JP3949053B2 - 無線通信システムにおいて、所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置 - Google Patents
無線通信システムにおいて、所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
（分野）
本発明は一般に、無線通信システムに関し、より詳細には、無線通信システムにおいて複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置に関する。
【０００２】
（背景）
先行技術を利用したのディジタル無線通信システムは、固定同期符号を利用して、レシーバのタイミングと受信信号のタイミングとを同期させている。このような同期符号は、所定の間隔で送信されるか、又はプリアンブルに従って送信される。送信の度に固定同期符号が変わることはないため、同期符号の送信出力も変化しない。このため、固定同期符号と受信信号との相互相関ピークを検出することにより、同期符号を検出することができる。
【０００３】
ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）などの近年提唱されているシステムの中には、非固定の同期符号を利用するものがある。非固定同期符号は、アクセスコードとも呼ばれており、アドレス指定用と同期用のコードとが結合された１つの長いコードである。アクセスコードは、レシーバに対して一時的に割り当てられる。このアクセスコードは、同期符号によって出力が大幅に異なるため、不要な同期符号の誤検出や、純雑音の誤検出を回避しつつ、必要とされる同期信号を正確に検出することが困難となる。
【０００４】
したがって、無線通信システムにおいて、複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置が必要である。このような方法並びに装置は、好適には、エネルギーレベルが広範にわたる同期信号においても正しく動作し、雑音や不要な同期符号を誤検出することはない。
【０００５】
（図面の詳細説明）
図１は、本発明による無線通信システム１００の例を示す電気ブロック図であり、同システムは、第１トランシーバ１０２及び第２トランシーバ１０４からなる。第１トランシーバ１０２及び第２トランシーバ１０４は、好適には相互に無線通信を行なっており、専用ネットワークを構築している。好適には、トランシーバの一方（例えば第１トランシーバ１０２）は「マスター」であり、この専用ネットワークを制御しているのに対し、もう一方のトランシーバ（例えば第２トランシーバ１０４など）は「スレーブ」である。専用ネットワークに、少なくとも１台の付加的なスレーブトランシーバを追加してもよい。この専用ネットワークは、好適には公知のブルートゥース仕様に従って作動する。別法として、他の類似の無線通信システム仕様が使用されることもある。
【０００６】
図２は、通信プロトコルの例を示すタイミング図２００であり、同プロトコルは本発明によるアクセスコード２０２を使用する。図２００は、アクセスコード２０２、ヘッダ２０４、及びペイロード２０６からなる。好適には、アクセスコードの長さは７２ビット、ヘッダの長さは５４ビット、ペイロードの長さは１６〜２７４５ビットである。アクセスコード２０２は、好適には４ビットのプリアンブル２０８、６４ビットの同期ワード２１０、及び４ビットのトレーラ２１２からなる。別法として、上記とは長さ及び構造が異なるアクセスコードを使用してもよい。
【０００７】
アクセスコード２０２は、受信信号の到着タイミングとキャリアオフセットとを導出するための同期信号として、宛先となっているトランシーバ１０４によって利用される。パケット毎にアクセスコードが変わることがあり、正確なアクセスコードを把握しているのは、宛先トランシーバ１０４のみである。メッセージの送信前に、トランシーバは、使用するアクセスコード（所定の同期信号）を、システムすなわちマスタートランシーバ１０２から通知される。アクセスコードが送信された後に、宛先トランシーバではないトランシーバは、次の送信時間スロットまでスリープモードに切り替わる。
【０００８】
トランシーバ１０４は、メッセージを受信するために、先ずそのメッセージがトランシーバ１０４宛てのものか否かを判定する。その際、トランシーバ１０４に割り当てられた所定のアクセスコードが存在するか否かの判定が行なわれる。トランシーバ１０４は、空き時間スロットの間に、雑音の中に所定のアクセスコードを誤検出してはならない。所定のアクセスコードが存在する場合、トランシーバ１０は、パケットのデコードが可能になるように、パケットタイミングとキャリアエラーとを導出する必要がある。
【０００９】
信頼性の高いアクセスコード検出を実現するためには、難題が幾つか存在する。まず、パケット毎にアクセスコードが変わるため、アクセスコードによってアクセスコードのエネルギーが大幅に変動する。例えば、ブルートゥースでは、最大２×２４の異なるアクセスコードが使用され得る。受信した不要な同期信号のエネルギーが、受信した所望の同期信号のエネルギーよりも相当大きいこともある。有効な同期信号（不要、所望を問わず）に先立つ純雑音の出力が、有効な信号の出力よりもはるかに大きいこともある。このような場合、雑音から同期信号への遷移、及び同期信号から雑音への遷移が発生している間に、誤検出を回避することが困難となる。下記に、本発明によって上記の難題がどのように解決されるかを記載する。
【００１０】
図３は、本発明によるトランシーバ１０４の電気ブロック図の例である。本開示では、便宜上、トランシーバ１０４はスレーブトランシーバとして作動することとする。トランシーバ１０４は、所定の同期信号（アクセスコード）を含む可能性のある信号の受信及び復調を行なう通常のレシーバフロントエンド３０２を有する。トランシーバ１０４はさらに、マスタートランシーバ１０２など、別のトランシーバに交信を送信する通常のトランスミッタ３０４を備える。また、トランシーバ１０４は、通常のディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３０６を備える。ＤＳＰ ３０６は、受信信号を処理するためにレシーバフロントエンド３０２と結合されていることに加え、トランスミッタ３０４を制御するためトランスミッタ３０４と結合されている。プロセッサ３０６は、本発明によってプロセッサ３０６をプログラムするための変数及びソフトウェア要素を記憶している通常のメモリ３０８と結合されている。別法として、メモリ３０８が、プロセッサ３０６の内蔵部品としてプロセッサ３０６に包含されていることがある。さらに、電力消費を低減させる必要がある場合、プロセッサ３０６及びメモリ３０８の機能が、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）として実現されることもある。
