JP5646609B2 - シンボルタイミングリカバリのための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト・キーイングシステムの粗い及び細かなシンボルタイミングリカバリに関する。

関連する出願とのクロスリファレンス
この出願は、２００９年５月２９日に出願された「サテライトシステムのシステムおよび方法」と題するアメリカ仮出願番号６１／２１７３３３を引用し、この利益を請求し、完全に本願明細書において組み込まれたものとする。

デジタルビデオ・ブロードキャストにおいて、ケーブル、地上の及び衛星伝送のためのデジタル放送基準が開発されている。２００３年において、衛星通信（ＤＶＢ―Ｓ２）に対する第二世代のデジタルビデオを放送する基準は、ヨーロッパ電気通信標準化協会（ＥＴＳＩ）により開発され、承認された。ＤＶＢ―Ｓ２標準の特徴の１つは、ＤＶＢ（ファースト・ジェネレーション標準）を有する下位互換性である。ＤＶＢ―Ｓ２も、適応符号化及び変調（外部ＢＣＨ符号とＬＤＰＣ符号化）及びいくつかの符号化レートを有する。更なる特徴は、４つの変調モード（ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＡＰＳＫ及び３２ＡＰＳＫ）である。将来の世代の標準はこれらの主な特長を拡張し、かつ下位互換性が含まれると考えられる。

通常、シンボル・タイミングリカバリ（ＳＴＲ）は、フィードバックＳＴＲループを使用して、キャリアの位相及び周波数オフセットが回復される前になされる。ＳＴＲループの遅れによって生じる位相マージン損失のため、シンボルタイミングリカバリのエラー推定は、ループの遅れを最小化するために、通常、受信器の整合フィルタの前になされる。パルス整形し、送信されたパルスを形づくるために、ＲＲＣ（Root Raised Cosine）フィルタを使用するのが一般的である。これは、整合フィルタの前に受信信号の符号間干渉（ＩＳＩ：intersymbol interference）を引き起こす。その理由は、ＲＲＣパルスはナイキストインパルスのクラスでないからである。

ロールオフファクタが減少するにつれて、ＩＳＩはより激しくなる。そして、フィードバック・ソリューションの捕捉範囲（acquisition range）又は同期引込み（pull-in）は減少する。

他の課題は、パルス上のシンボルが、時間的に接近してシフトしているような、ナイキスト信号より速い（ＦＴＮ：faster than Nyquist）場合に起きる。バンド幅が制限され、かつ、ＦＴＮは所与のＳＮＲ及びビット誤り率に対する通常のバンド幅及び余分なバンド幅の他にレシーバ設計の他の側面を提供するため、ＦＴＮは将来の主な課題になるであろう。時間的に圧縮されたタイミング・グリッド上の情報パルスを用いると、ＦＴＮによって、大量のＩＳＩが生じる。そして、フィードバック・ソリューションに基づく古典的なタイミングリカバリは、長いタイミングオフセットに対して失敗する。本明細書に記載されている粗いタイミングリカバリ方法は、ＩＳＩがより激しくなったときの捕捉範囲の減少の課題を解決し、よりロバストなリカバリ方法を提供する。これは、ＦＴＮ送信により生じたＩＳＩに対しても当てはまる。

衛星受信機のタイミングオフセット推定は、ガードナー・タイミングエラー検出器による古典的フィードバック・ソリューションを使用して通常なされる。Ｍ＆Ｍ検出器のように、他の解決策も公知である。これは、整合フィルタ後のサンプルを使用し、ＩＳＩに対してより無感覚（insensitive）であるが、位相及び周波数エラーに対しては非常に敏感である。粗い外部タイミング推定は、細かなシンボルタイミングリカバリのためのループが続く。あるいは、両者のアイディアは別個にインプリメントされてもよい。

本願明細書において述べられる細かなシンボルタイミングリカバリ方法は反対の条件においては、シンボル・タイミングリカバリ・システムロックの役に立つ。そして、低いＳＮＲ、余分なバンド幅の減少、かつ、この場合、ナイキストより速い（ＦＴＮ）信号が使われる。ナイキスト信号より速い信号を使用し、低いＳＮＲ閾値で動作することによって、既存の衛星チャネルからより多くの容量を得るために、そして、例えば余分なバンド幅を減少させて、より多くのデータを利用可能な帯域幅において用いるために、新たな発明が模索されている。これらのアプローチの各々は、シンボルタイミングリカバリの課題を持っている。シンボルタイミングリカバリは、これらの容量を増加させる解決策の採用に対する制限因子の１つであった。これら及びその他の課題は、本発明の原理により対処される。本発明により、粗い及び細かなシンボルタイミングリカバリ方式が提示される。ＤＶＢ―Ｓ２のような伝送ストリームに埋め込まれた既知のデータ（pre-known data）を用いて、データ補助（data aided）されたシンボルタイミング推定のための、新規なシンボルタイミングオフセット検出アルゴリズムが、粗いタイミング調整のために用いられる。そして、後に細かなシンボルタイミングリカバリに対する方法が続き得る。フィードフォワードリカバリは、データストリームに埋め込まれた既知のデータシンボル（例えばパイロット又は同期シンボル）に依存する。本願明細書において記述される粗いタイミングリカバリのアイディアは、ＩＳＩがより激しくなるにつれて捕捉範囲が減少する従来のフィードバックアプローチの課題を解決する。本発明は、データ補助されたフィードフォワード・シンボル・タイミングリカバリ方法を用いて、その課題を解決する。これは、非常にロバストなリカバリ方法であり、ＦＴＮ転送により生じるＩＳＩにも対応する。本願明細書において示される提案された粗いシンボルタイミングオフセット検出器の１つの利点は、位相及び周波数オフセット及びＩＳＩに対する無感覚性である。大きなＩＳＩのためにフィードバックを用いた古典的なリカバリ方式が適用できない場合に、提案された方法は、ＤＶＢ―Ｓ２のような伝送ストリームに埋め込まれた既知のデータを用いる。提案された検出器は、既知のシンボルに依存する。しかしながら、現代の通信方式においては、長いフレーム長を有するターボコード、又はＬＤＰＣコードが利用されており、この場合には、フレームの同期に既知のシンボルを挿入することが必須となっている。また、低いＳＮＲの動作に対して、付加的なパイロット情報が、復調を補助するために信号にしばしば追加される。

