトルを生成することとを備える。また、同方法は、各時点にて、一連の候補オフセット周波数について、位相補正後同期シンボル相関値のベクトルの離散時間フーリエ変換値を求めることと、各時点にて、一連の候補オフセット周波数における離散時間フーリエ変換振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成することとを備える。更に、同方法は、各時点にて同期相関信号を閾値と比較することであって、同閾値は、現時点に対する、同期信号の時間スパン内の受信信号エネルギーと比例することと、同期相関信号が閾値を上回ることが検知された際、同期相関信号のピークの位置を判定し、同ピークに応じてシンボルタイミングを決定することとを備える。

また、本発明の別の態様は、周波数エラーが存在する際、信号取得中にタイミング同期を実行することが可能なデジタル通信受信機である。同デジタル通信受信機は、各送信データスロットに１つの同期語を有する複数のデータスロットを含む信号を受信すべく適合された受信装置と、選択された１つの同期シンボル間隔にそれぞれが対応する複数の相関値を生成すると共に、選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて予測周波数の正弦波と受信信号を相関付けるための相関器と、一連の小オフセット周波数について、ＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じ、複数の相関値を収集及び結合する結合器とを備える。また、同デジタル通信受信機は、各時点にて、候補オフセット周波数における結合器出力振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成するピーク検知器と、各時点にて、同期相関信号を閾値と比較する閾値検知器と、同期相関値が同閾値を上回った際に、同期相関信号のピークに応じて、シンボルタイミングを決定するシンボルタイミング推定器とを備える。

本発明の更に別の態様は、シンボルタイミング装置を備えるデジタル通信受信機にて、信号取得後に周波数同期を実行するための方法である。同方法は、デジタル通信受信機にシンボルタイミング装置を接続することと、受信スロットのそれぞれについて複素数シンボル相関値のベクトルを規定することであって、各ベクトル要素は、各シンボル間隔にて、既知の又は推定されるシンボル周波数の正弦波に対する受信信号の相関値であり、シンボル間隔はシンボルタイミング装置より得られるシンボルタイミングに応じて決定されることと、スロットの残りにおいて、シンボル周波数を既知の同期シンボル及び推定されるデータシンボルに基づかせることとを備える。また、同方法は、各スロットについて、ＦＳＫ変調指数及び推定されるシンボルパターンに応じて複素数シンボル相関値のベクトルを位相補正することと、位相補正後シンボル相関値のベクトルの離散時間フーリエ変換値を求めることと、フーリエ変換ベクトルのピークマグニチュードの位置に応じて、受信信号の周波数オフセット値を推定することとを備える。更に、同方法は、フーリエ変換マグニチュードベクトルから算出された信号対ノイズ比に応じて、周波数オフセット推定値の品質基準値を算出することを備える。

本発明の更に別の態様は、信号取得後にデジタル通信受信機にて周波数同期を実行するための装置である。同装置は、シンボルタイミング装置と接続すると共に、既知の及び推定されたシンボルを用いてオフセット推定値を規定するための周波数オフセット値推定器と、信号対ノイズ比算出によって周波数オフセット推定値の品質を決定するための品質推定器とを備える。

本発明の更に別の態様は、信号取得中にタイミング同期を実行すると共に、信号取得後に周波数同期を実行するための装置である。同装置は、各送信データスロットに１つの同期語を有する複数のデータスロットを含む信号を受信すべく適合された受信装置と、選択された１つの同期シンボル間隔にそれぞれが対応する複数の相関値を生成すると共に、選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて予測周波数の正弦波と受信信号を相関付けるための相関器とを備える。また、同装置は、一連の小オフセット周波数について、ＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じ、複数の相関値を収集及び結合するための結合器と、各時点にて、候補オフセット周波数における結合器出力振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成するピーク検知器と、各時点にて、同期相関信号を閾値と比較する閾値検知器と、同期相関値が閾値を上回った際に、同期相関信号のピークに応じて、シンボルタイミングを決定するシンボルタイミング推定器とを備える。また、同装置は、既知の及び推定されたシンボルを用いてオフセット値を規定するための周波数オフセット値推定器と、信号対ノイズ比を用いて周波数オフセット値の品質を決定するための品質推定器とを更に備える。