【００１１】
メモリ３０８には、通信制御プログラム３１０が存在する。プログラム３１０は、トランスミッタ３０４及びレシーバフロントエンド３０２を制御するようにプロセッサ３０６をプログラムして、公知の通信プロトコル（ブルートゥースプロトコルなど）に従って、無線通信システム１００において他のトランシーバ１０２との通信を実現する。メモリ３０８にはさらに、無線通信システム１００によってトランシーバ１０４に割り当てられた所定の同期信号３１２を格納するための空間が存在する。また、メモリ３０８には、複数の受信信号サンプル３１４を格納するための空間も存在し、好適には、この空間は同期ワード２１０を格納するために十分な広さを有する。さらに、メモリ３０８には、受信信号と所定の同期信号３１２との相互相関値を複数個計算し、相関ピークを特定するようにプロセッサ３０６をプログラムする相互相関計算プログラム３１６も存在する。また、メモリ３０８には、所定の同期信号３１２の合計エネルギーを計算及び記憶するようにプロセッサ３０６をプログラムする合計エネルギープログラム３１８も存在する。さらに、メモリ３０８には、相互相関値、受信信号、及び所定の同期信号の関数として、検出計量を複数個計算するようにプロセッサ３０６をプログラムする検出計量（detection metric）計算プログラム３２０も存在する。さらに、メモリ３０８には、合計エネルギー及び受信信号の関数として、対応する複数の適応しきい値を計算するようにプロセッサ３０６をプログラムする適応しきい値計算プログラム３２２も存在する。さらに、メモリ３０８には、複数の検出計量と複数の適応しきい値とを比較して、受信信号に所定の同期信号が含まれるか否かを判定するようにプロセッサ３０６をプログラムする比較プログラム３２４が存在する。さらに、メモリ３０８には、１サンプルインデックス前及び後の非二乗（non-squared ）の検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定し、ピーク非二乗検出計量と前及び後の非二乗検出計量とからシンボルタイミング用の、微調整された相関ピークを計算するようにプロセッサ３０６をプログラムする微調整プログラム３２６も存在する。また、メモリ３０８には、微調整された相関ピークから最終的なキャリアエラー概算値を求めて、微調整された相関ピークからシンボルタイミングを導出するようにプロセッサ３０６をプログラムするキャリアエラー及びシンボルタイミング概算プログラム３２８も存在する。下記に、本発明によるトランシーバ１０４の動作をさらに詳細に記載する。
【００１２】
図４は、本発明による無線通信システムの動作例を示すフロー図４００である。プロセッサ３０６は、４０２（オフライン）において所定の同期信号３１２の合計エネルギーを計算し、これを記憶する。次に、４０４において、レシーバフロントエンド３０２が信号を受信する。信号が受信されると、４０６において、プロセッサ３０６は、受信信号と所定の同期信号（アクセスコード）との相互相関値を複数個計算し、相関ピークを特定する。（マスタートランシーバ１０２によって、複数の異なる同期信号のうちから所定の同期信号が選択され、所定の初期アクセスコードを使用してスレーブトランシーバ１０４に送信される。）４０８において、プロセッサ３０６は、複数の相互相関値、受信信号、及び所定の同期信号の関数として、検出計量を複数個計算する。
【００１３】
プロセッサ３０６は、複数個の検出計量を計算するために、受信信号から対応する複数のキャリアエラー推定値を計算する。また、プロセッサ３０６は、（オフラインで）所定の同期信号のサンプルの和を計算し、複数のキャリアエラー推定値とこの和とを掛け合わせて、調整値を複数個求める。プロセッサ３０６は、複数の調整値によって複数の相互相関値を調整し、これによって非二乗検出計量を複数個生成する。プロセッサ３０６は、複数の非二乗検出計量の２乗を求め、受信信号に所定の同期信号が存在するか否かの判定に用いる検出計量を複数個生成する。
【００１４】
このほか、４１０において、プロセッサ３０６は、対応する複数の適応しきい値を、受信信号及び合計エネルギーの関数として計算する。この作業は、好適には、受信信号の分散を複数個計算し、求めた複数の分散と、所定の同期信号の合計エネルギー及びしきい値定数とを掛け合わせることにより行なわれる。４１２において、プロセッサ３０６は、複数の検出計量と複数の適応しきい値とを比較して、受信信号に所定の同期信号が含まれるか否かを判定する。この作業は、好適には、複数の検出計量のうちの検出計量と、これと対応する複数の適応しきい値のうちの適応しきい値とを比較して、検出計量が対応する適応しきい値よりも大きいか否かを判定することにより行なわれる。検出計量が対応する適応しきい値を超える場合、受信信号に所定の同期信号が含まれると判定される。さらに、検出計量が対応する適応しきい値を超える場合、プロセッサ３０６は、ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスより１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定する。
【００１５】
ピーク非二乗検出計量が特定されたことに応答して、プロセッサ３０６は、ピーク非二乗検出計量と１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量とから微調整された相関ピークの位置を求める。この作業は、好適には、公知の手法によって２次多項式を、ピーク非二乗検出計量と、ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスより１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量とに適合させ、次にピークを数学的に求めることにより行なわれる。微調整された相関ピークの位置が特定されたら、プロセッサ３０６は、微調整された相関ピークの位置から最終的なキャリアエラー概算値を求める。この作業は、好適には、微調整された相関ピークの位置の直前及び直後のサンプルインデックスについて計算したキャリアエラー推定値を一次補間することにより行なわれる。また、シンボルタイミングが相関ピークの位置から導出される。換言すれば、相関ピークの位置は、受信したシンボルの中央点を示す。
