JP4054032B2

JP4054032B2 - フレーム同期検出方法

Info

Publication number: JP4054032B2
Application number: JP2005097649A
Authority: JP
Inventors: 淳也田中
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006279686A

Description

本発明は、同期ワードを含むフレームで構成され直交変調された受信信号から、同期ワードを検出することによりシンボルタイミングを検出するフレーム同期検出方法に関する。

携帯電話やＰＨＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＨａｎｄｙｐｈｏｎｅＳｙｓｔｅｍ）等の直交変調方式（例えば、ＱＰＳＫ：ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）を利用した無線通信システムでは、その信号の復調に、受信信号の信号レベル，シンボルタイミング，キャリア周波数のずれ等の制御情報が必要である。このような制御情報は、その受信信号のフレームに含まれるプリアンブルから求めるのが一般的である。

ここで、直交変調方式を利用した無線通信システムのフレーム構成を、図４に示す。図４（ａ）において、ＲＵは過渡応答用ランプアップタイム、ＳＳはスタートシンボル、ＰＲは“１００１”（２進数）の繰り返しであるプリアンブル、ＳＷは同期ワード、ＤＡＴＡはデータ（領域）、ＲＤは過渡応答用ランプダウンタイムをそれぞれ指す。このようなフレーム構成の無線通信システムでは、プリアンブルから検出されたシンボルタイミング等の制御情報を用いてフレーム検出のための同期ワードの検出やデータの復調を行っている。

一方、狭帯域でデータ伝送をする無線通信システムでは、図４（ｂ）に示すように、多くのデータ領域を確保するため、そのフレームにプリアンブルやスタートシンボルが含まれていないものがある（例えば、ＳＣＰＣ：ＳｉｎｇｌｅＣｈａｎｎｅｌＰｅｒＣａｒｒｉｅｒ）。プリアンブルが含まれていないフレーム構成の無線通信システムでは、シンボルタイミング等のような制御情報を用いずに同期ワードを検出しなければならない。このような同期ワードの検出方法としては、受信信号を（シンボルレートのＮ倍の周期でサンプリングして）既知の同期ワードの複素共役と時間的相互相関値を求めることにより、同期ワードの検出を行う方法が公知である（特許文献１）。

特開２００２−１１１６４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、同期ワードの検出に複素乗算を多く行う必要があり、演算量が多くなるという課題がある（通常の乗算（ａ×ｂ）に比べて、複素数同士の乗算（（ａ＋ｊｂ）×（ｃ＋ｊｄ））は、演算回数が６倍多い。また、特許文献１に記載された方法は、同期ワードのシンボル数のＮ倍に相当する回数だけの乗算を、同期ワードが検出されるまで繰り返し行うため演算量が多くなる。）

本発明の目的は、同期ワードを含むフレームで構成され直交変調された受信信号から、同期ワードの検出に係る演算量を減らし、さらに、同期ワードを検出することによりシンボルタイミングを検出するフレーム同期検出方法を実現することにある。

本発明は、同期ワードを含むフレームで構成され直交変調された受信信号から、同期ワードを検出することによりシンボルタイミングを検出するフレーム同期検出方法であって、受信信号をそのシンボルレートのＫ倍（Ｋは、２以上の正の数）の周期でサンプリングする工程と、サンプリングされた受信信号を、Ｎ個（Ｎは、２以上でＫ以下の正の整数）のサンプル信号に多重分離する工程と、Ｎ個のサンプル信号の各々を直交座標における各々の位相に応じて二値化したビット系列にする工程と、ビット系列にされたＮ個のサンプル信号の各々を、既知の同期ワードのビット系列に対してスライディングさせつつビット相関値を求め、Ｎ個のサンプル信号のいずれかとのビット相関値が所定のしきい値を超えたときに同期ワードを検出すると共に、ビット相関値が所定のしきい値を超えたときのサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、Ｎ個のサンプル信号の各々を直交座標における理想的な位相に対する位相誤差を検出する工程と、前記ビット相関値が複数のサンプル信号とで所定のしきい値を超え、かつ、検出された位相誤差が最も小さいサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程と、を有することが望ましい。

