JP2019176368A - 相関器、通信機、相関判定方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】直接スペクトル拡散通信を行う際に、周波数オフセットが大きい場合であっても、周波数オフセットの補償と拡散系列タイミングの推定を並行して行うことができる相関器を提供する。【解決手段】相関器は、受信信号の周波数をシフトさせる周波数補正部と、前記周波数補正部が前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出するマッチドフィルタと、マッチドフィルタの算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定する相関値判定部と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、相関器、通信機、相関判定方法及びプログラムに関する。

スペクトル拡散信号は雑音が支配的であるため、直接スペクトル拡散通信を利用する移動体通信では、復調時に行われる搬送波の周波数の同期や位相の同期よりも以前に、拡散系列タイミングを推定し、逆拡散処理を適切に行う必要がある。拡散系列タイミングを推定する手法の一例としては、マッチドフィルタを用いる手法が挙げられる。
特許文献１〜３には、関連する技術として、スペクトラム拡散通信に関する技術が記載されている。

特開平１１−０８８２３１号公報 特開２００１−０２８５５６号公報 特表２００２−５１３５１９号公報

ところで、受信機の期待する搬送波周波数と受信波における実際の搬送波周波数との差を示す周波数オフセットが大きい場合、拡散系列の１周期の間の位相回転差が大きくなり、マッチドフィルタによって算出される相関値が低下し、拡散系列タイミングの検出が困難となる。つまり、直接スペクトル拡散通信を行う際に、周波数オフセットが大きい場合、周波数オフセットの補償と拡散系列タイミングの推定を並行して行うことは困難である。さらに、この処理は受信信号のＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ Ｎｏｉｓｅ）比（以下、「Ｓ／Ｎ」と記載）にも依存するため、受信信号の品質の変動に合わせて適切な処理を行う必要がある。
そこで、直接スペクトル拡散通信を行う際に、周波数オフセットの大きさによらず、受信信号のＳ／Ｎの広範な変動にも対応可能な、周波数オフセットの補償と拡散系列タイミングの推定を並行して行うことのできる技術が求められていた。

本発明は、上記の課題を解決することのできる相関器、通信機、相関判定方法及びプログラムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、相関器は、受信信号の周波数をシフトさせる周波数補正部と、前記周波数補正部が前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出するマッチドフィルタと、マッチドフィルタの算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定する相関値判定部と、を備える。

本発明の別の態様によれば、通信機は、上記態様の相関器と、前記相関器へ受信信号を出力するアンテナと、前記相関器の出力に基づいて、前記受信信号を復調する信号処理部と、を備える。

本発明の別の態様によれば、判定方法は、受信信号の周波数をシフトさせることと、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出することと、算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定することと、を含む。

本発明の別の態様によれば、プログラムは、コンピュータに、受信信号の周波数をシフトさせることと、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出することと、算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定することと、を実行させる。

本発明によれば、直接スペクトル拡散通信を行う際に、周波数オフセットが大きい場合であっても、周波数オフセットの補償と拡散系列タイミングの推定を並行して行うことができる。

本発明の一実施形態による通信機の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による相関器の構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるマッチドフィルタの特性を示す第１の図である。 本発明の一実施形態によるマッチドフィルタの特性を示す第２の図である。 本発明の一実施形態による通信機の処理フローを示す図である。 本発明の一実施形態によるマッチドフィルタの積分回数ごとに異なる相関値を説明するための第１の図である。 本発明の一実施形態によるマッチドフィルタの積分回数ごとに異なる相関値を説明するための第２の図である。 本発明の一実施形態によるマッチドフィルタの積分回数ごとに異なる相関値を説明するための第３の図である。 本発明の実施形態による相関器の最小構成を示す図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。

＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
本発明の一実施形態による通信機１の構成について説明する。
通信機１は、デジタル信号伝送を行う通信機である。通信機１は、図１に示すように、相関器１０、アンテナ２０、信号処理部３０を備える。

