JPH10505471A - デジタルシステムにおける送信機及び受信機の同期化方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＯＦＤＭシステムにおいて時間区分から周波数区分への変換を行う、すなわち信号がＦＦＴ処理されるまでに受信信号にプレＦＦＴ同期化処理を行う。データはフレーム内において伝送され、複数のフレームが一つのスーパーフレームとして伝送される。各スーパーフレームは少なくとも一つの同期フレームで始まり、続いて所定数の情報搬送フレームを含む。１又は２以上の同期フレームは周波数が時間とともに直線的に変化する正弦波信号からなるチャープ信号を含んでいる。２個の隣接同期フレームは各々チャープ信号を含んでいる。隣接フレームにおけるチャープ信号はそれらの周波数を互いに反対方向に、すなわち一方は時間とともに増大させるアップチャープであり、他方は時間とともに減少させるダウンチャープである。デコードされたチャープ信号、すなわち受信機によってデジタル処理された後のチャープ信号に対応するビットパターンが受信機中に記憶される。受信信号はデジタル処理後においてこの記憶されたビットパターンと比較される。

Description

【発明の詳細な説明】 デジタルシステムにおける送信機及び受信機の同期化方法と装置 本発明は、ＯＦＤＭ（orthogonal frequency division multiplex ：直交型周 波数分割多重）システムにおいて受信機を送信機と同期させるための方法及び装 置に関し、より特定すれば、ＯＦＤＭシステムにおいてデータを複数のフレーム 中に多重化し、それらのフレームをさらに一つのスーパーフレーム中に多重化す るための方法及び装置に関するものである。 本発明が関連するタイプのＯＦＤＭシステムにおいては、各スーパーフレーム の開始時における１または２以上のフレームが同期フレームであり、このシステ ムはラジオ放送、又はテレビジョン、もしくはデジタル無線通信手段によるプロ グラムの伝送に用いることができる。このようなシステムの１例は、ＤＡＢ（di gital audio broadcasting：デジタルオーディオ放送）標準に関するものがある 。ＯＦＤＭシステムにおいて、データは周波数分割多重を形成する多数の個別周 波数キャリアを含む広帯域信号に変調される。この周波数チャネルの帯域幅は小 さく、そして、１チャネルのSinc(x)(ここにSinc(x)=Sin(x)/x)、すなわち電力 スペクトルの最大値が隣接チャネルにおけるSinc(x)電力スペクトルの第１値（ 最小値）に対応するように構成される。換言すれば、チャネルセパレーションが 直角シンボルにおいて、シンボル長さの逆数に等しいということである。このた め、隣接チャネルは“直角”と記述される。ＯＦＤＭシステムは通常ＦＦＴ（fa st fourier transform：高速フーリエ変換）処理を用いて伝送信号からデータ信 号を復調する。コンボルーションエラーコーディング及びＦＦＴは変換器（送信 機）ステージにおいて採用されることができる。受信機においては、相補型ＦＦ Ｔ処理がビタービデコード（Viterbi decoding）と結合される。これは全ビット エラーレートを極めて小さくするものである。このＯＦＤＭの特定の変形方式は 、ＣＯＦＤＭ（コード化ＯＦＤＭ）として知られている。近年、ＣＯＦＤＭシス テムは多様な放送技術、例えばデジタルオーディオ放送及び高精細度ＴＶのため に開発された。便宜上、この明細書において、“ＯＦＤＭ”なる用語はＯＦＤＭ 及びＣＯＦＤＭの双方について用いるものとする。 関連する周知技術について、以下簡単に説明する。 ヨーロッパ特許ＥＰ第４４８，４９３号は、デジタルコード化されたテレビジ ョン信号の送信を行うシステムを開示している。移動ユーザーに送信される可視 情報は二部分に分割され、その一部分は通常のＴＶ画像の発生に用いられ、他の 部分はその第一部分と共に大画像を発生するために用いられるものである。 ヨーロッパ特許ＥＰ第４４１，７３２号はデジタル無線信号用受信機を開示し ている。この受信機はマルチパルス伝搬において生ずるシンボル間干渉を極小化 するために窓法を用いるものである。受信時における搬送波直交損失の影響を最 小化するため、受信機は受信信号から有用なサンプルを抽出するために用いられ る時間窓モジュールを装備している。 米国特許第５，２２８，０２５号は、無線により、好ましくは自動車受信機へ のデジタルデータ伝送法を開示している。この方法は、受信機側において周知の 態様で変化する少なくとも１つの周波数において同期化シーケンスを伝送するこ とを含むものである。受信機において同期化シーケンスは局部発信器の同調をと るために用いられる。同期化シーケンスは少なくとも３つの基準シーケンスから なり、各２つのシーケンス間の周波数差は一定である。 ＩＥＥＥ４２（３０２）１９９３年８月号におけるウイリアム Ｄ．ワーナー 、その他による論文「移動データ通信用ＯＦＤＭ／ＦＭフレーム同期化方式」に は、３ステージ同期化処理を用いるＯＦＤＭシステムが記載されている。３ステ ージとは電力検波、粗同期及び精密同期である。これらの同期化は送信された同 期化シーケンスと受信機にストアされたシーケンスとの間の相関性を利用するも のである。 米国特許第５，１４８，４５１号は、送信された同期化シーケンスと受信機に ストアされた同期化シーケンスとの間の相関性を用いる同期化技術を開示してい る。ＯＦＤＭへのこの技術の応用は開示されていない。 国際特許願ＷＯ９２／１６０６３号は、粗同期及び精密同期の技術を採用した ＯＦＤＭシステムとともに用いられる同期化技術を開示している。開示されたシ ステムは、ＤＱＰＳＫ（差分直角位相シフトキー方式）を採用した１スーパーフ レーム中に２個のフレームを用いて同期化を行うマルチフレームシステムである 。この国際特許願の開示は、周波数ラスターに言及し、それはＯＦＤＭ広帯域信 号の多重搬送の構造に関連するが、周波数チャープ（chirp ：周波数変調）には 関連しない。 さらに、ＯＦＤＭシステムに適用可能な同期化技術は、例えば欧州特許願ＥＰ ８４，７８７ Ａ１及びＥＰ５２９，４２１ Ａ２においても記載されている。 