JP2010199791A - 同期処理装置、受信装置及び同期処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明により、高精度なシンボル区間推定を行う受信装置及びシンボル区間推定方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる受信装置１００は、アナログ信号を受信する受信部１と、受信部１が受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するとともにオーバーサンプリングを行い、サンプル信号を生成するサンプル信号生成部２と、サンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得する相関部５１と、相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定するシンボル区間推定部５３と、シンボル区間推定部５３によって推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定するサンプリング位置決定部５４を備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は同期処理装置、受信装置及び同期処理方法に関し、特に、高精度なシンボル区間推定に関する。

デジタル通信の分野では、ヘッダと、送受信したいデータを有するペイロードからなるパケットを用いて通信を行う。この場合に、デジタル信号処理されたパケットデータのヘッダとペイロードの境界を検出し、デジタル信号から適切なデータを復調するために、同期処理を実施することが必要である。この同期処理の精度は、受信品質の精度に大きく関わるため、高精度な同期処理の実現が望まれている。

特許文献１には、既知の同期パターンと受信信号の相関値を取得し、最大となる相関値周辺のサンプル点をシンボルタイミングとする技術を開示している。

特開２００１−１０３０４４号公報

特許文献１に開示されたシンボルタイミング検出方法を、以下に説明する。１シンボルあたり複数回オーバーサンプリングされて得られたサンプリングデータについて、それぞれ既知の同期パターンと相関系列を計算する。図１５は、サンプリングデータ毎に得られた相関値を示す。そこで、一定の値を示す相関値の閾値を用意し、最大の相関値を示すサンプル点から前方にあるサンプル点の中で、相関値が閾値以上かつ最も前方に位置するサンプル点をシンボルタイミングとして検出する。

しかし、閾値を設けたサンプリングポイントのみでは、常に干渉を受けて変化する受信信号のシンボルサンプリングポイントを抽出することは困難である。なぜなら、相関値が最大となるタイミングは受信信号に依存し、推定不可能であると同時に、絶対的な閾値を設けることによるタイミングのずれが大きくなるからである。

本発明にかかる同期処理装置は、受信したアナログ信号をオーバーサンプリングすることにより生成されたサンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得する相関部と、前記相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定するシンボル区間推定部と、前記シンボル区間推定部によって推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定するサンプリング位置決定部を備えるものである。

また、本発明にかかる受信装置は、アナログ信号を受信する受信部と、前記受信部が受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するとともにオーバーサンプリングを行い、サンプル信号を生成するサンプル信号生成部と、前記サンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得する相関部と、前記相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定するシンボル区間推定部と、前記シンボル区間推定部によって推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定するサンプリング位置決定部を備えるものである。

また、本発明にかかる同期処理方法は、受信したアナログ信号をオーバーサンプリングすることにより生成されたサンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得し、前記相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定し、前記推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定することである。

本発明では、オーバーサンプリングされたサンプリングデータと、既知の信号パターンとの相関値を算出し、各シンボル区間を検出する。つまり、受信信号が、干渉を受け変化した場合においても適切なシンボル区間を検出することが可能であるため、シンボルタイミングを高精度に検出することができる。

