JP4907036B2 - 位相シーケンスにおける位相ジャンプの検出及び訂正 - Google Patents
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Description
[発明の分野]
本発明は、少なくとも送信機と、PSK変調によって得られたシンボルを受信するよう構成され、シンボル位相のシーケンスに基づいてシンボルに関する周波数誤差を推定する推定手段を具備した受信機と、を含む通信システムに関する。
【0002】
本発明は、このような通信システムで使用するための受信機に関する。
【0003】
本発明は、PSK変調によって得られた受信シンボルに関する周波数誤差を、シンボル位相のシーケンスに基づいて推定する方法、並びに、PSK変調によって得られたシンボルの初期位相シーケンス中の位相ジャンプを検出し訂正する方法に関する。
【0004】
さらに、本発明は、これらの方法を実現する命令を含むコンピュータプログラムに関する。
【0005】
[発明の背景]
受信シンボルに関する周波数誤差を位相シーケンスに基づいて推定するようなアルゴリズムは、たとえば、文献:M. Morell and U. Mengali, "Feedforward Frequency Estimation for PSK: a Tutorial Review", European Transactions on Telecommunications, vol.9, no.2, March-April 1998, paragraph 4.1 (page 107)に記載されている。このアルゴリズムは、トレッター(Tretter)アルゴリズム、又は、最小自乗法として知られている。
【0006】
このような位相シーケンスを獲得するため、一般的に、多数の受信シンボルに関してなされた判定に基づいて受信シンボルに関する位相を推定する位相推定アルゴリズムが使用される。たとえば、文献:F. Daffara and J. Lamour, "Comparison between digital recovery techniques in the presence of frequency shift", Conference report of International Conference on Communications, New Orleans, USA, 1-5 May, 1994, vol.2, pp.940 and 945, paragraph 3.3に記載された期待値最大化アルゴリズムが使用される。
【0007】
解決されるべき課題は以下の通りである。2n個の点により構成されたPSK変調において、2個の隣接した点は、π/(2n−1)で表わされる位相差をもつ。周波数誤差が、ある種のシンボルに基づいて、判定の際に生ずるような誤差である場合、この誤差は、獲得された位相推定値のシーケンス内で、±π/(2n−1)の位相ジャンプによって表わされる。獲得される位相ジャンプの数は、パケットに含まれるシンボルの数及び初期周波数差に依存する。
【0008】
Tretterアルゴリズムを適用するため使用された位相のシーケンスに、一つ若しくは多数の位相ジャンプが含まれる場合、獲得された周波数推定値は不正確である。本発明は、特に、この問題を解決することを目的とする。
【0009】
[発明の概要]
上記の目的に鑑みて、本発明による通信システム、並びに、冒頭に説明した通信システムは、受信機が、シンボルに関してなされた判定に基づいて、初期シーケンス(S1)と呼ばれる位相シーケンスを計算する計算手段(52)と、最終シーケンス(S2)と呼ばれる位相シーケンスを周波数誤差推定手段(62)へ供給するため、初期シーケンス中の位相ジャンプを検出し訂正する手段と、を具備することを特徴とする。
【0010】
有利的には、位相ジャンプを検出し訂正する手段は、
位相ジャンプ構造を補正する複数の修正シーケンス(Ci +;Ci −;Cp,k +;Cp,k −)を生成するため、上記初期シーケンス(S1)を修正する修正手段(100)と、
初期シーケンス(D0)及び修正シーケンス(Di +;Di −;Dp,k +;Dp,k −)を決定する直線方程式を計算する計算手段(110)と、
初期シーケンス及び修正シーケンスに対し、初期位相又は修正位相と、対応した直線方程式によって生成された位相との平均差(σ0 2;(σi +)2;(σi −)2;(σp,k +)2;(σp,k −)2)を計算する計算手段(120)と、
を具備し、
上記最終シーケンスは平均差が最小であるシーケンスによって形成される。
【0011】
本発明の上記局面及びその他の局面は、以下に説明する実施例を参照して、その例に限定されることなく、明白になり、解明されるであろう。
【0012】
[本発明の好ましい一実施例の説明]