【００１６】
下記に、所定の同期信号の検出及び同期のための処理を、数学的に記載する。一実施形態においては、検出計量は下記の式から計算される。
【００１７】
【数１】
上記式において、Ｎは同期信号ｓ（ｍ）の長さ、ｎは現在のサンプルを表す。
受信信号と所定の同期信号との相互相関は、次式によってオンラインで計算される。
【００１８】
【数２】
上記式において、ｘ（ｎ）は受信信号である。
所定の同期信号（オフラインで計算される）の和は、下記のとおりである。
【００１９】
【数３】
キャリアエラーのオンライン概算値は、下記のとおりである。
【００２０】
【数４】
上記式において、ｗ（ｍ）は、好適には長さＮｗの１次全極（ａｌｌ−ｐｏｌｅ）窓関数である。
【００２１】
【数５】
上記式は、接続毎にオフラインで計算される。また、
【数６】
上記は定数である。正しいタイミングで、上記式は正しいキャリアエラーｆｃを与える。別法として、１次全極窓関数に換えて、他の窓関数を用いることもできる。
【００２２】
所定の同期信号の合計エネルギーは、接続毎に次式としてオフラインで計算される。
【００２３】
【数７】
受信信号の分散は、次式としてオンラインで計算される。
【００２４】
【数８】
この検出ロジックにおいて、さらに調整と比較とが行なわれる。まず、受信信号の分散が、同期信号の合計エネルギーと所定の下限（ｆｌｏｏｒｉｎｇ）しきい値との積未満となることは許容されない。
【００２５】
【数９】
これは、雑音が非常に低い場合に、異常に大きな計量を防止することにより行われる。現在のサンプルに対する適応しきい値は、好適には、合計エネルギー、分散、及び所定の定数の積として計算される。続いて、式（１）の分子と適応しきい値とが比較される。（この操作は、式（１）と所定の定数のみとを比較することと同じであり、除算の代わりに乗算を行い、これによって処理を低減させるために行なわれる。）
【００２６】
【数１０】
Ｔｈｒｅａｓｈｏｌｄ（しきい値）Ｉ及びＴｈｒｅａｓｈｏｌｄ（しきい値）ＩＩに対して選択した値は、特定の実施形態によって決まり、経験的に求められる。この検出プロセスは下記のようになる。
【００２７】
【数１１】
まず、非二乗検出計量が計算される。
Ｍ１の直近の３つの値が、評価のためにシフトレジスタに記憶される。
【００２８】
【数１２】
また、検出計量も下記のように計算される。
【００２９】
【数１３】
下記の条件を満たす場合に、受信信号に所定の同期信号が含まれるか否かの判定が行なわれ、相互相関のピークが特定される。
【００３０】
【数１４】
上記に開示したように、本発明は、所定の同期の検出を実施することにより、複数の同期信号候補のうちから、キャリアエラー、雑音及びエネルギー変動による影響を有利に除去する。
【００３１】
所定の同期信号が検出され、相互相関ピークが特定された後に、タイミング及びキャリアエラーの概算が行なわれる。好適には、｛Ｍ１（１），Ｍ１（２），Ｍ１（３）｝の２次多項式ピークを微調整された相関ピークとして使用して微調整されたタイミングを求め、このタイミングを使用して、微調整された相関ピークの位置の直前及び直後のサンプルインデックスについて計算されたキャリアエラー推定値を一次補間することによって、微調整されたキャリアエラー推定値が求められる。図５は、本発明による上記検出プロセスを示すフロー図５００である。フロー図５００は、上記の記載から自明であると考えられる。
【００３２】
直接法で式（１）を計算する場合、メモリと処理能力とが要求される。このため、要求されるメモリと処理能力とを軽減させるべく式（１）の要素を変更することが望ましい。このため、まず、相互相関の計算の効率を高めるようにする。
【００３３】
【数１５】
一実施形態においては、シンボル速度は１００万シンボル／秒である。同期信号は６４シンボルを含み、
【数１６】
シンボル当たりのサンプル数は４である。したがって、上記の相互相関式においてＮは２５６となる。相互相関を直接計算すると、２５６×２＝５１２のメモリ位置が必要となり、０．２５マイクロ秒でさらに２５６回の乗算と２５６回の加算が要求される。これは、１０２４百万命令／秒（ＭＩＰＳ）に相当する。
【００３４】
受信された各シンボルパルスは、約１２サンプルに引き伸ばされる。この同期信号は次の式で表される。
【００３５】
【数１７】
上記式において、ｇｓはシンボルパルスを示す。上記式の右辺を相互相関式に代入し、要求されるメモリと処理能力とを軽減させるために、この式を単純化すると、下記のように変形される。
【００３６】
【数１８】
この変形によって、必要とされるメモリ位置が２５３＋１２＝２６５に、演算回数が乗算６回のほか、６＋５＋６４＝７５回の加算に軽減され、計算が約９５％低減される。さらに、６回の乗算の複雑さは、直接法による３回の乗算の複雑さと等しい。これは、ｇｓ（ｍ）の値が既知であるため、乗算器に取り入れることができるためである。また、αｋ，ｋ＝１，２，．．．，６４からのｓ（ｍ），ｍ＝１，２，．．．，２５６の生成が回避される。演算回数の大幅な低減は、無線携帯トランシーバなどにとって特に重要となる、消費電力の低減に直接寄与する。
【００３７】
図６は、本発明による相互相関Ｒｓｘ（ｎ）の演算を示すフロー図６００である。第１シフトレジスタ６０２は、受信信号ｘ（ｎ）の各サンプルを受け取る。第１シフトレジスタ１０２の１２の位置が取り出されて、この内部に格納されている値が、６個の乗算器にあるｇｓ（ｎ）の６個の値と合算され、１１回の加算が行なわれて、ＲＧＸ（ｎ）が生成される。第２シフトレジスタ６０４は、ＲＧＸ（ｎ）の各サンプルを受け取り、４つおきの位置が取り出されてＲｓｘ（ｎ）が生成される。αｋの値は±１であるため、シフトレジスタ６０４から受け取った値の符号を変更するだけで済み、この値を使用した６４回の乗算が容易なものとなる。
【００３８】
同期シンボルの和も計算する必要がある。
【００３９】
【数１９】
同期シンボル（ｓｙｎｃシンボル）は、次式で表される。
【００４０】
【数２０】
上記式において、ｇｓ（ｍ）は既知のシンボルパルスである。この値は、好適には下記のように正規化されている。
【００４１】
【数２１】
この結果、次式のようになる。
【００４２】
【数２２】
したがって、ＳＳは、２×（偶数整数）として計算され、演算が容易になる。さらに、結果は４×（整数）となり、ＳＳを使用した演算が簡略化される。
【００４３】
次式の演算を、有利に回避することができる。
【００４４】
【数２３】
また、次式の計算も必要である。
【００４５】
【数２４】
１次全極窓（first-order all-pole window ）を使用する。
【００４６】
【数２５】
