JP2008199140A - 相補系列によってｓｎ比を改善する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相補系列によってＳＮ比を改善するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】通信システムとエンコーダと変調器と受信装置と２つの同一な基本的デコーダ・ブロックにより形成されるデコーダとから構成し、通信速度を制限することなしに受信時のＳＮ比を大きく改善するように相補系列の組を用いてベースバンド変調信号及びそのスペクトルをエンコードする。具体的には、Ｍ個の相補系列の組を用いることからなり、それらの自動相関の合計として補足を理解し、クロネッカーの記号で結果を得、Ｍ値は、相互に直交する相補系列の組の数と一致し、各組の相補系列の交差相関の合計がゼロである直交と理解する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠距離通信工業において適用可能なものである。

通信システムの能力は、基本的に、使用されるバンド幅と、１９４８年にＣｌａｕｄｅ Ｅｌｗｏｏｄ Ｓｈａｎｎｏｎによって公式化された：

による受信装置のＳＮ比によって決定される。

バンド幅を増すことは、社会が要求する多数の遠距離通信サービスによりますます不足することになる資源の使用を必要とする。我々が変更できるただ一つのファクタは受信時の信号対ノイズ、

である。装置、特にモバイル装置における消費電力は可能な限り低減されねばならないので、送信電力、Ｐｓ、を増大することは好ましくない。それ故、ただ一つの低減されるべき余地のある要素は受信装置におけるノイズ電力である。ほとんどのノイズ低減技術は、考慮すべきノイズの統計学的属性を使用している。

常にではないが、一般的に、通信システムをモデルとするノイズは、ガウス・ホワイト・ノイズであり、そのスペクトル電力密度（spectral power density）は関与するスペクトル全体で一定である。ガウス・ホワイト・ノイズは、通常、受信時に用いられる電子装置のノイズ温度又はノイズ指数に共同される。一般的に、ノイズは、バンド幅（Ｂ）及びケルビン温度目盛での作動温度（Ｔ）における等価ノイズ抵抗（Ｒ）により発生されるノイズとして定型化される。換言すると次の通りである：
Ｎ_O＝ｋＴＢＲ ワット （２）
ここにおいて、Ｋはボルツマン定数である。

通常、１Ωの抵抗に対するワット／ヘルツでの項のノイズ密度が用いられる。

通信システムの信号対ノイズ比（ＳＮＲ；ＳＮ比）を改善するための最も有効な技術の一つは整合フィルタといわれている。

この技術は、ノイズがガウス・ノイズであるＳＮＲ想定（SNR assuming）を最大限に利用できる。最も重要なケースは、その自己相関機能がクロネッカーの記号（Kroenecker delta）とできるかぎり同じである系列によって送信される符号のデジタル・エンコード・システムを使用することである。バーカー、ゴールド、カサミ及びウォルシュ系列、並びに多くのその他の系列を使用することは、現在の適用例の大多数においてこの目的のために普及されている。かくして、Ｎ用いられた長さの系列は、受信した信号を正しく検出するようにＳＮ比を増大又は信号レベルを減じることができる。この改善されたファクタはプロセス利得Ｇｐと呼ばれ、
ＧＰ＝１０ｌｏｇ₁₀（Ｎ）ｄＢ （３）
により表すことができる。

この技術の欠点は、各符号が長さＮの系列によりエンコードされるので、そのビットは符号速度のＮ倍で送信され、符号速度は使用される系列の長さが増大するだけ減じられることである。通信速度を維持する必要がある場合、送信バンド幅は増大されねばならず、それによりシステムのスペクトル効果はＮだけ減少される。ノイズがガウス・ノイズでない場合には、分離手段（filtering）を組み合わせることは最適な解決策ではない。異なるタイプのノイズ減衰技術は通信システムの適用形態並びに特色に依存する。

前述の場合、使用される通信速度を減少またはバンド幅を増大することなしにノイズを低減でき、同時に、使用される変調システムから独立して送信電力を維持できる技術の必要性があることは推論できる。

さらにまた、種々の適用形態において、信頼できる程度の秘匿性が必要であり、相補系列は、それらの減少不可能な系列特性により、それと同時にＳＮ比が改善され、送信または記憶する前に情報を暗号化でき、そしてその後の受信又は読取り時に解読できることにより解析方法によって解読するには非常に複雑である。

