JP2005094802A

JP2005094802A - スペクトラム拡散通信用送信機及び受信機

Info

Publication number: JP2005094802A
Application number: JP2004330828A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Inoue; 武志井上; Koji Matsuyama; 幸二松山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】所定の帯域幅及び拡散率のもとで情報伝送速度を増加させ、かつ、通常のスペクトラム拡散方式と同等のチップタイミング及びシンボルタイミング同期特性を得る。
【解決手段】直交変調のＱ相信号のための拡散符号系列に対して遅延器２０及び選択器２２によって情報２による位相変調を適用し、Ｉ相信号のための拡散符号系列には位相変調を適用しない。受信側においては、Ｉ相信号に対してチップタイミング同期及び符号同期を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、直接拡散方式によるスペクトラム拡散通信のための送信機と受信機並びにスペクトラム拡散通信システムに関する。

伝送すべきディジタル情報をディジタル符号系列（ｃｏｄｅｓｅｑｕｅｎｃｅ）で直接拡散する直接拡散方式のスペクトラム拡散通信においては、符号系列の一周期を情報の１ビットに対応させる場合、符号系列一周期のビット長が一定であると、伝送すべき情報の速度に比例して使用帯域が広がる。一方、定められた帯域内で情報速度を上げるためには、符号系列のビット長を短かくして拡散率を下げる必要がある。すなわち一般の直接拡散方式のスペクトラム拡散通信では、与えられた帯域幅と拡散率（拡散符号のビット長）の下では或る一定値以上に情報の速度を上げることができない。
特開平７−４６２２２号公報には、伝送すべき情報を直接拡散するための符号系列の符号の位相をさらに他の情報に基いて変調すること、又は符号系列そのものを位相変調して伝送することにより、定められた帯域幅及び拡散符号長のもとで、一般の直接拡散方式のスペクトラム拡散通信よりも多量の情報を伝送できる通信方式が記載されている。この方式では、受信信号において符号の位相が変調のために変動するので、一般のスペクトラム拡散通信において行なわれるように受信信号と受信側の逆拡散符号との相関を計算することによって符号同期及びチップ同期を確立し同期を保持することができない。そこで、上記公報には通信開始前に特別のビットパターンを双方向で送って同期を確立し、同期確立後は受信側の符号系列をそれとは逆方向の送信側の符号系列に同期させることにより同期保持を行なっている。

特開平７−４６２２２号公報特開平４−２７３６３２号公報特開平７−１２３０２５号公報特開平３−１９８５４３号公報国際公開第９５／３４１５４号パンフレット特開平５−２２７１２４号公報

上記の従来技術においては、通信を開始する毎に同期を確立するためのビットパターンを送る必要があり、また、同期確立後の周波数の微少変動による位相のずれに対応できないという問題がある。
従って本発明の目的は、与えられた帯域幅及び符号系列長の下でより多くの情報を伝送することができ、かつ、受信信号に対する同期の確立及び保持が可能なスペクトラム拡散通信方式を提案することにある。

本発明によれば第１の符号系列を含む第１の信号を発生する第１の信号発生部と、第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号を発生する第２の信号発生部と、第１及び第２の信号で搬送波を変調する変調部とを具備するスペクトラム拡散通信用送信機が提供される。
本発明によれば、第１の符号系列を含む第１の信号と、第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号とで変調された搬送波からなる受信波を受信して情報信号を復元する受信機であって、該受信波を復調する復調部と、該復調部で復調された第１の信号に含まれる第１の符号系列との同期を確立することによって第１の信号の位相を決定する同期部と、該第１の信号の位相に基いて、復調部で復調された第２の信号に含まれる第２の符号系列の位相を判定することによって第１の情報信号を復元する第１の情報復元部とを具備するスペクトラム拡散通信用受信機もまた提供される。
本発明によれば、第１の符号系列を含む第１の信号を発生する第１の信号発生部と、第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号を発生する第２の信号発生部と、第１及び第２の信号で搬送波を変調する変調部とを含む送信機と、該送信機からの受信波を受信して情報信号を復元する受信機であって、該受信波を復調する復調部と、該復調部で復調された第１の信号に含まれる第１の符号系列との同期を確立することによって第１の信号の位相を決定する同期部と、該第１の信号の位相に基いて、復調部で復調された第２の信号に含まれる第２の符号系列の位相を判定することによって第１の情報信号を復元する第１の情報復元部とを含む受信機とを具備するスペクトラム拡散通信システムもまた提供される。
第２の信号に含まれる第２の符号系列が情報信号で位相変調されているのに対して、第１の信号に含まれる第１の符号系列は位相変調されていないので、同期の確立及び保持が可能である。

