JP5634354B2 - 通信システムおよび受信機 - Google Patents

Description

本発明は、スペクトル拡散技術を利用してデータを送受信する通信システムに関する。

スペクトル拡散技術は、耐干渉性・妨害性、秘匿性に優れた特徴を有し、通信だけでなく、レーダー、距離測定、時刻同期などさまざまな分野で利用されている。スペクトル拡散技術の一つである直接スペクトル拡散方式において、送信側は、ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）やＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などで一次変調したシンボルレート信号を、そのシンボルレートと比較して高速なレートの拡散符号で広帯域に拡散して伝送する。受信側では、送信側で用いた拡散符号と同じ拡散符号とスライディング相関器を用いて逆拡散することにより、同期捕捉および送信情報データ系列の再生を行うことができる（例えば、非特許文献１参照）。また、スペクトル拡散技術を利用したＷ−ＣＤＭＡ移動通信方式について説明している非特許文献２には、パイロット信号を拡散コード多重や時間多重を行うことが記載されている。

横山 光雄著 「スペクトル拡散通信システム」 科学技術出版社 立川 敬二監修 「Ｗ−ＣＤＭＡ移動通信方式」 丸善株式会社

しかしながら、非特許文献１に記載されているような従来の直接スペクトル拡散方式は、拡散符号長が長くなるにしたがい、同期捕捉に用いるスライディング相関器の回路規模が増大するという課題があった。特に一次変調にＦＳＫ変調を用いた場合、従来の構成では変調多値数分のスライディング相関器をすべて用意する必要があり、拡散符号長に加えて変調多値数の増加に伴い、相関器の回路規模が増大するという課題があった。これに対して、非特許文献２に記載されているような、パイロット信号を用いて同期捕捉を行う構成とすることにより、スライディング相関器の回路規模を低減することができる。しかし、パイロット信号を拡散コードで多重した場合には、拡散コードをパイロット専用に割り当てるため、多重数を消費するとともに、コード間干渉を増大させてしまうことになる。一方、パイロット信号を時間多重した場合は、前記のような問題は起こらないが、パイロット信号が挿入された時刻でしか同期捕捉を行うことができず、パイロット挿入間隔が広くなると、同期捕捉にかかる時間が増大してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、一次変調にＦＳＫ変調を用いた直接スペクトル拡散において、変調多値数の増大によらず小さい回路規模で同期捕捉を実現することが可能な通信システムを得ることを目的とする。また、パイロット信号のみを用いて同期捕捉を行う場合に比べて同期にかかる時間を短縮させることが可能な通信システムおよび受信機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一次変調でＦＳＫ変調を行うスペクトル拡散通信を適用した通信システムであって、受信側の通信装置が、送信側でのＦＳＫ変調で使用された各キャリアの周波数の関係と、送信側での拡散変調で使用されたものと同じ拡散符号とに基づいて同期捕捉用の信号レプリカを生成するとともに、当該信号レプリカと受信信号の相関演算を行い、前記拡散符号の同期タイミングを決定する同期タイミング検出手段と、前記決定された同期タイミングに従い、前記拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する逆拡散手段と、前記逆拡散手段で逆拡散された受信信号をＦＳＫ復調するＦＳＫ復調手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数キャリアの同期捕捉に共通に使用できる信号レプリカを生成して各キャリアの同期捕捉を行うので、同期捕捉処理を行う回路の規模を削減できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる通信システムの実施の形態１の構成例を示す図である。 図２は、ＦＳＫ変調動作の一例を示す図である。 図３は、拡散変調実行後の送信信号の一例を示す図である。 図４は、４値ＦＳＫ変調データのそれぞれのキャリア周波数の相対位相変化の一例を示す図である。 図５は、同期捕捉部の構成例を示す図である。 図６は、本発明にかかる通信システムの実施の形態２の構成例を示す図である。 図７は、データ同期捕捉部の構成例を示す図である。 図８は、パイロット同期捕捉部の構成例を示す図である。 図９は、本発明にかかる通信システムの実施の形態３の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる通信システムおよび受信機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる通信システムの実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態の通信システムは、ＦＳＫ変調部１１、拡散符号生成部１２および拡散変調部１３を備えた送信機（データ送信側の通信装置）と、拡散符号生成部２１、同期捕捉部２２、拡散符号生成部２３、逆拡散部２４およびＦＳＫ復調部２５を備えた受信機（データ受信側の通信装置）と、を含んで構成されている。このような構成の本実施の形態の通信システムでは、一次変調にＦＳＫ変調を適用し、拡散符号を用いて広帯域に拡散を行う。

以下、本実施の形態の通信システムについて詳しく説明する。まず、送信機の動作について説明する。

送信機において、一次変調を行うＦＳＫ変調部１１は、入力された情報データａ(ｔ)に基づいてＦＳＫ変調データｂ(ｔ)を生成する。すなわち、情報データａ(ｔ)の値に応じて、値ごとに周波数の異なるキャリアを割り当てるＦＳＫ変調を行ってＦＳＫ変調データを生成する。例えば、４値ＦＳＫを例にすると、図２に示すように、００、０１、１０、１１の各値をそれぞれｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃のように拡散帯域Ｂｗ内において周波数を変換させてＦＳＫ変調データｂ(ｔ)を生成する。