本明細書に記載された細かなシンボルタイミングリカバリ方法は、シンボルタイミングリカバリシステムが、反対の条件においてロックを達成し維持することを支援する。これによって、衛星チャネルのチャネル容量を増加させることができる。例えば、低いＳＮＲ閾値の処理、余分なバンド幅の削減が達成できる。そして、しばしばこれは、ナイキストより速い（ＦＴＮ）信号が用いられた場合、シンボルタイミングリカバリは、難しくなるものである。

これらの従来技術の欠点及び不利な点は本原理により対処される。そして、本原理は、シンボルタイミングリカバリに対する方法と装置を提供する。

本原理の一態様によれば、シンボルタイミングリカバリに対する方法が提供される。方法は、受信された信号に１つ以上の差分相関演算を実行するステップと、前記相関の関数のピーク値の間の時間差を測定するステップと、粗いシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を用いるステップと、前記粗いシンボルタイミングを利用して更なるデジタル信号を受信するステップと、を有する。本原理の別の態様では、シンボルタイミングリカバリに対する装置が提供される。この装置は、１つ以上の差分相関演算を実行するための処理回路と、相関ピークの間の時間差を測定するための回路と、粗いシンボルタイミングを決定するためのタイミングエラー検出器と、前記粗いシンボルタイミングを利用して更なるデジタル信号を受信するための受信器と、を有する。本原理の別の態様では、シンボルタイミングリカバリに対する他の方法が提供される。この方法は、数値制御ディレイによる制御を介して受信したデジタル信号を補間するステップと、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された結果をフィルタリングするステップと、細かなシンボルタイミングエラーを求めるために、その結果を用いるステップと、を有する。そしてこれは、フィルタリングされ、細かなシンボルタイミングのための数値制御ディレイに利用される。

本原理の別の態様では、シンボルタイミングリカバリに対する他の装置が提供される。この装置は、受信されたデジタル信号を補間するための補間器であって、補間は、数値制御ディレイによって制御される、補間器と、時間差信号をフィルタリングするためのループフィルタと、前記ループフィルタの出力を利用した前記数値制御ディレイを制御するためのコントローラと、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された信号をフィルタリングするためのフィルタであって、前記第２のフィルタも整合フィルタであり得る、フィルタと、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オフセットの推定として、タイミングエラーを用いるためのタイミングエラー検出器と、前記細かなシンボルタイミングを利用して、更なるデジタル信号を受信するための受信器と、を有する。

本原理の別の態様では、シンボルタイミングリカバリに対する他の方法が提供される。本方法は、受信された信号に対して１つ以上の差分相関を実行するステップと、前記相関の関数のピーク値の間の時間差を測定するステップと、粗いシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を用いるステップと、更なるデジタル信号を受信するために、前記粗いシンボルタイミングを用いるステップと、更に受信されたデジタル信号を補間するステップであって、補間するステップは、数値制御ディレイによって制御される、ステップと、ループフィルタによって、タイミングエラー検出信号をフィルタリングするステップと、前記ループフィルタの出力を利用して、前記数値制御ディレイを制御するステップと、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された出力をフィルタリングするステップであって、前記第２のフィルタも整合フィルタであり得る、ステップと、細かなシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの更なる推定として、補間されフィルタリングされた信号のタイミングエラーを求めるステップと、次のデジタル信号を受信するために、前記細かなシンボルタイミングを用いるステップと、を有する。

本原理の別の態様では、シンボルタイミングリカバリに対する他の装置が提供される。本装置は、受信した信号に対して１つ以上の差分相関演算を実行するための処理回路と、前記相関の関数のピーク値の間の時間差を決定するための回路と、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を利用して、粗いシンボルタイミングを決定するためのタイミングエラー検出器と、前記粗いシンボルタイミングを利用して、更なるデジタル信号を受信するための受信器と、前記更に受信されたデジタル信号を補間するための補間回路であって、補間は、数値制御ディレイによって制御される、補間回路と、時間差信号をフィルタリングするためのループフィルタと、前記ループフィルタの出力を利用して、前記数値制御ディレイを制御するための制御器と、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された出力をフィルタリングするためのフィルタであって、前記第２のフィルタも、整合フィルタであり得る、フィルタと、前記シンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、補間されフィルタリングされた信号のタイミングエラーを計算するためのタイミングエラー検出器と、前記細かなシンボルタイミングを利用して、次のデジタル信号を受信するための受信器と、を有する。