図１は本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の一具体例に係る送信機のブロック図である。情報１は情報２の２倍のビット速度を有し、シリアル／パラレル変換器１０で２ビットのパラレル信号に変換され、各ビットはそれぞれＩ相（同相）信号及びＱ相（直交）信号として乗算器１２，１４の一方の入力へ印加される。乗算器１２の他方の入力へはＭ系列発生器１６が発生する例えばＩ相信号の７倍の速度を有する７ビットの符号語からなるＭ系列（最長符号系列：maximal code sequence)またはより一般的にはＰＮ系列（以下同様）が印加される。Ｍ系列発生器１８が出力する７ビットのＭ系列は遅延器２０で１チップ分遅延され、選択器２２へは遅延器２０の出力及びＭ系列発生器１８の出力が入力される。選択器２２へは選択信号としての情報２が入力され、その値に応じて遅延器２０の出力又はＭ系列発生器１８の出力が選択されて、情報２で位相変調されたＭ系列が出力される。選択器２２の出力は乗算器１４の他方の入力へ印加される。乗算器１２及び１４においてＭ系列及び情報２で位相変調されたＭ系列でそれぞれ直接拡散されたＩ相信号及びＱ相信号は直交変調器２４で、ＱＰＳＫ（４相位相シフトキーイング）変調されて送信される。直交変調器２４は、局部発振器２６、局部発振器２６の出力の位相を９０°遅らせる遅延器２８、位相が互いに直交する局部発振信号を拡散されたＩ相信号及びＱ相信号にそれぞれ乗算する乗算器３０及び３２、及び乗算器３０，３２の出力を合成する合成器３４からなる周知の構成を有している。

図２は図１の送信機の動作を説明するタイミングチャートである。Ｍ系列発生器１６からは（ｂ）欄に示すように（１１１００１０）のＭ系列が出力される。乗算器１２からは、（ｃ）欄に示すように、（ａ）欄に示す情報１のＩ相（情報１Ｉ）がＨレベルである間は（ｂ）欄のＭ系列を反転した（０００１１０１）が出力され、Ｌレベルである間はそのまま出力される。このようにして、情報１ＩはＭ系列（１１１００１０）で直接拡散される。Ｍ系列発生器１８からは（ｆ）欄に示すようにＭ系列（１１１０１００）が出力され、（ｇ）欄に示すように遅延器２０で１チップだけ遅延されて（１１０１００１）が出力される。（ｅ）欄に示す情報２がＬレベルである間は、（ｈ）欄に示すように選択器２２は遅延されないＭ系列（１１１０１００）を選択し、Ｈレベルである間は、遅延されたＭ系列（１１０１００１）を選択する。このようにして、Ｍ系列発生器１８が出力するＭ系列は情報２によって位相変調される。乗算器１４からは、（ｉ）欄に示すように、（ｄ）欄に示す情報１のＱ相（情報１Ｑ）がＬレベルである間は（ｈ）欄の選択器２２の出力がそのまま出力され、Ｈレベルである間は反転したものが出力される。このようにして、情報１Ｑは情報２で位相変調されたＭ系列で直接拡散される。