拡散符号生成部１２は、拡散変調部１３による拡散処理で用いる拡散符号を生成する。例えば、所定の拡散符号を生成してメモリなどに記憶しておき、所定のタイミングで拡散変調部１３に出力する。

拡散変調部１３は、ＦＳＫ変調部１１から出力されたＦＳＫ変調データｂ(ｉ)と拡散符号生成部１２から出力された拡散符号ｃ(ｋ)を次式（１）に示すように掛け合わせて、拡散変調データｓ(ｔ)を生成する。この処理により、図２に示したようなＦＳＫ変調データｂ(ｋ)は、図３に示したような拡散変調データｓ(ｔ)となる。
ｓ(ｋ)＝ｂ(ｋ)×ｃ(ｋ) …（１）

式（１）において、ｋは０≦ｋ≦Ｌの整数（Ｌは拡散符号長）であり、拡散符号の順番を示す。このｋは拡散後のチップレート周期間隔に相当する。拡散変調部１３が生成した拡散変調データｓ(ｔ)は、受信機に向けて送信される。ここで、ｔは時刻を表す。

次に、受信機の動作について説明する。

送信機から送信された上記拡散変調データｓ(ｔ)は、信号ｒ(ｔ)として受信され、この受信信号ｒ(ｔ)は、同期捕捉部２２および逆拡散部２４に入力される。

拡散符号生成部２１は、同期捕捉部２２による同期捕捉処理で用いる拡散符号を生成する。例えば、所定の拡散符号を生成してメモリなどに記憶しておき、所定のタイミングで同期捕捉部２２に出力する。

ここで、拡散符号生成部２１が拡散符号を生成する方法について、図４を用いて説明する。図４は、送信機のＦＳＫ変調部１１が生成した４値ＦＳＫ変調データｂ(ｔ)のそれぞれのキャリア周波数ｆ₀、ｆ_１、ｆ₂、ｆ₃の相対位相変化の一例を示す図である。４値ＦＳＫ変調データｂ(ｔ)の各キャリアは、各キャリア周波数の関係に応じたタイミング、例えば、図４に示した例であれば、φ(０)、φ(１)、φ(２)、φ(３)、φ(４)のタイミングにおいて位相が一致する（相対位相が０となり、全キャリアの振幅が０で一致する）。そのため、拡散符号生成部２１では、次式（２）に示すように、送信機の拡散変調で使用されるものと同じ拡散符号から、各キャリアの位相が一致する各タイミング（φ(０)、φ(１)、φ(２)、…）に対応する拡散符号を抽出して、同期捕捉に用いる信号レプリカである拡散符号ｄ(ｋ')を生成する。
ｄ(ｋ')＝ｃ(φ_k) …（２）

式（２）において、ｋ’は１≦ｋ'≦Ｌ’の整数である。Ｌ’は上記ＦＳＫ変調データｂ(ｔ)の各キャリアの位相が全て一致するタイミングの個数であり、拡散符号生成部２１が生成する上記信号レプリカｄ(ｋ')の符号長を表す。ｄ(ｋ')は、複素数で表現される。この信号レプリカｄ(ｋ')は、ＦＳＫ変調のキャリアによらず、同期捕捉処理で共通に使用できる。ここで、各キャリアの位相が一致するタイミングは各キャリアの周波数配置の関係に依存しており、各キャリア周波数の関係から特定することができる。また、各キャリア周波数の最小公倍数がなるべく小さくないように各キャリアを配置すると、位相が一致する周期が短くなる。すなわち、信号レプリカｄ(ｋ')の符号長が長くなる。信号レプリカｄ(ｋ')の符号長が長くなると同期捕捉までの所要時間が短くなる。例えば、ｆ₁＝２ｆ₀、ｆ₂＝３ｆ₀、ｆ₃＝４ｆ₀が成立するようにキャリア周波数を設定した場合、信号レプリカｄ(ｋ')の符号長を長くすることができる。

なお、信号レプリカｄ(ｋ')を生成するために必要な拡散符号ｃ(ｋ)は、拡散符号生成部２１が予め保持しておいてもよいし、後述する拡散符号生成部２３から適宜取得するようにしてもよい。

同期捕捉部２２は、拡散符号生成部２１で生成された信号レプリカｄ(ｋ')を用いて受信信号ｒ(ｔ)とのスライディング相関処理を行い、拡散符号の同期タイミングの検出および判定を行う。信号レプリカｄ(ｋ')と受信信号ｒ(ｔ)の相関電力のピーク位置を検出して同期捕捉を行う場合の動作例を、図５を用いて説明する。図５は、同期捕捉部２２の構成例を示す図であり、同期捕捉部２２は、遅延器２２１、乗算器２２２、加算器２２３、相関電力算出部２２４、相関ピーク位置検出部２２５およびしきい値判定部２２６を備える。