また、本発明は、ビット系列にされたＮ個のサンプル信号の各々を、同期ワードを直交座標上で位相回転させたビット系列に対してスライディングさせつつビット相関値を求め、Ｎ個のサンプル信号のいずれかとのビット相関値が所定のしきい値を超えたときに同期ワードを検出すると共に、ビット相関値が所定のしきい値を超えたときのサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程を有することが望ましい。

本発明によれば、同期ワードを含むフレームで構成され直交変調された受信信号から、同期ワードの検出に係る演算量を減らし、さらに、同期ワードを検出することによりシンボルタイミングを検出するフレーム同期検出方法を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るフレーム同期検出方法を具現化するためのフレーム同期検出装置１０の構成を示す図である。また、図２は、本実施形態に係るフレーム同期検出方法におけるＳＷ同期検出確認の手順を示す図である。なお、本実施形態では、受信信号が図４（ｂ）に示すような同期ワードを含むフレーム構成であり差動直交位相変調方式（ＤＱＰＳＫ：ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＱＰＳＫ）で変調されているものとする。

図１において、図示しない直交検波回路によって同相信号と直交信号が検出された受信信号は、サンプリング回路１に入力される。サンプリング回路１に入力された受信信号の同相信号と直交信号は、そのシンボルレートのＫ倍（Ｋは、２以上の正の数）の周期でサンプリングされる（一例として、Ｋ＝４とする）。後述するが、Ｋの倍数を大きくすることにより、シンボルタイミングの検出精度を向上させることができる。

次に、サンプリングされた受信信号の同相信号と直交信号は、多重分離回路２により、１／Ｎシンボルずつタイミングをずらしたサンプリング点の系列であるＮ個のサンプル信号に多重分離される（Ｎは、２以上でＫ以下の正の整数、一例としてＮ＝４とする）。多重分離されたＮ個のサンプル信号は、各々が０〜３の順番に振り分けられる。前述したように、受信信号はＤＱＰＳＫ変調されているため、Ｎ個のサンプル信号は、各々が遅延検波回路３に入力され遅延検波される。遅延検波されたサンプル信号０〜３を図２に示す。なお、図２において、Ｉ０₀₁〜Ｉ３₀₁やＱ０₀₁〜Ｑ３₀₁は、受信信号の１シンボル分のデータを表している。

遅延検波されたサンプル信号０〜３は、位相誤差移動平均検出回路４により、サンプル信号ごとに理想的な位相に対する誤差である位相誤差移動平均値が求められる。この位相誤差移動平均値は、サンプル信号０〜３の各々の同相信号及び直交信号に基づいてそのサンプル信号の位相が直交座標面上の第１〜第４象限のうちどの象限にあるかを検出し、そのサンプル信号の位相とその位相がある象限における理想的な位相（例えば、π／４［ｒａｄ］，３π／４［ｒａｄ］，５π／４［ｒａｄ］，７π／４［ｒａｄ］）との差分により検出される。後述するが、このような位相誤差移動平均値を検出することにより、シンボルタイミングの検出をより精度良く行うことができる。

そして、サンプル信号０〜３は、硬判定回路５により、直交座標面上における各々の位相に応じて二値化したビット系列にされる（硬判定）。すなわち、そのサンプル信号の位相が、第１象限にある場合は“００”、第２象限にある場合は“０１”、第３象限にある場合は“１１”、第４象限にある場合は“１０”にされる。このように、サンプル信号０〜３は、同相信号と直交信号との複素信号から二値化したビット系列にされる。

そして、硬判定により二値化されたサンプル信号０〜３は、メモリブロック６に格納される。このメモリブロック６は、サンプル信号毎に同期ワードのシンボル数Ｍに相当するＭ段のメモリ６−１〜６−Ｍを有する。また、メモリ６−１〜６−Ｍはフリップフロップ回路で構成しても良い。そして、メモリブロック６に格納されたサンプル信号０〜３のビット系列は、セレクタ回路７により、Ｍビットずつ同期検出回路８に受け渡される。

