JP2006014334A - デジタル受信機のチャンネル・プロファイルを用いたシンボル・タイミング・エラーの検出装置及びそのシンボル・タイミング・エラーの検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンネル・プロファイルを通じて搬送波周波数のエラーに関係なくシンボル・タイミング・ドリフトを補正するシンボル・タイミング・エラーの検出装置及び検出方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置は、入力された信号を所定の個数の単位で振り分けられたＰＮシーケンスを用いて非コヒーレント相関値を求めチャンネル・プロファイルを算出する非コヒーレント相関部と、チャンネル・プロファイルの所定の部分をウィンドウし格納するブロック・バッファと、ブロック・バッファに格納された前チャンネル・プロファイルを非コヒーレント相関部から出力された現チャンネル・プロファイルとパターン整合し比較するプロファイル比較部と、チャンネル・プロファイルのパターン整合によるシンボル・インデックスの差をシンボル・タイミング・ドリフトとして検出するシンボル・タイミング推定部と、を含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、デジタル受信機のシンボル・タイミング・エラーの検出装置に関し、より詳しくは、デジタル受信機のシンボル・タイミングを復元するためにチャンネル・プロファイルを通じて搬送波周波数のオフセットに関係なくシンボル・タイミング・エラーを補正するためのシンボル・タイミング・エラーの検出装置及びそのシンボル・タイミング・エラーの検出方法に関する。

一般に、デジタル通信システムでは、受信側でのサンプリング・タイミングと送信側でのサンプリング・タイミングとが正確に一致しなければ、受信した信号を精度よく復元することができない。このために受信側では、シンボル・タイミング復元装置を使用する。

図１は、ＶＳＢ方式デジタル受信機のタイミング復元装置の一例を示す。アンテナを介して受信した信号は、ダウンコンバーター１０を介してベースバンドの信号に変換され、Ａ／Ｄコンバーター２０を介してデジタル信号に変換される。ここで、ダウンコンバーター１０とＡ／Ｄコンバーター２０の順番は入れ替わってもよく、受信した信号をデジタル信号に変換した後、ベースバンドの信号に変換すればよい。

Ａ／Ｄコンバーター２０によりデジタル信号に変換されたベースバンドの信号は、インターポレータ３０を介してサンプリング時点を補正し、補正された信号は、タイミング・エラー検出器４０に入力される。タイミング・エラー検出器４０は、入力された信号のタイミング・エラーを検出してループ・フィルター５０に入力し、ループ・フィルター５０の出力を用いて、タイミング・プロセッサ６０では適正なサンプリング時点を算出しインターポレータ３０に入力する。これにより受信機のＡ／Ｄコンバーター２０で発生したタイミング・エラーを補正するようになる。

特に、タイミング・エラーの補正のためには、タイミング・エラー検出器４０による精度よいタイミング・エラーの検出が必要であり、このために、一般に、２つの方法が用いられる。

図２及び図３は、一般のタイミング・エラーの検出方法の説明に供される図である。

図２を参照して、タイミング・エラーの検出のために用いられる従来の２つの方法のうちガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ）が提案したタイミング・エラー検出アルゴリズムを説明する。ガードナー・タイミング・エラー検出アルゴリズムによれば、ベースバンドのデータ・レートの２倍となるサンプリング・レートを有する信号を入力として受け、現信号から２サンプル前の信号を減算する。２サンプル前の信号は、データ・レートとしては１サンプル前の信号にあたる。そして、減算した信号に現信号の１サンプル前の信号を掛ける。これによる出力信号が現信号のタイミング・エラーの度合いを示すようになる。

ガードナー・アルゴリズムは、多重レベルを有する信号のタイミングの復元を行うためのアルゴリズムであって、次の式１で表すことができる。

前記式中、実数部Ｉと虚数部Ｑの信号に分けてタイミング・エラーを算出することは、受信したＶＳＢやＯＱＡＭ信号が実数部Ｉと虚数部Ｑで構成されるため、それぞれに対してタイミング・エラーを算出し、それらを足し算するためである。前記のようにしてタイミング・エラーを検出すれば、ＱＰＳＫやＱＡＭ信号では搬送波周波数または位相エラーによる影響にほぼ関係なくタイミング・エラーを検出することができる。

しかし、ガードナー・タイミング・エラー検出アルゴリズムは、ＶＳＢやＯＱＡＭなどのシステムでは搬送波周波数エラーまたは位相エラーにより深刻な影響を受けるようになる。これは、ＶＳＢやＯＱＡＭ信号の特性から起因する問題であると考えられる。