図５に示したように、スライディング相関処理を行う同期捕捉部２２は、ＦＩＲ型の積和演算回路で実現できる。同期捕捉部２２において、各遅延器２２１は、ＦＳＫ変調の各キャリアの位相が一致するタイミングの周期Ｔ'だけ、すなわち、上記拡散符号生成部２１が拡散符号ｃ(ｋ)から信号レプリカｄ(ｋ')を抽出する周期に相当する時間だけ、入力信号ｒ(ｔ)を遅延させる。遅延器２２１はＦＩＦＯやメモリ、レジスタ等で構成される。各乗算器２２２の係数には拡散符号生成部２１が生成した同期用信号レプリカｄ(ｋ')を設定し、各乗算器２２２が入力信号ｒ(ｔ)にｄ(ｋ')を乗算し、各乗算結果を加算器２２３が加算することにより、入力信号ｒ(ｔ)と同期用信号レプリカｄ(ｋ')の相関値ｑ(ｔ)を算出する。この処理は、次式（３）で示される。次式（３）において、ｉ'は受信サンプル番号を示す。次式（３）において、＊は複素共役を示す。
ｑ(ｉ')＝Σ｛ｒ(ｉ'・Ｔ'＋ｋ'・Ｔ')×ｄ^*(ｋ')｝ …（３）

相関電力算出部２２４は、次式（４）に従い、加算器２２３から出力される相関値ｑ(ｉ')の電力ｐ(ｉ')を計算する。
ｐ(ｉ')＝ｑ(ｉ')^*×ｑ(ｉ') …（４）

相関ピーク位置検出部２２５は、拡散符号系列長の周期内で相関電力が最大になるタイミングを検出し、相関電力の最大値とともに記憶しておく。

しきい値判定部２２６は、相関ピーク位置検出部２２５で検出されたタイミングにおける相関電力（拡散符号系列長の周期内における相関電力の最大値）としきい値を比較し、しきい値を相関電力が上回っていれば、そのタイミングが正しい拡散符号の同期タイミングと判定し、判定したタイミングｍ(ｔ)を同期タイミングの決定結果として逆拡散部２４に出力する。ここで、相関電力としきい値を比較する際に受信信号の平均電力を用いて相関電力を正規化してしきい値判定を行うようにしてもよい。

拡散符号生成部２３は、送信機の拡散符号生成部１２が生成するものと同一の拡散符号ｃ(ｋ)を生成する。

逆拡散部２４は、次式（５）に従い、同期捕捉部２２が推定したタイミングｍ(ｔ)にあわせて、受信信号ｒ(ｔ)と拡散符号ｃ(ｋ)の複素共役を掛け合わせ、逆拡散を行う。
ｘ(ｋ)＝ｒ(ｍ(ｔ)＋ｋ・Ｔ)×ｃ^*(ｋ) …（５）

ＦＳＫ復調部２５は、逆拡散部２４から出力される逆拡散後信号ｘ(ｔ)に対し、ＦＳＫに対応した復調を行い、復調データｙ(ｔ)を出力する。なお、本発明においてはＦＳＫ変調に対する復調方法は特に限定しない。

このように、本実施の形態の通信システムにおいて、データ送信側の通信装置（送信機）は、データをＦＳＫ変調し、さらに拡散変調を行って送信する。データ受信側の通信装置（受信機）は、一次変調に適用されているＭ値ＦＳＫ変調における各データキャリアの周波数の関係に基づいて同期捕捉用の拡散符号を生成し、同期捕捉を行うこととした。具体的には、各データキャリアの周波数の関係に基づいて各データキャリアの位相が一致するタイミングを特定し、各データキャリアの位相が一致する各タイミングに対応する拡散符号を抽出して同期捕捉用の拡散符号生成し、これを信号レプリカとして扱い、各データキャリアの位相が一致する各タイミング（拡散符号から信号レプリカを抽出したタイミング）に対応する受信信号サンプルと前記信号レプリカの相関演算を行い、同期捕捉を行うこととした。これにより、受信機の回路規模を削減することができる。従来技術を適用した場合、Ｍ値ＦＳＫ変調された信号の受信ではＭ個のデータキャリア毎に同期捕捉用の信号レプリカを生成してスライディング相関処理を行う必要があり、拡散符号長に加えて変調多値数の増加に伴い、回路規模が増大するという問題があった。これに対し、本実施の形態の受信機では、１つの信号レプリカをＭ個のデータキャリアの同期捕捉に共通に使用できるので、同期捕捉のためのスライディング相関処理を行う回路の規模を大幅に削減できる。また、これに伴って消費電力を削減できる。各データキャリアの周波数の最小公倍数が小さくなるように各データキャリアの周波数を設定すると、より短い時間で同期捕捉を完了できる。

実施の形態２．
以上の実施の形態１では、ＦＳＫ変調キャリアを一次変調とした直接スペクトル拡散信号に対してパイロット等の既知データを用いずに同期捕捉を行う通信システムについて説明した。これに対して、本実施の形態では、既知データ（例えばパイロットデータ）が利用できる場合に、受信信号に含まれている既知データを活用した従来の同期捕捉に加えて、既知データ以外のデータで同期捕捉を行うことにより、同期捕捉性能の改善、および同期捕捉時間の短縮を実現する通信システムについて説明する。本実施の形態では、既知データをパイロットデータとして説明を行う。

