JP2007208478A - 同期回路 - Google Patents

Abstract

【課題】より低消費電力な構成で、高速データ無線伝送において、より短い同期捕捉期間での同期精度を向上すること。
【解決手段】相関器１１０での基準信号と受信信号の相関値を積分器１１１で１シンボル期間積分する。基準信号発生手段で１１２をタイミング制御部１１３で制御して、Ｎシンボル期間毎に異なる位相タイミングで基準信号を発生し、各々のタイミングでの平均相関値の差から検出した位相差で同期クロックを変更することで、受信信号と同期する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてマイクロ波またはミリ波による無線通信システムに用いられ、受信機における受信信号に同期した内部クロックの生成に関わる同期回路に関するものである。

従来の同期回路としては、発生タイミングを順次ずらした基準信号と受信信号との相関値の中から最大の相関値となるタイミングを同期点として、内部クロックを調整するスライディング相関器が知られていて、例えば、特許文献１の構成が知られていて、図９は特許文献１に記載された従来のスライディング相関器による相関器を示すものである。

図９において、乗算器１での受信信号と基準信号の相関値を積分器２で積分する。メモリ３では理想的な受信信号を雛型としたテンプレート波形である基準信号を発生し、タイミング制御部４で同期クロックとの位相差を順次ずらして基準信号の発生タイミングを生成する。最大値検出部５で所定の期間での積分器２の出力の最大値を検出し、同期検出判定部７により最大の出力値より検出した位相差だけ同期クロックを変更して受信信号に同期する。
特開平１１−４１１４０号公報（第４、６項、図７）

１Ｇシンボル／秒を超える高速な無線伝送においては、送受信点間の伝搬路特性により受信信号強度は大きく変化するため、受信信号が予め定めた閾値を超えるタイミングを使って同期動作を行うことが困難なことから、前記従来の技術で説明した受信信号と基準信号との相関値を用いた同期回路方式が有効である。

前記従来のスライディング相関器による同期回路においては、相関値を用いることで受信信号強度変動への耐性を向上しているが、同期精度に対応した細かい間隔で基準信号の発生タイミングを走査するものであり、同期精度向上にはより多くの相関値検出タイミングが必要となり、同期精度に比例して同期期間が長くなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、１Ｇシンボル／秒を超える高速な無線伝送においても、高速な同期捕捉が可能な同期回路を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の同期回路は、受信信号と基準信号との相関を出力する相関器と、前記相関器の出力を前記基準信号のタイミングで積分する積分器と、前記基準信号の発生タイミングを制御するタイミング制御部と、異なる位相タイミングにおける前記積分器の出力から前記受信信号と内部クロックとの位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差の判定により同期検出を行う同期検出判定部とを備える。または、受信信号を基準信号のタイミングでデジタル信号に変換する変換器と、前記基準信号の発生タイミングを制御するタイミング制御部と、異なる位相タイミングにおける前記変換器の出力から前記受信信号と内部クロックとの位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差の判定により同期検出を行う同期検出判定部とを備える。本構成によれば、異なる位相タイミングにおける積分器の出力から受信信号と内部クロックとの位相差を検出することで、少ない相関値検出処理により位相差の検出が可能となるため、同期精度に関わらず高速な同期補足が可能となる。

本発明において、前記位相差検出部は、隣接シンボルにおいて異なる位相タイミングでの前記積分器の出力から前記受信信号と内部クロックとの位相差を検出してもよい。

また、本発明は、シンボル毎に異なる位相タイミングでＰＰＭ変調したシンボル列を本発明の同期回路に送信する送信系を備える。本構成によれば、同期回路のタイミング制御部で細かな位相調整が不要となるため、同期回路の構成を簡素化できる。

また、本発明は、Ｎ（Ｎは２以上の自然数）シンボル単位で連続する値を有するシンボル列を送信する送信系と、前記送信系から送信されたシンボル列をシンボルレートの１／Ｎの遮断周波数で波形整形するフィルタを請求項１から３の何れか一項記載の同期回路の前段に備える受信系とを備える。本構成によれば、同期用のシンボル生成での細かな位相調整機構が不要となり、送信系の構成を簡素化できる。