相関器１０は、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）に応じて周波数検出範囲を切り替える相関器である。相関器１０は、図２に示すように、周波数補正部１０１、マッチドフィルタ１０２、相関値判定部１０３、周波数オフセット制御部１０４、積分回数制御部１０５を備える。
周波数補正部１０１は、マッチドフィルタ１０２、周波数オフセット制御部１０４のそれぞれに接続される。マッチドフィルタ１０２は、相関値判定部１０３、マッチドフィルタ積算回数制御部１０５のそれぞれに接続される。相関判定部１０３は、周波数オフセット制御部１０４、マッチドフィルタ積算回数制御部１０５のそれぞれに接続される。

周波数補正部１０１は、通信機１が受信する受信信号の周波数を補正し、第１信号を生成する。例えば、周波数補正部１０１は、周波数のオフセットαヘルツを受信信号の周波数に加算して第１信号を生成する。
周波数補正部１０１は、第１信号をマッチドフィルタ１０２に出力する。

マッチドフィルタ１０２は、第１信号における雑音を低減し、かつ第１信号に歪みを発生させない受信フィルタである。マッチドフィルタ１０２は、設定された積分回数に応じて、第１信号から各周波数ごとの相関値を算出する。積分回数とは、第１信号が示す１コード長に行う積分回数のことである。例えば、ある積分回数の場合には、マッチドフィルタ１０２は、図３Ａに示すような各周波数ごとの相関値を有する特性を有し、各周波数ごとの相関値を算出する。また、例えば、その積分回数よりも積分回数が多い場合には、マッチドフィルタ１０２は、図３Ｂに示すような各周波数ごとの相関値を有する特性を有しし、各周波数ごとの相関値を算出する。マッチドフィルタ１０２の積分回数が増加すると、所望の信号のＳ／Ｎは改善されるが、図３Ａ、図３Ｂに示すように、所望の信号の検出できる周波数範囲は狭くなる。
マッチドフィルタ１０２は、各周波数ごとの相関値を相関値判定部１０３に出力する。

相関値判定部１０３は、マッチドフィルタ１０２から受けた各周波数ごとの相関値が相関のあることを示しているか（すなわち、所望の信号を検出できているか）否かを判定する。例えば、積分回数に応じて各周波数ごとに相関があると判定する所定周波数における相関の検出しきい値を、予め定めて記憶部に記憶させる。相関値判定部１０３は、受けた相関値と相関の検出しきい値とを比較する。相関値判定部１０３は、受けた相関値のうち相関の検出しきい値以下の場合、受けた各周波数の相関がないと判定する。また、相関値判定部１０３は、受けた相関値が相関の検出しきい値を超えている場合、当該周波数が相関があると判断し、さらに、その中から相関が最大値となる周波数を検出し、受信周波数を判定する。
相関値判定部１０３は、受けた周波数ごとの相関値が相関のあることを示していると判定した場合、マッチドフィルタ１０２から受けた各周波数ごとの相関値を、信号処理部３０へ出力し、次の同期処理に移行させる。
また、相関値判定部１０３は、受けた周波数ごとの相関値が相関のないことを示していると判定した場合、判定結果を周波数オフセット制御部１０４、積分回数制御部１０５のそれぞれに出力する。

周波数オフセット制御部１０４は、判定結果に基づいて、通信機１が受信する受信信号の周波数に加える周波数のオフセットを決定する。例えば、積分回数ごとに相関値判定部１０３の判定結果と周波数オフセット量との対応関係を実験などにより予め求めて記憶部に記憶する。周波数オフセット制御部１０４は、相関値判定部１０３から積分回数の情報を含む判定結果を受ける。周波数オフセット制御部１０４は、記憶部において、受けた判定結果に対応する周波数オフセット量を特定する。周波数オフセット制御部１０４が記憶部において周波数オフセット量を特定することは、周波数オフセット制御部１０４が受けた判定結果に基づいて周波数オフセット量を決定することとなる。
周波数オフセット制御部１０４は、決定した周波数のオフセットを受信信号の周波数に加える指示を示す周波数オフセット指示信号を、周波数補正部１０１に出力する。