図３は本発明のスペクトラム拡散通信用受信機の一具体例に係る受信機であって、図１の送信機からの受信波を受信して情報１及び２を復元する受信機のブロック図である。
受信入力は直交復調器３６によってＩ相信号及びＱ相信号が復調される。直交復調器３６は局部発振器３８、遅延器４０及び乗算器４２，４４からなる周知の構成を有している。同期部４６は図１の送信側のＭ系列発生器１６が発生するＭ系列と同一の符号語（１１１００１０）を有する符号系列をＩ相信号と同期させることによってＩ相信号に含まれるＭ系列を再生するとともに、相関器４８，５０へシンボルタイミング信号を与える。同期部４６で再生されたＭ系列により乗算器５２においてＩ相信号を逆拡散することにより、情報１Ｉが復元される。相関器４８は同期部４６から与えられるシンボルタイミング信号に基いて、図１の送信側のＭ系列発生器１８が発生するＭ系列と同一の符号語（１１１０１００）を有し、同期部４６において再生されたＭ系列に同期したＭ系列を再生するとともに、再生されたＭ系列とＱ相信号との相関値を計算して出力する。相関器５０は相関器４８において再生されるＭ系列よりも１チップ分遅延されたＭ系列を再生し、それとＱ相信号との相関値を計算する。相関器４８，５０が計算した相関値は比較器５４において比較され、どちらがより高い相関を示すかを連続的に決定することによって情報２が復元される。選択器５６は相関器４８及び５０が出力する再生Ｍ系列の一方を比較器５４における比較結果に従って選択することによって、情報２で位相変調されたＭ系列を復元する。これによって乗算器５８においてＱ相信号を逆拡散することによって、情報１Ｑが復元される。

図４は図３の同期部４６の構成を示す回路図である。ラッチ６０には図１の送信側のＭ系列発生器１６が出力する符号系列と同一の符号語がラッチされている。シフトレジスタ６２へは入力信号としてＩ相信号が１チップずつ入力される。乗算器６４_1-7 においてラッチ６０にラッチされている符号語の各ビットとシフトレジスタ６２に現在格納されている入力信号の各ビットとの間でそれぞれ乗算が行なわれ、加算器６６においてそれらが加算されて、ラッチ６０にラッチされている符号語とシフトレジスタ６２に格納されている各ビットとの間の相関値が計算される。この相関値は比較器６８において固定値と比較され、比較結果をループフィルタ７０で波形整形することにより、シンボルタイミングを表わす信号が生成される。この信号により、シフトレジスタ７２へ符号語がロードされ、その内容を１ビットずつ出力することによって入力信号に符号同期した符号系列が再生される。なお、実際はシフトレジスタ６２，７２へ供給するチップクロックの位相（チップの位相）も入力信号に同期させる必要があるが、これについても、Ｉ相信号に対して周知のディレイロックドループ（ＤＬＬ）を適用することにより容易に達成される。

図５は図３の相関器４８の構成を示す回路図である。相関値を各符号位相毎に計算する部分及び再生系列を出力する部分は図４と同一なので同一の符号を付してその説明を省略する。ラッチ６０には図１の送信側のＭ系列発生器１８が出力する符号系列と同一の符号語がラッチされる。ラッチ７４には同期部４６から与えられるシンボルタイミングに同期して加算器６６からの相関値がラッチされる。

図６は図３の相関器５０の構成を示す回路図である。ラッチ７５及びシフトレジスタ７２へはシンボルタイミングを遅延器７６及び７７で１チップ分遅延したものが与えられる。図７に示すように相関器４８，５０の大部分を共通化することもできる。
図１に示した送信機と図３に示した受信機を組み合わせることにより、本発明のスペクトラム拡散通信システムが構成される。

図１の送信機において、情報信号に符号系列を乗算した後、搬送波を乗算しているが、符号系列に搬送波を乗算した後、情報信号を乗算しても、情報信号に搬送波を乗算した後、符号系列を乗算しても良い。したがって、「符号系列で拡散した情報信号を直交変調する」との文言は上記の３通りの場合を包含するものとして解釈すべきである。