本発明によれば、異なる位相タイミングにおける積分器の出力から受信信号と内部クロックとの位相差を検出することで、少ない相関値検出処理により位相差の検出が可能となるため、同期精度に関わらず高速な同期補足が可能となる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における同期回路を用いた送受信システムの機能ブロック図である。送信機１２０は、送信データ入力端子１２６からの入力データより送信データ信号生成手段１２４によって、基準クロック１２５を用いて送信データ信号を生成する。送信データ信号により、変調部１２３で搬送波信号を変調し、高周波部１２２で所定の送信電力値へ増幅し、所定の帯域制限した後に、アンテナ１２１より送信する。受信機１００は、アンテナ１０１で受信した信号を、高周波部１０２でベースバンド信号に変換し、復調部１０３で復調し復調出力を得る。

同期回路１０４は、高周波部１０２からの出力である受信信号に対して同期した同期クロックを発生し、復調部１０３では同期クロックを使用して復調を行う。同期回路１０４は、受信信号と基準信号の相関値を出力する相関器１１０と、相関器１１０での相関値出力の１シンボル期間の積分値を出力する積分器１１１と、受信信号と相関を取ることで受信信号に含まれる不用成分の影響を抑える基準信号を発生する基準信号発生手段１１２と、発生した同期クロックに同期して基準信号の発生タイミングと積分器１１１での積分周期とを制御するタイミング制御部１１３と、積分器１１１の出力信号から受信信号と内部クロックとの時間的な位相差を検出する位相差検出手段１１４と、位相差検出手段１１４より検出した位相差から同期状態を判定して位相差に対応して同期クロックのタイミングを調整する同期検出判定部１１５とで構成される。

図２は、ＲＺ符号をシンボルレートのデータフィルタ処理した受信信号波形を示しており、縦軸は振幅、横軸は位相を示している。横軸のａ、ｂはタイミング制御手段１１３で発生する基準信号の発生タイミングであり、その同期点を位相０度として示している。図２では、例として発生タイミングａを−４５度、発生タイミングｂを＋４５度としている。

図３は、基準信号の発生タイミングが発生タイミングａ（図２参照）の場合の積分器出力のＮ（Ｎは２以上の自然数）シンボル平均値をＶａ、基準信号の発生タイミングが発生タイミングｂ（図２参照）の場合の積分器出力のＮシンボル平均値をＶｂとした場合の、規格化した両相関値の差分と、内部クロックと受信信号の位相差の関係を示した図である。位相差Ｐは、式（１）で表される。
Ｐ＝ｋ×（（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）−Ｖ０） …（１）
ここで、Ｖ０は理想的な受信波形に対して同期した状態で位相差Ｐ＝０とするための補正値であり、ｋは図３の横軸の値を縦軸の位相差に変換する係数である。

図４は同期動作のフロー図である。タイミング制御部１１３での基準信号の発生タイミングを発生タイミングａ（−４５度）の位置に設定し、積分器１１１の出力のＮシンボル平均を、Ｖａとして位相判定検出手段１１４で記録する（Ｓ４０１）。次いで、基準信号の発生タイミングを発生タイミングｂ（＋４５度）の位置に設定し、積分器１１１の出力のＮシンボル平均を、Ｖｂとして位相判定検出手段１１４で記録する（Ｓ４０２）。ＶａおよびＶｂより式（１）により位相差Ｐを位相判定検出手段１１４で計算し、同期検出判定部１１５に出力する（Ｓ４０３）。同期検出判定部１１５において、Ｐが所定の閾値Ｐｔｈ以下の場合は同期したと判定する（Ｓ４０４）。Ｐが所定の閾値Ｐｔｈより大きい場合は、同期クロックの位相Ｐ分の変更をタイミング制御部に出力し、同期クロックは受信信号に同期する（Ｓ４０５）。