積分回数制御部１０５は、マッチドフィルタ１０２が受信信号を積分する回数を設定する。例えば、積分回数制御部１０５は、相関値判定部１０３の判定した判定結果が相関のあることを示す場合、マッチドフィルタ１０２の行う積分回数を初期値にする積分回数指示信号をマッチドフィルタ１０２に出力する。また、例えば、積分回数制御部１０５は、相関値判定部１０３の判定した判定結果が相関のないことを示す場合、マッチドフィルタ１０２の積分回数を現在の積分回数よりも増加させる積分回数指示信号をマッチドフィルタ１０２に出力する。

アンテナ２０は、受信した受信信号を相関器１０へ出力する。
信号処理部３０は、相関器１０から各周波数ごとの相関値を受ける。信号処理部３０は、受けた相関値に基づいて、受信信号を復調する。

次に、本発明の一実施形態による通信機１の処理について説明する。ここでは、図４に示す通信機１の処理フローについて説明する。なお、通信機１の起動時には、周波数オフセット制御部１０４は、周波数補正部１０１が初期の周波数オフセット量として所定の周波数オフセット量（例えば、０）を受信信号の周波数に加えることを指示する周波数オフセット指示信号を周波数補正部１０１に出力するものとする。また、通信機１の起動時には、積分回数制御部１０５は、マッチドフィルタ１０２が受信信号を積分する初期値としてＡ回を指示する積分回数指示信号をマッチドフィルタ１０２に出力するものとする。

周波数補正部１０１は、アンテナが受信した受信信号を受ける。周波数補正部１０１は、受信信号の周波数に初期の周波数オフセット量（例えば、０）を加える（ステップＳ１）。周波数補正部１０１は、初期の周波数オフセット量を加えた後の信号をマッチドフィルタ１０２に出力する。

マッチドフィルタ１０２は、周波数補正部１０１から信号を受ける。マッチドフィルタ１０２は、受信信号について積分をＡ回実行し、各周波数ごとに相関値を算出する（ステップＳ２、図５Ａ参照）。マッチドフィルタ１０２は、算出した各周波数ごとの相関値を相関値判定部１０３に出力する。

相関値判定部１０３は、マッチドフィルタ１０２から各周波数ごとの相関値を受ける。
相関値判定部１０３は、受けた各周波数ごとの相関値が相関のあることを示しているか否かを判定する（ステップＳ３）。例えば、積分回数に応じて各周波数ごとに相関があると判定する所定周波数における相関の検出しきい値を、実験などにより予め定めて記憶部に記憶する。相関値判定部１０３は、受けた相関値のピーク値と相関の検出しきい値とを比較する。相関値判定部１０３は、受けた相関値のピーク値のうちの１つでも相関の検出しきい値以下のものがある場合、受けた各周波数ごとの相関値が相関のあることを示していないと判定する。また、相関値判定部１０３は、受けた相関値のピーク値のすべてが相関の検出しきい値を超えている場合、受けた周波数ごとの相関値が相関のあることを示していると判定する。
相関値判定部１０３は、受けた周波数ごとの相関値が相関のあることを示していると判定した場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、マッチドフィルタ１０２から受けた各周波数ごとの相関値を信号処理部３０へ出力する（ステップＳ４）。そして、相関値判定部１０３は、相関のあることを示す判定結果を周波数オフセット制御部１０４、積分回数制御部１０５のそれぞれに出力する（ステップＳ５）。相関値判定部１０３が、相関のあることを示す判定結果を周波数オフセット制御部１０４、積分回数制御部１０５のそれぞれに出力することにより、ステップＳ１の処理に戻る（すなわち、次の同期処理に移行させる）。
また、相関値判定部１０３は、受けた周波数ごとの相関値が相関のないことを示していると判定した場合（ステップＳ３においてＮＯ）、相関のないことを示す判定結果を周波数オフセット制御部１０４、積分回数制御部１０５のそれぞれに出力する（ステップＳ６）。