これらの、そしてまた他の態様、特徴及び本原理の利点は例示的な実施例の以下の詳細な説明から明らかになる。そして、それは添付の図面を参照しながら説明する。

整合フィルタ後のGardner法タイミングエラー検出信号の平均二乗誤差予測（ＲＭＳＥＥ）を示す図である。 整合フィルタ後のＭ＆Ｍタイミングエラー信号の平均二乗誤差予測（ＲＭＳＥＥ）を示す図である。 本原理を用いてＴ_ｓ間隔を用いた粗いタイミングオフセット検出器のインプリメンテーションを示す図である。 ＳＮＲが１ｄＢにおいてβ１＝０：９の推定されたタイミングオフセットＴ_ｏｆｆを示す図である。 ＳＮＲが１ｄＢにおいてβ＝０：８の推定されたタイミングオフセットＴ_ｏｆｆを示す図である。 ＤＶＢ−Ｓ２フレーム構造、ＳＹＮＣ、及びパイロット情報を示す図である。 典型的なフィードバックタイミングリカバリ回路を示す図である。 シンボルタイミングリカバリシステムループフィルタを示す図である。 シンボルタイミングリカバリプレフィルタ及び整合フィルタの周波数応答を示す図である。 本原理の捕捉モードにおけるシンボルタイミングリカバリ回路を示す図である。 本原理の捕捉モードにおけるシンボルタイミングリカバリ回路を示す図である。 ｎ段ディレイ移動時間平均関数を示す図である。 整合フィルタの一つの実施例を示す図である。 ＬＤＰＣ繰り返しカウンタ値及びＢＥＲカウンタ値のグラフである。 小さな積分ゲインを持つループフィルタ積分器のゲインを示す図である。 大きな積分ゲインを持つループフィルタ積分器のゲインを示す図である。 タイミングエラー検出器に続く２１個のタップの移動時間平均フィルタを有するループフィルタ出力を示す図である。 本原理の方法の第１の実施例を示す図である。 本原理の装置の第１の実施例を示す図である。 本原理の方法の第２の実施例を示す図である。 本原理の装置の第２の実施例を示す図である。 本原理の方法の第３の実施例を示す図である。 本原理の装置の第３の実施例を示す図である。

［詳細な説明］
本願明細書において示される粗いシンボルタイミングオフセット推定器は、２つの異なるタイミングオフセット検出器を有する２つのステップアプローチを用いてシンボルタイミングリカバリ動作を改善する。第１ステップで、タイミングオフセットは、既知のシンボル（図６に示されるＤＶＢ―Ｓ２のようなフレーム構造における同期（ＳＹＮＣ）シンボル）を用いて推定される。同期シンボルは、ｐｉ／２ ＢＰＳＫ変調によって形成される。受信器の差分相関で最も重要な有利な点は、キャリアの位相及び周波数オフセット・エラーに対するロバスト性である。タイミングがロックされた後、位相及び周波数キャリアオフセット補償がなされるため、この場合、差分相関受信器は衛星受信機設計に非常に適している。本発明の原理を用いて、差分相関は、Ｔ_ｓの間隔をあけた倍相関（double correlation）を使用して改善される。ここでＴ_ｓは、ＡＤＣのサンプルインターバルを示す。さらに、Ｔ_ｓの間隔をあけた倍相関は、二回なされる。第１のＴ_ｓの間隔の倍相関ブロックには、整合フィルタのサンプルｖ［ｎ（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｏｆｆ）］が与えられる。そして、第２のＴ_ｓの間隔の倍相関ブロックは、Ｔ_ｓ／２だけシフトされた整合フィルタのサンプルｖ［ｎ（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｏｆｆ）＋Ｔ_ｓ／２］が与えられる。時間定数Ｔ_ｏｆｆは、本願に記載のタイミングオフセット検出器によって推定されるべきタイミングオフセットを示す。この修正は、ガードナー（Gardner）ＴＥＤが、既に１つのシンボル毎の２つのサンプルシステムを既に使用しているため、容易に行うことができる。このＴ_ｓの間の既知の同期シンボルａ［ｎＴ_ｓｙｍ］の間隔の差分相関とその後の整合フィルタのサンプルｙ［ｎＴ_ｓ］とに対して、差分相関基準（differential correlation references）の計算がなされることになる。なお、ａ［ｎＴ_ｓｙｍ］は、ＤＶＢ−Ｓ２プリアンブルの既知の９０個の同期シンボルを表す。この２つのＴ_ｓｙｍの間隔の倍相関ベクトルｄａ_１及びｄａ_２が得られ、式（１）に示すようにその後の相互相関の基準が形成される。ここでＴ_ｓｙｍは、実際の（true）シンボル間隔である。

式（２）に示される、２つのＴ_ｓの間隔の整合フィルタ処理された作動信号、ｄｙ_１及びｄｙ_２、を得るために、この整合フィルタ処理したサンプルｙ［ｎＴ_ｓ］は、差動共役複素乗算器を用いて続いて前処理される。

次に、作動基準と作動整合フィルタベクトルとの間の相互相関を形成するために、２つのＴ_ｓの間隔の作動信号ｄｙ_１及びｄｙ_２は、時間逆転（time reversed）基準信号ｄａ_１及びｄａ_２によって畳み込まれる。相互相関の関数をインプリメントするために、式３が用いられる。ここで、ｓ_ｍａｇは、いわゆる時刻ｎＴ_ｓにおける同期ピークである。

上述のように、Ｔ_ｓの間隔の作動相互相関の関数（differential cross correlation）は、適切な同期ピークを検出するために、整合フィルタ出力ｙ［ｎ（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｏｆｆ）］及びＴ_ｓ／２シフトされた整合フィルタ出力ｙ［ｎ（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｏｆｆ）＋Ｔ_ｓ／２］に対して２回実行され、最適なタイミングフェーズが、２つの同期シンボル間で相対的にＴ_ｏｆｆだけ移動している場合であっても、ｓ_ｍａｇ［ｎ（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｏｆｆ）］及びｓ_ｍａｇ［ｎ（Ｔ_ｓ＋Ｔ_ｏｆｆ）＋Ｔ_ｓ／２］を形成する。正しい同期ピーク出力を選択するために、コンパレータが後段に接続されたマックスデバイス（max device）が利用される。これによって、ｓ’_ｍａgの同期ピーク位置の可能性が示される。コンパレータは、入力された同期位置の可能性を閾値と比較し、ノイズフロア（noise floor）における同期ピークを示す。２つの連続する同期ピークは、以下の式を利用してタイミングオフセットを推定するために用いられる。

