ディジタル音声放送における密度の細かい及び密度の粗い周波数オフセット推定の方法及び装置
【課題】ハイブリッド帯域内オンチャンネルのディジタル音声放送システムにおける周波数オフセット推定の方法及び装置を提供する。
【解決手段】ＯＦＤＭ通信システムにおいてシグネチャシーケンスを含むディジタル信号を受信する受信機６００は、少なくとも２つの周波数を用いて受信されたディジタル信号の相関性を求めるためにシグネチャシーケンスに適したループフィルタ７００と、ある１つのビンの近傍に相関性のあるピークを位置づけるために、最大の振幅をもつ相関性のあるピークを提供する周波数の１つを選択するＶＣＯ６０５と、を備え、実際の及び測定された位置との間のＯＦＤＭビン分離の整数に応じて最初に密度の粗い周波数オフセットを決定し、その後に、連続的なやり方で密度の細かい（すなわち残余の）オフセットの推定及びトラッキングを行う。
【解決手段】ＯＦＤＭ通信システムにおいてシグネチャシーケンスを含むディジタル信号を受信する受信機６００は、少なくとも２つの周波数を用いて受信されたディジタル信号の相関性を求めるためにシグネチャシーケンスに適したループフィルタ７００と、ある１つのビンの近傍に相関性のあるピークを位置づけるために、最大の振幅をもつ相関性のあるピークを提供する周波数の１つを選択するＶＣＯ６０５と、を備え、実際の及び測定された位置との間のＯＦＤＭビン分離の整数に応じて最初に密度の粗い周波数オフセットを決定し、その後に、連続的なやり方で密度の細かい（すなわち残余の）オフセットの推定及びトラッキングを行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル音声放送（ＤＡＢ）及びその他のディジタル通信システムに関し、特に、ディジタル音声放送（ＤＡＢ）及びその他のディジタル通信システムにおける周波数オフセット推定の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＭラジオ帯域におけるディジタル音声放送（ＤＡＢ）を供給するために提案されているシステムには、ＣＤ音質に近い音、データサービス、及び現在のアナログＦＭ送信電波より高い受信可能性が期待されている。しかしながら、完全ディジタルＤＡＢへの移行が完了するときまでは、放送局の多くは、使用が許可されている同じ帯域内において、アナログ信号とディジタル信号とを同時に送信できる中間措置が必要である。このようなシステムは一般的にはハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ＤＡＢシステムと呼ばれている。また、このシステムはＦＭラジオ帯域及びＡＭラジオ帯域の両方で開発されている。
【０００３】
従来のアナログＦＭ受信機における大きな歪みを回避するために、代表的なＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおけるディジタル信号は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）サブキャリアを用いて、例えばアナログＦＭホスト信号の両側にある２つのサイドバンドで送信される。ＯＦＤＭ通信システムにおいては、ディジタル信号はパラレルに送信される２つの小さなサブキャリア周波数に変調される。
【０００４】
米国においては、ＦＣＣ（米国連邦通信委員会）規則によって制定された周波数プランは、地図エリアにおける各送信局を８００ｋＨｚで分割している。しかしながら、隣接した地理的エリアにおけるすべての送信局は、近くの送信局から２００ｋＨｚしか離れていない。このようなシステムにおいて特に大きな干渉源は、第１隣接アナログＦＭ干渉として知られている。この干渉が起こるのは、隣接の地理的エリアにおけるＦＭホストキャリアの部分が周波数的にディジタル信号サイドバンドの部分に重なるときである。
【０００５】
しかしながら、最初に隣接アナログＦＭ干渉が発生したときに、それがＤＡＢシステムの特性上で限界の要因に相当するにもかかわらず、一般的にそれが影響するのは、２つのディジタルサイドバンドの一方のみである。最初の強い隣接干渉信号の存在は、たとえ２つのサイドバンドの１つが干渉を受けない場合であっても、ディジタル信号送信の特性を大きく低下させることになる。
【０００６】
周波数オフセット推定方法は、ほとんどの通信システムにおいて実行される。ほとんどのディジタル通信システムにおいて、周波数エラーは時間領域における情報を用いて計算され、フィードバック又は順方向エラー補正がそのエラーの補正のために用意されている。しかしながら、ＩＢＯＣの場合における時間領域は、最初の隣接干渉のために隣接チャネルからの帯域内電力によって大きな影響を受ける。さらに、時間領域動作におけるタイミングエラーは、周波数エラー計算に係わってくる。
【０００７】
従来の周波数オフセット推定のアルゴリズムのほとんどは、周波数領域における密度の粗い周波数オフセットを推定した後に、密度の細かい周波数オフセット推定を最初に実行して時間領域における補償を行っている。一般的に、密度の細かい周波数オフセット推定は、時間領域におけるＯＦＤＭフレームの巡回接頭部分の位相回転を推定することによって実行される。その後、対応する密度の細かい周波数オフセットは推定された位相回転から容易に引き出される。
【０００８】
従来の周波数オフセット推定のアルゴリズムの詳細な内容については、例えば、Ｊ．Ｖａｎ ｄｅ Ｂｅｅｋの“Ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｐｕｌｓｅ Ｓｈａｐｉｎｇ”Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．ＩＣＵＰＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ａｐｒｉｌ，１９９７），に記載されている。それはこの明細書の中で参照されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、最初の隣接干渉の存在でさえも、信頼できる特性をもたらす周波数オフセット推定方法が必要となる。さらに、周波数領域において周波数オフセット推定とフレーム同期とを独立して実行できる方法及び装置が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ディジタルディジタル音声放送（ＤＡＢ）システムのハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）における周波数オフセット推定の方法及び装置について、一般的に記述する。周波数オフセット推定のアルゴリズムは、相関性のあるピークの実際の位置と測定した位置との間におけるＯＦＤＭビン分離の整数に応じて最初に密度の粗い周波数オフセットを決定し、それに続いて連続的なやり方で密度の細かいオフセットの推定及びトラッキングを行う。
【００１１】
密度の粗い周波数オフセットの推定は密度の細かい周波数オフセットの推定が達成される前に実行されるので、その密度の粗い周波数オフセットは任意の数にすることができる。周波数オフセットがビンに近いところで発生する場合には、その相関性出力は相対的に良好なピークをもつことになる。しかしながら、周波数オフセットが２つのビンの中間で発生する場合には、その相関性出力は最悪の場合のピークをもつことになる。
【００１２】
本発明の１つの特徴によれば、１つのフレームは最初の１つの周波数と相関関係にあり、その周波数は所定の量でシフトされる。例えば、ビン間の周波数であるΔｆの半分でシフトされ、その後に再び相関関係をもつ。複数の周波数値の最も高いピークで測定される。その相関関係は少なくとも２つの周波数について、そのビン間の周波数幅であるΔｆの半分の相対的なオフセットで実行されるので、少なくとも１つの周波数はビンの近くの相関性のあるピークに位置づけられることになる。
【００１３】
密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、バーカー符号のようなシグネチャシーケンスを利用して、周波数領域においてＯＦＤＭシステムにおけるサブキャリアの中の既知の周波数点に離散的に含まれている基準情報を提供する。周波数領域において、送信された信号のピークを識別することと、必要とされる密度の粗い周波数オフセット調整を決定することとの相関関係が利用される。計算された密度の粗い周波数オフセットは順方向補正機構に供給され、ＯＦＤＭサブキャリアの整数に応じて密度の粗い周波数オフセットが補正される。
【００１４】
＋ｆfr／２〜−ｆfr／２（ｆfrはＯＦＤＭビン分離を示す）の範囲における密度の細かい周波数オフセットを推定し補償するためには、その密度の粗い周波数オフセット及び補償はそれまでに完成していなければならない。密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、周波数領域における基準周波数点に含まれている位相情報を利用する。基準ベクトルの位相回転は周波数エラーに比例し、その周波数エラーは時間領域において抽出されてフィルタ処理される。最初の密度の細かい周波数オフセットの推定は補正され、連続的な周波数トラッキングに使用される。計算された密度の細かい周波数オフセットは順方向補正機構に適用され、サブキャリア空間よりも小さい量によって密度の細かい周波数オフセットが補正される。
【００１５】
