JP2014023091A - 無線同期方法及び無線同期装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
I信号とQ信号とに1シンボル以上の位相ずれが存在してもフレーム同期を行うことができ、ボーレートのままで同期が可能なシンボル同期方法を提供する。
【解決手段】
まず受信したI成分信号とQ成分信号とを1シンボル以上のずれを許容したままで、タイミング同期処理(20)を行う。次にI信号とQ信号とを1シンボルずつシフトさせた複数の組合せで、予め設定した同期用符号系列との相関処理を各々行い、相関値が最大となる組合せを検出してそのタイミングでフレーム同期(22)を行う。そして最後に、1シンボル以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測し、計測した相関値系列に予め設定した相関値関数で最小2乗近似処理を施し、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置と判定し、タイミング同期処理(24)を行う。
【選択図】図2
I信号とQ信号とに1シンボル以上の位相ずれが存在してもフレーム同期を行うことができ、ボーレートのままで同期が可能なシンボル同期方法を提供する。
【解決手段】
まず受信したI成分信号とQ成分信号とを1シンボル以上のずれを許容したままで、タイミング同期処理(20)を行う。次にI信号とQ信号とを1シンボルずつシフトさせた複数の組合せで、予め設定した同期用符号系列との相関処理を各々行い、相関値が最大となる組合せを検出してそのタイミングでフレーム同期(22)を行う。そして最後に、1シンボル以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測し、計測した相関値系列に予め設定した相関値関数で最小2乗近似処理を施し、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置と判定し、タイミング同期処理(24)を行う。
【選択図】図2
Description
本発明は、無線復調装置において、受信信号の実数部であるI成分(In−phase Component)信号と虚数部であるQ成分(Quadrature Component)信号とからなるプリアンブル信号を用いた同期処理方法及び同期処理装置に関する。
従来は、ADC(Analog Digital Converter)処理でのオーバサンプリングにより、プリアンブル信号の相関処理に基づいたシンボル同期処理が充分な精度で可能であった。しかしながら、高速ミリ波帯通信等ではADC処理の負担が大きくなるため、オーバサンプリングを行わないボーレートのままで同期タイミングを推定できる処理が望まれている。
また、無線通信受信機の復調処理における受信信号の同期手段として、例えば特許文献1に記載されているように、同期用の既知系列パターンを用いて、プリアンブル区間でスライディング相関値をI信号とQ信号とで各々算出し、I信号とQ信号で絶対値の大きい方を判別してその成分の符号系列のみから相関ピーク位置を求め、フレーム同期を行う高速同期方法が公知である。
ADC処理でのオーバサンプリングを行わずにボーレートのままでシンボル同期処理を行うためには、粗い間隔の相関値系列データに基づいて相関値最大となる同期タイミングが推定可能な方法が必要となる。
また、特許文献1の方法では、予めI信号とQ信号との位相ずれが1シンボル以内である条件が前提であり、それを越える位相ずれが発生しているとフレーム同期が不可能であった。
本発明は、I信号とQ信号とに1シンボル以上の位相ずれが存在してもフレーム同期を行うことができ、ボーレートのままで同期が可能なシンボル同期方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の無線同期方法は、受信信号のI成分信号とQ成分信号とを用いて同期処理を行う無線同期方法において、前記I成分信号と前記Q成分信号とのフレームずれを同期させるフレーム同期ステップと、フレーム同期した前記I成分信号と前記Q成分信号との位相ずれをタイミング同期させる第1のタイミング同期ステップとを有することを特徴とするものである。
本発明の無線同期方法において、更に、前記フレーム同期ステップの前に、前記I成分信号と前記Q成分信号との1チップ以内の位相ずれをタイミング同期させる第2のタイミング同期ステップを有するようにしてもよい。
