JP3811873B2 - ディジタル復調器におけるシンボルタイミング復元回路 - Google Patents
ディジタル復調器におけるシンボルタイミング復元回路 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、受信された変調信号をディジタル方式で復調するディジタル復調器において、シンボルタイミングを復元するシンボルタイミング復元回路に係り、特に可変レートで受信された信号に対して正確なシンボルレートを探して復元できるシンボルタイミング復元回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディジタル通信システムにおいて、受信器は、チャンネルを通して伝送された変調信号を受信し、所定のサンプリングクロックにてサンプリングしてディジタル信号に変化させる。次に、送信器で用いられた変調形態に応じて該周波数と位相を有するキャリアー信号を前記ディジタル信号から復元し、復元されたキャリアー信号を用いて復調を行い、元の情報信号を復元する。受信器が具備するタイミング復元回路は、受信器の性能に大きな影響を及ぼす正確なサンプリングクロックを決める役割を果たす。
【0003】
受信器の種類のうちディジタルモデムにおいて、サンプリングがデータシンボルに同期して行われる場合には、アナログモデムと同様にローカルクロックの位相を調節してサンプリングクロックを調整するフィードバックループあるいは受信された変調信号からタイミング波を再生成してサンプリングクロックを調整するフィードフォワードループを用いる。一方、サンプリングがデータシンボルに同期して行われない場合、すなわちサンプリングクロックがシンボルタイミングと関係ない場合には、補間によりタイミング調整が行われるべきである。すなわち、非同期のサンプルの間を補間して、モデムで正確なストローブ値、すなわちサンプリングがシンボルに同期された場合に生成されるものと同一なストローブ値を生成する。
【0004】
ここで、補間とはローカルクロックやタイミング波ではなく、信号に対するタイミング調整動作のことを称することであり、高速のディジタル信号処理を可能にする。
【0005】
図1は、一般的なディジタルタイミング復元回路を示したブロック図であり、フィードバックループを用いてタイミング復元を行うことを例に挙げたものである。前記ディジタルタイミング復元回路は、サンプリングクロック発生器11、第1サンプラ12、補間器13、データフィルター14、タイミングエラー検出器15、ループフィルター16及び制御部17から構成される。
【0006】
図1において、サンプリングクロック発生器11ではエイリアシング(aliasing)が発生しないTs周期でサンプリングクロックを発生する。第1サンプラ12では帯域制限された受信信号(X(t))をサンプリングクロックに応じてサンプリングした信号(X(mTs))を生成して出力する。
【0007】
補間器13ではサンプリングされた信号(X(mTs))を補間間隔Tiで補間したインタポラント(y(kTi))を生成して出力する。データフィルター14は、インタポラント(y(kTi))をフィルタリング処理して最終ストローブデータを生成して出力する。タイミングエラー検出器15は、ストローブデータからタイミングエラーを検出し、ループフィルター16は、検出されたタイミングエラーからノイズ成分を取り除く。制御部17は、フィルタリングされたタイミングエラーを用いて補間器13の動作を制御することにより、正確なタイミング復元を行わせる。
【0008】
次に、補間器13をディジタル回路で具現化するための過程を図2に基づき説明することにする。
【0009】
図2は、図1に示した補間器13の動作を説明するためのブロック図であり、補間器13は、ディジタル/アナログ変換器21(以下、D/A変換器という)と補間フィルター22及び第2サンプラ23から構成される。図2において、第1サンプラ12(図1参照)からサンプリングされた信号(X(mTs))は、D/A変換器21を通して再びアナログ信号(x(t))に変換された後、補間フィルター22を通してフィルタリングされ補間された信号(y(t))として出力され、再び第2サンプラ23で再サンプリングされインタポラント(y(kTi))として出力される。ここで、第2サンプラ23のサンプリング間隔、すなわちインタポラント間の間隔(Ti)は、制御部17(図1参照)から供給される。
【0010】