本発明の更に別の態様は、信号取得中にタイミング同期を実行すると共に、信号取得後に周波数同期を実行するための方法である。同方法は、各送信データスロットに１つの同期語を有する複数のデータスロットを含む信号を受信することを備える。また、同方法は、各時点にて複数の相関値を生成することを備え、複数の相関値は現時点に対して選択された同期シンボル間隔に対応する。また、同方法は、選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて、受信した信号を予測周波数の正弦波と相関付けることと、各時点にて複数の相関値を収集することと、複数の相関値をＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じて位相補正し、複数の位相補正後同期シンボル相関値のベクトルを生成することとを備える。また、同方法は、各時点にて、一連の候補オフセット周波数について、位相補正後同期シンボル相関値のベクトルの離散時間フーリエ変換値を求めることと、各時点にて、一連の候補オフセット周波数における離散時間フーリエ変換振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成することとを備える。更に、同方法は、各時点にて同期相関信号を閾値と比較することであって、同閾値は、現時点に対する同期信号の時間スパン内の受信信号エネルギーと比例することと、同期相関信号が閾値を上回ることが検知された際、同期相関信号のピークの位置を判定し、同ピークに応じてシンボルタイミングを決定することとを備える。更に、同方法は、デジタル通信受信機にシンボルタイミング装置を接続することと、受信スロットのそれぞれについて複素数シンボル相関値のベクトルを規定することとを備え、各ベクトル要素は、各シンボル間隔にて、既知の又は推定されるシンボル周波数の正弦波に対する受信信号の相関値であり、シンボル間隔はシンボルタイミング装置より得られるシンボルタイミングに応じて決定される。また、同方法は、スロットの残りにおいて、シンボル周波数を既知の同期シンボル及び推定されるデータシンボルに基づかせることと、各スロットについて、ＦＳＫ変調指数及び推定されるシンボルパターンに応じて複素数シンボル相関値のベクトルを位相補正することとを備える。更に、同方法は、位相補正後シンボル相関値のベクトルの離散時間フーリエ変換値を求めることと、フーリエ変換ベクトルのピークマグニチュードの位置に応じて、受信信号の周波数オフセット値を推定することとを備える。更に、同方法は、フーリエ変換マグニチュードベクトルから算出された信号対ノイズ比に応じて、周波数オフセット推定値の品質基準値を算出することを備える。

本明細書に記載するように、信号取得中にタイミング同期を行うと共に、信号取得後に周波数同期を成すためのシステム及び方法が提供される。これらのシステム及び方法は、中心中に周波数ドリフトが生じるシステムにおいて特に有用である。本発明の好適な一実施形態において、同システム及び方法は、複数のモバイル装置が、ネットワークを介することなく直接的に相互に通信を行うモードにて実施される。場合によっては、モバイル装置はネットワークを介しての通信が可能であっても、ネットワークが使用不能に陥ることがある。このような使用不能の状況は、通信量過多（ｂｕｓｙ ｃｅｌｌｓ）又は一定の地域における通信圏の未普及によってもたらされ得る。モバイル装置が直接的に通信するモードは、一般には、「トークアラウンド」又は「ダイレクトモード」と呼ばれる。同モードは無線装置が直接的に相互通信することを許容し、通常の双方向無線通信装置に類似するものである。

図１は、本発明の一実施形態で用いられるモバイル装置又は遠隔ユーザ機器１００を示す簡略ブロック図である。上述のように、遠隔ユーザ機器１００は、別の遠隔ユーザ機器との直接通信が可能である。遠隔ユーザ機器１００は、それぞれ、送信機１６０と受信機１１０とを備え得る。送信機は、信号を送信するためのアンテナ１６２を有し、受信機１１０は、信号を受信するためのアンテナ１０を有する。

別の実施形態では、本発明のシステム及び方法は、ネットワーク環境にて用いられ得る。図２は、遠隔ユーザ機器１００が用いられ得るデジタル通信システムを示すブロック図である。遠隔ユーザ機器１００は、１つ以上のベースステーション２１０を備える固定部２００と通信する。固定部２００は、公衆電話交換ネットワーク（ＰＳＴＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット又はその他の型のネットワーク等のネットワーク３００に接続され得る。遠隔ユーザ機器１００は、一般に、固定部２００とネットワーク３００とを介して、別の遠隔ユーザ機器と通信する。