また、本発明の無線同期方法において、前記フレーム同期ステップは、前記I成分信号と前記Q成分信号とを1チップずつシフトさせた複数の組合せで、予め設定した同期用符号系列との相関処理を各々行い、相関値が最大となる組合せを検出してそのタイミングでフレーム同期を行うものが好ましい。
また、本発明の無線同期方法において、前記第1のタイミング同期ステップは、1チップ以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に放物線近似処理を適用して、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置として判定するものが好ましい。
また、本発明の無線同期方法において、前記第1のタイミング同期ステップは、1チップ以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に折れ線関数近似を適用して、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置として判定するものが好ましい。
また、本発明の無線同期方法において、予め同期用の符号系列パターンを設定し、同期用プリアンブル系列区間でスライディング相関処理を行い相関値系列を求めてその関数形状を近似処理で設定するステップを備え、前記第1のタイミング同期ステップでは、1チップ以内のタイミング間隔によって複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に前期設定した相関値関数を近似処理することにより、相関値最大となるタイミングを補間して同期位置として判定するものが好ましい。
また、本発明の無線同期方法において、復調方式としてπ/2シフトBPSK方式を使用し、前記第2のタイミング同期ステップは、信号値を1と判定した場合には1つ前の信号との内積を計算して、前記内積値の逆正弦関数(arcsin)を位相誤差として保持し、一方、信号値を−1と判定した場合には1つ前の信号との内積値の逆正弦関数の−1倍を位相誤差として保持して、一定区間内で保持した前記位相誤差を積分処理して平均位相誤差を推定し、その前記平均位相誤差の補正によりタイミング同期するものが好ましい。
本発明によれば、ハードウェアの制約等でI信号とQ信号とに1シンボル以上の位相ずれが存在しても、I信号とQ信号との複数の組合せでの相関計算をデジタル信号処理で実施することにより、フレーム同期ができる。また、相関値関数の補間処理によりボーレートでのシンボル同期が可能となる。
ミリ波無線通信技術の進展に伴い広帯域化による高速伝送が可能となるが、高速化に対処するADCの性能に制限があるため、充分なオーバサンプリング処理が困難になる。そこで、無線伝送でのフレーム同期処理をボーレートのまま実現できれば、ADC処理の負荷が大幅に軽減される。本発明では、無線受信装置において、検波されたI成分信号及びQ成分信号を用いて、プリアンブル信号の予め設定した同期用符号系列との相関処理に基づき、ボーレートでの同期処理を可能とする。そのための本発明の無線受信装置の構成例を図1に示す。アンテナで受信した信号は、低雑音アンプ(LNA:Low Noise Amplifier)11で増幅されてからダウンコンバータ(DNC:Down Converter)12で中間周波数に変換される。そして、直交検波部13によりI信号とQ信号の直交成分に分離され、ADC14でデジタル信号が生成される。それらのI信号及びQ信号に対して、本発明のプリアンブル同期処理部15で同期処理を行い、位相制御部16により同期タイミングが調整される。そして、π/2シフトBPSK復号部17で同期した信号データに復号処理を施し、無線パケット分解部18で無線パケットに分解して受信データ情報が得られる。全体の装置構成は、従来の受信方式に準じた構成である。 ここで無線方式は、IEEE802.15.3c規格に従い、π/2シフトBPSK(Binary Phase Shift Keying)復調方式の適用を例とした。この方式の場合は、1シンボルは1チップに該当する。
本発明のプリアンブル同期処理部15の詳細な構成を図2に示す。ミリ波通信では1チップ間隔が短いので、I信号とQ信号の位相ずれが大きくなり、1チップを越えたずれを許容し想定する。具体的な同期処理手順を図2(a)の3段階処理で説明する。