したがって、ＳＸ（ｎ）の更新は２回の加算のみで済む。これは、下記式
【００４７】
【数２６】
は演算を必要としないためである。図７は、上記技法によるＳＸ（ｎ）の計算方法を示す図７００である。別法として、１次全極窓に代えて、高次の全極窓（２次、３次など）を使用することが可能である。
【００４８】
ＳＸ（ｎ）の直接計算法は、長さＮＷ（２５６など）のシフトレジスタを使用し、サンプルして、矩形窓（rectangular window）ｗ（ｌ）を使用する。この手法においては、各サンプリング間隔において、２回の加算とＮＷサンプルのシフト演算が必要とされる。このため、図７による演算の利点は、長さＮＷのシフトレジスタの回路配線が不要となり、シフト演算に要する電力が低減されることにある。
【００４９】
また、下記の値も効率的に計算する必要がある。
【００５０】
【数２７】
【００５１】
【数２８】
上記式において、αｋ＝±１は同期シンボルであり、ｇｓ（ｍ）はシンボルパルスである。
【００５２】
【数２９】
この計算に１次全極窓
【００５３】
【数３０】
を使用する場合、ＧＷ（ｋ）はメモリに保存しても、必要なときに計算してもよい。このため、演算とメモリ利用率とを最適なものとなる。
【００５４】
受信信号の分散の値も計算する必要がある。
【００５５】
【数３１】
ＶＸ（ｎ）は、メモリを節約するために、サンプル毎にではなく、Ｕサンプル毎に（たとえば６５サンプル毎に）更新される。この操作は、好適には、６４サンプル間隔の間に下記の値を再帰的に計算することにより行われる。
【００５６】
【数３２】
（ｘ（ｎ）／８は演算を要しない点に注意されたい。）（Ｕ＋１）回目のサンプル（たとえば、６５回目のサンプルなど）において、ＥＸ及びＡＸは２個のシフトレジスタに移される。これらは、好適にはＥＸ及びＡＸの以前の計算値を格納しているシフトレジスタである。
【００５７】
【数３３】
次に、分散の概算値が、好適には２個のシフトレジスタに格納されているＥＸ及びＡＸの３つの値から算出される。
【００５８】
【数３４】
別法として、必要とされる分散の精度に応じて、計算され、２個のシフトレジスタに格納されるＥＸ及びＡＸの値の数は上記よりも多くても少なくてもよい。
【００５９】
図８は、上記の好適な技法による分散の計算方法を示す図８００である。図８００の実施形態においては、Ｕサンプル毎に、スイッチ８０６，８０８が閉じられて、ＥＸ及びＡＸの新しい値がシフトレジスタ８１０，８１２に移される。この後、アキュムレータ８０２，８０４が空になる。この再帰計算技法により、ＶＸの概算値の計算に要する乗算の回数が有利に低減される。
【００６０】
また、同期信号エネルギーの値も計算する必要がある。
【００６１】
【数３５】
ここでも、同期信号は次式で表される。
【００６２】
【数３６】
上記式において、αｋ＝±１は同期シンボルであり、ｇｓ（ｍ）はシンボルパルスである。
【００６３】
【数３７】
上記式において、
【数３８】
及び
【００６４】
【数３９】
【００６５】
は定数であり、
【数４０】
及び
【００６６】
【数４１】
は整数である。この計算によって、シンボルパルスｇｓ（ｍ）からｓ（ｎ）を計算する演算と、ｓ（ｎ）を格納するためのメモリ使用とが有利に軽減される。さらに、この計算では、ｓ２（ｎ）の乗算に代わって、単純な加算が行なわれている。
【００６７】
上記の開示から、本発明によって、無線通信システムにおいて、複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置が提供されることが明らかである。本方法並びに装置は、エネルギーレベルが広範にわたる同期信号についても正しく作動し、かつ雑音の誤検出や、不要な同期符号の誤検出がないため有利である。
【００６８】
上記の開示から、本発明の多くの変更例並びに変形例が可能である。したがって、特許請求の範囲から逸脱することなく、上記に記載した以外の方法によっても本発明が実施され得ることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による無線通信システムの例を示す電気ブロック図。
【図２】 本発明によるアクセスコードを利用する通信プロトコルの例を示すタイミング図。
【図３】 本発明によるトランシーバの例を示す電気ブロック図。
【図４】 本発明による無線通信システムの動作例を示すフロー図。
【図５】 本発明による検出プロセスを示すフロー図。
【図６】 本発明による相互相関Ｒｓｘ（ｎ）の演算を示すフロー図。
【図７】 本発明によるＳｘ（ｎ）の計算を示す図。
【図８】 本発明による受信信号の分散の計算方法を示す図。
（分野）
本発明は一般に、無線通信システムに関し、より詳細には、無線通信システムにおいて複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置に関する。
【０００２】
（背景）
先行技術を利用したのディジタル無線通信システムは、固定同期符号を利用して、レシーバのタイミングと受信信号のタイミングとを同期させている。このような同期符号は、所定の間隔で送信されるか、又はプリアンブルに従って送信される。送信の度に固定同期符号が変わることはないため、同期符号の送信出力も変化しない。このため、固定同期符号と受信信号との相互相関ピークを検出することにより、同期符号を検出することができる。
【０００３】
ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）などの近年提唱されているシステムの中には、非固定の同期符号を利用するものがある。非固定同期符号は、アクセスコードとも呼ばれており、アドレス指定用と同期用のコードとが結合された１つの長いコードである。アクセスコードは、レシーバに対して一時的に割り当てられる。このアクセスコードは、同期符号によって出力が大幅に異なるため、不要な同期符号の誤検出や、純雑音の誤検出を回避しつつ、必要とされる同期信号を正確に検出することが困難となる。
【０００４】
したがって、無線通信システムにおいて、複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置が必要である。このような方法並びに装置は、好適には、エネルギーレベルが広範にわたる同期信号においても正しく動作し、雑音や不要な同期符号を誤検出することはない。
【０００５】
（図面の詳細説明）
