JP3655059B2 - スペクトル拡散通信システム - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の無線ネットワークシステムに適用可能なスペクトル拡散通信システムに関し、特に電波環境があまり良好でない条件下でも確実に動作可能なスペクトル拡散通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から無線によるデータ通信を行うシステムとして、例えばパーソナルコンピュータとプリンタとを無線回線で結合し、パーソナルコンピュータで作成した印字データをプリンタに送信して印字動作を行わせるシステム等が広く知られている。この種のシステムにおいては送信すべき情報に関する電波の変調方式として、フェージングの影響を排除して、所望の通信距離を確保するために、スペクトル拡散(Spread Spectrum:SS)変調方式を利用したスペクトル拡散通信システム(Spread Spectrum Communication:SSC)が利用されることが多い。
【0003】
このスペクトル拡散通信システムにおいては、送信側では伝送しようとする情報信号よりもはるかに高速なPN(Pseudo Noise:擬似雑音)符号を用いて情報信号のスペクトラム(周波数成分)を拡散(広帯域化)して送信し、受信側では送信側と同じPN符号を用いて送信側のPN符号と受信側の参照用のPN符号の相関を取り、情報信号を復元する。
【0004】
PN符号とは、”1”と”0”のデジタル信号の組み合わされた一種の暗号であり、一周期が長いPN符号では”1”と”0”のパターンは不規則で、あたかも雑音のように見えて、第三者が傍受することはできない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したデータ通信方式によるとデータが復調されない限り、送信先(Destination)を判断できないという問題がある。
【0006】
即ち、このようなデータ通信方式においては一般に上述したデータは8ビット構成であり、情報を送信すべき送信先のアドレス情報もデータ部に含まれている。受信側では同期捕捉後に復調されたデータ部の内の上記アドレス情報を確認して始めて、そのデータが自局宛のものかを知ることが可能になる。これでは情報アクセスの効率が悪い。また、データとして8ビット構成になっているので、設定可能な送信先の数、すなわちチャンネル数は256しか設定できない。
【0007】
このような問題を解決するために、データ復調によらず相手先を高速に検出する技術として特願平6−308293号が提案されている。
【0008】
この技術では、送信されるべきデータよりも前に設定されたプリアンブル中に、送信先に関するコードを入れておくことにより、データ復調に先だって、コード同期を用いて送信先を識別することが可能になる。
【0009】
この場合、送信側の信号と受信側の信号との相関ピークの検出を行うためにスレッショールドレベルの設定が必要である。しかしながら劣悪で変化する電波環境下ではそのスレッショールドレベルの設定が難しく、誤動作の可能性が多いという問題がある。送信側の信号と受信側の信号の相関ピークの検出をスレッショールドレベルで行う場合にそのレベル設定が煩雑で、例えば正しい信号であっても、スレッショールドレベルを越えない等の問題が発生する。
【0010】
また、前記の技術では、プリアンブル中に送信先識別コード以外に同期捕捉のためのコードも含まれており、複数のコードが存在するので、コードの切換え時にスプリアスが発生するという問題がある。
【0011】
本発明の目的は、あまり電波環境の良くない条件下でも、データを復調するに先立って送信先相手を特定して通信できるような、高速なメディアアクセスを可能に構成された送信信号を用いて、前述した従来の問題点を解決したスペクトル拡散通信システムを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、複数設けられたプリアンブルに続いて送信されるべき情報についてのデータを配置したフレーム構成の送信信号を擬似雑音符号を用いてスペクトル拡散変調して送信する送信手段と、前記スペクトル拡散変調された送信信号を受信する受信手段と、この受信手段に設けられ、前記送信信号のプリアンブル中の擬似雑音符号と参照用の擬似雑音符号との相関ピークの周期性を検出して連続相関ピークのばらつき範囲が所定範囲内であり、かつ、各前記プリアンブル間の位相差が設定したバラツキ範囲に同時に検出された場合に前記送信信号が自局宛データであると判断する手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
【0013】
