JP3761895B2

JP3761895B2 - 受信信号を復調する方法および受信機

Info

Publication number: JP3761895B2
Application number: JP52622396A
Authority: JP
Inventors: リパ，ロバート・エー; ホロウベク，ケビン・ジョセフ
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: US5615226A; FI964289A0; WO1996027251A1; KR100198180B1; SE9603901D0; FI112836B; CA2186515A1; CA2186515C; KR970703069A; FI964289A; SE9603901L; SE518787C2; JPH09512691A

Description

発明の分野
本発明は、一般に、通信の分野に関し、さらに詳しくは、受信信号を復調する方法および受信機に関する。
発明の背景
ＩＳ−９５において記載されるような、直接シーケンス符号分割多元接続（ＤＳ／ＣＤＭＡ：Direct Sequence Code Division Multiple Access）セルラ通信システムは自己干渉システムである。このような通信システムでは、多数の移動局および携帯局は同一の地理的エリア内で同一スペクトルを利用する。加入者ユニットからの信号は、自局の拡散符号（すなわち、ユーザ・ロング・コードＰＮシーケンスと、ＩおよびＱのＰＮシーケンス）に基づいて互いに区別される。このようなシステムの容量制限は、システム内の自己干渉の量に依存する。この点を説明するために用いられる類推として、カクテル・パーティの会話について説明する。カクテル・パーティの席上である人物がその隣の人物に話しかけ、部屋に他にだれもいない場合、わかってもらうために大きな声で話す必要はない。さらに人が部屋に入ってきて、会話を始めると、大きな声で話さないと聞こえなくなる。言い換えると、自己干渉が増加して、この干渉を克服するためには送信機パワーを増加しなければならない。さらに多くの人が部屋の中で話し始めると、さらに大きな声で話さなければならなくなり、他の人も大きな声で話さないと聞こえなくなる。最終的には、他人と区別して聞こえるためには無限大のパワーを必要とする。すなわち、これが容量制限である。
このカクテル・パーティの類推をさらに押し進めると、部屋の中の全員が難聴の場合、全員が通常の聴覚を有する場合に比べて、他の客からのより高い干渉レベルで会話を始める。従って、全員が聴覚がよい場合、同時に会話できる数は増加する、すなわち、システム容量は増加する。その結果、ＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおける受信機感度を向上させるという大きな効果が得られる。受信機感度の向上は、必要な送信機パワーの量を直接低減し、その結果、自己干渉の量も低減する。セルラ・システム容量を増加すると、オペレータの収益は増加し、加入者が享受するサービスも向上する。
ＤＳ／ＣＤＭＡシステムにおける標準的な受信機は、送信信号を非コヒーレントに検出する。非コヒーレント検出は、２つの送信信号の間の位相差を考慮に入れない。標準的な非コヒーレント受信機は、まず受信信号を逆拡散（despread）し（すなわち、ＩおよびＱのＰＮシーケンスと、ユーザのロング・コードＰＮシーケンスを除去する）、データのウォルシュ・シンボルを蓄積する。この逆拡散・蓄積されたデータに対して、高速アダマール変換（ＦＨＴ：Fast Hadamard Transform）が実行される。ＦＨＴは、送信機によって送信された可能性のある６４個の可能なウォルシュ・シンボルに対して、逆拡散信号を実質的に相関する。次に、受信機は、最大エネルギ（このエネルギは、ＩベクトルおよびＱベクトルの二乗を加算することによって求められる）を有するウォルシュ・シンボルを選択する。非コヒーレント受信機はエネルギ検出器であり、送信信号の位相を利用しない。コヒーレント復調のビット誤り率（ＢＥＲ：bit error rate）性能は非コヒーレント復調よりも優れていることは周知である（Sklar, Digital Communications, ISBN 0-13-211939-0, Prentice Hall 1988, p. 161-164）。
