JP2004274769A - 通信用変調スキームの使用方法、オフセットチャープ変調送受信装置、通信用オフセットチャープ変調を使用する方法、及び通信用変調スキームの生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】フェーディング及び干渉問題を最小にする変調された波形によって情報を送受信する方法及び装置の提供。
【解決手段】電磁波等の波形による情報送受信に関連して使用可能な変調スキームを生成する方法及び装置を開示する。この変調スキームは、時間にわたる周波数が変化するオフセット信号（例えばチャープ信号）の使用によって、より大きな帯域幅にわたって信号を拡散して、範囲の不明確さを解消し、フェーディング及び干渉問題を克服する等の目的に使用可能である。方法は、時間遅延が加えられた参照信号（例えばチャープ）を含む分割データストリームに符号信号をコード化する工程と、分割ストリームを再結合して合成波形を生成する工程を有する。また、方法は、波形に参照信号を印加して合成受信波形を復調する工程と、個別符号データに波形をバンドパスフィルタリングする工程を有する。また、装置及びシステムはこの方法を実行するものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、無線周波数（ＲＦ）搬送波変調による情報送受信の方法及び装置に関し、より詳細にはオフセットチャープ（chirp）変調を使用する通信用途の波形を送受信することに関する。

電磁波及び他の波は、変調された波形を介して情報を送受信するのに使用可能である。例えば、レーダは、送信され反射された変調後の波形を使用して物体の位置を決定することができる。携帯電話及びデジタルテレビ放送は、（ガウス最小偏位変調（Gaussian minimum shift keying：ＧＭＳＫ）及び直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）等の）すべての複雑な変調スキームを使用して種々の形態（例えば、音声、画像、映像及びデジタルデータ）の情報を信頼性高く送信する。しかし、例えばデジタル信号という背景でビットエラーが容認可能な範囲である信頼性の高い情報送信は、狭帯域及びマルチパスフェーディング、狭帯域干渉等を含む多くの問題のため、達成することが困難である。
特開平２−６３３１４号公報

情報送信は物理的周波数チャンネルに分割されることが多い。或る特徴は所与の１チャンネルに対して個別離散的になることができ、これらのチャンネル特徴は、送信可能なデータのレート及び通信の忠実度（例えばビットエラーレート）を維持するのに要する電力を主に決定する。このように、変調スキームは特定のチャンネルに微調整可能であるので、そのチャンネル内でより効率的に情報を送信する。しかし、フェーディング及び干渉は１チャンネル内で起こり得る上に、変調スキームをどのように効果的に決定する、異なるチャンネル特性の下での変調の特性及びスキームである。

このように、フェーディング及び干渉問題を最小にする変調された波形によって情報を送受信する方法及び装置に対するニーズが依然としてある。

加えて、変換送信、並びに検出及びデコード／復調の双方が困難である送信後の波形が利点であるという或る軍事用途が存在し、それに対して適合するニーズがある。

本発明の利点は、範囲の不明確さを解消し、フェーディング及び干渉問題を克服する等の目的に使用できる変調スキームを作る方法及び装置を提供することにより、他のニーズと同様に上記ニーズを満たすことである。好適な実施形態において、（本明細書ではチャープ信号と称される）時間にわたる周波数が変化するオフセット信号が使用されるので、より大きな帯域幅にわたって信号を拡散する。このように作られた変調スキームは、ＦＭ電磁波等の変調された波形によって情報送受信に関連して使用可能であり、このような使用に対して、物体の位置及び無線又はテレビ機器間のデータ伝送を決定する。

好適実施形態の変調モジュールは、（例えばチャープ等の）参照信号を含む分割された入力データストリーム（stream）によって構築可能である。各入力データストリームに対しては、変化時間遅延及びコード化された符号ビットが加えられ、合成波形を形成する。一実施形態において、受信された合成波形もまた、波形に参照信号を加え、次に個別符号データに波形をバンドパスフィルタリングすることにより、復調可能である。

好適な装置の実施形態は、例えば合成波形としての送信用に再結合及び使用するために、入力データストリームの分割された部分の各々に対して時間遅延を加えるための変調器と、及び合成波形を受信し波形に対して参照信号を加え個別データに波形をバンドパスフィルタリングするための復調器とを具備する。