図３は、遠隔ユーザ機器１００に備えられる受信機構造を示す。信号はＲＦユニット２によって受信され、ＲＦフィルタ１２によって濾過され、ＲＦ増幅器１３によって増幅される。増幅されたＲＦ信号は、乗算器１４及び電圧制御発振器（ＶＣＯ）１５を有するミキサによって、ＩＦ周波数に変換される。乗算器１４によって得られたＩＦ信号はＩＦユニット４に送信されてＩＦフィルタ１６により濾過され、乗算器２２，２４、ローカル発振器（ＬＯ）２１、位相変換器２３、及びベースバンドフィルタ３０，３２を備えた直交ダウンミキサによって、ベースバンドに変換される。ベースバンドフィルタ３０，３２は、ベースバンドユニット４０内に備えられる。ベースバンド同相信号Ｉ及び直交信号Ｑは、アナログ電圧信号を不連続な数値列（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ）に変換するデータ変換器３４，３６によってサンプリングされる。データ変換器３４，３６によって得られた数値列は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ユニット４２に送られる。ＤＳＰユニット４２によって得られる周波数オフセット推定値は、Ｆｒａｃ−Ｎ合成器（ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）２８の分割係数（ｄｉｖｉｄｅ ｍｏｄｕｌｕｓ）を変更する制御信号に変換される。これに応じ、Ｆｒａｃ−Ｎ合成器２８は、周波数オフセット推定値に応じてＶＣＯ１５の発振周波数を変更する。

ＤＳＰユニット４２は相関器２２０、ピーク検知器２３０、結合器２４０、閾値検知器２５０、周波数オフセット値推定器２６０、シンボルタイミング推定器２７０、及び品質推定器２８０を有し得る。これら要素はそれぞれ、本発明の方法と併せて、以下に詳細に説明されている。これらの要素は、適切なプロセッサにプログラムされたソフトウェア要素でもよいが、本発明の方法と併せて以下に記載するこれら要素の動作を達成すべく配置された回路構成によって成されてもよい。

図４は、本発明の同期技術の主な手順を示すフローチャートである。手順Ａにおいては、相関器２２０は、式６に従ってＮ同期シンボル相関値（Ｎ ｓｙｎｃ ｓｙｍｂｏｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）を生成する。手順Ｂにおいては、結合器２４０はそれらの相関値を収集して、式１１，１２，１３に従って、２Ｌ＋１のオフセット周波数でこれらを結合する。手順Ｃでは、ピーク検知器２３０は、式１４に従って、２Ｌ＋１の候補オフセット周波数（ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）において相関値ピークを検知する。手順Ｄでは、式１０に従い、受信信号エネルギーを観察下にある現在の同期期間に関連付けられた可動ウインドウについて算出する。手順Ｅにおいては、閾値検知器２５０は、ピーク対エネルギー比を所定の閾値と比較する。閾値によるテストが満たされれば、シンボルタイミング推定器２７０は、シンボルタイミング推定手順Ｆを行い、次に、式１５及び式１６に関連付けられた周波数オフセット値推定器２６０、及び、式１７に関連付けられた品質推定器２８０が、それぞれ手順Ｇ及び手順Ｈに従って動作する。手順Ｉにおいては、品質が所定の第２の閾値を超えた場合、合成器２８を手順Ｊにて相応に調節する。手順Ｅにおいて、ピーク対エネルギー比が所定の第１の閾値を上回らない場合には、手順Ｋで同期サーチウインドウにタイムアウトが生じているか否かを確認する。タイムアウトが生じていない場合、手順Ｌにおいて新サンプルを収集し、全プロセスを最初から再実行する。タイムアウトが生じている場合、同期モードにおいては、前回のスロットから得られた相対シンボルタイミングを用いて、周波数オフセット推定手順Ｇを現在のデータスロットについて実行する。現在の動作モードが非同期である場合は、タイムアウトが生じた際は手順を終了する。

