KR20080068743A

KR20080068743A - 심볼 트래킹 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20080068743A
Application number: KR1020087014272A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 더블유 크로거; 쿤 왕
Original assignee: 아이비큐티 디지털 코포레이션
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2008-07-23
Also published as: WO2007059029A2; RU2008123872A; DE602006017887D1; US20070110185A1; CN101310470B; EP1969758B1; AU2006315620B2; EP1969758A2; HK1124974A1; TWI394394B; BRPI0618531A2; JP4951000B2; JP2009516431A; CN101310470A; TW200726114A; WO2007059029A3; US7733983B2; CA2627993A1; NZ568893A; AU2006315620A1

Abstract

AM 인-밴드 온-채널 무선 수신기 내에서의 심볼 트래킹을 위한 방법은 시간 도메인 샘플의 스트림을 수신하는 단계와, 각 심볼 주기마다 심볼 타이밍 조정 값에 응답하여 심볼 시간과 하프 심볼 지연을 합한 것과 동일한 시간 영역 샘플의 세트를 어셈플링하는 단계와, 시간 영역 샘플을 보간하는 단계와, 보간된 시간 영역 샘플을 하프-오프 심볼을 나타내는 제 1 그룹의 샘플과 온-타임 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플로 분할하는 단계와, 제 1 및 제 2 그룹의 샘플을 처리하여 심볼 타이밍 조정 값을 생성하는 단계와, 온-타임 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플을 심볼 레이트로 출력하는 단계를 포함한다. 이 방법을 수행하는 장치 또한 포함된다.

Description

심볼 트래킹 방법 및 장치{SYMBOL TRACKING FOR AM IN-BAND ON-CHANNEL RADIO RECEIVERS}

본 발명은 무선 브로드캐스팅, 특히 인-밴드 온-채널(in--bnad on-channle) 디지털 브로드캐스팅 시스템과 함께 사용되는 수신기 내 신호의 균등화 방법 및 장치에 관한 것이다.

인-밴드 온-채널(IBOC) 디지털 브로드캐스팅 시스템은 표준 AM 브로드캐스팅 채널에서 아날로그 및 디지털 신호를 동시에 브로드캐스팅한다. 하나의 AM IBOC 시스템은 미국 특허 제 5,588,022 호에 개시되어 있다. 브로드캐스트 신호는 제 1 주파수 스펙트럼을 갖는 진폭 변조된 무선 주파수 신호를 포함한다. 진폭 변조된 무선 주파수 신호는 아날로그 프로그램 신호에 의해 변조된 제 1 반송파를 포함한다. 이 신호는 제 1 주파수 스펙트럼을 포함하는 대역폭 내에 다수의 디지털 변조된 부반송파를 포함한다. 디지털 변조된 부반송파 각각은 디지털 신호에 의해 변조된다. 디지털 변조된 부반송파의 제 1 그룹은 제 1 주파수 스펙트럼 내에 놓이고 제 1 반송파 신호와 함께 직교위상 변조된다. 디지털 변조된 부반송파의 제 2 및 제 3 그룹은 제 1 주파수 스펙트럼 밖에 놓이며 제 1 반송파 신호와 함께 동위상 및 직교위상 모두로 변조된다. 부반송파는 제 1, 제 2 및 제 3 부분으로 분할된다. 부반송파의 일부는 상보형 부반송파이다.

디지털 정보는 연속적인 심볼로 전송된다. IBOC 시스템 내에서 전송된 심볼은 심볼의 복조를 신호 샘플의 입력 스트림과 정렬시키기 위해 수신기 모뎀 내에서 트래킹(tracked)되어야 한다. 본 발명은 HD Radio™ 디지털 모뎀에 사용되는 심볼 트래킹 알고리즘을 제공한다.

본 발명은 AM 인-밴드 온-채널 무선 수신기 내에서의 심볼 트래킹을 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 시간 영역 샘플의 스트림을 수신하는 단계와, 각 심볼 주기마다 심볼 타이밍 조정 값에 응답하여 심볼 시간과 하프 심볼 지연(half symbol delay)을 합한 것과 동일한 시간 영역 샘플의 세트를 어셈블링하는 단계와, 시간 영역 샘플을 보간하는 단계와, 보간된 시간 영역 샘플을, 하프-오프(half-off) 심볼을 나타내는 제 1 그룹의 샘플과 온-타임(on-time) 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플로 분할하는 단계와, 제 1 및 제 2 그룹의 샘플을 처리하여 심볼 타이밍 조정 값을 생성하는 단계와, 온-타임 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플을 심볼 레이트로 출력하는 단계를 포함한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 AM 인-밴드 온-채널 무선 수신기 내에서의 심볼 트래킹을 위한 장치를 제공한다. 이 장치는 시간 영역 샘플의 스트림을 수신하는 입력단과, 각 심볼 주기마다 심볼 타이밍 조정 값에 응답하여 심볼 시간과 하프 심볼 지연을 합한 것과 동일한 시간 영역 샘플의 세트를 어셈블링하고, 시간 영역 샘플을 보간하며, 보간된 시간 영역 샘플을, 하프-오프 심볼을 나타내는 제 1 그룹의 샘플과 온-타임 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플로 분할하고, 제 1 및 제 2 그룹의 샘플을 처리하여 심볼 타이밍 조정 값을 생성하는 프로세서와, 온-타임 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플을 심볼 레이트로 출력하는 출력단을 포함한다.