図４は、ＶＳＢ、ＯＱＡＭ信号の特性を示す図である。同図を参照すれば、ＶＳＢやＯＱＡＭ信号においてデータは、実数部Ｉと虚数部Ｑに交互に乗せられる形態をもっている。図４において黒色はデータが乗せられた状態を示し、白色はデータが乗せられていない状態を示す。

図４を参照すれば、ＶＳＢやＯＱＡＭの場合、データが実数部Ｉと虚数部Ｑに交互にすれ違いに乗せられるため、かかる信号に対しガードナー・アルゴリズムを用いてタイミング・エラーを検出すれば、搬送波周波数のエラー及び位相エラーによる影響を受けるようになる。

即ち、ＱＰＳＫやＱＡＭ信号の場合、実数部と虚数部の両方の信号に同時にデータが乗せられており、搬送波周波数のエラー項が相殺する効果を奏する反面、ＶＳＢやＯＱＡＭ信号の場合、実数部及び虚数部のいずれかの信号にデータが乗せられていれば、他方の信号が空いていて、搬送波周波数及び位相エラー項が相殺されずタイミング・エラーの検出に影響を与えるようになり、搬送波周波数エラーまたは位相エラーが発生するチャンネル環境においてタイミング復元性能が劣化するという不具合がある。

図３を参照して、タイミング・エラーの検出のために用いられる従来の２つの方法のうち、送受信機間で知っている信号（以下、既知信号）を用いてタイミング・エラーを検出するアーリー・レート（ｅａｒｌｙ ｌａｔｅ）・タイミング・エラー検出アルゴリズムを説明する。アーリー・レート・タイミング・エラー検出アルゴリズムは、信号に対する前処理を通じて知らない信号に対しても適用可能なアルゴリズムである。

アーリー・レート・タイミング・エラー検出アルゴリズムは、好適なサンプリング時点の前と後の信号値が同一であるということを用いたタイミング・エラー検出方法である。アーリー・レート・タイミング・エラー検出アルゴリズムによれば、ベースバンドのデータ・レートと同じか、またはそれより速いサンプリング・レートを有する信号を入力として受けて既知信号を抽出するか、好適な信号処理過程を経てアーリー・レート・アルゴリズムを適用するに適する信号を抽出する。そして、最適のサンプリング時点の直前と直後の信号の差を、タイミング・エラー信号として算出する。

一般のアーリー・レート・タイミング・エラー検出方法を前記信号処理過程に適用する手法を変えることによって、様々な変形のタイミング・エラー検出方法を導出することができ、ガードナー・タイミング検出方法もかかる変形の一種とみることができる。

ガードナー・タイミング検出方法と同様に、一般のアーリー・レート・タイミング・エラー検出方法も同じく搬送波周波数エラー及び位相エラーに根本的に弱いという特性を持っている。これは、アーリー・レート・タイミング・エラー検出方法において信号の波形を用いてタイミング・エラーを抽出するためであり、搬送波周波数や位相エラーがある場合、抽出される信号の波形が歪んでしまいタイミング・エラーが正しく検出されないという問題点が発生する。従って、既知信号に基づいてタイミング・エラーを抽出するとしても搬送波周波数や位相エラーがある場合、タイミング・エラーが正しく検出できないという問題点がある。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、チャンネル・プロファイルにより搬送波周波数エラーに関係なくシンボル・タイミング・ドリフトを補正するシンボル・タイミング・エラー検出装置及びそのシンボル・タイミング・エラー検出方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置は、入力された信号を所定の個数の単位で振り分けられたＰＮシーケンスを用いて非コヒーレント相関値を求めチャンネル・プロファイルを算出する非コヒーレント相関部と、前記チャンネル・プロファイルの所定の部分をウィンドウし(window)格納するブロック・バッファと、前記ブロック・バッファに格納された前チャンネル・プロファイルを前記非コヒーレント相関部から出力された現チャンネル・プロファイルとパターン整合し比較するプロファイル比較部と、前記チャンネル・プロファイルのパターン整合によるシンボル・インデックスの差をシンボル・タイミング・ドリフトとして検出するシンボル・タイミング推定部と、を含む。

好ましくは、前記非コヒーレント相関部で算出された前記非コヒーレント相関値は、次の式のように与えられる。

前記式中、ｒ（ｋ）は入力信号を表し、ｐ（ｋ）はＰＮシーケンスを表す。

また、前記非コヒーレント相関部は、前記ＰＮシーケンスを“Ｋ”個の単位で振り分けた次の式のように与えられるサブシーケンスを用いて前記非コヒーレント相関値を算出することが好ましい。

