JP3932366B2 - 多重ゴールド符号を用いた多重通信系及び疑似乱数系列 - Google Patents

Description

本発明は、スペクトラム拡散通信方式のうち直接拡散方式の多重通信系に係り、とくに多重ゴールド符号を用いた多重通信系に関するものであり、例えば、直接拡散方式を用いた中心局と複数のローカル局といった１対多通信において、中心局から各ローカル局間への通信に利用でき、各ローカル局が低雑音で中心局からの所望の信号を受信できるというものである。さらに、本発明は、相互相関値が０となる疑似乱数系列に関する。

各種無線通信において、雑音や干渉の影響下でも安定した通信を実現できたり、複数の通信をＰＮ(疑似乱数)符号の組み合わせのみで多重化できるようにするため直接拡散方式を用いたスペクトラム拡散通信方式が採用されている。図６に直接拡散方式を用いた多重化されたスペクトラム拡散通信系の概要を示す。

図６における送信系では、各々のディジタル情報１〜Ｕに対して、発振器１０_１〜１０_Ｕからの１次変調信号が乗算器１１_１〜１１_Ｕで乗算され、さらに乗算器１１_１〜１１_Ｕの乗算結果に対して２次変調信号としてのＰＮ符号１〜Ｕがそれぞれ乗算器１２_１〜１２_Ｕで乗算され、各乗算器１２_１〜１２_Ｕの乗算結果は加算器１３で加算される。そして、加算器１３による加算結果はバンドパスフィルタＢＰＦを通過し、ここで所要の周波数帯の送信信号が選択され、送信アンテナ１４より送信電波として放射される。

ここで、変調は２段階に分けて行い、最初の変調を１次変調、後段の周波数帯を広げる変調を２次変調又は拡散変調といい（実際は、１次変調と２次変調が入れ替わっている場合がある）、この１次変調部及び２次変調部を複数個並列に組み合わせることにより、送信信号の多重化を可能としている。なお、図６では、直接拡散方式で最も多く利用されているＢＰＳＫ(Binary Phase Shift Keying)を１次変調の例として用いている。

図６における受信系は各ディジタル情報１〜Ｕに対応してＵ個設置されており、ディジタル情報１を受信するための１番目の受信系では、受信アンテナ２０_１で受信された受信信号はバンドパスフィルタＢＰＦ_１を通り、所要の周波数帯の高周波信号が選択され、乗算器２１_１で送信側と同じＰＮ符号１が乗算され、復調器２２_１でディジタル情報１として復調される。以下同様に、ディジタル情報Ｕを受信するためのＵ番目の受信系では、受信アンテナ２０_Ｕで受信された受信信号はバンドパスフィルタＢＰＦ_Ｕを通り、所要の周波数帯の高周波信号が選択され、乗算器２１_Ｕで送信側と同じＰＮ符号Ｕが乗算され、復調器２２_Ｕでディジタル情報Ｕとして復調される。

図７は、ディジタル情報とディジタル送信信号との関係であって、このディジタル送信信号はディジタル情報とＰＮ符号とが同じ値の場合を＋１、そうでない場合を−１として表している。ここで、ディジタル情報及びＰＮ符号においては、＋１又は−１としているが、双方ともに、論理値「＋１」を−１、論理値「０」を＋１と表現している。ディジタル情報とＰＮ符号を時間的に算術乗算したものがディジタル送信信号となる。各ディジタル送信信号に対する送信信号（アンテナから放射され送信信号）は、＋１に対してsin(2πft)、−１に対して−sin(2πft)となっているが、以降、多重化されたものも含めて送信信号については、ディジタル送信信号を用いて説明することとする。

前記２次変調にて使用するＰＮ符号を拡散符号といい、この拡散符号は、送信信号の多重化を踏まえると、自己相関が強く、相互相関が弱い符号が望まれている。符号の長さの選択肢が広いＰＮ符号とすると、一般に、ゴールド符号となり、多くの直接拡散方式を用いた多重通信にて当該ゴールド符号が用いられている。