ＯＦＤＭシステムにおける各上側サイドバンド及び各下側サイドバンドの内部のほとんどのビンは変調されていない。密度の粗い周波数オフセット推定の後は、変調されていないビン及びすべてのビンは、ＯＦＤＭビン分割の少なくとも半分内にある。変調されていないビンは周波数オフセットの密度の細かい端数を推定するのに使用することができる。周波数オフセットが存在する中で複合ビン回転を開始する。回転のレートは周波数オフセットの拡張の関数である。密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、回転のレートをゼロに等しくしようと試みる。ある１つのフレームから次ぎのフレームへの位相の変化は回転のレートに比例し、回転の符号はシフトの方向を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システムの一例における周波数スペクトルの一部の図。
【図２】本発明の実施形態によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システムの一例における送信機の概略ブロックダイアグラムの図。
【図３】本発明によるシグネチャＯＦＤＭフレームのフォーマットの図。
【図４】本発明の実施形態によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システム内で密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムが具体化できる受信機の一例の概略ブロックダイアグラムの図。
【図５】２７５Ｈｚのビン分離をもつシステム１００Ｈｚの密度の細かい周波数オフセットにおける相関性のある出力の図。
【図６】本発明の実施形態によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システム内で密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムが具体化できる受信機の一例の概略ブロックダイアグラムの図。
【図７】図６における２次元ループの詳細を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、ＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおける周波数オフセットを推定する方法及び装置を提供するものである。周波数オフセット推定のアルゴリズムは、相関性のあるピークの実際の位置と測定した位置との間におけるＯＦＤＭビン分離の整数に応じて最初に密度の粗い周波数オフセットを測定し、それに続いて連続的なやり方で密度の細かいオフセットの推定及びトラッキングを行う。
【００１８】
例えばバーカー符号のように極めて低いサイドローブをもつ周期シグネチャシーケンスは、ＤＡＢシステムにおける特定数のビンにＤＡＢ信号の上側及び下側サイドバンドとともに送信される。その符号が受信機に対して既知の特定のビンに一度割り当てられると、周波数オフセットエラーを担う位置からのすべてのシフトは、従来のフィードバック又は順方向エラー補正技法を用いて、周波数オフセットアルゴリズムにより推定し補償することができる。
【００１９】
後述するように、密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、バーカー符号のようなシグネチャシーケンスを利用して、周波数領域においてＯＦＤＭシステムにおけるサブキャリアの中の既知の周波数点に離散的に含まれている基準情報を提供する。周波数領域において、送信された信号のピークを識別することと、必要とされる密度の粗い周波数オフセット調整を決定することとの相関が利用される。計算された密度の粗い周波数オフセットは順方向補正機構に適用され、ＯＦＤＭサブキャリアの整数によって密度の粗い周波数オフセットが補正される。
【００２０】
密度の粗い周波数オフセットの推定は密度の細かい周波数オフセットの推定が達成される前に実行されるので、その密度の粗い周波数オフセットは任意の数にすることができる。周波数オフセットがビンに近いところで発生する場合には、それに相関する出力は相対的に良好なピークをもつことになる。しかしながら、周波数オフセットが２つのビンの中間で発生する場合には、それに相関する出力は最悪の場合のピークをもつことになる。
【００２１】
このように、本発明による密度の粗い周波数オフセット推定は、ＯＦＤＭフレームごとにシグネチャシーケンスを利用して、各フレームに特定の目的をもつ複数のビンを用意する。１つのフレームは最初の周波数に相関し、その周波数は所定の量でシフトされる。例えば、ビン間の周波数であるΔｆの半分でシフトされ、その後に再び相関関係をもつ。複数の周波数値の最も高いピークで測定される。その相関関係は少なくとも２つの周波数について、そのビン間の周波数幅であるΔｆの半分の相対的なオフセットで実行されるので、少なくとも１つの周波数はビンの近くの相関性のあるピークに位置付けられることになる。
【００２２】
後述するように、密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、周波数領域における基準周波数点に含まれている位相情報を利用する。基準ベクトルの位相回転は周波数エラーに比例し、その周波数エラーは時間領域において抽出されて（後述する図６に示すＦＦＴブロック６６０の後において）フィルタ処理される。最初の密度の細かい周波数オフセットの推定は補正され、連続的な周波数トラッキングに使用される。計算された密度の細かい周波数オフセットは順方向補正機構に供給され、サブキャリア空間よりも小さい量によって密度の細かい周波数オフセットが補正される。
【００２３】
図１は、典型的なＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおける周波数スペクトルの一部を示し、周波数ｆの関数としてのパワーＰをプロットした図である。図１に示すスペクトルには、アナログホストＦＭ信号１００に関連した下側ディジタルサイドバンド１０２及び上側ディジタルサイドバンド１０４が含まれている。その２つのサイドバンドは、ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムのディジタル音声情報を送信するために使用される周波数スペクトルの一部に相当する。
【００２４】
後述するように、実施形態におけるシステムにおいては、外側の巡回冗長符号（ＣＲＣ）及び差動４相位相シフトキーイング（ＤＱＰＳＫ）のＯＦＤＭ変調を使用する。送信されるシンボルのＤＱＰＳＫ変調は、周波数選択フェージング及び発振位相のドリフトに対する強靱性を可能にする。差動符号化はＯＦＤＭトーン間の周波数において実行される。送信されるべきディジタル信号及び外側のＣＲＣブロック符号は、各サイドバンド１０２、１０４において繰り返すことができる。しかしながら、両方のサイドバンド上の符号化されたストリームが同じである必要はない。
【００２５】
図１に示すように、各サイドバンドには、それぞれ１０２−１ないし１０２−Ｎ及び１０４−１ないし１０４−Ｎからなる複数のＮ成分が含まれている。例えばその成分は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）のサブキャリアに対応することができる。パイロットトーン１０３がサイドバンド１０２の両端に存在し、パイロットトーン１０５がサイドバンド１０４の両端に存在する。さらに複数のパイロットトーン（図示せず）が図の周波数スペクトルの他の部分に存在する。
【００２６】
パイロットトーン１０３、１０５は選択されたＯＦＤＭ基準トーンに対応し、干渉の存在を測定するのに使用することができる。変調されていないパイロットトーン１０３、１０５は、ＤＡＢスペクトル全域のどこにでも配置することができ、サイドバンド上の配置の中で主として有利な位置は、周波数全領域のＤＱＰＳＫ復調において基準点として使用すべき位置である。
【００２７】
図２は、典型的なＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおける本発明による送信機２００を示している。図２に示されているのは送信機２００のディジタル部分のみ、すなわち、ディジタル信号の発生及び処理に関係する部分である。また、従来の処理要素がアナログ信号の処理のために使用される。ＰＡＣ音声符号器２０２は符号化された音声信号、例えば、音声圧縮技術を用いた９６ｂｐｓのビットレートの音声信号を発生する。その音声圧縮技術は、例えばＤ．Ｓｉｎｈａ、Ｊ．Ｄ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｓ．Ｄｏｗａｒｄ、Ｓ．Ｒ．Ｑｕａｃｋｅｎｂｕｓｈによる“Ｔｈｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｅｒ”のタイトルで、ＣＲＣ出版のＤｉｇｔａｌ Ａｕｄｉｏのセクション４２の４２−１から４２−１８ページに記載されており、この明細書中で参照される。
【００２８】
符号化された音声ビットストリームはＣＲＣ符号器２０４に供給され、ＣＲＣ誤り検出ブロック符号を用いた従来の手法におけるＣＲＣビットが発生される。ＣＲＣはシステム２００で使用される「内部符号」のタイプの１つの例である。他の内部符号としては、例えば、リードソロモン（ＲＳ）符号、Ｂｏｓｅ−Ｃｈａｄｈｕｒｉ−Ｈｏｃｑｕｅｎｇｈｅｍ（ＢＨＣ）符号、及びその他のブロック符号がある。
【００２９】
図２に示すように、ＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢ送信機２００は畳込み符号器２２０も備えている。例えばこれは、相補型パンクチャ畳込み（ＣＰＰＣ）符号器であり、よく知られているＣＰＰＣ技法ににしたがって音声ビットストリームを符号化する。ＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステム２００は、さらにインターリーバ２２２、ＤＱＰＳＫ変調器２２４、及びＯＦＤＭ変調器２２６を備えている。