なお、平均を行うシンボル周期Ｎについては特定の値を設定していないが、動作が望まれる受信信号Ｓ／Ｎにおいて、不要成分の影響を除くことが可能な（例えばＮ＝１０程度）シンボル期間に設定すればよい。また、図２中の同期点のタイミングでの相関値の積分値を評価し、Ｖａ、Ｖｂより小さい場合は、１８０度位相をずらすことで、１８０度ずれた点への同期捕捉を防止できる。また、発生タイミングをａ，ｂの２種用いる例と示したが、例えば、最初の同期補足に対して、発生タイミングａと発生タイミングｂとの差が広い条件での相関値により位相差を粗く検出し、発生タイミングａと発生タイミングｂとを狭めて精度を上げた同期補足を行う、２段階同期処理を行ってもよい。また、Ｎシンボル連続した相関値の平均値を用いる例を示したが、シンボル毎に基準信号発生タイミングを変更して、隣接したシンボル同士での相関値の差を用いてもよいが、発生タイミング変更の処理が煩雑になることから、連続したＮシンボルでの相関値を用いた方が、消費電力の観点からも望ましい。

なお、位相差Ｐの計算において、式（１）ではＶａとＶｂの和を用いて規格化しているが、積分器の出力値の平均値を代表する値であれば良く、例えば事前に評価した値を用いてもよい。または、同期点での積分器出力のＮシンボル平均値を用いてもよい。また、２種類の位相タイミングを用いる例を示したが、同期捕捉期間を短縮する観点からは最小の位相タイミング数である２種類の位相タイミングを用いることが望ましいが、同期精度の観点からは、より広い位相範囲が望ましい。例えば、４種の位相タイミングの使用である。４種の位相タイミングを用いた場合は、位相差Ｐは、位相の早い順にＮシンボル平均値をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄとすると、式（２）で表され、式（１）と同様に、位相差は同期点前の発生タイミングａ，ｂ点でのＮシンボル平均値Ｖａ，Ｖｂと、同期点後の発生タイミングｃ，ｄ点でのＮシンボル平均値Ｖｃ，Ｖｄの差より求まる。
Ｐ＝ｋ＊（（Ｖａ＋Ｖｂ−Ｖｃ−Ｖｄ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）−Ｖ０） …（２）
ここで、Ｖ０は同期した状態で位相差Ｐ＝０とするための補正値であり、ｋはＮシンボル平均値Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄおよび補正値Ｖ０からの演算値を位相差に変換する係数である。

実施の形態１によれば、異なる位相タイミングにおける積分器の出力から受信信号と内部クロックとの位相差を検出することで、少ない相関値検出処理により位相差の検出が可能となるため、同期精度に関わらず高速な同期補足が可能となる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の同期回路の機能ブロック図である。同期回路２００は、タイミング制御手段１１３の制御により受信信号値をサンプルし所定ビット数のデジタルデータに変換するＡＤコンバータ２０１と、ＡＤＣ２０１の出力より位相差を評価する位相差検出手段２０２とで構成される。図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

実施の形態１と同様の処理手順で、基準信号の発生タイミングaでのＮサンプル平均値Ｖａと、発生タイミングｂでのＮサンプル平均Ｖｂより、位相差Ｐは式（３）により計算され、位相差Ｐを用いて、内部クロックを受信信号に同期する。
Ｐ＝ｋ×（（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）−Ｖ０） …（３）
ここで、Ｖ０は理想的な受信波形に対して同期した状態で位相差Ｐ＝０とするための補正値であり、ｋはＮサンプル平均値の演算結果を位相差に変換する係数である。
実施の形態２によれば、基準信号発生手段と相関器に代えてＡＤコンバータを用いることで、より簡単な構成により、同期精度に関わらず高速な同期補足が可能となる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における同期方式を示しており、図６（ａ）は送信側でのシンボル発生タイミングを示す図、図６（ｂ）は受信側での同期処理タイミングを示す図である。図６（ａ）において、Ｔｘ１は送信側の基準クロックを表し、Ｔｘ２は一シンボル毎に異なる位相量でＰＰＭ変調した送信シンボル列で、＋４５度、−４５度の位相差を示している。図６（ｂ）において、Ｒｘ１は受信信号波形、Ｔｘ２’は対応する送信側シンボル列、Ｒｘ２は基準信号の発生タイミングを示している。

