JPH08510603A - Ｏｆｄｍ受信機における局所発振器エラーの補償 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）信号に対する受信機が、受信信号の（離散）フーリエ変換を計算する手段（１４）と局所発振器エラーによる位相エラーを計算する手段（２０）とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 ＯＦＤＭ受信機における局所発振器エラーの補償 本発明は、直交周波数分割多重タイプのディジタル伝送のための受信装置、特 に受信したディジタル信号における位相エラーを補償し得る受信装置に関する。 直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）とは、ユレーカ（Ｅｕｒｅｋａ）１４７ディ ジタル放送コンソシアムにより提案された変調技術である。このような伝送にお いては、ディジタル・データは比較的少量のデータが各キャリヤで搬送されるよ うに多数の隣接キャリヤ間に分割される。これは、ＯＦＤＭの周波数分割多重部 分である。隣接キャリヤが、その側波帯が重なるが信号は隣接キャリヤの干渉も なく依然として受信できるように数学的に直交するべく構成される故に、ＯＦＤ Ｍなる名称の直交部分が生じる。 ディジタル・データは、横軸位相偏移変調（ＱＰＳＫ）を、あるいは６４ＱＡ Ｍまたは２５６ＱＡＭの如き横軸振幅変調（ＱＡＭ）の比較的高いレベルを用い てキャリヤへ変調される。図１は、ＱＰＳＫ変調方式における位相図を示す。こ の方式は、位相図の各象限に１つずつのベクトルで表わされる４つの位相状態を 提供する。このようにＱＰＳＫ方式によれば、キャリヤの位相を変えることによ って１つの２ビット・ワードをキャリヤへ変調することができる。 図２は、各象限毎に１６の位相状態を提供する１６ＱＡＭ変調方式を示す。右 上の象限の４つのベクトルが同図に示される。この方式は、キャリヤの位相と振 幅とを変えることによって４ビット・ワードをこのキャリヤへ変調させることを 可能にする。 図１のＱＰＳＫ変調方式は、キャリヤに対する位相シフト・エラーに対して４ ５°の公差を有する。図２の１６ＱＡＭ方式ではこの公差が低減され、より高次 のＱＡＭ方式、例えば６４ＱＡＭでは位相シフト・エラー公差がより以上に低減 されることが理解されよう。このように、送信機および受信機における位相シフ ト・エラーの低減は重要となる。 実際のＯＦＤＭ送信機および受信機では、各キャリヤに対する変調器、フィル タおよび復調器の必要が、多くのキャリヤにおける変復調過程を実施するため高 速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いることによって避けられる。多く のキャリヤを伝送するためには、広帯域の周波数領域のディジタル信号がＦＦＴ を用いて時間的領域へ変換される。この信号が次に伝送される。受信機において は、逆の過程が加えられて複数のキャリヤを生じる。信号の１つのサンプルに対 するＦＦＴはシンボルとして知られ、これは送信された後で受信されるところの ものである。 信号の送信および受信には種々の位相ノイズ源があり、それらの一部について 以下に論述する。 熱的に生じるランダム・ノイズによる位相エラーは、同じＦＦＴフレームにお ける異なるキャリヤのエラー間、あるいは異なるＦＦＴフレーム間の選択された キャリヤにおけるエラー間に何の関係もないように、キャリヤの振幅と位相とに 影響を及ぼす。 受信機における局所発振器位相ノイズによる位相エラーは、１つのＦＦＴフレ ーム内の全てのキャリヤにおいて等しく現れるが、このエラーの値は、１つのＦ ＦＴフレームと次のＦＦＴフレームとの間のどれかあるいは全てのキャリヤに対 するその値に関して不規則的である。キャリヤの振幅は、局所発振器の位相ノイ ズによっては影響を受けることがない。 局所発振器における周波数エラーは、どれか１つのＦＦＴフレームにおける全 てのキャリヤで等しい位相エラーとして解釈することができ、その場合このよう なエラーの角度は周波数エラーに依存する割合でフレーム間で規則的に進む。前 記周波数エラーは、各フレーム毎に任意に選択されたキャリヤにおける位相エラ ーを検出することにより、かつ（角度）進行割合の平均を計算することによって 検出することができる。この平均を用いることは、ランダム・ノイズの影響を排 除することになる。 