同期検出回路８に受け渡されたＭビットずつのサンプル信号０〜３は、既知の同期ワードとの間でビット相関が行われる。まず、サンプル信号１のビット系列が既知の同期ワードのビット系列とビット単位で比較され一致するビットの数がカウントされる。また、このようなビット単位での比較は、排他的論理和回路等により行われる。そして、このような比較がサンプル信号１〜３についても同様に行われ、既知の同期ワードと一致するビットの数がカウントされる（ＳＷ同期確認１）。

そして、一致するビットの数が所定のしきい値を超えない場合は、一致するビットの数が所定のしきい値を超えるまで、サンプル信号０〜３を１ビットづつスライディングさせて、既知の同期ワードと一致するビットの数をカウントする（ＳＷ同期確認２〜５）。そして、同期検出回路８は、サンプル信号０〜３のうちのいずれかのビット系列が、既知の同期ワードと一致するビットの数が所定のしきい値を超えたときに、同期が取れたと判定する（すなわち、同期ワードが検出される）。なお、ビット相関は、一致しないビットの数をカウントして所定のしきい値以下になったときに同期が取れたと判定しても良い。

また、前述したように、各々のサンプル信号は、１／Ｎシンボルづつタイミングがずれているため、所定のしきい値を超えたサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出することにより、１／Ｎシンボルの整数倍の精度でシンボルタイミングを検出することができる。また、サンプリングの倍数Ｋを大きく（して、これに伴い多重分離する数Ｎを大きく）することにより、シンボルタイミングをより精度良く検出することができる。このような二値化されたサンプル信号と既知の同期ワードとのビット相関を検出することにより、従来行われていたような複素乗算をせず、同期ワードの検出に係る演算量を減らすことができる。

一方、このようなビット相関を用いてＳＷ同期検出確認を行っているため、いくつかのサンプル信号で、そのビット相関値が所定のしきい値を超えてしまうことがある。このような場合は、以下のような方法により、より精度良くシンボルタイミングを検出することができる。

まず、ビット相関値が所定のしきい値を超えた場合に、その後１／２シンボル分のＳＷ同期検出確認の処理を継続する。そして、その１／２シンボル分の範囲内においてビット相関値が、所定のしきい値を超えたタイミングにおいて、前述した位相誤差移動平均値が最小となるサンプル信号を同期ワードの検出ポイントとして判定する。これにより、より正確なシンボルタイミングの検出をすることができる。なお、検出する範囲は、１／Ｎシンボル分の範囲よりも大きければ（１／２シンボル分の範囲でなくても）良い。

また、同期ワードの検出時に受信信号がキャリア周波数のずれに伴う周波数オフセットを持っており、シンボルレートの１／８以上の周波数オフセットを持っていると、サンプル信号の位相が４５度以上回転してしまう。このように位相が回転したサンプル信号と、既知の同期ワードと、ビット相関を検出すると同期ワードの検出ポイントの判定を誤ってしまう。このため、以下に示すように、９０度位相を回転させた同期ワードを予め用意しておくのが望ましい。これについて以下に説明する。

図３は、本実施形態に係る（遅延検波された）サンプル信号のコンスタレーションの様子を示す図である。また、図３（ａ）は、周波数オフセットが無い場合のサンプル信号のコンスタレーションを表す図である。

ここで、図３（ｂ）に示すように周波数オフセットが“＋”であると、本来は“００”のサンプル信号は“０１”に、本来は“０１”のサンプル信号は“１１”になる。また、図３（ｃ）のように周波数オフセットが“−”であると、本来は“００”のサンプル信号は“１０”に、本来は“０１”のサンプル信号は“００”になる。

前述したように、このように受信信号に周波数オフセットがあると、そのサンプル信号と既知の同期ワードとのビット相関値にも誤差が発生する。そこで、あらかじめ受信信号の周波数オフセットが“＋”方向、又は、“−”方向にずれた場合の同期ワードのビット系列を用意しておき、サンプル信号とのビット相関値を算出し同期ワードの検出を行う。

このように、あらかじめ周波数オフセットの情報を加味した同期データを用意しておくことにより、周波数オフセットがシンボルレートの１／８以上あった場合にも同期ワードを検出することができる。また、遅延検波されたサンプル信号を、一定量（例えば９０度）回転させ、同期ワードとのビット相関を取ることによっても良い。