図1には、本発明による通信システムの一例が示されている。通信システムは、本発明においては送信機として用いられる対話型ユーザ端末1と、本発明においては受信機として用いられるヘッドエンド局2と、を含む。ヘッドエンド局2は、第1周波数帯域Ku(12〜14GHz)で信号を送信する。これらの信号は、衛星3によって対話型ユーザ端末1へ中継される。対話型ユーザ端末は、第2周波数帯域Ka(20〜30GHz)で信号を送信する。これらの信号は、衛星3によってヘッドエンド局2へ中継される。
【0013】
各端末1は、データ情報源10と、チャネル符号化手段12とを具備する。チャネル符号化手段は、プレアンブル・シンボル及びデータ・シンボルを含むN個のシンボルからなるパケットを送出する。これらのパケットは、フィルタ手段13へ送られ、最終的に、変調手段14へ送られ、変調手段は周波数fcの局部発振器を使用する。
【0014】
ヘッドエンド局2は、周波数がfc+Δf0/Tsである局部発振器と初期位相θ0を使用する復調手段20を有し、ここで、Δf0はシンボル周波数に対する正規化周波数差であり、Tsはシンボルの持続期間である。ヘッドエンド局2は、受信シンボルと呼ばれるシンボルを送出するため、フィルタ手段21及びサンプリング手段22を更に有し、サンプリング手段22はフィルタ21の出力信号をサンプリングする。受信シンボルは、周波数再生手段23へ渡され、周波数再生手段は、正規化周波数差Δf0を推定し、推定差
【0015】
【数1】
を補正するため受信シンボルを訂正する。周波数再生手段223は、周波数訂正シンボルを送出する。周波数訂正シンボルは、位相再生手段24へ送られる。周波数訂正され、位相訂正されたシンボルは、最終的に、データ27を送出するチャネル復号化手段25へ渡される。
【0016】
本例の場合に、位相及び周波数推定手段50と、位相訂正手段51とを有する。位相及び周波数推定手段50に関しては、図2を参照して説明する。位相及び周波数推定手段50は、L回に亘って実行されるループにより構成される。以下の説明中、インデックスm(m=1〜L)は、ループカウンタを表わす。各mの値は、1回のループパスに対応する。ループは、
シンボルパケットrk (m−1)(但し、q≦Nとして、m=1〜L、k=1〜q)に関する初期位相シーケンスS1を生成する従来型(たとえば、期待値最大化方式)の位相推定手段52と、
初期シーケンスS1に基づいて、上記パケットに関する周波数誤差を計算する手段53と、
周波数誤差を訂正するためパケットの周波数を訂正する手段54と、
ループを通る後続のパスのため、周波数訂正シンボルrk (m)を位相推定手段52へ供給するループ手段55と、
位相推定手段52によって推定された位相(又は、そのままなされるべき訂正量)と、訂正されるべきシンボルを位相訂正手段51へ供給するループ出力手段56と、
を具備する。
【0017】
計算手段53は、位相推定手段52によって生成された初期位相シーケンスS1に基づいて、同一パケットのシンボルrk (m−1)に関する周波数誤差推定量
【0018】
【数2】
を計算する。この位相シーケンスS1の値は、−∞と+∞の間にある。計算手段53は、
初期シーケンスS1を訂正し、最終シーケンスS2を送出するため、位相ジャンプを検出し補正する手段60と、
トレッターアルゴリズムを適用することにより、シーケンスS2の値の最も近くにある可能性がある直線の勾配を計算する手段62と、
を具備する。得られた勾配は、パケットのシンボルに関する周波数誤差推定量
【0019】
【数3】
を形成する。周波数訂正手段54へはこの周波数推定誤差が渡される。周波数訂正後に獲得されるシンボル
【0020】
【数4】
は、ループを通る新しいパスのための位相推定手段52へ送られる。ループを通過する最後のパス(m=L)の間に、訂正されるべきシンボルrk (L−1)と、このシンボルに対し行なわれるべき位相訂正
【0021】
【数5】
は、位相訂正手段51へ送られる。
【0022】
位相ジャンプを検出し訂正する手段60は図3に示されている。位相ジャンプ検出及び訂正手段60は、
複数の位相ジャンプ構造を補正するため、位相ジャンプ構造の訂正量に対応した複数の修正シーケンスを生成し、初期シーケンスを修正する手段100と、
初期シーケンス及び修正シーケンスを決定する直線方程式を計算する手段と、 初期シーケンス及び修正シーケンスに対し、初期位相又は修正位相と、対応した直線方程式によって生成された位相との平均差を計算し、最終シーケンスは平均差が最小であるシーケンスによって形成される、計算手段120と、
を具備する。
【0023】
使用される位相ジャンプ検出及び訂正手段60は、訂正したい位相ジャンプの個数によって異なる。しかし、この方法は同じように適用される。本発明波、位相ジャンプの個数とは無関係に適用され得る。以下では、位相ジャンプ検出及び訂正手段60の二つの例を説明する。