【００３０】
従来の直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）のさらに詳細なものとして、例えばＷ．Ｙ．ＺｏｕとＹ．Ｗｕによる“ＣＯＦＤＭ−Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ”のタイトルでＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ,Ｖｏｌ．４１．Ｎｏ．１，１−８（Ｍａｙ１９９５）に記載されたもの、又は、Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｂｉｎｇｈａｍによる“Ｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ：Ａｎ Ｉｄｅａ Ｗｈｏｓｅ Ｔｉｍｅ Ｈａｓ Ｃｏｍｅ”のタイトルでＩＥＥＥ Ｃｏｍｍ．５−１４（Ｍａｙ１９９０）に記載されたものがあり、それぞれこの明細書中で参照される。
【００３１】
一般的には、符号器２２０における畳込み符号化は、システム２００の中で使用できる「外部符号」のタイプの一例である。他のタイプの外部符号も使用することができ、ブロック又は畳込み符号にいわゆる「ターボ」符号として含まれており、符号化変調されたトレリス（ｔｒｅｌｌｉｓ）に付随して符号化される。ＯＦＤＭ変調器２２６の変調出力は、ディジタルサイドバンド１０２、１０４に一致し、ＦＭ放送チャネル２３０を介して受信機（図示せず）に送信される。ＤＱＰＳＫ変調器２２４は、インターリーブビットストリームを処理することで、各２つのビットに対して１つのＱＰＳＫシンボルを発生する。そのシンボルはＯＦＤＭ変調器２２６によって適切なサブキャリアに写像される。
【００３２】
図３は、本発明によるシグネチャＯＦＤＭフレームのフォーマットを示している。ここで特に言及することは、バーカーシーケンスを搬送するｎ個のビンはシグネチャビン３１０、３３０と呼ばれること、及び、シグネチャビンを有するＯＦＤＭフレームはシグネチャフレームと呼ばれることである。最大周波数オフセットがＭ個のビンである場合には、周波数オフセットアルゴリズムはサイズがｎ＋２Ｍビン分離の検索窓を使用する。そして、その窓の中央にバーカーシーケンスを維持しようとする。図３に示すように、本発明はサイズがＭで４つの不確定領域３０５、３１５、３２５、３３５を使用する。ここでＭは、最大の正及び負の周波数オフセット値に対する範囲の受信機の処理を中止できるビンのグループ（サブキャリア）である。
【００３３】
１． 密度の粗い周波数オフセット推定
密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、予想されたビン位置のセットの所定の最大周波数オフセット内のシグネチャビンを検索する。この周波数オフセット推定のアルゴリズムは、周波数領域における密度の細かい及び密度の粗い周波数オフセットを並行して推定できる。密度の細かい及び密度の粗い周波数オフセットを並行して推定するアルゴリズムは、入力する搬送波の迅速な取得及びトラッキングを可能にし、さらに複数のタイプの干渉に対する防御を可能にする。
【００３４】
密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムについての受信機４００のシステムブロックダイアグラムを図４に示す。密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、ＯＦＤＭフレームごとの各上側サイドバンド及び各下側サイドバンド上の７個の連続したサブキャリア（ｎ＝７）を１３ビットのバーカーシーケンスによって変調する。そのシーケンスは７個の連続したフレーム上に拡散しかつ反復する。そのため、ＤＱＰＳＫサブキャリアの各々は７番目のシンボルを除き、バーカーシーケンスの２ビットを搬送する。７番目のシンボルは関連する１ビットのみを搬送する。
【００３５】
そのアルゴリズムは、最初のシグネチャビンの不確定範囲（±Ｍビン）内でこれらのサブキャリアを検索する。相関する７個の連続したビンが１３ビットのバーカーシーケンスを既知のシグネチャシーケンスとともに搬送することによって、ＯＦＤＭサブキャリアの数に応じた密度の粗い周波数オフセットを容易に推定できる。
【００３６】
密度の細かい周波数オフセット推定は密度の粗い周波数オフセット推定の前に実行することはできないので、厳しい搬送波間の干渉がわずかなオフセットレベルに重大に影響すると予想される。最悪の場合には、オフセットレベルがシンボルレートの半分に近くなると、非常に厳しい搬送波間の干渉の結果、密度の粗い周波数オフセットの推定ができなくなる。
【００３７】
この問題を軽減するために、受信信号及びシンボルレートの半分までの受信信号の周波数シフトバージョンの両方について相関関係が観測される。その相関関係は２つの周波数に対して実行されるので、ビン間の周波数幅Δｆの半分の相対的オフセットの場合には、少なくとも１つの周波数は１つのビン近傍の関連するピークに位置することになる。言い換えれば、搬送波間の干渉レベルは、２つの周波数位置の少なくとも１つの位置については許容できることになる。
【００３８】
３相関周期で相関性のあるピークを配置したことから、各周波数（図４におけるスイッチ４０５の位置）に対して、受信機４００は、図４に示すように、シフトされたビンの数に応じて密度の粗い周波数オフセットを推定することができる。密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムはまた、周波数領域において信号周波数が隣のビンに近づくようなスイッチ位置を決定する。
【００３９】
受信機４００は、ＦＦＴブロック４１０の２つの出力である＋ＮｔｏＮ＋ｎ及び−Ｎ−ｎｔｏ−Ｎを処理する。ここで、出力＋ＮｔｏＮ＋ｎは上側シグネチャビンの位置に一致する。そして、出力−Ｎ−ｎｔｏ−Ｎはいかなる周波数オフセットも存在しない下側シグネチャビンの位置に一致する。受信した周波数領域の信号がある周波数オフセットだけシフトされて、ＦＦＴ動作前のフレームレートの整数倍と等しくなった場合には、周波数領域におけるこの周波数シフトは、ＦＦＴの出力においてシンボルの整数に応じた時間シフトに変換される。言い換えれば、ＦＦＴブロック４１０の出力における信号パターンは、周波数オフセットの符号によって右又は左に±Δｎだけシフトされることになる。
【００４０】
図４に示すように、受信機４００はさらに、パラレル／シリアル・コンバータ４２０、差動符号器４３０、ＱＰＳＫシンボル／ビット・写像器４４０、バーカー整合フィルタ４５０、（２を超えるバーカーシーケンスを積分して）相関性のあるピークを識別する閾値検出器４６０、複合器４７０、及び、最大値検出器（ＭＬＥ）４７５を備えている。
【００４１】
図５は１００Ｈｚ細部周波数オフセットに対する相関出力５００を示している。最大の相関ピーク５１０は、スイッチがある１つの位置にあるときに達成されているのが分かる。このスイッチの位置は、実施形態において示すように、シンボルレートの半分又は１３４Ｈｚまでの受信信号のシフトに対応している。最初の１００Ｈｚのオフセットと比較すると、この密度の細かいオフセットは搬送波間の干渉をより低くなるように導くので、より大きな相関ピークが相関性出力において達成される。
【００４２】
２．密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズム
＋ｆfr／２〜−ｆfr／２（ｆfrはＯＦＤＭビン分離を示す）の範囲における密度の細かい周波数オフセットを推定し補償するためには、その密度の粗い周波数オフセット及び補償は、上記手順においてそれまでに十分に完成していなければならない。言い換えれば、受信信号は、密度の細かい周波数トラッキングのアルゴリズムが開始する前の上記した周波数範囲内において、局部発振器と同期していなければならない。
【００４３】
ＯＦＤＭシステムにおける各上側サイドバンド及び各下側サイドバンドの内部の変調されていないほとんどのビンは、受信機においてＤＱＰＳＫ変調信号の差動復号化に利用される。これらのパイロットは、密度の細かいオフセット推定にも同様に利用される。密度の粗い周波数オフセット推定の後は、変調されていないビン及びすべてのビンは、ＯＦＤＭビン分離の少なくとも半分内にある。変調されていないビンは周波数オフセットの密度の細かい端数を推定するのに使用することができる。周波数オフセットが存在する中で複合ビンは回転を開始する。回転のレートは周波数オフセットの拡張の関数である。密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、回転のレートをゼロに等しくしようとする。ある１つのフレームから次ぎのフレームへの位相の変化は回転のレートに比例し、回転の符号はシフトの方向を示している。
【００４４】
密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムのための受信機６００のシステムブロックダイアグラムを図６に示す。上側及び下側パイロットトーン１０３、１０５（ＤＱＰＳＫ基準シンボル）に関連しているＦＦＴ６２０の２つの出力の位相は、フレームからフレームへを基礎として連続的に推定される。また、各フレームの間隔のビン回転は、図６に示すように、位相推定器６３０によって推定される。前に示したように、ある１つのフレームから次ぎのフレームへの位相の変化は回転のレートに比例する。
【００４５】