補間フィルター22のインパルス応答をhI(t)とすると、補間フィルター22の出力y(t)は、下記の式1のように示される。
【0011】
【数1】
【0012】
次に、第2サンプラ23を通してt=kTiの時点でy(t)を再サンプリングして得られた新たなサンプル、すなわちインタポラントy(kTi)は下記の式2のように示される。
【0013】
【数2】
【0014】
前記式2において、入力信号x(m)と補間フィルター22のインパルス応答hI(t)、第1サンプラ12のサンプリング間隔mTs及び第2サンプラ23のサンプリング間隔kTiが分かっていれば、式2で示されるインタポラントを完全にディジタル的に計算することができる。
【0015】
次に、式2に用いられた変数を定義するために、mを信号インデックスとする場合、フィルターインデックス(i)、基準ポイントインデックス(mk)、小数間隔(μk)はそれぞれ下記の式3のように示され得る。
【0016】
【数3】
【0017】
前記式3において、int[z]はzを超えない最大の整数のことを意味し、0≦μk<1である。
【0018】
ここで、小数間隔(μk)は、実際の補間器13の再サンプリング間隔を調整するために重要であり、制御部17で計算され第2サンプラ23に供給される。
【0019】
一方、第1サンプラ12の周期Tsと第2サンプラ23の周期Tiの関係からμkの変化を見てみると、次の通りである。第一に、TsとTiが相互約分されないと、μkは無理数になり、それぞれのインタポラントを求める度に変わるようになる。第二に、TsとTiが類似な値を有しながらサンプリングがほとんど同期化されると、μkは、非常にゆっくりと変わり、量子化させれば定数を有するようになる。第三に、TsとTiが約分されるが相互に同一でないと、μkは周期的に変動するようになる。
【0020】
一方、前記式2は、前記式3の変数置換を通して下記の式4のように示され得る。
【0021】
【数4】
【0022】
前記式4によりモデムにおけるディジタル補間が可能になる。式4において、補間フィルター22のインパルス応答hI[(i+μk)Ts]値は、フィルターのタップ係数になる。
【0023】
そして、連続された二つのインタポラントの時間間隔kTiと(k+1)Tiは下記のとおりである。
【0024】
【数5】
【0025】
前記式5の二つの式の差により下記の標準ポイントインデックスmk+1値は、下記の式6のようになるのがわかる。
【0026】
【数6】
【0027】
ここで、式3の定義に応じて基準ポイントインデックスmk,mk+1は定数で、小数間隔は0≦μk,μk+1<1で、基準ポイントインデックス増加分Δmkは、式7のようになる。
【0028】
【数7】
【0029】
同じように、式6から増加分の小数部分fp[]が0であることがわかるので、次の小数間隔μk+1は、下記の式8のようになる。
【0030】
【数8】
【0031】
従って、前記に説明したとおり図1の制御部17では式8のように計算して、前記補間器13に提供するようにハードウェアで具現化し、前記補間器13は、前記制御部17から提供された基準ポイントインデックスの増加分Δmkと小数間隔μkを用いて前記式4のようにインタポラントを計算するようにハードウェアで具現化することのみで、ディジタル復調器の正確なシンボルタイミング復元回路を具現化することができる。
【0032】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、可変レートディジタル復調器で受信された信号に対して正確なシンボルタイミングを探して復元できるようにしたシンボルタイミング復元回路を提供することにその目的がある。
【0033】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明のディジタル復調器のシンボルタイミング復元回路は、所定の周期でクロック信号を発生するクロック発生手段と、前記クロック信号に応じて受信信号からサンプリングされたサンプル信号を出力するサンプリング手段と、周期毎に所定の小数間隔により計算されたフィルタータップ係数に前記サンプル信号を補間して生成されたインタポラントを補間周期で出力する補間器と、前記インタポラントをフィルター処理してストローブデータを出力するデータフィルターと、前記ストローブデータからタイミングエラーを測定してタイミングエラー信号を出力するタイミングエラー検出器と、前記タイミングエラー信号のノイズ成分を取り除いてタイミングエラー信号の平均値を出