JP2006121454A

JP2006121454A - フレーム同期方法および装置

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Publication number: JP2006121454A
Application number: JP2004307592A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Furuta; 政博古田; Masashi Mizuno; 正志水野
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】
多値ＱＡＭ方式を用いた通信においてノイズの影響を受けにくく容易にフレーム同期を行うことが可能である方法および装置を提供する。

【解決手段】
多値ＱＡＭ方式を利用した通信システムでの信号フレーム内のパイロットシンボルを用いて同期をとるフレーム同期方法において、信号フレーム中にパイロットシンボルを２個以上割り当て、各パイロットシンボルは、振幅値が最大であり、かつ、Ｉ−Ｑ平面上での位相が異なる２種類以上のシンボルから成り、各パイロットシンボル間の内積演算結果を用いてパイロットシンボル位置を検出する。

【選択図】図１

Description

本発明はパイロットシンボルを含んだ信号フレームを多値ＱＡＭ（直交振幅変調）方式により通信を行うシステムに関し、特にＱＡＭ復調処理でのパイロットシンボル位置の検出を容易に行い、フレーム同期を行う技術に関する。

移動通信の様なデジタル無線通信分野では、送信装置から送信する信号フレーム中に、当該信号フレームの同期を確保する為のパイロットシンボルを含めることが行われており、受信装置では受信した信号フレーム中のパイロットシンボルの位置を検出することにより信号フレームに含まれるデータ等の位置を特定することが行われている。

一例として特許文献１では、送信側から送信される信号フレームの構成は図５に示すようになっている。Ｎ個のシンボルで構成される信号フレーム内に連続したｍ個のシンボルから成るユニークワード（以下、ＵＷと記載する）を配置して、ＵＷを構成する各シンボルには最大となる振幅が割り当てられている。例えば１６ＱＡＭ方式の場合では最大の振幅値として図１のＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のいずれかの値を取り得る。

受信側において１信号フレーム内のシンボル数と同等のＮ個のメモリが設けられ、前記メモリには対応するシンボルの振幅の２乗値を、忘却変数λを用いて同期加算処理を行って得たデータ値が格納される。更に前記Ｎ個のメモリからＵＷのシンボル数であるｍ個の連続したデータ値を順次選択して読み出し、そのｍ個のデータ値の総和が最大であるシンボル位置をもってＵＷのタイミング候補とし、フレームの同期を行う方法が取られている。

特開２０００−４９８８１号公報

しかし、特許文献１の方法ではＵＷを構成するシンボル、および／または、ＵＷ前後のシンボルにおいて、ノイズやフェージング等の影響によりシンボル値が変動してしまった場合にＵＷのタイミング検出を誤り、誤同期が発生する可能性があった。

本発明では、かかる場合においてもノイズの影響を受けにくく容易にフレーム同期を行うことが可能である方法および装置を提供する。

上記目的を達成すべく請求項１記載のフレーム同期方法は、多値ＱＡＭ方式を利用した通信システムで、信号フレーム内のパイロットシンボルを用いて同期をとるフレーム同期方式において、送信側では前記信号フレーム中にパイロットシンボルを２個以上割り当て、当該各パイロットシンボルは、振幅値が最大であり、かつ、Ｉ−Ｑ平面上での位相が互いに異なる２種類以上のシンボルから構成され、受信側では前記各パイロットシンボル間の内積演算結果を用いてパイロットシンボル位置を検出してフレーム同期を行う。

請求項２記載のフレーム同期方法は、請求項１のフレーム同期方法において、前記各パイロットシンボルのうち、任意の２個のパイロットシンボルで構成されるパイロットシンボルペアを１つ以上選択し、当該各パイロットシンボルペアを構成する２個のパイロットシンボルの位相差がπラジアンになるような位相変換処理を、信号フレームを構成する全シンボルに対して行い、前記位相変換処理後の各パイロットシンボルペアの内積演算結果が負方向最大であることを用いてパイロットシンボル位置を検出してフレーム同期を行う。

請求項３記載の多値ＱＡＭ方式を利用した通信システムで、信号フレーム内のパイロットシンボルを用いて同期をとるフレーム同期装置において、送信では前記信号フレーム中に前記パイロットシンボルを２個以上割り当て、当該各パイロットシンボルは、振幅値が最大であり、且つ、Ｉ−Ｑ平面上での位相が互いに異なる２種類以上のシンボルから構成される前記パイロットシンボルを含む信号を送信する送信部と、受信において前記各パイロットシンボル間の内積値を演算する演算器を用いてパイロットシンボル位置を検出することを特徴とする受信部を持つフレーム同期装置を使用してフレーム同期を行う。