従って、いくつかのシンボル上でチャネルまたは適応チャネルのコヒーレンスを利用するコヒーレント復調方式を採用することにより、受信機の感度を改善する方法および受信機が必要とされる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、送信機のブロック図である。
第２図は、受信機のブロック図である。
第３図は、ウォルシュ行列である。
第４図は、ＣＤＭＡタイム・フレームのタイムチャートである。
第５図は、既約状態（reduced states）のアレイである。
第６図は、既約状態シーケンス推定器の一部のブロック図である。
図面の詳細な説明
要するに、本発明は、ＤＳ／ＣＤＭＡ受信信号における誤りの可能性を低減する方法および受信機を提供する。このように誤りの可能性を低減することにより、送信パワー条件が低くなり、それによりＤＳ／ＣＤＭＡセルラ電話システムにおけるシステム容量が増加する。このシステム性能の向上は、既約状態シーケンス推定器（ＲＳＳＥ：Reduced State Sequence Estimator）の効率的な構築によって得られる。
第１図は、ＤＳ／ＣＤＭＡセルラ電話システムの逆方向リンク（移動局から基地局）で用いられる基地局送信器１０を示す。音声信号またはデータ信号１２は、符号化部１４に入力され、符号化信号１６が得られる。符号化信号１６は、好ましくは一度に６シンボルで、固有の６４相シンボルに６４相直交変調器（64-ary orthogonal modulator）１８によってマッピングされる。好適な実施例では、６４相直交変調器は、第２図に示すウォルシュ行列である。この６個の符号化シンボルは、式Ｃ₀＋２Ｃ₁＋４Ｃ₂＋８Ｃ₃＋１６Ｃ₄＋３２Ｃ₅＝ｉによってマッピングされ、ここでＣ_0〜5は符号化シンボルであり、ｉは出力ウォルシュ・シンボルのインデクスである。シンボルは１または０のいずれかなので、上式は６個のシンボルを６４個のウォルシュ・シンボルのうちの１つに固有にマッピングする。６４相変調器の出力はウォルシュ・シンボルであり、最大６４個のウォルシュ・チップ（Walsh chip）（ウォルシュ行列における行）からなる。
この変調器に接続されるのは、ロング疑似ランダム・ノイズ（ＰＮ）シーケンス２２をウォルシュ・チップと加算する加算器２０である。加算器２０の出力は、同相すなわちＩチャネル２２と、直交相すなわちＱチャネル２４とに分離される。Ｉチャネル２２は、加算器２０の出力をＩＰＮシーケンス２８と加算する加算器２６を有する。Ｑチャネル２４は、加算器２０の出力をＱＰＮシーケンス４０と加算する加算器３８を有する。加算器３８は、遅延素子４２に接続される。次に、ＩデータおよびＱデータは、帯域通過濾波３０，４４，混合３２，４５，加算３４されて、搬送周波数信号となり、アンテナ３６によって送信される。この結果、入力データ・ストリームのオフセットＱＰＳＫ変調が行われる。