力するループフィルターと、前記補間器に小数間隔を提供し、前記データフィルター、前記タイミングエラー検出器、及び前記ループフィルターの信号処理動作を制御するための制御部とから構成され、前記制御部は、前記クロック信号で生成された小数間隔と前記タイミングエラー信号の平均値信号、補間周期対サンプリング周期の比で計算動作を行う計算手段と、初期化状態で前記計算手段の出力値を補償する補償手段と、前記補償手段の出力値から小数部分を抽出して、前記補間器と計算手段に小数間隔として出力する小数抽出部と、前記補償手段の出力値から整数部分を抽出する整数抽出部と、前記整数抽出部の出力値に応じて前記補間器が出力するインタポラントの有効性を指示する制御信号を生成して、前記計算手段、前記データフィルター、前記タイミングエラー検出器及び前記ループフィルター等に出力する判断部とから構成されることを特徴とする。
【0034】
このような構成により、制御部は、サンプリングル周期毎に小数間隔を計算して補間器に提供し、前記提供された小数間隔により計算されたフィルタータップ係数と入力されたサンプル信号をベクトル乗してインタポラントを出力し、かつ制御信号に応じて正確なシンボルタイミングで再サンプリングされた信号のみを選択して出力できるように全体回路を制御するようになる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
【0036】
ディジタル復調器における本発明によるシンボルサンプルタイミング復元回路は、図3に表したとおり、クロック発生器31、サンプラ32、補間器33、データフィルター34、タイミングエラー検出器35、ループフィルター36及び制御部37から構成されている。
【0037】
前記クロック発生器31は、受信信号(X(t))同士でエイリアシングが発生しないように所定のサンプリング周期(Ts)でクロック信号を発生させ、前記クロック信号に応じて、前記サンプラ32は、受信信号(X(t))をサンプリングしてサンプル信号(X(mTs))をTs周期で出力する。
【0038】
前記補間器33は、前記サンプル信号(X(mTs))を順次に入力され入力ベクトル列で格納し、前記制御部37から提供された小数間隔μkに応じるフィルタータップ係数と相互ベクトル乗を行い、すべて加算してインタポラント(y(kTi))を出力する。
【0039】
前記データフィルター34は、前記インタポラント(y(kTi))を入力されダウンサンプリングでフィルターリング処理してシンボルタイミング復元に用いられる最終ストローブデータを出力する。
【0040】
この際、前記タイミングエラー検出器35は、前記ストローブデータをフィードバック入力されタイミングエラーφを測定して出力し、前記ループフィルター36は、前記タイミングエラーφ信号をフィルタリング処理してノイズを取り除いた平均値のタイミングエラー信号Δφを出力する。
【0041】
前記制御部37は、前記平均値のタイミングエラー信号Δφを入力され小数間隔μkを計算して前記補間器33に提供すると同時に、基本ポイントインデックス増加分Δmkに応じて前記補間器33の出力であるインタポラント(y(kTi))が有効であるかどうかを判断し、前記データフィルター34、タイミングエラー検出器35、ループフィルター36及び後端装置(図示せず)等が正確なシンボルタイミングで再サンプルされた信号のみを選択して信号処理するように制御する有効データ指示信号(valid_data_indicator)を出力する。
【0042】
一方、図3に示したシンボルタイミング復元回路の補間器33は、図4に表したように、L個の状態があるシフトレジスタ41、フィルタータップ係数計算部42、L個の乗算器43及び加算器44から構成されている。
【0043】
前記L個のシフトレジスタ41は、ディジタル信号に変換されたサンプル信号(X(mTs))をサンプルリング周期Tsの1クロック毎一個ずつ順次に入力され右側にシフトさせながら格納してから、L個のサンプル信号を乗算器43に並列で出力する。
【0044】
そして、前記フィルタータップ係数計算部42は、入力された小数間隔μkに応じて対応するL個のタップ係数を計算して、前記乗算器43に出力する。
【0045】
前記L個の乗算器43は、前記シフトレジスタ41に格納されたL個のサンプル信号と前記フィルタータップ係数計算部42のL個のフィルタータップ係数同士で乗算して出力し、前記加算器44ではL個の乗算器43の出力をすべて加算してインタポラント(y(kTi))を出力する。