ＦＦＴフレームのタイミングにおけるエラーは、キャリヤが占める周波数帯域 にわたる均一なグループ遅延エラーと等価である。各キャリヤは、その周波数と 遅延値と直接関連する位相エラーを有する。キャリヤ周波数エラーを含む位相の 進み（または遅れ）は連統しているが、典型的には測定中に−π／２と＋π／２ の角度間に延びる鋸歯状信号として解釈される。ＦＦＴフレームのタイミング・ エラーが一貫していれば、これらエラーはフレーム間の各キャリヤに対して一貫 することになり、その各々は差動位相デコーディング（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａ ｌ ｐｈａｓｅ ｄｅｃｏｄｉｎｇ）によって排除される。差動位相デコーディ ングを用いなければ、帯域の各端部に近い２つの基準キャリヤ間の平均位相エラ ーにおける差を比較することにより、一貫したタイミング・エラーを推論するこ とができ、これら２つの基準キャリヤが位相変調を含まなければ、タイミング・ エラーの推定はより簡単となる。 フレーム間のキャリヤの変化に対して直接的な関係で（正または負の方向に） 増加する位相エラーを生じるＦＦＴフレームのタイミングにおける小さなランダ ム・ジッタ要素が不可避的に生じることになる。この作用が存在するならば、こ れはより高い周波数キャリヤのみにおける著しいエラーを生じることになる。こ の作用の大きさは、ＦＦＴウインドウに対するタイミング構成において充分なフ ライホイーリング作用を提供することにより望ましい程度に小さく保持すること ができる。 局所発振器による位相エラーが全てのキャリヤにおいて等しくとも、各キャリ ヤに対する値は変調とランダム・ノイズによってマスクされることが判った。Ｆ ＦＴ時間フレーム間の平均は適切でなく、ランダム・ノイズの作用を平均化する のに充分な１フレーム内の未変調キャリヤの使用は受入れ得ないデータ容量損を 生じることになる。キャリヤから位相ノイズを取除くためには更に徹底した位相 ノイズ分析を行わなければならない。 局所発振器における位相ノイズにより生じるＯＦＤＭシステムに対する同様な 問題を考えると、２つの特質について考慮することが必要である。一つには、異 なる局所発振器形態からどれだけの位相ノイズが予期できるかを知る必要がある 。他方では、変調システムによりどれだけの位相ノイズを許容し得るかを知る必 要がある。 出発点として、ディジタル・オーディオ放送システムに対する考察は、ディジ タル・テレビジョン送信に対して再評価することができる。以下の相違を勘定に 入れる必要がある。 １．発振器が動作する周波数。 所与の発振器設計に対して、動作周波数と共に増加する位相ノイズを予測する 。 ２．同調レンジ 大きな同調レンジは、発振器が制御要素として使用される可変容量ダイオード により生じるノイズの影響を受け易くする。このことは、制限されたロック・レ ンジとこれらレンジ間の離散的周波数段階とを持つ発振器に対する必要を示唆す る。 ３．変調システムのキャリヤ間隔 中心周波数に近い周波数で生じる局所発振器に対する典型的なノイズ側波帯ス ペクトラムを予期することができる。また、各キャリヤが同様に局所発振器と独 立的に混合することになるので、ＯＦＤＭ群における全てのキャリヤが同時に混 合過程における同じ側波帯情報を必要とすることも予期することができる。 ＯＦＤＭ復調におけるＦＦＴ過程の積分および減衰の特性は、シンボル率の１ ００％以上あるいはシンボル率の約１０％以下の位相ノイズの周波数成分が関連 性が少なくなる如きものである。従って、より低い周波数での上昇するノイズ側 波帯レベルは、キャリヤ間隔の約１０分の１に等しい周波数における側波帯によ る優勢な効果を生じる。小さなキャリヤ間隔値では、位相ノイズの効果の急激な 増加が存在する。 ４．変調システムのユークリッド的距離 増加したノイズ電圧に関しては、ＱＰＳＫから１６ＱＡＭまたは６４ＱＡＭへ の変化はそれぞれノイズ不感性において約６ｄＢおよび１２ｄＢの減少を導く。 位相エラーのみについては、ＱＰＳＫ点間の９０°分離が、エラーが生じる前に 位相ノイズに真の位相を４５°までの摂動を許容する。１６ＱＡＭシステムでは 、この数字は、（対角隅部ではなく軸線に最も近い）１６ＱＡＭと６４ＱＡＭの 配座の極限における諸点に対してそれぞれ１８．４４°および８．１３°となる 。許 容電圧の付加ノイズにおける２および４の低減率と比較して、位相付加ノイズに 対して低減率はそれぞれ２．４４（７．７５ｄＢ）および５．５３（１４．