ゴールド符号は、図８のようにある条件を満たす２つのプリファードペアのＭ系列生成回路（図８では、符号長３１のＭ系列ａ(t)、ｂ(t)を発生する）を用意し、その出力を加算する（ビット毎の排他的論理和をとる）ことで得られる。図８中、ａ_０〜ａ_４はＭ系列ａ(t)発生用の５段シフトレジスタの各段を示し、ｂ_０〜ｂ_４はＭ系列ｂ(t)発生用の５段シフトレジスタの各段を示す。そして、２つのＭ系列発生器の出力の片方を時間的にずらせていくとそれぞれが全く違う系列になり多数のゴールド符号が生成できる。つまり、巡回的な符号の重複はあるにせよ、各々のＭ系列の初期値ＡとＢが双方共に（０，０，…，０）になることはなく発生された系列が「従来のゴールド符号」である。特に、２つのプリファードペアのＭ系列から生成された従来のゴールド符号の性質としては、時間的なずれ（巡回的な時間ずれ）に応じて、相互相関値が−１，−Ｋ，Ｌ（Ｋ及びＬについては図８を参照）と３通りの値のいずれかをとる。

図９は図６のＰＮ符号として従来のゴールド符号を用いた多重化されたスペクトラム拡散通信系の概要を示し、ＰＮ符号１〜Ｕの代わりにゴールド符号１〜Ｕを用いていること以外は図６と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付してある。この図９の受信側では、この多重化されたＵ個の送信信号の中から、所望のゴールド符号Ｖにより拡散されたディジタル情報を抽出するために、当該ゴールド符号Ｖにより逆拡散することになる。ゴールド符号Ｖを用いたディジタル送信信号Ｖと、受信側のゴールド符号Ｖの同期合わせが確立すると、双方の間の相関値がＮ（＝２^ｎ−１、但し、ｎ：Ｍ系列生成回路のシフトレジスタの段数）となり、送信されたディジタル情報を復元でき、当該情報を受信できる一方、他のディジタル送信信号との間は、相互相関値−１，−Ｋ，Ｌの３値のいずれかになるため、相関値合計は、±Ｎ±Ｑ_１±Ｑ_２±…±Ｑ_Ｕ−１となる。ここで、Ｑ_１，Ｑ_２，…，Ｑ_Ｕ−１は相互相関値の前記３値の絶対値のいずれかの値（例えばＭ系列生成回路のシフトレジスタの段数ｎが５のときは１，７，９のいずれかの値）をとるものとし、相関値合計における±符号の組み合わせは任意とする。それぞれの相関値を±としているのは、拡散されるディジタル情報の値が＋１又は−１の何れかをとるためである。この受信時における逆拡散の際、他のゴールド符号により拡散された信号が雑音となり、受信性能を劣化させる最大要因となっている。

上述のように異なるゴールド符号の相互相関値は、−１，−Ｋ，Ｌ（Ｋ及びＬについては図８を参照）の３通りの値しかとらない。そこで、本発明が解決しようとする課題は、ディジタル情報の値により、これらの相互相関値が±の値をとることはあり得るが、雑音となる相互相関値の影響を小さく押さえるために、ディジタル信号を拡散するために用いた各ゴールド符号間の相互相関値が最小（−１）になるようにすることである。

さらに、もう一つの課題は、相互相関値が最小になる各ゴールド符号を一部変形することにより、相互相関値が０になる新たな疑似乱数符号を生成することである。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、複数のディジタル情報を複数のゴールド符号で多重化して送信する送信系と、前記送信系で送信された信号を受信して、前記複数のゴールド符号のいずれかを用いて前記複数のディジタル情報の中から意図するディジタル情報を取り出す受信系とを備える直接拡散方式による多重通信系において、
２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(t)から一つのゴールド符号を生成し、２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(ｔ−τ)（但し、ｔ：時間、τ：時間シフトでτ≠０である）から他のゴールド符号を生成し、前記一つのゴールド符号と他のゴールド符号の相互間で相関値の絶対値が最小かつ一定値となるように設定して、前記複数のゴールド符号として用い、
前記送信系では、前記複数のディジタル情報のビット間の同期を合わせ、同時間帯の複数個のビットを前記複数のゴールド符号を用いて同期を合わせてそれぞれ拡散し、これらの拡散した送信信号を加算して送信することを特徴としている。