本発明により、高精度なシンボル区間推定を行う受信装置及びシンボル区間推定方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる受信装置の構成図である。 実施の形態１にかかる同期回路構成図である。 実施の形態１にかかるデータのフレーム構成を示す図である。 実施の形態１にかかるデジタルデータのオーバーサンプリングの動作を示す図である。 実施の形態１にかかる同期信号の相関値を生成する動作を示す図である。 実施の形態１にかかる同期信号の相関値とサンプルデータの対応関係を示す図である。 実施の形態１にかかる受信装置の処理フロー図である。 実施の形態１にかかるサンプルデータの受信信号の波形を示す図である。 実施の形態１にかかるサンプルデータの受信信号の波形を示す図である。 実施の形態２にかかる同期回路構成図である。 実施の形態２にかかる同期信号の相関値を生成する動作を示す図である。 実施の形態２にかかる同期信号の相関値とサンプルデータの対応関係を示す図である。 実施の形態２にかかる同期信号の相関値を生成する動作を示す図である。 実施の形態２にかかる同期信号の相関値とサンプルデータの対応関係を示す図である。 従来の受信装置にかかる同期信号の相関値とサンプルデータの対応関係を示す図である。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１を用いて、本発明の実施の形態１にかかる受信装置の構成について説明する。受信装置１００は、信号受信部１と、アナログデジタル変換部２と、復調回路（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ；ＤＥＭ）１０を備えている。さらに、復調回路１０は、周波数偏移変調部（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ；ＦＳＫ）２０と、振幅偏移変調部（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ；ＡＳＫ）３０と、選択回路（ＭＵＸ）４０と、同期回路（ＳＹＮＣ）５０を備えている。信号受信部１は、取得したアナログ信号をアナログデジタル変換部２に出力する。アナログデジタル変換部２は、取得したアナログ信号をデジタル信号に変換するとともに、オーバーサンプリングを実施し、複数のサンプルデータを生成する。生成したサンプルデータは、ＦＳＫ２０もしくはＡＳＫ３０に出力される。ＦＳＫ２０は、取得したデジタル信号に対して、周波数偏移変調処理を実施し、ＭＵＸ４０に信号を出力する。ＡＳＫ３０は、取得したデジタル信号に対して、振幅偏移変調処理を実施し、ＭＵＸ４０に信号を出力する。ＭＵＸ４０は、ＦＳＫ２０、ＡＳＫ３０もしくはデジタル回路の機能検証用に送信器の信号を受信側へもどした信号であるＬｏｏｐｂａｃｋから、信号を選択し、ＳＹＮＣ５０に出力する。

次に、図２を用いて、本発明の実施の形態１にかかる同期回路５０の構成について説明する。同期回路５０は、ＳＦＤ相関部５１と、同期検出部５２と、シンボル区間推定部５３と、サンプリング位置特定部５４と、復調部５５を備えている。ＳＦＤ相関部５１が算出した相関値は、シンボル推定部５３と、同期検出部５２に出力される。同期検出部５２は、取得した相関値から同期信号とペイロードの境界を検出し、復調部５５に出力する。シンボル区間推定部５３は、取得した相関値からシンボル区間及びシンボル区間の中心タイミングを推定し、サンプリング位置特定部５４に出力する。サンプリング位置特定部５４は、取得したシンボル区間の中心タイミングよりサンプリング位置を特定し、復調部５５に出力する。

ＳＦＤ相関部５１は、ＦＳＫ２０もしくはＡＳＫ３０により復号化されたデータと、同期信号の相関を取得する。ここで、ＳＦＤ相関部が受信するデータのフレーム構造を、図３を用いて説明する。さらに、オーバーサンプリングの動作について、図４を用いて説明する。

図３は、ＳＦＤ相関部５１が受信するデータのフレーム構造を示している。フレームは、Ｐａｃｋｅｔ Ｈｅａｄｅｒ（パケットヘッダ）と、Ｐａｙｌｏａｄ（ペイロード）から構成される。パケットヘッダは、Ｐｒｅａｍｂｌｅ（プリアンブル）とＳＦＤ（Ｓｔａｒｔ Ｆｒａｍｅ Ｄｅｌｉｍｉｔｅｒ；同期信号）を有する。プリアンブルは、フレームの先頭に位置する信号であり、受信信号の掃引処理に用いられる。同期信号は、本受信装置宛のパケットであることを認識する信号である。ペイロードは、データとＣＲＣ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ）を有する。データには実際に送受信するデータが配置される。ＣＲＣは、フレームの誤りを検出する誤り検出符号である。

図４は、オーバーサンプリング動作の概要を示している。横軸は時間を示しており、縦軸はオーバーサンプリングした値である「１、０」を示している。図４は、プリアンブルに用いられる１シンボルを５回オーバーサンプリングしている様子を示している。このため、１シンボルあたり５サンプルのデータから構成される。