一実施形態において、時間がオフセットされ符号データが加えられた（例えば、チャープ又は他のサブキャリア等の）複数の参照信号を送信することにより、複数の低ビットレートサブチャンネルが変調器で達成される。復調器において、これらの時間オフセットは、（例えば、受信合成信号をシングルチャープに混成する）複数化により周波数オフセットに変換される。例えば参照信号レートに関連する符号レートとしてサブキャリアを変調することにより、送信信号が作られる。一実施形態において、例えば振幅偏位変調（ＡＳＫ）サブキャリア変調が参照信号（例えばチャープ）レートと等しいレートで使用される。別の実施形態において、ＡＳＫサブキャリア変調は、参照信号レートとは異なるレートで使用される。

本発明の別の利点及び新規な特徴は、部分的には以下に説明され、部分的には当業者が以下の説明を精査し又は本発明を実施して学ぶことでより明白になろう。

本発明は、変調スキーム、特に本明細書においてオフセットチャープ変調（ＯＣＭ）と称される変調スキームを提供する方法及びシステムからなる。

本発明の一実施形態に従った変調スキームには、入力データストリーム、変調器、物理的チャンネルすなわち送信媒体及び復調器が使用される。図１は、本発明の一実施形態に従った、変調スキームの一例の種々の特徴である代表的ブロック図を示す。これらの特徴は、特定チャンネル内の無線周波数（ＲＦ）送信等の送信３を作成する変調器２を通る入力データストリーム１、復調器４、及び受信した波情報に対応するデータ等のベースバンドデータストリーム出力部５を具備する。

本発明の一実施形態において、作動の際最初に、高いデータレート入力ストリーム（例えば、時間当たりIPビット）がＮ個のサブチャンネル（例えば、各々が新たなIP/Nのデータレートを有するもの）に多重化される。図２は、本発明の一実施形態に従った、Ｎサブチャンネル（本実施例ではＮ＝３）１１，１２，１３に多重化された入力ストリーム１の代表的ブロック図を示す。この多重化の結果、各サブチャンネルにおけるビットレートは、元の入力データストリームのビットレートよりもかなり低い。

データストリームの入力及びデータストリームの多重化と平行して、主チャープ「キャリア」等の周波数領域参照信号が生成される。図３は、本発明の一実施形態に従った、一例の参照信号の２個の符号周期３０，３１の代表的グラフを示す。図３の例に示されるように、周波数傾斜部３４，３５が生成される。例えば、周波数傾斜部３５は開始周波数（f_start）３６及び停止周波数（f_stop）３７間で生成され、周波数変化（f_start−f_stop＝Δf）は、この例では「チャープレート」と称されるレートで周期的に起こる。図３に示される例において、符号レート３８はチャープレートにほぼ等しい。

また、他の「チャープ」波形も可能である。例えば、周波数が時間に対して比例しない非線形チャープ、及び「チャープ」の振幅が時間の関数として所定の方法（例えば、「チャープ」波形に時間領域窓関数を適用する）で変化し得る波形も使用可能である。

図４は、本発明の一実施形態に従った、図３の参照信号に対する周波数応答の代表的グラフである。

図５は、本発明の一実施形態に従った、ＯＣＭ変調器の例の代表的ブロック図を示す。図５の実施形態の変調器は、上述したように生成された２つの入力５１，５２を受信する（例えば、入力５１は図２に示されたようにフォーマット化された平行サブチャンネルデータであり、入力５２は図３に示されたチャープ等の、キャリア周波数に類似する参照信号である）。入力データストリーム５１と同様に、参照信号入力５２はデータのＮサブチャンネル５３に分割される。異なる時間遅延５５，５６，５７が各サブキャリアに導入される。本発明の一実施形態において、時間遅延量は、復調器でチャンネルの周波数の分離を決定する。

次に、遅延したサブキャリアの各々は、コード化された符号ビットを有する。図５に示される例において、サブキャリア当たりの符号は、ＡＳＫ（例えば、簡単なオン・オフ変調）を使用する各遅延サブキャリアにコード化され、図示のスイッチ５８（符号信号をコード化し、装置を組み合わせる手段）により表示される。このように、サブキャリアはサブチャンネルになり、サブチャンネルは加算装置５９によって合成波形に加算される。図１ないし図５に示される例はデジタルタイプデータフォーマット用であるが、本発明の変調スキームは同様にアナログサブキャリア変調に適用可能である。加えて、特定の用途に対して適当である場合、ＯＣＭにもＯＣＭサブキャリア変調を設けることができる。