図５に示すように、スロットされたＦＳＫシステムにおいて、受信機１１０等の受信機に送信機のシンボルタイミングを追跡するための装置を供与すべく、ＦＳＫデータスロット３１２の始めに同期語（ｓｙｎｃ ｗｏｒｄ）３１０が送信され得る。同期語３１０は、受信機１１０に信頼性の高いシンボルタイミングを提供できるように、良好な自動相関特性を示す必要がある。例えば、送信機１６０は、各スロット３１２の始めに同期語３１０を送信する。各スロット３１２について、受信機１１０は、狭同期サーチウインドウ３１４内にて同期語３１０に相関する。同期サーチウインドウ３１４の位置は過去のスロットから決定されたタイミングに基づき、図５に示すように、受信された同期語３１０と十分に整合されていなければならない。スロット３１２の残りの部分は、データ３１６を含む。

同期語相関値ｃ（ｎ）は、離散時間において、以下の式によって表される。

ただし、Ｎは同期語３１０内のシンボル数、Ｎ_Ｓはシンボル毎のサンプル数、｛ｒ（ｎ）｝は複素数（ｃｏｍｐｌｅｘ−ｖａｌｕｅｄ）受信サンプルシーケンス、｛ｓ（ｎ）｝は複素数送信同期信号の無ひずみテンプレートである。値ｃ（ｎ）が閾値を上回れば、同期「ヒット」が生じたことになる。同期ヒットを検知したら、受信機１１０はシンボルタイミングが推定され得るように、ピーク相関値のサーチを行う。

周波数の小エラーが存在する際にはロバストな（ｒｏｂｕｓｔ）同期語相関器が必要であることを示すために、受信信号は、送信信号から発信される周波数小オフセット値“ω_０”を除き、送信信号の無ノイズ及び無ひずみバージョンであると想定されたい。また、ＦＳＫ信号については、定エンベロープ特性（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）│ｓ（ｎ）│＝Ａ、ただしＡは定数、が成立する。最終的には、同期語３１０と正確に整合される時間ｎ_０にて相関値が適用されると推定されたい。その場合、同期相関値は以下の式のように求められる。

上の式を調べると、以下の式が成立する限り、同期相関器のアウトプットにおいてエネルギーがゼロであることがわかる。

ただし、ｋは、ゼロではない任意の整数である。

一例として、３２００シンボル／秒のボーレート（ｂａｕｄ ｒａｔｅ）で、同期語一語あたりＮ＝８シンボルを有するデジタル通信システムにおいては、４００ヘルツ（Ｈｚ）程度の周波数エラーでは、同期相関器からのエネルギーはゼロになる。実際、２００ヘルツ程度のエラーによって著明な信号損失が引き起こされ、同期語３１０を検知する受信機の能力を重度に阻害することになる。従って、周波数の小エラーが存在する場合の同期語検知における斯かる問題に対処するために、何らかの解決策が必要となる。

Ｍ−ａｒｙＦＳＫ信号については、同期語シンボルシーケンスを長さＮのベクトルｕ^→で表す。各ベクトル要素は以下の式に含まれる。

定数パラメータｈは変調指数を表す。式１の同期語相関値は式５，６，７によって示される。

上記の式は、総当り相関（ｂｒｕｔｅ−ｆｏｒｃｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）と比較して、複雑さが著しく低減される「分割統治（ｄｉｖｉｄｅ−ａｎｄ−ｃｏｎｑｕｅｒ）」方式を示すものである。分割統治方式では、相関値は、式６によって示されるＮ個のより小さい相関値に分割される。

式６に示すように、各時間ｎにおいて、斯かるより小さい相関値によって、受信信号は予測周波数の正弦波と相関付けられる。同予測周波数は、各同期シンボル間隔において、該当する既知の同期シンボルｕによって決定される。結合器２４０は、式７に示す各同期シンボルの予測される開始位相を示す式５に従い、相関値を収集して結合する。

図６は、長さＮの同期語＝８個のシンボルについての相関手順を示す。時間ｎにおいて、相関器２２０のエイト相関器アウトプット（_{ｅｉｇｈｔ}ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ ｏｕｔｐｕｔｓ）は、λ（ｎ−７Ｎ_ｓ，ｕ_０）で始まり、λ（ｎ，ｕ_７）で終わる。続いて、同期相関器２２０は、式５に示す動作を実行する結合器２４０にアウトプットを供与する。式６のシンボル相関値は、ゲーツェルアルゴリズム（ｔｈｅ Ｇｏｅｒｔｚｅｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）の再帰型を用いて有効に算出され得る。