도 1은 AM 하이브리드 IBOC 신호의 스펙트럼 도면,

도 2는 AM 전-디지털 IBOC 신호의 스펙트럼 도면,

도 3은 AM IBOC 수신기의 기능 블록도,

도 4는 AM IBOC 수신기용 모뎀의 블록도,

도 5는 본 발명의 심볼 트래킹 알고리즘의 기능 블록도,

도 6은 OFDM 복조에 사용되는 윈도우 기능을 나타내는 도면,

도 7은 에러 검출기 특성 대 타이밍 에러를 나타내는 도면,

도 8은 획득 및 트래킹 동안의 심볼 타이밍 에러를 나타내는 도면,

도 9는 획득 및 트래킹 예에 관련된 몇몇 신호를 나타내는 도면.

도면을 참조하면, 도 1은 AM 하이브리드 IBOC 신호의 스펙트럼 도면이다. AM 하이브리드 IBOC 파형(10)은 AM 신호 아래에 전송된 대략 30kHz 폭의 디지털 오디오 브로드캐스팅(DAB) 신호(14)와 함께 (약 ±5 kHz로 대역폭이 제한된) 종래의 AM 아날로그 신호(12)를 포함한다. 스펙트럼은 약 30kHz의 대역폭을 갖는 채널(16) 내에 포함된다. 채널은 중앙 주파수 대역(18), 상측(20) 및 하측(22) 주파수 대역으로 분할된다. 중앙 주파수 대역은 대략 10 kHz의 폭을 가지고 채널의 중앙 주파수(f₀)의 약 ±5kHz 내에 위치하는 주파수를 포함한다. 상측파대는 중앙 주파수로부터 약 +5 kHz에서 중앙 주파수로부터 약 +15 kHz까지 연장한다. 하측파대는 중앙 주파수로부터 약 -5 kHz에서 중앙 주파수로부터 약 -15 kHz까지 연장한다.

본 발명의 일 실시예의 AM 하이브리드 IBOC DAB 신호 포맷은 중앙주파수 대역 및 상하측파대에 걸쳐 연장하는, 대략 181.7 Hz의 간격을 두고 위치한 162 OFDM 부반송파 위치와 아날로그 변조 반송파 신호(24)를 포함한다. 오디오 또는 데이터 신호(프로그램 요소)를 나타내는 코딩된 디지털 정보는 부반송파 상에서 전송된다. 심볼 레이트는 심볼 간의 보호 시간으로 인해 부반송파 이격보다 작다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 상측파대는 제 1 부분(26) 및 제 2 부분(28)으로 분할되고, 하측파대는 제 1 부분(30) 및 제 2 부분(32)으로 분할된다. 디지털 신호는 제 1 및 제 2 부분에서는 호스트 아날로그 신호의 일 측면 상에서 전송되고, 또한 제 3 부분(34)에서는 호스트 아날로그 신호 아래에서 전송된다. 제 3 부분(34)은 도 1에서 참조번호(36,38,40,42)로 표시된 다수의 부반송파 그룹으로 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 채널의 중앙 근처에 위치한 제 3 부분 내 의 부반송파는 내부 부반송파로 지칭되고, 채널의 중앙으로부터 멀리 위치한 제 3 부분 내의 부반송파는 외부 부반송파로 지칭된다. 이 예에서, 그룹(38,40) 내의 내부 부반송파의 파워 레벨은 중앙 주파수로부터의 주파수 이격에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 도시되어 있다. 제 3 측파대 내의 나머지 부반송파 그룹(36,42)은 실질적으로 일정한 파워 레벨을 갖는다.

도 1은 또한 시스템 제어를 위한 두 개의 참조 부반송파(44,46)를 도시하는데, 이는 부반송파는 아날로그 변조 반송파에 바로 인접한 제 1 부반송파 위치에 위치하고 다른 측파대와는 다른 값으로 고정된 파워 레벨을 갖는다.

주파수(f₀)에서의 중앙 반송파(24)는 QAM 변조되지 않지만, 메인 아날로그 진폭 변조 반송파를 반송한다. 동기화 및 제어 부반송파(44,46)는 반송파에 대해 직교위상 변조된다. AM 반송파의 일 측면 상에서 2 내지 26 및 -2 내지 -26으로 지정된 위치에 위치한 제 3 부분의 나머지 부반송파는 QPSK로 변조된다. 대표적인 부반송파 위치는 도 1에 도시된 부반송파 인덱스로 식별된다. 중앙 주파수의 일 측 상의 위치(2 내지 26) 및 위치(-2 내지 -26)에서의 부반송파는 제 3 부반송파로서 지칭되고 상보적인 쌍(complementary pairs)으로 전송되어 변조된 결과 DAB 신호는 아날로그 변조 AM 신호에 대해 직교위상을 갖는다. AM IBOC DAB 시스템에서의 상보적인 부반송파의 사용은 미국 특허 제 5,859,876 호에 도시되어 있다. 동기화 및 제어 부반송파(44,46)는 또한 상보적인 쌍으로서 변조된다.

이중 측파대(DSB) 아날로그 AM 신호는 ±5 kHz 영역의 대역폭을 점유한다. 하측 및 상측의 제 3 부분은 약 0 내지 약 -5 kHz 영역의 부분대역(sub-band) 및 약 0 내지 약 +5 kHz 영역의 부분대역을 각각 점유한다. 이들 제 3 부분은 서로의 네거티브 복소수 공액이고 상보성을 특징으로 한다. 이 상보 특성은 아날로그 및 디지털 제 3 신호 간에 직교 관계를 유지하여 그들이 수신기 내에서 분리될 수 있도록 하지만, 기존의 종래의 수신기는 여전히 아날로그 AM 신호를 수신할 수 있다. 제 3 부분은 아날로그 혼선을 상쇄하면서 디지털 신호를 추출할 수 있도록 상보적으로 결합되어야 한다. 제 2 부분은 또한 상보 특성을 가지며, 따라서 그들은 수신기측에서 독립적으로 또는 상보적인 결합 이후, 간섭 조건 및 오디오 대역폭에 의존하여 처리될 수 있다. 제 1 부분은 독립적으로 전송된다.