８６ ｄＢ）である。 このように、ＯＦＤＭシステムにおいてより高いデータ速度、例えば従来のＵ ＨＦテレビジョン・チャンネルでディジタル・テレビジョン信号を送信するのに 要する程度のデータ速度で送信する時、局所発振器の位相ノイズが重大な問題で あることが判った。更に、ＦＦＴ時間フレーム間の位相ノイズの簡単な平均化が 局所発振器ノイズの除去には適切でないことが判った。 従って、受信信号における位相エラーが受信機で分析されて補正された位相値 が得られるシステムを堤案する。 この位相エラー分析を含む堤案される受信機のブロック図が図３に示される。 これにおいては、ＯＦＤＭ信号のＦＦＴがアンテナ２および無線周波増幅器４に よって受信される。受信機信号は、ミクサ６において局所発振器８からの周波数 信号と組合わされる。次に、この組合わされた信号はアナログ／ディジタル・コ ンバータ１０へ進み、このコンバータが受信されるＦＦＴシンボルと対応するデ ィジタル信号を出力する。これは、シンボル周期波形ストア１２に格納される。 格納された各シンボル周期は、更にＦＦＴブロック１４へ送られ、このブロック がそれを周波数領域へ変換する。 ＦＦＴブロック１４は、最初に送信機でコード化されたキャリヤの各々のＩ値 およびＱ値に対する出力を有する。これらの値はコンバータ１６へ進み、このコ ンバータはこれらが表わすＱＡＭ図からの各ベクトルに対する大きさＺを得る。 これらのＩ値およびＱ値もまたコンバータ１８へ進み、このコンバータがＱＡＭ 位相図における各ベクトルに対する角度を得て、これを位相エラー・アナライザ ２０ならびに位相エラー補償器２２へ与える。位相エラー・アナライザ２０は、 局所発振器８による位相ノイズを除去し、次に位相角度が位相エラー補償器で補 正されて補正出力２４を生じる。 このように、図３のシステムは、局所発振器により生じる位相ノイズを分析し て補償することができる受信機を提供し、このため更に正確な（例えば、クリス タル）局所発振器の必要を避けることにより、受信装置のコストを最小化する。 このような構成を用いることが、従来のテレビジョン・チャンネルにおけるＨ ＤＴＶ信号の如きテレビジョン信号に対してディジタル伝送を用いることを可能 にする。 局所発振器による全てのキャリヤにおける位相エラーの共通値を見出すのに使 用できる全ての提案技術は、集合における全てのキャリヤ（又は、おそらくはそ の集合からの大きなグループのキャリヤ）にわたる最尤デコーディングおよび（ または）論理的多数決（ｍａｊｏｒｉｔｙ ｌｏｇｉｃ ｄｅｃｉｓｉｏｎｓ） に基くものである。 第１の可能性は、最尤法（ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｔｅｃｈ ｎｉｑｕｅｓ）に基くものである。これは、変調による各キャリヤの位相状態に ついての多数の可能性の１つを仮定する。例えば、変調が実際の検出位相に最も 近い変調位相状態あるいはどちらかの側の１つ以上の最も近い状態と対応するこ とが仮定し得る。一般に、熱的ノイズが、仮定される状態といずれかの側の隣接 状態との間の位相間隔より大きく変調状態を元の位相から移動したことは予期し ないことに注意すべきであり、この要件が満たされなければ、局所発振器の位相 エラーによる付加的な作用を考えなければ、チャンネルに生じるランダム・ノイ ズによる高ビット・エラー・レートが必然的に存在することになる。 従って、可能な変調シナリオのどの組合わせが全てのキャリヤにおける残留位 相エラーの平均値に対して最も小さな標準偏差を生じるかを見出すために、多数 決法および最尤デコーディング法を用いることができる。この観点から、標準偏 差の存在は熱的ノイズ作用によるものであり、かつ平均エラーは当該ＦＦＴフレ ームに対する局所発振器の瞬時位相状態によるべきものである。多数決法を多く のグループの各少数キャリヤへ分類することが実用化のために必要であり、これ においては実際にエラー分析から「変調の曖昧性」と呼ばれるものを排除する最 初のラウンドである。５１２のキャリヤの全てに対する測定値のどちらかの側に おける最も近い位相のみの試行さえ分類しないことは、２⁵¹²の組合わせを評価 することを含むことになる。 おそらくはより簡単な手法は、ランダム変調データに対してＦＦＴフレームに おける全てのキャリヤの位相角の平均が統計的にゼロに近いことを仮定すること により、個々のキャリヤ毎に伝送源変調（ｓｏｕｒｃｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ）を勘定に入れることを避けることである。