図６は、本発明にかかる通信システムの実施の形態２の構成例を示す図である。本実施の形態の通信システムは、パイロット生成部３１、ＦＳＫ変調部３２、拡散符号生成部３３および拡散変調部３４を備えた送信機と、拡散符号生成部４１、データ同期捕捉部４２、拡散符号生成部４３、パイロット同期捕捉部４４、逆拡散部４５およびＦＳＫ復調部４６を備えた受信機と、を含んで構成されている。実施の形態１と同様に、本実施の形態の通信システムでも一次変調をＦＳＫ変調とした場合の例について説明する。

以下、本実施の形態の通信システムについて詳しく説明する。まず、送信機の動作について説明する。

実施の形態２の送信機において、パイロット生成部３１はパイロットデータを生成する。一次変調を行うＦＳＫ変調部３２は、入力された情報データａ(ｔ)またはパイロット生成部３１で生成されたパイロットデータｐ(ｔ)に基づいてＦＳＫ変調データｂ(ｔ)を生成する。すなわち、情報データａ(ｔ)またはパイロットデータｐ(ｔ)に異なるキャリア周波数を与えてＦＳＫ変調データを生成し、情報データとパイロットデータを時分割多重する。例えば、４値ＦＳＫを例にすると、情報データａ(ｔ)については、実施の形態１のＦＳＫ変調部１１と同様、図２に示すように、００、０１、１０、１１の各値をそれぞれｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃のように拡散帯域Ｂｗ内において周波数を変換させてＦＳＫ変調データｂ(ｔ)を生成する。パイロットデータについては、情報データと同様にｆ₀、ｆ_１、ｆ₂、ｆ₃のいずれかのキャリア周波数を選択してＦＳＫ変調を行ってもよいし、ｆ₀、ｆ_１、ｆ₂、ｆ₃以外の拡散帯域Ｂｗ内におけるキャリア周波数を選択してＦＳＫ変調を行ってもよい。ここでは、後者の方法を取り、パイロットデータをのせるキャリア周波数をｆ_Ｐとする。ｆ_pは、データキャリアの周波数ｆ₀、ｆ_１、ｆ₂、ｆ₃との最小公倍数が小さくなるように設定するのが望ましい。

拡散符号生成部３３および拡散変調部３４は実施の形態１の送信機が備えていた拡散符号生成部１２および拡散変調部１３と同様のものであり、拡散変調部３４は、上式（１）に従い、ＦＳＫ変調部３２から出力されたＦＳＫ変調データｂ(ｔ)に拡散符号生成部３３で生成された拡散符号ｃ(ｋ)を掛け合わせて拡散変調データｓ(ｔ)を生成する。

次に、受信機の動作について説明する。

送信機から送信された拡散変調データｓ(ｔ)は、信号ｒ(ｔ)として受信され、この受信信号ｒ(ｔ)は、データ同期捕捉部４２、パイロット同期捕捉部４４および逆拡散部４５に入力される。

拡散符号生成部４１は、実施の形態１の拡散符号生成部２１と同様の拡散符号を生成する。ここで、パイロット信号のキャリアを含めて、各キャリアの位相が一致するタイミングに対応するものを拡散符号（送信側の拡散変調で使用されたものと同じ拡散符号）から抽出して信号レプリカを生成すると、データとパイロットで共通の信号レプリカを生成することができる。

データ同期捕捉部４２は、拡散符号生成部４１で生成された信号レプリカｄ(ｋ')を用いて受信信号ｒ(ｔ)とのスライディング相関処理を行い、各サンプル時刻における拡散符号の同期タイミングの尤度を算出する。信号レプリカｄ(ｋ')と受信信号ｒ(ｔ)の相関電力を算出して同期捕捉タイミングの尤度を計算する場合の動作例を、図７を用いて説明する。図７は、データ同期捕捉部４２の構成例を示す図であり、データ同期捕捉部４２は、遅延器４２１、乗算器４２２、加算器４２３および相関電力算出部４２４を備える。

図７に示したように、スライディング相関処理を行うデータ同期捕捉部４２は、ＦＩＲ型の積和演算回路で実現できる。データ同期捕捉部４２において、各遅延器４２１は、ＦＳＫ変調の各キャリアの位相が一致するタイミングの周期だけ入力信号ｒ(ｔ)を遅延させる。遅延器４２１はＦＩＦＯやメモリ、レジスタ等で構成される。各乗算器４２２の係数には拡散符号生成部４１が生成した同期用信号レプリカｄ(ｋ')を設定し、各乗算器４２２が入力信号ｒ(ｔ)にｄ(ｋ')を乗算し、各乗算結果を加算器２２３が加算することにより、入力信号ｒ(ｔ)と同期用信号レプリカｄ(ｋ')の相関値ｑ(ｔ)を算出する。この処理は、上述した式（３）で示される。

相関電力算出部４２４は、実施の形態１の相関電力算出部２２４と同様に、上式（４）に従い、加算器４２３から出力される相関値ｑ(ｔ)の電力ｐ(ｔ)を計算する。そして、この算出した相関電力ｐ(ｔ)をサンプル毎の同期捕捉タイミングの尤度として、パイロット同期捕捉部４４に出力する。本処理は、入力信号としてデータ、パイロットを問わず動作させることができる。すなわち、相関電力算出部４２４は、入力信号ｒ(ｔ)が情報データとパイロットデータのいずれの場合にも上記処理を実行して相関値ｑ(ｔ)を算出する。