入力音声信号１２は、フル・レート（９６００ｂｐｓ）１０４，１／２レート（４８００ｂｐｓ）１０６，１／４レート（２４００ｂｐｓ）１０８または１／８レート（１２００ｂｐｓ）１１０のいずれかである。第３図は、ＣＤＭＡタイム・フレーム１００における各レート・データの送信の例を示す。タイム・フレーム１００は、１６個のパワー制御グループ１０２からなる。パワー制御グループ１０２は、６個のウォルシュ・シンボル１１２からなり、各ウォルシュ・シンボル１１２は、６４個のウォルシュ・チップ１１４によって定義される。最後に、各ウォルシュ・チップ１１４は、４つのＰＮチップ１１８を有する。着信データ・レート（フル，１／２，．．．）は、ユーザの音声アクティビティによって決定される。ユーザがあまり話さない期間は１／８レートで符号化され、連続的で速い会話はフル・レートで符号化される。タイム・フレーム１００においてどのパワー制御グループがアクティブかは、ロング・コード２２および音声アクティビティによって決定される。
基地局における受信機６０（第４図参照）は、受信信号をデジタル化音声信号に変換する。アンテナ６２に接続されるのはＲＦダウンコンバータ／サンプラ６３であり、既知の方法で受信信号を処理して、受信信号のオーバサンプリングされた（例えば、８倍オーバサンプリング）ベースバンド表現を得る。このベースバンド表現は逆拡散器（despreader）６４に入力され、ロング・コードＰＮシーケンスとＩおよびＱＰＮシーケンスとを利用してオフセットＱＰＳＫプロセスの逆を行う。逆拡散された信号は、高速アダマール変換（ＦＨＴ）６６に入力され、６４個の受信ウォルシュ・チップのうち適切なグループを、６４個の可能なウォルシュ・シンボルのそれぞれと相関する。この相関の結果、Ｉ大きさ，Ｑ大きさおよび各ウォルシュ・シンボルのインデクスが得られる。Ｉ大きさ，Ｑ大きさおよび各ウォルシュ・シンボルのインデクスは、既約状態（reduced state）という。これらの既約状態は、そのエネルギによって分類され、このエネルギは、Ｉ大きさおよびＱ大きさを二乗して、これらの二乗を加算することによって算出される。最も高いエネルギを有する所定の数の既約状態は、既約状態シーケンス推定器（ＲＳＳＥ：Reduced State Sequence Estimator）６８に転送される。ＲＳＳＥ６８がパワー制御グループ１０２を構成する６個すべてのウォルシュ・シンボル１１２の既約状態を収集すると、すべての既約状態の経路エネルギ（path energy）を算出し、最も高いエネルギを有する経路を選択する。この計算については、第５図および第６図を参照して以下でさらに詳しく説明する。最高エネルギ（最良の）経路は、パワー制御グループにおいて送信された６個のウォルシュ・シンボルのうち最良推定量を決定する。この情報から、送信ウォルシュ・シンボルのインデクスに対応する６個の符号化シンボルが判定され、復号器７０に送られる。次に、復号器７０は、第１図における入力音声信号１２に対応するデジタル化音声またはデータ信号７２を出力する。
ＲＳＳＥ６８は、最も大きいコヒーレント・エネルギを有する経路を選択することによって、受信機６０の感度を向上させる。従って、本発明により、受信機感度が０．７ｄＢ増加し、これはＤＳ／ＣＤＭＡセルラ通信システムのシステム容量を直接増加する。
第５図および第６図は、ＲＳＳＥ６８における経路エネルギの計算方法を示す。上述のように、ＦＨＴ６６の出力は、ＲＡＭ３００に格納される所定の数の既約状態（ＲＳ）２００である。好適な実施例では、最も高いエネルギを有する４個の既約状態２００が各ウォルシュ・シンボル（ＷＳ）２０２について格納される。既約状態２００のエネルギは、既約状態２００のインデクスを有するウォルシュ・シンボル２０２が送信された可能性に関連する。第５図に示すように、パワー制御グループにおける各６個のウォルシュ・シンボル２０２について、４個の既約状態２００がＲＡＭ３００に格納される。各既約状態２００は、Ｉ大きさ２０４，Ｑ大きさ２０６およびインデクス２０８を収容する。経路２１０は、６個のウォルシュ・シンボル２０２のそれぞれについて一つの既約状態２００を選択することによって決定される。例えば、一つの経路２１０｛ＰＡＴＨ（１，１，１，１，１，１）｝は、ＲＳ₁₁，ＲＳ₂₁，ＲＳ₃₁，ＲＳ₄₁，ＲＳ₅₁，ＲＳ₆₁である。経路エネルギ２１２は、経路２１０におけるすべての既約状態２００のＩ大きさ２０４を加算し、この和を二乗し、経路２１０におけるすべての既約状態のＱ大きさ２０８の和の二乗を加算することによって算出される。ＲＳＳＥ６８は、各経路２１０についてこのエネルギ２１２計算を行い、最も高いエネルギ２１２の経路２１０を選択する。