【0046】
この際、本発明の補間器33のシフトレジスタ41は、サンプリング周期Tsのクロックによって右の方にシフト動作するために次のクロックに同期されて、入力されたサンプル信号に対する補間を行う。したがって、クロック毎に計算されたインタポラント等は、基本ポイントインデックス増加分Δmk=1に固定されている。
【0047】
しかし、前記基本ポイントインデックス増加分Δmkが2以上である場合には、補間するデータは、前記シフトレジスタが前記基本ポイントインデックス増加分Δmkずつシフトした後に出力されたデータである。
【0048】
従って、前記のようにサンプリング周期毎補間器33の動作を正確に制御するためには、基本ポイントインデックス増加分Δmkから現在のインタポラントが有効であるかどうかを半断して制御信号を生成する機能が制御部37で具現化されなければならない。
【0049】
一方、図5に示すように、図3に示したサンプリング復元回路の制御部37は、計算部51、クランパ52、小数抽出部53、整数抽出部54、及び制御信号発生部55から構成されている。
【0050】
そこで、前記計算部51は、以前の小数間隔μk-1を格納する小数間隔格納部57、固定された補間周期対サンプリング周期の比を格納する比格納部58、前記比格納部58に格納された値(Ti/Ts)と前記ループフィルター36の出力値であるタイミングエラー信号の平均値Δφを加算して出力する第一加算器59、第一加算器59の出力値に前記小数間隔格納部57に格納された以前の小数間隔μk-1を加算して出力する第2加算器60から構成されている。
【0051】
したがって、前記計算器51の出力値は下記式9のように表現される。
【0052】
【数9】
【0053】
ここで、補間周期Tiがサンプリング周期Tsより実質的に大きいのでTi/Tsは“1”より大きな値を有するようになる。
【0054】
したがって、前記計算部51の出力値は、常に1より大きな値を有するが、例外的にシステムの初期時には前記計算部51の出力値より小さい値を有することができる。これにより、前記クランパ52は、前記計算部51の出力値が1以上である時にはそのとおり通過させるが、システム初期時に前記計算部51が1より小さい値を出力する時には、前記計算部51の値を1で補償して前記小数抽出部53と整数抽出部54に出力する。
【0055】
前記小数抽出部53は、前記クランパ52の出力から小数部分を抽出して前記計算部51の小数小間隔格納部57と前記補間器33のフィルタータップ係数計算部42に出力する。
【0056】
この際、前記小数抽出部53が前記クランパ52の出力値から抽出した小数部分が前記補間器33のフィルタータップ係数計算に用いる小数間隔μkになる。
【0057】
一方、前記クランパ52の出力値から抽出された整数部は、基本ポイントインデックス増加分Δmkとタイミングエラー信号の平均値Δφを加算した値であり、前記整数抽出部54は、この整数値を前記制御信号発生部55に出力する。
【0058】
ここで、前記整数抽出部54の出力値の意味は、前記補間器33で補間するサンプル信号X(mTs)を前記整数抽出部54の出力値ずつシフトした後に出力されたインタポルラントが有効なデータであることを示す。
【0059】
したがって、前記制御信号発生部55では、前記整数抽出部54の出力値を順次的に遅延減少させて、基準値と比較してその結果による制御信号を発生して補間器33以後の信号処理を選択的に行うように制御する。
【0060】
前記制御信号発生部55は、臨時格納部61、選択信号発生部62、マルチプレクサ63、減算器64及び判断部65から構成されている。そこで、前記臨時格納部61は、以前のクロックで以前減算器64の出力値を格納して前記選択信号発生部62及び前記マルチプレクサ63の一側入力部に出力し、前記減算器64の現在の出力値を格納する。
【0061】
前記選択信号発生部62は前記臨時格納部61の格納値を1と比較して、その結果による出力値を前記マルチプレクサ63に選択信号として出力すると共に前記減算器64へ出力する。
【0062】
この際前記選択信号発生部62は、前記臨時格納部61の格納値が“1”より大きい場合には“1”、その格納値が“1”未満の場合には“0”を出力する。
【0063】
前記マルチプレクサ63は、前記選択信号発生部62の選択信号に応じて、前記整数抽出部54の出力値又は前記臨時格納部61の出力値のうちに何れか一つを選択して前記減算器64に出力する。
【0064】