請求項２の発明に係る疑似乱数系列は、２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(t)から一つのゴールド符号を生成し、２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(ｔ−τ)（但し、ｔ：時間、τ：時間シフトでτ≠０である）から他のゴールド符号を生成し、前記一つのゴールド符号と他のゴールド符号の相互間で相関値の絶対値が最小かつ一定値となるように設定してなる複数のゴールド符号に、相互相関値が０となるように１ビット付加して疑似乱数系列とし、さらに、それらの疑似乱数系列うちの一部の系列の符号を反転して生成されたことを特徴としている。

請求項３の発明に係る多重通信系は、請求項１記載の多重通信系において、前記ゴールド符号の代わりに請求項２記載の疑似乱数系列を用いたことを特徴としている。

本発明に係る多重ゴールド符号を用いた多重通信系によれば、相互の相関値の絶対値が最小及び一定値である複数のゴールド符号を用いて複数のディジタル情報を多重化して１つのチャンネルとして一緒に送信するが、所望のディジタル情報を受信する際に、相互の相関値の絶対値が最小であるゴールド符号を用いるため、他のゴールド符号により拡散された信号による雑音を抑制して、受信性能の向上を図ることができる。この結果、本発明は、携帯電話通信、衛星通信、無線通信等の各種通信分野において、ゴールド符号を用いた直接拡散方式による多重化通信に大きな効果をもたらすことになる。

また、本発明に係る疑似乱数系列は、相互の相関値の絶対値が最小及び一定値である前記複数のゴールド符号に１ビット付加して、相互相関値が０となるようにしたものであり、Ｍ系列のように長さが短いものから長いものまで存在し、かつ、１ビット加えただけなので、乱数の面からの特性は、ほぼゴールド符号に近い疑似乱数系列である。相互相関値が０となる疑似乱数系列は、従来ゴールド符号を用いていた通信系（［技術分野］の項目で述べた通信系を含む）や、画像・信号処理分野等において、広く用いることができ、通信、画像・信号処理を用いる産業分野に多大なる効果をもたらすことになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、多重ゴールド符号を用いた多重通信系及び疑似乱数符号の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る多重ゴールド符号を用いた多重通信系（多重化された直接拡散方式によるスペクトラム拡散通信系）の実施の形態を示し、図２はこの実施の形態で用いる多重ゴールド符号の例を示し、図３は本発明のキーポイントとなるゴールド符号の相互相関値の絶対値が最小となるゴールド符号の生成回路を示す。

図１の多重通信系では、多重化された送信信号の中で、受信側において、所望の受信信号以外の信号との相互相関値が−１となるように、ディジタル情報を拡散するために用いる各ゴールド符号の符号順序を揃えている。つまり、本実施の形態の多重通信系では、ゴールド符号１〜Ｕとして図３の生成回路を用いて生成された相互相関値の絶対値が最小となるゴールド符号のみを用いる点（符号の各ビットが巡回的にずれているものは使用しない）が図９の多重化通信系と異なり、その他の構成は同様であるため、同一又は相当部分に同一符号を付してある。

図２の多重ゴールド符号は相互相関値の絶対値が最小（相互相関値が−１）となるように図３の生成回路で生成したものである。

図３で、相互相関値が−１となるゴールド符号の発生方法について説明する。この説明図は、それぞれのゴールド符号生成回路に所属する一方のＭ系列符号生成回路Ｍ１の初期値及び出力値を同一にし、他方のＭ系列符号生成回路Ｍ２の初期値を異なるものにすると、双方のゴールド符号の相互相関値が−１となり、その絶対値が最小になることを示している。