請求項１または２および３の発明により、２つのシンボルの内積演算を行うことで、従来のようにシンボルの振幅値の絶対値（２乗値）ではなく正負の符号を持つ値をパイロットシンボル検出に使用可能となる。ノイズやデータシンボル値のようなランダムな値の内積演算の結果は正負両方向にランダムな値となり、フレーム周期で各シンボルの値を平均化することで値をゼロとすることができる。
一方、信号フレームのパイロットシンボルの値を固定値とすることで内積演算の結果は所定の値となり、フレーム周期でのパイロットシンボルの値の平均は所定の値のままとなる。
この性質を利用することにより、多値ＱＡＭ方式を利用した通信システムでの信号フレーム内のパイロットシンボルを用いて同期をとるフレーム同期方法およびフレーム同期装置において、ノイズ等の影響がある場合においてもパイロットシンボルの誤検出の発生が少なく、フレーム同期を容易に行うことが可能となる。

本発明に係わる一実施例を、図面を参照して説明する。本発明を用いる通信システムでは２個以上のパイロットシンボルを含んだ信号フレームを多値ＱＡＭ方式により送信側から受信側へ送信することが行われ、多値ＱＡＭ方式として１６ＱＡＭ方式を用いて通信が行われる場合を例として説明する。
図２には本例の送信側から送信する信号フレームの一例を示してあり、１信号フレームが３０個のシンボルで構成されている。パイロットシンボル５としてフレームの先頭の３個のシンボルＳ１、Ｓ２、Ｓ３を使用し、残りの２７個のシンボル（Ｓ４…Ｓ３０）はデータシンボル６として１６ＱＡＭ方式で取り得る１６種類のシンボル値のうちの任意の値をとるものとする。本例では前述の構成から成る信号フレームが図２に示したように連続して順次送信することにより、これらの信号フレームを用いて受信側へ情報を送信することが行われる。

１６ＱＡＭ方式の信号空間ダイヤグラムは図１のようになっており、Ｉ相成分およびＱ相成分がそれぞれ−３，−１，１，３のいずれかの値をとる構成が用いられていることから、振幅値が最大となるシンボル値はＰ１（３，３）、Ｐ２（３，−３）、Ｐ３（−３，−３）、Ｐ４（−３，３）の４種類があり、振幅値はいずれも√１８である。

パイロットシンボルは、振幅は最大であるシンボル値を割り当てる必要がある為、本例ではＳ１のシンボル値をＰ１（３，３）、Ｓ２のシンボル値をＰ２（３，−３）、Ｓ３のシンボル値もＰ２（３，−３）とする。図１に示すとおりシンボルＳ１とシンボルＳ２の位相差および、シンボルＳ１とシンボルＳ３の位相差はそれぞれ３π／２ラジアンである。

なお、送信側から受信側へ送信する信号フレームの構成は、必ずしも本例に示した構成が用いられなくとも良く、１信号フレーム中に２個以上パイロットシンボルが含まれており、各パイロットシンボルは振幅値が最大であり、かつ、Ｉ−Ｑ平面上での位相が異なる２種類以上のシンボルから構成されていれば、どの様な信号フレームの構成が用いられても良く、１信号フレームで用いるシンボル数やパイロットシンボル数も種々な数が用いられて良い。また、１信号フレーム内の各パイロットシンボルの配置も本例に示したような連続配置ではなく、各パイロットシンボルが１信号フレーム内で離れて配置されていても良い。

つぎに、本例の受信側において受信した信号フレーム中からパイロットシンボル位置を検出する方法について説明する。図３に本例での処理の流れを示しており、これを式で表現したものが（１）式である。

ここでｎは１信号フレームの各シンボル位置である１から３０の範囲の整数値を示す。シンボルＲＳｎはシンボルＳｎの位相変換処理を行った結果のシンボルを示し、シンボルＲＳｎとシンボルＳｎの振幅値は同じでＩ−Ｑ平面上での位相のみ変化する。また（ＲＳｎ・ＲＳｎ＋１）はシンボルＲＳｎとシンボルＲＳｎ＋１のＩ−Ｑ平面上の信号点座標ベクトルの内積演算値であり、シンボルＲＳｎの振幅値がＡ、シンボルＲＳｎ＋１の振幅値がＢ、シンボルＲＳｎとシンボルＲＳｎ＋１の位相差がαラジアンの場合、内積演算値Ｃは（２）式で示される。