【0024】
第1の例では、位相ジャンプ検出及び訂正手段60は、±π/2の一つの位相ジャンプを訂正するよう構成される。
【0025】
第2の例では、位相ジャンプ検出及び訂正手段60は、同じ方向で±π/2の二つの位相ジャンプを訂正するよう構成される。この第2の例は、伝送パケットが53オクテットからなるATMセルである最も起こりそうな状況に対応する。
【0026】
以下に説明する例では、修正手段100は、初期シーケンスS1を位相毎に修正する。しかし、実行される計算回数を削減するため、シーケンスを位相グループ単位で修正することが可能である。この位相グループ単位による修正は、ある種の位相ジャンプの構造だけを補正することと等価である。
【0027】
図4を参照して、位相ジャンプ検出及び訂正手段60の第1の実施例を説明する。図4には、+π/2の位相ジャンプを含む初期シーケンスS1の一例が示されている。位相ジャンプ検出及び訂正手段60は、位相ジャンプの位置及び方向を検出し、その位相ジャンプを訂正する機能を有する。したがって、図3に示されるように、位相ジャンプ検出及び訂正手段60は、以下の演算を実行する。
【0028】
a)シーケンスを決定する直線方程式D0を獲得するため、トレッターアルゴリズムが位相φj(j=0〜q−1)によって形成された初期シーケンスに適用される。この方程式は、
a0=α.S’−β.S 及び b0=γ.S−β.S’
とするとき、
D0:y=a0.x+b0
であり、ここで、
【0029】
【数6】
α=12/(q.(q2−1))、β=6/(q.(q+1))及び
γ=2(2q−1)/(q(q+1))
である。
【0030】
これらの式は、位相の不確かさがjにはよらず一定であるとすると、文献:W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling and B.P. Flannery, "Numerical Recipes in C, the art of scientific computing, second edition", Cambridge University Press, 1995の523ページ及び524ページに示された計算から容易に導出することができる。
【0031】
b)初期平均差(σ0)2は、初期シーケンスS1の位相φjと、直線方程式D0から得られる位相y(j)との間で計算される。
【0032】
【数7】
c)初期シーケンスS1は、最後(ランクq−1のシンボル)から始めて点毎に調べられ、インデックスiは、位相ジャンプの位置を示すカウンタである(i=q−1,...,0)。
【0033】
d)各ステップで、位相φj(j=q−i,...,q−1)は、+π/2ずつ修正され、修正シーケンスCi +が獲得される。この修正シーケンスCi +は、位相
【0034】
【数8】
によって構成される。
【0035】
e)各ステップで、直線方程式Di +が計算される。この直線は、修正シーケンスCi +を決定する。この方程式は、以下の通りに表わされる。
ai +=α.(Si’)+−β.(Si)+
及び
bi +=γ.(Si’)+−β.(Si’)+
とするとき、
Di +:y=(ai)+.x+(bi)+
であり、ここで、
【0036】
【数9】
であり、すなわち、
【0037】
【数10】
かつ
【0038】
【数11】
である。
【0039】
f)修正シーケンスCi +毎に、修正シーケンスCi +の位相φj +と、直線方程式Di +から得られる位相y(j)との間で平均差(σi +)2が計算される。
【0040】
【数12】
g)演算c)乃至f)は、−π/2の初期シーケンスの位相φj(j=q−i,...,q−1)が修正される間、繰り返される。iのそれぞれの値に対し、別の修正シーケンスCi −が獲得される。これは、位相
【0041】
【数13】
によって形成される。
【0042】
h)最終シーケンスS2は、平均差が最小になるシーケンスによって形成される。
【0043】
あまり複雑ではない用法として、平均差(σi +)2は、初期平均差(σ0)2に基づいて計算される。これにより、
【0044】
【数14】
が得られる。
【0045】
平均差(σi −)2は、平均差(σi +)2の上記式において、πを−πで、(Ai +)を−(Ai −)で、(Bi +)を−(Bi −)で置換することによって獲得される。
【0046】
位相ジャンプ検出及び訂正手段60の第2の実施例は、図5を参照して説明する。図5には、+π/2からなる二つの位相ジャンプを含む初期シーケンスS1の一例が示されている。ステップd)において、位相は、ランクq−k−pからランクq−k−1までのp個のシンボルに対して、+π/2ずつ修正され、ランクq−kからランクqまでのk個のシンボルに対して、+πずつ修正される。なお、kは、1からqまで変化し、pは1からq−kまで変化する。