１つのゴールド符号は２つのＭ系列生成回路Ｍ１，Ｍ２の出力ａ(t)，ｂ(t)を加算する（排他的論理和をとる）ことにより生成する。ここで、２つのＭ系列生成回路のうち一方のａ(t)を出力する回路Ｍ１の初期値をある固定値に設定する。すなわち、いずれのゴールド符号生成回路に所属する片方のＭ系列生成回路Ｍ１の出力値が同一になるようにする。もう一方のｂ(t)を出力する回路Ｍ２の初期値はゴールド符号生成回路毎に変化させておく。一般にＭ系列の値には周期性があるのでｂ(t)を出力する回路と初期値が異なっていても別の回路において、ある時間シフトτ（≠０）（＝１，２，３，…）をもった値ｂ(ｔ−τ)が出力される。したがって、図３で生成されたゴールド符号同士の相互相関値Ｘ(τ)は以下のようになる。

このようにａ(t)を共通化し、ｂ(t)の初期値を変化させて複数のゴールド符号を生成すると相互相関値の絶対値を最小にすることができる。ｎをシフトレジスタの段数とすれば、初期値Ｂは２^ｎ−１通り（［１ ０ ０ … ０］，［０ １ ０ … ０］，〜 ，［１ １ １ … １］）に設定できるのでこのようなゴールド符号は２^ｎ−１個存在する。図３のように生成したゴールド符号を用いて、送信側では、同期を合わせてディジタル情報を拡散し、送信し、これを受けた受信側では、所望のディジタル信号を拡散したゴールド符号で逆拡散することにより、他の多重化された信号から受ける影響を最小限にとどめた低雑音の受信が可能となる。

図１の実施の形態では、送信するディジタル情報の多重数Ｕ個に応じて、このように生成された各ゴールド符号

の中から、Ｕ個のゴールド符号を取り出し、送信したい各ディジタル情報１〜Ｕを当該Ｕ個のゴールド符号１〜Ｕにより拡散、多重化し、その多重化された信号を受信し、その中から所望のディジタル情報Ｖを低雑音で抽出する送信系及び受信系を示している。この際、ディジタル情報を拡散する各ゴールド符号は、時間的に相互相関値が−１になるよう同期がとれていることが必要である。また、ディジタル情報１，２，…，Ｕの各ビットの始端、終端は揃っており、ゴールド符号の１周期に対応していることが必要である。つまり、送信系では、Ｕ個のディジタル情報１〜Ｕのビット間の同期を合わせ、同時間帯の複数個のビットを前記ゴールド符号１〜Ｕを用いて同期を合わせてそれぞれ拡散し、これらの拡散した送信信号を加算して送信する。

さらに、ディジタル情報が＋１のとき、それに対する相互相関値は−１、ディジタル情報が−１のとき、それに対する相互相関値は＋１となり、ディジタル情報に応じて相互相関値の値は変化するが、多重化される各ディジタル情報が独立とすると、確率的に＋１，−１が概ね半数となり、受信側で意図するディジタル情報を抽出する場合に、当該意図するディジタル情報以外の全体の相互相関値は、概ね０になり、多重化雑音の低減が実際に図れることになる。仮に、各ディジタル情報の独立性が確保されていない場合は、これらの各ディジタル情報の前に、スクランブルを挿入し、各ディジタル情報の独立性を確保することとする。

次に、図４及び図５を用いて相互相関値が０となる疑似乱数系列の生成方法について述べる。

図３のように発生した各ゴールド符号をＣi ＝（ｃ_ｉ０，ｃ_ｉ１，…）（ｉ＝１〜２^ｎ−１）とすると、任意のＣi とＣj （ｉ≠ｊ）との相互相関値が−１であることから、このゴールド符号の最後に＋１又は−１を加えた系列（以下の説明では図４のように＋１を系列Ｃiの最後に追加するものとする）をＤi ＝（ｃ_ｉ０，ｃ_ｉ１，…，１）とすると、Ｄi とＤj（ｉ≠ｊ）との相互相関値は０となる。最後のビットが＋１と固定されていることから、この最後の値の＋１，−１の均衡を図り、相互のランダム性を確保するために、この中から半数の系列Ｄi の符号を反転して生成された新たな疑似乱数系列Ｅi ＝（ｃ_ｉ０，ｃ_ｉ１，…，１）又は（−ｃ_ｉ０，−ｃ_ｉ１，…，−１）（ｉ＝１〜２^ｎ−１の中で、半数は前者、半数は後者)を作成すれば、任意のＥi とＥj（ｉ≠ｊ）との相互相関値は０となる。例えば、長さ３１のゴールド符号に対しては、図５のようになる。

