In this thesis, we considered two levels of synchronization in digital communication systems. One is a symbol timing recovery, which may be called a clock recovery since the symbol timing, i.e. sampling clock, should be extracted from the incoming data whose phase is usually disturbed with a random phase jitter due to noise. The other is a carrier frequency recovery where the residual frequency offset due to limited oscillator precision and/or the Doppler effect may degrade the performance of a receiver.
In case of clock recovery, a new optimum phase-acquisition algorithm controlling the loop gain of a charge-pump PLL (CP-PLL) in the sense of the minimum mean-square error (MMSE) criterion is proposed. By using the algorithm, an optimum gear-shifting sequence is obtained with a zero-phase start (ZPS) assumption. It is shown that this gear-shifting sequence is independent of the variance of the input phase jitter. A procedure for applying this sequence to the design of CP-PLL circuits is described. Both behavioral simulation and HSPICE circuit-level simulation demonstrate that the proposed design leads to an efficient CP-PLL having both fast acquisition and significant jitter reduction characteristics. These methods can be used for clock recovery applications such as data communication receivers, disk drive read/write channels, and local area networks, as well as for other applications requiring very short initial preamble periods such as a fast frequency hopping system.
For a carrier frequency recovery, a data-aided frequency estimator for frequency-selective channel is proposed. First, an estimator is developed on a least squares criterion, so called the LS-estimator. Next, the estimator is extended to the eigenvalue approach estimator which shows better performance than that of the LS-estimator. Simulation result verifies that the estimate is unbiased and almost achieves the Cram$é$r-Rao lower bound (CRLB). A recursive least squares (RLS) type estimator is presented for decision-directed (DD) mode operation. We also observe that the LS-based estimator could be interpreted as somewhat another eigenvalue approach estimator in which an argument was taken not for a maximum eigenvalue but for the sum of the eigenvalues. The eigenvector associated with the eigenvalue can be the channel estimate itself and may be used as the initial tap weights of an equalizer. The proposed method does not require any prior channel information to estimate frequency offset. Whether a channel is frequency-selective or not, this method can be used and applied to the coherent and noncoherent demodulation.
본 논문은 디지털 통신시스템에서 이루어지는 두 종류의 동기화 기법에 대해 살펴보고 각각에 대하여 새로운 알고리즘을 제안한다. 한가지는 심볼 타이밍 복구인데, 일반적으로 잡음으로 인해 위상이 흔들리는 수신 데이터로부터 샘플링 클록을 추출하기 때문에 클록 복구라고 불리운다. 또 다른 하나는 발진기의 제한된 정밀도 또는 도플러 효과로 인한 주파수 잔류 오차가 수신기 성능을 저하시킬 때에 사용하는 반송파 주파수 복구에 관한 것이다.
클록 복구의 경우, charge-pump PLL(CP-PLL)의 평균자승 오차를 정의하고 이를 최소화 시킴으로써 루프이득을 최적으로 제어하는 위상획득 알고리듬을 제안한다. 이 알고리듬으로 부터 영점위상 시동을 가정하여 최적 기어 시프트 순열을 얻을 수 있고. 이 순열은 입력위상 지터(위상잡음)의 분산에 무관한 성질을 갖고 있다. 이 순열을 CP-PLL회로의 설계에 적용하는 방법을 기술한다. 행동 모의 실험 및 HSPICE 회로 모의 실험 결과를 보면 모두 제안된 방법으로 고속 위상획득 및 현저한 지터 감소 성질을 갖는 효율적인 CP-PLL을 설계할 수 있음을 알 수 있다. 이 방법은 디스크 드라이브 읽기/쓰기 채널이나 국소지역망 처럼 아주 작은 초기 학습 신호를 요구하는 클록복구 분야뿐만 아니라 고속 주파수 도약 시스템에도 이용될 수 있다.
반송파 주파수 복구의 경우, 주파수 선택 채널을 위한 데이터 도움 주파수 오차 추정기를 제안한다. 먼저 차등 디코딩된 신호로부터 최소자승에 기반한 추정기를 유도하고 이 최소자승 기반 추정기의 중간결과를 이용하여 더 좋은 성능을 보이는 eigenvalue기반의 추정기를 제안한다. 최소 자승 추정기가 이를 유도하는 과정에서 나온 행렬의 eigenvalue들을 모두 더한 합의 위상을 취함으로써 얻어지고 eigenvalue기반의 추정기 추정기는 가장 큰 값을 갖는 eigenvalue로부터 얻어짐을 보인다. 이 추정기가 unbiased 추정기이고 거의 Cram$é$r-Rao lower bound (CRLB)를 실현함을 모의 실험을 통하여 검증한다. 이 추정기를 재귀 최소자승 형식의 추정기 형대로 만들면 결정지향 동작도 시킬 수 있다. 본 추정기는 타이밍 오차에 둔감한 성질을 갖고 있어서 타이밍 루프와 독립적으로 실행될 수 있다. eigen-decomposition을 계산하는 과정에서 얻어지는 eigenvector가 곧 채널이라는 사실을 이용하여 채널추정도 같이 할 수 있음을 보인다. 이 채널 추정값은 등화기의 초기 가중치로 사용될 수 있다 제안된 방법은 사전의 어떤 채널 정보도 필요 없이 주파수 오차 추정을 할 수 있다. 본 주파수 오차 추정 방법은 채널이 주파수 선택적이건 아니건, 동기식 검파건 아니건 간에 사용할 수 있는 것이지만 학습신호가 있거나 결정지향으로 동작시킬 수 있는 환경에 사용되어야 한다.