初期のＤＡＢ（デジタルオーディオ放送）の送受信方式の原型においては、２ 個の同期フレームが用いられた。第一のフレームはいわゆるゼロフレームであり 、空である。このフレームは受信機によって一部は同期化のために、また他の一 部はチャネル中の干渉を推定するために用いられる。第二のフレームはチャープ 信号、すなわち周波数掃引された正弦波信号を含んでいる。すなわち、この信号 は周波数が時間とともに直線的に変化し、全チャネル幅を通じて掃引するように した正弦波信号である。この信号は受信機により一部はタイミング、すなわち入 来信号をＦＦＴフレームに分割するために用いられ、他の一部はチャネルの伝達 関数を推定するために用いられる。サンプルクロックと搬送周波数を調整する方 法は、ＤＡＢ標準においては特定されていない。最終ＤＡＢ仕様においてチャー プフレームは、タイミング周波数調整及び伝達関数推定の双方に用いられるいわ ゆるＴＥＰＣ信号（時間周波数位相制御）と置換される。 ＯＦＤＭ（またはＣＯＦＤＭ）がデジタルプログラム情報、すなわちラジオ又 はＴＶの送信に用いられる場合、受信機はその送信機と同期しなければならない 。プログラム情報は、特にビデオプログラム情報の送信においては、極めて大量 のデータを送信機から受信機に伝達しなければならないことに留意すべきである 。チャープ信号が受信機を送信機と同期させるために用いられる場合、同期を実 現するためには、受信機内において相関器を用いる。もし、受信信号においてリ アルタイムで完全に相関関係を実現するためには、１秒間当たりにおける多重化 及び付加のための処理要求が大きな問題となる。本発明は、この問題を軽減しよ うとするものである。 本発明は、デジタルＯＦＤＭ又はＣＯＦＤＭ伝送方式において、受信機を送信 機に対してプレＦＦＴ同期させる方法及び装置に関するものである。プレＦＦＴ 同期とは、時間区分から周波数区分への変換前、すなわち、信号がＦＦＴ処理さ れる前における受信信号に対して適用されるものである。データはフレームにお いて伝送される。各フレームは同一の又は異なった受信機により受信されるよう に意図され、あるいは、各フレームは選択的に一つの受信機により同一の、もく しは異なった方法において採用されることができる。したがって、フレームは必 然的ではないが、異なった受信機のためのデータ間又は１受信機内の異なった機 能において用いられるべきデータ間の識別に用いられる。例えば、ビデオデータ 及びオーディオデータは異なったフレームにおいて伝送される。複数のフレーム は一つのスーパーフレームとして伝送されることができる。各スーパーフレーム は少なくとも一つの同期フレームにおいて開始し、所定数の情報搬送フレームを 有するものである。本発明は、１又は２以上の各チャープ信号を収容した同期フ レームを用いるものである。チャープ信号は時間とともに直線的に変化する周波 数を有する正弦波信号である。本発明の好ましい実施例において、２個の隣接同 期フレームの各々はチャープ信号を含んでいる。これらの隣接フレームにおける チャープ信号は反対方向において変化する周波数、すなわち一つのチャープ信号 は時間とともに増大する周波数、いわゆるアップチャープであり、他のチャープ 信号は時間とともに減少する周波数、いわゆるダウンチャープである。ビットパ ターンはデコードされたチャープ信号、すなわち受信機によってデジタル処理さ れた後のチャープ信号に対応して受信機中にストアされる。受信信号はデジタル 処理後においてストアされたビットパターンと比較される。等しいビットの数は カウントされる。チャープ信号は等ビットの数がゼロに近付くか、又はある整数 Ｎに近付いたとき、検出されるようになっている。この場合、整数Ｎとは、フレ ームがサンプリングによって分割される二進ワード数である。等ビットの数はチ ャープ検出が達成できたかどうかを判定するために上限値Ａ＞Ｎ／２及び下限値 Ｂ＜Ｎ／２と比較される。この場合、相関性を有する２個の無作為に発生した信 号が平均的にＮ／２個の等ビットを生ずるということである。 同期化処理の第一ステージはチャープ信号の検出である。これは受信信号中の 等ビットの数及びストアされたビットパターンが“Ａ”より大きくなるか、又は “Ｂ”より小さくなったとき達せられる。“Ａ”及び“Ｂ”の適当な値はＮ＝２ ００の場合について経験的又はシミュレーションにより決定され、これによって “Ａ”を１５０、“Ｂ”を５０と定めることができる。相関器は粗い時間設定を 指示するパルスを含む出力信号を発生する。これは同期化処理におけるステージ ２である粗同期を達成するために用いられる。 同期化処理のために必要な計算量を減らすため、受信されたチャープパルスの サンプル、すなわち符号ビットを表わす二進ワードにのみ最上位ビットを用いる こととする。 ＯＦＤＭシステムにおいて受信機は受信信号を互いに９０°の位相差を有する ２要素Ｉ及びＱに分割する。これら２信号は実部及び虚部としての、９０°相差 を有する信号を指示する便宜上、実信号及び虚信号と記述することができる。こ のＩ及びＱ信号はＡＤ（アナログ‐デジタル）変換器により各フレームに対応す るデジタルワードの順列に変換される。これらのワードの幾つかは、互いに加え られて新たなワードとなり、全ワードルート（ワード速度又は率）の低減が達せ られ、これは必要なデジタル処理を減少させるものである。これらの信号は縮小 、すなわち部分削減（デシメイト）され、この方法において相関性比較に用いら れる。粗同期が達せられると、チャープ信号の検出により相関信号が１フレーム だけ遅延してそれ自体に加算される。演算結果の信号はしきい値と比較され、こ れによって精密同期を実現するために用いられる周波数修正が決定される。この 後で、検出信号は複数信号に分割され、同期化信号がＦＦＴプロセスを制御する ために用いられる。 本発明は、ＯＦＤＭ放送通信システムにおけるプレＦＦＴ同期化方式に適した 方法及び装置に関連する。この技術は、相関性処理において符号ビットのみを用 いることにより同期化のために通常要求される処理を実質的に減少するものであ る。 