前記式中、Ｐ（ｎ）はＰＮシーケンスを表す。

好ましくは、前記プロファイル比較部の計算量の低減のために前記チャンネル・プロファイルを量子化する量子化部を更に含む。

また、本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出方法は、入力されたサンプリング信号を所定の個数の単位で振り分けられたＰＮシーケンスを用いて非コヒーレント相関値を求めチャンネル・プロファイルを算出するステップと、前記チャンネル・プロファイルの所定の部分をウィンドウし格納するステップと、前記格納ステップにおいて格納された前チャンネル・プロファイルを前記チャンネル・プロファイル算出ステップにおいて算出された現チャンネル・プロファイルとパターン整合し比較するステップと、前記チャンネル・プロファイルのパターン整合によるシンボル・インデックスの差をシンボル・タイミング・ドリフトとして検出するステップと、を含む。

本発明によれば、非コヒーレント相関によりチャンネル・プロファイルを算出し、これを用いてシンボル・タイミング・ドリフトを検出し、チャンネル環境の影響による搬送波周波数のオフセットに関係なくタイミング・エラーを補正することができる。

以下、添付の図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。

［実施例］
図５は、本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置に関する概略的なブロック図である。

図５を参照すれば、シンボル・タイミング・エラー検出装置は、非コヒーレント相関部（Ｎｏｎ−ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）１１０と、量子化部１２０と、ブロック・バッファ１３０と、プロファイル比較部１４０、及びシンボル・タイミング推定部１５０とを含む。

非コヒーレント相関部１１０は、受信したＶＳＢデジタルＴＶ信号のフィールド同期信号に対し非コヒーレント相関を行ってチャンネル・プロファイルを算出する。非コヒーレント相関部１１０で行う非コヒーレント相関方法は、搬送波周波数のオフセットに関係なくチャンネル・プロファイルを得るためのものであって、パーシャル非コヒーレント相関方法を用いる。これについては、後で詳述する。

量子化部１２０は、非コヒーレント相関部１１０で算出されたチャンネル・プロファイルに対し閾値を適用するか、量子化方法により計算量を低減するための加工を行う。これは、チャンネル・プロファイルが多数のレベルを有する小数値を含むため、これよりノイズ成分にあたる比較的に低いレベル値を除去し整数値に加工することでプロファイル比較部１４０の計算容量を低減するためである。

ブロック・バッファ１３０は、前フィールドから抽出されたチャンネル・プロファイルを格納しておき、これを現フィールドから抽出されたチャンネル・プロファイルと比較できるようにする。この場合、チャンネル・プロファイルの全体を格納してもよいが、チャンネル・プロファイルの所定の部分をウィンドウしてブロック格納することが好ましい。また、格納すべき所定の部分の大きさは、求められるタイミング・エラーの補正範囲に応じて異ならせて決めてもよい。

プロファイル比較部１４０は、ブロックバッファ１３０に格納された前チャンネル・プロファイルと非コヒーレント相関部１１０により抽出された現チャンネル・プロファイルとを、パターン整合により比較する。パターン整合の範囲は、求められるタイミング・エラーの補正範囲に応じて設定される。

シンボル・タイミング推定部１５０は、プロファイル比較部１４０でパターン整合された現チャンネル・プロファイルとブロック・バッファ１３０に格納された前チャンネル・プロファイルとのインデックスの差を検出しシンボル・タイミング・ドリフトの量を検出する。シンボル・タイミング・ドリフトは、一般に、複数個のシンボルに対するタイミングのエラーとして表され、本発明に係るシンボル・タイミング・エラー検出器は、かかるシンボル・タイミング・エラーに対する粗シンボル・タイミング推定器（ｃｏａｒｓｅ ｓｙｍｂｏｌ ｔｉｍｉｎｇ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ）にあたる。

図６及び図７は、本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置の動作説明に供される図であり、図８は、本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出方法の説明に供される図である。以下、同図面に基づき、本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置の動作を詳細に説明する。

本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置に受信したＶＳＢ信号が入力されれば（Ｓ２１０）、非コヒーレント相関部１１０は、フィールド単位で非コヒーレント相関値を計算し、チャンネル・プロファイルを算出する（Ｓ２２０）。

まず、次の式４のようにフィールド同期信号のうちＭ個のＰＮ信号を順番に沿って‘Ｋ’個単位のシンボルに振り分け、Ｎ個のシンボルからなるサブシーケンス“ｐ（ｎ）”で表す。