도 2는 전-디지털 IBOC 신호(50)의 스펙트럼 도면이다. 중앙 주파수 대역(52)의 파워는 도 1의 하이브리드 포맷보다 증가한다. 또 다시, 위치(-1,+1)에 위치한 두 개의 부반송파(54,56)는 이진 위상 시프트 키잉을 사용하여 타이밍 정보를 전송한다. 핵심 상측파대(58)는 위치(2 내지 26)의 반송파로 구성되고 핵심 하측파대(60)는 위치(-2 내지 -26)의 부반송파로 구성된다. 측파대(58,60)는 제 1 부분을 형성한다. 부가적인 강화 부반송파의 두 개의 그룹(62,64)은 위치(27 내지 54) 및 위치(-54 내지 -27)를 각각 점유한다. 그룹(62)은 제 2 부분을 형성하고 그룹(64)은 제 3 부분을 형성한다. 도 2의 전-디지털 포맷은 AM 신호가 지연 및 디지털 인코딩된 튜닝 및 백업 버전의 프로그램 요소로 대체된다는 것을 제외하면 하이브리드 포맷과 매우 유사하다. 중앙 주파수 대역은 하이브리드 및 전-디지털 포맷 모두에 있어서 대략 동일한 스펙트럼 위치를 점유한다. 전-디지털 포맷에서, 튜닝 및 백업 버전과 연계하여 메인 버전의 프로그램 요소를 전송하기 위한 두 개의 옵션이 존재한다. 전-디지털 시스템은 채널 중앙 주파수(f₀)의 ±10 내로 제한되도록 설계되며, 메인 오디오 정보는 f₀의 ±5 kHz 내에서 전송되고, 보다 덜 중요한 오디오 정보는 보다 낮은 파워 레벨에서 ±10kHz까지의 채널 마스크의 날개 부분(wings)으로 전송된다. 이 포맷은 커버리지 영역을 증가시키면서 우아한 신호 저하를 허용한다. 전-디지털 시스템은 ±5kHz 보호 영역 내에서 디지털 시간 다이버시티 튜닝 및 백업 채널을 반송한다(디지털 오디오 압축은 보호되는 ±5kHz 내에서 메인 및 오디오 백업 신호 모두를 전달할 수 있는 것으로 가정함). 전-디지털 시스템의 변조 특성은 AM IBOC 하이브리드 시스템에 기초한다.

전-디지털 IBOC 신호는 ±5 kHz 영역 내에 한 쌍의 제 1 부분, -5 kHz 내지 -10kHz 영역 내에 제 2 부분, 및 +5 kHz 내지 +10 kHz 영역 내에 제 3 부분을 포함한다. 전-디지털 신호는 아날로그 성분을 가지고 있지 않으며, 모든 부분은 독립적으로 전송된다(즉, 부분들은 상보적이지 않다).

도 3은 본 발명에 따라 구성된 IBOC 수신기(84)의 기능 블록도이다. IBOC 신호는 안테나(86) 상에서 수신된다. 대역통과 사전선택 필터(88)는 주파수(fc)에서의 원하는 신호를 포함하는 관심 주파수 대역을 통과시키고, (하측 로브 주입 국부 발진기에 대한) f_c-2f_if에서의 이미지 신호를 차단한다. 저잡음 증폭기(90)는 신호를 증폭한다. 증폭된 신호는 혼합기(92) 내에서 동조가능 국부 발진기(96)에 의해 라인(94) 상에 제공된 국부 발진기 신호(f_lo)와 혼합된다. 이것은 라인(98) 상에 합(f_c+f_lo) 및 차((f_c-f_lo)를 생성하다. 중간 주파수 필터(100)는 중간 주파수 신호(f_if)를 통과시키고 관심 변조 신호의 대역폭을 벗어난 주파수는 감쇠시킨다. 아날로그-디지털 컨버터(102)는 클록 신호(f_s)를 사용하여 동작하여 디지털 샘플을 라인(104) 상에 레이트(f_s)로 생성한다. 디지털 다운 컨버터(106)는 신호를 주파수 시프팅, 필터링 및 디시메이션(decimate)하여 보다 낮은 샘플 레이트의 동위상 및 직교위상 신호를 라인(108,110) 상에 생성한다. 디지털 신호 처리기 기반 복조기(112)는 부가적인 신호 처리를 제공하여 출력 장치(116)용 라인(114) 상에 출력 신호를 생성한다.

도 3의 수신기는 본 발명에 따라 구성된 모뎀을 포함한다. 도 4는 본 발명의 반송파 트래킹의 기능 위치를 나타내는 AM HD Radio™ 모뎀(130)의 기능 블록도이다. 디지털 다운 컨버터로부터의 라인(132) 상의 입력 신호는 블록(134)에서 도시되어 있는 바와 같이 반송파 트래킹 및 자동 이득 제어를 거치게 된다. 라인(136) 상의 결과 신호는 라인(140,142) 상에 BPSK 신호, 라인(144) 상에 심볼 벡터(시간 영역에서), 라인(146) 상에 아날로그 변조 반송파를 생성하는 심볼 트래킹 알고리즘(138)을 거치게 된다. 블록(148)에 도시되어 있는 BPSK 프로세싱은 다른 블록에 도시되어 있는 기능에 의해 사용되는 블록/프레임 동기 및 모드 제어 정보(150)를 생성한다. OFDM 복조기(152)는 시간 영역 심볼 벡터를 복조하여 라인(154) 상에 주파수 영역 심볼 벡터를 생성한다.