請求項1に記載の発明では、スレッショールドレベルの設定を行わずに、送信信号の複数設けられたプリアンブル中の擬似雑音符号と参照用の擬似雑音符号との相関ピークの周期性を検出して連続相関ピークのばらつき範囲が所定範囲内であり、かつ、各前記プリアンブル間の位相差が設定したバラツキ範囲に同時に検出された場合に前記送信信号が自局宛データであると判断する手段を備えるので、データ部を復調するに先立って送信先相手が自局であることを特定して通信することができ、あまり電波環境の良くない条件下でも高速なメディアアクセスをほぼ確実に行うことができる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、前記送信信号のプリアンブルは複数設けられていることを特徴とするものである。
【0015】
請求項3に記載の発明は、各プリアンブルにおける擬似雑音符号は同じであるが位相はずれていることを特徴とするものである。
【0016】
請求項2及び請求項3に記載の発明では、送信信号には複数のプリアンブルが設けられるので、夫々のプリアンブル中の擬似雑音符号と参照用の擬似雑音符号との相関ピークの周期性を検出して所定の相関ピーク数が算出されるので、例えば妨害電波に周期性があったとしても、データ部を復調するに先立って送信先相手を特定して通信することができ、あまり電波環境の良くない条件下でも高速なメディアアクセスを確実に行うことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0018】
図1において、11は送信信号出力部、12はDPSK変調器、13はPN符号発生器(Pseudo Noise Gerator:擬似雑音発生器、以下、PNGという)、14は掛算器、15は搬送波発振器、16は掛算器、17は送信アンテナで、これらの要素は送信装置Tを構成している。また18は受信アンテナ、19はRF増幅器(再生信号増幅器)やIF増幅器等から成る受信部、20は相関装置、21は復調部、22は参照用のPN符号発生器、23はCPU等から成る制御部、24は搬送波発振器、25は掛算器であり、これらの要素は受信装置Rを構成している。この参照用のPN符号発生器22のPN符号は、送信装置Tから受信したPN符号を時間反転したものである。
【0019】
相関装置20はコンボルバであり、例えば図3に示すようにゲート電極31、2つの入力電極32,33、出力電極34を有する。相関装置20としてはダブルゲートコンボルバが用いられる。これは弾性表面波(Surface Acoustic Wave)で畳み込み積分器(コンボルバ)を用いた相関検出器であり、入力信号F(t)及び参照信号G(t)を遅延回路に入力して、時間的にずれた同士の乗算及び積分を実行する。ここで参照符号として入力信号の時間反転信号を用いれば、自己相関出力ピークを得ることができる。
【0020】
図2はスペクトル拡散通信システムの送信信号のフレーム構成を示す。このフレーム構成によれば、例えば初期状態設定用のAGC(Auto Gain Controll)セトリング部と、複数のプリアンブル(Preamble)−1,−2,−3,−4の後にフレームパターンとデータ部とを有している。ただし、各プリアンブル−1,−2,−3,−4は、同一コードであるが、その位相は異なっていても、あるいは共通であってもよい。
【0021】
本実施形態では、各プリアンブル−1,−2,−3,−4で出力される相関ピークの周期性を検出して所望の相関ピーク数を得て、かつ各プリアンブル−1,−2,−3,−4間のコード位相差が一致した場合にコード同期を行うものである。使用するPN符号(PNコード)のチップ数は送信信号の拡散帯域やコンボルバのゲード長で決定される遅延時間等に基づいて任意に設定可能である。
【0022】
図4(A)及び図4(B)は復調部21の一構成例を示す。図4(A)は相関装置20としてダブルゲートコンボルバを使用するDPSKアナログ検波方式による構成を示し、21aはアナログ和差回路、21bは増幅器、21cはバンドパスフィルタ(BPF)、21dはダイオード検波器、21eはA/Dコンバータ、21fはレベル比較器である。図4(B)は相関装置20としてダブルゲートコンボルバを使用するDPSKデジタル和差検波方式による構成を示し、21gは増幅器、21hはBPF、21iはI−Q検波回路、21jはA/D変換器、21kはシフトレジスタ(SR)、21lはディジタル和差回路、21mは2乗回路、21nは加算回路、21pはレベル比較器である。I−Q検波回路21iは局部発振器21i−1、ローパスフィルタ(LPF)21i−2,3、π/2移相器21i−4、掛算器21i−5,6から成る。
【0023】
図5は、図2に示す各プリアンブル−1,−2,−3,−4で出力される相関ピークの周期性を検出して所望の相関ピーク数を得て、かつ各プリアンブル−1,−2,−3,−4間のコード位相差が一致した場合にコード同期を行う信号処理動作のフローを示している。