加算システムがモジューロ算術（ｍ ｏｄｕｌｏ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ）に関して慎重に規定される必要があり、さ もなければ、ゼロ近似位相を持つ全てのキャリヤの平均および少量のランダム・ エラーが予期される０°（例えば、半分が約５°、半分が約３５５°）ではなく １８０°となることに注意されたい。 以上のことから、変調フレームにおける全てのキャリヤ位相の和が正確にある 選択された値に等しくなるように、伝送源におけるデータを構成する可能性をも たらす。このことは、あるキャリヤが和の調整を許容する目的に専用されること を必要とする。あるいはまた、補完的なデータ・チャンネルにおける和の値また は平均値を伝送する手段が存在し得る。 また、平均位相に基く方法を用いることにもある困難が伴う。この困難につい ては、時計面に譬えて記述する。 時計面では、時間の多くのランダムに選んだ時針の読みの平均位置は、この平 均位置が３０分のマーカを指すものであることを示唆する。これは、全ての読み がゼロと５９分との間に存在すると規定される故である。ここで、時計面が数字 を持たず丸いものと考えよう。更にまた、時計全体が、例えば「ｔ」分に相等す るある角度だけ壁において傾ける。この場合、全ての時間の読みがｔ乃至（ｔ＋ ５９）の範囲内に置かれたことを知る方法がないためこの読みがゼロと５９分と の間の範囲内に分類されるので、このエラーは明らかではない。（この譬えでは 、分針に対する時針の位置の関係により生じる手掛かりは無視する。） 時計面が四角であったならば、壁面における時計面の回転は明らかとなってエ ラー値が±４５°（即ち、±１２分）の回転より大きい量に相等するまで曖昧性 は存在しない。付言すべきことは、６４ＱＡＭ変調システム（図４）に対する配 座図が四角の時計面以外の方形輪郭を持つことである。１つのＦＦＴフレームに おける全てのキャリヤ（例えば、最小で５１２、最大で８１９２）に対するベク トル点を重ねると、全てが共通位相エラーを持つ幾つかのあり得る各位相／大き さの状態を多く含み得る結果を生じることになる。これは、（ディスプレイ装置 と関連するある記憶技術を用いることにより）全てのキャリヤの結果が各フレー ムに対して個々に視認されることを前提として、回転した時計面の作用をオシロ スコープ型のディスプレイ上で容易に認識し得るようにする。 この問題は、全ての個々のベクトル点がチャンネルにおける熱的ノイズの影響 によりランダム量だけ変位される状態におけるエラー角度のソフトウエア評価を 行うことである。ノイズ作用の必要な平均化は、オシロスコープ・ディスプレイ を観察する人間の観察者によって直観的に与えられることになる。この認識要因 は、１つの受信されたＦＦＴフレーム（図５）からの集合における全てのキャリ ヤの組合わせ結果に対して、水平にプロットしたベクトルの位相角に対して垂直 にプロットされたベクトルの大きさのエンベロープ内にある。 局所発振器の位相エラーがなければ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭあるいは２５６ ＱＡＭのシステムは全キャリヤの大きさ／位相エンベロープにおいて、４５°、 １３５°、２２５°および３１５°にピークを持つことになる。階層的な変調シ ステムに用いられる部分的に集中した、即ち、２５６ＱＡＭあるいは１０２４Ｑ ＡＭシステム（図６）は、０°、９０°、１８０°および２７０°で最小値を持 ったエンベロープを生じることになる。ピークおよび最小値の実際の位置を発見 し、従ってエラー値を得るためには、パターン認識法を用いることができる。 ±４５°より大きな位相エラーが予期されるならば、一義的な特徴を配座図に 取入れることによって曖昧性のない範囲を±１８０°まで増大することができる 。例えば、これは、特に２０°の位相範囲内でキャリヤを使用せず従って全ての 位相を残りの３４０°へ押込むように慎重に構成することができる。これは、位 相変調システムに対する「裁断パイ変調」（図８）と呼ぶことができる。位相状 態を残りのスペースへ押込む別の方法は、パイの切片と対応する位相状態が決し て使用されないように伝送を構成することである（図７）。その結果は、図９に 示される如き大きさの位相配分をもたらすことになる。 