등화기(156)는 BPSK 및 반송파 신호와 연계하여 주파수 영역 심볼 벡터를 처 리하여 라인(158) 상에 등화된 신호 및 라인(160) 상에 채널 상태 정보를 생성한다. 이들 신호는 디인터리버(164)에서 디인터리빙되고 디프레이머(deframer)(166)에서 매핑되는 브랜치 메트릭(metrics)(162)를 생성하여 라인(168) 상에 연판정(soft-decision) 비트를 생성한다. 비터비 디코더(170)는 연판정 비트를 처리하여 라인(172) 상에 디코딩된 프로그램 데이터 유닛을 생성한다.

본 발명은 HD Radio™ 디지털 모뎀에 사용되는 심볼 트래킹 알고리즘을 제공하다. 심볼 트래킹 알고리즘은 OFDM 심볼의 복조를 신호 샘플의 입력 스트림과 정렬시킨다. 입력은 반송파 트래킹 출력으로부터 (대략 46,878 Hz로 샘플링된) 시간 영역 샘플의 스트림을 포함한다. 심볼 트래킹 기능의 출력은 (대략 172 Hz의) 심볼 레이트를 갖는 시간 영역 심볼 벡터의 시퀀스이다. 심볼 트래킹 알고리즘은 먼저 심볼 타이밍을 획득하여 심볼 타이밍을 트래킹한다. 이 알고리즘은 디지털 정보를 디코딩할 수 있을 때보다 높은 잡음 및 간섭 레벨에서 동작하도록 설계된다. 또한, 알고리즘은 예를 들어 접지 도전성 구조체(GCS)로부터의 페이딩과 같은 상태를 수용하도록 설계된다.

도 5는 심볼 트래킹 알고리즘을 나타내는 기능 블록도이다. 입력(180)은 반송파 트래킹 출력으로부터 (대략 46,878 Hz로 샘플링된) 시간 영역 샘플의 스트림을 포함한다. (라인(182) 상의) 심볼 트래킹의 출력은 (대략 172 Hz의) 심볼 레이트를 갖는 시간 영역 심볼 벡터의 시퀀스(256개의 요소)이다.

샘플 슬립(slip) 버퍼 및 부분 보간기 기능부(184)는 입력 샘플을 수신하고 각 심볼 시간마다 샘플 그룹(오버래핑 그룹)을 선택한다. 각각의 연속적인 OFDM 심볼은 명목상 270 신호 샘플에 정수 slip 샘플을 더한 또는 뺀 샘플만큼 이격된다. 입력의 유효 지연 또는 타이밍 조정은 블록(186)에서 도시되어 있는 바와 같이 각각의 새로운 심볼 주기마다 업데이트되는 부분 샘플 보간 값( sampoffraction ) 및 정수 샘플 슬립 값( sampoffinteger )에 의해 더 조정된다. sampoffinteger 및 sampoffraction 값은 샘플 슬립 버퍼에 사용되는 정수 및 부분 샘플 슬립 값을 제어한다. 샘플 슬립 버퍼의 부분 보간기 부분은 주파수 영역에서의 이후의 보정의 필요성을 제거할 뿐만 아니라, 루프 내의 트래킹 잡음을 감소시킨다.

이 예에서, 입력 심볼은 각각의 연속적 입력 심볼마다 256-포인트 IFFT를 갖는 OFDM 변조를 사용하여 (전송기측에서) 생성되었다. 이 IFFT 결과는 주기적 프리픽스 연장(cyclic prefix extension)을 사용하는 349 시간 영역 샘플(0 내지 348로 표시됨)로 연장되고, 주기적 시프팅 빈(bin)(0)(dc)은 174번째 샘플(빈 174)로 연장된다. 이것은 사전 연장된 IFFT의 시작 샘플을 심볼 펄스의 중앙 기준점에 편리하게 위치시켜, 주기적 연장 이후의 펄스 형상에 대한 유통성을 허용한다. 도 6은 OFDM 복조에 사용되는 윈도우 기능(w)을 나타내는 도면이다. 전송기는 루트-나이퀴스트-상승-코사인 윈도우를 가지고 349-샘플 심볼의 말단을 테이퍼링(tapers)한다. 이들 심볼은 순차적으로 출력 샘플 스트림에 중첩-부가되며 각각의 새로운 심볼은 270 샘플만큼 이격된다.

다음 OFDM 심볼을 처리하기 위해, 슬립 버퍼는 연장되고 테이퍼링된 하나의 심볼 시간(349 샘플)과 하프-오프 심볼 타이밍 모호성 분해능에 대한 하프 심볼 지연(135 샘플)을 합한 것과 동일한 다수의 순차적 샘플, 즉 슬립 버퍼가 필요로 하 는 총 484 샘플을 어셈블링해야 한다. 알고리즘이 각각의 새로운 심볼을 처리하는 경우, 또 다른 270(±slip) 입력 샘플이 이 버퍼로 시프트된다.