説明を簡単にするため、図１には１シンボル周期において２通りの符号位相を１ビットの情報信号に従って選択する構成を示したが、例えば符号長７のＭ系列で直接拡散する場合、２² ＝４（≦７）通りの位相を２ビットの情報信号に従って選択する構成も可能である。また、例えば７ビットのＭ系列に０を追加した符号長８の符号系列のように、符号長２ⁿ の符号系列を使用すれば、拡散利得は減少するがｎビットの情報信号で位相変調することができる。情報１Ｉ又は１Ｑ或いはそれらの双方を０または１に固定すれば、１Ｉ、１Ｑの分が減り情報速度は低くなるが上記の符号長２ⁿ の符号系列のような相関の低い符号系列を用いたときの誤検出を防止することができる。この場合、乗算器１２又は１４或いはそれらの双方は不要である。受信側においても、乗算器５２，５８、選択器５６及び符号系列を再生するための回路部分は適宜不要になる。

Ｍ系列発生器１６及びＭ系列発生器１８において発生する符号系列は相異なる符号系列であることが望ましいが同一でも良い。
図３の受信機において、位相不確定性、すなわち、Ｉ相信号とＱ相信号が入れ替わって出力される可能性の除去については示されていないが、同期語の挿入や差動符号の使用によってこれを達成する以外に、符号系列の相異を利用して、例えばＩ相側で使用されている符号系列と相関の高い復調出力をＩ相とすることで達成することもできる。

図８は本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の他の具体例に係る送信機のブロック図である。図８の送信機においては、図１の直交変調器２４が多値変調器８０に置き換えられる以外は図１の送信機と同じである。多値変調器８０は、情報１の連続する２ビットをシリアル／パラレル変換器１０で並列信号に変換した各ビットＸ，Ｙを４レベルの信号に変換するＤ／Ａ変換器８２と、Ｄ／Ａ変換器８２の出力電圧に比例した周波数の信号を出力することによって４ＦＳＫ変調信号を生成する電圧制御発振器（ＶＣＯ）８４とから構成される。ＶＣＯ８４を、局部発信信号の振幅をＤ／Ａ８２の出力で振幅変調する振幅変調器に置き換えれば、４ＡＳＫ変調となる。

図９に受信側の構成を示す。ミキサ８６において局部発振器８８からの局部発振信号を混合してベースバンド信号を得、判定器９０において、４ＦＳＫ変調にあっては周波数を、４ＡＳＫ変調にあっては振幅を判定することによって、信号Ｘ，Ｙを得る。その後の処理は図３と同じである。従って、図１及び図３のシステムについて述べたと同じ変形が多値変調の場合にもすべて可能である。４ＦＳＫ，４ＡＳＫの様な多値変調においては、受信信号の周波数又は振幅を判定することによって、Ｘ，Ｙが一義的に決定されるので、直交変調のときのような位相不確定性の問題は生じない。従って、前述したような位相不確定性除去のための特別な処理は不要である。

図１及び図３を参照して説明した直交変調のシステムにおける信号Ｉ，Ｑのそれぞれについてさらに図８及び図９の多値振幅変調を適用することによって直交振幅変調（ＱＡＭ）のような多値位相振幅変調のシステムを容易に実現することができる。この場合、１つのチャネルのみについては符号位相を固定して符号位相の基準として、他のチャネルの符号位相を判定する。

図１０は本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の他の具体例に係る送信機のブロック図である。図１０の送信機においては、図８の多値変調器８０が、Ｍ系列で直接拡散された信号Ｘ，Ｙをそれぞれ変調する２値変調器９２，９４及びそれらの出力を合成して符号多重する合成器９６で置き換えられる。符号多重であるので、Ｍ系列発生器１６と１８が発生するＭ系列の符号語が異なっていることが望ましいが、符号の位相が一致しないようにすれば同一の符号語であっても良い。