このような疑似乱数系列は、図１の実施の形態で用いたゴールド符号に取って替わることが可能であり、本発明が対象にしている多重通信方式にて利用できるものである。すなわち、図４及び図５のように生成したＵ個の疑似乱数系列を図１のゴールド符号１〜Ｕの代わりに用いれば、それらの疑似乱数系列の相互相関値は０であるから、図３のゴールド符号を使用する場合と同等以上の低雑音の受信が期待できる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る多重ゴールド符号を用いた多重通信系の実施の形態であって、送信系及び受信系双方のブロック図である。 本発明の実施の形態において、ディジタル情報を拡散するために用いる相互相関値の絶対値が最小かつ一定値のゴールド符号の例を示す波形図である。 本発明の実施の形態において、キーポイントとなるゴールド符号の相互相関値の絶対値が最小かつ一定値になるようなゴールド符号の生成回路を示すブロック図である。 本発明に係る相互相関値が０となる疑似乱数系列の実施の形態であって、図３により発生された長さ３１のゴールド符号を基に疑似乱数系列を生成する生成回路を示すブロック図である。 図４の生成回路で生成した疑似乱数系列Ｄｉの半数を符号反転して疑似乱数系列Ｅｉを生成する過程を示す説明図である。 直接拡散方式を用いたスペクトラム拡散通信系のブロック図である。 送信したいディジタル情報、拡散するためのＰＮ符号、及びこれらの双方を算術乗算したディジタル送信信号の時間軸上の関係を示す説明図である。 周期長３１の２個のＭ系列を用いたゴールド符号の生成回路の構成例を示すブロック図である。 直接拡散方式を用いたスペクトラム拡散通信系であって、拡散符号としてゴールド符号を用いた多重通信系のブロック図である。

符号の説明

１０_１〜１０_Ｕ 発振器
１１_１〜１１_Ｕ，１２_１〜１２_Ｕ，２１_１〜２１_Ｕ 乗算器
１３ 加算器
１４ 送信アンテナ
ＢＰＦ，ＢＰＦ_１〜ＢＰＦ_Ｕ バンドパスフィルタ
２０_１〜２０_Ｕ 受信アンテナ
２２_１〜２２_Ｕ 復調器
Ｍ１，Ｍ２ Ｍ系列生成回路

Claims (3)

1. 複数のディジタル情報を複数のゴールド符号で多重化して送信する送信系と、前記送信系で送信された信号を受信して、前記複数のゴールド符号のいずれかを用いて前記複数のディジタル情報の中から意図するディジタル情報を取り出す受信系とを備える直接拡散方式による多重通信系において、
   ２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(t)から一つのゴールド符号を生成し、２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(ｔ−τ)（但し、ｔ：時間、τ：時間シフトでτ≠０である）から他のゴールド符号を生成し、前記一つのゴールド符号と他のゴールド符号の相互間で相関値の絶対値が最小かつ一定値となるように設定して、前記複数のゴールド符号として用い、
   前記送信系では、前記複数のディジタル情報のビット間の同期を合わせ、同時間帯の複数個のビットを前記複数のゴールド符号を用いて同期を合わせてそれぞれ拡散し、これらの拡散した送信信号を加算して送信することを特徴とする多重通信系。
2. ２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(t)から一つのゴールド符号を生成し、２つのＭ系列出力ａ(t)及びｂ(ｔ−τ)（但し、ｔ：時間、τ：時間シフトでτ≠０である）から他のゴールド符号を生成し、前記一つのゴールド符号と他のゴールド符号の相互間で相関値の絶対値が最小かつ一定値となるように設定してなる複数のゴールド符号に、相互相関値が０となるように１ビット付加して疑似乱数系列とし、さらに、それらの疑似乱数系列うちの一部の系列の符号を反転して生成されたことを特徴とする疑似乱数系列。
3. 請求項１記載の多重通信系において、前記ゴールド符号の代わりに請求項２記載の疑似乱数系列を用いたことを特徴とする多重通信系。

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