JP2012044388A - 符号推定装置および符号推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】情報シンボル時間が未知の場合においても未知の拡散符号を判定可能な符号推定装置を得ること。
【解決手段】本発明は、複数の拡散符号の中から任意に選択された拡散符号を使用して拡散処理が行われた信号の受信装置において、受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する符号推定装置であって、複数の拡散符号のそれぞれを使用して、拡散符号を受信信号に乗算するとともに乗算処理で得られた信号を周波数領域の信号に変換する信号処理手段（符号乗算部３，時間／周波数領域変換部６）と、信号処理手段により生成された周波数領域信号に基づいて受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する推定手段（尤度演算部７，符号推定部８）と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直接スペクトラム拡散方式を適用した通信システムにおいて受信信号からその拡散処理で使用された拡散符号を推定する符号推定装置に関する。

通信方式の一つとして送信データよりも広い帯域に信号を拡散して送信する直接スペクトラム拡散方式が知られている。直接スペクトラム拡散方式では、送信局で送信データに拡散符号を乗じ、送信データよりも広い帯域にエネルギーを拡散して送信する。その結果、送信データの伝送帯域は数十倍〜数千倍に拡大される。拡散符号に使用されるビットは「チップ」と呼ばれる。受信局では送信局と同じ拡散符号を受信信号に乗じ、情報シンボル時間にわたって信号を積分することにより情報データを復号する。拡散信号はその拡散符号が分からなければデータを検出できないため、通信の秘匿性にも優れている。

一方、信号傍受など拡散信号が未知の受信信号を復調したい場合もある。このような場合、情報シンボル時間とその開始タイミングが分かれば、受信信号に対して多くの拡散符号系列の候補を乗算し、情報シンボル時間で積分した積分値の大きい符号系列を拡散符号系列とみなす方法が考えられる。しかし、現実には情報シンボル時間を予め知ることは容易ではない。また、情報シンボル時間が未知である場合、受信局では受信信号に拡散符号系列候補を乗じた信号を複数の情報シンボルにわたって積分してしまう場合がある。その場合、積分値は情報シンボルの符号反転に大きく依存するため、拡散符号を正確に推定できない。

この問題に対して、チップ列について順次隣同士の相対チップ変化の有無を検出し、その有無により新たなチップ相対変化列を生成して、符号判定する方法が特許文献１に示されている。

特開２００３−８７１５５号公報

しかしながら、情報シンボル時間が未知である場合、従来技術では拡散符号の判定に困難を伴う。またこの問題を改善するためにチップ相対変化列を生成して符号判定する、特許文献１に記載の方法では、チップ相対変化列を生成するためにチップの符号を知る必要があるが、受信信号の振幅が雑音レベルよりも低い場合には、チップの符号を知ることが困難となる。従って、信号電力の小さい領域ではチップ相対変化列を生成して符号判定する方法を利用できない、という問題があった。

また、受信信号をベースバンド信号に変換する際、ベースバンド信号に周波数オフセットが残存する場合がある。周波数オフセットが残存すると、受信信号の位相回転が時間的に発生し、受信信号に正しい拡散符号を乗じてもその積分値が大きくならない。その結果、拡散符号を正しく推定できない。従って、周波数オフセットの残存する環境においても拡散符号を正しく推定できる構成の提供が望まれている。さらに、拡散符号の推定と同時に情報シンボル時間も検出できる構成の提供が望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、情報シンボル時間が未知の場合においても未知の拡散符号を判定可能な符号推定装置を得ることを目的とする。また、未知の情報シンボル時間を検出可能な符号推定装置および符号推定方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の拡散符号の中から任意に選択された拡散符号を使用して拡散処理が行われた信号の受信装置において、受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する符号推定装置であって、前記複数の拡散符号のそれぞれを使用して、拡散符号を受信信号に乗算するとともに当該乗算処理で得られた信号を周波数領域の信号に変換する信号処理手段と、前記信号処理手段により生成された周波数領域信号に基づいて前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する推定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、受信信号の情報シンボル時間が未知の場合においても未知の拡散符号を推定することができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる符号推定装置の構成例を示す図である。 図２は、符号推定動作を示す図である。 図３は、実施の形態１の符号推定装置の動作例を示す図である。 図４は、周波数オフセットが存在する場合の符号推定装置の動作例を示す図である。 図５は、実施の形態２の符号判定装置の動作例を示す図である。 図６は、実施の形態２の符号判定手順を適用した場合と適用しない場合の演算規模の関係を示す図である。