すべての経路エネルギ２１２を計算するかなり大きな演算タスクは、すべての経路２１０は他の経路２１０と一つの既約状態だけ異なることに注目することにより、低減できる。例えば、ＰＡＴＨ（１，１，１，１，１，１）は、ＰＡＴＨ（１，１，１，１，１，２）と、ＷＳ₆における一つの既約状態２００だけ異なる。具体的には、新たな既約状態ＲＳ₆₂は、省略された既約状態ＲＳ₆₁を置換する。これにより、新たな経路エネルギ｛ＰＡＴＨ（１，１，１，１，１，２）｝は、ＲＳ₆₂およびＲＳ₆₁におけるＩ大きさおよびＱ大きさの差、すなわちＩｄｉｆｆｆおよびＱｄｉｆｆをとり、そしてこれらの差をＰＡＴＨ（１，１，１，１，１，１）のＩ大きさの和およびＱ大きさの和に加算することにより求めることができる。その結果、新たなＩ和およびＱ和は、５つの加算ではなく、一つの減算および一つの加算のみを必要とする。これは、ＲＡＭ３００における既約状態２００のすべての経路エネルギ２１２の効率的な計算を可能にする。
第６図は、ＲＳＳＥ６８の好適な実施例を示す。開始時に、レジスタ３０２は０で一定に維持され、ＲＡＭ３００からのＲＳ₁₁のＩ大きさ３０４｛Ｉｍａｇ（１，１）｝は、減算器３０４においてそれから０だけ減算され、その結果はレジスタ３０６に格納される。次に、Ｉｍａｇ（１，１）は、レジスタ３０８内の中間和、すなわちこの場合、０、と加算器３１０において加算され、その結果はレジスタ３０８に格納される。このプロセスは、すべて６個のＩ大きさ２０４が加算されるまで繰り返され、結果はレジスタ３１１に格納される。
次の経路｛ｐａｔｈ（１，１，１，１，１，２）｝２１０のＩ大きさを計算するため、ＲＳ₆₁のＩ大きさがレジスタ３０２に格納され、Ｉ大きさＲＳ₆₁｛Ｉｍａｇ（６，１）｝とＲＳ₂｛Ｉｍａｇ（６，２）｝との間の差が減算器３０４において求められ、その結果はレジスタ３０６に格納される。さらに、｛Ｉｍａｇ（６，２）｝はレジスタ３０２に格納される。次に、レジスタ３０６における差は、前回の経路｛Ｐａｔｈ（１，１，１，１，１，１）｝のＩ大きさに加算され、その結果はレジスタ３０８に格納される。新たな経路の和は、レジスタ３１１に格納される。この経路の全Ｉ大きさは、乗算器３１２において二乗され、経路の全Ｑ大きさは、乗算器３１４において二乗され、それらの結果はレジスタ３１６，３１８に格納される。これらの二乗大きさは加算器３２０において加算され、その結果すなわち経路エネルギ２１２はレジスタ３２２に格納される。
レジスタ３２２における経路エネルギは、これまで算出された最高エネルギ経路３２６と減算器３２４において比較される。レジスタ３２２における新たな経路エネルギがレジスタ３２６における最高経路エネルギよりも高い場合、３２２におけるエネルギはレジスタ３２６にゲート入力される。３２２におけるエネルギ３２６におけるエネルギよりも小さい場合、処理は次の経路エネルギについて継続する。経路２１２の既約状態２００のインデクスは、レジスタ３２８に保存される。この経路のエネルギに関する処理が継続するにつれて、経路インデクスはレジスタ３３０，３３２，３３４，３３６でシフトされる。経路のエネルギがレジスタ３２６に格納されたエネルギよりも大きい場合、関連経路のインデクスはレジスタ３３８にゲート入力される。すべての可能な経路についてこれを繰り返すことにより、最良経路エネルギが判定され、レジスタ３２６に格納され、この経路を構成する既約状態はレジスタ３３８に格納される。経路２１２のＩ大きさおよびＱ大きさは、ＲＡＭ３００内にある。