本発明の一実施形態において、各サブチャンネルをさらに適当にコード化することにより、エラー訂正又は他の利点を得ることができる。例えば、各サブチャンネルは、エラー訂正に使用するリードソロモンコードでコード化することができる。さらに、各サブチャンネルにおける符号パターンは、特定用途に対して適当な方法で合成送信スペクトラムのエンビロープ特性に影響を与えるように、選択可能である。例えば、符号パターンは送信後の波形の平均ピーク比を最小にするように選択可能であるので、装置に使用されスキームを作成する電力増幅器（ＰＡ）に対する線形性要求は最小になる。

さらに、パルス整形等の従来のチャープレーダ用途に典型的に使用される他の技法は、本発明に従ったＯＣＭに直接適用することができる。

図５に示される実施形態の装置の使用に従って、結果として得られる合成信号は、Ｎ個の重ねられた遅延変調参照信号（例えばチャープ）を含み、比較的複雑である。図６は、本発明の一実施形態に従った、サブチャンネルの時間出力の代表的グラフである。図６の例において、ＡＳＫは出力を生成するのに使用された。しかし、当業界で公知の他の装置及び方法も、出力を生成するのに使用可能である。

図７にさらに示されるように、複数のサブチャンネルが一旦多重化されると、その結果として結合された出力（すなわち、送信器により送信される信号）は、全て時間がオフセットされた一連の参照信号（例えばチャープ）を具備する。図７の例において、効果的な符号周期７０は、使用されるチャープレートより小さく、最初及び最後のチャープの重なりにより境界が決められた周期に制限される。このように、サブチャンネル、容量及び符号レートの数の間にトレードオフが存在する。

本発明の一実施形態に従って、ＯＣＭ復調器は、必要な出力に依存して種々の形態をとる。一般的に、復調器により使用された処理は、変調されていない参照信号（例えばチャープ）を有する受信合成波形の周波数領域において複数化（又は混成）を有する。一実施形態で、変調されていない参照信号は、送信器により生成された参照信号と同じ信号レートを有する。参照信号（R_x）及び受信信号間の時間遅延は、出力サブチャンネル周波数を決定する。一実施形態において、この処理は、デジタル信号処理／フィールドプログラム可能なゲートアレー（ＤＳＰ／ＦＰＧＡ）ハードウエア、又は当業界で公知の他の適切な信号処理装置内でアナログ・デジタル変換（ＡＤＣ）された後、ＲＦチャープを使用したＲＦ送信周波数で、中間周波数（ＩＦ）で又はデジタル的に直接行われる。

ＡＳＫの使用例を使用して、図８は、本発明の一実施形態に従った、復調器を実施するための一例の装置用ブロック図を表わす。図８に示されるように、この例の合成受信波形８０は、時間がオフセットされたＮ個のチャープを有する。ミキサ８１では、参照チャープ８２による周波数領域の複数化は、波形の時間オフセットを周波数オフセットされた波形に変換し、これは次にスプリット８３になる。この変換は、各サブチャンネルの抽出問題を非常に簡単なフィルタリング問題に縮小し、全ての通信システムと同様に、同期化が課題になる。フィルタリング問題を解決するために、局在的に生成された参照チャープ８２の時間オフセットは、種々のチャンネルを各周波数「ビン（bin）」に変換するように設定されなければならない。

図８に示される実施形態において、分割された周波数オフセット波形は、並列に一連のサブチャンネル復調器８５，８６，８７を通る。サブチャンネル復調器８５，８６，８７の各々は、異なるサブチャンネル周波数でフィルタリングするバンドパスフィルタ８８，８９，９０をそれぞれ有する。次に、各サブチャンネル復調器８５，８６，８７内での各バンドパスフィルタ８８，８９，９０の出力は、それぞれエンビロープ検出器９１，９２，９３を通る。各サブチャンネル復調器８５，８６，８７の結果出力は、フィルタリングされた符号データ９５，９６，９７としてそれぞれ受信される。

個別のキャリアに焦点を当てるために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実行されるコード化された直交周波数分割多重化（ＣＯＦＤＭ）と対照的に、本発明の実施形態では、周波数傾斜部による簡単な多数化で同じ結果が達成できることに留意されたい。このため、一面では、本発明のこのようないくつかの実施形態がコンピュータでより効率的なＣＯＦＤＭである。

本発明の実施形態に従った、ＯＣＭを使用する付加的な利点は、狭帯域干渉に対する良好な免疫と同様に、狭帯域及びマルチパスフェーディングに対する高い許容さを有する。例えば、ＯＣＭはスペクトラム拡散変調の一形態であるので、本発明の実施形態は、狭帯域干渉に対して良好な免疫を提供できる。