図１１は受信側の構成を示す。判定器９８においては２値が判定され、同期部４６及び相関器４８，５０に並列に供給され、符号語の相異又は符号位相の相異を利用して情報が分離される。
図１０及び図１１のシステムにおいて、２値変調を図８及び図９の多値変調方式で置き換えることもできる。この場合にも、複数のチャネルのうち１つのチャネルについては符号系列に位相変調をかけないで、他のチャネルの位相の基準とする。
図１２は本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の他の具体例に係る送信機のブロック図である。乗算器１４から出力される、情報２で位相変調されたＭ系列で情報１を直接拡散したものに、選択器１００において同期語発生器１０２からの同期語が所定の時間間隔で挿入され、２値変調器１０４で変調される。同期語としては、すべての可能な符号系列に対して相関の高い符号系列を使うことが望ましい。例えば、１シンボル内のすべてのチップで“０”が連続したものと“１”が連続したものを交互に挿入する。
図１３に受信側の構成を示す。同期部１０６は図４に示した同期部４６の構成と同様で良いが、間欠的に含まれる同期語に対してシンボルタイミングを連続的に出力するための保護回路が必要である。
以上説明したように本発明によれば、限られた帯域幅及び所定の拡散率のもとで、伝送容量を増加させることができ、しかも、通常のスペクトラム拡散通信と同等のチップタイミング及びシンボルタイミング同期特性が得られる。
（付記１）第１の符号系列を含む第１の信号を発生する第１の信号発生部と、
第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号を発生する第２の信号発生部と、
第１及び第２の信号で搬送波を変調する変調部とを具備するスペクトラム拡散通信用送信機。
（付記２）前記第２の信号発生部は、
第２の符号系列を発生する符号系列発生器と、
符号系列発生器の出力を様々に遅延することによって符号の位相が互いに異なる複数の符号系列を発生する遅延器と、
第１の情報信号の値に応じて該複数の符号系列の１つを選択して出力することによって、位相変調された第２の符号系列を発生する選択器とを含む付記１記載の送信機。
（付記３）前記第２の信号発生部は、位相変調された第２の符号系列で第２の情報信号を直接拡散して第２の信号を発生する乗算器を含む付記１又は２記載の送信機。
（付記４）前記第１の信号発生部は、第３の情報信号を第１の符号系列で直接拡散して第１の信号を発生する乗算器を含む付記１，２又は３記載の送信機。
（付記５）前記変調部は、第１及び第２の信号をそれぞれ同相信号入力及び直交信号入力とする直交変調器を含む付記１〜４のいずれか１項記載の送信機。
（付記６）前記変調部は、第１及び第２の信号を、相異なる複数の値を有する多値信号であって第１及び第２の信号の値の可能な組み合わせの各々が相異なる値の各々に対応するものに変換する信号変換器と、
該多値信号で搬送波を変調する変調器とを含む付記１〜４のいずれか１項記載の送信機。
（付記７）前記変調部は、第１及び第２の信号で搬送波をそれぞれ変調する第１及び第２の変調器と、
該第１及び第２の変調器の出力を合成して送信信号とする合成器とを含む付記１〜４のいずれか１項記載の送信機。
（付記８）前記第１の信号発生部は、第１の信号として、第１の符号系列からなる同期語を発生し、
前記変調部は、
該第１の信号及び第２の信号を交互に選択して出力する選択器と、
該選択器の出力で搬送波を変調する変調器とを含む付記１〜３のいずれか１項記載の送信機。
（付記９）前記第２の符号系列の符号長は２のべき乗である付記１〜８のいずれか１項記載の送信機。
（付記１０）前記第１及び第２の符号系列は互いに同一の符号語を有する付記１〜７のいずれか１項記載の送信機。
（付記１１）第１の符号系列を含む第１の信号と、第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号とで変調された搬送波からなる受信波を受信して情報信号を復元する受信機であって、
該受信波を復調する復調部と、
該復調部で復調された第１の信号に含まれる第１の符号系列との同期を確立することによって第１の信号の位相を決定する同期部と、
該第１の信号の位相に基いて、復調部で復調された第２の信号に含まれる第２の符号系列の位相を判定することによって第１の情報信号を復元する第１の情報復元部とを具備するスペクトラム拡散通信用受信機。
（付記１２）前記第１の情報復元部は、前記第２の符号系列と同一の符号語を有し第１の信号の位相を基準とした符号の位相が互いに異なる複数の符号系列と第２の信号との相関値をそれぞれ計算する複数の相関器と、