484 샘플 버퍼 콘텐츠는 부분 샘플 보간 값( sampoffraction )을 사용하여 보간되어 후속하는 심볼 변조를 위한 보간된 484-샘플 벡터를 형성한다. sampoffraction 에 대한 이 보간은 이산 샘플 위치들 간의 시간 오프셋에서 슬립 버퍼를 조정하기 위해 필요한데, 그 이유는 전제 샘플 슬립은 충분한 시간 분해능을 가지고 있지 않기 때문이다.

보간 필터 구현의 편리성을 위해, 새로운 총 490 샘플에 대해 484-샘플 버퍼의 각 말단에 3 제로-값 샘플이 첨부된다. 이것은 샘플 슬립 버퍼 및 부분 보간기 블록(184) 내에서 수행된다. 7-탭 FIR 필터는 제 1의 7 버퍼 샘플과 일치하는 7 탭으로 시작하는 버퍼와 콘볼루션(convolve)되어 제 1 출력 보간 샘플을 생성한다. 콘볼루션은 디지털 입력 신호(이 경우 490 샘플 버퍼) 양단의 슬라이딩 가중 윈도우로서 FIR 필터 탭을 인가하는 종래의 프로세스이다. 필터는, 7 필터 탭이 마지막 7 버퍼 샘플에 대응될 때 마지막 보간 샘플이 얻어질 때까지 각 증가마다 새로운 보간 샘플을 생성하는 버퍼를 거쳐 진행된다. 490-샘플 출력 벡터는 보간 필터의 폭(span)으로 인해 입력으로부터 6 샘플만큼 감소되어, 일 말단에서 3 제로-첨부 샘플을 제거하여 484-샘플 벡터를 생성한다.

484-샘플 버퍼는 하프-오프(라인(190) 상의 출구 블록(188)) 및 온-타임 심볼(라인(292))을 나타내는 2개의 세그먼트로 분할된다. 제 1 (가장 오래된) 349 샘플은 하프-오프 심볼로 그룹화되고, 마지막 349 샘플(하프-오프를 앞서는 135 샘 플)은 온-타임 심볼로서 그룹화된다. 중간 샘플은 온-타임 및 하프-오프 심볼 모두와 중복된다.

입력 샘플 시퀀스로부터 입력 샘플의 다음 세트를 획득하고 이들 샘플을 후속 복조를 위해 보간하는 알고리즘은 이하에서 기술된다. 신호 입력은 반-무한(semi-infinite) 복소 샘플 시퀀스( sig )이고 샘플은 0 내지 n의 수인 것으로 가정한다. 정수 변수( sampindx )는 이전 심볼의 시작의 샘플 인덱스를 나타내고, slip 는 버퍼 내에서 다음 심볼에 대해 슬립하기 위한 샘플의 계산된 정수(초기 획득 이후 명목상 0임)이고, sampoffraction 은 이 다음 심볼에 대한 부분 샘플 슬립 값이다. 벡터( symsampsext )는 후속 복조를 위한 출력이다.

블록(194,196)으로 예시되어 있는 바와 같이 온-타임 심볼 샘플 및 지연된 하프-오프 심볼 샘플 모두에 대해 윈도우/폴드(window/fold) 기능이 인가된다. 349 샘플은 아래와 같이 계산되는 사전저장된 윈도우 기능( w(k) )을 사용하여 먼저 윈도윙된다(windowed).

BPSK , 메인 반송파 CAR 및 하프-오프 지연된 BPSKh 에 대해 복조된 심볼 값은 (블록(198,200,202)에 예시되어 있는 바와 같이) 적절한 심볼 샘플( symsamps )를 윈도윙 및 폴딩한 이후에 계산된다. CAR 은 아날로그 변조 반송파이다. BPSK 및 BPSKh 는 아날로그 변조 반송파에 인접한 부반송파이다.

메인 반송파( CAR )는 복소 샘플을 간단히 합산함으로써 복조되고, BPSK 및 BPSKh 는 제 1 DFT 빈을 나타내는 복소 페이저(phasor)에 의한 벡터 곱셈을 필요로 한다. 샘플( symsamps )의 벡터는 후속 OFDM 복조, BPSK 프로세싱, 및 (선택에 따라) 평탄 페이딩 보상 알고리즘에 사용될 외부 출력이다. BPSK 및 CAR 값은 심볼 트래킹 기능에 사용될 수 있다. 알고리즘은 다음과 같이 요약된다.

심볼 타이밍 에러는 복조된 BPSK 심볼로부터 유도된다. ±1 부반송파 위치의 부반송파에 대한 BPSK 심볼은 다음과 같이 기술된다.

n번째 복조된 BPSK 심볼은 다음과 같이 추출된다.

여기서, y는 BPSK 심볼의 허수 차원 상에 부가된 정보이다.

BPSK 심볼로부터 추정된 타이밍 에러는 다음과 같이 계산될 수 있다.

y가 실수인 경우

타이밍 에러의 함수로서의 이 에러 신호의 플롯은 도 7에 도시되어 있다. 도 8은 에러 검출기 특성 대 하프-오프 모호성을 나타내는 1 심볼 시간에 걸친 타이밍 에러에 대한 플롯이다.

이 타이밍 메트릭이 정상 및 하프-오프로 지칭되는 2개의 안정 지점(0을 가로지르며 양의 기울기를 가짐)을 갖는 것으로 간주하는 것이 중요하다. 그러나, 타이밍 에러가 큰 경우 인접 심볼과의 오버랩을 고려하지는 않았다. 이것은 BPSK(n) 의 크기 제곱 값을 감소시키는 효과를 갖는다. 이 특성은 하프-오프 심볼 타이밍 에러 상태를 결정하는데 사용되는 파라미터( diff )의 계산에서 이용된다. 변수( diff )는 온-타임 및 하프-오프 BPSK 심볼 에너지 간의 필터링되고 정규화된 차이를 나타낸다.