周波数オフセット制御部１０４は、相関値判定部１０３から相関のないことを示す判定結果を受ける。
周波数オフセット制御部１０４は、相関のないことを示す判定結果に基づいて、周波数オフセット量を決定する（ステップＳ７）。例えば、積分回数ごとに相関値判定部１０３の判定結果と周波数オフセット量との対応関係を実験などにより予め求めて記憶部に記憶する。周波数オフセット制御部１０４は、相関値判定部１０３から積分回数の情報を含む判定結果を受ける。周波数オフセット制御部１０４は、記憶部において、受けた判定結果に対応する周波数オフセット量を特定する。周波数オフセット制御部１０４が記憶部において周波数オフセット量を特定することは、周波数オフセット制御部１０４が受けた判定結果に基づいて周波数オフセット量を決定することとなる。
周波数オフセット制御部１０４は、決定したオフセット量を示す周波数オフセット指示信号を周波数補正部１０１に出力する。

周波数補正部１０１は、周波数オフセット制御部１０４から周波数オフセット指示信号を受ける。
周波数補正部１０１は、受けた周波数オフセット指示信号の示す周波数オフセット量（例えば、αヘルツ）を受信信号の周波数に加える。この周波数の切り替え処理は、入力信号の周波数変化に対して充分はやい速度で行う（ステップＳ８）。
周波数補正部１０１は、周波数オフセット量の周波数を加えた後の周波数を有する受信信号をマッチドフィルタ１０２に出力する。

積分回数制御部１０５は、相関値判定部１０３から相関のないことを示す判定結果を受ける。
積分回数制御部１０５は、相関のないことを示す判定結果に基づいて、マッチドフィルタ１０２の積分回数を指示する積分回数指示信号をマッチドフィルタ１０２に出力する（ステップＳ９）。

マッチドフィルタ１０２は、積分回数制御部１０５から積分回数指示信号を受ける。マッチドフィルタ１０２は、積分回数指示信号を受けると、周波数オフセット量の周波数を加えた後の周波数を有する受信信号について現在の積分回数よりも多い回数の積分を実行し、各周波数ごとに相関値を算出する（ステップＳ１０）。例えば、現在の積分回数がＡ回である場合、マッチドフィルタ１０２は、積分回数指示信号を受けると、周波数オフセット量αヘルツの周波数を加えた周波数の受信信号についてＡ回よりも多いＢ回の積分を実行する。マッチドフィルタ１０２は、時分割で周波数を周波数オフセット量αヘルツずつずらして、各周波数ごとに相関値を算出する（図５Ｂ参照）。
マッチドフィルタ１０２は、算出した各周波数ごとに相関値を相関値判定部１０３に出力する。

相関値判定部１０３は、マッチドフィルタ１０２から各周波数ごとの相関値を受ける。そして、相関値判定部１０３は、ステップＳ３へ進める。この状態でも信号を検出できない場合には、さらに積分回数をＣ回に増やしてＳ/Ｎを改善して処理を行う。同様に、周波数オフセット量αヘルツずつずらして、各周波数ごとに相関値を算出する（図５Ｃ参照）。マッチドフィルタ１０２は、算出した各周波数ごとに相関値を相関値判定部１０３に出力する。

以上、本発明の一実施形態による通信機１について説明した。本発明の一実施形態による通信機１において、相関器１０は、周波数補正部１０１、マッチドフィルタ１０２、相関値判定部１０３を備える。周波数補正部１０１は、受信信号の周波数をシフトさせる。マッチドフィルタ１０２は、周波数補正部１０１が受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出する。相関値判定部１０３は、マッチドフィルタ１０２の算出した各周波数ごとの相関値に基づいて、受信信号の周波数をシフトさせた後の信号が所望の信号であるか否かを判定する。
このようにすれば、直接スペクトル拡散通信を行う際に、周波数オフセットが大きい場合であっても、周波数オフセットの補償と拡散系列タイミングの推定を並行して行うことができる（すなわち、受信感度を落とさず、相関検出が可能となる）。また、このようにすれば、周波数に応じたマッチドフィルタを含む複数の処理回路が不要となり、通信機１の処理回路を簡略化することができる。