次いで、受信した信号“ｒ（ｋ）”に対し、前記サブシーケンス“ｐ（ｎ）”を用いて、次の式５に沿ってパーシャル非コヒーレント相関値を求める。

従って、“Ｋ”の大きさによってチャンネル・プロファイルが算出できる搬送波周波数のオフセットの範囲が異なるが、算定された範囲内では、搬送波周波数のオフセットに関係なくほぼ同一のチャンネル・プロファイルが得られる。ここでは、パーシャル非コヒーレント相関値に対する絶対値にて表したが、複素信号相関値のパワーにあたる。

次いで、前記のように算出されたチャンネル・プロファイルに対し所定の閾値を適用してノイズ成分を除去し、量子化方法によりパターン整合に必要な計算量が低減できるように加工を行う。適用される閾値や量子化方法は、タイミング・エラーの検出のために必要な計算量、ハードウェアの複雑度及び求められる精度などを考慮して決めることが好ましい。加工されたチャンネル・プロファイルは、主パスが含まれた部分をウィンドウしてブロック格納を行い、格納された前フィールドのチャンネルプロファイルと現フィールドのチャンネル・プロファイルに対しパターン整合を行う（Ｓ２３０）。

一方、パターン整合を行うために格納される部分は、主パスを含む部分であることが好ましく、そのウィンドウの大きさは、求められるタイミング・エラーの補正範囲に応じて異ならせて設定すればよい。図７は、パターン整合のために格納されるウィンドウ設定方法を説明する図である。

次いで、図６を参照すれば、パターン整合により前フィールドの（ｎ−１）番目フィールドのチャンネル・プロファイルと現フィールドのｎ番目フィールドのチャンネル・プロファイルの主パスを中心に整合される部分のインデックスの差を検出し、１フィールド当たりに発生したタイミング・ドリフトの量をタイミング・エラー値として検出する（Ｓ２４０）。

また、前記方法で検出したタイミング・ドリフトの量を累積し平均値を算出して、より精度よくタイミング・エラーの検出及び補償を行うことができる。

本発明は、搬送波周波数のオフセットに関係なく非コヒーレント・チャンネル・プロファイルを用いてタイミング・ドリフトを検出し補正することでタイミング・エラー検出器の出力に接続される精密シンボル・タイミング復元回路（ｆｉｎｅ ｓｙｍｂｏｌ ｔｉｍｉｎｇ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｉｒｃｕｉｔ）の性能を改善することができるという長所をもっている。

一般に、シンボル・タイミングの復元時、タイミング・オフセットの補償範囲を広げれば残留誤差が大きくなり、この残留誤差を軽減させようとすれば、補償範囲や変化するタイミング・オフセットを補償するのに時間が多くかかるという短所を抱えている。しかし、本発明によれば、タイミング・ドリフトを補正し、相当に大きなタイミング・オフセットの場合でも１フィールド当たりに０．５シンボル以内のタイミング・オフセット（約１．９２ｐｐｍ）に軽減することができる。また、多数のフィールドに対するタイミング・オフセットを累積して得た平均値を用いる場合、タイミング・オフセットをより小さく軽減できるため、後段に接続される精密シンボル・タイミング復元回路の性能を極大化することができる。

既存のシンボル・タイミング復元装置の場合、検出可能なタイミング・オフセットの範囲が相当に制限的であったのに対し、本発明に係るシンボル・タイミング検出装置は、チャンネル・プロファイルのパターン整合の範囲を調節することにより相当に大きなタイミング・オフセットの検出及び補償が可能である。

また、従来のシンボル・タイミング復元装置の場合、一般に、搬送波周波数のオフセットによってシンボル・タイミングの復元に影響を受けるようになるが、本発明に係るシンボル・タイミング検出装置によれば、搬送波周波数のオフセットに関係なく動作し、粗搬送波周波数のオフセット復元装置と並行して動作可能であるという長所がある。

そして、一般に、マルチパスが多く存在するチャンネルの場合、シンボル・タイミング復元装置の性能が劣化するという問題点があるが、本発明に係るシンボル・タイミング検出装置は、チャンネル・プロファイルの複雑性に関係なく動作し、単にフィールド単位の非コヒーレント・チャンネル・プロファイルの変化量によって影響を受けるという長所をもっている。

さらに、非コヒーレント相関値を用いてＶＳＢ信号の同期を検出する同期検出器としても使用することができ、同期信号を参照信号として用いる他の搬送波周波数のオフセット復元アルゴリズムやシンボル・タイミング復元アルゴリズムを適用することができる。また、閾値方法と量子化方法、パターン整合方法の選択及び調整によりハードウェアの複雑度、計算量及び精度を調節することができる。

ＶＳＢ方式デジタル受信機においてサンプリング・タイミングが送信側のサンプリング・タイミングと精度よく一致するように、受信した信号を精度よく復元するのに適用され得る。