【0024】
図5のステップS1:必要なパラメータの設定をし、ステップS20では初期化(タイマーのリセット)を行う。ステップS1,S20では、イニシャライズをしてタイマーもリセットしてゼロにする。
【0025】
ステップS30:1周期内の最大相関ピークポイント(MPP)の検出をし、ステップS40:図7に示すように、各プリアンブル(プリアンブル数:Nは図2では4)の周期内(PNコードm周期/プリアンブル)のn周期連続相関ピークの検出をする。そして、n周期内のMPPの最大値(MAX)及び最小値(MIN)の算出をする。この場合例えばnは8で、mは16である。このステップS30,S40は、図7の(a)部分に関する検出と算出処理である。
【0026】
ステップS50:全てのプリアンブルのn周期内のMPPの最大値と最小値の差が:(MAX−MIN)≦(ピークポイントのばらつきの範囲内)の時は、ステップS60に進む。しかしながら、ピークポイントのばらつきの範囲内でない場合、即ち相関ピークの連続性が不良である場合には、ステップS40に戻り再度ステップS40を実行する。
【0027】
ステップS60:各プリアンブル間の位相差を検出し、各プリアンブル間の代表値(MAX+MIN)/2を算出する。
【0028】
ステップS70:全てのプリアンブル間の代表値の差≦位相差±ばらつき範囲内でない場合にはステップS40に戻り再度ステップS40乃至S70を繰り返す。そして、周期性のノイズ(妨害電波)がプリアンブルのPN符号に混入している場合であっても、位相差のばらつきがS70における式で決定される範囲内である場合にはステップS80に進む。すなわち、S50で連続相関ピークのばらつき範囲を所定範囲内に抑えただけでは周期性のあるノイズが含まれる可能性があるからである。このような周期性のあるノイズが含まれる場合は、例えば同じ周波数帯を用いた別のスペクトル拡散通信システムが近距離で稼働する時などに発生する。S80以降は、周期性のあるノイズが含まれる場合を想定して採用されたステップであり、各プリアンブル間の位相差に着目している。ステップS60,S70は、図7の(b)部分に関する処理である。ステップS40乃至S70は常に動いて、タイムアウト後に即動作できるようにする。
【0029】
ステップS80:最終のプリアンブルの代表値を基準にコード同期を行い、ステップS90ではコード検出(Code detect:CD)を行う。つまり、ステップS80,S90は、連続性に続いてプリアンブル間の位相差もOKならばコード同期に移行する処理である。
【0030】
ステップS100:S20のタイマー(T)をスタートさせて、ステップS110のフレームのパターンマッチングが行えた場合には、ステップS130に進む。ステップS110でフレームのパターンマッチングが行えない場合には、ステップS120にてタイマー(T)タイムアウトしなければステップS110に戻り、タイムアウトすればステップS20に戻って、ステップS20から後の処理を全てやり直すことになる。S100のタイマーは、フレームを検出する間のタイマーである。コード同期までOKであっても、電波環境によっては、ステップS120のタイムアウトの事態は結構あり得る処理になる。
【0031】
ステップS130:フレーム検出(Flame detect:FD)を出力して、ステップS140では、レシーブタイミングクロック(Receive timing:RT)に同期して、レシーブデータ(Receive data:RD)を出力して終了する。このステップS110,S130,S140はデータの復調への移行段階である。
【0032】
なお、図2の各プリアンブルPR1,PR2,PR3,PR4は、同じPNパターンを用いており、位相が異なるのみである。
【0033】
図6は、データ復調動作のシーケンスの例を示すフローチャートである。ステップS9:同期捕捉及びチャンネル識別シーケンスでの相関ピークを中心に、ウィンドウを設定する。ステップS10:上記ウィンドウ内での和(Σ)信号と差(Δ)信号のピークレベルを比較する。ステップS11:上記比較によりウィンドウ内での相関ピーク位置を検出する。ステップS12:検出された相関ピーク位置に応じてPNG22の位相制御を行う。ステップS13:以上のデータ復調動作をデータ終了まで繰り返す。なお、S12における位相制御は、データレートとの関連で省略することが可能である。
【0034】
A.各プリアンブル間における位相差のばらつき範囲