２つのフレーム間の位相の変化は遅延要素６４０によって得られ、その後、積分器６５０は、後述するように、Ｎ個のフレームを高い値にするために使用されれる。乗算器６６０は、上側又は下側のパイロットビンに対応する相対的な電力に基づいて重みを得る。その後、加算器６７０は上側又は下側のパイロットビンからの結果を合成する。
【００４６】
ΔΘのフレーム間の位相回転及びｆfrのフレームレートで、残余の（すなわち密度の細かい）周波数オフセットは次の式で推定することができる。
【数１】
【００４７】
位相回転の推定は、隣接変調ビンからのビン間の干渉によって妨げられ、特にオフセット値が大きいほど妨げられる。この影響を解消するためと、同時に背景ノイズやフェージングの影響も解消するために、ループフィルタの前の積分器６５０によって、Ｎ個の連続したΔΘの値の連続的な積分が実行される。さらに、上側及び下側における２つの高められた信号が基準化され、最大比の混合方法で混合される。この技法は、より強力なパイロットは周波数回転の推定において支配的な割当を持つという方法で、２つの狭帯域パイロットトーンでチャネル選択フェージングの影響を解消する。
【００４８】
図７は、図６の２次元ループフィルタ７００をさらに詳細に示したものである。２次元ループフィルタ７００は、例えば、よく知られている進み遅れフィルタ（ｌｅａｄ−ｌａｇ ｆｉｌｔｅｒ）で具体化することができ、内部に２次元位相同期ループを用いている。１つの具体例として、２次元ループフィルタ７００は利得が１の純積分器及び利得が０．１０５００の比例分岐で構成される。そのループ利得は、与えられるループフィルタパラメータによって決定される。これは０．８０３２Ｈｚ／ＶｏｌｔのＶＣＯと同じである。これらの数は固定点の制度に合わせて選択されたものである。
【００４９】
周波数獲得処理を速めるために、ＶＣＯは密度の粗いかつ密度の細かい周波数オフセット推定値で初期化される。その推定値は最初の３つのＯＦＤＭフレームのパイロット位相回転によって測定されたものである。この技法では、条件が悪い場合のシナリオ（７０Ｈｚ細部オフセット）では周波数の獲得を中止する期間を７フレームより少なくすることができる。従来においては、提案されたＶＣＯ初期化がない場合には、２０フレームの長さにまで及んでいた。
【符号の説明】
【００５０】
１００ ホスト信号
１０２ 下側サイドバンド
１０３、１０５ 変調されていないパイロットトーン
２０２ ＰＡＣ音声符号器
２０４ ＣＲＣ符号器
２２０ 畳込み符号器
２２４ ＤＱＰＳＫ変調器
２２６ ＯＦＤＭ変調器
３０５、３１５、３２５、３３５ 不確定領域
３１０、３３０ シグネチャビン
４００、６００ 受信機
４０５ スイッチ
４１０、６２０ ＦＦＴ
４２０、６１０ パラレル・シリアル・コンバータ
４３０ 差動復号器
４４０ ビット写像器
４５０ バーカー整合フィルタ
４６０ 閾値検出器
４７０ 合成器
４７５ 最大値検出器
５００ 相関性出力
５１０ 最大相関性ピーク
６０５ ＶＣＯ
６３０ 位相推定器
６４０ 遅延要素
６５０ Ｎフレーム積分器
６５５ 電力推定器
６６０ 乗算器
６７０ 加算器
７００ ループフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル音声放送（ＤＡＢ）及びその他のディジタル通信システムに関し、特に、ディジタル音声放送（ＤＡＢ）及びその他のディジタル通信システムにおける周波数オフセット推定の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＭラジオ帯域におけるディジタル音声放送（ＤＡＢ）を供給するために提案されているシステムには、ＣＤ音質に近い音、データサービス、及び現在のアナログＦＭ送信電波より高い受信可能性が期待されている。しかしながら、完全ディジタルＤＡＢへの移行が完了するときまでは、放送局の多くは、使用が許可されている同じ帯域内において、アナログ信号とディジタル信号とを同時に送信できる中間措置が必要である。このようなシステムは一般的にはハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ＤＡＢシステムと呼ばれている。また、このシステムはＦＭラジオ帯域及びＡＭラジオ帯域の両方で開発されている。
【０００３】
従来のアナログＦＭ受信機における大きな歪みを回避するために、代表的なＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおけるディジタル信号は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）サブキャリアを用いて、例えばアナログＦＭホスト信号の両側にある２つのサイドバンドで送信される。ＯＦＤＭ通信システムにおいては、ディジタル信号はパラレルに送信される２つの小さなサブキャリア周波数に変調される。
【０００４】
米国においては、ＦＣＣ（米国連邦通信委員会）規則によって制定された周波数プランは、地図エリアにおける各送信局を８００ｋＨｚで分割している。しかしながら、隣接した地理的エリアにおけるすべての送信局は、近くの送信局から２００ｋＨｚしか離れていない。このようなシステムにおいて特に大きな干渉源は、第１隣接アナログＦＭ干渉として知られている。この干渉が起こるのは、隣接の地理的エリアにおけるＦＭホストキャリアの部分が周波数的にディジタル信号サイドバンドの部分に重なるときである。
【０００５】
しかしながら、最初に隣接アナログＦＭ干渉が発生したときに、それがＤＡＢシステムの特性上で限界の要因に相当するにもかかわらず、一般的にそれが影響するのは、２つのディジタルサイドバンドの一方のみである。最初の強い隣接干渉信号の存在は、たとえ２つのサイドバンドの１つが干渉を受けない場合であっても、ディジタル信号送信の特性を大きく低下させることになる。
【０００６】
周波数オフセット推定方法は、ほとんどの通信システムにおいて実行される。ほとんどのディジタル通信システムにおいて、周波数エラーは時間領域における情報を用いて計算され、フィードバック又は順方向エラー補正がそのエラーの補正のために用意されている。しかしながら、ＩＢＯＣの場合における時間領域は、最初の隣接干渉のために隣接チャネルからの帯域内電力によって大きな影響を受ける。さらに、時間領域動作におけるタイミングエラーは、周波数エラー計算に係わってくる。
【０００７】
従来の周波数オフセット推定のアルゴリズムのほとんどは、周波数領域における密度の粗い周波数オフセットを推定した後に、密度の細かい周波数オフセット推定を最初に実行して時間領域における補償を行っている。一般的に、密度の細かい周波数オフセット推定は、時間領域におけるＯＦＤＭフレームの巡回接頭部分の位相回転を推定することによって実行される。その後、対応する密度の細かい周波数オフセットは推定された位相回転から容易に引き出される。
【０００８】
従来の周波数オフセット推定のアルゴリズムの詳細な内容については、例えば、Ｊ．Ｖａｎ ｄｅ Ｂｅｅｋの“Ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｐｕｌｓｅ Ｓｈａｐｉｎｇ”Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．ＩＣＵＰＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ａｐｒｉｌ，１９９７），に記載されている。それはこの明細書の中で参照されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、最初の隣接干渉の存在でさえも、信頼できる特性をもたらす周波数オフセット推定方法が必要となる。さらに、周波数領域において周波数オフセット推定とフレーム同期とを独立して実行できる方法及び装置が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ディジタルディジタル音声放送（ＤＡＢ）システムのハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）における周波数オフセット推定の方法及び装置について、一般的に記述する。周波数オフセット推定のアルゴリズムは、相関性のあるピークの実際の位置と測定した位置との間におけるＯＦＤＭビン分離の整数に応じて最初に密度の粗い周波数オフセットを決定し、それに続いて連続的なやり方で密度の細かいオフセットの推定及びトラッキングを行う。
【００１１】
密度の粗い周波数オフセットの推定は密度の細かい周波数オフセットの推定が達成される前に実行されるので、その密度の粗い周波数オフセットは任意の数にすることができる。周波数オフセットがビンに近いところで発生する場合には、その相関性出力は相対的に良好なピークをもつことになる。しかしながら、周波数オフセットが２つのビンの中間で発生する場合には、その相関性出力は最悪の場合のピークをもつことになる。
【００１２】
本発明の１つの特徴によれば、１つのフレームは最初の１つの周波数と相関関係にあり、その周波数は所定の量でシフトされる。例えば、ビン間の周波数であるΔｆの半分でシフトされ、その後に再び相関関係をもつ。複数の周波数値の最も高いピークで測定される。その相関関係は少なくとも２つの周波数について、そのビン間の周波数幅であるΔｆの半分の相対的なオフセットで実行されるので、少なくとも１つの周波数はビンの近くの相関性のあるピークに位置づけられることになる。
【００１３】
