JP2005124140A - 超広帯域通信システムにおいて送信されたデータシンボルを検出するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドＵＷＢ受信機は、超広帯域通信システムにおいて、送信されたデータシンボルを検出する。
【解決手段】フィルタが、送信されたデータシンボルに対応する、受信された参照信号およびデータ信号に整合させる。遅延ブロックが、フィルタの出力に接続される。乗算器が、遅延ブロックの出力とフィルタの出力とに接続される。積分器が、乗算器の出力に接続される。その後、積分器の最も大きな出力が選択されて、送信されたデータシンボルに対応する、受信されたデータシンボルを検出する超広帯域受信機の基本的構成要素を提供する。その後、複数の基本構成要素が相互に接続され、ハイブリッド受信機を構築することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、包括的に超広帯域（ＵＷＢ）通信に関し、より詳細にはＵＷＢ受信機に関する。

合衆国連邦通信委員会（ＦＣＣ）による「First Report and Order」（Feb. 14^th, 2002）の発表を受けて、超広帯域（ＵＷＢ）通信システムへの関心が高まってきた。超広帯域（ＵＷＢ）通信は、スペクトル拡散無線通信の一形態である。ＵＷＢシステムでは、帯域幅が、根底をなすデータ信号の帯域幅よりもはるかに広い。しかしながら、信号がほぼ一定の振幅である従来のスペクトル拡散システムとは異なり、ＵＷＢ信号は、きわめて広い周波数範囲にわたって拡散される非常に短い一連のパルスからなる。それゆえ、用語「ＵＷＢ」および「インパルス無線」は、多くの場合に同義に用いられる。拡散する波形は、データ信号を符号化するために変調される短いパルスのパターンである。

広い周波数範囲にわたって無線信号の帯域幅を拡散するための複数の技法が知られている。その中で最も注目に値するのは、時間ホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）および直接拡散（ＤＳＳ）である。これらの技法は、最適な変調および多重アクセス方式が用いられる際には、実質的には同等である。変調技法は、パルス位置変調（ＰＰＭ）およびパルス振幅変調（ＰＡＭ）を含むことができる。

複数のパルスが用いられるので、ＵＷＢ受信機は、受信された信号内の数多くのマルチパス成分を分解する必要がある。従来技術においては、２つの基本的な受信機方式が知られている。１つは、整合フィルタを備えるレイク受信機である。Choi等著「Performance of ultra-wideband communications with suboptical Receivers in multi-path channels」（IEEE JSAC, Vol.20, No. 9, pp.1754-1766, December 2002）を参照されたい。もう１つは、パルス相関器を用いる送信参照方式である。Hoctor等著「Delay-hopped transmitted reference RF communications」（IEEE Conf. on Ultra Wideband Systems and Technologies, pp. 265-270, 2002）を参照されたい。

レイク受信機方式は、選択された数のマルチパス成分を合成するためにチャネル推定を必要とする。受信機構造は、かなり複雑であるので、最も強いマルチパス成分のみ、あるいは最も強いマルチパス成分のうちのいくつかを用いて、決定変数が形成される。それは、受信機が全てのマルチパス成分を完全には分解しないので、固有のチャネル推定および合成問題に起因して、その性能が理想的な場合よりも劣化することを意味する。レイクフィンガの数を増やすと、システムが複雑になり、コストが増加する。

送信参照方式では、送信されるパルスの対がシンボル毎に用いられる。第１のパルスは、データによって変調されず、参照パルスと呼ばれる。第２のパルスは、データによって変調され、データパルスと呼ばれる。参照パルスおよびデータパルスは、時間遅延によって分離される。受信機は、パルス対相関器を用いて、送信されたデータシンボルを再生する。相関器では、乗算器へのパルス入力が時間的に整合され、結果として、大きなピークが生成される。その後、マルチパス成分が到来する度に、新たなピークが生成されるようになる。