当業者には、その他の再帰型を用いても式６に示す相関器アウトプットを算出することが出来ることが理解されよう。特定のデジタル信号プロセッサ４２にて用いられる定量方法によっては、異なるフォーマットがより適切であり得る。

更に、整数変調指数ｈ＝１については、位相相関条件（ｐｈａｓｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｅｒｍｓ）は以下の式のように単純化され得る。

以下の例の多くにおいて、式９へと導く前述の前提を用いる。

同期語相関器２２０及び結合器２４０は、各予測同期語周波数において、式８における反復（ｉｔｅｒａｔｉｏｎ）を実行し、ｈ＝１については、単に、適切なアウトプットを加算又は減算する。この方法は、総当りアプローチ（ｂｒｕｔｅ ｆｏｒｃｅ ａｐｐｒｏａｃｈ）より約５〜１０倍の単純である。

受信機１１０において同期語３１０の有無を検知すべく、同期語相関アウトプットを閾値と比較する。式５の同期相関値が閾値を上回る場合は同期語が検知される。その結果生じる同期相関信号のピークの位置を、一定のＦＳＫデータスロット３１２においてシンボルタイミングを決定するために判定する。同期相関値を固定閾値と比較する代わりに、閾値検知の前に、同期相関信号を受信信号エネルギーによって標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）することが望ましい。なお、同エネルギーは、式５の同期相関値と同じ時間ウインドウ内で算定される。同様に、閾値をエネルギーによって測定し、同期相関信号ｃ（ｎ）と直接比較してもよい。ｅ（ｎ）によって表される同エネルギーもまた、下式に示すように再帰的に求められる。

同期語を検知した場合、最初の同期が「ヒット」した後、小時間ウインドウにてサーチが実行される。このウインドウ内では、シンボル境界の位置を特定すると共に、一定のＦＳＫデータスロット３１２についてシンボルタイミングを受信機１１０内に正確に設定するために、標準化されていないｃ（ｎ）に対するピークサーチが実行され得る。

以上において説明したプロセスは、周波数の小エラーに対処し得るように変更可能である。また、以下の記載は、３２００ボーのシンボルレート、ｈ＝１の変調指数、及び８シンボルの同期語長さという前提に基づくものである。式５及び式９に示すように、同期語相関値は、各時間ｎにおいて以下のベクトルを生成する。

受信信号に周波数エラーが存在せず、受信信号が同期語と時間的に整合される場合、式１１のベクトルｘ^→は、任意の位相の複素フェーザ（ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｈａｓｏｒ）の形態をとる。受信信号の周波数がオフである場合、斯かるベクトルはオフセット値に対応する位相分だけ回転する。即ち、同ベクトルは、オフセット値に等しい周波数を有する複素正弦波のように見える。ひずみは、個々の相関器アウトプットにおけるタイミングエラー及びエネルギー漏れによって生じる。しかしながら、オフセット値がシンボルレートと比べて小さいと想定した場合、このようなひずみは二次的なものである。

ロバストな同期検知アルゴリズムによって、以下の式の計算が成される。

以上は、単に、周波数｛ｆ_ｋ｝におけるベクトルｘ^→（ｎ）のエネルギーである。目下考察の対象となっている例においては、周波数は以下の式のように設定され得る。

従って、上記の変更されたアルゴリズムにおける同期相関器アウトプットは以下の式の通りである。

Ｌ＝１については、周波数セットは｛−２００，０，＋２００｝ヘルツであり、微細な低下（ａ ｓｍａｌｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）が示される程度において、＋／−３００ヘルツまでのエラーを耐容可能な値である。