図１は、本発明による無線通信システム１００の例を示す電気ブロック図であり、同システムは、第１トランシーバ１０２及び第２トランシーバ１０４からなる。第１トランシーバ１０２及び第２トランシーバ１０４は、好適には相互に無線通信を行なっており、専用ネットワークを構築している。好適には、トランシーバの一方（例えば第１トランシーバ１０２）は「マスター」であり、この専用ネットワークを制御しているのに対し、もう一方のトランシーバ（例えば第２トランシーバ１０４など）は「スレーブ」である。専用ネットワークに、少なくとも１台の付加的なスレーブトランシーバを追加してもよい。この専用ネットワークは、好適には公知のブルートゥース仕様に従って作動する。別法として、他の類似の無線通信システム仕様が使用されることもある。
【０００６】
図２は、通信プロトコルの例を示すタイミング図２００であり、同プロトコルは本発明によるアクセスコード２０２を使用する。図２００は、アクセスコード２０２、ヘッダ２０４、及びペイロード２０６からなる。好適には、アクセスコードの長さは７２ビット、ヘッダの長さは５４ビット、ペイロードの長さは１６〜２７４５ビットである。アクセスコード２０２は、好適には４ビットのプリアンブル２０８、６４ビットの同期ワード２１０、及び４ビットのトレーラ２１２からなる。別法として、上記とは長さ及び構造が異なるアクセスコードを使用してもよい。
【０００７】
アクセスコード２０２は、受信信号の到着タイミングとキャリアオフセットとを導出するための同期信号として、宛先となっているトランシーバ１０４によって利用される。パケット毎にアクセスコードが変わることがあり、正確なアクセスコードを把握しているのは、宛先トランシーバ１０４のみである。メッセージの送信前に、トランシーバは、使用するアクセスコード（所定の同期信号）を、システムすなわちマスタートランシーバ１０２から通知される。アクセスコードが送信された後に、宛先トランシーバではないトランシーバは、次の送信時間スロットまでスリープモードに切り替わる。
【０００８】
トランシーバ１０４は、メッセージを受信するために、先ずそのメッセージがトランシーバ１０４宛てのものか否かを判定する。その際、トランシーバ１０４に割り当てられた所定のアクセスコードが存在するか否かの判定が行なわれる。トランシーバ１０４は、空き時間スロットの間に、雑音の中に所定のアクセスコードを誤検出してはならない。所定のアクセスコードが存在する場合、トランシーバ１０は、パケットのデコードが可能になるように、パケットタイミングとキャリアエラーとを導出する必要がある。
【０００９】
信頼性の高いアクセスコード検出を実現するためには、難題が幾つか存在する。まず、パケット毎にアクセスコードが変わるため、アクセスコードによってアクセスコードのエネルギーが大幅に変動する。例えば、ブルートゥースでは、最大２×２４の異なるアクセスコードが使用され得る。受信した不要な同期信号のエネルギーが、受信した所望の同期信号のエネルギーよりも相当大きいこともある。有効な同期信号（不要、所望を問わず）に先立つ純雑音の出力が、有効な信号の出力よりもはるかに大きいこともある。このような場合、雑音から同期信号への遷移、及び同期信号から雑音への遷移が発生している間に、誤検出を回避することが困難となる。下記に、本発明によって上記の難題がどのように解決されるかを記載する。
【００１０】
図３は、本発明によるトランシーバ１０４の電気ブロック図の例である。本開示では、便宜上、トランシーバ１０４はスレーブトランシーバとして作動することとする。トランシーバ１０４は、所定の同期信号（アクセスコード）を含む可能性のある信号の受信及び復調を行なう通常のレシーバフロントエンド３０２を有する。トランシーバ１０４はさらに、マスタートランシーバ１０２など、別のトランシーバに交信を送信する通常のトランスミッタ３０４を備える。また、トランシーバ１０４は、通常のディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３０６を備える。ＤＳＰ ３０６は、受信信号を処理するためにレシーバフロントエンド３０２と結合されていることに加え、トランスミッタ３０４を制御するためトランスミッタ３０４と結合されている。プロセッサ３０６は、本発明によってプロセッサ３０６をプログラムするための変数及びソフトウェア要素を記憶している通常のメモリ３０８と結合されている。別法として、メモリ３０８が、プロセッサ３０６の内蔵部品としてプロセッサ３０６に包含されていることがある。さらに、電力消費を低減させる必要がある場合、プロセッサ３０６及びメモリ３０８の機能が、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）として実現されることもある。
【００１１】
メモリ３０８には、通信制御プログラム３１０が存在する。プログラム３１０は、トランスミッタ３０４及びレシーバフロントエンド３０２を制御するようにプロセッサ３０６をプログラムして、公知の通信プロトコル（ブルートゥースプロトコルなど）に従って、無線通信システム１００において他のトランシーバ１０２との通信を実現する。メモリ３０８にはさらに、無線通信システム１００によってトランシーバ１０４に割り当てられた所定の同期信号３１２を格納するための空間が存在する。また、メモリ３０８には、複数の受信信号サンプル３１４を格納するための空間も存在し、好適には、この空間は同期ワード２１０を格納するために十分な広さを有する。さらに、メモリ３０８には、受信信号と所定の同期信号３１２との相互相関値を複数個計算し、相関ピークを特定するようにプロセッサ３０６をプログラムする相互相関計算プログラム３１６も存在する。また、メモリ３０８には、所定の同期信号３１２の合計エネルギーを計算及び記憶するようにプロセッサ３０６をプログラムする合計エネルギープログラム３１８も存在する。さらに、メモリ３０８には、相互相関値、受信信号、及び所定の同期信号の関数として、検出計量を複数個計算するようにプロセッサ３０６をプログラムする検出計量（detection metric）計算プログラム３２０も存在する。さらに、メモリ３０８には、合計エネルギー及び受信信号の関数として、対応する複数の適応しきい値を計算するようにプロセッサ３０６をプログラムする適応しきい値計算プログラム３２２も存在する。さらに、メモリ３０８には、複数の検出計量と複数の適応しきい値とを比較して、受信信号に所定の同期信号が含まれるか否かを判定するようにプロセッサ３０６をプログラムする比較プログラム３２４が存在する。さらに、メモリ３０８には、１サンプルインデックス前及び後の非二乗（non-squared ）の検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定し、ピーク非二乗検出計量と前及び後の非二乗検出計量とからシンボルタイミング用の、微調整された相関ピークを計算するようにプロセッサ３０６をプログラムする微調整プログラム３２６も存在する。また、メモリ３０８には、微調整された相関ピークから最終的なキャリアエラー概算値を求めて、微調整された相関ピークからシンボルタイミングを導出するようにプロセッサ３０６をプログラムするキャリアエラー及びシンボルタイミング概算プログラム３２８も存在する。下記に、本発明によるトランシーバ１０４の動作をさらに詳細に記載する。