先に述べた方法で局所発振器の位相エラーを検出する特定レベルの曖昧性範囲 を提供するため、配座図に対して矩形状、三角形状および星形状の輪郭もまた考 えることができる。 先に述べたことの全ては、キャリヤ間の位相および周波数の応答変動が、単一 の整相手段の配座図における全てのキャリヤの合成効果から局所発振器の位相エ ラーの値を推定しようとする前に、標準的な等化手法によって排除されることを 仮定するものである。これらの等化手法は充分に確立され、典型的にはデータを 含むＦＦＴシンボルの代わりに随時伝送されるトレーニング・シーケンスを利用 する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年５月１９日 【補正内容】 請求の範囲 １．信号のフーリエ変換（ＦＴ）表示を受信する手段と、該ＦＴを周波数領域へ 変換するフーリエ変換手段と、変換信号の各周波数領域成分の大きさと位相とを 得る手段と、前記周波数領域成分の位相を分析する手段と、位相エラーを補償す る手段とを備える直交周波数分割多重化信号の受信機。 ２．前記位相エラーが局所発振器からの位相ノイズを含む請求の範囲第１項記載 の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ３．受信信号がテレビジョン信号を含む請求の範囲第１項または第２項のいずれ かに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ４．受信信号が直角振幅変調信号（ＱＡＭ）のＦＴを含む請求の範囲第１項乃至 第３項のいずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ５．前記分析する手段が最尤デコーディング法により動作する請求の範囲第１項 乃至第４項のいずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ６．前記分析する手段が多数決法により動作する請求の範囲第１項乃至第４項の いずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ７．前記フーリエ変換が離散フーリエ変換である請求の範囲第１項乃至第６項の いずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ８．前記フーリエ変換が高速フーリエ変換である請求の範囲第１項乃至第７項の いずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．信号のフーリエ変換（ＦＴ）表示を受信する手段と、該ＦＴを周波数領域へ 変換する逆フーリエ変換手段と、逆ＦＴの各周波数領域成分の大きさと位相とを 得る手段と、前記周波数領域成分の位相を分析する手段と、位相エラーを補償す る手段とを備える直交周波数分割多重化信号の受信機。 ２．前記位相エラーが局所発振器からの位相ノイズを含む請求の範囲第１項記載 の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ３．受信信号がテレビジョン信号を含む請求の範囲第１項または第２項のいずれ かに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ４．受信信号が直角振幅変調信号（ＱＡＭ）のＦＴを含む請求の範囲第１項乃至 第３項のいずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ５．分析手段が最尤デコーディング法により動作する請求の範囲第１項乃至第４ 項のいずれか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ６．分析手段が多数決法により動作する請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか １つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ７．フーリエ変換が離散フーリエ変換である請求の範囲第１項乃至第６項のいず れか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ８．フーリエ変換が高速フーリエ変換である請求の範囲第１項乃至第７項のいず れか１つに記載の直交周波数分割多重化信号の受信機。 ９．本文に実質的に記載されたコード化直交周波数分割多重化信号の受信機。