本発明の第一の局面によれば、データを複数のフレームと複数のスーパーフレ ームからなるフレーム構造において伝達するようにしたＯＦＤＭ伝送システムを プレＦＦＴ同期するための方法が提供される。この場合、各スーパーフレームは 所定数のフレームからなり、そのうちの少なくとも１フレームが受信機を送信機 と同期させるべく用いられるチャープ信号を搬送するものであり、このプレＦＦ Ｔ同期化方法の処理としては、受信信号をサンプリング及びデジタル化すること により、前記受信信号を代表する二進ワードの順列を形成する処理と、これらデ ジタル化し、及びサンプリングされた受信信号を前記チャープ信号を表わすデジ タル記憶信号と関連付ける相関処理とからなるものであり、前記受信信号のサン プル値を表わす各二進ワードは一つの符号ビットもしくは最上位ビットを含んで いる。そして、前記相関処理ステップは前記二進ワードの符号ビット、又は最上 位ビットのみを用いて達成されることを特徴とするものである。 好ましくは、局部発振周波数は前記相関処理ステップからの出力が第一の所定 のしきい値を上回るか、又は第二の所定のしきい値を下回るまで変化させられる 。 各スーパーフレームは周波数が時間的に第一の方向（上回るか、又は下回る方 向）に変化するチャープ信号を含む第一フレームと、周波数が時間的に第二の方 向（第一の方向と逆方向）に変化するチャープ信号を含む第二のフレームを備え ていることが望ましい。 各スーパーフレームは空フレームを含むことができる。 好ましくは、前記受信信号を代表する前記二進ワードのシーケンスは部分削減 処理によって縮小し、これによって前記相関処理ステップが受信信号のサンプリ ング周波数より低いワードルートを有する二進ワードのシーケンスにおいて達成 される。 前記受信信号は実成分と虚成分に分割され、前記相関処理ステップは前記実成 分及び虚成分の双方において個々に達成される。 局部発振誤差信号は前記相関処理ステップから得られた異なったスーパーフレ ームに対応する２個の相関ピーク間の時間を測定し、かつその時間をスーパーフ レーム数（整数）の範囲内において局部発振器のクロックサイクルと比較するこ とにより導出される。 前記相関処理ステップの出力から導出された第一の信号は、１フレームに対応 する時間だけ遅延させられることにより第二の信号を形成し、前記第一の信号は この第二の信号に加えられて第三の信号を形成し、さらにこの第三の信号は受信 信号におけるフレームタイミングを決定するために一つのしきい値と比較される 。 前記受信信号は実成分と虚成分に分割され、前記相関処理ステップはこれらの 実成分及び虚成分の双方において個々に達成されて、前記第三の信号を２個発生 し、さらに前記局部発振器は前記２個の第三信号の一つが前記しきい値に達した とき、その時点の周波数にラッチ（拘束）される。 本発明の第二の局面によれば、データを複数のフレームと複数のスーパーフレ ームからなるフレーム構造において伝送するようにしたＯＦＤＭ伝送システムに 用いるための受信機が提供される。この場合、各スーパーフレームは所定数のフ レームを含み、そのうち少なくとも１フレームが前記受信機を送信機と同期させ るべく用いられるチャープ信号からなり、前記受信機は受信信号をサンプリング し、かつデジタル化して前記受信信号を代表する二進ワードの順列を形成するよ うに構成されたＡＤ変換器と、チャープ信号のデジタル表現をストアするための 記憶手段と、前記デジタル化され、かつサンプリングされた受信信号を前記記憶 手段中にストアされたチャープ信号のデジタル表現と関連付けるように構成され た相関処理手段とを備え、各二進ワードが符号ビット又は最上位ビットを含む前 記受信信号のサンプルを表現するものであり、前記相関処理手段が前記二進ワー ドの符号ビット又は最上位ビットの存在においてのみ動作するようにしたことを 特徴とするものである。 好ましくは、前記相関処理手段からの出力は比較手段に接続され、この比較手 段は前記相関処理手段からの出力が第一の所定しきい値を上回るか、又は第二の 所定しきい値を下回ったとき、チャープ信号の検出を指示する。出力信号を発生 するものである。 さらに好ましくは、前記受信機における各スーパーフレームは周波数が時間と ともに第一の方向（増大するか又は低下する方向）に変化するチャープ信号から なる第一のフレームと、周波数が時間とともに前記第一の方向と反対の第二の方 向に変化するチャープ信号からなる第二のフレームを備えている。 前記受信機は各スーパーフレームが空フレームを含むようにした信号を受信す るように構成されている。 前記受信機は前記ＡＤ変換器から導出された出力を受信するための入力と、前 記相関処理手段の入力に接続された出力を有し、かつ前記受信信号を代表する二 進ワードの順列を減少するように構成された部分削減手段を備えたことにより、 前記相関処理手段が前記受信信号をサンプリングする周波数より低いワードルー トを有する二進ワードの順列において動作するようにしたものである。 前記受信信号は実成分と虚成分に分割され、前記受信機には第一及び第二の相 関処理手段を含み、この場合において、前記第一の相関処理手段は前記実成分に おいて動作し、前記第二の相関処理手段は前記虚成分において動作するものであ る。 前記受信機は異なったスーパーフレームに対応する前記相関処理手段が発生し た２個の相関ピーク間の時間を測定し、さらに、前記時間をスーパーフレーム（ 整数）の範囲内において局部発振器のクロックサイクル数と比較することにより 導出される局部発振誤差信号を発生するための周波数誤差発生器を備えている。 前記２個の相関ピークは２個の隣接スーパーフレームに対応するものであり、 前記スーパーフレーム数は単一の場合もあり得る。 前記相関処理手段から導出された第一の信号は１フレームに対応する時間だけ 前記第一の信号を遅延させて、第二の信号を形成するための遅延手段に送られ、 前記受信機は前記第一の信号を前記第二の信号に加えて第三の信号を形成する合 成手段と、前記受信信号におけるフレームタイミングを決定するために前記第三 の信号を一つのしきい値と比較するための第二の比較器を備えている。 