온-타임 상태는 포지티브 diff 값을 생성하는 반면, 하프-오프 상태는 네거티브 diff 값을 생성한다. diff 의 이러한 특성은 하프-오프 시볼 타이밍 에러 모호성을 해결하는데 사용된다.

이 애플리케이션에 있어서 타이밍 에러에 대한 보다 유용한 표현이 유될 수 있다. 타이밍 에러 유닛은 128/π과의 곱셈을 통해 라디안에서 신호 샘플로 변환된다. 값은 심볼 크기의 제곱에 의해 정규화될 수 있지만, 입력 신호가 손실되거 나 또는 작은 경우 이 에러를 억압하기 위해 이 양( sympeakhold )에 대해 보다 긴 기간의 피크를 갖는 정규화가 바람직하다. 또한, 신호가 유효한 것으로 알려지기 전에, 하프-오프 모호성이 해결될 때까지 온-타임 및 하프-오프 BPSK 값 모두가 사용되어야 한다. 따라서, 샘플 타이밍 에러( samperr )에 대한 후속하는 표현이 심볼 트래킹 PLL에 사용된다.

samperr 를 계산하는데 필요한 내부 및 조건 루프 파라미터의 일부는 후속하는 알고리즘에 의해 계산된다.

입력 신호가 유효한 경우( validsigin =1 ) 루프 파라미터를 업데이트하는 상기 알고리즘은 다음과 같이 요약된다. sympeakhold 는 (블록(204)에 도시되어 있는 바와 같이) BPSK 의 크기 제곱 값 또는 BPSKh 값 또는 이전 sympeakhold 값의 필터링된 붕괴 값의 최대치로서 계산된다. 현재 심볼의 에너지 대신 간단히 Sampeakholddml 를 사용하게 되면, samper 의 계산에서 잡음 및 페이딩 영향이 감소된다.

이것은 단기간 페이딩에 걸쳐 플라이휠 특성을 위해 사용된다. 메인 반송파의 실수 부분 및 허수 부분의 비율이 수용가능한 범위 내에 있는 경우 입력 신호는 유효한 것으로( validsigin =1 ) 결정된다(블록 206). diff 신호는 앞서 설명한 바와 같이 업데이트되고, 임계값과 비교되어(블록 208) 획득 타이밍이 온-타임인지 또는 하프-오프 모호성이 검출되었는지를 판정한다. 하프-오프 상태가 검출되면, 샘플 슬립 halfoff 조정 값은 135 샘플로 설정되어 이하에서 기술되는 다음의 알고리즘 섹션에서 이 심볼에 대해 슬립 버퍼를 보정한다. 샘플 에러( samperr )는 앞서 설명한 바와 같이 계산된다(블록 210). enabletrack 값(블록 212)은 validsigin =1 상태가 발생한 것이 처음인지를 결정하는데 사용된다. enabletrack =0 인 경우, enabletrack,samperrmag, g 및 g2 의 값은 블록(213)에 도시되어 있는 바와 같이 초기화되어 트래킹을 시작한다. 값 g 및 g2 는 루프 이득을 적응적으로 제어하는데 사용된다. 하프-오프 심볼 타이밍 모호성은 validsigin , diff , validsign 및 halfadj 프로세싱을 통해 해결된다.

입력 샘플 슬립 버퍼 및 부분 보간기로의 피드백을 위한 sampoffraction (슬 립 버퍼 내에서 타이밍 조절을 위한 샘플의 분수) 및 slip (슬립 버퍼 내에서 타이밍 조절을 위한 샘플의 정수)값을 유도하는 나머지 루프 파라미터는 후속하는 알고리즘에 의해 계산된다.

입력 샘플 슬립 버퍼 및 부분 보간기로의 피드백을 위한 sampoffractoin 및 slip 값을 계산하기 위한 알고리즘은 다음과 같이 요약된다. 적응 루프 이득( g )은 블록(124)에 도시되어 있는 바와 같이 필터링된 샘플 에러 신호( samperr )의 절대값의 함수로서 정의된다. 이 필터링은 중간 IIR 필터링된 신호( samperrfilt )(필터링된 samperr ) 및 samperrfiltmag ( samperrfilt 의 크기의 필터링))를 통해 달성된다. 이것은 큰 샘플 타이밍 에러가 계속적으로 검출되는 경우 루프 이득을 증가시키는 효과를 갖는다. 절대값을 취하기 전에 samperr 을 먼저 샘플링하는 이유는 랜덤 타이밍 잡음에 대한 적응 이득을 감소시키기 위함이고, 이 타이밍 에러의 절대 값( samperrmag )은 보다 영속적인 타이밍 에러 바이어스를 나타낸다. 따라서, 랜덤 잡음 혼란 대신 타이밍 에러가 영속적인 경우 이득이 증가된다.