以下に、本発明にかかる符号推定装置および符号推定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる符号推定装置の実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態の符号推定装置は、Ａ／Ｄ（Ａ／Ｄ変換部）１、受信データ格納部２、符号乗算部３、符号候補選定部４、符号候補格納部５、時間／周波数領域変換部６、尤度演算部７および符号推定部８を備える。この符号推定装置は、たとえば、直接スペクトラム拡散方式を適用した通信システムの通信装置（受信装置）において、受信変調信号が拡散変調されたときに使用されていた拡散符号を推定する（逆拡散処理で使用する拡散符号を特定する）。

上記構成の符号推定装置において、Ａ／Ｄ変換部１は、アナログ受信信号をデジタル信号に変換する。受信データ格納部２は、Ａ／Ｄ変換部１から出力されたデジタル信号を受信データ（デジタル受信信号）として保持する。符号乗算部３は、受信データ格納部２で保持されている受信データに対して符号候補選定部４から受け取った拡散符号を乗算する。符号候補選定部４は、符号候補格納部５で保持されている複数の拡散符号の中の一つを選択して符号乗算部３に出力する。符号候補格納部５は、候補となる拡散符号（拡散変調処理で使用されうる全ての拡散符号）を保持している。時間／周波数領域変換部６は、符号乗算部３から出力された信号（受信データに拡散符号を乗算したもの）である時間領域信号を周波数領域信号に変換する。尤度演算部７は、時間／周波数領域変換部６から出力された周波数領域信号の尤度（符号推定の指標）を算出する。符号推定部８は、尤度演算部７から出力された尤度に基づいて、受信信号の拡散変調動作時に使用された拡散符号を推定する。なお、符号乗算部３および時間／周波数領域変換部６は信号処理手段を構成し、尤度演算部７および符号推定部８は推定手段を構成する。

本実施の形態の符号推定装置の動作を説明する。符号判定装置は、拡散符号が未知の拡散信号を受信した通信装置において、アナログ受信信号が入力されると、まず、Ａ／Ｄ変換部１がＡＤ（Analog-to-Digital）変換を実施してデジタル信号に変換する。このデジタル信号（受信データ）は受信データ格納部２に格納される。

符号乗算部３は、受信データ格納部２で保持されている受信データに対して、符号候補選定部４から出力された拡散符号を乗算して逆拡散を行う。ここで、符号候補選定部４は、符号乗算部３に対して、符号候補格納部５で保持されている全ての拡散符号を順次選択して出力する。符号乗算部３は、符号候補選定部４から拡散符号を受け取る度に、受け取った拡散符号を受信データ格納部２で保持されている受信データに乗算し、その結果得られた逆拡散後の受信データを時間／周波数領域変換部６に出力する。すなわち、符号乗算部３は、複数の拡散符号（符号候補格納部５で保持されている全ての拡散符号）を用いて受信データの逆拡散を複数回実行し、複数の（符号候補格納部５で保持されている拡散符号と同数の）逆拡散データ（逆拡散後の受信データ）を生成する。

時間／周波数領域変換部６は、符号乗算部３から受け取った逆拡散データの各々を周波数領域の信号に変換し、尤度演算部７に出力する。尤度演算部７は、周波数領域信号に変換された逆拡散データの各々について、逆拡散処理で使用された拡散符号の尤度（正しい拡散符号で逆拡散が行われたかどうかを判定するための情報）を算出する。算出した尤度は符号推定部８に出力する。