図７は、Ｙ軸に同期ヒットレート（ＳＨＲ）、Ｘ軸に静的Ｅ_ｓ／Ｎ_０を示す。いくつかの状況においては、Ｅ_ｓはシンボルエネルギーを示し、Ｎ_０はノイズ密度を示す。ベンチマークは、図７に実線７０２で示すように、最高の性能を呈するＬ＝０にけるゼロヘルツのエラー（周波数セット｛０｝Ｈｚ）である。Ｌ＝０における３００ヘルツのエラーでは、図７に曲線７０８で示すように、同期相関器がそのアウトプットにて生成するエネルギーが著しく小さいために、ＳＨＲは重度の低下を示す。図７の曲線７０４で示すように、｛−２００，０，＋２００｝ヘルツ（Ｌ＝１）の周波数セットが適用される場合、ＳＨＲはベンチマークから約０．５デシベル（ｄＢ）の範囲に入る。５００ヘルツのエラーに対処する場合は、図７に曲線７０６で示すように、｛−４００，−２００，０，＋２００，＋４００｝ヘルツ（Ｌ＝２）の周波数セットを用いる必要がある。オフセット値がシンボルレートよりも小さいと仮定すれば、周波数セットが適切に選択される限り、より多くの周波数エラーに対処することができ、二次的なひずみによりもたらされる損失も殆ど生じない。

本発明の同期シンボル相関器２２０及び結合器２４０は、周波数の小エラーが存在する場合においてロバストである。同期シンボル相関器２２０及び結合器２４０により用いられるアルゴリズムは有効であり、ゲッツェルに基づくシンボル相関器に基づくものである。周波数エラーが存在する際の同期語３１０の検知に加え、エラーを追跡検出すべく、受信信号から周波数オフセット値を推定するための方法を定義することが望ましい。周波数オフセット値推定器２６０も上記と同じ思想に基づき構成される。シンボル相関器アウトプットは、時間において同期された際には位相補正が実行された後、受信信号の周波数オフセット値に従った位相において回転される。従って、周波数オフセット値推定器２６０については、次のベクトルｘ^→は、以下の式の通りである。

同式では、例えば、ＦＳＫデータスロット３１２に１２８個のシンボルが存在すると仮定する。この場合、時間ｎ_０はスロット内の１２８番目のシンボルのエンドを示す。最初の８個のシンボルｕ_０ｕ_１…ｕ_７は既知の同期シンボルであり、以降のシンボルｕ^＾ _８ｕ^＾ _９…ｕ^＾ _１２７は送信データシンボルの推定値である。シンボル推定値は、生受信シンボル又はエラー補正後シンボルのいずれかに基づく。生シンボル方式の方が、一般に、かなり平易に実行される。図８は、ＦＳＫスロット３１２のデータ部３１６において、斯かるベクトルを生受信シンボル方式のために生成する方法を示すブロック図である。Ｍ−ａｒｙＦＳＫについては、一連のＭシンボル相関器２２６が同期シンボル間隔毎に一回動作して、シンボル間隔毎にＭ個の複素相関値（Ｍ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）を生成する。ここで、各複素相関値はＭ−ａｒｙＦＳＫアルファベットのうちの一定の周波数に相当する。斯かる相関値は式６によって示す相関値と同じであることに留意されたい。しかしながら、スロットのデータ部３１６については、シンボルタイミングが既に決定されていることから、シンボル間隔毎に一回、これらの数値を求めるのみで足り、式８の再帰計算を行う必要はない。シンボル間隔毎に、Ｍ個の相関値についてピークマグニチュードサーチ（ｐｅａｋ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｓｅａｒｃｈ）２６２が実行され、ピーク指数は生受信シンボルバッファ２３２に記憶される。生受信シンボル指数と相関付けられた複素相関値は、周波数推定値バッファ２２２に記憶される。スロット内の最後のデータシンボルを受信した際に、周波数推定値バッファ２２２は位相補正され、式１５のベクトルｘ^→を生成する。

周波数推定器２６０は、１２８ポイントの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、以下の式に示すマグニチュードを算出することができる。

周波数推定器２６０は、例えば［−５００，５００］ヘルツに対応する領域において、Ｐ_ｘ（ｌ）を最大にする分数変数に従い、周波数オフセット値を推定する。この例では、同ＦＦＴの周波数分解能（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）は１ビン当たり２５ヘルツである。

品質推定器２８０は、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の測定値に従って、推定値に品質測定値を結合してもよい。