サブチャンネル符号レートが非常に遅いので、狭帯域及びマルチパスフェーディングに対する高い許容さは少なくとも部分的に起こる。このため、マルチパス伝播遅延で生ずる内部符号干渉の統計的確率は、非常に小さい。にもかかわらず、複数のサブチャンネルの使用による遅いサブチャンネル符号レートで高いビットレートが達成可能である。

各チャンネルの同一情報内容の送信により、実施形態はスペクトラム拡散の別の変動を効果的に提供する。例えば、復調器で、オフセットされた変調されていない参照信号（例えばチャープ）で、並列チャンネルで、次に単一チャンネルに折り畳まれて混成を実行できる。このため、この例における処理利得は、多数の並列チャンネルの関数になるであろう。

図９ないし図１５は、本発明の実施形態に従って生成されたサンプルシミュレーション結果による結果及び他の特徴を示すグラフである。図９に示されるように、ＯＣＭの簡単な実現化は、アジレント・テクノロジー社が製造するアドバンスト・デザイン・システム（ＡＤＳ）システムシミュレータで実施された。図９において、シミュレーション結果は、ＡＳＫサブキャリア変調、簡単な二乗余弦符号フィルタリング、ＯＣＭ復調器でのエンビロープ検出を使用する簡単な４サブチャンネルシステム用に示される。図９の例において、符号時間は64μ秒であり、この例で使用されるチャープレートと同等である。サブチャンネル間隔は（解凍された後）32ｋHzである。異なるデータ符号がデモにより各チャンネルでコード化される。

また、図９の例において、チャンネル１は１６個の１及び１６個の０の繰返しを含み、チャンネル２は符号レートで交互の１及び０を有し、チャンネル３は連続する１を有し、チャンネル４は符号レートで擬似乱数ビットシーケンス（ＰＲＢＳ）を含む。参照チャープの周波数曲線は図９に示される。開始周波数（f_start）及び停止周波数（f_stop）はそれぞれ2.048ＭHz及び4.096ＭHzである。チャープレートはΔｆ/128である。キャリア周波数は２ＧHzである。

図１０は、図９のサンプルシミュレーションの変調された送信スペクトラムを示す。図９において、シミュレーションは１２８個の符号に対して動いた。図示されるように、スペクトル形状は、符号の数の関数であり、各チャンネルにおけるデータ形態の関数でもある。全データが擬似乱数であり、シミュレーションが多数の符号及び多数のサブキャリアに対して動くと、スペクトル形状はより平坦になり、元の参照信号により似てくる。

図１１は、図９のシミュレーションに対する周波数領域の復調器の出力を示す。各サブチャンネルは、二乗余弦フィルタを使用してフィルタリングされた。図１２ないし図１４は、回復されたデータを示す時間領域の曲線を代表するグラフである。図１３において、チャンネル４は、参照用にソースＰＲＢＳデータと共に示される。図１５に代表的に示されるような簡単なエンビロープ検出器は、フィルタリング後、各サブチャンネルで使用される。

本発明の実施形態を、上述の利点に従って説明した。これらの例が本発明の単に例示であることが理解されよう。当業者には種々の変形・変更が明らかであろう。

本発明の一実施形態に従った、変調スキームの一例用の種々の特徴を示す代表的ブロック図である。 本発明の一実施形態に従った、Ｎサブチャンネルに多重化された入力ストリームの代表的ブロック図である。 本発明の一実施形態に従った、一例のチャープの２個の符号時間を代表するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、図３の参照信号用の周波数応答を代表するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、オフセットチャープ変調（ＯＣＭ）の一例を示す代表的ブロック図である。 本発明の一実施形態に従った、サブチャンネルの時間出力を代表するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、時間で全てオフセットされ、次に複数のサブチャンネルに多重化された一連のチャープを含む結合出力を示す図である。 本発明の実施形態に従った、復調器を実施する装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に従って生成されたサンプルシミュレーション結果による出力結果を示すグラフである。 図９のサンプルシミュレーションの変調された送信スペクトラムを示すグラフである。 図９のシミュレーションに対する周波数領域の復調器の出力を示すグラフである。 回復されたデータを示す時間領域の曲線を代表するグラフである。 回復されたデータを示す時間領域の曲線を代表するグラフである。 回復されたデータを示す時間領域の曲線を代表するグラフである。 フィルタリング後、各サブチャンネルで使用される簡単なエンビロープ検出器を示す図である。

符号の説明

１ 入力データストリーム
２ 変調器
４ 復調器
１１，１２，１３，５３ サブチャンネル
８５，８６，８７ サブチャンネル復調器

Claims (19)

