JP4647616B2 - Ofdmレシーバにおける残留周波数誤差推定 - Google Patents

Ofdmレシーバにおける残留周波数誤差推定 Download PDF

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Description

本発明は、IEEE802.11aベースの直交波周波数分割多重(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:OFDM)トランスミッタとOFDMレシーバ間の発振差(oscillator difference)による周波数誤差を推定する技術に関する。
従来、ローカルエリアネットワークは、ネットワークケーブルや他の媒体を使用して、ネットワーク上の局同士を繋いでいた。ワイヤレスLAN(固定アクセスポイントを有するワイヤレスインフラストラクチャ)、モバイルアドホックネットワークといった、ワイヤレスローカルエリアネットワークのアプリケーションにOFDM変調技術を利用するために、新たなワイヤレス技術を開発中である。詳しく説明すると、IEEE規格802.11a「ワイヤレスLANメディアアクセスコントロール(MAC)および物理層(PHY)仕様:5GHz帯の高速物理層(Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY): High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band)」は、最大54Mbpsのデータペイロード通信容量を有するワイヤレスLANのためのOFDM PHYを規定している。IEEE802.11a規格は、2相変位変調または4相変位変調(BPSK/QPSK)、16直交振幅変調(QAM)、あるいは64QAMを使用して変調される52の副搬送波周波数を使用するPHYシステムを規定している。
したがって、IEEE規格802.11aは、データ誤りをできるだけ低減するため、複数の技術を用いた高速ワイヤレスデータ伝送を提供するOFDM PHYを規定している。
ハードウェアにIEEE802.11ベースのOFDM PHYを実装するうえでの問題点に、小型のワイヤレスデバイスに実装可能な、経済性に優れた、コンパクトなデバイスを提供する点が挙げられる。このため、実装の問題点には、一般に、コスト、デバイスのサイズおよびデバイスの複雑さが関わっている。
図1は典型的な直接変換レシーバ(direct conversion receiver)の図である。この直接変換レシーバ10は、アンテナ12、低雑音増幅器14、所定の搬送周波数にあわせたローカル発振器(local oscillator)16、ミクサ18aおよび18b、低域チャネルフィルタ(lowpass channel filters)20aおよび20bを備えている。従来技術において認められているように、第1搬送波およびB/2(すなわち、90度)だけ移相された第2搬送波による信号の変調に基づいて、IおよびQチャネル信号をそれぞれ生成する。受信した信号はミクサ18aおよび18bに送られる。ミクサ18aは、Iコンポーネントと第1搬送コンポーネント(例えば、正弦波)とを含む第1の復調信号を出力する。ミクサ18bは移相器22から受信した移相シフト搬送信号を備えており、Qコンポーネントと第2搬送コンポーネント(例えば、余弦波)とを含む第2の復調信号を出力する。低域フィルタ20aおよび20bは、それぞれの搬送コンポーネントを取り除き、かつ、IおよびQコンポーネントをそれぞれ出力する。
問題となるのは、OFDMトランスミッタのローカル水晶発振器(local crystal oscillator)が生成する送信周波数(f)と、OFDMレシーバ10のローカル水晶発振器16が生成する受信周波数(f)間の周波数差に関する事項である。結果として生じる周波数誤差(fE=fT−fR)によって、信号対雑音比の実質的低下が未訂正のままとなってしまうおそれがある。
IEEE規格802.11は、推定周波数誤差(fEST)を生成するために、OFDMレシーバ10が使用してよいショートプリアンブルとロングプリアンブルとを規定する。しかし、実際の実装品では、推定周波数誤差(fEST)は実際の周波数誤差(f)に等しくならない。その理由は、ショートプリアンブルとロングプリアンブルの双方は、OFDMトランスミッタとOFDMレシーバ10間のトランスミッションからのノイズコンポーネント(noise component)を含むからである。従って、OFDMレシーバが受信したショートプリアンブルとロングプリアンブルとは、OFDMトランスミッタが出力したショートプリアンブルとロングプリアンブルとは異なる。