図６は、本発明の実施形態による相関器１０の最小構成を示す図である。
相関器１０は、図６に示すように、周波数補正部１０１、マッチドフィルタ１０２、相関値判定部１０３を備える。

周波数補正部１０１は、受信信号の周波数をシフトさせる。
マッチドフィルタ１０２は、周波数補正部１０１が受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出する。
相関値判定部１０３は、マッチドフィルタ１０２の算出した相関値に基づいて、受信信号の周波数をシフトさせた後の信号が所望の信号であるか否かを判定する。

なお、本発明の実施形態における処理は、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。

本発明の実施形態における記憶部、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲においてどこに備えられていてもよい。また、記憶部、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲において複数存在しデータを分散して記憶していてもよい。

本発明の実施形態について説明したが、上述の相関器１０、その他の制御装置は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータの具体例を以下に示す。
図７は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ５は、図７に示すように、ＣＰＵ６、メインメモリ７、ストレージ８、インターフェース９を備える。
例えば、上述の相関器１０、その他の制御装置のそれぞれは、コンピュータ５に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ８に記憶されている。ＣＰＵ６は、プログラムをストレージ８から読み出してメインメモリ７に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ６は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ７に確保する。

ストレージ８の例としては、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ８は、コンピュータ５のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース９または通信回線を介してコンピュータ５に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ５に配信される場合、配信を受けたコンピュータ５が当該プログラムをメインメモリ７に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ８は、一時的でない有形の記憶媒体である。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例であり、発明の範囲を限定しない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、省略、置き換え、変更を行ってよい。

１・・・通信機
５・・・コンピュータ
６・・・ＣＰＵ
７・・・メインメモリ
８・・・ストレージ
９・・・インターフェース
１０・・・相関器
２０・・・アンテナ
１０１・・・周波数補正部
１０２・・・マッチドフィルタ
１０３・・・相関値判定部
１０４・・・周波数オフセット制御部
１０５・・・積分回数制御部

Claims (8)

1. 受信信号の周波数をシフトさせる周波数補正部と、
   前記周波数補正部が前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出するマッチドフィルタと、
   マッチドフィルタの算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定する相関値判定部と、
   を備える相関器。
2. 前記マッチドフィルタは、
   前記相関値判定部が前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号でないと判定した場合に、前記所定の積分回数を増加させ、増加後の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出する、
   請求項１に記載の相関器。
3. 前記相関値判定部は、
   前記相関値のピーク値と相関の検出しきい値とを比較し、前記相関値のピーク値のすべてが前記相関の検出しきい値を超えている場合、前記受信信号を検出できると判定し、前記相関値のピーク値のうちの１つでも前記相関の検出しきい値以下のものがある場合、前記受信信号を検出できないと判定する、
   請求項１または請求項２に記載の相関器。
4. 前記相関値判定部が前記受信信号を検出できないと判定した場合に、前記周波数補正部が行う前記受信信号の周波数のシフトを制御する周波数オフセット制御部、
   を備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載の相関器。
5. 前記相関値判定部が前記受信信号を検出できないと判定した場合に、前記マッチドフィルタが行う前記積分回数を制御する積分回数制御部、
   を備える請求項１から請求項４の何れか一項に記載の相関器。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載の相関器と、前記相関器へ受信信号を出力するアンテナと、前記相関器の出力に基づいて、前記受信信号を復調する信号処理部と、を備える通信機。
7. 受信信号の周波数をシフトさせることと、
   前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出することと、
   算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定することと、
   を含む判定方法。
8. コンピュータに、
   受信信号の周波数をシフトさせることと、
   前記受信信号の周波数をシフトさせた後の信号を所定の積分回数で積分し、各周波数ごとの相関値を算出することと、
   算出した前記相関値に基づいて、前記受信信号の周波数をシフトさせた後の前記信号が所望の信号であるか否かを判定することと、
   を実行させるプログラム。

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