デジタル受信機のタイミング復元装置の一例を示す図である。 一般のタイミング・エラーの検出方法の説明に供される図である。 一般のタイミング・エラーの検出方法の説明に供される図である。 ＶＳＢ、ＯＱＡＭ信号の特性を示す図である。 本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置に関する概略的なブロック図である。 本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置の動作説明に供される図である。 本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出装置の動作説明に供される図である。 本発明に係るシンボル・タイミング・エラーの検出方法の説明に供されるフローチャートである。

符号の説明

１１０ 非コヒーレント相関部
１２０ 量子化部
１３０ ブロック・バッファ
１４０ プロファイル比較部
１５０ シンボル・タイミング推定部

Claims (8)

1. 入力された信号を所定の個数の単位で振り分けられたＰＮシーケンスを用いて非コヒーレント相関値を求めチャンネル・プロファイルを算出する非コヒーレント相関部と；
   前記チャンネル・プロファイルの所定の部分をウィンドウし格納するブロック・バッファと；
   前記ブロック・バッファに格納された前チャンネル・プロファイルを前記非コヒーレント相関部から出力された現チャンネル・プロファイルとパターン整合し比較するプロファイル比較部と；
   前記チャンネル・プロファイルのパターン整合によるシンボル・インデックスの差をシンボル・タイミング・ドリフトとして検出するシンボル・タイミング推定部と；
   を含むことを特徴とするシンボル・タイミング・エラーの検出装置。
2. 前記非コヒーレント相関部で算出された前記非コヒーレント相関値は、次の式のように与えられることを特徴とする請求項１に記載のシンボル・タイミング・エラーの検出装置。
   

   

   ただし、前記式中、ｒ（ｋ）は入力信号を表し、ｐ（ｋ）はＰＮシーケンスを表し、Ｋは前記振り分けられた単位の個数を表し、Ｎは前記振り分けられた単位に属するＰＮシーケンス内のシンボルの個数を表す。
3. 前記非コヒーレント相関部は、前記ＰＮシーケンスを“Ｋ”個の単位で振り分けた次の式のように与えられるサブシーケンスを用いて前記非コヒーレント相関値を算出することを特徴とする請求項１に記載のシンボル・タイミング・エラーの検出装置。
   

   

   ただし、前記式中、Ｐ（ｎ）はＰＮシーケンスを表し、Ｎは前記振り分けられた単位に属するＰＮシーケンス内のシンボルの個数を表す。
4. 前記プロファイル比較部の計算量の低減のために前記チャンネル・プロファイルを量子化する量子化部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシンボル・タイミング・エラーの検出装置。
5. 入力されたサンプリング信号を所定の個数の単位で振り分けられたＰＮシーケンスを用いて非コヒーレント相関値を求めチャンネル・プロファイルを算出するステップと；
   前記チャンネル・プロファイルの所定部分をウィンドウし格納するステップと；
   前記格納ステップにおいて格納された前チャンネル・プロファイルを前記チャンネル・プロファイル算出ステップにおいて算出された現チャンネル・プロファイルとパターン整合し比較するステップと；
   前記チャンネル・プロファイルのパターン整合によるシンボル・インデックスの差をシンボル・タイミング・ドリフトとして検出するステップと；
   を含むことを特徴とするシンボル・タイミング・エラーの検出方法。
6. 前記チャンネル・プロファイルの算出ステップにおいて算出された前記非コヒーレント相関値は、次の式のように与えられることを特徴とする請求項５に記載のシンボル・タイミング・エラーの検出方法。
   

   

   ただし、前記式中、ｒ（ｋ）は入力信号を表し、ｐ（ｋ）はＰＮシーケンスを表し、Ｋは前記振り分けられた単位の個数を表し、Ｎは前記振り分けられた単位に属するＰＮシーケンス内のシンボルの個数を表す。
7. 前記チャンネル・プロファイルの算出ステップにおいては、前記ＰＮシーケンスを“Ｋ”個の単位で振り分けた次の式のように与えられるサブシーケンスを用いて前記非コヒーレント相関値を算出することを特徴とする請求項５に記載のシンボル・タイミング・エラーの検出方法。
   

   

   ただし、前記式中、Ｐ（ｎ）はＰＮシーケンスを表し、Ｎは前記振り分けられた単位に属するＰＮシーケンス内のシンボルの個数を表す。
8. 前記チャンネル・プロファイルの比較ステップにおける計算量の低減のために前記チャンネル・プロファイルを量子化する量子化ステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載のシンボル・タイミング・エラーの検出方法。
   

Images