JPH09238168A - 信号受信局の信号同期化方法および装置 - Google Patents

信号受信局の信号同期化方法および装置

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JPH09238168A
JPH09238168A JP9005503A JP550397A JPH09238168A JP H09238168 A JPH09238168 A JP H09238168A JP 9005503 A JP9005503 A JP 9005503A JP 550397 A JP550397 A JP 550397A JP H09238168 A JPH09238168 A JP H09238168A
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JP
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signal
sample
selecting
frequency
received
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JP9005503A
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Caire Giuseppe
カイレ ジュゼッペ
Carlo Elia
エリア カルロ
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Agence Spatiale Europeenne
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L7/00Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/02Speed or phase control by the received code signals, the signals containing no special synchronisation information
    • H04L7/027Speed or phase control by the received code signals, the signals containing no special synchronisation information extracting the synchronising or clock signal from the received signal spectrum, e.g. by using a resonant or bandpass circuit
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00Modulated-carrier systems
    • H04L27/18Phase-modulated carrier systems, i.e. using phase-shift keying
    • H04L27/22Demodulator circuits; Receiver circuits
    • H04L27/227Demodulator circuits; Receiver circuits using coherent demodulation
    • H04L27/2275Demodulator circuits; Receiver circuits using coherent demodulation wherein the carrier recovery circuit uses the received modulated signals
    • H04L27/2276Demodulator circuits; Receiver circuits using coherent demodulation wherein the carrier recovery circuit uses the received modulated signals using frequency multiplication or harmonic tracking

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信号対ノイズ比が低い動作点で開ループ動作
可能な非コヒーレント直交FSK変調信号の新しい同期
化方法を提供する。 【解決手段】 FSK変調信号受信局において、同期化
サブシステムが受信信号をサンプルし有限長の検波ウィ
ンドウ内で記号当たり1個のサンプルを選択するように
されており、前記サンプルは所定の各時点で選択され
る。それによりいくつかのサンプル信号が得られ、次
に、信号のこれらさまざまなバージョンが並列処理され
て信号のタイミングおよび信号周波数オフセットが求め
られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に信号パケッ
ト通信網に関し特に各ユーザに送信を行うことができる
タイムスロットおよび周波数スロットが割り当てられ
る、例えばTDMAおよびFDMA衛星通信システム等
の、マルチユーザ通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】いくつかのユーザが衛星チャネルへアク
セスし、あるスロット割り当てされたアクセス方式に従
って信号パケットを送出する、例えば、マルチユーザT
DMAおよびFDMA衛星通信システムでは、受信端の
ハブ地上局は多くのユーザから信号パケット流を受信し