前記受信機は数値制御型の局部発振器及びプロセス制御手段を含んでおり、こ のプロセス制御手段は前記数値制御型の局部発振器の周波数を前記第三の信号が 前記しきい値に達するまで調整するように構成されている。 前記受信信号は実成分と虚成分に分割され、前記相関処理手段は前記実成分に おいて動作する第一の相関器と、前記虚成分において動作する第二の相関器とを 含み、各相関器は一つの出力信号を発生し、さらに前記プロセス制御手段は前記 数値制御型局部発振器の周波数を前記第一又は第二の相関器のいずれかから出た 出力信号が前記しきい値に達したときの周波数にラッチするように構成されてい る。 本発明の第三の局面によれば、各スーパーフレームは所定数のフレームを含み 、そのうちの少なくとも１フレームが受信機を送信機と同期させるために用いら れるチャープ信号を含むようにした複数のフレーム及び複数のスーパーフレーム からなるフレーム構造において、前記送信機よりデータが送り出されるようにし たＯＦＤＭ伝送システム中で用いるための送信機が提供される。この送信機は各 スーパーフレームにおいて、周波数が時間とともに第一の方向（増加方向又は減 少方向）において変化するチャープ信号を含む第一のフレームと、周波数が時間 とともに前記第一と逆方向の第二の方向に変化するようにしたチャープ信号を含 む第二のフレームを送出するように構成されている。 本発明の第四の局面によれば、複数のフレーム及び複数のスーパーフレームか らなるフレーム構造において、データを伝送するようにした少なくとも１台の送 信機、及び少なくとも１台の受信機を含むＯＦＤＭシステムに用いるためのデー タ伝送用無線伝送システムが提供されている。この場合、各スーパーフレームは 所定数のフレームであって、少なくともその一つが受信機を前記送信機と同期さ せるべく用いられるチャープ信号からなっている。前記少なくとも１台の受信機 は上述したような特定の受信機である。 好ましくは、前記送信機は前述のような特定の送信機として構成される。 前記無線システムは複数のラジオ受信機を含むことができる。 前記無線システムはまた、複数の送信機を含むことができる。 本発明の第五の局面によれば、複数のフレーム及び複数のスーパーフレームか らなるフレーム構造において、データ伝送するように構成された少なくとも１台 の送信機、及び少なくとも１台の受信機を含むＯＦＤＭシステムを採用したデー タ伝送用無線伝送システムが提供される。この場合、前記受信機は上記のような 方法において前記送信機と同期化されるのが特徴である。 以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して説明する。 図１は本発明に従ったＯＦＤＭ又はＣＯＦＤＭ受信機における同期化処理の全 構造を略示するブロック線図である。 図２は本発明に従った受信機の同期化要素を単純化して示すブロック線図であ る。 図３は本発明に従ったサンプルのリダクション又は部分削減を行うようにした 受信機の同期化要素を示すブロック線図である。 図４はリダクション又は部分削減の処理手順を示す図である。 図５は本発明において用いられるスーパーフレーム構造を示す図である。 この明細書に記載した本発明の実施例において、データは図５に示したような フレーム及びスーパーフレームからなるフレーム構造において伝送される。スー パーフレームは整数個のフレームであって、各々が変調されたデータを収めたも のから構成される。各スーパーフレームは空又はゼロフレームから始まり、これ に続いてチャープ信号を収めた２個のフレームを用いる。前述した通り、チャー プ信号はその周波数が時間とともに単調に変化する正弦波信号である。この実施 例の場合、チャープ信号の周波数は時間とともに直線的に変化する。スーパーフ レーム中の第二フレームは時間とともに周波数が増大するチャープ信号、すなわ ちアップチャープであり、第三フレームはその周波数が時間とともに減少するチ ャープ信号、すなわちダウンチャープからなっている。したがって、２個のチャ ープ信号における周波数変化の方向は互いに反対向きである。選択的な実施例に おいては、チャープ信号を収めたフレームの一つを省略することができる。 フレームとは、ＯＦＤＭシステムの送信機又は受信機において採用されるＦＦ Ｔプロセッサの入力又は出力に対応するデータのブロックである。それは周波数 型及び時間型の双方において存在する。時間型においては、ガード間隔を有する か、又は有しないベクトルを意味する。周波数型においては、完全ＦＦＴベクト ル、又は活性キャリヤを含むベクトルを意味する。フレームは整数個のキャリヤ と整数個の情報バイトを収めている。最大キャリヤ数はＦＦＴサイズの０．８倍 未満でなければならない。 スーパーフレムは一つのプリアンブルの開始から次のプリアンブルの開始まで のデータを指示するために用いられるものであって、整数個のフレームを含んで いる。 本発明の実施例は、ＯＦＤＭシステムにおいて受信機を送信機とプレＦＦＴ同 期させることに関するものである。ＯＦＤＭシステムの一般構造及び動作は電気 通信分野において周知である。そのため、以下に定義した本発明の技術は本発明 の同期化技術に包含されるＯＦＤＭ受信機の様相に限定される。本発明に関する 限り、送信機の新規の特徴は上述したフレーム構造の伝送に限定される。 本発明は、次の各ステージを含む３ステージ同期処理を採用したものである。 すなわち、 １．ＯＦＤＭ信号及びチャープ信号を収めた同期フレームの検出、 ２．粗同期化、及び ３．精密同期化、である。 受信されたＯＦＤＭ信号を成功裏にＦＦＴ処理するため、受信信号におけるＦ ＦＴフレームは受信機ＦＦＴフレームと０．２ｐｐｍ内で整列しなければならな い。粗同期化は１ｐｐｍ内のフレーム整列をもたらし、精密同期化は０．２ｐｐ ｍ又はそれよりも小さい範囲内の整列をもたらす。 同期化制御ステップの詳細は、この明細書の後半において説明される。 ここで、図１〜図３を参照する。まず、受信されたＯＦＤＭ信号は９０°位相 分離された２成分、すなわちＩ及びＱ成分に分割される。これらの成分はＡＤ（ アナログ‐デジタル）変換器によりデジタル化され、かつサンプリングされたも のである。