まず、第2のタイミング同期処理20で、I成分とQ成分の信号変化タイミングを1チップ以内で位相をタイミング同期する。このときI成分とQ成分との信号対応は、1チップ以上ずれていてもそのままとなる。位相同期にはπ/2シフトBPSKの特性を利用し、その方法については後述する。次に、フレーム同期処理22を、プリアンブル符号との相関処理に基づいて行い、I成分とQ成分の信号対応を修正する(詳細方法は後述)。
最後に、第1のタイミング同期処理24を行い、ボーレートの制限で取得した複数タイミングの相関値を用いて、補間処理を適用してタイミング同期処理を実施する(詳細方法は後述)。尚、図2(b)に示すように、第2のタイミング同期処理を行わずに、フレーム同期処理22から開始して、その後第1のタイミング同期処理24を実施する2段階処理構成も可能である。
まず、第2のタイミング同期処理20で、I成分とQ成分の信号変化タイミングを1チップ以内で位相をタイミング同期する。このときI成分とQ成分との信号対応は、1チップ以上ずれていてもそのままとなる。位相同期にはπ/2シフトBPSKの特性を利用し、その方法については後述する。次に、フレーム同期処理22を、プリアンブル符号との相関処理に基づいて行い、I成分とQ成分の信号対応を修正する(詳細方法は後述)。
最後に、第1のタイミング同期処理24を行い、ボーレートの制限で取得した複数タイミングの相関値を用いて、補間処理を適用してタイミング同期処理を実施する(詳細方法は後述)。尚、図2(b)に示すように、第2のタイミング同期処理を行わずに、フレーム同期処理22から開始して、その後第1のタイミング同期処理24を実施する2段階処理構成も可能である。
まず、第2のタイミング同期処理後のフレーム同期処理22に関して、図3に、本発明のI/Q信号タイミング偏差の同期処理を示す。I/Q信号は、±1チップ範囲内で切替りタイミングが同期制御されているとする。ここで、I/Q信号の1チップ以上の位相ずれは、一定のまま保持されている。
まず、I信号の開始位置tからのmフレーム連続パターン(例えばm=8)をpI(t)として、I/Q信号の相関加算を次式で計算する。
ここで、I(pI(t))はpI(t)と対応する同期基準パターンとの積を表す(Q(pQ(t))も同様)。尚、I/Q信号のずれが±5チップ以内と仮定した場合、Q信号のパターンpQはi=−5〜5の範囲11パターンで変化させる。そして、tを変化させてS(t,i)の最大値を求め、その値が一定の閾値以上であればフレーム同期タイミングtを決定し、同時にQ信号をiチップ分だけシフトしてI/Q信号フレーム同期を補正する。ここで、一定の閾値以上としたのは、最大値が一定の閾値以上でなければ、同期が検出されていないと考えられるからである。
以上に記載した本発明のI/Q信号タイミング偏差同期処理の処理手順を、図4に示す。最初に±1シンボル範囲内で切替りタイミングが同期制御される(S401)。そして、全てのI信号候補の計算(S402)、更に全てのQ信号候補の計算(S403)が終わるまで、I/Q信号の相関加算(数1)を計算する(S404)。各候補で計算された相関加算値から最大値を求め(S405)、一定の閾値以上であれば(S406)そのI/Q信号の組合せで同期を行い(S407)処理を終了し、閾値を越えなければ新たなタイミングで±1シンボル範囲内の切替りタイミングの同期制御から処理を繰り返す。
以上のフレーム同期処理終了後に、チップ同期処理を実施するための第1のタイミング同期処理方法を、図5に示す。想定するIEEE802.15.3c規格では、プリアンブルは128チップと規定されている。プリアンブルとその一部分からなる同期用系列パターンとの相関処理をタイミングを変化させて実施できる回数は、ADC速度との兼ね合いから制限されるため、充分な相関値数の系列を得る事が困難である。そこで本発明では、関数補間処理に基づいて相関値最大となる同期タイミングを推定する。
得られる相関値を3点と条件を仮定して、具体的な処理方法を説明する。判定可能なタイミングを1/3間隔とすれば、各タイミングはt0,t1=t0+1/3チップ,t2=t0+2/3チップである。そして各タイミングでの2乗相関値を、S(t0),S(t1),S(t2),及びS(t3=t0)とする。そして2乗相関の最大値をS’(i=0)と設定し、前後のタイミングの相関値をS’(−1)及びS’(1)とする。典型図を図5(a)に示す。これらの相関値に対して、放物線近似に基づき最大値と推定されるタイミング位置ioptを補間推定する。放物線近似で推定される最大値のタイミングは、次式で計算される。