この際、前記マルチプレクサ63は、前記選択信号が“1”のとき、前記臨時格納部61の出力値を選択して出力し、前記選択信号が“0”のとき、前記整数抽出部54の出力値を選択して出力するように動作する。そして、前記減算器64は、前記マルチプレクサ63の出力値から前記選択信号発生部62の選択信号値を減算した結果値を前記臨時格納部61に格納すると同時に前記判断部65に出力する。
【0065】
従って、前記制御信号発生部55における前記臨時格納部61に“1”又は“0”が格納された場合には整数抽出部54の出力値をそのまま判断部65に出力し、前記臨時格納部61に“2”以上の値が格納されていると、前記臨時格納部61の値を1ずつ減少させて、前記判断部65に提供する。
【0066】
前記判断部65は、前記減算器64の出力値を“2”と比較した結果に応じて、前記計算部51の小数間隔格納部57、データフィルター34、タイミングエラー検出器35、ループフィルター36及び後段回路の動作を制御する。
【0067】
即ち、前記減算器64の出力値“1”である場合には有効データ指示信号(valid_data_indicator)を出力して、前記小数間隔格納部57、データフィルター34、タイミングエラー検出器35、ループフィルター36及び後段回路が正常に動作するように制御する。
【0068】
もし、前記減算器64の出力値が“2”以上である場合には有効データ指示信号(valid_data_indicator)を出力しないので、前記小数間隔格納部57、データフィルター34、タイミングエラー検出器35、ループフィルター36及び後段回路が次のクロックで動作しないように制御する。
【0069】
前記のように構成された制御部37の動作を一例を挙げて説明する。まず、制御部37の入力信号であるタイミングエラー信号が常にΔφ=0であり、補間周期対サンプルリング周期の比がTi/Ts=1.3だと仮定する。これにより、時間k(=t/Ti)に応じる各種信号値を下記の表1に示した。
【0070】
【表1】
【0071】
ここで、Ti/Ts+μk-1は、前記クランパ52の出力信号値を表示したものであり、基本ポイントインデックス増加分Δmkは、前記整数抽出部54の出力信号を表示したものであり、有効データ指示信号は、前記判断部65の出力信号である。
【0072】
まず、時間kが−1である場合にはシステムが初期化される時点として、前記小数間隔格納部57と臨時格納部61は、0にリセットされ、前記判断部65は、有効データ指示信号(valid_data_indicator)を出力する。そして、k=0である場合には、前記クランパ52の出力信号は、1.3である。従って、前記小数抽出部53から前記補間器33に出力される小数間隔μ0=0.3であり、判断部65の入力値は1であるので、補間器33以後の信号処理を正常に行うように有効データ信号“1”を出力する。
【0073】
同様に、k=1である場合に、前記クランパ52の出力信号値は、μ0+Ti/Ts=0.3+1.3=1.6となる。従って、前記小数抽出部53から出力される小数間隔μ1=0.6であり、判断部65の入力値は1であるので、有効データ指示信号“1”を出力する。
【0074】
一方、k=3である場合には、前記クランパ52の出力信号値は、μ2+Ti/Ts=0.9+1.3=2.2であり、判断部65の入力値は2であるので、有効データ指示信号(valid_data_indicator)“0”を出力する。その結果、小数抽出部53の出力値が小数間隔格納部57に格納されない。そして、k=4である場合には、前記クロックで小数間隔格納部57は更新されないで、クランパ52の出力信号値は、k=3である時と同一な値2.2を出力する。
【0075】
一方、臨時格納部61に2が格納されているので、減算器55の出力値は、臨時格納部61の格納値2から1を減少させた値1を判断部65に出力する。従って、前記判断部65は、有効データ指示信号(valid_data_indicator)“1”を出力する。
【0076】
本実施の形態では、補間周期対サンプルリンング周期の比Ti/Tsが1.3なので、基本ポイントインデックス増加分Δmk=1、2だけ存在したが、Ti/Tsがかなり大きい場合には、基本ポイントインデックス増加分Δmk=3、4、5、…など大きな値を有するようになり、その値に対応するクロック周期ほど有効データ指示信号(valid_data_indicator)が“ロー”値を有するようになる。
【0077】
【発明の効果】