ここで、ｄｆｌｅｎｇｔｈは、データ及び同期フィールドの長さである。ｆｓは、サンプリングレートを表す。そして、ｓ’_ｍａｇは、最も確からしい同期ピーク位置である。図３は、粗いタイミングオフセット検出器の１つの実施例を示す。タイミングオフセットの第１の推定、Ｔ０_ｏｆｆは、デジタルタイムオシレータ（ＤＴＯ、すなわち数値制御ディレイ）を調整するために利用され、受信器のダウンコンバートされた信号ｘ（ｎＴ０ｓ）をリサンプリングする。説明をここで単純化するために、補間フィルタ及び整合フィルタは合体される。整合フィルタの後のサンプルｙ（ｎＴ_ｓ）は、タイミングオフセット検出器を通過し、図示するように、２つの推定同期位置ｓ０_ｍａｇ［ｎＴ_ｓ］及びｓ０_ｍａｇ［ｎＴ_ｓ＋Ｔ_ｓ／２］を生成する。同期検出における間違った警報（false alarms）を避け、同期を検査するのを助けるために、予想される同期ピーク分離の回りに信頼ウィンドウが利用される。［ｄｆｌｅｎｇｔｈ−ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ，ｄｆｌｅｎｇｔｈ＋ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ］の２つの同期のリミットを示す信頼インターバルが用いられる。

［シミュレーション結果］
シンボルタイミング推定の例として、シンボル当たり２つのサンプルより少し多くサンプルされ、ＦＴＮレートβ１＝０：９及びβ２＝０：８によって生成された、３０ＭＢａｕｄのＱＰＳＫストリームが用いられた。信頼インターバルは、通常の同期間隔ｄｆｌｅｎｇｔｈ＝３２４９０個のシンボルの周辺に対称的に［３１９９０，３２９９０］で設定された。図４においては、ＦＴＮレートがβ１＝０：９でタイミングオフセットが２５０ＫＢａｕｄでは、ＳＮＲが非常に低い１ｄＢのレベルにおいても、非常に正確に推定され得ることが示されている。

図５において、β＝０：８における推定タイミングオフセットＴ_ｏｆｆが示されている。２０ＭＢａｕｄストリームの２００ｋＢａｕｄのタイミングオフセットは、エラーが０．５ｋＢａｕｄだけで推定されることが分かる。このことは、後続の細かなシンボルタイミングリカバリシステムに対するバンド幅を非常に低い値に下げるのに十分である。ガードナー又は、Ｍ＆Ｍ ＳＴＲアルゴリズムに基づく古典的なタイミングリカバリと比較して、このアイディアは、同期引き込みレンジ（pull in range）及びロック安定性の両者において勝るものである。

従来のＳＴＲ方法（例えばガードナー、Ｍ＆Ｍ、又は他のアルゴリズム）を使用して、残余のタイミングオフセットを検出（track out）するために、この粗いＳＴＲシステムの後に、細かなＳＴＲループが続いてもよい。ガードナーのアプローチは、タイミングオフセットの推定のためにシンボルレートサンプルを２回使用して、タイミングエラー検出する方法である。本発明の原理に従って、ＤＶＢ−Ｓ２のような伝送ストリームに埋め込まれた既知のデータを使用することによって、データ補助シンボルタイミング推定のためのシンボルタイミングオフセット検出アルゴリズムも利用できる。以下の原理は、粗いループに後続して利用され得る、狭い追加的バンド幅で、かつ低いＳＮＲでのオペレーションのための細かなＳＴＲループデザインに対する追加的な改良を示している。細かなループデザインのために提案された方法及び装置は、幾つかのファクタを考慮し、ＳＴＲ機能のパフォーマンスを向上させている。この提案された細かなループは、現実面において、粗い外部（outer）タイミング推定によって補強され、捕捉範囲を拡大し、そして、捕捉スピードを上げる。

図７は、典型的なシンボルタイミングリカバリループを示す。信号Ｘ（ｎＴ_ｓ）は、補間器によってリサンプリングされる。そして、これは、数値制御ディレイ（ＮＣＤ）により制御される。そして、これは、ループフィルタによりフィルタリングされたタイミングエラー検出器（ＴＥＤ）を介したリサンプリングされた出力により制御される。ｎＴ_ｓは、入力信号のサンプルレートである。これは、通常、Ｔ_ｓ（シンボルレート）よりも大きい。例えば、補間器の出力がシンボル当たり２個又は４個のサンプルであるかに依存して、ｎは２より少し大きいか、又は、４よりも少し大きい。図８は、典型的な比例積分（Ｐｌ）二次ループフィルタを示している。これは、通常タイミングリカバリループにいて用いられる。

衛星システムの障害は、主に、衛星ＴＷＴ増幅器によって生じるＡＷＧＮ及び非線形性である。このチャネルのため、従来の整合フィルタ受信器アーキテクチャは、衛星受信器に対して理想的である。