密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、バーカー符号のようなシグネチャシーケンスを利用して、周波数領域においてＯＦＤＭシステムにおけるサブキャリアの中の既知の周波数点に離散的に含まれている基準情報を提供する。周波数領域において、送信された信号のピークを識別することと、必要とされる密度の粗い周波数オフセット調整を決定することとの相関関係が利用される。計算された密度の粗い周波数オフセットは順方向補正機構に供給され、ＯＦＤＭサブキャリアの整数に応じて密度の粗い周波数オフセットが補正される。
【００１４】
＋ｆfr／２〜−ｆfr／２（ｆfrはＯＦＤＭビン分離を示す）の範囲における密度の細かい周波数オフセットを推定し補償するためには、その密度の粗い周波数オフセット及び補償はそれまでに完成していなければならない。密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、周波数領域における基準周波数点に含まれている位相情報を利用する。基準ベクトルの位相回転は周波数エラーに比例し、その周波数エラーは時間領域において抽出されてフィルタ処理される。最初の密度の細かい周波数オフセットの推定は補正され、連続的な周波数トラッキングに使用される。計算された密度の細かい周波数オフセットは順方向補正機構に適用され、サブキャリア空間よりも小さい量によって密度の細かい周波数オフセットが補正される。
【００１５】
ＯＦＤＭシステムにおける各上側サイドバンド及び各下側サイドバンドの内部のほとんどのビンは変調されていない。密度の粗い周波数オフセット推定の後は、変調されていないビン及びすべてのビンは、ＯＦＤＭビン分割の少なくとも半分内にある。変調されていないビンは周波数オフセットの密度の細かい端数を推定するのに使用することができる。周波数オフセットが存在する中で複合ビン回転を開始する。回転のレートは周波数オフセットの拡張の関数である。密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、回転のレートをゼロに等しくしようと試みる。ある１つのフレームから次ぎのフレームへの位相の変化は回転のレートに比例し、回転の符号はシフトの方向を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システムの一例における周波数スペクトルの一部の図。
【図２】本発明の実施形態によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システムの一例における送信機の概略ブロックダイアグラムの図。
【図３】本発明によるシグネチャＯＦＤＭフレームのフォーマットの図。
【図４】本発明の実施形態によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システム内で密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムが具体化できる受信機の一例の概略ブロックダイアグラムの図。
【図５】２７５Ｈｚのビン分離をもつシステム１００Ｈｚの密度の細かい周波数オフセットにおける相関性のある出力の図。
【図６】本発明の実施形態によるハイブリッド帯域内オンチャネル（ＨＩＢＯＣ）ディジタル音声放送（ＤＡＢ）システム内で密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムが具体化できる受信機の一例の概略ブロックダイアグラムの図。
【図７】図６における２次元ループの詳細を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、ＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおける周波数オフセットを推定する方法及び装置を提供するものである。周波数オフセット推定のアルゴリズムは、相関性のあるピークの実際の位置と測定した位置との間におけるＯＦＤＭビン分離の整数に応じて最初に密度の粗い周波数オフセットを測定し、それに続いて連続的なやり方で密度の細かいオフセットの推定及びトラッキングを行う。
【００１８】
例えばバーカー符号のように極めて低いサイドローブをもつ周期シグネチャシーケンスは、ＤＡＢシステムにおける特定数のビンにＤＡＢ信号の上側及び下側サイドバンドとともに送信される。その符号が受信機に対して既知の特定のビンに一度割り当てられると、周波数オフセットエラーを担う位置からのすべてのシフトは、従来のフィードバック又は順方向エラー補正技法を用いて、周波数オフセットアルゴリズムにより推定し補償することができる。
【００１９】
後述するように、密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、バーカー符号のようなシグネチャシーケンスを利用して、周波数領域においてＯＦＤＭシステムにおけるサブキャリアの中の既知の周波数点に離散的に含まれている基準情報を提供する。周波数領域において、送信された信号のピークを識別することと、必要とされる密度の粗い周波数オフセット調整を決定することとの相関が利用される。計算された密度の粗い周波数オフセットは順方向補正機構に適用され、ＯＦＤＭサブキャリアの整数によって密度の粗い周波数オフセットが補正される。
【００２０】
密度の粗い周波数オフセットの推定は密度の細かい周波数オフセットの推定が達成される前に実行されるので、その密度の粗い周波数オフセットは任意の数にすることができる。周波数オフセットがビンに近いところで発生する場合には、それに相関する出力は相対的に良好なピークをもつことになる。しかしながら、周波数オフセットが２つのビンの中間で発生する場合には、それに相関する出力は最悪の場合のピークをもつことになる。
【００２１】
このように、本発明による密度の粗い周波数オフセット推定は、ＯＦＤＭフレームごとにシグネチャシーケンスを利用して、各フレームに特定の目的をもつ複数のビンを用意する。１つのフレームは最初の周波数に相関し、その周波数は所定の量でシフトされる。例えば、ビン間の周波数であるΔｆの半分でシフトされ、その後に再び相関関係をもつ。複数の周波数値の最も高いピークで測定される。その相関関係は少なくとも２つの周波数について、そのビン間の周波数幅であるΔｆの半分の相対的なオフセットで実行されるので、少なくとも１つの周波数はビンの近くの相関性のあるピークに位置付けられることになる。
【００２２】
後述するように、密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、周波数領域における基準周波数点に含まれている位相情報を利用する。基準ベクトルの位相回転は周波数エラーに比例し、その周波数エラーは時間領域において抽出されて（後述する図６に示すＦＦＴブロック６６０の後において）フィルタ処理される。最初の密度の細かい周波数オフセットの推定は補正され、連続的な周波数トラッキングに使用される。計算された密度の細かい周波数オフセットは順方向補正機構に供給され、サブキャリア空間よりも小さい量によって密度の細かい周波数オフセットが補正される。
【００２３】
図１は、典型的なＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおける周波数スペクトルの一部を示し、周波数ｆの関数としてのパワーＰをプロットした図である。図１に示すスペクトルには、アナログホストＦＭ信号１００に関連した下側ディジタルサイドバンド１０２及び上側ディジタルサイドバンド１０４が含まれている。その２つのサイドバンドは、ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムのディジタル音声情報を送信するために使用される周波数スペクトルの一部に相当する。
【００２４】
後述するように、実施形態におけるシステムにおいては、外側の巡回冗長符号（ＣＲＣ）及び差動４相位相シフトキーイング（ＤＱＰＳＫ）のＯＦＤＭ変調を使用する。送信されるシンボルのＤＱＰＳＫ変調は、周波数選択フェージング及び発振位相のドリフトに対する強靱性を可能にする。差動符号化はＯＦＤＭトーン間の周波数において実行される。送信されるべきディジタル信号及び外側のＣＲＣブロック符号は、各サイドバンド１０２、１０４において繰り返すことができる。しかしながら、両方のサイドバンド上の符号化されたストリームが同じである必要はない。
【００２５】
図１に示すように、各サイドバンドには、それぞれ１０２−１ないし１０２−Ｎ及び１０４−１ないし１０４−Ｎからなる複数のＮ成分が含まれている。例えばその成分は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）のサブキャリアに対応することができる。パイロットトーン１０３がサイドバンド１０２の両端に存在し、パイロットトーン１０５がサイドバンド１０４の両端に存在する。さらに複数のパイロットトーン（図示せず）が図の周波数スペクトルの他の部分に存在する。
【００２６】
パイロットトーン１０３、１０５は選択されたＯＦＤＭ基準トーンに対応し、干渉の存在を測定するのに使用することができる。変調されていないパイロットトーン１０３、１０５は、ＤＡＢスペクトル全域のどこにでも配置することができ、サイドバンド上の配置の中で主として有利な位置は、周波数全領域のＤＱＰＳＫ復調において基準点として使用すべき位置である。
【００２７】
図２は、典型的なＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステムにおける本発明による送信機２００を示している。図２に示されているのは送信機２００のディジタル部分のみ、すなわち、ディジタル信号の発生及び処理に関係する部分である。また、従来の処理要素がアナログ信号の処理のために使用される。ＰＡＣ音声符号器２０２は符号化された音声信号、例えば、音声圧縮技術を用いた９６ｂｐｓのビットレートの音声信号を発生する。その音声圧縮技術は、例えばＤ．Ｓｉｎｈａ、Ｊ．Ｄ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｓ．Ｄｏｗａｒｄ、Ｓ．Ｒ．Ｑｕａｃｋｅｎｂｕｓｈによる“Ｔｈｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｅｒ”のタイトルで、ＣＲＣ出版のＤｉｇｔａｌ Ａｕｄｉｏのセクション４２の４２−１から４２−１８ページに記載されており、この明細書中で参照される。