1. 参照信号を複数のチャンネルに通し、複数のサブキャリアを生成する工程と、
   前記複数のサブキャリアの各々に、変化する時間遅延を加える工程と、
   前記複数のサブキャリアの各々に、符号信号をコード化する工程と、
   前記複数のサブキャリアを結合して合成波形を生成する工程と
   からなることを特徴とする通信用変調スキームの使用方法。
2. 前記合成波形を送信する工程と、
   受信合成波形を受信する工程と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の通信用変調スキームの使用方法。
3. 前記受信合成波形をフィルタリングされた符号データに復調する工程をさらに具備することを特徴とする請求項２記載の通信用変調スキームの使用方法。
4. 前記受信合成波形をフィルタリングされた符号データに復調する前記工程は、前記受信合成波形に第２参照信号を加えることを特徴とする請求項３記載の通信用変調スキームの使用方法。
5. 前記参照信号は、参照信号チャープレートを有し、
   前記第２参照信号は、前記参照信号チャープレートを有することを特徴とする請求項４記載の通信用変調スキームの使用方法。
6. 前記受信合成波形に前記第２参照信号を加えることにより、複数の周波数オフセット波形を生成することを特徴とする請求項４記載の通信用変調スキームの使用方法。
7. 前記複数の周波数オフセット波形を複数のサブチャンネル復調器に通す工程をさらに有することを特徴とする請求項６記載の通信用変調スキームの使用方法。
8. 前記サブチャンネル復調器がバンドパスフィルタを具備し、
   該バンドパスフィルタの各々は、対応するフィルタリングバンド周波数を有し、
   前記バンドパスフィルタの各々のフィルタリングバンド周波数は、前記複数のサブチャンネル復調器の各々が前記対応するフィルタリングバンド周波数用のフィルタリングされたデータを生成するように異なることを特徴とする請求項７記載の通信用変調スキームの使用方法。
9. 参照信号を複数のチャンネルに通し、複数のサブキャリアを生成する前記工程は、前記参照信号を複数の参照信号に分割し、前記複数の参照信号の各々は、前記複数のチャンネルの一つに送信されることを特徴とする請求項１記載の通信用変調スキームの使用方法。
10. 複数の入力データにより、送信された複雑な出力合成波形を生成する変調器であって、前記複数の入力データの少なくとも１個から複数の分割入力データを受信する複数のサブチャンネル変調器を有する変調器と、
    複雑な入力合成波形を受信する復調器であって、複数のフィルタリングされた符号データを生成する複数のサブチャンネル復調器を有する復調器と
    を具備するオフセットチャープ変調送受信装置。
11. 前記複数の入力データは参照信号を含むことを特徴とする請求項１０記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
12. 前記変調器は、前記参照信号を前記複数の分割入力データにサブチャンネル化するためのサブチャンネル化部品を有することを特徴とする請求項１１記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
13. 前記複数のサブチャンネル変調器は時間遅延部品を有することを特徴とする請求項１０記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
14. 前記複数の入力信号は、前記複数の入力の各々で変化する符号データ信号を有することを特徴とする請求項１０記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
15. 前記複数のサブチャンネル変調器の各々は、前記複数の分割入力データの一つを前記符号データ信号に結合する結合装置を有することを特徴とする請求項１４記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
16. 前記復調器は、前記複雑な受信合成波形を復調器参照入力で混成して周波数オフセット合成波形を生成するミキサを有することを特徴とする請求項１０記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
17. 前記復調器参照入力は、時間オフセット合成波形からなることを特徴とする請求項１０記載のオフセットチャープ変調送受信装置。
18. 複数のチャンネルに参照チャープ信号を送信して複数のサブキャリアを生成する工程と、
    前記複数のサブキャリアの各々に、変化する時間遅延を加える工程と、
    前記複数のサブキャリアの各々に、符号信号をコード化する工程と、
    前記複数のサブキャリアを結合して合成波形を生成する工程と
    前記合成波形を送信する工程と、
    合成波形を受信する工程と、
    受信された合成波形を、フィルタリングされた符号データに復調する工程と
    からなる、通信用オフセットチャープ変調を使用する方法。
19. 参照信号を複数のチャンネルに通し、複数のサブキャリアを生成する手段と、
    前記複数のサブキャリアの各々に、変化する時間遅延を加える手段と、
    前記複数のサブキャリアの各々に、符号信号をコード化する手段と、
    前記複数のサブキャリアを結合して合成波形を生成する手段と
    を具備する、通信用変調スキームの生成システム。

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