ステップS70における各プリアンブル間での位相差のばらつき範囲を設定するにはレジスタが用いられ、例えば0ないし15(4ビット)の範囲が設定される。そして別のレジスタで設定する各プリアンブル間の位相差データをもとに計算した予測相関ピーク位置からプラス方向もしくはマイナス方向への設定範囲以内のばらつき範囲であるか否かを計算する。各プリアンブル間の位相差(図7中、Δ1、Δ2、Δ3で示す)が設定したばらつき範囲に同時に検出されれば、ある出力端子が”H”レベル(非同期出力)になる。これにより、最大相関ピーク位置の連続周期性及び各プリアンブル間の位相差が設定した範囲内に検出されたことになるので、図5に示すステップS90においてコンボルバを用いた通信システム(MDM2)は、/CDを出力して初期同期過程からステップS100以降のデータ復調過程に移行する。
【0035】
B.最大相関ピーク位置の連続周期性判定時におけるエッジ判定しきい値
図8はピーク位置の連続周期性の判定におけるばらつき範囲の求め方を示しており、最大相関ピーク位置の連続周期性判定におけるばらつき範囲を求める際に、STBをまたがる形で存在している場合には、単純にばらつき(最大−最小)の計算ができず、特別の処理を施さなければならない。そのためばらつき範囲の計算をどちらの処理で行うかを決める選択条件を与えるのが、ここに設定するしきい値である。0乃至15(4ビット)の範囲で設定(分解能はシステムクロックによる)し、STBを基準に2本のしきい値を設ける。例として、図8に示すように、設定しきい値”2”の場合は、(1+2=3)と(23−2=21)の2つの位置にしきい値が設けられる。連続性が検出され、かつ全ての最大相関ピーク位置が、設定されたしきい値の範囲内にあった場合は、図8に示すようなSTB近傍の処理を施し、ばらつき範囲を求める。
【0036】
C.STB遅延用設定値
図7におけるステップS90において、/CD出力後に、データ復調過程において通信システムはウィンドウを生成する。ウィンドウは設定した位置及び幅情報をもとにSTBに対して生成されるが、STB間をまたがるウィンドウは生成できない。故に、STB間をまたがるような最大相関ピークに対応すべく、通常のSTB(Normal−STB)に対して数チップ遅れた仮のSTB(Variable−STB)を用意することにより、図7におけるデータ復調過程においては見かけ上STB(V−STB)間にまたがらない形で最大相関ピーク位置がずれるために、適切な位置にウィンドウを生成できる。
【0037】
同期捕捉動作が正常に行われれば、データ復調過程でのピーク位置は一意に決まるので、一度最適なV−STBの遅延値を決めてしまえば、その後このレジスタへの変更の必要はない。また、同期捕捉後、最大相関ピーク位置がSTB(N−STB)にまたがっていない場合は”0”設定のままで良い。尚、コンボルバへの参照PNコードは、常にN−STBに同期しており、ASIC内部のみ同期捕捉後V−STBを通常のSTBと見なして信号処理を行っている。
【0038】
図9は、対等分散形データ通信システムの概要を示す。
【0039】
図9において、A乃至C局には図1に示すような送受信装置が設けられており、相互に通信が可能であって、それぞれの送信先識別部(DA)をPP1乃至PP3とする。送信先の識別パターンをセットしたRFフレームを送信することで、特定の局以外でのフレーム受信をシステムの物理層レベルで排除することが可能である。そのため従来の通信方式に見られるように一度RFフレームを受信した後に、そのDAを解析し、受信データを破棄するか否かの判定が不要になり、受信したデータは全て自局宛データと判断し、DA解析処理が不要となる。
【0040】
これにより受信時の信号処理のアルゴリズムを単純化し、RFフレーム受信に関する処理時間短縮を図ることができる。しかも従来の対等分散形ネットワークシステムでは隣接したサービスエリアからのデータを誤って受信してしまったり(同一DAが与えられてしまっていた場合)、送信データが傍受されてしまったりする危険性があるが、この方式を採用するとDAが全ての局で異なるので、物理層レベルで誤って受信したり、傍受されたりする可能性を排除できる。
【0041】
図10は、ポーリング方式のデータ通信システムの概要を示す。
【0042】
図10において、AないしC局には図1に示すような送受信装置が設けられており、相互に通信が可能であって、それぞれの送信先識別部(DA)をPP1ないしPP3とする。ポーリング方式のデータ通信を行う場合、親局Aは子局B,Cに対し、送信先識別部PP1ないしPP3と共にポーリングパケットPOLを送信する。子局B,CはポーイングパケットPOLを受信した時点で、送信板が与えられ、もし送信するべきデータがあれば送信を行う。ポーリング方式の場合、親局AがポーリングパケットPOLを組み立て、これを送信し子局B,CからのデータDATAの受信を開始する。あるいは子局B,Cからのデータ送信がないためタイムアウト処理により次のポーリングパケット組み立てまでの時間、即ちポーリングパケットの送信可能な時間間隔をポーリング周期と呼び、このポーリング周期が短いほど、チャンネル利用効率の高いシステムが構成できる。