これらの信号は周波数調整ユニット１に送られる。このユニット１は 数値制御型発振器を含み、当業者にとって周知の態様で動作するものである。こ の周波数調整ユニットは受信信号のフレームタイミングをＦＦＴフレームタイミ ングと整列させるように動作する。数値制御型発振器はＡＤ変換器のサンプリン グ周波数を制御するものである。周波数調整ユニット１から出た出力は図示しな いか、ＦＦＴプロセッサに送られる。ＦＦＴプロセッサが受信信号を分解（デマ ルチプレックス）するまでに、周波数調整ユニットはそれが受信フレーム構造を ＦＦＴフレーム構造と同期する。すなわち、プレＦＦＴ同期となるように制御さ れなければならない。信号のＩ及びＱ成分はチャープ信号を表し、ストアされた デジタル基準信号とともに二進相関器２及び３に送られる。これらはＸＮＯＲゲ ートを含んでいる。二進相関器２及び３からの出力は比較器又はしきい値検出器 ４に送られる。比較器４において用いられるためのしきい値は信号処理ユニット によりセットされる。比較器４からの出力はチャープフレームが検出されたこと を指示する信号である。この信号はプロセス制御ユニット又はステートマシーン ５に送られる。この制御ユニット５は同期化処理を制御するものである。フレー ムカウンタ７及びサンプルカウンタ６はプロセス制御ユニット５により制御され 、かつ増分処理（インクリメント）されることができる。ラッチ回路８はプロセ ス制御ユニット５によって制御され、周波数調整ユニット１が到達した同期状態 に拘束するものである。 ここで図３を参照する。周波数調整ユニット“ＮＣＯ”は数値制御型発振器を 含み、上述した通りに機能するものである。受信信号の抜き取られ、かつデジタ ル化されたＩ及びＱ成分が２個の相関器に送られるまでにそれらは図４に示した 部分削減処理を実行される。部分削減処理は受信された信号成分のサンプルの比 例部分を消去するものであり、相関器に与えられたサンプル周波数を例えば係数 分母４により減少させる。ここで、削減処理（デシメーション）とは１／１０削 減のみを指示するものでないことを銘記すべきである。この処理及びそれを用い る理由は、この明細書の後半において説明する。相関処理後、相関器の出力は１ フレームだけ遅延する信号の一部と遅延されない他の部分とに分割される。これ ら遅延され、及び遅延されなかった信号は互いに加えられる。これによりスーパ ーフレーム中の第二及び第三のフレーム間、したがって、アップチャープ信号と ダウンチャーヌ信号との間に対応する時間を表わす相関パルスが発生する。この 信号は正確にフレーム構造を受信信号中に位置付け、受信信号中のフレーム構造 とＦＦＴプロセッサのフレーム構造について、両者の周波数及び位相に関する正 確な同期を提供するものである。相関パルスはしきい値検出器により検出される が、そのしきい値は信号プロセッサによってセットされる。図３に示した２個の しきい値検出器から出た出力はセレクタに供給される。このセレクタはＯＲ機能 を有し、２個のしきい値検出器のいずれかが最初にトリガされたとき、ＦＦＴフ レームを初期化するためにフレームシーケンサによって用いられる出力を発生す る。 次に、同期化処理における信号検出及び粗同期化ステージについて説明する。 まず、図１〜図３に示したＡＤ変換器からの出力は各々が受信信号のサンプリン グ値を表わす二進ワードの順列からなっている。これらのワードにおける符号ビ ット又は最上位ビットのみが二進相関器２及び３に送られる。二進相関器は受信 信号をＸＮＯＲゲート列を用いてチャープ信号を表す基準信号と比較する。これ によって等ビット数、すなわち受信信号とチャープ信号の記憶表現とのハミング 重量が得られる。ビットの入力シーケンス及び記憶シーケンスはベクトルとみる ことができるため、この明細書においては、それらをベクトルとして表現する場 合がある。相関器２及び３からの出力は、入力信号とチャープ信号を表わすため に記憶された基準信号との間の比較で得られたハミング重量を表わすベクトルと して認識することができる。 もし、長さＮの２個の無作為な独立ベクトルが相関付けられると、その出力は 平均値においてＮ／２のハミング重量を有することになる。もし、これらのベク トル間の相関係数が１であれば、ハミング重量はＮになる。また、ベクトル間の 相関係数が（−１）であれば、ハミング重量は０となる。相関器２及び３からの 出力信号は、したがって、２個の限界値、すなわち一方はＮ／２より多い“Ａ” 、他方はＮ／２より小さい“Ｂ”と比較されなければならない。Ｎ＝２００の場 合、“Ａ”を１５０とし、“Ｂ”は５０とすることができる。受信信号と受信機 中に記憶された基準信号との間の相関性を示すハミング重量を表わす出力信号が “Ａ”より大きいか、又は“Ｂ”より小さい場合、チャープ信号が検出されたこ とになる。 ２個の相関器はチャープ信号の位相及び周波数の双方を決定することができる ように用いられる。 受信信号はチャープ信号を表わすために記憶された基準信号と連続的に相関付 けられる。アップチャープ及びダウンチャープの双方に対し同一の基準信号が用 いられる。受信信号が正確に調整されると、相関器の一つから出た出力信号はゼ ロ又は相関基準信号中のサンプル数Ｎのいずれかに近い値となる。出力信号は２ 個のしきい値信号と比較され、もし、出力がこれらの基準値（しきい値）の外側 にあることが検出されると、チャープ信号の検出を指示する出力が発生する。相 関器から出力が出なければ、しきい値は検出状態が発生するまで調整される。粗 同期化を得るための処理ステップは次に示す通りである。これらの処理ステップ は信号処理装置の一部をなすプロセス制御ユニット５によって制御される。 クロック周波数推定（粗同期化の達成）のための処理ステップ： １．相関出力ベクトルのハミング重量に対するしきい値のセット又は変更。 ２．サンプル（抜き取り）／フレームカウンタの初期化。 ３．相関処理開始。 ４．チャープ信号が検出されれば、ステップ６に移り、検出されなければ、ステ ップ５に移る。 ５．時間が予めセットされたタイムアウト時間より短ければ、ステップ４に戻り 、そうでなければ、しきい値を調整してステップ１に戻る。 ６．サンプル／フレームカウンタの１カウント増。 ７．チャープ信号が検出されれば、ステップ１０に移り、そうでなければ、ステ ップ８に移る。 ８．時間が予め設定されたタイムアウト時間より短けれは、ステップ９に移り、 そうでなければ、しきい値を調整してステップ２に戻る。 ９．サンプル／フレームカウンタの１カウント増、ステップ７への移行。 １０．サンプル／フレームカウンタの内容を読む。 １１．サンプルクロック周波数誤差を推定してクロックの数値制御型発信器を調 整する。 １２．計算されたクロック周波数誤差が予めセットされた値Ｅより大きければ、 ステップ２に戻る。 受信機のＦＦＴ窓（フレームタイミング）の粗調整： １．サンプル／フレームカウンタのプリセット。 ２．チャープ信号が検出されれば、ステップ３に移る。 ３．サンプル／フレームカウンタを動作可能とし、かつＦＦＴプロセッサへのデ ータフローを可能にする。 ４．チャープ信号が検出されれば、ステップ５に移る。 ５．サンプル／フレームカウンタの内容をラッチ８（図２）及び信号プロセッサ に転送して信号プロセッサ中のタイミング同期チェックをスタートさせ、ステプ ４に戻る。 サンプルカウンタの内容が期待値に近く、かつフレームカウンタが１に等しく なれば、タイミングシステムは同期状態となる。また、サンプル／フレームカウ ンタが期待値範囲の外側の値を有する場合、それはタイミング同期が失われ、シ ステムの再同期が必要となる。 信号プロセッサにおけるタイミング同期チェック： １．サンプルカウンタの内容が正しくなければ、ステップ２に移る。 ２．信号プロセッサにおける同期外れカウンタの増加カウント。 ３．同期外れカウンタの内容≦同期外れ限度、であれば、ステップ１に戻り、そ うでなければ、ステップ４に移る。 ４．受信機の同期外れ、再同期化の実行。 受信信号のためのＤＣオフセット信号はゼロフレームからのデータを用いて推 定される。ゼロフレーム複素データは信号プロセッサにより、読み取り可能な状 態でＦＩＦＯ（プッシュアップリスト）中にストアされる。信号の実成分及び虚 成分に対するＤＣオフセット信号は個々に推定される。 ここに、Ｒは複素パラメータの実数部であり、Ｔは複素パラメータの虚数部で ある。 ＤＣオフセット誤差は極めて緩やかに変化すると考えられるので、ＤＣオフセ ット値を頻繁にあるいは急激に更新することによって外部ノイズを導入すること がないようにすべきである。各フレームからの推定は従ってそれらがハードウエ アに供給されるまでに、多数のフレームにわたって平均化される。 受信機におけるＦＦＴ窓はすでに述べた通り、送信機におけるＦＦＴ窓と一致 しなければならない。これは受信信号と局部記憶チャープ信号との間で実行され る相関処理により達成される。この相関処理の結果、局部クロック誤差を推定し 、かつ補正するために用いることができる極めて尖鋭なパルス信号が発生し、こ れによって受信信号及びそのサンプリングのタイミングを調整することができる 。しかしながら、相関計算は受信機のデジタル処理容量に対する重いオーバーヘ ッドを課することになる。相関処理によって付加される処理オーバーヘッドを同 期化処理の精度に悪影響を与えることなく減少させるためには、二つの方針を用 い得ることが確認されている。一つは、受信信号のデジタル化サンプルを表わす 各二進ワードの符号ビット、又は最上位ビットのみを用いて相関処理を実行する ことであり、相関処理を行うべきサンプル数を平均処理又は削除処理のいずれか によりフレーム当たりの相関処理に用いるサンプル数を、例えば５１２から１２ ８に、したがって、１／４に減少することにより相関処理を実行するサンプル数 を減少させることである。この場合、係数分母４で縮小したが、他の縮小係数を 用いることによってもこの削減処理を行うことができる。 相関処理は次式によって表される。 ここに、 Ｃ_c＝局部記憶されたチャープ信号、 Ｃ_t＝受信されたチャープ信号、 Ｃ_r＝相関器からの出力信号、である。 シーケンスＣ_t及びＣ_rは上述の如くして削減又は縮小される。相関器がＡＤ変 換器により生成された全１６Ｋサンプル／秒を処理することは不可能である。し たがって、相関器からの出力信号はサンプル二進ワードの符号ビットで表された ような、ストアされたチャープ信号と受信されたチャープ信号のハミング重量で ある。入力サンプルが係数分母２又は４により縮小される場合には、チャープ信 号の中央部のみが用いられる。相関ピークは極めて狭く、したがって、相関器に おける信号エネルギはこのパルス内に集中している。そのため、干渉に対しては 極めて強い耐性を持つことになる。しかしながら、干渉が強すぎて受信サンプル を表わす二進ワード中の最上位ビットに影響を与えるとき、すなわち干渉信号が データ搬送信号に対して比較的強いものである場合には、同期化処理が破壊され ることになる。 サンプルクロック周波数は多数のサンプルクロック周期を通じて相関ピーク間 の時間を観察することにより推定される。信号は搬送波を補償した後、観察され る。スーパーフレーム内において生ずるクロックサイクル数は既知である。これ は２又はそれ以上の相関ピークが受信され、かつ検出されたとき、使用されるべ きサンプルクロック周波数が推定される。 ｎ_r個のクロックサイクルが相関ピーク間において観察され、かつ ｎ_o個のクロックサイクルが同期化達成時における相関ピーク間において生 じ、かつ ｆ_oがサンプリングレート（約±１ｐｐｍ）を決定する受信機中の数値制御 型発振器の周波数であって、 Δｆ_cLKがクロック誤差周波数であるとき、 このΔｆ_cLKは次式を用いて計算することができる。 Δｆ_cLK＝ｆ_o［１−（ｎ_r／ｎ_o）〕 ｎ_r及びｎ_oが測定される観察時間間隔は、１スーパーフレームを上回ることが あり得る。 図３に関連してすでに述べた通り、相関器から出た出力信号は１フレームだけ 遅延されて相関器からの非遅延出力に加えられる。この合成信号はしきい値と比 較される。すでに説明した通り、受信信号のＩ及びＱ成分は互いに並列関係にあ る個々の相関器によって個別的に処理される。各２個の相関器出力はしきい値と 比較され、かつ最初にしきい値に達したものが同期化処理に用いられる。 