レジスタ３３８におけるインデクスから、符号化シンボルを判定できる（符号器１４からの符号化シンボルを用いて、固有ウォルシュ・シンボルを判定する、第１図の送信機１００の説明を参照）。ＣＤＭＡシステムの受信機６０内のＲＳＳＥ６８を利用することにより、リンク・マージンにおいて０．７ｄＢの利得が得られる。第６図に示すＲＳＳＥ６８の好適な実施は、ＲＳＳＥをリアルタイムに実行することを可能にする。その結果、ＲＳＳＥはＤＳ／ＣＤＭＡセルラ通信システムの基地局において実施できる。
本発明について特定の実施例とともに説明してきたが、多くの変更，修正および変形例は、上記の説明を鑑みて当業者に明白なことは明らかである。例えば、ＲＳＳＥ６８は、汎用プロセッサにおいて実施でき、異なる数の既約状態またはウォルシュ・シンボルを用いて、経路エネルギを計算でき、また受信機は多重フィンガ（multiple fingers）を有するレーキ受信機（rake receiver）でもよい。従って、本発明は、請求の範囲の精神および広い範囲内に入るこのような一切の変更，修正および変形例を網羅するものとする。

Claims

受信信号を復調する方法であって、
（ａ）前記受信信号における第１シンボルの第１群の既約状態それぞれのエネルギを判定するステツプと、
（ｂ）前記第１群の既約状態それぞれのエネルギに基づいて、前記第１群の既約状態から第１サブセットの既約状態を選択するステップと、
（ｃ）前記受信信号における第２シンボルの第２群の既約状態のエネルギを判定するステップと、
（ｄ）前記第２シンボルの前記第２群の既約状態それぞれのエネルギに基づいて、第２サブセットの既約状態を選択するステップと、
（ｅ）第１サブセットの既約状態から選択された第１既約状態と、第２サブセットの既約状態から選択された第２既約状態とからなる第１経路について、Ｉ値和と、Ｑ値和とを求めるステップと、前記第１経路エネルギを算出するステップと、
（ｆ）第１サブセットの既約状態から選択された前記第１既約状態と、第２サブセットの既約状態から選択された第３既約状態とからなる第２経路について、第２経路エネルギを算出するステップと、
（ｇ）前記第１経路エネルギと前記第２経路エネルギとを比較するステップとによって構成されることを特徴とする方法。
前記第１経路エネルギおよび第２経路エネルギのうちから最も高いエネルギを有する経路を選択するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
ステップ（ｂ）は、最も高いエネルギを有する既約状態を第１サブセットの既約状態として選択するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
前記第２経路エネルギを求めるステップは、第２既約状態および第３既約状態に起因するＩ値和の差およびＱ値和の差を判定することからなる請求項１記載の方法。
信号を復調する方法であって、
（ａ）受信信号を逆拡散するステップと、
（ｂ）ウォルシュ・シンボルを構成する複数のウォルシュ・チップを収集するステップと、
（ｃ）出力としての複数のウォルシュ・コード・インデクスのそれぞれについて対応するＩ大きさおよびＱ大きさを有するウォルシュ・シンボルに対してＦＨＴを実行するステップと、
（ｄ）各対応するウォルシュ・コード・インデクスについてエネルギを判定するステップと、
（ｅ）最も高いエネルギを有する所定の数のインデクスを選択し、ＩおよびＱ大きさならびに対応するインデクスを既約状態として保存するステップと、
（ｆ）所定の数のウォルシュ・シンボルについて、ステップ（ｂ）ないし（ｅ）を反復するステップと、