本明細書は、相補系列によってＳＮ比を改善する装置及び方法に対応する発明の特許出願を付託するものであり、その明確な目的は、エンコーダ及びデコーダと同様に、エンコード及びデコード方法として形造ることにあり、特に、送信電力を低減し、受信時のＳＮ比を改善し、そして更には送信または記憶される情報を暗号化する必要があるとき又は希求されるときに、いかなる送信又は記憶手段を介する送信及び受信をも可能にすることである。

本発明の目的である特徴を有する特許又は実用新案は、知られていない。

本明細書で説明される発明は、Ｍ個の相補系列の集合を使用する。相補とは、自己相関の和がＫｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタを生じることと理解される。Ｍの値は、更に、相互に直交する相補系列の集合の数と一致する。直交とは、各々の集合の相補系列の相互相関の和がゼロであることと理解される。直交系列のペア（Ｍ＝２）の特定の場合、それらの系列は、それらを発見した人に因んでゴーレイ系列と呼ばれる。（これらの概念は、Ｔｓｅｎｇ，Ｃ．Ｃ．及びＬｉｕ，Ｃ．Ｌ．によって発表された論文「Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｓｅｔｓ ｏｆ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ」，ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−１８，Ｎｏ．５，ｐｐ．６４４−６５２，Ｓｅｐ．１９７２で説明されている）。本特許はＭの任意の値へ拡張可能であるが、ゴーレイ系列が最も簡単な場合であるから、それを中心に説明する。

本発明で使用される系列の主な特性は、系列が理想的な自己相関特徴を有することである。即ち、それは、次のように完全なクロネッカーの記号（Kroenecker delta）に対応する。

ここにおいて、Φ_ｉｉは、長さＬの選択されたＭ個の相補系列の各々の個別の自己相関である。ゴーレイ相補系列のペアの場合を列挙する。

そのような系列の生成は、現在知られている２、１０、及び２６基本ビット・カーネルと言われるものから実行される（ゴーレイ系列を生成する規則は、論文「Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ」 ｂｙ Ｍ．Ｊ．Ｅ．Ｇｏｌａｙ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＩＲＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−７，ｐｐ．８２−８７，Ａｐｒｉｌ，１９６１で説明されている）。

従来の通信装置に組み込まれたとき、本発明の目的のエンコード及びデコード・システムは、用いられる相補系列の長さによってＳＮ比（ＳＮＲ）を改善できる。かくして、この系列の長さを制御することによりシステムの特性を制御できる。

２つの器械又は装置、エンコーダとデコーダ、で構成される。

エンコード装置は次のタスクを実行することを託されている。
・ 少なくとも２つの位相を用いて、変調システムにより発生される、送信装置のベースバンド信号をサンプリングすること。
・ 位相の位置に直交する選択された組の相補系列で各々の位相をたたみこむ（convoluting）こと。
・ エンコードされた新しい位相の各々を形成するために異なった位相の合算を実施すること。
・ 合成信号を、例えば、高周波段およびアンテナによって送信手段に発するために送信装置に送ること。

デコード装置は次のタスクを実行することを託されている。
・ 復調システムにより発生されるベースバンド信号を少なくとも２つの位相を用いてサンプリングすること。
・ 回復させるために位相の各一つに対応する相補系列の組で異なった位相を相関させること。
・ デコードされた新しい位相の各一つから取り出された異なった流れの合算を実施すること。

本発明の理論的基礎を説明できるように、プロセスのブロック図（図１）を用いるのが好ましい。簡単には、仮定としての２つのベースバンド位相Ｉ_１及びＱ_１と長さＮの２つの相補系列のゴーレイ直交ペア（Ａ_１／Ｂ_１−Ａ_２／Ｂ_２）途を有する変調システムが用いられる。論ずるように、エンコード処理はブロック２．１及び２．２（図２参照）で開始し、そこにおいて次の作業が実施される：

最終処理は、式：

を得るすべて（この場合、２つ）の位相のＩ及びＱコンポーネントを加えることからなる。

式（６）に代入すると、

得られた信号Ｉ_２［ｎ］及びＱ_２［ｎ］は変調されそして手段ｈ［ｎ］を解して送信されそして付加的なノイズと共に受信装置に到達する。それ故、一旦変調されると、受信時に得られる信号は次のようになる：

入力作業がエルゴード的（ergodic）であるとすると、デコードブロックは、次式に従って、相関処理によりオリジナルな概算信号を得るように入力信号Ｉ´_２［ｎ］及びＱ´_２［ｎ］を処理する：