送信側では、同期補足期間において、図６（ａ）に示すように、＋４５度、−４５度の位相差でＰＰＭ変調されたシンボル列を送信する。受信側では、シンボルレートのデータフィルタにより波形整形した図６（ｂ）のＲｘ１の受信信号波形に対して同期補足を行う。同期クロックでの発生した基準信号との相関値を１シンボル毎に積分し、１シンボルおきの積分値Ｖａｉ、ＶｂｉのＮシンボル平均値を各々Ｖａ、Ｖｂとして記録し、位相差Ｐ１を式（４）、Ｐ２を式（５）により計算する。
Ｐ１＝ｋ×（（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）−Ｖ０） …（４）
Ｐ２＝ｋ×（（Ｖｂ−Ｖａ）／（Ｖｂ＋Ｖａ）−Ｖ０） …（５）
ここで、Ｖ０は理想的な受信波形に対して同期した状態で位相差Ｐ＝０とするための補正値であり、ｋは平均値の演算結果を位相差に変換する係数である。

図６では、図２での位相点ａ相当の位相での平均値がＶａ、位相点ｂ相当の位相での平均値がＶｂに割り当ててあり式（４）での検出処理に相当する。シンボル同期処理の時点において、両位相点の判別処理は行われていないため、図６とは異なり、図２での位相点ａ相当の位相での平均値をＶｂに、位相点ｂ相当の位相での平均値がＶａとして記録される場合（式（５）に相当）もある。次いで、式（４）によるＰ１だけ同期クロックを変更した場合の相関値Ｖ１と、式（５）によるＰ２だけ同期クロックを変更した場合の相関値Ｖ２を比較し、より相関値が高くなる位相差を反映して同期クロックを変更することで、受信信号に同期する。

実施の形態３によれば、２種の位相タイミングで交互にＰＰＭ変調されたシンボル列に対して、１シンボルおきの相関値の差より位相差を検出することで、タイミング制御部における細かな位相調整が不要となり、同期回路の構成を簡素化できる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の同期方式を示しており、図７（ａ）は送信側でのシンボル発生タイミングを示す図、図７（ｂ）は受信側での同期処理タイミングを示す図である。図７（ａ）において、Ｔｘ１は送信側基準クロック、Ｔｘ２は送信シンボル系列としてデータ“１１００１１００１１００１”を示している。図７（ｂ）において、Ｒｘ１はデータシンボルの半分の遮断周波数のＬＰＦで波形整形した受信信号波形で、Ｔｘ１’は対応する送信基準クロック、Ｔｘ２’は対応する送信側シンボル列、Ｒｘ２は基準信号の発生タイミングを表し、各々の発生タイミングでの積分値をＶａｉ、Ｖｂｉ、０、０としている。

図８は同期回路の機能ブロック図を示している。図８において、図１、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。同期回路３００は、シンボルレートの半分の遮断周波数のＬＰＦ３０１と、同期クロックに対応してＡＤＣ２０１でのサンプリングを制御するタイミング制御部３０２と、ＡＤＣ２０１でのサンプル値より同期クロックと受信信号の位相差を検出する位相差検出手段３０３とで構成される。