余分なバンド幅の少ないシステムのインプリメンテーションにおいて、パルス形成フィルタの鋭いロールオフは、長いインパルス応答を必要とする。これは、ＳＴＲループにおいて、長い遅延を引き起こす。パルス形成フィルタが無い場合、余分なバンド幅が少ないと、ＩＳＩが非常に増加する。これらの２つの問題は、ＳＴＲループにおいて、捕捉（acquisition）の問題につながる。これらの問題は、２つの方向から検討される。第１に、捕捉において、整合フィルタはＳＴＲループでバイパスされる。ループにプレフィルタが追加され、これによって、バンドエッジが強調され，タイミング情報が含まれる。これは、２つの利点を提供する。ナローバンドタイミング信号が強化され、ノイズが減少する。ループがロックした場合、フィルタを介さない（unfiltered）補間器の出力から整合フィルタの出力にスイッチすることによって、更なる向上がなされる。これは、帯域外の領域からのノイズを減衰させ、かつＩＳＩを劇的に減少させる。これは、より良いタイミング推定を与える。図９は、プレフィルタ及びパルス形成フィルタの周波数応答の例を示している。本原理の更なる実施例は、２つの整合フィルタを用いる。すなわち、全長フィルタ（full length filter）は、パルス列を正確に回復させる。そして、切断フィルタ（truncated filter）は、ＩＳＩの問題を改善し、より遅延が短い。これは、低いＥＢケースの場合有効である。なぜなら、ＩＳＩは、整合フィルタ無しでは、深刻となるからである。短い整合フィルタは、ループにおいてＩＳＩを減衰させるが、長い遅延をループのパフォーマンスに与えない。最短に近いパルス形成フィルタも、ループにおいて、整合フィルタとして用いることができる。そして、ループの遅延を減少させる。図１３は、デュアル出力整合フィルタの実施例を示している。１つの経路ｙは、遅延が短い。そして、経路ｗは、ＩＳＩを最小限とする。

ゲインスイッチによって、システムにおいて追加的な改良がなされる。タイミングループが一旦ロックすると、ループフィルタゲインが減少すると共に、バンド幅が減少する。なお、これは、ループのトラッキング能力を減衰させるが、衛星チャネルは、タイミングに関して非常に安定する。一旦捕捉されると、ローカルタイミングオシレータ（通常は水晶発振器）のドリフト、（静止衛星における）非常に小さなドップラードリフト、及び送信機におけるドリフト（これはほとんどあり得ない）、によってのみタイミングが変化する。ループにおけるトラッキングバンド幅は、非常に減少し得る。

付加的な実施例は、タイミングエラー検出器の後の移動時間平均（ＭＴＡ）フィルタを有する。ループフィルタ・バンド幅を更に狭くすることによって、これを行うことができるが、ユニットサークル（unit circle）に実際にポールを有するナローバンドループフィルタと比較して、ＦＩＲ ＭＴＡフィルタは安定する。ＭＴＡフィルタは、シンボルタイミングループからジッタを取り除くことに効果がある。図１２は、ＭＴＡフィルタの実施例を示している。

図１０及び図１１は、捕捉モード（acquisition mode）（図１０）及びトラッキングモード（tracking mode）（図１１）のＳＴＲシステムを示している。実際の動作において、この遷移は、マルチプレクサ及びこれに関連する技術によって実行される。あるいはデジタルシグナルプロセッサによってインプリメントされ得る。ループフィルタのパラメータは、捕捉からトラッキングへの遷移において変更することができる。捕捉からトラッキングへの遷移は、ダンウンストリーム受信機能が、ループがロックしたこと（例えば、ＬＤＰＣデコーダの収束（convergence））を示した場合に実行される。

ＬＤＰＣの繰り返しカウンタによって、受信信号の品質のラフな予測ができる。ＬＤＰＣ繰り返しカウンタが、所定の繰り返し数（本出願の例では、６３）より小さい場合、タイミングループは、ロックしたと認識され、かつループは、トラッキングモードにスイッチする。図１４は、受信器が適切にロックした場合における、ＬＤＰＣ繰り返しカウンタ及びフレームナンバの関数としてのビットエラーレートカウントを示している。

捕捉からトラッキングへ移るときのループフィルタパラメータに対する、ＭＴＡ変化の効果が図１５及び図１６に示されている。図１５は、高い積分ゲインにおけるトラッキングモードを示している。図１６は、低い積分ゲインにおけるトラッキングモードを示している。捕捉からトラッキングモードへの遷移は、１４０万シンボル近辺で発生している。トラッキングモードにおいて、ループフィルタの出力に発振が存在する。これは、補間器においてタイミングジッタに変換される。ＭＴＡフィルタを含ませることは、このジッタを減衰させ、ＳＴＲループを収束させることができる。この点を図１７に示す。

ナイキストより高い（ＦＴＮ）信号は、本発明から恩恵を受ける。なぜなら、ＦＴＮ信号においてＩＳＩが発生することによりジッタは増加するからである。

本発明の１つの実施例が、図１８に示されている。これは、シンボルタイミングリカバリのための第１の例示的方法１８００を示している。ステップ１８１０において、受信信号に対して差分相関が実行される。ステップ１８２０において、相関出力のピークの間の時間差の測定が行われる。ステップ１８３０において、シンボルタイミングオフセットが推定される。そして、ステップ１８４０において、このオフセットは、追加的なデジタル信号を受信するために利用される。

本発明の他の実施例が図１９に示されている。シンボルタイミングリカバリのための第１の例示的装置１９００が示されている。処理回路１９１０は、受信信号に対して１つ以上の差分相関処理を実行するために用いられる。時間差測定回路１９２０は、相関出力のピーク値の間の時間差を計算する。タイミングエラー検出器（ＴＥＤ）１９３０は、測定回路１９２０からの時間差を利用して、粗いシンボルタイミングを決定する。受信器１９４０は、この粗いシンボルタイミングを同期のために利用して、その後のデジタル信号を受け入れる。

本発明の他の実施例が図２０に示されている。ステップ２０１０において、受信されたデジタル信号が補間される。ステップ２０４０において、この補間された信号は、フィルタリングされ、ステップ２５０において、タイミングエラーが推定される。ステップ２０２０において、タイミングエラー信号がフィルタリングされ、このフィルタリングされた出力は、数値制御ディレイを制御するために利用される。そして、これは、ステップ２０３０のタイミングエラー検出フィルタにフィードバックされる。ステップ２０６０において、このタイミングエラー信号は、更なるデジタル信号の受信のためにも利用される。