拡散符号生成部４３は、送信機の拡散符号生成部３３が生成するものと同一の拡散符号ｃ(ｋ)を生成するとともに、パイロット同期捕捉部４４による同期捕捉処理で用いる拡散符号ｃ'(ｋ)を生成する。拡散符号ｃ'(ｋ)は、拡散符号ｃ(ｋ)とパイロットデータをＦＳＫ変調して得られたＦＳＫ変調信号とを掛け合わせることにより生成する。拡散符号生成部４３は、拡散符号ｃ(ｋ)およびｃ'(ｋ)をメモリなどに記憶しておき、それぞれ所定のタイミングで出力する。なお、拡散符号ｃ(ｋ)を逆拡散部４５に出力し、拡散符号ｃ'(ｋ)をパイロット同期用の信号レプリカとしてパイロット同期捕捉部４４に出力する。

パイロット同期捕捉部４４は、拡散符号生成部４３で生成されたパイロット同期用信号レプリカｃ'(ｋ)を用いてパイロット受信信号とのスライディング相関処理を行い、拡散符号の同期タイミングの検出および判定を行う。なお、パイロット受信信号とは、受信信号ｒ(ｔ)のうち、パイロットデータをＦＳＫ変調および拡散変調して得られた信号成分に対応する受信信号である。パイロット同期用信号レプリカｃ'(ｋ)とパイロット受信信号ｒ(ｔ)の相関電力のピーク位置を検出して同期捕捉を行う場合の動作例について、図８を用いて説明する。これ以降の説明においては、パイロット受信信号をｒ_p(ｔ)で示す。図８は、パイロット同期捕捉部４４の構成例を示す図であり、パイロット同期捕捉部４４は、遅延器４４１、乗算器４４２、加算器４４３、相関電力算出部４４４、相関電力合成部４４５、相関ピーク位置検出部４４６およびしきい値判定部４４７を備える。

図８に示したように、スライディング相関処理を行うパイロット同期捕捉部４４は、ＦＩＲ型の積和演算回路で実現できる。パイロット同期捕捉部４４において、各遅延器４４１は、チップレート周期だけパイロット受信信号ｒ_p(ｔ)を遅延させる。遅延器４４１はＦＩＦＯやメモリ、レジスタ等で構成される。各乗算器４４２の係数には拡散符号生成部４３が生成した同期用信号レプリカｃ'(ｋ)を設定し、各乗算器４４２が入力信号ｒ_p(ｔ)にｃ'(ｋ)を乗算し、各乗算結果を加算器４４３が加算することにより、入力信号ｒ_p(ｔ)とパイロット同期用信号レプリカｃ'(ｋ)の相関値ｑ_p(ｔ)を算出する。この処理は、次式（６）で示される。
ｑ_p(ｉ')＝Σ｛ｒ_p(ｉ'・Ｔ＋ｋ・Ｔ)×ｃ'^*(ｋ)｝ …（６）

相関電力算出部４４４は、次式（７）に従い、加算器４４３から出力される相関値ｑ_p(ｔ)の電力ｐ_p(ｔ)を計算する。
ｐ_p(ｉ')＝ｑ_p(ｉ')^*×ｑ_ｐ(ｉ') …（７）

相関電力合成部４４５は、次式（８）に従い、データ同期捕捉部４２で算出されたサンプル毎の同期捕捉タイミングの尤度ｐ(ｔ)と相関電力算出部４４４で算出された相関電力をｐ_p(ｔ)加算して合成する。
ｐ_SUM(ｉ')＝ｐ_p(ｉ')＋ｐ(ｉ') …（８）

相関ピーク位置検出部４４６は、相関電力合成部４４５で算出されたｐ_SUM(ｔ)が拡散符号系列長の周期内で最大になるタイミングを検出し、合成相関電力ｐ_SUM(ｔ)の最大値とともに記憶しておく。

しきい値判定部４４７は、相関ピーク位置検出部４４６で検出されたタイミングにおける相関電力（拡散符号系列長の周期内における合成相関電力の最大値）としきい値を比較し、しきい値を相関電力が上回っていれば、そのタイミングが正しい拡散符号の同期タイミングと判定し、判定したタイミングｍ(ｔ)を逆拡散部４５に出力する。ここで、相関電力としきい値を比較する際に受信信号の平均電力を用いて相関電力を正規化してしきい値判定を行うようにしてもよい。

逆拡散部４５は、実施の形態１の逆拡散部２４と同様のものであり、パイロット同期捕捉部４４が推定したタイミングｍ(ｔ)にあわせて、受信信号ｒ(ｔ)と拡散符号生成部４３で生成された拡散符号ｃ(ｔ)の複素共役を掛け合わせ、逆拡散を行う。