【００２８】
符号化された音声ビットストリームはＣＲＣ符号器２０４に供給され、ＣＲＣ誤り検出ブロック符号を用いた従来の手法におけるＣＲＣビットが発生される。ＣＲＣはシステム２００で使用される「内部符号」のタイプの１つの例である。他の内部符号としては、例えば、リードソロモン（ＲＳ）符号、Ｂｏｓｅ−Ｃｈａｄｈｕｒｉ−Ｈｏｃｑｕｅｎｇｈｅｍ（ＢＨＣ）符号、及びその他のブロック符号がある。
【００２９】
図２に示すように、ＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢ送信機２００は畳込み符号器２２０も備えている。例えばこれは、相補型パンクチャ畳込み（ＣＰＰＣ）符号器であり、よく知られているＣＰＰＣ技法ににしたがって音声ビットストリームを符号化する。ＦＭ ＨＩＢＯＣ ＤＡＢシステム２００は、さらにインターリーバ２２２、ＤＱＰＳＫ変調器２２４、及びＯＦＤＭ変調器２２６を備えている。
【００３０】
従来の直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）のさらに詳細なものとして、例えばＷ．Ｙ．ＺｏｕとＹ．Ｗｕによる“ＣＯＦＤＭ−Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ”のタイトルでＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ,Ｖｏｌ．４１．Ｎｏ．１，１−８（Ｍａｙ１９９５）に記載されたもの、又は、Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｂｉｎｇｈａｍによる“Ｍｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ：Ａｎ Ｉｄｅａ Ｗｈｏｓｅ Ｔｉｍｅ Ｈａｓ Ｃｏｍｅ”のタイトルでＩＥＥＥ Ｃｏｍｍ．５−１４（Ｍａｙ１９９０）に記載されたものがあり、それぞれこの明細書中で参照される。
【００３１】
一般的には、符号器２２０における畳込み符号化は、システム２００の中で使用できる「外部符号」のタイプの一例である。他のタイプの外部符号も使用することができ、ブロック又は畳込み符号にいわゆる「ターボ」符号として含まれており、符号化変調されたトレリス（ｔｒｅｌｌｉｓ）に付随して符号化される。ＯＦＤＭ変調器２２６の変調出力は、ディジタルサイドバンド１０２、１０４に一致し、ＦＭ放送チャネル２３０を介して受信機（図示せず）に送信される。ＤＱＰＳＫ変調器２２４は、インターリーブビットストリームを処理することで、各２つのビットに対して１つのＱＰＳＫシンボルを発生する。そのシンボルはＯＦＤＭ変調器２２６によって適切なサブキャリアに写像される。
【００３２】
図３は、本発明によるシグネチャＯＦＤＭフレームのフォーマットを示している。ここで特に言及することは、バーカーシーケンスを搬送するｎ個のビンはシグネチャビン３１０、３３０と呼ばれること、及び、シグネチャビンを有するＯＦＤＭフレームはシグネチャフレームと呼ばれることである。最大周波数オフセットがＭ個のビンである場合には、周波数オフセットアルゴリズムはサイズがｎ＋２Ｍビン分離の検索窓を使用する。そして、その窓の中央にバーカーシーケンスを維持しようとする。図３に示すように、本発明はサイズがＭで４つの不確定領域３０５、３１５、３２５、３３５を使用する。ここでＭは、最大の正及び負の周波数オフセット値に対する範囲の受信機の処理を中止できるビンのグループ（サブキャリア）である。
【００３３】
１． 密度の粗い周波数オフセット推定
密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、予想されたビン位置のセットの所定の最大周波数オフセット内のシグネチャビンを検索する。この周波数オフセット推定のアルゴリズムは、周波数領域における密度の細かい及び密度の粗い周波数オフセットを並行して推定できる。密度の細かい及び密度の粗い周波数オフセットを並行して推定するアルゴリズムは、入力する搬送波の迅速な取得及びトラッキングを可能にし、さらに複数のタイプの干渉に対する防御を可能にする。
【００３４】
密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムについての受信機４００のシステムブロックダイアグラムを図４に示す。密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムは、ＯＦＤＭフレームごとの各上側サイドバンド及び各下側サイドバンド上の７個の連続したサブキャリア（ｎ＝７）を１３ビットのバーカーシーケンスによって変調する。そのシーケンスは７個の連続したフレーム上に拡散しかつ反復する。そのため、ＤＱＰＳＫサブキャリアの各々は７番目のシンボルを除き、バーカーシーケンスの２ビットを搬送する。７番目のシンボルは関連する１ビットのみを搬送する。
【００３５】
そのアルゴリズムは、最初のシグネチャビンの不確定範囲（±Ｍビン）内でこれらのサブキャリアを検索する。相関する７個の連続したビンが１３ビットのバーカーシーケンスを既知のシグネチャシーケンスとともに搬送することによって、ＯＦＤＭサブキャリアの数に応じた密度の粗い周波数オフセットを容易に推定できる。
【００３６】
密度の細かい周波数オフセット推定は密度の粗い周波数オフセット推定の前に実行することはできないので、厳しい搬送波間の干渉がわずかなオフセットレベルに重大に影響すると予想される。最悪の場合には、オフセットレベルがシンボルレートの半分に近くなると、非常に厳しい搬送波間の干渉の結果、密度の粗い周波数オフセットの推定ができなくなる。
【００３７】
この問題を軽減するために、受信信号及びシンボルレートの半分までの受信信号の周波数シフトバージョンの両方について相関関係が観測される。その相関関係は２つの周波数に対して実行されるので、ビン間の周波数幅Δｆの半分の相対的オフセットの場合には、少なくとも１つの周波数は１つのビン近傍の関連するピークに位置することになる。言い換えれば、搬送波間の干渉レベルは、２つの周波数位置の少なくとも１つの位置については許容できることになる。
【００３８】
３相関周期で相関性のあるピークを配置したことから、各周波数（図４におけるスイッチ４０５の位置）に対して、受信機４００は、図４に示すように、シフトされたビンの数に応じて密度の粗い周波数オフセットを推定することができる。密度の粗い周波数オフセット推定のアルゴリズムはまた、周波数領域において信号周波数が隣のビンに近づくようなスイッチ位置を決定する。
【００３９】
受信機４００は、ＦＦＴブロック４１０の２つの出力である＋ＮｔｏＮ＋ｎ及び−Ｎ−ｎｔｏ−Ｎを処理する。ここで、出力＋ＮｔｏＮ＋ｎは上側シグネチャビンの位置に一致する。そして、出力−Ｎ−ｎｔｏ−Ｎはいかなる周波数オフセットも存在しない下側シグネチャビンの位置に一致する。受信した周波数領域の信号がある周波数オフセットだけシフトされて、ＦＦＴ動作前のフレームレートの整数倍と等しくなった場合には、周波数領域におけるこの周波数シフトは、ＦＦＴの出力においてシンボルの整数に応じた時間シフトに変換される。言い換えれば、ＦＦＴブロック４１０の出力における信号パターンは、周波数オフセットの符号によって右又は左に±Δｎだけシフトされることになる。
【００４０】
図４に示すように、受信機４００はさらに、パラレル／シリアル・コンバータ４２０、差動符号器４３０、ＱＰＳＫシンボル／ビット・写像器４４０、バーカー整合フィルタ４５０、（２を超えるバーカーシーケンスを積分して）相関性のあるピークを識別する閾値検出器４６０、複合器４７０、及び、最大値検出器（ＭＬＥ）４７５を備えている。
【００４１】
図５は１００Ｈｚ細部周波数オフセットに対する相関出力５００を示している。最大の相関ピーク５１０は、スイッチがある１つの位置にあるときに達成されているのが分かる。このスイッチの位置は、実施形態において示すように、シンボルレートの半分又は１３４Ｈｚまでの受信信号のシフトに対応している。最初の１００Ｈｚのオフセットと比較すると、この密度の細かいオフセットは搬送波間の干渉をより低くなるように導くので、より大きな相関ピークが相関性出力において達成される。
【００４２】
２．密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズム
＋ｆfr／２〜−ｆfr／２（ｆfrはＯＦＤＭビン分離を示す）の範囲における密度の細かい周波数オフセットを推定し補償するためには、その密度の粗い周波数オフセット及び補償は、上記手順においてそれまでに十分に完成していなければならない。言い換えれば、受信信号は、密度の細かい周波数トラッキングのアルゴリズムが開始する前の上記した周波数範囲内において、局部発振器と同期していなければならない。
【００４３】