得られる相関値を3点と条件を仮定して、具体的な処理方法を説明する。判定可能なタイミングを1/3間隔とすれば、各タイミングはt0,t1=t0+1/3チップ,t2=t0+2/3チップである。そして各タイミングでの2乗相関値を、S(t0),S(t1),S(t2),及びS(t3=t0)とする。そして2乗相関の最大値をS’(i=0)と設定し、前後のタイミングの相関値をS’(−1)及びS’(1)とする。典型図を図5(a)に示す。これらの相関値に対して、放物線近似に基づき最大値と推定されるタイミング位置ioptを補間推定する。放物線近似で推定される最大値のタイミングは、次式で計算される。
ここで、チップ間隔としては1/4チップ等の異なる間隔でも可能であり、間隔が狭い程推定精度の向上が期待できる。
補間に使用する近似関数は必ずしも放物線に限定されず、相関用の符号パターンに応じた変更が有効である。補間関数として折れ線近似を適用する場合の典型例を図5(b)に示す。図において、S’(i=−1)とS’(i=0)とで直線近似を行い、次にS’(i=1)を通る同じ傾きの直線近似を行う。折れ線近似で推定される最大値のタイミング位置ioptは、次式で算出可能である。
以上に述べた関数補間処理に基づいて、同期タイミングを推定する処理手順を図6に示す。最初に、使用する相関用符号パターンに応じて相関関数形状を設定する(S601)。次に判定タイミングを設定して(例えば3点)(S602)、各タイミングでの2乗相関値を求める(S603)。尚、タイミング間隔は等間隔に限定されず、また2乗相関値の代わりに絶対値誤差や2乗誤差を用いる事も可能である。そして求めたタイミングでの最大相関をS’(i=0)と置き、前後のタイミングの相関値をS’(−1)及びS’(1)と置いて(S604)、設定関数での近似処理に基づき最大値と推定されるタイミング位置ioptを補間推定する(S605)。
更に、相関用符号パターンが中心対象の系列でない場合には相関値系列も対象形ではなくなるため、補間近似に用いる関数形状を非対象に設定する事が有効である。図7に非対称な相関値系列の典型例を、実線で示す。相関値系列は予めノイズの無い理想値で算出し、最大値の前後で例えば最小2乗近似により補間直線の傾きa1(>0)及びa2(<0)を決定する。これらの傾きを用いて、非対称な折れ線近似で推定される最大値のタイミング位置ioptは、次式で与えられる。
図8に、本発明の相関値系列に基づくタイミング補間の相関関数形状を設定する処理手順を示す。まず同期用パターンの符号系列を設定する(S801)。次に符号系列全体と同期用パターンとのスライディング相関処理を実施し(S802)、スライディング位置毎に得られた相関値の中から最大相関値となる位置を調査する(S803)。そして最大相関位置前後の一定区間を最小2乗法等で線形近似して(S804)、その線形近似関数を補間に用いる相関関数形状として設定する(S805)。
次に、図2(a)で記載したフレーム同期処理前の第2のタイミング同期処理の方法を説明する。復調方式としてπ/2シフトBPSKを仮定して、その特性を利用してタイミング同期処理を実施する。π/2シフトBPSK復調方式とは、1シンボルの変調毎にπ/2ラジアン(90°)位相の異なるBPSKを交互に用いるシステムである。つまり、I成分またはQ成分に着目すると、各々±1と0とを交互に繰り返す系列となる。
実際には信号の不確定性を考慮して、任意の位相角度をθとおいた時の信号空間の典型例を図9に示す。ここで、振幅は規格化されているとして発生する位相誤差をεとし、あるタイミングでのサンプル点の座標をS1=(cosθ,sinθ)、次タイミングでの理想的な+90°位相シフトのサンプル点をS’2+=(−sinθ,cosθ)、理想的な−90°位相シフトのサンプル点をS’2−=(sinθ,−cosθ)、実際の+90°位相シフトのサンプル点をS2+=(−sin(θ−ε),cos(θ−ε))、そして実際の−90°位相シフトのサンプル点をS2−=(sin(θ−ε),−cos(θ−ε))とおく。図9に基づいて、まず信号の判定方法を述べる。サンプル点S1からの理想的な+90°位相シフトのサンプル点S’2+と、実際の+90°位相シフトのサンプル点S2+との内積を計算すると次式となる。