パケットを復調および検波することにより元のユーザ情
報を再生する。復調および検波を実施するために、ハブ
局は各受信信号パケットについて信号タイミングおよび
周波数オフセットを推定する必要がある。
【0003】タイミングおよび周波数を推定する従来の
技術は閉ループ推定を実施するループを追跡することに
基づいている。しかしながら、ユーザ数が周波数スロッ
ト数よりも多くかつトラフィックがバースティ(bur
sty)である、すなわち同じユーザからの2つの連続
するパケット間の時間がパケットの持続時間に対して長
い、場合にはハブ局が各ユーザについてパケット毎にタ
イミングおよび周波数オフセットを追跡することは、不
可能ではないにしても、困難なことである。したがっ
て、ハブ局はなんらかの開ループ処理により各受信パケ
ットについて独立にタイミングおよび周波数オフセット
を推定できなければならない。このタスクを達成するた
めに、ハブ局受信機には高速、リアルタイム高信頼度開
ループタイミングおよび周波数推定プロセスを実現する
同期化サブシステムを具備しなければならない。
【0004】第1の方法では各信号パケットについてタ
イミングおよび周波数推定が別々に実施される。最初
に、L個の記号のウィンドウにわたって信号がオーバサ
ンプルされる(記号数Nsは記号当たりサンプル数Mよ
りも大きい)。その後、全パケットが係数M/Nsで間
引きされ間引きされた信号について周波数オフセットが
推定される。
【0005】
【関連特許の相互参照】
優先権出願 : 1996年1月16日に出願された仏
国特許出願第9600414号。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この方法には下記の欠
点がある。 (イ) タイミング推定エラー分散を十分小さくするに
は、オーバサンプリング係数Ns/Mを少なくとも4に
しなければならない。 (ロ) タイミング推定のための計算負荷がNs2 lo
gNs程度にもなる。 (ハ) この処理は2元もくしは4元FSK変調(M≦
4)についてしか適用できずかなりの複雑さを伴う。 (ニ) 周波数推定過程は、タイミングエラーが無い場
合にはおよそ10dBのEb/Noにおいて、推定エラ
ー分散がその理想値に近づくような信号対ノイズ比のし
きい値を有している。
【0007】本発明は前記した欠点を克服しようとする
ものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、信号対
ノイズ比の低い動作点で開ループ動作が可能な、非コヒ
ーレント直交FSK変調信号の新しい同期化方法を提供
することである。
【0009】本発明のもう1つの目的は、全デジタル、
VLSIもくしはDSPとして実現するのに適した、非
コヒーレントM−FSK変調信号の新しい開ループ時間
再生および周波数オフセット推定方法を提供することで
ある。
【0010】本発明のもう1つの目的は、記号当たりサ
ンプル数と共に一直線に増大する計算上の複雑さを低く
して実現することができる、非コヒーレントM−FSK
変調信号のオープンループタイミングおよび周波数オフ
セット推定方法を提供することである。
【0011】本発明のさらにもう1つの目的は非コヒー
レントM−FSK復調器用同期化サブシステムをVLS
Iで実現するのに適した新しいアーキテクチュアを提供
することである。
【0012】本発明に従って、オーバサンプルされた信
号についてタイミングおよび周波数推定を実施するので
はなく、信号サンプルは各サンプルを異なるエポックで
間引きすることにより最初に間引きされてサンプル信号
のいくつかのバージョンが得られる。次に、サンプル信
号のこれらの異なるバージョンが並列に処理される。
【0013】最大スペクトルピークを有する信号を選定
することによりタイミング情報が再生され周波数軸上の
ピーク位置を推定することにより周波数オフセット情報
が再生される。タイミングおよび周波数オフセットが決
定された後で、RAMバッファーに予め格納されている
サンプル信号を間引きし、周波数修正しフーリェ変換ベ
ース検波器(FFTベース検波器)により検波すること
ができる。
【0014】次に、本発明に従った方法の主な利点を要
約する。
【0015】記号当たりサンプル数によって直線的に決
まる計算負荷と一緒にタイミングおよび周波数オフセッ
トの推定を実施することができる。
【0016】間引きされた信号は、互いに独立して、並
列処理されるためこの推定方法は高速並列VLSIハー
ドウェアインプリメンテーションに適している。これに
よりM値の高い高次元のM−FSK変調(M>4)によ
り作動する非常に高速なモデムが実現される。
【0017】タイミングエラーが無い場合に周波数推定
により示されるしきい値は4dBよりも低いEb/No
となる。したがってこの推定過程は低信号対ノイズ比で
有効に働くと考えられる符号化信号にもよく適してい
る。
【0018】クラメル−ラオ境界に基づく理論的分析お
よびコンピュータ計算の両方で本発明の過程を広範に評
価した結果本発明を使用したシステムのビットエラーレ
ートに関する性能は観察長さが短くてもおおむね高いこ
とが判った。
【0019】本発明の利点により直交M−FSK変調に
基づくTDMAシステムは非コヒーレント検波、短いバ
ースティ送信、大きい周波数オフセット、(符号化シス
テムで典型的な)信号対ノイズ比の低い動作点および高
い変調度Mに適したものとされる。
【0020】本発明の代表的な応用として、例えば、屋
内無線通信、(例えば、アビオニクチャネル等の)ドッ
プラー周波数偏移の大きい移動通信、Ka帯域の小型低
廉な端末による衛星通信が含まれる。