ＦＳＫ復調部４６は、逆拡散部４５から出力される逆拡散後信号ｘ(ｔ)に対し、ＦＳＫに対応した復調を行い、復調データｙ(ｔ)を出力する。

このように、本実施の形態の通信システムにおいて、データ受信側の通信装置（受信機）は、一次変調に適用されているＭ値ＦＳＫ変調における各キャリアの位相が一致する各タイミングに対応する拡散符号を抽出して信号レプリカを生成し、各キャリアの位相が一致する各タイミング（拡散符号から信号レプリカを抽出したタイミング）に対応する受信信号サンプルと上記信号レプリカの相関演算を行い、その結果得られた相関電力を拡散符号の同期タイミングの判断の指針となる尤度情報とする。また、既知のパイロットデータを用いた同期捕捉処理を実行して各サンプルでの相関電力を算出し、この相関電力値と上記尤度情報を合成し、相関ピーク検出用（同期タイミング決定用）の相関電力値を生成することとした。すなわち、実施の形態１の受信機が備えていた拡散符号生成部２１および同期捕捉部２２による相関演算と同様の相関演算を実行して得られる相関電力を上記の尤度情報として扱うとともに、パイロットデータを使用した相関演算を実行して相関電力値を算出し、これらの尤度情報と相関電力値を加算して信頼度を向上させた相関電力値を得ることとした。これにより、相関電力値のピーク位置検出精度を向上させることができ、パイロット信号のみを用いて同期捕捉を行う場合と比較して性能改善を図ることができる。

また、相関演算を実施して得られた相関電力を累積加算し、累積値がしきい値を超えた場合に同期タイミングと判断する構成とした場合には、パイロット信号のみを使用して同期捕捉を行う場合と比較して、同期検出までの所要時間を短縮できる。

実施の形態３．
上記の実施の形態１では、ＦＳＫ変調キャリアを一次変調とした直接スペクトル拡散信号に対してパイロット等の既知データを用いずに同期捕捉を行う通信システムについて説明した。これに対して、本実施の形態では、既知データを用いずに同期捕捉を行うだけでなく、受信信号からキャリア周波数オフセットや伝送路インパルス応答の推定を実現する通信システムについて説明する。

図９は、本発明にかかる通信システムの実施の形態３の構成例を示す図である。本実施の形態の通信システムは、ＦＳＫ変調部５１、拡散符号生成部５２および拡散変調部５３を備えた送信機（データ送信側の通信装置）と、拡散符号生成部６１、同期捕捉部６２、拡散符号生成部６３、周波数オフセット推定部６４、伝送路応答推定部６５、信号補正部６６、逆拡散部６７およびＦＳＫ復調部６８を備えた受信機（データ受信側の通信装置）と、を含んで構成されている。このような構成の本実施の形態の通信システムでは、一次変調にＦＳＫ変調を適用し、拡散符号を用いて広帯域に拡散を行う。

以下、本実施の形態の通信システムについて詳しく説明する。まず、送信機の動作について説明する。

実施の形態３の送信機において、ＦＳＫ変調部５１は実施の形態１の送信機が備えていたＦＳＫ変調部１１と同様のものであり、一次変調を行うＦＳＫ変調部５１は、入力された情報データａ(ｔ)に基づいてＦＳＫ変調データｂ(ｔ)を生成する。すなわち、情報データａ(ｔ)の値に応じて、値ごとに周波数の異なるキャリアを割り当てるＦＳＫ変調を行ってＦＳＫ変調データを生成する。例えば、４値ＦＳＫを例にすると、図２に示すように、００、０１、１０、１１の各値をそれぞれｆ₀、ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃のように拡散帯域Ｂｗ内において周波数を変換させてＦＳＫ変調データｂ(ｔ)を生成する。

拡散符号生成部３３および拡散変調部３４は実施の形態１の送信機が備えていた拡散符号生成部１２および拡散変調部１３と同様のものであり、拡散変調部３４は、上式（１）に従い、ＦＳＫ変調部３２から出力されたＦＳＫ変調データｂ(ｔ)に拡散符号生成部３３で生成された拡散符号ｃ(ｋ)を掛け合わせて拡散変調データｓ(ｔ)を生成する。

次に、受信機の動作について説明する。

送信機から送信された上記拡散変調データｓ(ｔ)は、信号ｒ(ｔ)として受信され、この受信信号ｒ(ｔ)は、信号補正部６６に入力される。信号補正部６６の詳細については後述するが、その出力ｒ'(ｔ)は、同期補正部６２、周波数オフセット推定部６４、伝送路応答推定部６５および逆拡散部６７に入力される。

拡散符号生成部６１は、実施の形態１の拡散符号生成部２１と同様の拡散符号を生成する。

同期捕捉部６２は、実施の形態１の同期捕捉部２２と同様のものであり、拡散符号生成部６１で生成された信号レプリカｄ(ｋ')を用いて、信号補正部６６からの出力信号ｒ'(ｔ)とのスライディング相関処理を行い、拡散符号の同期タイミングの検出および判定を行う。なお、信号ｒ'(ｔ)の詳細については後述する。