該複数の相関器が計算した相関値を互いに比較して第２の信号との相関が最も高い符号系列を連続的に決定することによって、第１の情報信号を復元する比較器とを含む付記１１記載の受信機。
（付記１３）前記第２の信号は、位相変調された第２の符号系列で第２の情報信号を直接拡散して発生されたものであり、
復元された第１の情報信号に基づき、前記複数の符号系列の中から第２の信号との相関が最も高いものを連続的に選択する選択器と、
該選択器が選択した符号系列を第２の信号に乗算することによって第２の情報信号を復元する乗算器とを含む第２の情報復元部をさらに具備する付記１２記載の受信機。
（付記１４）前記第１の信号は、第１の符号系列で第３の情報信号を直接拡散して発生されたものであり、
前記同期部は第１の信号に含まれる第１の符号系列と同一の符号語を有し第１の符号系列と同期した符号系列を出力し、
同期部が出力する符号系列を第１の信号に乗算することによって第３の情報信号を復元する乗算器を含む第３の情報復元部をさらに具備する付記１２又は１３記載の受信機。
（付記１５）前記受信波は第１及び第２の信号をそれぞれ同相信号入力及び直交信号入力として搬送波を直交変調したものからなり、
前記復調部は受信波を直交復調して第１及び第２の信号を出力する直交復調器を含む付記１１〜１４記載のいずれか１項記載の受信機。
（付記１６）前記受信波は、第１及び第２の信号の値の可能な組み合わせの各々が相異なる値の各々に対応する多値信号で搬送波を変調したものからなり、
前記復調部は受信波を多値復調して第１及び第２の信号を出力する多値復調器を含む付記１１〜１４のいずれか１項記載の受信機。
（付記１７）前記受信波は搬送波を第１及び第２の信号でそれぞれ変調した後合成したものからなる付記１１〜１４のいずれか１項記載の受信機。
（付記１８）前記受信波は前記第１の信号及び第２の信号を交互に含む付記１１〜１３のいずれか１項記載の受信機。
（付記１９）前記第２の符号系列の符号長は２のべき乗である付記１１〜１８のいずれか１項記載の受信機。
（付記２０）前記第１及び第２の符号系列は互いに同一の符号語を有する付記１１〜１７のいずれか１項記載の受信機。
（付記２１）第１の符号系列を含む第１の信号を発生する第１の信号発生部と、
第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号を発生する第２の信号発生部と、
第１及び第２の信号で搬送波を変調する変調部とを含む送信機と、
該送信機からの受信波を受信して情報信号を復元する受信機であって、
該受信波を復調する復調部と、
該復調部で復調された第１の信号に含まれる第１の符号系列との同期を確立することによって第１の信号の位相を決定する同期部と、
該第１の信号の位相に基いて、復調部で復調された第２の信号に含まれる第２の符号系列の位相を判定することによって第１の情報信号を復元する第１の情報復元部とを含む受信機とを具備するスペクトラム拡散通信システム。

本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の一具体例に係る送信機のブロック図である。図１の送信機の動作を説明するタイミングチャートである。本発明のスペクトラム拡散通信用受信機の一具体例に係る受信機のブロック図である。同期部４６の構成を示す回路図である。相関器４８の構成を示す回路図である。相関器５０の構成を示す回路図である。相関器４８，５０の構成の他の例を示す回路図である。本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の他の具体例に係る送信機のブロック図である。本発明のスペクトラム拡散通信用受信機の他の具体例に係る受信機のブロック図である。本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の他の具体例に係る送信機のブロック図である。本発明のスペクトラム拡散通信用受信機の他の具体例に係る受信機のブロック図である。本発明のスペクトラム拡散通信用送信機の他の具体例に係る送信機のブロック図である。本発明のスペクトラム拡散通信用受信機の他の具体例に係る受信機のブロック図である。

符号の説明

２４直交変調器
８０多値変調器

Claims

第１の符号系列を含む第１の信号を発生する第１の信号発生部と、
第１の情報信号で位相変調された第２の符号系列を含む第２の信号を発生する第２の信号発生部と、
第１及び第２の信号で搬送波を変調する変調部とを具備するスペクトラム拡散通信用送信機。