【００１２】
図４は、本発明による無線通信システムの動作例を示すフロー図４００である。プロセッサ３０６は、４０２（オフライン）において所定の同期信号３１２の合計エネルギーを計算し、これを記憶する。次に、４０４において、レシーバフロントエンド３０２が信号を受信する。信号が受信されると、４０６において、プロセッサ３０６は、受信信号と所定の同期信号（アクセスコード）との相互相関値を複数個計算し、相関ピークを特定する。（マスタートランシーバ１０２によって、複数の異なる同期信号のうちから所定の同期信号が選択され、所定の初期アクセスコードを使用してスレーブトランシーバ１０４に送信される。）４０８において、プロセッサ３０６は、複数の相互相関値、受信信号、及び所定の同期信号の関数として、検出計量を複数個計算する。
【００１３】
プロセッサ３０６は、複数個の検出計量を計算するために、受信信号から対応する複数のキャリアエラー推定値を計算する。また、プロセッサ３０６は、（オフラインで）所定の同期信号のサンプルの和を計算し、複数のキャリアエラー推定値とこの和とを掛け合わせて、調整値を複数個求める。プロセッサ３０６は、複数の調整値によって複数の相互相関値を調整し、これによって非二乗検出計量を複数個生成する。プロセッサ３０６は、複数の非二乗検出計量の２乗を求め、受信信号に所定の同期信号が存在するか否かの判定に用いる検出計量を複数個生成する。
【００１４】
このほか、４１０において、プロセッサ３０６は、対応する複数の適応しきい値を、受信信号及び合計エネルギーの関数として計算する。この作業は、好適には、受信信号の分散を複数個計算し、求めた複数の分散と、所定の同期信号の合計エネルギー及びしきい値定数とを掛け合わせることにより行なわれる。４１２において、プロセッサ３０６は、複数の検出計量と複数の適応しきい値とを比較して、受信信号に所定の同期信号が含まれるか否かを判定する。この作業は、好適には、複数の検出計量のうちの検出計量と、これと対応する複数の適応しきい値のうちの適応しきい値とを比較して、検出計量が対応する適応しきい値よりも大きいか否かを判定することにより行なわれる。検出計量が対応する適応しきい値を超える場合、受信信号に所定の同期信号が含まれると判定される。さらに、検出計量が対応する適応しきい値を超える場合、プロセッサ３０６は、ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスより１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定する。
【００１５】
ピーク非二乗検出計量が特定されたことに応答して、プロセッサ３０６は、ピーク非二乗検出計量と１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量とから微調整された相関ピークの位置を求める。この作業は、好適には、公知の手法によって２次多項式を、ピーク非二乗検出計量と、ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスより１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量とに適合させ、次にピークを数学的に求めることにより行なわれる。微調整された相関ピークの位置が特定されたら、プロセッサ３０６は、微調整された相関ピークの位置から最終的なキャリアエラー概算値を求める。この作業は、好適には、微調整された相関ピークの位置の直前及び直後のサンプルインデックスについて計算したキャリアエラー推定値を一次補間することにより行なわれる。また、シンボルタイミングが相関ピークの位置から導出される。換言すれば、相関ピークの位置は、受信したシンボルの中央点を示す。
【００１６】
下記に、所定の同期信号の検出及び同期のための処理を、数学的に記載する。一実施形態においては、検出計量は下記の式から計算される。
【００１７】
【数１】
受信信号と所定の同期信号との相互相関は、次式によってオンラインで計算される。
【００１８】
【数２】
所定の同期信号（オフラインで計算される）の和は、下記のとおりである。
【００１９】
【数３】
【００２０】
【数４】
【００２１】
【数５】
【数６】
【００２２】
所定の同期信号の合計エネルギーは、接続毎に次式としてオフラインで計算される。
【００２３】
【数７】
【００２４】
【数８】
【００２５】
【数９】
【００２６】
【数１０】
【００２７】
【数１１】
Ｍ１の直近の３つの値が、評価のためにシフトレジスタに記憶される。
【００２８】
【数１２】
【００２９】
【数１３】
【００３０】
【数１４】
【００３１】
所定の同期信号が検出され、相互相関ピークが特定された後に、タイミング及びキャリアエラーの概算が行なわれる。好適には、｛Ｍ１（１），Ｍ１（２），Ｍ１（３）｝の２次多項式ピークを微調整された相関ピークとして使用して微調整されたタイミングを求め、このタイミングを使用して、微調整された相関ピークの位置の直前及び直後のサンプルインデックスについて計算されたキャリアエラー推定値を一次補間することによって、微調整されたキャリアエラー推定値が求められる。図５は、本発明による上記検出プロセスを示すフロー図５００である。フロー図５００は、上記の記載から自明であると考えられる。
【００３２】
直接法で式（１）を計算する場合、メモリと処理能力とが要求される。このため、要求されるメモリと処理能力とを軽減させるべく式（１）の要素を変更することが望ましい。このため、まず、相互相関の計算の効率を高めるようにする。
【００３３】
【数１５】
【数１６】
【００３４】
受信された各シンボルパルスは、約１２サンプルに引き伸ばされる。この同期信号は次の式で表される。
【００３５】
【数１７】
【００３６】
【数１８】
【００３７】