上記構成において、２シンボル連続した値をとるシンボル系列を送信することで、シンボルレートが半分の周波数成分を発生する。受信側では、シンボルレートの半分の遮断周波数のＬＰＦにより波形整形することで、図７（ｂ）のＲｘ１で示すシンボル期間が倍の受信波形が得られる。所定の閾値より大きな隣接する２サンプル値を、Ｖａｉ、Ｖｂｉとして記録し、各々の平均値をＶａ、Ｖｂとする。実施の形態１と同様の処理により、Ｒｘ１に対する位相差Ｐは、式（６）により計算される。
Ｐ＝ｋ×（（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）−Ｖ０） …（６）
位相差Ｐ分の変更を同期クロックに行うことで、同期クロックと受信信号は同期することとなり、従って送信側の基準クロックと同期クロックは同期する。なお、２シンボル周期毎にシンボルを変更したシンボル系列を用いた例を示したが、同期補足時間の短縮化の観点では２が望ましいが、許容捕捉時間によっては２に限るものではない。

実施の形態４によれば、２シンボル毎にシンボルが交互に変更されるシンボル列に対して、シンボルレートの半分の遮断周波数の低域通過フィルタを通した受信信号との相関値の差より位相差を検出することで、同期判定のための細かな位相調整を行うことなく、受信信号との同期処理が可能となり、送信系および受信系の構成を簡素化できる。

本発明の同期回路は、伝送路の変動による信号強度変動を補償することが困難な高速なデータレートの無線伝送信号に対する同期において、シンボル判定のための高精度な閾値を用いずに、より少ないシンボル数での同期捕捉精度向上の効果があり、高速データ無線伝送での同期手段として有用である。

本発明の実施の形態１における同期回路を用いた送受信システムの機能ブロック図 本発明の実施の形態１の受信波形の図 本発明の実施の形態１の相関積分値と位相差の関係を表した図 本発明の実施の形態１における同期手順のフロー図 本発明の実施の形態２の同期回路の機能ブロック図 本発明の実施の形態３の送信側、受信側での信号タイミング図 本発明の実施の形態４の送信側、受信側での信号タイミング図 本発明の実施の形態４における同期回路機能ブロック図 従来のスライディング相関器による同期回路の機能ブロック図

符号の説明

１００ 受信機
１０１ アンテナ
１０２ 高周波部
１０３ 復調部
１０４ 同期回路
１１０ 相関器
１１１ 積分器
１１２ 基準信号発生手段
１１３ タイミング制御部
１１４ 位相差検出手段
１１５ 同期検出判定部
１２０ 受信機
１２１ アンテナ
１２２ 高周波部
１２３ 変調部
１２４ データ信号生成手段
１２５ 基準クロック
１２６ 送信データ入力端子
２００ 同期回路
２０１ ＡＤＣ
２０２ 位相差検出手段
３００ 同期回路
３０１ ＬＰＦ
３０２ タイミング制御部
３０３ 位相差検出手段

Claims (5)

1. 受信信号と基準信号との相関を出力する相関器と、前記相関器の出力を前記基準信号のタイミングで積分する積分器と、前記基準信号の発生タイミングを制御するタイミング制御部と、異なる位相タイミングにおける前記積分器の出力から前記受信信号と内部クロックとの位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差の判定により同期検出を行う同期検出判定部とを備える同期回路。
2. 受信信号を基準信号のタイミングでデジタル信号に変換する変換器と、前記基準信号の発生タイミングを制御するタイミング制御部と、異なる位相タイミングにおける前記変換器の出力から前記受信信号と内部クロックとの位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差の判定により同期検出を行う同期検出判定部とを備える同期回路。
3. 前記位相差検出部は、隣接シンボルにおいて異なる位相タイミングでの前記積分器の出力から前記受信信号と内部クロックとの位相差を検出する請求項１又は２記載の同期回路。
4. シンボル毎に異なる位相タイミングでＰＰＭ変調したシンボル列を請求項１から３の何れか一項記載の同期回路に送信する送信系を備えるシステム。
5. Ｎ（Ｎは２以上の自然数）シンボル単位で連続する値を有するシンボル列を送信する送信系と、前記送信系から送信されたシンボル列をシンボルレートの１／Ｎの遮断周波数で波形整形するフィルタを請求項１から３の何れか一項記載の同期回路の前段に備える受信系とを備えるシステム。

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