【0043】
本実施形態では、擬似雑音符号(PN)の相関ピークの検出を、従来のようなスレショ−ルドレベルを用いては行なっていない。
【0044】
この理由としては、▲1▼正しい信号であってもしきい値を越えない可能性があること。▲2▼ノイズがしきい値を越えた時にコード同期に移行してしまって、チャンネル識別以降に理屈の上では永久に行かなくなる。タイマーを短くすることも考えられるが、何サイクルかは必要なので限度がある。タイムアウトする(コード同期でトリガをとる)前に、また正しい信号がくればNGであり、正しい相関ピークの位置は決まっているのでプリアンブル以降のフレームパターン(識別2)の途中で誤動作する可能性があることである。
【0045】
本実施形態では、スレッショールドレベルの設定を行わずに、1つ又は複数のプリアンブルを繰り返すことにより、データ部を復調するに先立って送信先相手を特定して通信できるような高速なメディアアクセスを、あまり電波環境の良くない条件下でも確実に行うことができる。本実施形態は電波環境の悪い所での通信に有用であり、例えば工場内における指令装置と無人搬送機との間における無線通信や、販売時点情報管理(POS)システム等に採用できる。
【0046】
本発明は上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない限り種々変形することができる。図2において、プリアンブルは4つ記載されているが、プリアンブルは1つ、2つ、3つあるいは5つ以上であってもよい。
【0047】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、スレッショールドレベルの設定を行わずに、送信信号の複数設けられたプリアンブル中の擬似雑音符号と参照用の擬似雑音符号との相関ピークの周期性を検出して連続相関ピークのばらつき範囲が所定範囲内であり、かつ、各前記プリアンブル間の位相差が設定したバラツキ範囲に同時に検出された場合に前記送信信号が自局宛データであると判断する手段を備えるので、データ部を復調するに先立って、送信先相手を特定して通信することができるので、あまり電波環境の良くない条件下でも高速なメディアアクセスをほぼ確実に行うことができる。
【0048】
請求項2及び請求項3に記載の発明によれば、送信信号には複数のプリアンブルが設けられるので、夫々のプリアンブル中の擬似雑音符号と参照用の擬似雑音符号との相関ピークの周期性を検出して所定の相関ピーク数が算出されるので、例えば妨害電波に周期性があったとしても、データ部を復調するに先立って送信先相手を特定して通信することができ、あまり電波環境の良くない条件下でも高速なメディアアクセスを確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスペクトル拡散通信システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図2】本発明で使用される送信信号のフレーム構成の一例を示す図である。
【図3】SAWコンボルバの一例を示す図である。
【図4】復調部の構成の一例を示す図である。
【図5】信号処理を示すフロー図である。
【図6】データ復調動作シーケンスを示すフロー図である。
【図7】信号のフレームにおけるPNコード例等を示す図である。
【図8】最大相関ピーク位置の連続周期性の判定におけるばらつき範囲の求め方を示す図である。
【図9】対等分散形データ通信システムの概要を示す図である。
【図10】ポーリング方式のデータ通信システムの概要を示す図である。
【符号の説明】
T 送信装置(送信手段)
R 受信装置(受信手段)
13,22 擬似雑音発生手段(PNG)
20 相関装置(コンボルバ)
PN 擬似雑音符号

Claims (2)

  1. 複数設けられたプリアンブルに続いて送信されるべき情報についてのデータを配置したフレーム構成の送信信号を擬似雑音符号を用いてスペクトル拡散変調して送信する送信手段と、
    前記スペクトル拡散変調された送信信号を受信する受信手段と、
    この受信手段に設けられ、前記送信信号のプリアンブル中の擬似雑音符号と参照用の擬似雑音符号との相関ピークの周期性を検出して連続相関ピークのばらつき範囲が所定範囲内であり、かつ、各前記プリアンブル間の位相差が設定したバラツキ範囲に同時に検出された場合に前記送信信号が自局宛データであると判断する手段と、
    を備えたことを特徴とするスペクトル拡散通信システム。
  2. 前記各プリアンブルにおける擬似雑音符号は同じであるが位相はずれていることを特徴とする請求項記載のスペクトル拡散通信システム。
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