図６は、本発明による相互相関Ｒｓｘ（ｎ）の演算を示すフロー図６００である。第１シフトレジスタ６０２は、受信信号ｘ（ｎ）の各サンプルを受け取る。第１シフトレジスタ１０２の１２の位置が取り出されて、この内部に格納されている値が、６個の乗算器にあるｇｓ（ｎ）の６個の値と合算され、１１回の加算が行なわれて、ＲＧＸ（ｎ）が生成される。第２シフトレジスタ６０４は、ＲＧＸ（ｎ）の各サンプルを受け取り、４つおきの位置が取り出されてＲｓｘ（ｎ）が生成される。αｋの値は±１であるため、シフトレジスタ６０４から受け取った値の符号を変更するだけで済み、この値を使用した６４回の乗算が容易なものとなる。
【００３８】
同期シンボルの和も計算する必要がある。
【００３９】
【数１９】
【００４０】
【数２０】
【００４１】
【数２１】
【００４２】
【数２２】
【００４３】
次式の演算を、有利に回避することができる。
【００４４】
【数２３】
【００４５】
【数２４】
【００４６】
【数２５】
【００４７】
【数２６】
【００４８】
ＳＸ（ｎ）の直接計算法は、長さＮＷ（２５６など）のシフトレジスタを使用し、サンプルして、矩形窓（rectangular window）ｗ（ｌ）を使用する。この手法においては、各サンプリング間隔において、２回の加算とＮＷサンプルのシフト演算が必要とされる。このため、図７による演算の利点は、長さＮＷのシフトレジスタの回路配線が不要となり、シフト演算に要する電力が低減されることにある。
【００４９】
また、下記の値も効率的に計算する必要がある。
【００５０】
【数２７】
【数２８】
【００５２】
【数２９】
【００５３】
【数３０】
【００５４】
受信信号の分散の値も計算する必要がある。
【００５５】
【数３１】
【００５６】
【数３２】
【００５７】
【数３３】
【００５８】
【数３４】
【００５９】
図８は、上記の好適な技法による分散の計算方法を示す図８００である。図８００の実施形態においては、Ｕサンプル毎に、スイッチ８０６，８０８が閉じられて、ＥＸ及びＡＸの新しい値がシフトレジスタ８１０，８１２に移される。この後、アキュムレータ８０２，８０４が空になる。この再帰計算技法により、ＶＸの概算値の計算に要する乗算の回数が有利に低減される。
【００６０】
また、同期信号エネルギーの値も計算する必要がある。
【００６１】
【数３５】
【００６２】
【数３６】
【００６３】
【数３７】
【数３８】
【００６４】
【数３９】
は定数であり、
【数４０】
【００６６】
【数４１】
【００６７】
上記の開示から、本発明によって、無線通信システムにおいて、複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法並びに装置が提供されることが明らかである。本方法並びに装置は、エネルギーレベルが広範にわたる同期信号についても正しく作動し、かつ雑音の誤検出や、不要な同期符号の誤検出がないため有利である。
【００６８】
上記の開示から、本発明の多くの変更例並びに変形例が可能である。したがって、特許請求の範囲から逸脱することなく、上記に記載した以外の方法によっても本発明が実施され得ることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による無線通信システムの例を示す電気ブロック図。
【図２】 本発明によるアクセスコードを利用する通信プロトコルの例を示すタイミング図。
【図３】 本発明によるトランシーバの例を示す電気ブロック図。
【図４】 本発明による無線通信システムの動作例を示すフロー図。
【図５】 本発明による検出プロセスを示すフロー図。
【図６】 本発明による相互相関Ｒｓｘ（ｎ）の演算を示すフロー図。
【図７】 本発明によるＳｘ（ｎ）の計算を示す図。
【図８】 本発明による受信信号の分散の計算方法を示す図。
Claims (21)
- 無線通信システムにおいて所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための方法であって、
前記所定の同期信号の合計エネルギーを計算するステップと、
前記所定の同期信号が含まれる可能性のある信号を受信するステップと、
相関ピークを特定するために、前記受信信号と前記所定の同期信号との相互相関値を複数個計算するステップと、
前記複数の相互相関値、前記受信信号、及び前記所定の同期信号の関数として検出計量を複数個計算するステップと、
前記合計エネルギーと前記受信信号との関数として対応する複数の適応しきい値を計算するステップと、
前記受信信号に前記所定の同期信号が含まれるか否かを判定するために、前記複数の検出計量と前記複数の適応しきい値とを比較するステップからなる方法。 - 前記複数の検出計量を計算するステップは、
前記受信信号から対応する複数のキャリアエラー推定値を計算するステップと、
前記所定の同期信号のサンプルの和を計算するステップと、
調整値を複数個生成するために、前記複数のキャリアエラー推定値と前記和とを掛け合わせるステップと、
非二乗検出計量を複数個生成できるように、前記複数の調整値によって前記複数の相互相関値を調整するステップと、
前記複数の検出計量を生成するために、前記複数の非二乗検出計量の２乗を求めるステップとからなる、請求項１に記載の方法。 - 前記複数の適応しきい値を計算するステップは、
前記受信信号の分散を複数個計算するステップと、
前記複数の分散と前記合計エネルギー及びしきい値定数とを掛け合わせるステップとからなる、請求項１に記載の方法。 - 前記比較ステップは、
前記検出計量が前記対応する適応しきい値よりも大きいか否かを判定するために、前記複数の検出計量のうちのある検出計量と前記複数の適応しきい値のうちの対応する適応しきい値とを比較するステップと、
前記検出計量が前記対応する適応しきい値よりも大きい場合に、
前記受信信号に前記所定の同期信号が含まれることを判定するステップと、
前記ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスよりも１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定するステップとからなる、請求項１に記載の方法。 - 前記ピーク非二乗検出計量を特定することに応じて、
前記ピーク非二乗検出計量と前記ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスよりも１サンプルインデックス前及び後の前記非二乗検出計量とから微調整された相関ピークの位置を判定するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。 - 前記微調整された相関ピークの位置から最終的なキャリアエラー概算値を求めるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