【0047】
ステップd)で獲得された修正シーケンスは次式のように表わされる。
【0048】
【数15】
ステップe)で計算された直線方程式は次式のように表わされる。
(ap,k)+=α.(Sp,k’)+−β.(Sp,k)+
及び
(bp,k)+=γ.(Sp,k’)+−β.(Sp,k’)+
とするとき、
Dp,k +:y=(ap,k +).x+(bp,k +)
であり、ここで、
【0049】
【数16】
かつ
【0050】
【数17】
であり、すなわち、
【0051】
【数18】
かつ
【0052】
【数19】
である。
【0053】
あまり複雑ではない用法として、平均差(σp,k +)2は、初期平均差(σ0)2に基づいて計算される。これにより、次式が得られる。
【0054】
【数20】
平均差(σp,k −)2は、平均差(σp,k +)2の上記式において、πを−πで、(Ap,k +)を−(Ap,k −)で、(Bp,k +)を−(Bp,k −)で置換することによって獲得される。
【0055】
明らかに、上述の手段は、受信機に設けられたマイクロプロセッサにより実行するためのコンピュータプログラムの形式で有利に使用される計算手段である。
【0056】
図6には、図1及び2を参照して説明したシステムにおいて、本発明によって達成される結果を示すグラフである。図6の曲線は、以下の3通りの場合について、パケット誤り率(PER)を信号対雑音比(SNR)に対してプロットした曲線である。
【0057】
曲線R3は、位相ジャンプが検出されなかった場合の曲線である。
【0058】
曲線R2は、本発明の方法によって位相ジャンプが検出され、訂正された場合の曲線である。
【0059】
曲線R1は、(位相と周波数のどちらに関しても不完全ではない)ガウシアンチャネルに対する曲線である。
【0060】
これらの曲線は、
QPSK変調と、
シンボル周波数の−1%から+1%の間で構成されたランダム初期周波数誤差Δf0と、
−πから+πまでに含まれるランダム初期位相誤差θ0と、
48個のシンボルからなる既知プレアンブル[a1,...,a48]及び544個のシンボルからなるペーロード部[a49,...,a592]を含むパケットと、
パケット・プレアンブルを使用し、位相推定の前に適用され、位相推定前の残留周波数誤差Δf1をシンボル周波数の0.3%以下に抑える(手段23によって利用される)周波数再生アルゴリズムと、
L=2回に亘って実行されるループにより形成された位相推定手段50と、
伝送時のリード・ソロモン符号化方式及び64状態に区切られた畳込み符号化方式と、
により獲得される。
【0061】
本発明は、上記の例として説明した実施態様には限定されない。特に、本発明は、トレッター方式の周波数誤り訂正装置と、その上流に設けられ、受信シンボルに関してなされた判定に基づく位相推定装置とを利用するあらゆるタイプの受信機に関係する。
【0062】
さらに、本発明の方法を適用することにより検出され訂正される位相ジャンプの数に制限はない。伝送データパケットの長さがより長い場合、3個以上の位相ジャンプを組み入れルことが可能である。その場合、計算を複雑になることを避けるため、有利的には、パケット部分毎に最大で二つの位相ジャンプを有する場所と同じ位置に収まるように、データパケットをより小さい部分に分割することが可能である。上述の方法は、パケットの各部分に適用される。これにより、種々の位相ジャンプの位置及び方向が得られる。位相は、ジャンプの方向とジャンプの回数との関数としてπ/2の倍数の単位で訂正される。次に、最終的な周波数推定量を得るため、トレッターアルゴリズムがこの訂正シーケンスに適用される。パケットの二つの部分の間でジャンプが出現することを避けるため、同じパケットの種々の部分を重ね合わせることが望ましい。
【0063】
本発明より提案された方法は、(QPSK変調の場合の±2πの代わりに)±2π/Mの位相ジャンプを考慮することによって、任意のMPSK変調に使用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による通信システムの一例の構成図である。
【図2】 位相推定方法のステップを説明するフローチャートである。
【図3】 本発明による位相ジャンプ訂正及び検出手段によって使用される演算を説明するフローチャートである。
【図4】 位相ジャンプを含む位相シーケンスの説明図である。
【図5】 二つの位相ジャンプを含む位相シーケンスの説明図である。
【図6】 本発明によって獲得された結果を曲線の形式で表わす図である。
Claims (9)
- 少なくとも送信機と、
PSK変調によって得られたシンボルを受信するよう構成され、シンボル位相のシーケンスに基づいてシンボルに関する周波数誤差を推定する周波数誤差推定手段を具備した受信機と、