본 발명은 외부 제어없이 필요하다고 여기는 심볼 타이밍을 자율적으로 획득 및 재획득한다. 이것은 g, g2 , enabletrack , samperrmag 의 초기화 및 제 1 유효 블록(212)이 선언되는 시기의 초기화를 통해 달성된다. 그것은 또한 적응 이득( g, g2 )에 의해 달성된다. 따라서, 이러한 동작을 자율적으로 행하기 위해 함께 동작하는 몇몇 상호작용 구성요소가 존재한다. 적응 이득( g, g2 )은 획득 이후 즉각 고속 트래킹을 제공하고, 그런 다음 정상 상태 이후 이득이 감소되는 경우(루프 대역폭이 좁아지는 경우) 트래킹 에러를 감소시킨다. 이것은 보다 긴 시상수에 걸쳐 추정을 위한 잡음 샘플을 평균화함으로써 에러를 감소시킨다. 이것은 samperrfilt 및 samperrfiltmag 가 내부 타이밍 트래킹 에러에 대한 프록시로서 사용되고 그런 다음 보다 정확한 트래킹을 위해 루프 이득을 적응적으로 조정하는데 사용되는 slip 및 sampoffraction 에 대한 알고리즘 내에서 유일하게 달성된다.

적응 루프 이득( g2 )은 획득에서의 초기화된 값으로부터의 붕괴 값으로서 간단히 적응된다. slop (블록 216)은 위상 에러 대신 심볼 타이밍 주파수 에러 또는 위상 슬로프를 트래킹하는데 사용된다. 이 슬로프는 2차 PLL 특성을 생성하는 samperr 의 필터링된 버전이다. 심볼 타이밍 에러 보정 값( sampoff )은 그의 이전 값, 적응 이득( g )의 제곱이 가중된 이 심볼( samperr )에 대한 추정된(잡음) 샘플 에러, 및 슬로프(주파수 에러)의 적분(누산) 함수로서 계산된다(블록 218). 이 sampoff 값은 정수 부분( slip )과 분수 부분( sampoffraction )으로 분리된다. 이 슬 립 값은 앞서 설명한 바와 같이 halfadj 값으로 더 조정된다. slip 값은 입력 슬립 버퍼를 조정하는데 사용되고, sampoffraction 값은 입력 샘플 보간기를 조정하며, 이들 모두는 앞에서 설명하였다. 이것은 피드백 루프를 폐쇄시켜 결국 심볼 타이밍이 OFDM 복조의 정상 동기 동작을 위해 획득되고 트래킹된다. slop 의 계산은 신호가 페이딩되는 경우 플라이휠 기능을 허용한다. 큰 수를 피하기 위해, 절대 샘플 인덱스 대신 명목상 모듈(270)(심볼 당 샘플들)을 간단히 사용한다.

알고리즘은 그 자신의 결정된 심볼 레이트로 동작하지만, 이용가능한 새로운 입력 샘플들 모두를 비동기적으로 처리하고 적절한 수의 출력 심볼을 출력하는 심볼 트래킹 기능을 호출할 수 있다. 알고리즘은 모든 변수가 0으로 초기화되도록 설계되는데, 이는 이전값이 예상되는 순환 필터에 사용되는 일부 변수들에 대해 특히 중요하다. BPSK 복조에 사용되는 복소 지수 및 계수를 윈도윙하는 벡터는 계산 효율을 위해 사전계산되고 저장되어야 한다. 획득 및 재획득은 필요에 따라 자율적으로 발생하며, 따라서 명시적인 제어가 필요하지 않다.

심볼 트래킹 알고리즘은 2차 PLL로서 동작한다. 위상 에러 또는 심볼 타이밍 에러는 복조된 BPSK 심볼 출력으로부터 유도되어 이 에러가 작은 경우 타이밍 에러에 대략 비례하는 에러 신호를 생성한다. 이러한 유형의 위상 검출기는 온-타임과 하프-오프 심볼 트래킹 상태를 쉽게 구별할 수 없기 때문에, 심볼 트래킹 알고리즘 내에서 이러한 모호성을 해결하기 위한 부가적인 기능이 제공된다. 루프 필터는 트래킹 상태의 함수로서 이득이 동적으로 조정되기 때문에, 적응성을 갖는다. 이것은 PLL이 신호가 존재하는 때를 신속하게 획득 및 트래킹하며, 신호 중단 동안에는 지나가도록(coast)할 수 있다. 루프 필터의 출력은 각 심볼 주기마다 심볼 타이밍 조정 값을 유도하는데 사용된다. 이 타이밍 조정은 입력 샘플렝 대해 동작하는 부분 보간기 및 슬립 버퍼를 조정하는데 사용되는 정수 및 분수 샘플 에러 값 모두로 구성된다. 추정된 타이밍 에러의 이러한 네거티브 피드백은 타이밍 에러가 정확한 트래킹을 위한 수용가능한 작은 값에 이르게 한다.

도 9는 획득 및 트래킹 동안의 예시적인 심볼 타이밍 에러의 플롯이다. 도 9는 심볼 타이밍 획득 및 트래킹 성능을 나타낸다. 이 예는 70dB/Hz의 적당한 반송파-잡음 밀도 비율을 갖는 한 쌍의 -20 dB의 제 1 인접 간섭자를 갖는 전형적인 반송파 주파수 에러로 시뮬레이션된다. 초기 심볼 타이밍 에러는 20 샘플 오프셋으로 설정되었다. 타이밍 에러는 약 12 심볼 시간 이후 복조의 시작에 대해 충분히 작으며, 적응 루프 이득 함수로 인해 약 20 심볼 시간 이후에 작은 트래킹 에러로 정착된다.