ただし、Ｌ_１は、ポイントｌ_ｏにおいて±２００ヘルツ、即ち、±８ビン（ｂｉｎｓ）を定義する。ポイントｌ_ｏは、Ｐ_ｘ（ｌ）が最大になる［−５００，５００］ヘルツの領域に限定される周波数ビン指数として算出される。最大周波数要素のみを採る代わりに、本システムでは、ピークを中心とする狭バンド幅において信号を合計する。このような技術により、エネルギーが公称オフセット値を中心に拡散する高速減衰（ｆａｓｔ ｆａｄｉｎｇ）が生じる場合に、良好なＳＮＲを維持することが出来る。

周波数オフセット推定値をパスするためには、特定のスロットにおいて同期語ヒットが生じると共に、ＳＮＲは、所定の閾値、例えば０．３を上回る必要がある。このようなＳＮＲ測定は、不良測定値を検出し廃棄するうえで、平易かつ効果的な方法である。

図９は、周波数オフセット値推定器２６０及び品質推定器２８０の性能を簡潔に説明するものである。各表の項目は、シミュレートされた５００個のデータスロットの結果を含んでいる。補正されていないエラーを含むシンボルは用いられていないものの、測定値は非常に正確である。

以上、本発明の好適な実施形態を図示し且つ説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。当業者にとっては、本明細書に添付する請求項によって定義される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、数々の変性、変更、変形、置換、及び等価物を用いることが可能である。

本発明の一実施形態におけるユーザ機器を示すブロック図。 本発明の一実施形態が実施され得るデジタル通信システム環境を示すブロック図。 同期を実行し得るデジタル通信受信機の一実施形態を示すブロック図。 デジタル通信受信機の同期を追跡する方法を示すフローチャート。 同期語相関ウインドウを含むデータスロット構成を示す図。 相関器及び結合器の作用を示すブロック図。 周波数エラーを含む静的同期検知能を示すグラフ。 周波数オフセット値推定器バファリングスキームを示すブロック図。 周波数オフセット値推定器の性能を示す表。

Claims (12)