- 前記微調整された相関ピークの位置からシンボルタイミングを導出するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
- 複数の異なる同期信号のうちの、選択された所定の同期信号の検出及び同期を容易にするための無線通信システムにおけるトランシーバであって、
前記所定の同期信号が含まれる可能性のある信号を受信及び復調するためのレシーバフロントエンドと、
交信を送信するためのトランスミッタと、
前記受信信号を処理するために前記レシーバフロントエンドと結合され、かつ前記トランスミッタを制御するために前記トランスミッタと結合されているプロセッサとからなり、前記プロセッサは、
前記所定の同期信号の合計エネルギーを計算し、
相関ピークを特定するために、前記受信信号と前記所定の同期信号との相互相関値を複数個計算し、
前記複数の相互相関値、前記受信信号、及び前記所定の同期信号の関数として検出計量を複数個計算し、
前記合計エネルギーと前記受信信号との関数として対応する複数の適応しきい値を計算し、
前記受信信号に前記所定の同期信号が含まれるか否かを判定するために、前記複数の検出計量と前記複数の適応しきい値とを比較するようにプログラムされているトランシーバ。 - 前記プロセッサは、
前記受信信号から対応する複数のキャリアエラー推定値を計算し、
前記所定の同期信号のサンプルの和を計算し、
調整値を複数個生成するために、前記複数のキャリアエラー推定値と前記和とを掛け合わせ、
非二乗検出計量を複数個生成できるように、前記複数の調整値によって前記複数の相互相関値を調整し、
前記複数の検出計量を生成するために、前記複数の非二乗検出計量の２乗を求めるようにさらにプログラムされている、請求項８に記載のトランシーバ。 - 前記プロセッサは、
前記受信信号の分散を複数個計算し、
前記複数の分散と前記合計エネルギー及びしきい値定数とを乗算するようにさらにプログラムされている、請求項８に記載のトランシーバ。 - 前記プロセッサは、
前記検出計量が前記対応する適応しきい値よりも大きいか否かを判定するために、前記複数の検出計量のうちのある検出計量と前記複数の適応しきい値のうちの対応する適応しきい値とを比較し、
前記検出計量が前記対応する適応しきい値よりも大きい場合に、
前記受信信号に前記所定の同期信号が含まれることを判定し、
前記ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスよりも１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定するようにさらにプログラムされている、請求項８に記載のトランシーバ。 - 前記プロセッサは、前記ピーク非二乗検出計量を特定することに応じて、
前記ピークと前記ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスよりも１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量から微調整された相関ピークの位置を判定するようにさらにプログラムされている、請求項１１に記載のトランシーバ。 - 前記プロセッサは、
前記微調整された相関ピークの位置から最終的なキャリアエラー概算値を求めるようにさらにプログラムされている、請求項１２に記載のトランシーバ。 - 前記プロセッサは、
前記微調整された相関ピークの位置からシンボルタイミングを導出するようにさらにプログラムされている、請求項１２に記載のトランシーバ。 - 複数の異なる同期信号のうちから選択された所定の同期信号が含まれる可能性のある信号を受信及び復調するレシーバフロントエンドとともに使用され、かつ前記所定の同期信号の検出及び同期を可能とするための装置であって、前記装置は、
前記受信信号を処理するために前記レシーバフロントエンドと結合されているプロセッサを有し、前記プロセッサは、
前記所定の同期信号の合計エネルギーを計算し、
相関ピークを特定するために、前記受信信号と前記所定の同期信号との相互相関値を複数個計算し、
前記複数の相互相関値、前記受信信号、及び前記所定の同期信号の関数として検出計量を複数個計算し、
前記合計エネルギーと前記受信信号との関数として対応する複数の適応しきい値を計算し、
前記受信信号に前記所定の同期信号が含まれるか否かを判定するために、前記複数の検出計量と前記複数の適応しきい値とを比較するようにプログラムされている装置。 - 前記プロセッサは、
前記受信信号から対応する複数のキャリアエラー推定値を計算し、
前記所定の同期信号のサンプルの和を計算し、
調整値を複数個生成するために、前記複数のキャリアエラー推定値と前記和とを掛け合わせ、
非二乗検出計量を複数個生成できるように、前記複数の調整値によって前記複数の相互相関値を調整し、
前記複数の検出計量を生成するために、前記複数の非二乗検出計量の２乗を求めるようにさらにプログラムされている、請求項１５に記載の装置。 - 前記プロセッサは、
前記受信信号の分散を複数個計算し、
前記複数の分散と前記合計エネルギー及びしきい値定数とを乗算するようにさらにプログラムされている、請求項１５に記載の装置。 - 前記プロセッサは、
前記検出計量が前記対応する適応しきい値よりも大きいか否かを判定するために、前記複数の検出計量のうちのある検出計量と前記複数の適応しきい値のうちの対応する適応しきい値とを比較し、
前記検出計量が前記対応する適応しきい値よりも大きい場合に、
前記受信信号に前記所定の同期信号が含まれることを判定し、
前記ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスよりも１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量を特定するようにさらにプログラムされている、請求項１５に記載の装置。 - 前記プロセッサは、前記ピーク非二乗検出計量を特定することに応じて、
前記ピークと前記ピーク非二乗検出計量のサンプルインデックスよりも１サンプルインデックス前及び後の非二乗検出計量を超えるピーク非二乗検出計量から微調整された相関ピークの位置を判定するようにさらにプログラムされている、請求項１８に記載の装置。 - 前記プロセッサは、
前記微調整された相関ピークの位置から最終的なキャリアエラー概算値を求めるようにさらにプログラムされている、請求項１９に記載の装置。 - 前記プロセッサは、
前記微調整された相関ピークの位置からシンボルタイミングを導出するようにさらにプログラムされている、請求項１９に記載の装置。
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