符号推定部８は、尤度演算部７から尤度を受け取ると、符号候補格納部５で保持されている全ての拡散符号を使用して逆拡散処理が実行されたかどうか（各拡散符号に対応する尤度が全て算出されたかどうか）を確認し、未だ使用されていない拡散符号が存在する場合には、逆拡散処理を継続するように符号候補選定部４に対して指示を行う。符号候補選定部４は、逆拡散処理を継続するように指示を受けた場合、それまでに選択していない拡散符号を符号候補格納部５から読み出して符号乗算部３に出力する。また、符号推定部８は、符号候補格納部５で保持されている各拡散符号に対応する尤度が尤度演算部７で算出されたことを検出した場合、尤度演算部７から受け取った各尤度に基づいて、最も確からしい拡散符号を推定し、推定結果（最も確からしい拡散符号の情報）を出力する。

次に、本実施の形態の符号推定装置による推定動作について、図２，図３を用いて説明する。図２は、符号推定動作を示す図である。本実施の形態の符号推定装置においては、ＡＤ変換によって変換されたデジタル信号に対して、符号乗算部３が、予め用意された符号候補（符号候補格納部５で保持されている拡散符号の中の１つ）を乗算する。符号候補を乗じた受信信号に対して、受信信号は時間／周波数領域変換部６ではＦＦＴ（Fast Fourier Transform）またはＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）により周波数応答に変換する。そして、周波数応答の帯域幅Ｗを尤度情報として測定することによって、符号候補と拡散信号（受信データ）の一致性を判定する。

図３を用いて本実施の形態の原理を詳しく説明する。なお、図３は、本実施の形態の符号推定装置の動作例を示す図である。図３に示したように、乗じた符号候補が拡散信号の符号（拡散符号）と一致した場合（図３の上段に示した場合に相当）、符号候補を乗じた信号（逆拡散データ）は情報シンボルのみの時間系列となる。情報シンボルの帯域幅は拡散帯域幅よりも小さいため、ＦＦＴ後に得られる周波数応答の帯域幅Ｗは小さくなる。これに対して、符号候補が拡散信号の符号と一致しなかった場合、符号候補を乗じた信号は拡散符号のチップと同じ時間単位で振幅および位相が変動する。その結果、ＦＦＴ後に得られる周波数応答の帯域幅Ｗは大きくなる。

従って、多くの符号候補に対してＦＦＴ後に得られる周波数応答を演算し、符号推定部８では尤度情報である周波数帯域幅Ｗが所定値以下となる場合に、その符号候補を拡散符号として推定することができる。また、多くの符号候補の中でＦＦＴ後の周波数帯域幅Ｗが最も小さくなる符号候補を利用されている拡散符号として推定することもできる。

ここで、ＦＦＴ後の周波数応答の帯域幅Ｗを計算する方法にはさまざまな方法があるが、従来からあるいかなる方法を用いても構わない。一例として、周波数応答の最大値から周波数応答値が所定の値（例えば３dＢ）低減される帯域幅を算出して帯域幅Ｗとする方法が考えられる。

また、周波数応答の帯域幅Ｗを尤度情報として測定する方法について説明を行ったが、これ以外にも周波数応答における所定の狭帯域内に存在する信号電力の大きさを測定し、その電力が大きい（または所定値以上の）符号候補を利用されている拡散符号として推定することもできる。この際、「狭い帯域」は全周波数帯域の中心周波数を中心とする所定の帯域として事前に設定しても構わないし、周波数応答の最も高い周波数を中心とする所定の帯域として設定しても構わない。本実施の形態の符号推定装置では、周波数応答を用いて拡散符号を推定するいかなる方法（上述した、符号候補が拡散信号の符号と一致した場合には周波数応答の帯域幅Ｗが小さくなる性質を利用して推定を行ういかなる方法）を用いても構わない。