さらに、OFDMトランスミッタが出力したショートプリアンブルとロングプリアンブルとは、発振器ドリフトによって生じた周波数誤差処理を目的としたものではなく、送信周波数(f)と受信周波数(f)とは時間の経過とともにそれぞれ変動する。従って、推定周波数誤差(fEST)と実際の周波数誤差(f)との差は残留周波数誤差(fRES=fEST−fE)と記載されるが、この誤差は依然としてシステムパフォーマンスに影響を及ぼし、OFDMレシーバの信号対雑音比を低減させるものである。
発明の概要
直接変換レシーバがショートプリアンブルとロングプリアンブルにおいて、ノイズコンポーネントから発生する残留周波数を正確に推定でき、また、発振器ドリフトが直接変換トランスミッタと直接変換レシーバ間の周波数誤差を正確に排除できる構成が求められている。
OFDMレシーバにおいて、いずれの位相トラッキングシステムとも別の手法で残留周波数誤差を推定する構成もまた求められている。
これらの、および、その他の必要性は本発明によって実現される。OFDMレシーバは、受信したOFDM信号中の連続するシンボルの所定の群からの所定のパイロットトーンの比較に基づいて、周波数誤差を測定するよう構成されている。所定の群としては、連続するシンボルの第1サブグループ、および、連続するシンボルの第2サブグループが挙げられる。第1および第2サブグループの各々は、同数のシンボルサブグループ位置(symbol subgroup position)を有している。周波数誤差検出器は、複素共役ジェネレータ(complex conjugate generator)、マルチプライヤ、複素和回路(complex summation circuit)、および、誤差計算機(error calculator)を含む。複素共役ジェネレータは、連続するシンボルの第1サブグループの、所定のパイロットトーンの複素共役を生成するよう構成されている。マルチプライヤは、対応のシンボルサブグループ位置における第2サブグループシンボルのパイロットトーンを、対応のシンボルサブグループ位置における第1サブグループのそれぞれの複素共役で多重化することによって、各シンボルサブグループ位置の複素パイロット積を生成するよう構成されている。複素和回路は、シンボルサブグループ位置の複素パイロット積を合計して累計複素値を取得する。誤差計算機は、周波数オフセットの補正に使用するために、累積複素値から周波数誤差を計算する。
本発明の一形態は、OFDM直接変換レシーバにおける方法を提供する。該方法では、受信したOFDM信号の所定の連続するシンボル群を受信し、所定の群内で、連続するシンボルの第1サブグループと連続するシンボルの第2サブグループとを識別する。この第1および第2サブグループはそれぞれ、シンボルサブグループ位置を同数有する。さらに、該方法において、連続するシンボルの第1サブグループの所定のパイロットトーンの複素共役を生成する。対応のシンボルサブグループ位置における第2サブグループシンボルのパイロットトーンを、対応のシンボルサブグループ位置における第1サブグループシンボルのそれぞれの複素共役で多重化することによって、各シンボルサブグループ位置の複素パイロット積を生成する。さらに、該方法において、シンボルサブグループ位置の複素パイロット積を合計して累積複素値を取得し、周波数オフセットの補正に使用するために累積複素値から周波数誤差を求める。
本発明の他の利点と新しい特徴は、その一部が以下に記載され、一部は、下記の内容を検討するか、本発明を実行すれば当業者に明らかとなるであろう。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲に特に記載した手段とその組合せによって、実現および達成されうる。
添付の図面を参照するが、図面において、同じ参照番号を有する要素は、全図面にわたって同じ要素を参照している。
IEEE802.11 OFDMトランシーバの概要を参照しつつ、開示の形態について記載し、続いて本発明の一実施形態に従う残留周波数誤差予想について詳細に記載する。
レシーバアーキテクチャの概要