プレＦＦＴ同期化処理が完全に達成された後、受信信号はＦＦＴ処理のために 複数のフレームに分割される。 上記の説明は同期化処理を行うＯＦＤＭ受信機システム、及び方法における新 規な要素に限られたものであることに留意すべきである。ＯＦＤＭ受信機全体の 設計の詳細は従来技術において周知である。 上述した本発明の実施例は、本発明の具体化方法の例示である。したがって、 それらの実施例を本発明の範囲を逸脱することなく、変形することは当業者にと って容易なことであり、その基準は添付の請求の範囲からのみ判断されるべきで ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ ，ＫＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ， ＲＵ，ＵＡ，ＵＳ (72)発明者 リグネル，モルテン スウェーデン王国、エス−240 10 ダル ビー、スクヴァルトヴェーゲン ４ (72)発明者 ロス，ゲラン スウェーデン王国、エス−142 20 スコ ゴス、メロディーヴェーゲン 14 (72)発明者 レンロース，ブリアン デンマーク王国、ディーケー−2450 ケー ペンハームン、ストラウスシュヴェー ４ (72)発明者 リングゼート，ヴィダール ノルウェー王国、エヌ−7026 トロントハ イム、リラヴェーゲン 30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数のフレーム及び複数のスーパーフレームを含み、各スーパーフレームが 所定数のフレームからなるとともに、それらのフレームの少なくとも一つが受信 機を送信機と同期させるために用いられるチャープ信号を搬送するものであるよ うにしたフレーム構造において、データ伝送を行うＯＦＤＭ伝送システムのため のプレＦＦＴ同期化方法であって、受信信号を代表する二進ワードのシーケンス を形成するために前記受信信号をサンプリングし、かつデジタル化するステップ と、前記デジタル化され、かつサンプリングされた受信信号を前記チャープ信号 を表わすデジタル記憶信号と関連付ける相関処理ステップを含み、各二進ワード が一つの符号ビット又は最上位ビットを含む前記受信信号のサンプルを表わすよ うにし、前記相関処理ステップが前記二進ワードにおける符号ビット又は最上位 ビットのみを用いて実行されることを特徴とするＯＦＤＭ伝送システムのプレＦ ＦＴ同期化方法。 ２．前記相関処理ステップからの出力が第一のしきい値を上回るか、又は第二の しきい値を下回るまで局部発振周波数を変化することを特徴とする請求項１記載 の方法。 ３．各スーパーフレームがその周波数を時間とともに第一の方向に変化させるよ うにしたチャープ信号からなる第一のフレームと、前記第一の方向と反対の第二 の方向においてその周波数を時間的に変化させるようにしたチャープ信号からな る第二のフレームを有することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。 ４．各スーパーフレームが空フレームを含むことを特徴とする請求項１〜３のい ずれか１項記載の方法。 ５．前記受信信号を代表する二進ワードの順列を削減することによって縮小し、 その結果、前記相関処理が受信信号のサンプリング周波数より低いワードレート を有する二進ワードの順列において実行されるようにしたことを特徴とする請求 項１〜４のいずれか１項記載の方法。 ６．前記受信信号を実成分と虚成分に分割し、前記相関処理ステップを前記実成 分と虚成分の双方において個別に実行することを特徴とする請求項１〜５のい ずれか１項記載の方法。 ７．前記相関処理ステップから得られ、かつ互いに異なったスーパーフレームに 対応した２個の相関ピーク間の時間を測定し、かつ前記時間をスーパーフレーム 数の範囲内における局部発振器のクロックサイクル数と比較することを特徴とす る請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。 ８．前記２個の相関ピークが２個の相互隣接フレームに対応し、前記スーパーフ レーム数が単一であることを特徴とする請求項７記載の方法。 ９．前記相関処理ステップからの出力から得られた第一の信号が１フレームに対 応する時間だけ遅延処理されて第二の信号を形成し、前記第一の信号を前記第二 の信号に加えて第三の信号を形成し、さらに、前記第三の信号が受信信号におけ るフレームタイミングを決定するためのしきい値と比較されることを特徴とする 請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。 １０．前記第三の信号が前記しきい値に達するまで局部発振周波数を調整するこ とを特徴とする請求項９記載の方法。 １１．前記受信信号が実成分と虚成分に分割され、前記相関処理ステップが前記 実成分と虚成分の双方において個別に実行されることにより、前記局部発振器は 前記２個の第三信号の一つが前記しきい値に達したときの周波数に固定されるこ とを特徴とする請求項１０記載の方法。 １２．複数のフレームと複数のスーパーフレームとからなり、各スーパーフレー ムが所定数のフレームを含むとともに、それらのフレーム中の少なくとも一つが 受信機を送信機と同期させるために用いられるチャープ信号からなるようにした フレーム構造において、データ伝送を行うＯＦＤＭ伝送システムに用いられる受 信機であって、受信信号をサンプリングし、かつデジタル化することにより前記 受信信号を代表する二進ワードの順列を形成するように構成されたＡＤ変換器と 、チャープ信号を表わすデジタル信号を記憶するための記憶手段と、前記デジタ ル化され、かつサンプリングされた受信信号を前記記憶手段に記憶されたチャー プ信号の前記デジタル表現と関連付ける相関処理を行うための相関処理手段を備 え、各二進ワードが一つの符号ビット又は最上位ビットを含むようにし、前記相 関処理手段が前記二進ワードの符号ビット又は最上位ビッ トにおいてのみ動作するように構成されたことを特徴とするＯＦＤＭ伝送システ ム用受信機。 １３．