本実施の形態で示した符号判定方法は、情報シンボルの帯域幅が拡散信号の帯域幅よりも小さいことを利用している。すなわち、拡散信号の符号が符号候補と一致した場合、乗算器の後では情報シンボルの波形のみが現れる。従って、その信号の帯域幅を見ることにより、符号候補が拡散信号で用いられている符号か否かを検出できる。その結果、本実施の形態の手法は情報シンボルレートが未知の場合にも問題なく適用でき、安定した符号推定が可能となる。

次に、上述した符号推定方法を周波数オフセットのある受信信号に適用した場合の動作について図４を用いて説明する。実際の受信環境では受信信号のキャリア周波数が完全に推定できない場合がある。その結果、受信信号をベースバンド信号に変換する際にも周波数オフセットが残存し、受信信号が時間的に位相回転する現象が発生する。このような環境において、本実施の形態の手法を適用すると、ＦＦＴ出力後の周波数応答は周波数オフセットのない場合よりも周波数応答が周波数オフセット分シフトする。その結果、周波数応答は一方に偏る形状となるが、その場合でも周波数応答の帯域幅Ｗには変化が生じない（図４参照）。従って、本実施の形態の符号推定方法は周波数オフセットの存在する環境においても適用可能となる。受信信号に拡散符号を乗じた後、所定時間での積分値を算出する従来の推定方法では周波数オフセットの影響により、積分値が小さくなる問題があった。その結果、拡散符号の推定性能に劣化が生じたが、本実施の形態の手法は周波数オフセットの存在する環境においても適用可能となる格別の効果を有している。

本実施の形態の手法は、事前に受信信号に含まれるチップの符号を知る必要がないため、受信信号の振幅が雑音レベルよりも低い場合にも適用できる。また、情報シンボル時間およびそのシンボルタイミングが未知である場合、およびベースバンド信号に周波数オフセットが残存する場合にも適用できる。さらに、拡散符号の推定と同時に情報シンボルの帯域も検出できるため、その検出帯域から情報シンボル時間を同時に推定することもできる。

このように、本実施の形態の符号推定装置では、送信側で使用されうる拡散符号のそれぞれを用いて逆拡散処理を行い、さらに、逆拡散後の受信信号を周波数領域の信号に変換し、その結果得られた周波数応答に基づいて、拡散符号を推定することとした。これにより、受信側においては、受信信号の情報シンボル時間が未知の場合においても未知の拡散符号を推定することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、拡散符号の推定を的確に行う方法に関する実施の形態１とは異なる形態を開示する。なお、符号推定装置の構成は実施の形態１と同様である（図１参照）。

図５は、本実施の形態の符号判定装置の動作例を示す図である。図５に示したように、本実施の形態の符号推定装置では、符号候補格納部５で保持している符号候補（Ｊ個とする）の中から拡散信号の生成時（拡散変調時）に使用された拡散符号を判定するにあたり、受信データ格納部２で保持している多くの受信サンプル（Ｎサンプルとする）を用いて一度に符号を判定するのではなく、少ない受信サンプル数を用いて段階的に符号候補を絞り込む。このような方法により、多くの受信サンプルを用いて一度に符号を判定する場合よりも演算量を低減することが可能となる。

図５に示した動作例では、受信信号の中から最初のＮ１サンプル（Ｎ１＜Ｎ）を抽出し、その受信サンプルに対してＪ個の符号候補との乗算を実施する。さらに、ＦＦＴを行い、その周波数帯域幅の小さいものから順にＪ１個の符号（Ｊ１＜Ｊ）を抽出することによって、Ｊ１個の符号候補を作成する（Ｊ個の符号候補をＪ１個に絞り込む）。次のステップでは、受信信号の中から次のＮ２サンプル（Ｎ２＜Ｎ）を抽出し、その受信サンプルに対してＪ１個の符号候補との乗算を実施する。さらに、ＦＦＴを行い、その周波数帯域幅の小さいものから順にＪ２個の符号（Ｊ２＜Ｊ１＜Ｊ）を抽出することによって、Ｊ２個の符号候補を作成する。以下、同様の処理を繰り返し実行して推定結果を得る（最も確からしい拡散符号を推定する）。このように、Ｎよりも少ない受信サンプル数を用いて段階的に符号候補を絞り込む。