ここにおいて、

はＮ個のサンプルに広げられた一時的な手段である。
代入すると、

となり、Ｉ_２を代入すると、

となり、Ｑ２を代入すると、

となる。そして項を見ると次のようになる：

ここにおいて、

及び

は、ノイズなしに受信しされた信号：

であり、そして相関式は次のようになる：

相互相関の合計がゼロであることは知られており、次式が得られる：

それ故、Ｎ個のための手段の限定のために代入しそして自己相関がクロネッカーの記号、

であることは知られているので、次式が得られる：

前式を従来の通信システムにおけるものと比較すると、システムは、ここにおいて相補系列を有するノイズの相互相関の合計に対応するノイズ式におけることを除き、同じである。フーリエ変換及び相補系列の特性を適用することにより、信号が実数であるとすると、前式は周波数で表される：

前式において、システムの結果はノイズ項を加えた力積Ｈ（ω）の答えであることが認識できる。この方法の主な利点は、式（１８）の第２項を解析することによって見つられる。この場合のように、ゼロ手段で処理することは知られており、平均電力はゼロ自己相関：

と等しい。

式（１７）の平均電力を計算しそして送信電力を正常化することにより、次の方法に表記できる：

自己相関特性を適用することにより、全平均電力では次のようになる：

ここにおいて、σ^２ _ｎはシステム入力でのノイズ電力である。この電力は因子２Ｎで減少される。この理由のため、ＳＮ比は系列の長さの２倍に等しい因子で改善される。このことは次式に置き換えることができる：
ΔＮ＝２^{−Δ（Ｓ／Ｎ）／３} （２３）
ここにおいて、Δ（Ｓ／Ｎ）は所要のＳＮ比におけるデシベル（ｄＢ）単位での増加に対応し、そしてΔＮは前記改善を得るように用いられた系列の長さの増加に対応する。換言すると、系列の長さが２倍になると、３ｄＢのノイズ低減が得られる。反対に、確かなＳＮ比をｄＢで得るためには、系列の長さは式（２２）に従って増加されねばならない。

この方法の利点は、受信時に高ＳＮ比を得るのに大きな通信電力を必要としない、選択された相補系列の長さの増加だけで、通信速度に関係なしに、ＳＮ比に必要な大きさだけ改善することができることである。

系列の相補の組の一般的な場合におけるその改良は、処理利得（デシベルでの）に対応し、この場合において次のように画定される：
ＧＰ＝１０ｌｏｇ_１０（ＮＭ）ｄＢ （２４）
ここにおいて、Ｎは変調に用いられる相補系列の長さに対応し、Ｍは直交する組の各１つを形成し、さらに直交する組の数と一致する系列の数に対応する。この特徴は、低通信電力が希求される場合（携帯型端末、宇宙船及び通信衛星）、通信が遠距離で実行される場合（宇宙深奥部の通信）、そして敵により又は通信を暗号化する必要により生じる妨害が通信の安全性及び品質を決定する軍事的用途でも非常に重要である。

それ故、ここに述べる本発明は、通信電力に制限があるとき、或いは単に、送信速度を低減することなしに通信の品質を改善する必要があるときに、従来及び将来の通信システムを改善するための有力なシステムを構成する。

説明を補間するためにそして本発明の特徴をよりよく理解することを助けるために、限定を意図しない例示のために示される添付の図面と共に以下説明する。

これらの図を参照すると、以下のことを見出すことができる：

図１は送信されるデータ、Ｄ（ω）を示し；それは通信システム（１）によって変調されたベースバンドであり、新しいベースバンド信号を得るように、長さＮの直交相補系列によって（２）にエンコードされる。前記信号は、送信手段Ｈ（ω）へ送られるように変調（３）できる。受信装置（４）において、付加的ノイズＮ（ω）を有する信号は復調されそしてベースバンド信号がノイズと共に引き出される。前記信号（５）は同じ直交相補系列を用いてデコードされ、それにより、処理出力時に、用いられる系列の長さ、Ｎに応じて減衰されたノイズ電力を有する同じオリジナル信号が再生され、そして、それ故、減少されたエラーデータを有するデータＤ´（ω）が（６）に再生される。

図２は図１のブロック（２）内で見られるエンコード方法の基本的なダイアグラムを示す。同様な２つのブロック２．１及び２．２からなり、それぞれは、入力信号Ｉ_１及びＩ_２と共に前述されたたたみこみを実行する。両ブロックは、それらの出力時に信号Ｉ_２及びＱ_２を得るように共に加えられ、次いで通信段階に送られる２つの位相、Ｉ_２１／Ｑ_２１及びＩ_２２／Ｑ_２２を得る。