1. 複数のデータスロットと、送信されるデータスロットのそれぞれに１つの同期語（ｓｙｎｃ ｗｏｒｄ）とを有する送信機からの信号を受信する工程と、
   選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて、受信した信号を予測される周波数の正弦波（ｓｉｎｕｓｏｉｄ）と相関付けることによって、複数の時点のそれぞれにて複数の相関値を生成する工程であって、同複数の相関値の各々は現時点に対して選択された同期シンボル間隔に対応することと、
   各時点にて前記複数の相関値を収集する工程と、
   同複数の相関値を、ＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じて位相補正し、それによって、複数の位相補正後同期シンボル相関値のベクトルを生成する工程と、
   各時点にて、一連の候補オフセット周波数について、同ベクトルの離散時間フーリエ変換値を求める工程と、
   各時点にて、同一連の候補オフセット周波数における離散時間フーリエ変換振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成する工程と、
   各時点にて同期相関信号を閾値と比較する工程であって、同閾値は、現時点に対する同期信号の時間スパン内に受信される信号のエネルギーと比例することと、
   同同期相関信号が同閾値を上回ることが検知された際、同期相関信号のピークの位置を判定し、同ピークに応じてシンボルタイミングを決定する工程と、
   を備える、信号取得中にタイミング同期を実行すべく受信機を用いる方法。
2. 前記受信信号から周波数オフセット値を推定することによって、送信機の周波数を追跡することを更に備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記周波数オフセット推定値に基づき、前記受信信号における同期を追跡する工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
4. 再帰的ゲーツェルアルゴリズム（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｇｏｅｒｔｚｅｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて前記複数の相関値を供与することを更に備える、請求項１に記載の方法。
5. 二次的なひずみ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ）が同期相関値に含まれることを許容することを更に備える、請求項１に記載の方法。
6. 各送信データスロットに１つの同期語（ｓｙｎｃ ｗｏｒｄ）を有する複数のデータスロットを含む信号を受信すべく適合された受信装置と、
   選択された１つの同期シンボル間隔にそれぞれが対応する複数の相関値を生成すると共に、選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて予測周波数の正弦波と受信信号を相関付けるための相関器と、
   一連の候補オフセット周波数について、ＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じ、同複数の相関値を収集及び結合するための結合器と、
   各時点にて、前記候補オフセット周波数における結合器出力振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成するためのピーク検知器と、
   各時点にて、前記同期相関信号を閾値と比較するための閾値検知器と、
   同期相関信号が閾値を上回った際に、同期相関信号のピークに応じて、シンボルタイミングを決定するためのシンボルタイミング推定器と、
   を備える、周波数エラーが存在する際に時間同期を実行することが可能なデジタル通信受信機。
7. 信号取得後に周波数同期を追跡すべく、受信信号の周波数オフセット値を推定するための周波数オフセット値推定器を更に備える、請求項６に記載のデジタル通信受信機。
8. 信号取得後に、前記周波数オフセット値に基づき、前記受信信号における周波数同期を追跡するためのエラー追跡装置を更に備える、請求項７に記載のデジタル通信受信機。
9. 複素数シンボル相関値（ｃｏｍｐｌｅｘ ｖａｌｕｅｄ ｓｙｍｂｏｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ）のベクトルを規定（ｆｏｒｍｕｌａｔｉｎｇ）することであって、それぞれのベクトル要素は、複数のシンボル間隔のそれぞれにて、既知の又は推定されるシンボル周波数の正弦波に対する受信信号の相関値であり、各シンボル間隔は、シンボルタイミング装置より得られるシンボルタイミングに応じて決定されることと、
   タイムスロットの残りにて、シンボル周波数を既知の同期シンボル及び推定されるデータシンボルに基づかせることと、
   各時間スロットにて、ＦＳＫ変調指数及び推定されるシンボルパターンに応じて複素数シンボル相関値のベクトルを位相補正することと、
   同複素数シンボル相関値のベクトルの離散時間フーリエ変換ベクトルを求めることと、
   同フーリエ変換ベクトルのピークマグニチュードの位置に応じて、受信信号の周波数オフセット値を推定することと、
   同フーリエ変換ベクトルのマグニチュードから算出された信号対ノイズ比に応じて、同周波数オフセット推定値の品質基準値（ｑｕａｌｉｔｙ ｍｅｔｒｉｃ）を算出することと、
   を備える、シンボルタイミング装置を有するデジタル通信受信機にて周波数同期を実行するための方法。
10. ピークを中心として選択された狭バンド幅にて信号を合計することにより前記周波数オフセット推定値の信号対ノイズ比を求めると共に、同信号対ノイズ比が所定の閾値を下回る場合には同周波数オフセット推定値を破棄することを更に備える、請求項９に記載の方法。
11. 各送信データスロットに１つの同期語（ｓｙｎｃ ｗｏｒｄ）を有する複数のデータスロットを含む信号を受信すべく適合された受信装置と、
    選択された１つの同期シンボル間隔にそれぞれが対応する複数の相関値を生成すると共に、選択された同期シンボル間隔のそれぞれについて予測周波数の正弦波と受信信号を相関付けるための相関器と、
    一連の小オフセット周波数について、ＦＳＫ変調指数及び既知の同期シンボルパターンに応じ、同複数の相関値を収集及び結合するための結合器と、
    各時点にて、前記オフセット周波数における結合器出力振幅最大値に応じて、同期相関信号を生成するためのピーク検知器と、
    各時点にて、前記同期相関信号を閾値と比較するための閾値検知器と、
    同期相関信号が閾値を上回った際に、同期相関信号のピークに応じて、シンボルタイミングを決定するためのシンボルタイミング推定器と、
    既知の及び推定されたシンボルを用いてオフセット推定値を規定するとともに、周波数オフセット推定値を算出するための周波数オフセット値推定器と、
    信号対ノイズ比算出によって同周波数オフセット推定値の品質を判定するための品質推定器と、
    を備える、デジタル通信受信機にて信号取得中に時間同期を実行し且つ信号取得後に周波数同期を実行するための装置。
12. 前記品質推定器は、ピークを中心として選択された狭バンド幅にて信号を合計することにより前記周波数オフセット推定値の信号対ノイズ比を求めると共に、同信号対ノイズ比が所定の閾値を下回る場合には同周波数オフセット推定値を破棄するための手段を更に備える、請求項１１に記載の装置。

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