以上説明したように、本実施形態に係るフレーム同期検出方法は、受信信号をそのシンボルレートのＫ倍（Ｋは、２以上の正の数）の周期でサンプリングする工程と、サンプリングされた受信信号を、Ｎ個（Ｎは、２以上でＫ以下の正の整数）のサンプル信号に多重分離する工程と、Ｎ個のサンプル信号の各々を直交座標上における各々の位相に応じて二値化したビット系列にする工程と、ビット系列にされたＮ個のサンプル信号の各々を、既知の同期ワードのビット系列に対してスライディングさせつつビット相関値を求め、Ｎ個のサンプル信号のいずれかとのビット相関値が所定のしきい値を超えたときに同期ワードを検出すると共に、ビット相関値が所定のしきい値を超えたときのサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程と、を有することにより、同期ワードを含むフレームで構成され直交変調された受信信号から、同期ワードの検出に係る演算量を減らし、さらに、同期ワードを検出することによりシンボルタイミングを検出するフレーム同期検出方法を実現することができる。

なお、本実施形態に係るフレーム同期検出方法は、本実施形態では一例としてＤＱＰＳＫとし、サンプリングの倍数を４倍としたが、これに限るものではないことは言うまでもない。また、本実施形態では、直交検波された受信信号をサンプリングして多重分離する構成について述べたが、受信信号（ＩＦ信号）をサンプリングしてから、それ以降の処理（直交検波や多重分離等）をデジタル信号処理により行う構成であっても良いことは言うまでもない。この場合、受信信号をサンプリングする周期に係るＫ（シンボルレートに対する倍数）は、多重分離する数Ｎよりも大きく設計するのが望ましい。

本実施形態に係るフレーム同期検出方法を具現化するためのフレーム同期検出装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係るフレーム同期検出方法におけるＳＷ同期検出確認の手順を示す図である。本実施形態に係る（遅延検波された）サンプル信号のコンスタレーションの様子を示す図である。直交変調方式を利用した無線通信システムのフレーム構成を示す図である。

符号の説明

１サンプリング回路、２多重分離回路、３遅延検波回路、４位相誤差移動平均検出回路、５硬判定回路、６メモリ、７セレクタ回路、８同期検出回路、１０フレーム同期検出装置。

Claims

同期ワードを含むフレームで構成され直交変調された受信信号から、同期ワードを検出することによりシンボルタイミングを検出するフレーム同期検出方法であって、
受信信号をそのシンボルレートのＫ倍（Ｋは、２以上の正の数）の周期でサンプリングする工程と、
サンプリングされた受信信号を、Ｎ個（Ｎは、２以上でＫ以下の正の整数）のサンプル信号に多重分離する工程と、
Ｎ個のサンプル信号の各々を直交座標上における各々の位相に応じて二値化したビット系列にする工程と、
ビット系列にされたＮ個のサンプル信号の各々を、既知の同期ワードのビット系列に対してスライディングさせつつビット相関値を求め、Ｎ個のサンプル信号のいずれかとのビット相関値が所定のしきい値を超えたときに同期ワードを検出すると共に、ビット相関値が所定のしきい値を超えたときのサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程と、
を有することを特徴とするフレーム同期検出方法。
請求項１に記載のフレーム同期検出方法であって、
Ｎ個のサンプル信号の各々の直交座標上における理想的な位相に対する位相誤差を検出する工程と、
前記ビット相関値が複数のサンプル信号とで所定のしきい値を超えた場合に、検出された位相誤差が最も小さいサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程と、
を有することを特徴とするフレーム同期検出方法。
請求項１又は２に記載のフレーム同期検出方法であって、
ビット系列にされたＮ個のサンプル信号の各々を、同期ワードを直交座標上で位相回転させたビット系列に対してスライディングさせつつビット相関値を求め、Ｎ個のサンプル信号のいずれかとのビット相関値が所定のしきい値を超えたときに同期ワードを検出すると共に、ビット相関値が所定のしきい値を超えたときのサンプル信号に応じてシンボルタイミングを検出する工程を有することを特徴とするフレーム同期検出方法。