【0021】さらに、本発明の過程によりパワー周波数
ペナルティが小さく(0.5dBよりも小さい)周波数
オフセットが周波数偏差1/2Tよりも大きい場合に周
波数推定過程において生じる曖昧性が自動的に排除され
る。これはドップラー周波数偏移が非常に大きい移動通
信に対して特に顕著である。
【0022】
【発明の実施の形態】本発明は現在(周知の)直交M−
FSK変調器により発生される連続位相FSK変調信号
の復調に関する。このような信号は1/Tだけ間隔のと
られた周波数を有し、Tは記号周期を示す。変調信号の
複素包絡線は下記のように表され、 x(t、ε、Δf) ここに、tは時間を示し、εは(0および1間の)タイ
ミングオフセットを示しΔfは周波数オフセットを示
す。
【0023】付加的白色ガウシアンノイズの場合受信信
号の複素包絡線は次式で表され、 y(t、ε、Δf)=x(t、ε、Δf)+z(t) ここに、z(t)は復調器帯域幅のパワースペクトル密
度がNoである複素白色ガウス過程を示す。
【0024】任意のデジタル復調器において、受信信号
は最初にNs/Tのレートでサンプルされ次に情報デー
タを再生するために処理される。タイミングおよび周波
数再生が共に完全(すなわち、ε=Δf=0)であれ
ば、Ns=Mである信号をサンプルするのに十分であ
る。一方、記号タイミングおよび周波数オフセットがゼ
ロでなければ、復調器は受信信号からεおよびΔfの両
方を推定するように進行する必要がある。
【0025】本発明に従った復調器では個別時間受信信
号の有限長の観察からεおよびΔfの推定へ進むタスク
を割り当てられるのは同期化サブシステムである。
【0026】受信信号へ従来技術の方法を適用するので
はなく、本発明に従って受信信号は最初に修正され次に
パラメータεおよびΔfの推定値が修正信号へ適用され
る。
【0027】直交FSK変調信号の特別な性質により、
本発明の同期化サブシステムは観察信号yn(ε,Δ
f)を係数Ns>Mで間引きする、すなわちiNs +n
o の時点において、記号当たり1つのサンプルしか取り
出さない、ただしno はサンプリングエポックを示す
(0≦no ≦Ns −1)、ことにより修正された新しい
信号
【0028】
【外1】 を発生する。これは付加ノイズの1つの信号音である。
【0029】Δfが直交FSKの周波数偏差を越えない
ものとすると、すなわち|Δf|<T/2ならば、観察
された信号yn(ε,Δf)は間引前に遮断周波数がM
/2Nsのローパスフィルタにより変調信号を歪ませる
ことなく濾波することができる。このようにして、得ら
れるノイズサンプルは白色ノイズとなる。
【0030】no =εNs であれば、修正信号
【0031】
【外2】 は純粋な複素信号音となる。一方、no ≠εNs であれ
ば、データシーケンスが完全に除去されないため純粋な
複素信号音には1つ以上の周波数成分が含まれる。その
結果、SN比が十分に高ければ、no=εNs に対する
【0032】
【外3】 のスペクトルは周波数ΔFNs の周りに大きいピークを
示し、εNs から離れたno に対する
【0033】
【外4】 のスペクトルは図1に示すような平坦な形となる。
【0034】間引き操作は受信TDMAバーストの中央
に位置するL個の記号の長さを有する検波ウィンドウを
介して受信されるサンプル信号へ適用される。間引き過
程により受信(かつ濾波)されたサンプル信号のNs 個
のバージョンが得られる。本発明に従って、タイミング
および周波数オフセット推定が並行して同時に適用され
るのは信号のこれらNs 個のバージョンである。
【0035】次に本発明の過程を実現するのに適した代
表的な同期化構造を示す図2を参照して推定過程につい
て説明する。間引きされた各信号
【0036】
【外5】 がFFTプロセッサにより処理されて長さrLのその個
別時間フーリェ変換
【0037】
【外6】 の二乗量が得られ、rはFFT補間係数である。最大計
算セルMAXにより信号
【0038】
【外7】 の二乗量の最大値が求められ2つの値が得られる。
【0039】
【数1】 これら2つの値はパラメータεおよびΔfの推定値を決
定するのに役立つ。
【0040】コンパレータCPは
【0041】
【外8】 を最大値M(no )に対応する値として選択する。
【0042】
【外9】 の値は次式で与えられる。
【0043】
【数2】 MUXセルは入手可能な値F(no )の中から値
【0044】
【外10】 を選択し、次式で与えられる周波数オフセット推定値を
計算するようにされている。
【0045】
【数3】
【0046】
【外11】 および
【0047】
【外12】 の値はバッファーメモリ(図示せず)にバッファーされ
る。
【0048】
【外13】 の値は、次式によりεの値を推定するのに使用される。
【0049】
【数4】 一方、受信信号yn (ε,Δf)は例えば遅延線へ加え
られ、次にM/Tのレートでダウンサンプルされてサン
プリングエポック
【0050】
【外14】 により記号当たりMサンプルしか保持しないようにされ
る。次にダウンサンプルされた信号は、数値制御発振器
NCOにより発生される、複素信号音
【0051】
【外15】 との乗算により周波数修正され(周知の)非コヒーレン
ト復調器に接続されて非コヒーレント復調される。
【0052】現在のデータブロックがダウンサンプル、
周波数修正および復調されているが、推定過程は次の受
信ブロックへ適用してオペレーションがパイプラインさ
れ復調器が非常に高速で作動するようにできることを理
解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】推定過程のベースとして働く本発明に従って発