符号候補を絞り込む際には、たとえば、候補の符号数を１つずつ減らしていく、または２以上の一定数ずつ減らしていく。なお、一定数ずつ減らすのではなく、処理の段階などに応じて絞り込む数を変化させてもよい。たとえば、１回目の絞込み（上記のＪ個からＪ１個への絞込みに相当）では、周波数帯域幅が予め設定しておいたしきい値以下となる符号を新たな符号候補として選定し、２回目以降の絞込み処理では符号候補の中で周波数帯域幅が最も大きくなるもの除外する（候補を１つずつ絞り込む）ようにして、最終的に符号候補を１つに絞り込む、というような動作を行ってもよい。また、１回の絞込み処理ごとに符号候補を半数に絞り込むようにしてもよい。

このような手順で拡散符号を推定する場合の効果について説明する。図６にＮサンプルの受信サンプルを用いて一度に符号を判定する場合（方法Ａ）とＮサンプルの中の一部の受信サンプルを用いて段階的に符号候補を削減して最終的に符号判定する場合（方法Ｂ）の演算規模を示す。ここで、方法Ａ，Ｂに相当する部分の面積が演算規模を表している。Ｎ０個の受信サンプルに対してＪ０個の符号候補の演算を行う際の演算規模はＮ０・Ｊ０となる。ＦＦＴの演算規模はＮ０・Ｊ０・ｌｏｇ(Ｎ０)に比例した形となるが、ここでは近似的に面積で演算規模を表している。図６に示したように、方法Ａでは多くの演算規模（大きな四角形の面積）が必要となるが、方法Ｂ（図５に示した手順）ではその演算規模を低減できる。

このように、本実施の形態の符号推定装置では、全受信サンプルのうちの部分的な受信サンプルを用いて段階的に符号候補を絞り込むこととした。これにより、演算規模を低減しつつ符号判定を行うことができる。なお、図５では符号候補の絞込みステップごとに異なる受信サンプルを用いたが、完全に異なる受信サンプルを用いなくても構わない。例えば、一部の受信サンプルを共通に用いて異なる符号候補の絞込みステップを実施することも可能である。

また、本実施の形態で示した符号候補の絞り込み手順は、周波数帯域に基づく符号候補の絞込み以外に、従来から知られている他の符号候補の絞込み方法に適用することも可能である（段階的に符号候補を絞り込むようにすることも可能である）。すなわち、本実施の形態と実施の形態１は独立な発明として扱える。

以上のように、本発明にかかる符号推定装置は、拡散変調された信号の復調（逆拡散）処理で使用する拡散符号の推定に有用であり、特に、受信信号の情報シンボル時間が未知の場合における拡散符号の推定に適している。

１ Ａ／Ｄ変換部（Ａ／Ｄ）
２ 受信データ格納部
３ 符号乗算部
４ 符号候補選定部
５ 符号候補格納部
６ 時間／周波数領域変換部
７ 尤度演算部
８ 符号推定部

Claims (12)