を含む通信システムであって、
上記受信機は、
シンボルに関してなされた判定に基づいて、初期シーケンスと呼ばれる位相シーケンスを計算する計算手段と、
最終シーケンスと呼ばれる位相シーケンスを上記周波数誤差推定手段へ供給するため、初期シーケンス中の位相ジャンプを検出し訂正する手段と、
を具備し、
上記位相ジャンプを検出し訂正する手段は、
位相ジャンプ構造を補正する複数の修正シーケンスを生成するため、上記初期シーケンスを修正する修正手段と、
上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの夫々について、上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの中から対応するシーケンスを決定する直線方程式を計算する計算手段と、
上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの夫々について、当該シーケンスの位相と、当該シーケンスについて決定された直線方程式によって生成される位相とに基づき、最小自乗法により平均差を計算し、上記最終シーケンスが、上記計算された平均差の中で最小の平均差を有するシーケンスによって形成されるようにする計算手段と、
を具備することを特徴とする、
通信システム。 - 上記初期シーケンスは位相グループ単位で修正されることを特徴とする請求項1記載の通信システム。
- 請求項1記載の通信システムで使用される受信機。
- 上記初期シーケンスは位相グループ単位で修正される、請求項3記載の受信機。
- PSK変調によって得られた受信シンボルに関する周波数誤差を、シンボル位相のシーケンスに基づいて、推定する方法であって、
シンボルに関してなされた判定に基づいて、初期シーケンスと呼ばれる位相シーケンスを計算する計算手順と、
周波数誤差の推定のために使用される最終シーケンスと呼ばれる位相シーケンスを生成するため、初期シーケンス中の位相ジャンプを検出し訂正する手順と、
を有し、
上記位相ジャンプを検出し訂正する手順は、
位相ジャンプ構造を補正する複数の修正シーケンスを生成するため、上記初期シーケンスを修正する手順と、
上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの夫々について、上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの中から対応するシーケンスを決定する直線方程式を計算する手順と、
上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの夫々について、当該シーケンスの位相と、当該シーケンスについて決定された直線方程式によって生成される位相とに基づき、最小自乗法により平均差を計算し、上記最終シーケンスが、上記計算された平均差の中で最小の平均差を有するシーケンスによって形成されるようにする手順と、
を有することを特徴とする受信シンボルに関する周波数誤差推定方法。 - PSK変調によって得られたシンボル位相のシーケンスに基づいてシンボルに関する周波数誤差を推定する周波数誤差推定手段へ最終シーケンスと呼ばれる位相シーケンスを供給するよう、シンボルに関してなされた判定に基づいて計算された初期シーケンスと呼ばれる位相シーケンスにおける位相ジャンプを検出し訂正する方法であって、
位相ジャンプ構造を補正する複数の修正シーケンスを生成するため、上記初期シーケンスを修正する手順と、
上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの夫々について、上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの中から対応するシーケンスを決定する直線方程式を計算する手順と、
上記初期シーケンス及び上記複数の修正シーケンスの夫々について、当該シーケンスの位相と、当該シーケンスについて決定された直線方程式によって生成される位相とに基づき、最小自乗法により平均差を計算し、上記最終シーケンスが、上記計算された平均差の中で最小の平均差を有するシーケンスによって形成されるようにする手順と、
を有することを特徴とする位相ジャンプ検出及び訂正方法。 - 上記初期シーケンスは位相グループ単位で修正されることを特徴とする請求項6記載の位相ジャンプ検出及び訂正方法。
- 請求項6記載の位相ジャンプ検出及び訂正方法の手順を実現させる命令を含む、プロセッサによって実行されるプログラム。
- 請求項5記載の受信シンボルに関する周波数誤差推定方法の手順を実現させる命令を含む、プロセッサによって実行されるプログラム。
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