生される信号の代表的な周波数スペクトルを示す線図。
【図2】本発明の推定過程を実現する代表的構造の実施
例のブロック図。
【符号の説明】
FFT 高速フーリェ変換検波器 MAX 最大計算セル CP コンパレータ MUX MUXセル NCO 数値制御発振器

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数偏移変調であるFSK変調信号受
    信局の信号同期化方法であって、該方法は、 受信M−FSK信号をサンプリングするステップと、 有限長の検波ウィンドウ内で記号毎に1サンプルを選定
    するステップと、 前記サンプルの選定に際し、Ns を受信信号内の記号数
    とし、no をサンプリングエポックとする、所定の各時
    点iNs +no においてサンプルを選定して、 サンプルされた信号のバージョンNs個 を出力するステ
    ップと、 サンプルされた信号の前記Ns個のバージョンを並列に
    処理して信号のタイミングおよび信号周波数オフセット
    を求めるデータ処理ステップとを有する信号同期化方
    法。
  2. 【請求項2】 前記データ処理ステップには最大スペク
    トルピークを有するサンプルを選定するステップを有す
    る請求項1記載の信号同期化方法。
  3. 【請求項3】 前記データ処理ステップには周波数帯域
    内の最大スペクトルピークの位置を求めるステップを有
    する請求項1記載の信号同期化方法。
  4. 【請求項4】 FSK変調信号受信局の同期化サブシス
    テムであって、 該サブシステムは、受信M−FSK信号をサンプリング
    する手段と、 有限長の検波ウィンドウ内で記号毎に1サンプルを選定
    する手段と、 前記サンプルを選定に際して、Ns を受信信号内の記号
    数とし、no をサンプリングエポックとする所定の各時
    点iNs +no においてサンプルを選定し、サンプルさ
    れた信号のバージョンNs個 を出力する手段と、 サンプルされた信号の前記Ns個 のバージョンを並列に
    処理して信号のタイミングおよび信号周波数オフセット
    を求める手段を有する信号同期化サブシステム。
  5. 【請求項5】 最大スペクトルピークを有するサンプル
    を選定する手段を有する、請求項4記載の信号同期化サ
    ブシステム。
  6. 【請求項6】 周波数帯域内の最大スペクトルピークの
    位置を求める手段を有する請求項4記載の信号同期化サ
    ブシステム。
  7. 【請求項7】 FSK変調信号を復調する復調器であっ
    て、該変調器は、受信M−FSK信号をサンプリングす
    る手段と、 有限長の検波ウィンドウ内で記号毎に1サンプルを選定
    する手段と、 前記サンプルの選定に際して、Nsを受信信号内の記号
    数としno をサンプリングエポックとする、所定の各時
    点iNs +no においてサンプルを選定し、サンプルさ
    れた信号のバージョンNs個を出力する手段と、 サンプルされた信号の前記Ns個のバージョンを並列に
    処理して信号タイミングおよび信号周波数オフセットを
    求める手段を有する復調器。
  8. 【請求項8】 最大スペクトルピークを有するサンプル
    を選定する手段を有する、請求項7記載の復調器。
  9. 【請求項9】 周波数帯域内の最大スペクトルピークの
    位置を求める手段を有する請求項7記載の復調器。
  10. 【請求項10】 同期化サブシステムを含むFSK変調
    信号受信局であって、該受信局は、 受信M−FSK信号をサンプリングする手段と、 有限長の検波ウィンドウ内で記号毎に1サンプルを選定
    する手段と、前記サンプルをの選定に際して、Ns を受
    信信号内の記号数とし、no をサンプリングエポックと
    する、所定の各時点iNs +no においてサンプルを選
    定し、サンプルされた信号のバージョンNs個 を出力す
    る手段と、 サンプルされた前記Ns個の信号のバージョンを並列に
    処理して信号のタイミングおよび信号周波数オフセット
    を求める手段を有する信号受信局。
  11. 【請求項11】 最大スペクトルピークを有するサンプ
    ルを選定する手段を有する、請求項10記載の信号受信
    局。
  12. 【請求項12】 周波数帯域内の最大スペクトルピーク
    の位置を求める手段を有する請求項10記載の信号受信
    局。
JP9005503A 1996-01-16 1997-01-16 信号受信局の信号同期化方法および装置 Pending JPH09238168A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9600414A FR2743681B1 (fr) 1996-01-16 1996-01-16 Procede et dispositif pour synchroniser une station receptrice de signaux.
FR9600414 1996-01-16

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US (1) US6016328A (ja)
EP (1) EP0785647A1 (ja)
JP (1) JPH09238168A (ja)
CA (1) CA2195237A1 (ja)
FR (1) FR2743681B1 (ja)

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