図2は、本発明の一実施形態による、IEEE802.11直交波周波数分割多重(OFDM)トランシーバのレシーバモジュール50のアーキテクチャを示す図である。ディジタル回路として実装されるレシーバモジュール50はI/Q不整合補償モジュール52を備え、I/Q不整合補償モジュール52は、アナログ−ディジタル(A/D)コンバータを有するR/Fアナログフロントエンド(AFE)アンプ40から、検出されたワイヤレス信号サンプルを(ディジタル形式で)受信する。AFEアンプ40のゲインは、AGCモジュール55によって制御される。検出されたワイヤレス信号サンプルはI成分(コンポーネント)とQ成分(コンポーネント)を含み、IコンポーネントとQコンポーネントは、理想的には互いに直交であり、均一な相対ゲインを有するが、実際には位相差が非直交(すなわち90度以外)であり、ゲインが不均一である可能性がある。したがって、I/Q不整合補償モジュール52は、不整合のI/Qコンポーネントを補正して、位相差が直交し、均一な相対ゲインを有する整合の取れたI/Qコンポーネントを有する補償信号サンプルを生成するように構成されている。
レシーバモジュール50は、ダイナミックレンジ調整モジュール54も備える。ダイナミックレンジ調整モジュール54は、最適な信号処理のため、補償信号サンプルのゲインを所定のダイナミックレンジに調整し、これにより所定のダイナミックレンジに従って調整した信号サンプルを出力するように構成されている。
回転子回路56は、ローカルレシーバ搬送周波数(すなわちローカル発振器)と、ワイヤレス信号の伝送に用いられるリモートトランスミッタ搬送周波数(すなわちリモート発振器)間で補償を行うように構成されている。詳しく説明すると、粗/密周波数オフセット推定器58が、ローカルレシーバ搬送周波数とリモートレシーバ搬送周波数の間の周波数差を推定し、この差を位相ベクトル回路60に供給するように構成されており、位相ベクトル回路60は、この差の値を複素位相ベクトル(complex phasor)値(角度情報を含む)に変換し、これが回転子回路56に供給される。したがって、回転子回路56はこの複素位相ベクトル値に基づいて、調整信号サンプルを回転させ、回転信号サンプルを出力する。
循環バッファ62は、回転信号サンプルをバッファするように構成されている。詳しく説明すると、データパケットの始点が、回転信号サンプルのシーケンス内で同じ位置にあるという保証はない。したがって、所定の期間(例えば1最大長データパケット)内の任意のデータサンプルを見つけ出して、循環バッファ62から取り出すことができるような方法によって、回転信号サンプルが循環バッファ62に記憶される。循環バッファ62の容量がいっぱいになると、循環バッファ62に新しく記憶される信号サンプルによって、最も古くから記憶されている信号サンプルが上書きされる。このため、循環バッファ62により、レシーバ50は、回転信号サンプルのシーケンス内でデータパケットの「始点」を調整できるようになる。
高速フーリエ変換(FFT)回路64は、回転信号サンプルの時系列のシーケンスを、周波数領域に基づいた一連の所定の周波数点(すなわち「トーン」)に変換するように構成されており、開示の実施形態によれば、FFT回路64は、回転信号サンプルを52の利用可能なトーンの周波数領域に対応付ける(マップする)。
詳しく説明すると、利用可能な52のトーンが情報の伝搬に使用され、そのうち4つのトーンはパイロットトーンとして用いられ、残りの48のトーンはデータトーンであり、各トーンは1〜6ビットの情報を伝達することができる。IEEE802.11a/g仕様によれば、物理層データパケットは、ショートトレーニングシーケンス、ロングトレーニングシーケンス、信号フィールド(ペイロードのデータ速度と長さを示し、最も低速の6Mbpsのデータ速度でコードされている)と、6Mbps〜54Mbpsの8つのデータ速度の1つでエンコードされているペイロードデータシンボルを有する。FFT回路64は、信号フィールドからデータ速度を決定して、データトーンを復元する。
FFT回路64は、バッファ66(第1のバッファ部66a、第2のバッファ部66bおよびスイッチ66cとして示される)にトーンデータ群を出力する。その際、FFT回路64は、バッファ部66aとバッファ部66bに交互にトーンデータ群を出力し、これにより、スイッチ66が一方のバッファ部(例えば66a)からトーン群を出力している間に、FFT回路64がもう一方のバッファ部(例えば66b)に次のトーンデータ群を出力できるようになる。実際の実装においては、スイッチ66cの機能を実行するために、アドレス指定ロジックを使用することができる点に留意されたい。
FFT64によって出力された特定のトーンに、ワイヤレスチャネル上で信号の減衰と歪みによるフェージングが発生した可能性があるため、このフェージングの修正に等化が必要となる。周波数領域イコライザ68は、等化されたトーンを供給するため、トーンに生じたフェージングを元に戻すように構成されている。チャネル推定器70によって、IEEE802.11プリアンブルのロングトレーニングシーケンスからチャネル情報が取得され、このチャネル情報が、チャネル推定器70によってチャネル特性の推定に使用される。各トーンを等化できるように、推定チャネル特性が周波数イコライザ68に供給される。