種々のピークは、全て同じ位相を有する。その位相は、データシンボルの値によって決まり、それゆえ、それらは、時間Ｔ_ｇにわたって積分器によって加算することができる。この時間は、チャネルの極端に長い遅延に相当する。その後、積分器出力は、選択され得る種々の信号／符号群と相関をとられ、送信されたデータシンボルに対して判定が行われる。１つの利点として、この方式は複雑ではなく、チャネル推定を用いることなく、種々のマルチパス成分からのエネルギーを合成することができる。残念ながら、乗算器の出力の信号対雑音比（ＳＮＲ）は、決定変数を形成する際の雑音項に対する非線形操作に起因して、かつ参照パルスを送信する際の固有のエネルギー損失に起因して非常に悪い。それにより、大きな雑音×雑音項が生成され、それが時間Ｔ_ｇにわたって積分される。データパルスが参照パルスの平均値によって乗算される際に、雑音の影響を低減することができる。しかしながら、全体として、送信参照方式は、雑音積に起因して、理想的なレイク受信機方式と比べて性能が劣化する。

それゆえ、複雑でなく、チャネル推定が不要であり、さらにマルチパス成分および雑音の影響を受けにくいＵＷＢ受信機が必要とされる。

超広帯域通信システムにおいて、ハイブリッドＵＷＢ受信機は、送信されたデータシンボルを検出する。

フィルタは、送信されたデータシンボルに対応する、受信された参照信号およびデータ信号に整合させる。遅延ブロックは、フィルタの出力に接続される。

乗算器は、遅延ブロックの出力とフィルタの出力とに接続される。積分器は、乗算器の出力に接続される。

その後、積分器の最も大きな出力が選択されて、送信されたデータシンボルに対応する、受信されたデータシンボルを検出する超広帯域受信機の基本的構成要素を提供する。

その後、複数の基本的構成要素が相互に接続され、ハイブリッド受信機を構築することができる。

図１は、本発明による超広帯域（ＵＷＢ）受信機の基本的構成要素１００を示す。図２および図３に示されるように、複数の構成要素１００が相互に接続され、チャネル推定を必要とすることなく、種々のマルチパス信号成分からのエネルギーを収集することができるＵＷＢ受信機構造２００および３００を実現することができる。本発明によるハイブリッド整合フィルタ相関受信機は、従来の送信参照型のＵＷＢ受信機の場合のように雑音×雑音項に起因する性能損失を大幅に抑える。

受信機構造
基本的構成要素１００は、選択され得る信号群と整合され、入力信号１０１を受信するために接続される入力を有する整合フィルタ１１３と、それぞれ整合フィルタ１１３の出力を受信するために接続される入力を有する遅延ブロック１１０および複素共役ブロック１２０とを備える。遅延ブロックおよび共役ブロックの出力は、乗算器１３０に接続される。乗算器の出力は、積分器１４０に接続され、それはさらに、出力信号１０９を生成するための判定ブロック１５０に接続される。

別法では、共役ブロックは、遅延ブロック１１０を有するブランチに、それゆえ整合フィルタ１１３と乗算器１３０との間の直接的な経路を有するブランチに配置することができる。

受信機動作
入力信号１０１は、送信されるデータシンボル毎に、１つの参照信号と、１つまたは複数の変調されたデータ信号とを含む。受信された信号は、参照信号が乗算器１３０の入力においてデータ信号と時間的に整合されるように遅延される（１１０）。乗算器１３０の出力は積分され（１４０）、出力信号１０９に対して判定１５０を行うことができるようにする。１つの利点として、この構造は、チャネル推定を必要とすることなく、種々のマルチパス成分からのエネルギーを収集することができる。

従来技術のレイク受信機と比べた場合の主な相違点は、以下のとおりである。マルチパス成分毎に「並列な」ブランチが存在しない。種々のマルチパス成分からの信号は、自動的に、時間的に整合され、そのエネルギーに従って合成される。