また同様に、サンプル点S’2+と、実際の−90°位相シフトのサンプル点S2−との内積を計算すると次式である。
したがって|ε|≒0とすると、cosε≒1であれば+90°シフトしたと判定(信号値1)し、cosε≒−1であれば−90°シフトしたと判定(信号値−1)することが可能となる。
次に、あるサンプル点は次のサンプル点と理想的に±90°の位相差を持つので内積が常に0となる特性に基づいて、サンプル点の判定結果に応じた位相誤差を算出する。+90°位相シフトする場合の位相誤差は、次式で与えられる。
一方、−90°位相シフトする場合の位相誤差は次式となる。
つまり、サンプル点の判定結果によって位相誤差の回転方向が異なるので、位相誤差は上記に基づき得られた値と判定値との乗算結果を、一定区間で積分する事によって推定する事ができる。
以上のように位相誤差を抽出して、タイミング同期を実施する処理手順を図10に示す。まず評価区間を設定し(S1001)、評価区間内であれば(S1002)、信号値の判定を行い(S1003)、その判定値に応じた位相誤差の計算処理を繰り返す(S1004)。評価区間内での位相誤差の計算を終了したら、位相誤差量を積分して平均位相誤差を推定し(S1005)、誤差量をシフトさせてI/Q信号の位相誤差を同期させて(S1006)、処理を終了する。尚、本処理では1チップ以内の位相誤差を同期させることを可能とするが、1チップを越えるI/Q信号のずれはそのまま保持される。そこで、図2で記載した次段階のフレーム同期処理でI/Q信号のずれが補正される。尚、π/2シフトBPSK以外の復調方式を適用する場合には、第1のタイミング同期処理について前述した相関関数の補間に基づいてシンボル同期処理を実施することもできる。
本発明は無線通信装置以外に、符号系列相関を利用したレーダ装置や有線通信の受信装置へも適用可能である。
11 低雑音アンプLNA
12 ダウンコンバータDNC
13 直交検波部
14 アナログデジタルコンバータADC
15 プリアンブル同期処理部
16 位相制御部
17 π/2シフトBPSK復号部
18 無線パケット分解部
20 第2のタイミング同期処理
22 フレーム同期処理
24 第1のタイミング同期処理
12 ダウンコンバータDNC
13 直交検波部
14 アナログデジタルコンバータADC
15 プリアンブル同期処理部
16 位相制御部
17 π/2シフトBPSK復号部
18 無線パケット分解部
20 第2のタイミング同期処理
22 フレーム同期処理
24 第1のタイミング同期処理
Claims (14)
- 受信信号のI成分信号とQ成分信号とを用いて同期処理を行う無線同期方法において、
前記I成分信号と前記Q成分信号とのフレームずれを同期させるフレーム同期ステップと、
フレーム同期した前記I成分信号と前記Q成分信号との位相ずれをタイミング同期させる第1のタイミング同期ステップとを有することを特徴とする無線同期方法。 - 請求項1に記載の無線同期方法において、更に、
前記フレーム同期ステップの前に、前記I成分信号と前記Q成分信号との1チップ以内の位相ずれをタイミング同期させる第2のタイミング同期ステップ
を有することを特徴とする無線同期方法。 - 請求項1に記載の無線同期方法において、
前記フレーム同期ステップは、前記I成分信号と前記Q成分信号とを1チップずつシフトさせた複数の組合せで、予め設定した同期用符号系列との相関処理を各々行い、相関値が最大となる組合せを検出してそのタイミングでフレーム同期を行うことを特徴とする無線同期方法。 - 請求項1に記載の無線同期方法において、
前記第1のタイミング同期ステップは、1チップ以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に放物線近似処理を適用して、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置として判定することを特徴とする無線同期方法。 - 請求項1に記載の無線同期方法において、
前記第1のタイミング同期ステップは、1チップ以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に折れ線関数近似を適用して、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置として判定することを特徴とする無線同期方法。 - 請求項1に記載の無線同期方法において、