前記相関処理手段からの出力が第一のしきい値を上回るか、又は第二のし きい値を下回ったときのチャープ信号の検出を指示する出力信号を発生するよう に構成された比較手段を用い、前記相関処理手段からの出力をこの比較手段に接 続するようにしたことを特徴とする請求項１２記載の受信機。 １４．前記受信機が一つの信号を受信し、この場合において、各スーパーフレー ムがその周波数を第一の方向において時間的に変化するチャープ信号からなる第 一のフレームと、その周波数を前記第一の方向と反対の第二の方向において時間 的に変化するチャープ信号からなる第二のフレームを含むようにしたことを特徴 とする請求項１２又は１３記載の受信機。 １５．前記受信機は各スーパーフレームが空フレームを含むようにした信号を受 信するものであることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項記載の受信 機。 １６．前記受信機が前記ＡＤ変換器から導出された出力を受信するための入力と 、前記相関処理手段の入力に接続された出力を有し、前記受信信号を代表する二 進ワードの順列を縮小し、これによって前記相関処理手段が受信信号のサンプリ ング周波数より低いワードレートを有する二進ワードの順列において動作するよ うにした削減手段を含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項記載 の受信機。 １７．前記受信信号を実成分と虚成分に分割するととに、前記受信機中に前記実 成分において動作する第一の相関処理手段と、前記虚成分において動作する第二 の相関処理手段を設けたことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項記載 の受信機。 １８．前記受信機が前記相関処理手段により発生し、かつ互いに異なった２個の スーパーフレームに対応する２個の相関ピーク間の時間を測定することにより得 られる局部発振器誤差信号を発生するための周波数誤差発生器を含むとともに、 前記時間がスーパーフレーム数の範囲内における局部発振器のクロック周波数と 比較されるようにしたことを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１ 項記載の受信機。 １９．前記２個の相関ピークが２個の隣接スーパーフレームに対応し、前記スー パーフレーム数が単一であることを特徴とする請求項１８記載の受信機。 ２０．前記相関処理手段から導出された第一の信号がその第一の信号を１フレー ムに対応する時間だけ遅延処理させて第二の信号を形成するように構成された遅 延手段に送られるものであるとともに、前記受信機がさらに、前記第一の信号を 前記第二の信号に加えて第三の信号を形成する合成手段と、前記第三の信号をし きい値と比較して受信信号におけるフレームタイミングを決定するための第二の 比較器を備えたことを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか１項記載の受信機 。 ２１．前記受信機が数値制御型局部発振器及びプロセス制御手段を含み、前記プ ロセス制御手段が前記数値制御型局部発振器の周波数を前記第三の信号が前記し きい値に達するまで調整するように構成されたことを特徴とする請求項２０記載 の受信機。 ２２．前記受信信号が実成分と虚成分に分割され、前記相関処理手段が第一及び 第二の相関器を含み、前記第一の相関器が前記実成分において動作するものであ るとともに、前記第二の相関器が前記虚成分において動作するものであって、各 相関器が個々に出力信号を発生するものであり、前記プロセス制御手段が前記数 値制御型局部発振器の周波数を前記第一又は第二の相関器のいずれかが前記しき い値に達したときの周波数に固定されるようにしたことを特徴とする請求項２１ 記載の受信機。 ２３．複数のフレーム及び複数のスーパーフレームからなり、各スーパーフレー ムが所定数のフレームを含み、かつそれらのフレーム中の少なくとも一つが受信 機を送信機と同期させるために用いられるチャープ信号からなるようにしたフレ ーム構造においてデータ伝送を行うためのＯＦＤＭ伝送システムに用いられる送 信機であって、各スーパーフレーム内において伝送を行い、そのスーパーフレー ム中の第一のフレームが第一の方向において時間的に変化する周波数を有するチ ャープ信号からなるとともに、第二のフレームが前記第一の方向と反対の第二の 方向において時間的に変化する周波数を有するチャープ信号から なるようにしたことを特徴とするＯＦＤＭ伝送システム用送信機。 ２４．複数のフレーム及び複数のスーパーフレームからなり、各スーパーフレー ムが所定数のフレームを含むとともに、それらのフレームの少なくとも一つが受 信機を送信機と同期させるために用いられるチャープ信号からなるようにしたフ レーム構造においてデータ伝送を行うために、少なくとも１台の送信機、及び少 なくとも1台の受信機を備えたＯＦＤＭデータ伝送を行うための無線伝送システ ムであって、前記少なくとも１台の受信機が請求項１２〜２２のいずれかに記載 した受信機であることを特徴とする無線伝送システム。 ２５．前記送信機が請求項２３記載の送信機であることを特徴とする請求項２４ 記載の無線伝送システム。 ２６．前記無線伝送システムが請求項１２〜２２のいずれかに記載した複数のラ ジオ受信機からなることを特徴とする請求項２４又は２５記載の無線伝送システ ム。 ２７．前記無線伝送システムが請求項２３に記載した複数の送信機を含むことを 特徴とする請求項２４〜２６のいずれか１項記載の無線伝送システム。 ２８．複数のフレーム及び複数のスーパーフレームからなり、各スーパーフレー ムが所定数のフレームを含むとともに、それらのフレームの少なくとも一つか受 信機を送信機と同期させめために用いられるチャープ信号からなるようにしたフ レーム構造においてデータ伝送を行うようにした少なくとも１台の送信機、及び 少なくとも１台の受信機を備えたＯＦＤＭデータ伝送用無線伝送システムであっ て、前記受信機が請求項１〜１１のいずれかに記載した方法により前記送信機と 同期化されるようにしたことを特徴とする無線伝送システム。