従来技術の送信参照方式と比べた場合の主な相違点は、以下のとおりである。参照信号と変調されたデータ信号との間の遅延１１０が一定である。乗算１３０は、所望の処理利得が整合フィルタ１２０によって達成された後にのみ実行される。基本受信機ブロック構造当たりに、乗算器１３０は１つだけである。このようにして、乗算項は、はるかに高いＳＮＲを有し、雑音×雑音項からの強い影響は低減、あるいは概ね排除することができる。それらの項のＳＮＲは、従来の送信参照方式と比べて、約Ｎ_ｐ倍だけ大きくなる。ただし、Ｎ_ｐはシンボル当たりのパルス数である。

ハイブリッド相関
その基本的な形では、入力信号１０１は、以下のように構成される。
ｓ（ｔ）＝ｂ_０（ｔ）＋ｂ_ｉ（ｔ−Ｄ）
ただしｂはいわゆるベース信号であり、ｂ_０（ｔ）は参照信号であり、ｂ_ｉ（ｔ−Ｄ）はデータ信号を表す。種々の選択され得る信号送信方式群ｉ、たとえば、従来のパルス位置変調信号、パルス振幅変調、パルス位相変調などを用いることができる。

データ信号は、位相が異なる場合があることに留意されたい。また、図１に示されるように、ｂ_１（ｔ）＝ｂ_０（ｔ）およびｂ_２（ｔ）＝−ｂ_０（ｔ）の場合には、その信号送信は、先に記載されたような送信参照方式に相当する。ｂ_１（ｔ）＝ｂ_０（ｔ）およびｂ_２（ｔ）＝０の場合には、その信号送信はオン−オフキーイングに相当する。

フィルタ１１３は、参照信号およびデータ信号を含むベース信号ｂに整合させる。フィルタリングされたデータ信号は、遅延ブロック１１０の遅延Ｄに従って、参照信号と時間的に整合される。乗算１３０は、整合フィルタ１１３とともに、受信された信号１０１のための利得を与える。

乗算器１３０によって生成される出力は、最大の信号対雑音比を達成するように、超過遅延および信号持続時間によって決まる有限の時間間隔Ｔ_ｉｎｔにわたって積分される（∫ｄｔ１４０）。妥当な判定時に、積分器１４０の出力が閾値Ｔ１５１と比較され、最も可能性の高い信号１０９を選択することができる（１５０）。

送信される信号は、１つの参照信号および１つの変調されたデータ信号には制限されないことに留意されたい。参照信号に起因するエネルギー損失を最小限に抑えるために、いくつかの変調されたデータ信号を、以下のように連続的に送信することができる。
ｓ（ｔ）＝ｂ_０（ｔ）＋ｂ^１ _ｉ１（ｔ−Ｄ）＋ｂ^２ _ｉ２（ｔ−２Ｄ）＋．．．＋ｂ^ｎ _ｉｎ（ｔ−ｎＤ）
ただし、ｂ^ｎ _ｉｎは、遅延ｎＤで送信されるベース信号を表す。その際、時間的に変動するチャネルの影響を最小限に抑えるために、連続するベース信号間に差分符号化が適用されることが好ましい。

図２は、本発明によるＵＷＢ受信機２００の一般的な形を示す。

図３には、ハイブリッド検出方式のための受信機構造の一般的な形の代替形態が与えられる。ここでは、遅延された参照信号２０１を、共役ブロック１２０を介して乗算器１３０に供給することにより、（時間的に）次の構成要素が、（時間的に）先行する構成要素に相互に接続される。図３に示されるように、遅延の最も大きな部分がデジタル領域にある、すなわち判定ブロック１５０の前にくるように、遅延１１０を配列し直すことができる。

入力ベース信号ｂ_ｎの位相のみが異なる場合には、送信される参照信号当たり２つ以上の変調されたデータ信号を有する一般的な事例の場合に、図１の基本受信機構成の構造を用いることができることに留意されたい。

その遅延がチャネルの超過遅延よりも短い場合には、シンボル間干渉（ＩＳＩ）が生じる可能性がある。正反対の信号送信の場合、乗算され、積分された信号は、０°あるいは１８０°のいずれかの位相ずれを有するので、ＩＳＩによって強め合う干渉か、弱め合う干渉かのいずれかがもたらされる。ＩＳＩが深刻な場合には、判定ブロック１５０の前に、そのＩＳＩは、従来の等化方法によって緩和させることができる。