図３は図１のブロック５の内部デコード方法の基本的なダイアグラムを示す。送信信号に割り当てられた直交相補系列との入力信号の相関を実行し、出力時に改善されたＳＮ比で送信される信号の概算を得る同様な２つのブロックがある。

図４はエンコーダ２．１を実行するためのダイアグラムを示し、出力信号Ｉ_２ｉ／Ｑ_２ｉ、ｉは対応するブロックの番号である、を得るために対応する系列Ａ及びＢの入力信号の同時たたみこみ処理を示す。両ブロックは同一であるが、本明細書で説明されるように、用いられる系列の組はすべて相互に直交する特性に従う。

図５はデコーダ５．１、そこにおいて、サンプル間に（ｆ_Ｓ／Ｒ）−１・ゼロの補間（interpolation of (f_S/R)-1 zero）が観察できることにより入力信号を対応する系列Ａ及びＢと相関するための処理を実行するためのダイアグラムである。両位相の結果は復調された位相Ｉ´_１／Ｑ´_１の各々に共に加えられる。

この方法の自由空間無線固定通信システムに適用可能な実施例を、以下に詳述する。明確化のために、２つの位相Ｉ／Ｑを用いたデータの変調を遂行し、それ故、２つの相補の系列のセットが必要であり、そしてこの場合、単純化のためにゴーレイ相補系列が用いられる、求積（quadrature）送信装置の場合の設備が図１に図式化されている。

上述の方法によれば、これは、それぞれ入力信号のサンプルＩ_１ｙＱ_１とたたみこまされるように意図される、４バイナリ・レジストレーション（１及び−１の値）によって送信装置で前もって発生されて蓄積される、長さＮビットの、相補系列の２つのゴーレイのペア（Ａ_１／Ｂ_１−Ａ_２／Ｂ_２）から始まる。同じ図４において、エンコーダを形成する基本的エンコード・ブロック（ＢＣＢ）の１つもまた詳細に示されている。

エンコーダは次のタスクを実行する。ここにおいて、Ｒは符号／秒におけるオリジナル・システムの通信速度である。

少なくともナイキスト周波数（２Ｒ）でオーバーサンプルされた（oversampled）位相Ｉ／Ｑのデジタル・データは、同時に変換されそして系列Ａ及びＢとたたみこまれ、そしてその結果は、サンプリング周波数に対応した２つの出力に送られる。コンボルバ（convolver）はサンプリング周波数でたたみこみ作業を実行するが、それと共にたたみこむ相補系列のサンプルは、ｍ−１ゼロ（m-1 zeros）で補間される。ここにおいて、ｍは符号当りのサンプルの数であり、ｍ＝ｆ_ｓ／Ｒのようにサンプリング周波数ｆ_ｓに依存する。

図３は、デコーダの詳細なダイアグラムを示し、それはまた、図５に詳細に示される、２つの基本的デコード・ブロック（ＢＤＢ）により形成される。この同一なブロックは次のタスクを実行する。

受信されたデータＩ´_２／Ｑ´_２は、エンコードに用いられたのと同じ系列で、同じゼロ補間レベル（ｍ−１）で相関され、それにより、相関器（correlator）の出力はサンプルずつに共に加えられ、かくしてオリジナル通信信号Ｉ´_１／Ｑ´_１の複製が復元される。

両装置はエンコード及びデコード・システムを形成する。

通信システム（１）によって変調されたベースバンドである、送信されるデータを示す図である。 図１のブロック（２）内に組み込まれるエンコード方法の基本的なダイアグラムを示す図である。 図１のブロック（５）の内部デコード方法の基本的なダイアグラムを示す図である。 エンコーダ２．１を実施するためのダイアグラムを示す図である。 デコーダ５．１を実施するためのダイアグラムを示す図である。

符号の説明

１ 通信システム
２ エンコーダ
３ 変調器
４ 受信装置
５ デコーダ

Claims (7)