レシーバモジュール50は、粗/密周波数オフセット推定器58、位相ベクトル回路60およびチャネル推定器70のほか、データシンボルを正確に復元するために、受信信号サンプルが確実に正しくデコードされるよう、信号調整を制御するためのタイミング同期モジュール72、周波数トラッキングブロック74、およびチャネルトラッキングブロック76、およびタイミング修正ブロック78も備える。
デコード部80は、ディジタルスライサモジュール82、デインターリーバ84およびビタビデコーダ86を備える。ディジタルスライサモジュールは、プリアンブルの信号フィールドに指定されているデータ速度に基づいて、各トーンから最大6ビットのシンボルデータを復元する。デインターリーバ84は、トランスミッタのインターリーバ回路と逆の動作を実行して、データを再編成してデインターリーブされたデータを適切なシーケンスに戻す。ビタビデコーダ86は、IEEE802.11仕様に従って、デインターリーブされたデータをデコードして、デコード済みのデータを得るように構成されている。
デスクランブラ回路90は、IEEE802.11仕様に基づいて、トランスミッタのスクランブラが生成する127ビットのシーケンスをデスクランブルすることによって、デコード済みのデータから元のシリアルビットストリームを復元するように構成されている。デスクランブラ回路90は、デスクランブル操作のため、シード推定回路92によってデータパケットのサービスフィールドから復元されたスクランブリングシードを使用する。また、プリアンブルから得られた信号フィールド情報が、データパケット内のペイロードの長さとデータ速度を記憶するために構成された信号フィールドバッファ94に記憶される。レシーバ50の各種構成要素の全体の制御は、状態機械96によって維持される。
こうして、デスクランブラ回路90によって復元されたシリアルビットストリームは、IEEE802.11準拠のメディアアクセスコントローラ(Media Access Controller:MAC)に出力される。
連続するOFDMシンボルのパイロットトーンに基づく残留周波数誤差の推定
図3は、本発明の一実施形態による、図2の周波数トラッキングブロック74内の周波数誤差検出器100を示すブロック図である。周波数誤差検出器100は、バッファ102、複素共役ジェネレータ104、マルチプライヤ106、複素和回路108、および、誤差計算機110を備えている。
周波数誤差検出器100は、ある期間におけるパイロットトーン間の位相差測定に基づき、周波数誤差(Freq.Error)を測定するよう構成される。詳しく説明すると、周波数誤差推定を正確に行うため、開示の実施形態は、連続するOFDMシンボル112の所定の群(N)内の各パイロットトーン114を比較する。上述したように、IEEE802.11aプロトコルに従って伝送される各OFDMシンボル112は、52のトーン116を備え、このトーン116には4つのパイロットトーン114a、114b、114c、および114dを含む。
理想的な(すなわち、理論的)システムでは、シンボル112の各々のパイロットトーン114は同じである必要がある。しかし、上述したように、ノイズコンポーネントと発振器ドリフトとは、従来の周波数トラッキングシステムでは検出できない残留周波数誤差を発生させるおそれがある。
開示の実施形態によれば、連続するシンボル112(すなわち、112から112まで)の所定の(N)群はバッファ102に記憶され、第1サブグループ118aおよび第2サブグループ118bの2つに分割される。各サブグループ118aおよび118bは同数のシンボルN/2を有する。これに加えて、各シンボルはそのサブグループ内に、対応するサブグループ位置を有しており、そのサブグループ位置は、サブグループ118aの場合に、シンボル112(Sym1)は位置“1”、シンボル112(Sym2)は位置“2”、また、シンボル112N/2(SymN/2)は位置“N/2”である。また、サブグループ118bの場合、シンボル112N/2+1(SymN/2+1)は位置“1”、シンボル112N/2+2(SymN/2+2)は位置“2”、および、シンボル112N/2(SymN/2)は位置“N/2”である。したがって、両シンボル、112および112N/2+1は、対応のサブグループ位置が同じ位置“1”、であり、シンボル112および112N/2+2は対応のサブグループ位置が同じ位置“2”、などであり、シンボル112N/2および112は、最後の対応サブグループ位置が同じ“N/2”である。