（ｇ）第１経路における既約状態の複数のＩ大きさおよび複数のＱ大きさを加算し、前記所定の数のウォルシュ・シンボルのそれぞれに関連する少なくとも一つの既約状態からなる前記第１経路について、エネルギを判定するステップと、
（ｈ）現在の経路から一つの既約状態だけ異なる次の経路を選択するステップと、
（ｉ）省略された既約状態から新たな既約状態のＩ大きさおよびＱ大きさの差を判定して、Ｉ差およびＱ差を得るステップと、
（ｊ）前回の経路のＩ大きさをＩ差大きさに加算することにより次の経路のＩ大きさを算出し、また前回の経路のＱ大きさをＱ差大きさに加算することにより次の経路のＱ大きさを算出するステップと、
（ｋ）前記次の経路のエネルギを判定するステップと、
（ｌ）前記次の経路のエネルギが前回算出されたどの経路のエネルギよりも大きい場合に、前記次の経路のエネルギをメモリに保存するステップと、
（ｍ）すべての可能な経路について、ステップ（ｈ）ないし（ｌ）を反復するステップと
によって構成されることを特徴とする方法。
受信信号を復調する、ＣＤＭＡ通信システムにおける受信機であって、スペクトル拡散信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに応答する逆拡散装置と、
前記逆拡散装置に応答して、それぞれが前記スペクトル拡散信号における第１シンボルに関連している第１群の既約状態を生成する手段と、
それぞれが前記スペクトル拡散信号における第２シンボルと関連している第２群の既約状態を生成する手段と、
前記第１群の既約状態から選択された第１既約状態と、前記第２群の既約状態から選択された第２既約状態とからなる第１経路の第１経路エネルギを算出する手段と、
前記第１群の既約状態から選択された前記第１既約状態と、前記第２群の既約状態から選択された第３既約状態とからなる第２経路の第２経路エネルギを、第２既約状態と第３既約状態との間におけるＩ大きさの差およびＱ大きさの差によって算出する手段とを備える受信機。
受信信号を復調する、ＣＤＭＡ通信システムにおける受信機であって、
スペクトル拡散信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに結合され、Ｍ相チップをその出力として有する逆拡散器と、
前記逆拡散器に結合され、複数の既約状態をその出力として有する変成器と、
前記変成器に結合され、既約状態のエネルギに基づいて所定の数の既約状態を選択する比較器と、
前記比較器に結合され、所定の数のシンボルについて選択された既約状態を保存し、また現在の経路から一つの既約状態だけ異なる次の経路を選択することにより複数の経路について既約状態の経路エネルギを算出するシーケンス推定器であって、前記経路におけるＩ大きさの和を判定し、かつ前記経路におけるＱ大きさの和を判定することにより、各経路のエネルギを算出するシーケンス推定器と、前記次の経路のＩ大きさの和は、省略された既約状態と新たな既約状態との間のＩ差を判定し、前記Ｉ差を現在の経路のＩ大きさの和に加算することによって算出されることと、
前記シーケンス推定器に結合された復号器とを備える受信機。
信号を復調する方法であって、
それぞれが前記信号に関連する第１シンボルに基づく第１群の既約状態を形成するステップと、
それぞれが前記信号に関連する第２シンボルに基づく第２群の既約状態を形成するステップと、
前記第１群の既約状態から選択された第１既約状態と、前記第２群の既約状態から選択された第２既約状態とからなる第１経路の第１経路エネルギを算出するステップと、
前記第１群の既約状態から選択された前記第１既約状態と、前記第２群の既約状態から選択された第３既約状態とからなる第２経路の第２経路エネルギを、第２既約状態と第３既約状態との間におけるＩ大きさの差およびＱ大きさの差によって算出するステップと
によって構成されることを特徴とする方法。