図３にて本例での１信号フレームにおける処理手順の説明を行う。本例では図２に示すとおり１信号フレーム内に３個のパイロットシンボルＳ１，Ｓ２，Ｓ３が存在する。パイロットシンボルＳ１とパイロットシンボルＳ２の位相差、および、パイロットシンボルＳ１とパイロットシンボルＳ３の位相差はいずれも３π／２ラジアンであるので、これら位相差をπラジアンにする為に位相変換処理を行う。具体的には図３の位相変換処理７ａで０ラジアンの位相変換、位相変換処理７ｂおよび位相変換処理７ｃで時計廻りにπ／２ラジアンの位相変換を行うようにする。
この結果図１上でのパイロットシンボルＳ２およびパイロットシンボルＳ３のシンボル値Ｐ２（３，−３）は位相変換処理によりＰ３（−３，−３）となる。従ってシンボルＲＳ１とシンボルＲＳ２の位相差、および、シンボルＲＳ１とシンボルＲＳ３の位相差はいずれもπラジアンとなる。

なお、位相変換処理後の各パイロットシンボルであるシンボルＲＳ１，シンボルＲＳ２，シンボルＲＳ３の関係は上記の様にシンボルＲＳ１とシンボルＲＳ２の位相差、および、シンボルＲＳ１とシンボルＲＳ３の位相差がそれぞれπラジアンであり、かつ、各々の振幅値が最大であれば良い為、位相変換処理７ａ，位相変換処理７ｂ，位相変換処理７ｃでの変換を行う位相値は本例以外の値でも良い。

信号フレーム内の連続する３個のシンボルであるシンボルＳｎ，シンボルＳｎ＋１，シンボルＳｎ＋２に対して位相変換処理７ａ，位相変換処理７ｂ，位相変換処理７ｃで前記の位相変換処理を行い、シンボルＲＳｎ，シンボルＲＳｎ＋１，シンボルＲＳｎ＋２を求める。続いて内積演算８ａにてシンボルＲＳｎとシンボルＲＳｎ＋１の内積を求め，内積演算８ｂにてシンボルＲＳｎとシンボルＲＳｎ＋２の内積を求める。最後に内積演算８ａおよび内積演算８ｂの結果を平均化処理９にて平均値を求めて結果出力Ｆ（ｎ）を出力する。この処理をｎ＝１…３０について順次実施し、信号フレーム周期でシンボル毎に出力結果Ｆ（ｎ）の平均値を求める。

本例で図２に示すようにパイロットシンボルとして３個のシンボルを用いて２つのパイロットシンボルペアの内積演算の平均を取っているのは、パイロットシンボルペア１組用いた場合と比較してデータシンボル中にパイロットシンボルと同じシンボル値のシンボルの組合せが存在する確率を減少させてフレーム誤同期の可能性を減らすためである。一般的にパイロットシンボルとして用いるシンボル数が多ければ、データシンボル内に同じシンボル値の組合せが存在する確率が低くなる。
したがってパイロットシンボル数および内積演算処理の数は本例に示した数だけでなく、パイロットシンボル数が２個以上、かつ、内積演算処理数が１つ以上であれば、どのような数であっても良い。

次にパイロットシンボル検出位置の場合とそれ以外の場合で説明を行う。本例ではｎ＝１の場合がパイロットシンボル検出位置であり、シンボルＲＳ１とシンボルＲＳ２の位相差、および、シンボルＲＳ１とシンボルＲＳ３の位相差はいずれもπラジアンであるため内横演算８ａおよび内積演算８ｂの出力は√１８×√１８×ｃｏｓ（π）であり、平均化処理９の出力であるＦ（１）は負方向の最大値である−１８となる。

ｎ＝２…３０の場合は、シンボルＳｎ，シンボルＳｎ＋１，シンボルＳｎ＋２の少なくとも一つがデータシンボルである。データシンボルは図１に示す１６ＱＡＭ方式の１６のシンボル値を等確率でとる為、結果出力Ｆ（ｎ）の取り得る値はゼロを中心とした正負両方向に対称な分布となる。

従って信号フレーム周期でシンボル毎の結果出力Ｆ（ｎ）を平均することにより、信号フレーム内のパイロットシンボル検出位置では平均値は負方向最大値である−１８のままであるのに対し、信号フレーム内のパイロットシンボル位置以外での平均値は最終的に０になる。
このためパイロットシンボル位置での結果出力Ｆ（１）と、その他の位置での結果出力Ｆ（ｎ）（ｎ＝２…３０）の差は明碓になり、パイロットシンボル位置が容易に検出可能となる。

次に信号にノイズ等が混入している場合を考える。図１に示すように、ある信号フレームにおいてパイロットシンボルＳ２のシンボル値Ｐ２（３，−３）がノイズ等の影響により４の（１，−３）に変動した場合は、位相変換処理により５の（−３，−１）となり、内積（ＲＳ１・ＲＳ２）の演算結果は−１８ではなく−１２となり、ｎ＝１での（１）式の結果出力Ｆ（１）は−１５となるが、他の信号フレームでの結果出力Ｆ（１）は−１８である場合が多いと考えられる為、フレーム周期でシンボル毎の平均を求めた結果は、最大振幅値である−１８に近い値をとることになる。