従って、対応のサブグループ位置が同じであるサブグループ118aおよび118bのシンボル間を比較することによって、パイロットトーン間に均一な時間遅延評価を可能にする。均一な時間遅延はN/2である。
開示された実施形態によると、N/2OFDMシンボル間で、第2サブグループ118bからのシンボルのパイロットトーン114を第1サブグループ118aの対応のシンボルサブグループ位置からのパイロットの複素共役(“*”によって表される)で多重化することによって、パイロットトーン114(114a、114b、114c、114d)(すなわち、配座(constellation)の値)の複素表現が比較され、その結果、位相差が生じる。詳しく説明すると、複素共役ジェネレータ104は、連続するシンボルの第1サブグループ118aのパイロットトーン114の複素共役をマルチプライヤ106へ出力する。
対応する位置における第2サブグループシンボル(例えば、112N/2+1)からのパイロットトーン114(114a、114b、114c、114d)を、対応の共役ジェネレータ(例えば、104a)が出力した複素共役で多重化することに基づいて、マルチプライヤ106(例えば、106a)は各シンボルのサブグループ位置の複素パイロット積(例えば、120a)を生成する。複素パイロット積120は、インターバルN/2によって分離された各シンボルのパイロットトーン114間の位相差を表す。
シンボルサブグループ位置の全てに対する複素積は、複素合計回路108によって累積されて(すなわち、合計される)累積複素値122が生じる。異なる複素積120a、120b、などは、ノイズコンポーネントを無効にする点にも留意されたい。累積複素値122は累積位相差を表す。累積複素値122の逆タンジェントを算出する誤差計算機は周波数誤差124を取得する。
次いで、残留周波数誤差を除く周波数調整を行うために、図2の周波数オフセット推定器58へ周波数誤差を供給してもよい。
図4は、本発明の一実施形態により、状態機械96によって周波数誤差検出器を制御する方法を示した図である。状態機械96は、周波数誤差124を生成するために、Nシンボル値を記憶し比較する。さらに詳しく説明すると、時間の経過と共に周波数オフセットは補正されるので、残留周波数オフセットの検出がさらに困難になる。従って、状態機械96は最初に、ステップ200においてNを最小値(例えば、N=8)に設定する。ステップ202において、測定した周波数誤差124が(推定器58の調整パラメータに等しい)所定の閾値より小さい場合、および、ステップ204において、増加したNの値(例えば、2N)がシンボルSym1およびSymN/2+1間で、位相差が絶対値pi(π)を超えない場合、ステップ206において、状態機械はNの値を2倍にする。
ステップ208において、過度のノイズを有するパイロットトーンサンプル114を排除し、誤差周波数推定精度を高めることができるよう、さらに細分化してもよい。詳しく説明すると、周波数トラッキングモジュール74は、パイロットトーン(114a、114b、114c、114d)のチャネルクオリティ情報をFEQ68およびチャネルエスティメーションモジュール70から取得する。パイロットトーンのいずれかの推定したチャネル信号クオリティが所定の閾値よりも劣る場合、その特定のトーン上の信号はチャネルによってひどく減衰し、その結果、信号対雑音比が低くなり、周波数推定モジュール100(状態機械96の制御下で)は“ノイジー”トーンを捨て、これらのトーンに対応する積と残りのトーンとの合計を行わない。
開示された実施形態によれば、周波数トラッキング収束中、周波数誤差はより小さくなるので、より正確な周波数誤差推定値を提供することによって、周波数トラッキングが向上する。
本発明を、現時点で最も実用的な好ましい実施形態を考慮して記載したが、本発明は開示した特定の実施形態に限定されず、反対に、添付の特許請求の範囲の趣旨ならびに範囲に含まれる全ての変形例および均等な構成を含むことが意図されることを理解すべきである。
本発明は、ネットワークコンピュータおよびワイアレスネットワークコンピュータシステムに応用できる。
受信したIEEE802.11OFDMワイアレスシグナルからIおよびQコンポーネントを復元するよう構成された従来の直接変換レシーバを例示した図。 本発明の実施形態によるIEEE802.11OFDMの受信部を例示した図。 本発明の実施形態による図2の周波数トラッキングブロック内の周波数誤差検出器を例示した図。 本発明の実施形態による周波数誤差を計算する方法を例示した図。