본 발명은 HD Radio™ AM 수신기 모뎀에 심볼 획득 및 트래킹 알고리즘을 제공한다. 도면에 도시되고 전술한 기능은 공지된 회로 소자, 예를 들어 하나 이상의 프로세서 및/또는 애플리케이션 특정 집적 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 알고리즘은 반송파 획득 및 트래킹 이후에 그리고 모뎀 내의 등화 알고리즘 이전에 사용된다. 이 심볼 트래킹 알고리즘은 또한 심볼 트래킹 루프 내의 임의의 부분 샘플 타이밍 에러에 대한 위상 보상을 수행하여, 후속하는 OFDM FFT 복조 이후에 부반송파 양단의 위상 슬로프 보정의 필요성을 제거한다. 시뮬레이션 결과는 수신기 환경에서 겪을 수 있는 전형적인 잡음 및 간섭 상태 하에서 양호한 성능을 보여 준다. 심볼 트래킹 성능은 상태들이 에러 보정을 갖는 디지털 신호의 디코딩을 허용할 때마다 양호한 것으로 나타났다. 따라서, 심볼 트래킹은 디지털 커버리지의 한정 요소가 결코 아니었다. 이러한 심볼 트래킹 알고리즘을 사용하는 수신기의 예비 필드 테스트는 시뮬레이션 결과를 확인하였다.

본 발명은 몇몇 예를 들어 기술되었지만, 후속하는 청구항 내에 기술된 본 발명의 범주를 벗어나는 일 없이 상술한 예에 대해 다양한 변화가 가해질 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다.

Claims

AM 인-밴드 온-채널 무선 수신기(AM in-band on-channel radio receivers)에서 심볼을 트래킹하는 방법에 있어서,

시간 영역 샘플의 스트림을 수신하는 단계와,

각 심볼 주기마다 심볼 타이밍 조정 값에 응답하여 심볼 시간과 하프 심볼 지연(half symbol delay)을 합한 것과 동일한 상기 시간 영역 샘플의 세트를 어셈블링하는 단계와,

상기 시간 영역 샘플을 보간하는 단계와,

상기 보간된 시간 영역 샘플을, 하프-오프(half-off) 심볼을 나타내는 제 1 그룹의 샘플과 온-타임(on-time) 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플로 분할하는 단계와,

심볼 타이밍 조정 값을 생성하도록 상기 제 1 및 제 2 그룹의 샘플을 처리하는 단계와,

온-타임 심볼을 나타내는 상기 제 2 그룹의 샘플을 심볼 레이트로 출력하는 단계

를 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 그룹의 샘플은 오버래핑되는 심볼 트래킹 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 타이밍 조정 값은 부분 보간 제어 값(fractional interpolation control value)을 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 온-타임 심볼 샘플 및 상기 하프-오프 심볼 샘플 모두에 윈도우/폴드(window/fold) 기능을 적용하는 단계를 더 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 시간 영역 샘플의 스트림은 메인 반송파 및 한 쌍의 BPSK 부반송파 상에서 수신되고, 상기 방법은 상기 메인 반송파 및 상기 BPSK 부반송파에 대한 심볼 값을 복조하는 단계를 더 포함하는

심볼 트래킹 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 복조된 BPSK 심볼로부터 심볼 타이밍 에러를 유도하는 단계를 더 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 6 항에 있어서,

하프-오프 심볼 타이밍 에러 모호성을 분해하는 단계를 더 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 6 항에 있어서,

심볼 피크 값을 사용하여 상기 심볼 타이밍 에러를 정규화하는 단계를 더 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 처리하는 단계에서 루프 이득을 적응적으로 제어하는 단계를 더 포함하는 심볼 트래킹 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 처리하는 단계에서 슬로프 변수를 계산하는 단계를 더 포함하는 심볼 트래킹 방법.
AM 인-밴드 온-채널 무선 수신기에서 심볼을 트래킹하는 장치에 있어서,

시간 영역 샘플의 스트림을 수신하는 입력단과,

각 심볼 주기마다 심볼 타이밍 조정 값에 응답하여 심볼 시간과 하프 심볼 지연을 합한 것과 동일한 상기 시간 영역 샘플의 세트를 어셈블링하고, 상기 시간 영역 샘플을 보간하고, 상기 보간된 시간 영역 샘플을, 하프-오프(half-off) 심볼을 나타내는 제 1 그룹의 샘플과 온-타임(on-time) 심볼을 나타내는 제 2 그룹의 샘플로 분할하며, 심볼 타이밍 조정 값을 생성하도록 상기 제 1 및 제 2 그룹의 샘플을 처리하는 프로세서와,

온-타임 심볼을 나타내는 상기 제 2 그룹의 샘플을 심볼 레이트로 출력하는 출력단

을 포함하는 심볼 트래킹 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 그룹의 샘플은 오버래핑되는 심볼 트래킹 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 타이밍 조정 값은 부분 보간 제어 값을 포함하는 심볼 트래킹 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 온-타임 심볼 샘플 및 상기 하프-오프 심볼 샘플 모두에 윈도우/폴드(window/fold) 기능을 적용하는 심볼 트래킹 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 시간 영역 샘플의 스트림은 메인 반송파 및 한 쌍의 BPSK 부반송파 상에서 수신되고, 상기 프로세서는 상기 메인 반송파 및 상기 BPSK 부반송파에 대한 심볼 값을 복조하는

심볼 트래킹 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 복조된 BPSK 심볼로부터 심볼 타이밍 에러를 유도하는 심볼 트래킹 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 프로세서는 하프-오프 심볼 타이밍 에러 모호성을 분해하는 심볼 트래킹 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 프로세서는 심볼 피크 값을 사용하여 상기 심볼 타이밍 에러를 정규화하는 심볼 트래킹 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 프로세서는 처리 과정에서 루프 이득을 적응적으로 제어하는 심볼 트래킹 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 프로세서는 처리하는 과정에서 슬로프 변수를 계산하는 심볼 트래킹 장치.