1. 複数の拡散符号の中から任意に選択された拡散符号を使用して拡散処理が行われた信号の受信装置において、受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する符号推定装置であって、
   前記複数の拡散符号のそれぞれを使用して、拡散符号を受信信号に乗算するとともに当該乗算処理で得られた信号を周波数領域の信号に変換する信号処理手段と、
   前記信号処理手段により生成された周波数領域信号に基づいて前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする符号推定装置。
2. 前記信号処理手段は、前記複数の拡散符号のいずれか一つを順次選択して受信信号に乗算するとともに周波数領域の信号に変換して前記複数の拡散符号と同数の周波数領域信号を生成し、
   前記推定手段は、前記複数の周波数領域信号のそれぞれの帯域幅に基づいて前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の符号推定装置。
3. 前記推定手段は、前記複数の周波数領域信号のうち、最も帯域幅が小さい周波数領域信号の生成時に使用された拡散符号を前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号として選択する
   ことを特徴とする請求項２に記載の符号推定装置。
4. 複数の拡散符号の中から任意に選択された拡散符号を使用して拡散処理が行われた信号の受信装置において、受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する符号推定装置であって、
   前記複数の拡散符号の中の２つ以上を前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号の候補とし、当該候補の拡散符号のいずれか一つを順次選択して受信信号のサンプル結果の一部に乗算するとともに当該乗算処理で得られた信号を周波数領域の信号に変換する信号処理手段と、
   前記信号処理手段により生成された複数の周波数領域信号に基づいて、前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を特定する符号特定処理、または、前記信号処理手段による周波数領域信号の生成処理で使用された拡散符号の中の２つ以上の拡散符号を選定して前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号の新たな候補とする符号候補選定処理を実行する推定手段と、
   を備えることを特徴とする符号推定装置。
5. 前記信号処理手段は、
   拡散符号を推定するための最初の処理では前記複数の拡散符号の全てを前記候補として扱い、また、前記推定手段により前記符号候補選定処理が実行され、拡散符号の新たな候補が選定された場合には、当該新たな候補を対象として、前記周波数領域信号の生成処理を実行する
   ことを特徴とする請求項４に記載の符号推定装置。
6. 前記推定手段は、前記周波数領域信号の帯域幅に基づいて、前記符号特定処理または前記符号候補選定処理を実行する
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の符号推定装置。
7. 複数の拡散符号の中から任意に選択された拡散符号を使用して拡散処理が行われた信号の受信装置が、受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する符号推定方法であって、
   前記複数の拡散符号のそれぞれを使用して、拡散符号を受信信号に乗算するとともに当該乗算処理で得られた信号を周波数領域の信号に変換する第１のステップと、
   前記第１のステップで生成した周波数領域信号に基づいて前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する第２のステップと、
   を含むことを特徴とする符号推定方法。
8. 前記第１のステップでは、前記複数の拡散符号のいずれか一つを順次選択して受信信号に乗算するとともに周波数領域の信号に変換して前記複数の拡散符号と同数の周波数領域信号を生成し、
   前記第２のステップでは、前記複数の周波数領域信号のそれぞれの帯域幅に基づいて前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する
   ことを特徴とする請求項７に記載の符号推定方法。
9. 前記第２のステップでは、前記複数の周波数領域信号のうち、最も帯域幅が小さい周波数領域信号の生成時に使用された拡散符号を前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号として選択する
   ことを特徴とする請求項８に記載の符号推定方法。
10. 複数の拡散符号の中から任意に選択された拡散符号を使用して拡散処理が行われた信号の受信装置が、受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を推定する符号推定装置であって、
    前記複数の拡散符号の中の２つ以上を前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号の候補とし、当該候補の拡散符号のいずれか一つを順次選択して受信信号のサンプル結果の一部に乗算するとともに当該乗算処理で得られた信号を周波数領域の信号に変換する第１のステップと、
    前記第１のステップで生成した複数の周波数領域信号に基づいて、前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号を特定する符号特定処理、または、前記信号処理手段による周波数領域信号の生成処理で使用された拡散符号の中の２つ以上の拡散符号を選定して前記受信信号の逆拡散処理で使用する拡散符号の新たな候補とする符号候補選定処理を実行する第２のステップと、
    を含むことを特徴とする符号推定方法。
11. 前記第２のステップにおいて前記符号候補選定処理を実行し、拡散符号の新たな候補を選定した場合には、
    当該新たな候補を対象として、前記第１のステップおよび前記第２のステップを再度実行する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の符号推定方法。
12. 前記第２のステップでは、前記周波数領域信号の帯域幅に基づいて、前記符号特定処理または前記符号候補選定処理を実行する
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の符号推定方法。

Images