拡散符号生成部６３は、送信機の拡散符号生成部５３が生成するものと同一の拡散符号ｃ(ｋ)を生成する。

周波数オフセット推定部６４は、同期捕捉部６２が推定したタイミングｍ(ｔ)にあわせて、信号ｒ'(ｔ)と拡散符号生成部６１で生成された信号レプリカｄ(ｋ')とを用いて周波数オフセットの推定を行う。周波数オフセット推定値は、例えば、次式（９）に従って求める。次式（９）において、ａｒｇは複素数の偏角を示す。
ｆ_T'(ｔ)＝ａｒｇ[Σ[｛ｒ'(ｍ(ｔ)＋ｋ'・Ｔ')×ｄ^*(ｋ')｝
×｛ｒ'(ｍ(ｔ)＋(ｋ'−１)・Ｔ’)×ｄ^*(ｋ'−１)｝^*]] …（９）
ここで、ｆ_T'(ｔ)は、信号レプリカｄ(ｋ')のサンプル周期に相当する時間Ｔ'あたりの周波数オフセット量を表しており、次式（１０）により信号ｒ'(ｔ)の周期Ｔ_Sあたりの周波数オフセット量ｆ_Tsに変換できる。
ｆ_Ts(ｔ)＝ｆ_T'(ｔ)×(Ｔ_S／Ｔ') …（１０）

伝送路応答推定部６５は、同期捕捉部６２が推定したタイミングｍ(ｔ)にあわせて、信号ｒ'(ｔ)と拡散符号生成部６１で生成された信号レプリカｄ(ｋ')とを用いて伝送路インパルス応答の推定を行う。伝送路インパルス応答の推定値は、例えば、次式（１１）に従って求める。
ＣＩＲ(ｔ)＝Σ｛ｒ'(ｍ(ｔ)＋ｋ'・Ｔ’)×ｄ^*(ｋ')｝ …（１１）
ここで、ＣＩＲ(ｔ)は、伝送路インパルス応答を表している。

信号補正部６６は、周波数オフセット推定部６４が推定した周波数オフセット推定値、すなわち、周期Ｔ_Sあたりの周波数オフセット量ｆ_Tsと、伝送路応答推定部６５が推定した伝送路インパルス応答推定値ＣＩＲとに基づいて、例えば、次式（１２）に従って受信信号ｒ(ｔ)の補正を行い、補正後の受信信号ｒ'(ｔ)を出力する。なお、信号補正部６６は、受信動作開始直後の状態、すなわち、周波数オフセット推定部６４および伝送路応答推定部６５による推定結果（ｆ_TsおよびＣＩＲ）が得られていない状態においては、受信信号ｒ(ｔ)を補正せずにそのまま、ｒ'(ｔ)として出力する。
ｒ'(ｔ)＝ｒ(ｔ)×ＣＩＲ^*(ｔ)×ｅｘｐ(ｊ・ｆ_Ts(ｔ)×ｔ／Ｔ_S) …（１２）

逆拡散部６７は、実施の形態１の逆拡散部２４と同様のものであり、同期捕捉部６２が推定したタイミングｍ(ｔ)にあわせて、補正後の受信信号ｒ'(ｔ)と拡散符号生成部６３で生成された拡散符号ｃ(ｔ)の複素共役を掛け合わせ、逆拡散を行う。

ＦＳＫ復調部６８は、逆拡散部６７から出力される逆拡散後信号ｘ(ｔ)に対し、ＦＳＫに対応した復調を行い、復調データｙ(ｔ)を出力する。

このように、本実施の形態の通信システムにおいて、データ受信側の通信装置（受信機）は、一次変調に適用されているＭ値ＦＳＫ変調における各キャリアの位相が一致する各タイミングに対応する拡散符号を抽出して信号レプリカを生成し、各キャリアの位相が一致する各タイミング（拡散符号から信号レプリカを抽出したタイミング）に対応する受信信号サンプルと上記信号レプリカを用いて、周波数オフセット推定値および伝送路インパルス応答を得ることとした。すなわち、実施の形態１の受信機が有している機能に加えて、さらに、周波数オフセットおよび伝送路インパルス応答を推定する機能を備えることとした。これにより、パイロット信号を用いずに周波数オフセット推定値、伝送路インパルス応答推定値を得ることができ、パイロット信号を必要としないため、パイロット信号を用いた場合と比較して周波数利用効率の向上を図ることができる。また、実施の形態１と同じ効果を得ることもできる。

以上のように、本発明にかかる通信システムは、スペクトル拡散を適用した通信システムに有用であり、特に、一次変調としてＦＳＫ変調を行う通信システムに適している。

１１，３２，５１ ＦＳＫ変調部
１２，２１，２３，３３，４１，４３，５２，６１，６３ 拡散符号生成部
１３，３４，５３ 拡散変調部
２２，６２ 同期捕捉部
２４，４５，６７ 逆拡散部
２５，４６，６８ ＦＳＫ復調部
３１ パイロット生成部
４２ データ同期捕捉部
４４ パイロット同期捕捉部
６４ 周波数オフセット推定部
６５ 伝送路応答推定部
６６ 信号補正部
２２１，４２１，４４１ 遅延器
２２２，４２２，４４２ 乗算器
２２３，４２３，４４３ 加算器
２２４，４２４，４４４ 相関電力算出部
２２５，４４６ 相関ピーク位置検出部
２２６，４４７ しきい値判定部
４４５ 相関電力合成部

Claims (12)