次にＳＦＤ相関部５１における、相関値の取得方法について、図５を用いて説明を行う。ｉｄｅａｌ ｓｉｇｎａｌは、受信装置１００の有する、既知の同期信号パターンを示す。ここでは、５シンボルの同期信号パターンを示している。１シンボル目には０を、２シンボル目から４シンボル目までは各シンボルに１を、５シンボル目には０が設定されている。ｒｅｃｉｅｖｅ ｓｉｇｎａｌは、オーバーサンプリングして得られた受信信号であり、ｔｉｍｉｎｇ Ａからｔｉｍｉｎｇ Ｇは、任意のタイミングである。ｔｉｍｉｎｇ Ｆのときに受信信号とｉｄｅａｌ ｓｉｇｎａｌが完全に一致しており、相関値が２５を示している。このようにしてすべてのタイミングについて相関値を取得する。

図２に示すシンボル区間推定部５３は、ＳＦＤ相関部５１から取得した相関値より、シンボル区間を推定する。具体的なシンボル区間の推定方法を、図６を用いて説明する。

図６は、図５の例に示す、各サンプリングタイムにおける相関値を示したものである。縦軸は受信信号と既知の同期信号パターン（ｉｄｅａｌ ｓｉｇｎａｌ）の相関値を示したものである。横軸は、オーバーサンプリングした時間を示したものである。図６のグラフは、ｔｉｍｉｎｇ Ｃ、ｔｉｍｉｎｇ Ｅの１サンプリング前、ｔｉｍｉｎｇ Ｆが相関値の極大値、極小値を示しており、シンボル端を示すタイミングであると推定することができる。

図２に示すサンプリング位置特定部５４は、シンボル区間推定部５３により推定されたシンボル区間の中心を、ペイロードにおいてデータを復調するためにサンプリングを行うサンプリング位置と特定する。図６のグラフにより、推定されたシンボル端は、α＋２のタイミングを示しており、この推定により、シンボル中央のタイミングは、αタイミングと推定される。

図２に示す同期検出部５２は、相関値が最大であるｔｉｍｉｎｇ Ｆを用いることで、同期信号の検出を行い、図３に示す同期信号（ＳＦＤ）とペイロードの境界を検出することができる。

図２に示す復調部５５は、同期検出部５２により特定したペイロードにおいて、サンプリング位置特定部５４により特定したシンボル区間の中心であるαタイミングをシンボルサンプリングタイミングと定め、復調を行う。

次に図７を用いて、本発明にかかる実施の形態１の受信装置の処理の流れにつき説明する。信号受信部１は、アナログデータを受信する（Ｓ１０）。次に、アナログデジタル変換部２は、受信したアナログデータをデジタル信号に変換する（Ｓ１１）。

次に、アナログデジタル変換部２は、デジタル信号を、オーバーサンプリングし、サンプリングデータを取得する（Ｓ１２）。具体的には、１シンボルあたり５回オーバーサンプリングする場合に、５シンボル分オーバーサンプリングを繰り返すと、２５サンプルのデータが出力される。

次に、ＳＦＤ相関部５１は、アナログデジタル変換部２から取得した２５サンプルのデジタル信号と、受信装置１００が有する既知の同期信号パターンの相関値を算出する（Ｓ１３）。具体的には、１シンボルあたり５サンプルのデータから構成されており、各サンプルが既知の同期信号パターンに設定される値と同一となるサンプルデータを検出する。同一であるサンプルデータの個数を相関値として算出する。

次に、シンボル区間推定部５３は、ＳＦＤ相関部５１が算出した相関値からシンボル区間の推定を行う。具体的には、図６のように示されるオーバーサンプリングした時間と相関値の関係を用いる。その際に、相関値の極大点もしくは極小点が複数存在するか否かについて判定を行う（Ｓ１４）。その結果、極大点が１箇所のみ、もしくは、極小点が１箇所のみの場合は、極大点もしくは極小点を示すサンプリングタイミングからシンボル端の推定を行う（Ｓ１６）。