ＯＦＤＭシステムにおける各上側サイドバンド及び各下側サイドバンドの内部の変調されていないほとんどのビンは、受信機においてＤＱＰＳＫ変調信号の差動復号化に利用される。これらのパイロットは、密度の細かいオフセット推定にも同様に利用される。密度の粗い周波数オフセット推定の後は、変調されていないビン及びすべてのビンは、ＯＦＤＭビン分離の少なくとも半分内にある。変調されていないビンは周波数オフセットの密度の細かい端数を推定するのに使用することができる。周波数オフセットが存在する中で複合ビンは回転を開始する。回転のレートは周波数オフセットの拡張の関数である。密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムは、回転のレートをゼロに等しくしようとする。ある１つのフレームから次ぎのフレームへの位相の変化は回転のレートに比例し、回転の符号はシフトの方向を示している。
【００４４】
密度の細かい周波数オフセット推定のアルゴリズムのための受信機６００のシステムブロックダイアグラムを図６に示す。上側及び下側パイロットトーン１０３、１０５（ＤＱＰＳＫ基準シンボル）に関連しているＦＦＴ６２０の２つの出力の位相は、フレームからフレームへを基礎として連続的に推定される。また、各フレームの間隔のビン回転は、図６に示すように、位相推定器６３０によって推定される。前に示したように、ある１つのフレームから次ぎのフレームへの位相の変化は回転のレートに比例する。
【００４５】
２つのフレーム間の位相の変化は遅延要素６４０によって得られ、その後、積分器６５０は、後述するように、Ｎ個のフレームを高い値にするために使用されれる。乗算器６６０は、上側又は下側のパイロットビンに対応する相対的な電力に基づいて重みを得る。その後、加算器６７０は上側又は下側のパイロットビンからの結果を合成する。
【００４６】
ΔΘのフレーム間の位相回転及びｆfrのフレームレートで、残余の（すなわち密度の細かい）周波数オフセットは次の式で推定することができる。
【数１】
【００４７】
位相回転の推定は、隣接変調ビンからのビン間の干渉によって妨げられ、特にオフセット値が大きいほど妨げられる。この影響を解消するためと、同時に背景ノイズやフェージングの影響も解消するために、ループフィルタの前の積分器６５０によって、Ｎ個の連続したΔΘの値の連続的な積分が実行される。さらに、上側及び下側における２つの高められた信号が基準化され、最大比の混合方法で混合される。この技法は、より強力なパイロットは周波数回転の推定において支配的な割当を持つという方法で、２つの狭帯域パイロットトーンでチャネル選択フェージングの影響を解消する。
【００４８】
図７は、図６の２次元ループフィルタ７００をさらに詳細に示したものである。２次元ループフィルタ７００は、例えば、よく知られている進み遅れフィルタ（ｌｅａｄ−ｌａｇ ｆｉｌｔｅｒ）で具体化することができ、内部に２次元位相同期ループを用いている。１つの具体例として、２次元ループフィルタ７００は利得が１の純積分器及び利得が０．１０５００の比例分岐で構成される。そのループ利得は、与えられるループフィルタパラメータによって決定される。これは０．８０３２Ｈｚ／ＶｏｌｔのＶＣＯと同じである。これらの数は固定点の制度に合わせて選択されたものである。
【００４９】
周波数獲得処理を速めるために、ＶＣＯは密度の粗いかつ密度の細かい周波数オフセット推定値で初期化される。その推定値は最初の３つのＯＦＤＭフレームのパイロット位相回転によって測定されたものである。この技法では、条件が悪い場合のシナリオ（７０Ｈｚ細部オフセット）では周波数の獲得を中止する期間を７フレームより少なくすることができる。従来においては、提案されたＶＣＯ初期化がない場合には、２０フレームの長さにまで及んでいた。
【符号の説明】
【００５０】
１００ ホスト信号
１０２ 下側サイドバンド
１０３、１０５ 変調されていないパイロットトーン
２０２ ＰＡＣ音声符号器
２０４ ＣＲＣ符号器
２２０ 畳込み符号器
２２４ ＤＱＰＳＫ変調器
２２６ ＯＦＤＭ変調器
３０５、３１５、３２５、３３５ 不確定領域
３１０、３３０ シグネチャビン
４００、６００ 受信機
４０５ スイッチ
４１０、６２０ ＦＦＴ
４２０、６１０ パラレル・シリアル・コンバータ
４３０ 差動復号器
４４０ ビット写像器
４５０ バーカー整合フィルタ
４６０ 閾値検出器
４７０ 合成器
４７５ 最大値検出器
５００ 相関性出力
５１０ 最大相関性ピーク
６０５ ＶＣＯ
６３０ 位相推定器
６４０ 遅延要素
６５０ Ｎフレーム積分器
６５５ 電力推定器
６６０ 乗算器
６７０ 加算器
７００ ループフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＦＤＭ通信システムにおける密度の粗い周波数オフセット推定の方法であって、
Ａ）シグネチャシーケンスを含むディジタル信号を受信するステップ、
Ｂ）少なくとも２つの周波数の各々と前記受信されたディジタル信号との相関性を求めるステップ、及び
Ｃ）ある１つのビンの近傍に相関ピークを位置づけるために、最大の振幅をもつ相関ピークを提供する周波数の１つを選択するステップ
を備える方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、さらに、
Ｄ）前記シグネチャシーケンスに関連した相関ピークが予測された位置にあるかどうかを測定することによって、密度の粗い周波数オフセットを推定するステップを有する方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、前記シグネチャシーケンスは、バーカー符号であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、前記シグネチャシーケンスは、周波数領域において既知の周波数点を離散的に含む基準情報を提供することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１において、さらに、
Ｅ）計算された密度の粗い周波数オフセットを順方向補正機構に供給するステップを有する方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、さらに、
Ｆ）計算された密度の粗い周波数オフセットフィードバック機構に供給するステップを有する方法。
【請求項７】
ＯＦＤＭ通信システムにおける密度の細かい周波数オフセット推定の方法であって、
Ａ）ＯＦＤＭビン分離の所定距離内にある１つのＯＦＤＭビンの近傍にあるシグネチャシーケンスに関連した相関ピークの位置づけるために密度の粗い周波数オフセットを推定するステップ、
Ｂ）少なくとも２つのフレームにおける１つの変調されていないビンの位相の変化を評価するステップ、及び
Ｃ）前記位相の変化に基づいて密度の細かい周波数オフセットを推定するステップ
を備える方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、前記密度の粗い周波数オフセット推定は、前記ＯＦＤＭビン分離の半分のところに相関ピークを位置づけることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７の方法において、さらに、
Ｄ）時間領域における前記密度の細かい周波数オフセットを抽出してフィルタ処理するステップを有する方法。
【請求項１０】
請求項７の方法において、さらに、
Ｅ）連続的な周波数トラッキングのために前記密度の細かい周波数オフセット推定を補正して使用するステップを有する方法。
【請求項１１】
請求項７の方法において、周波数オフセットの拡がりは前記位相の変化の回転のレートの関数であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項７の方法において、さらに、
Ｆ）回転のレートをゼロに等しくするステップを有する方法。
【請求項１３】
請求項７の方法において、前記位相の変化の回転のレートの極性は周波数オフセットの方向を示すことを特徴とする方法。
【請求項１４】
ＯＦＤＭ通信システムにおいてシグネチャシーケンスを含むディジタル信号を受信する受信機で使用する周波数オフセット推定器であって、
Ａ）少なくとも２つの周波数の各々と前記受信されたディジタル信号との相関性を求めるために前記シグネチャシーケンスに適したフィルタ、及び
Ｂ）ある１つのビンの近傍に相関ピークを位置づけるために、最大の振幅をもつ相関ピークを提供する周波数の１つを選択する手段
を備え、前記選択する手段は密度の粗い周波数オフセット調整を提供することを特徴とする周波数オフセット推定器。
【請求項１５】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、さらに、
Ｃ）前記シグネチャシーケンスに関連した相関ピークが予測された位置にあるかどうかを測定することによって、密度の粗い周波数オフセットを推定する手段を備えた周波数オフセット推定器。
【請求項１６】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、前記シグネチャシーケンスは、バーカー符号であることを特徴する周波数オフセット推定器。
【請求項１７】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、前記シグネチャシーケンスは、周波数領域において既知を周波数点を離散的に含む基準情報を提供することを特徴する周波数オフセット推定器。
【請求項１８】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、さらに、
Ｄ）密度の粗い周波数オフセットの計算における補償のために順方向補正機構を備えた周波数オフセット推定器。
【請求項１９】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、さらに、
Ｅ）密度の粗い周波数オフセットの計算における補償のためにフィードバック機構を備えた周波数オフセット推定器。
【請求項２０】