ｎ＝２…３０の場合は、既に述べたようにもともと一定でないシンボル値を演算の入力としているために、ノイズ等によりシンボル値がランダムに変動したとしても、ノイズが混入していない場合と同様に信号フレーム周期での各シンボルの演算続果の平均はゼロに近い値をとることになる。

上記のようにノイズが混入した場合においてもパイロットシンボルの検出が容易であり、信号フレームの同側を容易に行うことが可能である。図４は本例の演算結果の一例である、ｎ＝１のパイロットシンボル位置での結果出力は負方向最大値である−１８となり、ｎ＝２…３０の位置では１６ＱＡＭのシンボル値を入力とする演算の範囲においてランダムな結果となる。

なお、本実施例では１６ＱＡＭ方式の場合について説明を行ったが、１６ＱＡＭ方式以外の多値ＱＡＭ方式が用いられた場合においても、すでに述べたようなパイロットシンボルの構成および演算処理を用いることにより、本例と同様にパイロットシンボルの検出を容易に行うことができる。

前記フレーム同期方法を使用したフレーム同期装置を、本実現例ではＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤＣ、ＤＡＣを用いて実現している。実現するハードウェアはこれらの演算デバイスに限らなくても実現可能であり、本実現例は一例である。
図６に示す１６ＱＡＭ復調装置においてシンボル同期検出器により出力された信号１２は図７に示すフレーム同期装置に入力され、レジスタＣ、レジスタＢ、レジスタＡに順次シフトされて格納された値が前記処理方法に従って平均化処理部から出力されるフレーム同期検出出力により出力制御部が制御を受け、パイロットシンボルを検出したことを後部に知らせ、出力１３が後段処理器に渡される。

本発明の実施例である１６ＱＡＭ方式の信号空間ダイヤグラムである。本発明の実施例の信号フレームフォーマットである。本発明の実施例の演算処理手順である。本発明の実施例の演算結果例である。背景技術の一例での信号フレームフォーマットである。本発明実施例の１６ＱＡＭ復調装置ハードウェアブロック図である。本発明実施例のフレーム同期装置ハードウェアブロック図である。

符号の説明

１パイロットシンボルＳ１およびシンボルＲＳ１のベクトル
２パイロットシンボルＳ２およびパイロットシンボルＳ３のベクトル
３シンボルＲＳ２およびシンボルＲＳ３のベクトル
４ノイズ混入時のシンボルＳ２のベクトル例
５パイロットシンボル
６データシンボル
７ａ…７ｃ位相変換処理
８ａ，８ｂ内積演算処理
９平均化処理
１０ユニークワード（ＵＷ）
１１データシンボル
Ｐ１…Ｐ４１６ＱＡＭ方式における最大振幅位置
Ｓ１…Ｓ３０信号フレームを構成する１…３０播目のシンボル
Ｓｎ，Ｓｎ＋１，Ｓｎ＋２信号フレーム内の連続する３つのシンボル
ＲＳｎＳｎについての位相変換処理後のシンボル値

Claims

多値ＱＡＭ方式を利用した通信システムで、信号フレーム内のパイロットシンボルを用いて同期をとるフレーム同期方式において、送信側では前記信号フレーム中にパイロットシンボルを２個以上割り当て、当該各パイロットシンボルは、振幅値が最大であり、且つ、Ｉ−Ｑ平面上での位相が互いに異なる２種類以上のシンボルから構成され、受信側では前記各パイロットシンボル間の内積演算結果を用いてパイロットシンボル位置を検出することを特徴とするフレーム同期方法。
前記各パイロットシンボルのうち、任意の２個のパイロットシンボルで構成されるパイロットシンボルペアを１つ以上選択し、当該各パイロットシンボルペアを構成する２個のパイロットシンボルの位相差がπラジアンになるような位相変換処理を、信号フレームを構成する全シンボルに対して行い、前記位相変換処理後の各パイロットシンボルペアの内積演算結果は負方向最大であることを用いてパイロットシンボル位置を検出することを特徴とする請求項１記載のフレーム同期方法。
多値ＱＡＭ方式を利用した通信システムで、信号フレーム内のパイロットシンボルを用いて同期をとるフレーム同期装置において、送信では前記信号フレーム中に前記パイロットシンボルを２個以上割り当て、当該各パイロットシンボルは、振幅値が最大であり、且つ、Ｉ−Ｑ平面上での位相が互いに異なる２種類以上のシンボルから構成される前記パイロットシンボルを含む信号を送信する送信部と、受信において前記各パイロットシンボル間の内積値を演算する演算器を用いてパイロットシンボル位置を検出することを特徴とする受信部を持つフレーム同期装置。