また、相関値の極大点もしくは極小点が複数存在し、すべての極大点及び極小点のサンプリングタイミングが同一である場合（Ｓ１５）は、同一であるサンプリングタイミングを推定値として採用する（Ｓ１６）。極大点又は極小点を示す時間毎に、シンボル端が異なる場合には（Ｓ１５）、極大点もしくは極小点を示す時間のうち、多数決などにより、最も確からしいシンボル端を採用することができる。（Ｓ１７）ここで、極大点もしくは極小点を示すオーバーサンプリングした時間毎に、シンボル端がすべて異なる場合には、どこの極大点もしくは極小点の時間におけるシンボル端を採用するかは任意に設定することができる。

次に、シンボル区間推定部５３は、推定されたシンボル端からシンボル区間を特定し、シンボル区間の中心タイミングを推定する。具体的には、シンボル区間の中心タイミングは、オーバーサンプリング回数を２で割った値の小数点以下を切り上げて求められた整数番目のブロックをシンボル区間の中心タイミングとすることができる。例えば、オーバーサンプリング回数が５回の場合は、５／２＝２．５であり、小数点以下を切り上げた値である３番目のタイミングをシンボル区間の中心タイミングとすることができる。

以上説明したように、シンボル区間の中心タイミングを算出し、中心タイミングによりデータを復調することによるメリットを以下に記載する。
受信するデータの波形としては、図８で表わされるように、シンボルの境界が四角で表わされていることが理想的である。しかし、干渉の影響等で、図９で示すように、信号がなまることもある。この場合に、常に中心タイミングで復調を行うことができれば、正確にデータの復調を行うことができる。

（実施の形態２）
次に、図１０を用いて、本発明の実施の形態２にかかる同期回路５０の構成を説明する。受信装置は、ＳＦＤ相関部５１と、同期検出部５２と、シンボル区間推定部５３と、サンプリング位置特定部５４と、復調部５５と、プリアンブル相関部５６を備える。ＳＦＤ相関部５１は、各サンプルデータと、同期信号パターンを用いて、相関値を算出し、同期検出部５２に出力する。同期検出部５２は、各サンプルデータの相関値の最大値を検出することで、同期信号とペイロードの境界を検出し、復調部５５に出力する。

プリアンブル相関部５５は、ＦＳＫ２０やＡＳＫ３０により復号化されたデータと、プリアンブル信号の相関を取得する。プリアンブル信号とは、デジタル信号により「１０１０１０１０」のようにあらわされる信号であり、隣接するシンボルに設定するｂｉｔ値を異なるものとする信号である。

次に、プリアンブル相関部５５の相関値の取得方法を、図１１を用いて説明する。ｉｄｅａｌ ｓｉｇｎａｌは、デジタル信号により「１０１０１０１０」のようにあらわすため、隣接するシンボルと異なるｂｉｔ値を示すように波形が形成されている。図１１は、１シンボル目、３シンボル目、５シンボル目には０を、２シンボル目、４シンボル目には１を設定している。相関値の算出方法は図５のＳＦＤ相関部５１における、相関値の取得方法と同様である。

図１０に示すシンボル区間推定部５３は、プリアンブル相関部５５から取得した相関値より、シンボル区間を推定する。具体的なシンボル区間の推定方法を、図１２を用いて説明する。図１２は、図６と同様に、各オーバーサンプリングした時間における相関値を示したものであり、ｔｉｍｉｎｇ Ｆにおいて相関値が最大となっていることを示す。また、ｔｉｍｉｎｇ Ｅの２サンプリング後で相関値が最少となっていることを示す。さらに、ｔｉｍｉｎｇ Ｃ、ｔｉｍｉｎｇ Ｄにおいて相関値が極大値を示しており、ｔｉｍｉｎｇ Ｃの５サンプリング後で相関値が極小値を示している。これらのタイミングがシンボル端であると推定することができる。

図１０に示すサンプリング位置特定部５４は、シンボル区間推定部５３により推定されたシンボル区間の中心を、ペイロードにおいてデータを復調するためにサンプリングを行うサンプリング位置と特定する。図１２のグラフにより、推定されたシンボル端は、αのタイミングを示しており、この推定により、シンボル中央のタイミングはα＋３タイミングと推定される。