本発明の他の実施例が図２１に示されている。これは、シンボルタイミングリカバリのための第２の例示的装置を示している。補間器２１１０は、受信したデジタル信号を補間するために利用される。そして、制御器２１３０によって制御される。ループフィルタ２１２０は、タイミングエラー信号をフィルタリングするために用いられ、同様に制御器２１３０によって制御される。フィルタ２１４０は、補間器２２２０の出力をフィルタリングするために利用される。そして、同様に制御器２１３０によって制御される。タイミングエラー検出器２１５０は、補間されフィルタリングされた受信信号を受信し、シンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットとしてタイミングエラーを用いる。シンボルタイミングは、その後のデジタル信号のために受信器２１６０によって利用される。

図２２に、本発明の他の実施例が示されている。これは、シンボルタイミングリカバリのための第３の例示的方法２２００を表している。ステップ２２１０において、受信された信号に対して差分相関が実行される。ステップ２２２０において、相関出力のピークの間の時間差の測定が実行される。ステップ２２３０において、粗いシンボルタイミングオフセットが推定される。そして、この粗いシンボルタイミングオフセットは、ステップ２２４０において更なるデジタル信号を受信するために利用される。ステップ２２５０において、この更に受信されたデジタル信号は補間される。ステップ２２８０において、この補間された受信信号は、フィルタリングされ、そして、ステップ２２９０において、細かなタイミングエラーが推定される。ステップ２２６０において、この細かなタイミングエラー信号は、フィルタリングされ、そして、このフィルタリングされた出力は、数値制御ディレイを制御するために利用される。そして、ステップ２２７０において、タイミングエラー検出フィルタにフィードバックされる。ステップ２２９５において、このタイミングエラー信号は、更なるデジタル信号を受信するためにも利用される。

図２３において、シンボルタイミングリカバリのための本発明の他の例示的装置２３００が示されている。処理回路２３１０は、受信信号に対する１つ以上の差分相関処理を実行するために利用される。時間差測定回路２３２０は、相関出力のピーク値の間の時間差を計算する。タイミングエラー検出器（ＴＥＤ）２３３０は、測定回路２３２０からの時間差を利用して、粗いシンボルタイミングを決定する。受信器２３４０は、同期のための粗いシンボルタイミングを利用して更なる受信されたデジタル信号を受け入れる。補間器２３５０は、この更なる受信されたデジタル信号を補間するために利用され、制御器２３７０によって制御される。ループフィルタ２３６０は、タイミングエラー信号をフィルタリングするために利用され、かつ、同様に制御器２３７０によって制御される。フィルタ２３８０は、補間器２３５０の出力をフィルタリングするために利用される。そして、同様に制御器２３７０によって制御される。タイミングエラー検出器２３９０は、補間されフィルタリングされた受信信号を受信し、シンボルタイミングを決定するために、タイミングエラーをシンボルタイミングオフセットとして用いる。このシンボルタイミングは、その後のデジタル信号のために、受信器２３９５によって利用される。図に示された様々な要素の機能は、専用のハードウェア及び適切なソフトウエアに関連するソフトウエアを実行することができるハードウェアの利用と通じて提供され得る。プロセッサが提供される場合、この機能は、１つの専用のプロセッサにより、１つの共有のプロセッサにより、又は、複数の個々のプロセッサ（一部は共有され得る）により、提供される。さらに、明示的な「プロセッサ」又は「制御器」の後の使用は、ソフトウエアを実行する能力があるハードウェアだけを示しているわけではない。そして、暗黙的には、非制限的に、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ソフトウエアを格納するための読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置を含み得る。

他のハードウェアも、通常のものであれカスタム化されたものであれ、含まれる。同様に、図に示されるいかなるスイッチも概念上のものである。これらの機能は、プログラムロジックの処理、プログラム制御のインターラクション、及び、専用ロジック、又は手作業によっても達成される。あるいは、理解している実施する者により選択された特定の技術によって達成される。

記載された内容は、本発明の様々な効果及び特徴を持っている。それらの幾つかは、上述したとおりである。例えば、受信したデジタル信号に対する１つ以上の差分相関処理を実行し、相関ピーク値の間の時間差を測定し、粗いシンボルタイミングのための基礎としてのシンボルタイミングオフセットを推定するためにその差を用いるシンボルタイミングリカバリの方法が挙げられる。他の特徴としては、繰り返された既知のシンボルを含む信号に係る方法の実行である。他の特徴としては、上述の幾つかの方法においては、相関処理が２回実行されることである。他の特徴としては、上述の幾つかの方法において、信号に埋め込まれた既知の同期シンボルを用いる、データ補助（data aided）されたフィードフォアードシンボルリカバリ方法である。更なる特徴は、上述の方法を実行する装置である。この装置は、1つ以上の差分相関処理を実行するための処理回路と、相関ピークの間の時間差を測定する時間差測定回路と、粗いシンボルタイミングを決定するためのタイミングエラー検出器と、その粗いシンボルタイミングを利用して更なるデジタル信号を受信するための受信器とを有する。上述の装置の他の特徴としては、前記処理回路は、繰り返される既知のシンボルを含む信号に対して相関を実行することである。上述の装置の他の特徴としては、処理回路は、相関を２回実行することである。上述の装置の他の特徴としては、前記処理装置は、信号に埋め込まれた既知の同期信号を用い、データ補助されたフィードフォアードシンボルタイミングリカバリ方法を用いることによって、相関処理を実行することである。