1. 一次変調でＦＳＫ変調を行うスペクトル拡散通信を適用した通信システムであって、
   受信側の通信装置が、
   送信側でのＦＳＫ変調で使用された各キャリアの周波数の関係と、送信側での拡散変調で使用されたものと同じ拡散符号とに基づいて同期捕捉用の信号レプリカを生成するとともに、当該信号レプリカと受信信号の相関演算を行い、前記拡散符号の同期タイミングを決定する同期タイミング検出手段と、
   前記決定された同期タイミングに従い、前記拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する逆拡散手段と、
   前記逆拡散手段で逆拡散された受信信号をＦＳＫ復調するＦＳＫ復調手段と、
   を備えることを特徴とする通信システム。
2. 前記同期タイミング検出手段は、
   前記各キャリアの周波数の関係に基づいて、前記拡散符号の中の一部の符号を抽出して前記信号レプリカとする
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記同期タイミング検出手段は、
   前記各キャリアの周波数の関係に基づいて、前記各キャリアの位相が全て一致するタイミングを特定し、当該特定したタイミングに対応する符号を前記拡散符号の中から抽出して前記信号レプリカとする
   ことを特徴とする請求項２に記載の通信システム。
4. 前記同期タイミング、前記拡散符号および受信信号に基づいて、周波数オフセットおよび伝送路インパルス応答を推定する推定手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の通信システム。
5. 前記周波数オフセットおよび伝送路インパルス応答に基づいて受信信号を補正する信号補正手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
6. 一次変調でＦＳＫ変調を行うスペクトル拡散通信を適用した通信システムであって、
   受信側の通信装置が、
   送信側でのＦＳＫ変調で使用された各キャリアの周波数の関係と、送信側での拡散変調で使用されたものと同じ拡散符号とに基づいて同期捕捉用の第１の信号レプリカを生成するとともに、当該第１の信号レプリカと受信信号の相関演算を行う相関演算手段と、
   前記拡散符号に基づいて既知情報を利用した同期捕捉用の第２の信号レプリカを生成するとともに、当該第２の信号レプリカと、受信信号に含まれる、既知情報をＦＳＫ変調および拡散変調して得られた信号の相関演算を行い、さらに、当該相関演算結果と前記相関演算手段による相関演算結果とを合成し、合成後の相関演算結果を用いて、前記拡散符号の同期タイミングを決定する同期タイミング検出手段と、
   前記決定された同期タイミングに従い、前記拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する逆拡散手段と、
   前記逆拡散手段で逆拡散された信号をＦＳＫ復調するＦＳＫ復調手段と、
   を備えることを特徴とする通信システム。
7. 前記相関演算手段は、
   前記各キャリアの周波数の関係に基づいて、前記拡散符号の中の一部の符号を抽出して前記第１の信号レプリカとする
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
8. 前記相関演算手段は、
   前記各キャリアの周波数の関係に基づいて、前記各キャリアの位相が全て一致するタイミングを特定し、当該特定したタイミングに対応する符号を前記拡散符号の中から抽出して前記第１の信号レプリカとする
   ことを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
9. 送信側の通信装置は、
   周波数が最も低いキャリアの周波数を整数倍することにより他のキャリアの周波数を表すことができる関係にある複数のキャリアを使用してＦＳＫ変調を行う
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の通信システム。
10. データがＦＳＫ変調され、さらに拡散変調された信号を受信する受信機であって、
    送信側でのＦＳＫ変調で使用された各キャリアの周波数の関係と、送信側での拡散変調で使用されたものと同じ拡散符号とに基づいて同期捕捉用の信号レプリカを生成するとともに、当該信号レプリカと受信信号の相関演算を行い、前記拡散符号の同期タイミングを決定する同期タイミング検出手段と、
    前記決定された同期タイミングに従い、前記拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する逆拡散手段と、
    前記逆拡散手段で逆拡散された信号をＦＳＫ復調する復調手段と、
    を備えることを特徴とする受信機。
11. 前記同期タイミング、前記拡散符号および受信信号に基づいて、周波数オフセットおよび伝送路インパルス応答を推定する推定手段、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の受信機。
12. 既知情報およびデータがＦＳＫ変調され、さらに拡散変調された信号を受信する受信機であって、
    送信側でのＦＳＫ変調で使用された各キャリアの周波数の関係と、送信側での拡散変調で使用されたものと同じ拡散符号とに基づいて同期捕捉用の第１の信号レプリカを生成するとともに、当該第１の信号レプリカと受信信号の相関演算を行う相関演算手段と、
    前記拡散符号に基づいて前記既知情報を利用した同期捕捉用の第２の信号レプリカを生成するとともに、当該第２の信号レプリカと、受信信号に含まれる、前記既知情報をＦＳＫ変調および拡散変調して得られた信号の相関演算を行い、さらに、当該相関演算結果と前記相関演算手段による相関演算結果とを合成し、合成後の相関演算結果を用いて、前記拡散符号の同期タイミングを決定する同期タイミング検出手段と、
    前記決定された同期タイミングに従い、前記拡散符号を用いて受信信号を逆拡散する逆拡散手段と、
    前記逆拡散手段で逆拡散された信号をＦＳＫ復調するＦＳＫ復調手段と、
    を備えることを特徴とする受信機。

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