図１０に示す復調部５５は、同期検出部５２により特定したペイロードにおいて、サンプリング位置特定部５４により特定したシンボル区間の中心であるα＋３タイミングの位置をシンボルサンプリングタイミングと定め、復調を行う。

以上説明したように、プリアンブル信号系列により、シンボル区間の中心タイミングを決定し、中心タイミングによりデータを復調することによるメリットを以下に説明する。プリアンブル系列はデジタル信号「１０１０１０１０」とあらわされるため、隣り合うシンボルは異なる値を示す。これにより、各サンプルにおいて相関値を算出した場合に、相関値の最大値と最小値を示す極大点、極小点が数多くあらわれる。これより複数の箇所の情報を用いてシンボル区間を推定することができるため、より正確にシンボル区間の推定を行うことができる。

例えば、信号の誤りが発生し、図１３のような波形を示すことがある。点線で表わされているブロックは、誤りが発生した波形である。図１４で表わすように、複数の信号にて、誤りが発生した場合においても、図１４からシンボル端を示すサンプリングタイミングは、αと推定することができる。シンボル区間を推定する箇所が複数存在することにより、正確にシンボル区間を推定することができる。

以上の説明は、本発明の実施の形態を説明するものであり、本発明が以上の実施の形態に限定されるものではない。また、当業者であれば、以上の実施の形態の各要素を本発明の範囲において容易に変更、追加、返還することが可能である。

１ 信号受信部
２ アナログデジタル変換部
１０ 復調回路
２０ 周波数偏移変調部
３０ 振幅偏移変調部
４０ 選択回路
５０ 同期回路
５１ ＳＦＤ相関部
５２ 同期検出部
５３ シンボル推定部
５４ シンボル位置特定部
５５ 復調部
５６ プリアンブル相関部

Claims (9)

1. 受信したアナログ信号をオーバーサンプリングすることにより生成されたサンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得する相関部と、
   前記相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定するシンボル区間推定部と、
   前記シンボル区間推定部によって推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定するサンプリング位置決定部を備える同期処理装置。
2. 前記シンボル区間推定部は、前記サンプル信号のそれぞれについて、前記相関部が取得した複数の相関値のうち、極大又は極小を示す相関値に対応したサンプル信号を検出し、前記検出したサンプル信号に基づいてシンボル区間を推定することを特徴とする請求項１記載の同期処理装置。
3. 前記サンプリング位置決定部は、前記シンボル区間推定部により推定されたシンボル区間のタイミングの中心タイミングをサンプリング位置として決定することを特徴とする請求項１又は２記載の同期処理装置。
4. 前記サンプル信号は、予め定められた信号パターンを含み、
   前記相関部は、前記サンプル信号と前記信号パターンの相関値を求めることを特徴とする請求項１乃至３記載の同期処理装置。
5. 前記サンプル信号は、信号の先端部分にプリアンブルデータを有し、
   前記相関部は、前記サンプル信号と前記プリアンブル信号パターンの相関値を求めることを特徴とする請求項１乃至３記載の同期処理装置。
6. アナログ信号を受信する受信部と、
   前記受信部が受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するとともにオーバーサンプリングを行い、サンプル信号を生成するサンプル信号生成部と、
   前記サンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得する相関部と、
   前記相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定するシンボル区間推定部と、
   前記シンボル区間推定部によって推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定するサンプリング位置決定部を備える受信装置。
7. 受信したアナログ信号をオーバーサンプリングすることにより生成されたサンプル信号と既知信号パターンの相関を求め、相関値を順次取得し、
   前記相関値に基づいてシンボル区間のタイミングを推定し、
   前記推定されたシンボル区間のタイミングに基づいて、サンプリング位置を決定する同期処理方法。
8. 前記サンプル信号のそれぞれについて、前記取得した複数の相関値のうち、極大又は極小を示す相関値に対応したサンプル信号を検出し、
   前記検出したサンプル信号に基づいてシンボル区間を推定することを特徴とする請求項７記載の同期処理方法。
9. 前記推定されたシンボル区間のタイミングの中心タイミングでサンプリングを行うことを特徴とする請求項７又は８記載の同期処理方法。

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