1. 相補系列によりＳＮ比を改善するための装置及び方法であって、該装置は、本質的に、
   − 通信システム（１）と、
   − エンコーダ（２）と、
   − 変調器（３）と、
   − 受信装置（４）と、
   − ２つの同一な基本的デコーダ・ブロックにより形成されるデコーダ（５）と
   から構成され、通信速度を制限することなしに受信時のＳＮ比を大きく改善するように相補系列の組を用いてベースバンド変調信号及びそのスペクトルをエンコードすることを特徴とする装置及び方法。
2. 相補系列によりＳＮ比を改善するための、請求項１に記載の装置及び方法であって、エンコーダ（２）は、少なくとも、
   − 通信チャネルを介した情報の送信が、ベースバンド変調信号をエンコードする、直交又は低交差相関系列の相補の組の発生により構成されることと、
   − エンコードに用いられるバイナリ系列の発生器が、いかなる慣用の求積変調システムの少なくとも２つの低バンド位相をエンコードするように直交又は低交差相関系列の相補の組を使用することと、
   − 系列の少なくとも２つの相補の組を、２つのエンコードした出力位相を得るように、エンコードされるべき２つの可能な位相とたたみこむことと、
   − Ｍ個のエンコードされた出力位相を得るように、Ｍ個の相補の組を、エンコードされるべきＭ個の可能な移送とたたみこむことと、
   − 系列のＭ個の相補の組のたたみこみによって発生された位相が、Ｍ個の位相を一つずつ加えて、Ｍ個のエンコード信号を作成するＭ個の位相を得るようにＭ個の加算器（adder）を使用することと
   から構成されることを特徴とする装置及び方法。
3. 相補系列によりＳＮ比を改善するための、前記２つの請求項に記載の装置及び方法であって、エンコード処理で得られたＭ個の信号は、Ｍ個の位相を同時に送ることを許容する変調によってそれらを送信又は記憶手段送るために送信装置に送られることを特徴とする装置及び方法。
4. 相補系列によりＳＮ比を改善するための、前記の請求項に記載の装置及び方法であって、変調された情報の流れの情報をエンコードし、そしてエンコードされたそれを送信又は記憶手段に送信するように、系列の組又は組合せが使用され、そして、少なくとも、
   − Ｍ個のベースバンド入力位相サンプリングと、
   − Ｎビットのバイナリ記憶における長さＮの系列のＭ個の相補の組をストレージすることと、
   − Ｍ個の位相サンプルを、ビット間をｍ−１ゼロで補間された系列のＭ個の相補の組、ここにおいて、ｍ＝ｆｓ／Ｒであり、ｆｓは入力信号サンプリング周波数であり、そしてＲは秒当りの符号の送信速度である、とたたみこむことと、
   − Ｍ個のベースバンド位相サンプリングのたたみこみの結果に対応するＭ個の出力位相を発生することと、
   − Ｍ個のエンコード出力位相を得るようにＭ個のたたみこみブロック（convolver block）の各々に位相毎に加えることと、
   − 得られた位相を送信又は記憶手段に送ることと
   から構成されることを特徴とする装置及び方法。
5. 相補系列によりＳＮ比を改善するための、前記の請求項に記載の装置及び方法であって、送られるべき情報を暗号化（enciphering or encrypting）するために請求項４に従って情報をベースバンドでエンコードするエンコーダ（２）がいかなる送信又はストレージ手段をも介して作動することを特徴とする装置及び方法。
6. 相補系列によりＳＮ比を改善するための、前記の請求項に記載の装置及び方法であって、通信チャネルまたはストレージ・システムを介して情報を受信するための装置は、対応するもこの位相を引き出す、コヒーレント又は非コヒーレントの復調器を基礎に実行され、少なくとも、
   − 送信（相関器又はコンボルバ）に用いられる系列の相補の組及びそれらの合計に適合される整合フィルタと、
   − 前記整合フィルタの出力をベースバンド受信装置に適応させるための手段と
   から構成されることを特徴とする装置及び方法。
7. 相補系列によりＳＮ比を改善するための、前記の請求項に記載の装置及び方法であって、復調器は、少なくとも、
   − 受信信号とＭ個の基本的デコード・ブロック（ＢＤＢ）の各々へのそのすべての導入部とで形成される、受信段階又は読み取り段階に得られる再変調されたＭ個の位相を適合させて同期する手段と、
   − 異なった回復位相に対応する系列のＭ個の相補の組に適合される、相関、たたみこみ又は整合フィルタによるフィルタリングと、
   − オリジナル変調情報の流れを得るように、系列の同じ相補の組に対応するＭ個の相関の各結果のＭ個の合計と
   から構成されることを特徴とする装置及び方法。

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