予め同期用の符号系列パターンを設定し、同期用プリアンブル系列区間でスライディング相関処理を行い相関値系列を求めてその関数形状を近似処理で設定するステップを備え、
前記第1のタイミング同期ステップでは、1チップ以内のタイミング間隔によって複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に前期設定した相関値関数を近似処理することにより、相関値最大となるタイミングを補間して同期位置として判定することを特徴とする無線同期方法。 - 請求項2に記載の無線同期方法において、
復調方式としてπ/2シフトBPSK方式を使用し、
前記第2のタイミング同期ステップは、信号値を1と判定した場合には1つ前の信号との内積を計算して、前記内積値の逆正弦関数(arcsin)を位相誤差として保持し、一方、信号値を−1と判定した場合には1つ前の信号との内積値の逆正弦関数の−1倍を位相誤差として保持して、
一定区間内で保持した前記位相誤差を積分処理して平均位相誤差を推定し、その前記平均位相誤差の補正によりタイミング同期することを特徴とする無線同期方法。 - 受信信号のI成分信号とQ成分信号とを用いて同期処理を行う無線同期装置において、
前記I成分信号と前記Q成分信号とのフレームずれを同期させるフレーム同期処理部と、
フレーム同期した前記I成分信号と前記Q成分信号との位相ずれをタイミング同期させる第1のタイミング同期処理部とを有することを特徴とする無線同期装置。 - 請求項8に記載の無線同期装置において、更に、
前記フレームずれを同期させる前に、前記I成分信号と前記Q成分信号との1チップ以内の位相ずれをタイミング同期させる第2のタイミング同期処理部を有することを特徴とする無線同期装置。 - 請求項8に記載の無線同期装置において、
前記フレーム同期処理部は、前記I成分信号と前記Q成分信号とを1チップずつシフトさせた複数の組合せで、予め設定した同期用符号系列との相関処理を各々行い、相関値が最大となる組合せを検出してそのタイミングでフレーム同期を行うことを特徴とする無線同期装置。 - 請求項8に記載の無線同期装置において、
前記第1のタイミング同期処理部は、1チップ以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に放物線近似処理を適用して、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置として判定することを特徴とする無線同期装置。 - 請求項8に記載の無線同期装置において、
前記第1のタイミング同期処理部は、1チップ以内のタイミング間隔で複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に折れ線関数近似を適用して、相関値最大と推定されるタイミングを補間して同期位置として判定することを特徴とする無線同期装置。 - 請求項8に記載の無線同期装置において、
前記第1のタイミング同期処理部は、予め同期用の符号系列パターンを設定し、同期用プリアンブル系列区間でスライディング相関処理を行い相関値系列を求めてその関数形状を近似処理で設定し、
タイミング同期処理では、1チップ以内のタイミング間隔によって複数の相関値を計測して相関値系列を作成し、前記相関値系列に前期設定した相関値関数を近似処理することにより、相関値最大となるタイミングを補間して同期位置として判定することを特徴とする無線同期装置。 - 請求項9に記載の無線同期装置において、
復調方式としてπ/2シフトBPSK方式を使用し、
前記第2のタイミング同期処理部は、信号値を1と判定した場合には1つ前の信号との内積を計算して、前記内積値の逆正弦関数(arcsin)を位相誤差として保持し、一方信号値を−1と判定した場合には1つ前の信号との内積値の逆正弦関数の−1倍を位相誤差として保持して、
一定区間内で保持した前記位相誤差を積分処理して平均位相誤差を推定し、その前記平均位相誤差の補正によりタイミング同期することを特徴とする無線同期装置。
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JP2016015603A (ja) * | 2014-07-01 | 2016-01-28 | 日本信号株式会社 | 列車制御装置 |
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