本発明によるハイブリッド整合フィルタ相関受信機は、いくつかの直交するベース信号を同時に送信することにより、より高いデータ速度に対処するように拡張することができる。その際、ベース信号当たり１つの受信機チェーンが存在する。

本発明は好ましい実施の形態によって例示されてきたが、本発明の精神および範囲内で、他の適応および変更がなされることができることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入るような、全てのそのような変形および変更を網羅することである。

本発明によるＵＷＢ受信機構成要素のブロック図である。 本発明による複数の構成要素を有するＵＷＢ受信機のブロック図である。 本発明による複数の構成要素を有する別のＵＷＢ受信機のブロック図である。

Claims (16)

1. 超広帯域通信システムにおいて送信されたデータシンボルを検出するための装置であって、
   前記送信されたデータシンボルに対応する、受信された参照信号およびデータ信号に整合させるフィルタと、
   前記フィルタの出力に接続される遅延ブロックと、
   前記遅延ブロックの出力と前記フィルタの出力とに接続される乗算器と、
   前記乗算器の出力に接続される積分器と、
   前記積分器の最も大きな出力を選択して、前記送信されたデータシンボルに対応する、受信されたデータシンボルを検出する超広帯域受信機の基本的構成要素を提供する判定手段と
   を備える超広帯域通信システムにおいて送信されたデータシンボルを検出するための装置。
2. 前記フィルタと前記乗算器との間のブランチにおいて共役ブロックが接続される請求項１に記載の装置。
3. 前記データシンボルは、パルス位置変調される請求項１に記載の装置。
4. 前記データシンボルは、パルス振幅変調される請求項１に記載の装置。
5. 前記データシンボルは、パルス位相変調される請求項１に記載の装置。
6. 前記遅延ブロックは、フィルタリングされたデータ信号を用いて前記参照信号を時間的に整合させる請求項１に記載の装置。
7. 複数のデータ信号が、１つのデータシンボルに対応する参照信号毎に並列に処理される請求項１に記載の装置。
8. 前記データシンボルは、オン−オフキーイングによって前記受信機に送信される請求項１に記載の装置。
9. 前記フィルタは、選択され得るデータシンボル群に整合させる請求項１に記載の装置。
10. 前記フィルタは、整合フィルタバンクとして構築される請求項１に記載の装置。
11. 前記乗算器の前記出力は、最大の信号対雑音比を達成するように、超過遅延および信号持続時間によって決まる有限の時間間隔にわたって積分される請求項１に記載の装置。
12. 異なる変調処理を受けた複数のデータ信号が、１つのデータシンボルに対応する参照信号毎に連続して送信される請求項１に記載の装置。
13. 前記遅延ブロックを、前記共役ブロックを介して先行する基本的構成要素の乗算器に接続することにより、複数の基本的構成要素が相互に接続される請求項１に記載の装置。
14. 前記フィルタを、前記共役ブロックを介して先行する基本的構成要素の乗算器に接続することにより、複数の基本的構成要素が相互に接続される請求項１に記載の装置。
15. シンボル間干渉を低減するように前記積分器の前記出力に接続される等化器をさらに備える請求項１に記載の装置。
16. 超広帯域通信システムにおいて送信されたデータシンボルを検出するための方法であって、
    受信された参照信号およびデータ信号をフィルタリングすることと、
    前記フィルタリングされたデータ信号と時間的に整合させるために前記フィルタリングされた参照信号を遅延させることと、
    積を生成するために、前記フィルタリングされたデータ信号と前記遅延された参照信号とを乗算することと、
    前記積を時間積分することと、
    前記送信されたデータシンボルに対応する受信されたデータシンボルを検出する超広帯域受信機の基本的構成要素を提供するために、前記積分器の最も大きな出力を選択することと
    を含む超広帯域通信システムにおいて送信されたデータシンボルを検出するための方法。

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