以上、本発明による補間器は、サンプル周期Ts毎に制御部から提供される小数間隔を用いてフィルター係数を計算した後に補間を行い、制御部により、補間器の後段装置で補間器の出力のうち有効なデータのみを信号処理できるようになり、可変レートで受信される信号を正確なシンボルタイミングで復元するディジタル復調器を簡略化する。
【図面の簡単な説明】
【図1】ディジタル復調器における一般的なタイミング復元回路を示したブロック図である。
【図2】図1に示された補間器を示したブロック図である。
【図3】本発明によるタイミング復元回路を示したブロック図である。
【図4】図3に示された補間器の細部ブロック図である。
【図5】図3に示された制御部の細部ブロック図である。
【符号の説明】
31 クロック発生器
32 サンプラ
33 補間器
34 データフィルター
35 タイミングエラー検出器
36 ループフィルター
37 制御器
Claims (4)
- 所定の周期でクロック信号を発生するクロック発生手段と、
前記クロック信号に応じて受信信号からサンプリングされたサンプル信号を出力するサンプリング手段と、
周期毎に所定の小数間隔により計算されたフィルタータップ係数に前記サンプル信号を補間して生成されたインタポラントを補間周期で出力する補間器と、
前記インタポラントをフィルター処理してストローブデータを出力するデータフィルターと、
前記ストローブデータからタイミングエラーを測定してタイミングエラー信号を出力するタイミングエラー検出器と、
前記タイミングエラー信号のノイズ成分を取り除いてタイミングエラー信号の平均値を出力するループフィルターと、
前記補間器に小数間隔を提供し、前記データフィルター、前記タイミングエラー検出器、及び前記ループフィルターの信号処理動作を制御するための制御部とを備え、
前記制御部は、
前記クロック信号で生成された小数間隔、前記タイミングエラー信号の平均値信号、及び補間周期対サンプリング周期の比を用いて計算動作を行う計算手段と、
初期化状態で前記計算手段の出力値を補償する補償手段と、
前記補償手段の出力値から小数部分を抽出して、前記補間器と計算手段に小数間隔として出力する小数抽出部と、
前記補償手段の出力値から整数部分を抽出する整数抽出部と、
前記整数抽出部の出力値に応じて前記補間器が出力するインタポラントの有効性を指示する制御信号を生成して、前記計算手段、前記データフィルター、前記タイミングエラー検出器及び前記ループフィルターに出力する制御信号発生部とを備えるディジタル復調器のシンボルタイミング復元回路。 - 前記補間器は、
サンプリング周期で前記サンプリング手段から出力されたサンプル信号を入力され順次に格納して、補間周期に応じて並列で出力する格納部と、
前記制御部から提供された小数間隔に応じてそれぞれの該サンプル信号に対するフィルタータップ係数を計算して出力するフィルタータップ係数計算手段と、
前記格納部のサンプル信号と前記フィルタータップ係数計算手段から出力されたフィルタータップ係数をそれぞれ乗じて出力する乗算手段と、
前記乗算手段の出力値を加算して前記データフィルターにインタポラントとして出力する加算手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載のディジタル復調器のサンプルタイミング復元回路。 - 前記計算手段は、
補間周期対サンプリング周期の比値を格納する第一格納部と、
前記制御部の制御信号により前記小数抽出部の出力値を格納する第二格納部と、
前記ループフィルターの出力値に前記第一格納部の出力値を加算する第一加算器と、
前記第一加算器の出力値に前記第二格納部の出力値を加算して前記補償手段に出力する第二加算器とを備えることを特徴とする請求項1に記載のディジタル復調器のサンプルタイミング復調回路。 - 前記制御信号発生部は、
臨時格納部と、
前記臨時格納部の出力値と“1”を比較した結果に応じて選択信号を出力する選択信号発生部と、
前記選択信号に応じて前記整数抽出部の出力値と前記臨時格納部の出力値のうち何れか一つを選択して出力する選択手段と、
前記選択手段の出力値から前記選択信号値を減算して前記臨時格納部を更新する減算手段と、
前記減算手段の出力値と“2”を比較し、その結果に応じて制御信号を出力する判断部とを備えることを特徴とする請求項1に記載のディジタル復調器のシンボルタイミング復元回路。
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