ＯＦＤＭ通信システムにおける受信機で使用するための推定器回路であって、
Ａ）ＯＦＤＭビン分離の所定距離内にある１つのＯＦＤＭビンの近傍にあるシグネチャシーケンスに関連した相関ピークの位置づけるために密度の粗い周波数オフセット推定器、
Ｂ）少なくとも２つのフレームにおける１つの変調されていないビンの位相の変化を評価する位相推定器、及び
Ｃ）前記位相の変化に基づいて密度の細かい周波数オフセットを推定する手段
を備えた推定器回路。
【請求項２１】
請求項２０の推定器回路において、前記密度の粗い周波数オフセット推定器は、前記ＯＦＤＭビン分離の半分のところに相関ピークを位置づけるように構成されたことを特徴する推定器回路。
【請求項２２】
請求項２０の推定器回路において、さらに、
Ｄ）時間領域における前記密度の細かい周波数オフセットを抽出してフィルタ処理するループフィルタを備えた推定器回路。
【請求項２３】
請求項２０の推定器回路において、前記密度の細かい周波数オフセットの拡張は前記位相の変化の回転のレートの関数であることを特徴する推定器回路。
【請求項２４】
請求項２０の推定器回路において、さらに、
Ｅ）回転のレートをゼロと等しくするフィードバックループを備えた推定器回路。
【請求項２５】
請求項２０の推定器回路において、前記位相の変化の回転のレートの極性は前記周波数オフセットの方向を示すことを特徴する推定器回路。
【請求項２６】
請求項２０の推定器回路において、前記密度の細かい周波数オフセットは下記の式：
【数１】
で推定され、Δｆresは前記細かい周波数オフセットであり、ΔΘはフレーム間位相回転であり、ｆfrはフレームレートである、推定器回路。
【請求項１】
ＯＦＤＭ通信システムにおける密度の粗い周波数オフセット推定の方法であって、
Ａ）シグネチャシーケンスを含むディジタル信号を受信するステップ、
Ｂ）少なくとも２つの周波数の各々と前記受信されたディジタル信号との相関性を求めるステップ、及び
Ｃ）ある１つのビンの近傍に相関ピークを位置づけるために、最大の振幅をもつ相関ピークを提供する周波数の１つを選択するステップ
を備える方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、さらに、
Ｄ）前記シグネチャシーケンスに関連した相関ピークが予測された位置にあるかどうかを測定することによって、密度の粗い周波数オフセットを推定するステップを有する方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、前記シグネチャシーケンスは、バーカー符号であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、前記シグネチャシーケンスは、周波数領域において既知の周波数点を離散的に含む基準情報を提供することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１において、さらに、
Ｅ）計算された密度の粗い周波数オフセットを順方向補正機構に供給するステップを有する方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、さらに、
Ｆ）計算された密度の粗い周波数オフセットフィードバック機構に供給するステップを有する方法。
【請求項７】
ＯＦＤＭ通信システムにおける密度の細かい周波数オフセット推定の方法であって、
Ａ）ＯＦＤＭビン分離の所定距離内にある１つのＯＦＤＭビンの近傍にあるシグネチャシーケンスに関連した相関ピークの位置づけるために密度の粗い周波数オフセットを推定するステップ、
Ｂ）少なくとも２つのフレームにおける１つの変調されていないビンの位相の変化を評価するステップ、及び
Ｃ）前記位相の変化に基づいて密度の細かい周波数オフセットを推定するステップ
を備える方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、前記密度の粗い周波数オフセット推定は、前記ＯＦＤＭビン分離の半分のところに相関ピークを位置づけることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７の方法において、さらに、
Ｄ）時間領域における前記密度の細かい周波数オフセットを抽出してフィルタ処理するステップを有する方法。
【請求項１０】
請求項７の方法において、さらに、
Ｅ）連続的な周波数トラッキングのために前記密度の細かい周波数オフセット推定を補正して使用するステップを有する方法。
【請求項１１】
請求項７の方法において、周波数オフセットの拡がりは前記位相の変化の回転のレートの関数であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項７の方法において、さらに、
Ｆ）回転のレートをゼロに等しくするステップを有する方法。
【請求項１３】
請求項７の方法において、前記位相の変化の回転のレートの極性は周波数オフセットの方向を示すことを特徴とする方法。
【請求項１４】
ＯＦＤＭ通信システムにおいてシグネチャシーケンスを含むディジタル信号を受信する受信機で使用する周波数オフセット推定器であって、
Ａ）少なくとも２つの周波数の各々と前記受信されたディジタル信号との相関性を求めるために前記シグネチャシーケンスに適したフィルタ、及び
Ｂ）ある１つのビンの近傍に相関ピークを位置づけるために、最大の振幅をもつ相関ピークを提供する周波数の１つを選択する手段
を備え、前記選択する手段は密度の粗い周波数オフセット調整を提供することを特徴とする周波数オフセット推定器。
【請求項１５】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、さらに、
Ｃ）前記シグネチャシーケンスに関連した相関ピークが予測された位置にあるかどうかを測定することによって、密度の粗い周波数オフセットを推定する手段を備えた周波数オフセット推定器。
【請求項１６】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、前記シグネチャシーケンスは、バーカー符号であることを特徴する周波数オフセット推定器。
【請求項１７】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、前記シグネチャシーケンスは、周波数領域において既知を周波数点を離散的に含む基準情報を提供することを特徴する周波数オフセット推定器。
【請求項１８】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、さらに、
Ｄ）密度の粗い周波数オフセットの計算における補償のために順方向補正機構を備えた周波数オフセット推定器。
【請求項１９】
請求項１４の周波数オフセット推定器において、さらに、
Ｅ）密度の粗い周波数オフセットの計算における補償のためにフィードバック機構を備えた周波数オフセット推定器。
【請求項２０】
ＯＦＤＭ通信システムにおける受信機で使用するための推定器回路であって、
Ａ）ＯＦＤＭビン分離の所定距離内にある１つのＯＦＤＭビンの近傍にあるシグネチャシーケンスに関連した相関ピークの位置づけるために密度の粗い周波数オフセット推定器、
Ｂ）少なくとも２つのフレームにおける１つの変調されていないビンの位相の変化を評価する位相推定器、及び
Ｃ）前記位相の変化に基づいて密度の細かい周波数オフセットを推定する手段
を備えた推定器回路。
【請求項２１】
請求項２０の推定器回路において、前記密度の粗い周波数オフセット推定器は、前記ＯＦＤＭビン分離の半分のところに相関ピークを位置づけるように構成されたことを特徴する推定器回路。
【請求項２２】
請求項２０の推定器回路において、さらに、
Ｄ）時間領域における前記密度の細かい周波数オフセットを抽出してフィルタ処理するループフィルタを備えた推定器回路。
【請求項２３】
請求項２０の推定器回路において、前記密度の細かい周波数オフセットの拡張は前記位相の変化の回転のレートの関数であることを特徴する推定器回路。
【請求項２４】
請求項２０の推定器回路において、さらに、
Ｅ）回転のレートをゼロと等しくするフィードバックループを備えた推定器回路。
【請求項２５】
請求項２０の推定器回路において、前記位相の変化の回転のレートの極性は前記周波数オフセットの方向を示すことを特徴する推定器回路。
【請求項２６】
請求項２０の推定器回路において、前記密度の細かい周波数オフセットは下記の式：
【数１】
で推定され、Δｆresは前記細かい周波数オフセットであり、ΔΘはフレーム間位相回転であり、ｆfrはフレームレートである、推定器回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−９７６４３（Ｐ２０１１−９７６４３Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８０１（Ｐ２０１１−１４８０１）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【分割の表示】特願２０００−２８２０３４（Ｐ２０００−２８２０３４）の分割
【原出願日】平成１２年９月１８日（２０００．９．１８）
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【分割の表示】特願２０００−２８２０３４（Ｐ２０００−２８２０３４）の分割
【原出願日】平成１２年９月１８日（２０００．９．１８）
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
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