本発明の他の特徴としては、改良されたシンボルタイミングリカバリ方法が挙げられる。この特徴では、受信されたデジタル信号は、数値制御ディレイの制御を介して補間され、整合フィルタ又は第２のフィルタのうちの少なくとも１つを利用してフィルタリングされ、かつ、細かなシンボルタイミングのためのタイミングエラーを求めるために利用される。そして、これは、フィルタリングされ、シンボルタイミングのための共通に制御された数値制御ディレイに利用される。上述の方法の他の特徴としては、タイミングエラーは、ループフィルタでフィルタリングされる前に、移動時間平均フィルタでフィルタリングされる。上述の方法の他の特徴としては、繰り返しカウンタは、捕捉時間及びトラッキング時間を特定するために用いられる。上述の方法の他の特徴としては、補間された出力は、捕捉フェーズにおいて第２のフィルタによりフィルタリングされる。そして、トラッキングフェーズにおいて、整合フィルタによってフィルタリングされる。上述の方法の他の特徴としては、補間された出力は、捕捉フェーズにおいてフィルタリングされず（unfiltered）、そして、トラッキングフェーズにおいて整合フィルタによってフィルタリングされる。上述の本発明の他の特徴としては、タイミングリカバリに対して短いディレイの整合フィルタが利用される。そして、データに対しては、異なる整合フィルタが利用される。更に、他の特徴としては、上述の方法を実行する装置である。この装置は、受信されたデジタル信号を補間するための補間器であって、補間は、数値制御ディレイによって制御される、補間器と、時間差信号をフィルタリングするためのループフィルタと、前記ループフィルタの出力を利用した前記数値制御ディレイを制御するためのコントローラと、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された信号をフィルタリングするための他のフィルタであって、前記第２のフィルタも整合フィルタであり得る、フィルタと、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オフセットの推定として時間差信号を用いる、タイミングエラーを求めるための、タイミングエラー検出器と、前記細かなシンボルタイミングを利用して、更なるデジタル信号を受信するための受信器と、を有する。上述の装置の他の特徴としては、タイミングエラーは、ループフィルタでフィルタリングされる前に、移動時間平均フィルタによってフィルタリングされる。上述の装置の他の特徴としては、繰り返しカウンタは、捕捉時間及びトラッキング時間を特定するために利用される。上述の装置の他の特徴としては、補間された出力は、捕捉フェーズにおいて、第２のフィルタによってフィルタリングされ、かつトラッキングフェーズにおいて、整合フィルタによってフィルタリングされる。上述の装置の他の特徴としては、補間された出力は、捕捉時間において、フィルタリングされず、かつ、トラッキングフェーズにおいて、整合フィルタによってフィルタリングされる。上述の装置の他の特徴としては、小さい遅延の整合フィルタが、タイミングリカバリに利用され、かつ、異なる整合フィルタがデータに対して利用される。本発明の他の特徴としては、シンボルタイミングリカバリの方法であって、受信された信号に対して１つ以上の差分相関演算を実行するステップと、前記相関の関数のピーク値の間の時間差を測定するステップと、粗いシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を用いるステップと、更なるデジタル信号を受信するために、前記粗いシンボルタイミングを用いるステップと、更に受信されたデジタル信号を補間するステップであって、補間するステップは、数値制御ディレイによって制御される、ステップと、ループフィルタによって、タイミングエラー検出信号をフィルタリングするステップと、前記ループフィルタの出力を利用して、前記数値制御ディレイを制御するステップと、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された出力をフィルタリングするステップであって、前記第２のフィルタも整合フィルタであり得る、ステップと、細かなシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの更なる推定として、補間されフィルタリングされた信号のタイミングエラーを求めるステップと、次のデジタル信号を受信するために、前記細かなシンボルタイミングを用いるステップと、を有する方法が提供される。

上記方法を実行する装置としての特徴は、受信した信号に対して１つ以上の差分相関演算を実行するための処理回路と、前記相関の関数のピーク値の間の時間差を決定するための回路と、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を利用して、粗いシンボルタイミングを決定するためのタイミングエラー検出器と、前記粗いシンボルタイミングを利用して、更なるデジタル信号を受信するための受信器と、前記更に受信されたデジタル信号を補間するための補間回路であって、補間は、数値制御ディレイによって制御される、補間回路と、時間差信号をフィルタリングするためのループフィルタと、前記ループフィルタの出力を利用して、前記数値制御ディレイを制御するための制御器と、整合フィルタ又は第２のフィルタの少なくとも１つを利用して、前記補間された出力をフィルタリングするためのフィルタであって、前記第２のフィルタも、整合フィルタであり得る、フィルタと、前記シンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、補間されフィルタリングされた信号のタイミングエラーを計算するためのタイミングエラー検出器と、前記細かなシンボルタイミングを利用して、次のデジタル信号を受信するための受信器と、を有する装置が提供される。

本願明細書は、本権利を記述している。当業者であれば、本原理を実施できる明示的に記述されていない様々なアレンジメントを考えつくであろう。そして、これらのアレンジメントは、本精神及び技術的範囲に包含される。

本明細書における、全ての実施例及び条件は、説明を目的とするものであり、これを読む者に対して、発明者が貢献した本原理、及びコンセプトを理解するために、補助する性格のものである。したがって、このような実施例及び条件は、発明を限定するためのものではない。

さらに、（その具体例と同様に）本原理、態様及び実施例を本願明細書において詳述しているすべての文は、その構造及び機能的均等物を含むことを目的とする。更に、このような均等物は、現在知られている均等物及び将来開発される均等物を含み得る。例えば、構造の異同にかかわらず、同じ機能を実現するよう開発されたいかなる要素も挙げられる。

したがって、例えば、本願のブロック図は、本原理を実現する概念的観点からの例示的回路を示すものである。同様に、フローチャート、状態遷移図、擬似コード等は様々なプロセスを表示するものである。これらは、実質的にコンピュータ可読の媒体に格納され、（コンピュータやプロセッサが明示的に示されていなくとも）コンピュータ又はプロセッサによってそのように実行される。