Claims (8)

  1. 受信したOFDM信号中の連続するシンボル(112)の所定の群を受信し、前記所定の群内の前記連続するシンボルの第1サブグループ(118a)と前記連続するシンボルの第2サブグループ(118b)を特定するステップであって、前記第1および第2サブグループはそれぞれ同数のシンボルサブグループ位置を有するステップと、
    前記連続するシンボルの前記第1サブグループの所定のパイロットトーンの複素共役を生成(104)するステップと、
    対応する前記シンボルサブグループ位置における第2のサブグループシンボルの前記パイロットトーンを、対応する前記シンボルサブグループ位置における第1のサブグループシンボルのそれぞれの複素共役で多重化して、各シンボルサブグループ位置の複素パイロット積(120)を生成するステップと、
    前記シンボルサブグループ位置の前記複素パイロット積を合計して累積複素値(122)を取得するステップと、
    周波数オフセットの補正に使用するために、前記累積複素値から周波数誤差(124)を計算するステップと
    定された前記周波数誤差の減少に基づいて連続するシンボルの所定の群のサイズを増加し(206)、その結果、シンボルサブグループ位置の数を増加する一方で、前記複素パイロット積のうちのいずれかの位相差を絶対値pi(π)まで維持する(204)ステップを含む、OFDM直接変換レシーバ(50)における方法。
  2. 前記周波数誤差を計算するステップは、前記累積複素値の逆タンジェント(110)を前記周波数誤差として決定するステップを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 初に前記所定の群のサイズを8シンボルに設定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  4. 号対雑音比が所定のレベル以下であると判断された少なくとも1つのシンボルを選択的に捨てる(208)ステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  5. 受信したOFDM信号中の連続するシンボル(112)の所定の群を受信するよう構成されたバッファ(102)であって、前記所定の群は、前記連続するシンボルの第1サブグループ(118a)および前記連続するシンボルの第2サブグループ(118b)を含み、前記第1および第2サブグループはそれぞれ同数のシンボルサブグループ位置を有するバッファと、
    前記連続するシンボルの第1サブグループの所定のパイロットトーンの複素共役を生成するよう構成された複素共役ジェネレータ(104)と、
    応するシンボルのサブグループ位置における第2のサブグループシンボルの前記パイロットトーンを、対応するシンボルサブグループ位置における前記第1のサブグループシンボルのそれぞれの複素共役で多重化することによって各シンボルサブグループ位置の複素パイロット積(120)を生成するよう構成されたマルチプライヤ(106)と、
    累積複素値を取得するために前記シンボルサブグループ位置の前記複素パイロット積を累積するよう構成された複素和回路(108)と、
    周波数オフセットの補正に使用するために、前記累積複素値から周波数誤差を計算するための誤差計算機(110)と、
    測定された前記周波数誤差の減少(202)に基づいて、連続するシンボルの前記所定の群のサイズを増加し(206)、その結果、シンボルサブグループ位置の数を増加するよう構成された状態機械(96)とを含む、OFDM直接変換レシーバ(50)。
  6. 前記誤差計算機は前記累積複素値の逆タンジェントを決定することによって前記周波数誤差を計算するよう構成されている、請求項5に記載のレシーバ。
  7. 前記状態機械は前記連続するシンボル(112)の所定の群のサイズを増加する一方で、前記複素パイロット積のいずれの位相差を絶対値pi(π)まで維持するよう構成され、前記状態機械は最初に前記所定の群のサイズを8シンボルに設定するよう構成される、請求項5に記載のレシーバ。
  8. 前記状態機械は信号対雑音比が所定レベル以下であると判断された少なくとも1つのシンボルを選択的に捨てる(208)よう構成されている、請求項5に記載のレシーバ。
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