請求項については、特定の機能を実行する手段として表現された要素は、その機能を実行するいかなるものをも包含する。例えば、（ａ）その機能を実行する回路素子の組合せ、（ｂ）あらゆる形態のソフトウエア、例えば、ファームウエア、マイクロコード等、その機能を実現するソフトウエアを実行する適切な回路との結合等が挙げられる。請求項において定義された本原理は、記載された様々な手段により提供される機能は、請求項に示された形態で結合され、そして、合体される。したがって、そのような機能を提供する手段は、本願に示されたものと均等である。

明細書において示されている本原理の「1つの実施例」又は「1つの要素」及びそれらのバリエーションは、実施例に関連した特定の特徴、構造、性質等が少なくとも１つの本発明の実施例に包含されることを意味する。したがって、本願の至る所で記載されている「１つの実施例において」という記載及びその他の記載は、同一の実施例を必ずしも指し示しているわけではない。

Claims (8)

1. シンボルタイミングリカバリの方法であって、
   サンプルレートで受信された信号に１つ以上の差分相関演算を実行するステップであって、前記相関演算は、信号に埋め込まれた既知の同期シンボルを用いたデータ補助されたフィードフォアードシンボルタイミングリカバリ方法を用いることによって実行される、ステップと；
   前記相関の関数のピーク値の間の時間差を測定するステップと；
   粗いシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を用いるステップと；
   前記粗いシンボルタイミングを利用して更なるデジタル信号を受信するステップと；
   前記更なるデジタル信号を補間するステップと；
   前記補間されたデジタル信号をフィルタリングするステップと；
   次のデジタル信号を受信するために、前記補間されフィルタリングされたデジタル信号のタイミングエラーを利用するステップと；
   を有する方法。
2. 前記相関演算は、繰り返された既知のシンボルを有する信号に対して実行される、請求項１記載の方法。
3. 前記相関演算は、２回実行される、請求項１記載の方法。
4. シンボルタイミングリカバリのための装置であって、
   サンプルレートでの受信信号に対して１つ以上の差分相関演算を実行するための処理回路であって、前記相関演算は、信号に埋め込まれた既知の同期シンボルを用いたデータ補助されたフィードフォアードシンボルタイミングリカバリ方法を用いることによって実行される、処理回路と；
   前記相関の関数のピーク値の間の時間差を測定するための回路と；
   シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を利用して、粗いシンボルタイミングを決定するためのタイミングエラー検出器と；
   前記粗いシンボルタイミングを利用して更なるデジタル信号を受信するための受信器と；
   前記更なるデジタル信号を補間する補間器と；
   前記補間されたデジタル信号をフィルタリングするフィルタと；
   次のデジタル信号を受信するために、前記補間されフィルタリングされたデジタル信号のタイミングエラーを受信する受信器と；
   を有する装置。
5. 前記相関演算は、繰り返された既知のシンボルを有する信号に対して実行される、請求項４記載の装置。
6. 前記相関演算は、２回実行される、請求項４記載の装置。
7. シンボルタイミングリカバリの方法であって、
   受信された信号に対して１つ以上の差分相関演算を実行するステップと；
   前記相関の関数のピーク値の間の時間差を測定するステップと；
   粗いシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を用いるステップと；
   更なるデジタル信号を受信するために、前記粗いシンボルタイミングを用いるステップと；
   更に受信されたデジタル信号を補間するステップであって、補間するステップは、数値制御ディレイによって制御される、ステップと；
   ループフィルタによって、タイミングエラー検出信号をフィルタリングするステップと；
   前記ループフィルタの出力を利用して、前記数値制御ディレイを制御するステップと；
   第１のフィルタ及び第２のフィルタの１つを利用して、前記補間された出力をフィルタリングするステップであって、前記第１のフィルタはプレフィルタであって、かつ前記第２のフィルタは整合フィルタであり前記プレフィルタが続き、かつ前記第１のフィルタは捕捉フェーズで利用されかつ前記第２のフィルタはトラッキングフェーズで利用される、ステップと；
   細かなシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの更なる推定として、補間されフィルタリングされた信号のタイミングエラーを求めるステップと；
   次のデジタル信号を受信するために、前記細かなシンボルタイミングを用いるステップと；
   を有する方法。
8. シンボルタイミングリカバリのための装置であって、
   受信した信号に対して１つ以上の差分相関演算を実行するための処理回路と；
   前記相関の関数のピーク値の間の時間差を決定するための回路と；
   シンボルタイミングオフセットの推定として、前記時間差を利用して、粗いシンボルタイミングを決定するための第１のタイミングエラー検出器と；
   前記粗いシンボルタイミングを利用して、更なるデジタル信号を受信するための受信器と；
   前記更に受信されたデジタル信号を補間するための補間回路であって、補間は、数値制御ディレイによって制御される、補間回路と；
   時間差信号をフィルタリングするためのループフィルタと；
   前記ループフィルタの出力を利用して、前記数値制御ディレイを制御するための制御器と；
   第１のフィルタ及び第２のフィルタの１つを利用して、前記補間された出力をフィルタリングするためのフィルタであって、前記第１のフィルタはプレフィルタであって、かつ前記第２のフィルタは整合フィルタであり前記プレフィルタが続き、かつ前記第１のフィルタは捕捉フェーズで利用されかつ前記第２のフィルタはトラッキングフェーズで利用される、フィルタと；
   細かなシンボルタイミングを決定するために、シンボルタイミングオフセットの推定として、補間されフィルタリングされた信号のタイミングエラーを計算するための第２のタイミングエラー検出器と；
   前記細かなシンボルタイミングを利用して、次のデジタル信号を受信するための受信器と；
   を有する装置。

Images