JP4202259B2 - 同期信号を用いて同期を確立する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（関連出願）
チェンら（Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．）の名前で本願と同時に出願された、出願番号ＰＦＯ２Ｏ５２ＮＡ「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＩＮ Ａ ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＦＡＣＩＬＩＴＡＴＩＮＧ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ， ＡＮＤ ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ ＷＩＴＨ， Ａ ＰＲＥＤＥＴＥＲＭＩＮＥＤ ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ ＳＩＧＮＡＬ」と題する出願の関連出願である。前記出願は、参照によって本願明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の属する技術分野）
本発明は無線通信システム一般に関する。より詳細には、同期信号を用いて同期を確立する方法および装置に関する。
（本発明の背景技術）
ディジタル通信受信機は、受信信号中の情報を復号する前に受信信号との同期を確立する必要がある。その１つの同期方法は、最も高い相関値が検出されるまで既知の同期パターンと受信信号との間の複数の相互相関を取ることである。各相互相関は、受信信号の異なる部分について算出する。
【０００３】
ブルートゥースなどのいくつかのシステムは比較的長い同期信号を使用して、相互相関値を直接算出しており、その結果大きなメモリ容量と処理量が必要となる。そのような要件は、特に、携帯型の電池駆動式装置にとっては望ましいことではない。
【０００４】
したがって、受信信号との同期を確立するための効率的な方法および装置が必要とされる。その方法および装置は好適には、大きなメモリ容量および処理量を必要としない。
【０００５】
（図面の詳細な説明）
図１を参照する。電気的ブロック図は、受信信号を受信して復調する従来の受信機フロントエンド１０２からなる本発明の典型的な通信受信機１００を示す。受信機１００は、受信信号内に存在する同期信号との同期を確立するために受信信号を処理する受信機フロントエンド１０２に結合するプロセッサ１０６をさらに備える。同期信号は好適には、各々が所定の符号パルスによって形成された複数の所定の同期符号からなる。受信機１００はまた、プロセッサ１０６に結合され、操作変数およびプロセッサをプログラムするソフトウェアを格納するメモリ１０８を有する。代替手段として、プロセッサ１０６をそのプロセッサの一体型部品としてメモリ１０８を含むように構成し、またプロセッサ１０６およびメモリ１０８の機能を特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ）として製造可能である。
【０００６】
メモリ１０８は、公知の技術で受信機１００の通信を制御すべくプロセッサ１０６をプログラムするための通信制御プログラム１１０からなる。メモリ１０８はまた、所定の符号パルスを記述するための所定の符号および情報を格納する位置１１２を有する。さらに、メモリ１０８は、種々の演算に使用する受信信号サンプル１１４を格納する位置を有する。メモリ１０８は、所定の符号パルスと受信信号との間の複数の第１相互相関を決定すべくプロセッサ１０６をプログラムするための符号受信パルス信号相互相関プログラム１１６をさらに備える。
【０００７】
メモリ１０８はまた、複数の所定の同期符号と複数の第１相互相関の所定の部分集合との積の和を複数個計算すべくプロセッサ１０６をプログラムするための積和計算プログラム１１８を有する。プログラム１１６，１１８は、その複数の和が同期信号と受信信号間との複数の第２相互相関と数学的に等価となるが、演算上の煩雑さが少なく、より効果的にメモリを有効活用できるように機能する。さらに、メモリ１０８は、受信機同期を確立する複数の和のピークを探し出すためにプロセッサ１０６をプログラムするようなピーク位置プログラム１２０を有する。メモリは、複素信号の位相を予測すべくプロセッサ１０６をプログラムするための位相予測プログラム１２２をさらに有する。メモリ１０８は、また、所定の複数の試行キャリアエラーの複数の和を補正するためにプロセッサ１０６をプログラムするキャリアエラー補正プログラム１２４を有し、それによって複数の補正和を生成する。さらに、メモリ１０８は、受信機１００の推定キャリアエラーとして、複数の補正和の最大振幅２乗値を生成する複数の試行キャリアエラーの１個を識別するようにプロセッサ１０６をプログラムするためのキャリアエラー予測プログラム１２６を有する。本発明による受信機１００の動作をさらに下記に説明する。
【０００８】
図２は、本発明の通信受信機１００に使用される一般的な同期方法を示す第１フローチャート２００である。この図２００は、プロセッサ１０６が同期信号を含む信号を受信すること２０２から始まる。受信信号のサンプルが着信すると、プロセッサ１０６は所定の符号パルスと受信信号との間の複数の第１相互相関を判定する２０４。プロセッサ１０６はまた、複数の所定同期符号と複数の第１相互相関の所定部分集合との積和を複数個計算する２０６が、この複数の和は同期信号と受信信号との間の複数の第２相互相関と数学的に等価である。ステップ２１０で、本発明の特定の実施例が複素値でない受信信号および同期符号を対象としている場合、プロセッサ１０６は、複数の和のピークを探し出し２０８、受信機同期を確立する。その後、プロセッサ１０６は、周知の技術でキャリアエラーを予測しプロセスは終了する。
【０００９】
一方、実施例が複素値である受信信号および同期符号を対象としている場合、ステップ２１０でフローはステップ２１６に移り、そこでプロセッサ１０６は、特定の実施例が、また、キャリアエラー修正をも実行するかどうかをチェックする２１６。しない場合、プロセッサ１０６は、好適には最大振幅２乗値を有した複数の和の１個を探し出して、ピークを見つける２１４。その後、プロセッサ１０６は、ピークと一致する複数の和の１個の位相から干渉性の符号回復に使用される位相を予測する。
【００１０】
一方、ステップ２１６で、キャリアエラー検出が実行されることになっている場合には、その後プロセッサ１０６は、所定の複数のキャリアエラーについて複数の和を補正し、それによって複数の補正和を生成する２１８。その後、プロセッサ１０６は、受信機の予測キャリアエラーとして複数の補正和の最大振幅二乗値を生成する１個を複数のキャリアエラーから識別する２２０。プロセッサ１０６は、ピーク時およびピークのいずれか一方の側の複数の補正和から予測キャリアエラーに対応する受信信号のタイミングを、好適には周知の２次多項式適合法を適用して判定する２２２。その後、プロセッサ１０６は、ピーク時および予測キャリアエラーに対応する複数の補正和の１個から、好適には実数部で除算した補正和の１個の直交部のアークタンジェント（ＡＲＣＴＡＮＧＥＮＴ：逆正接）として、受信信号の位相を判定する２２４。
【００１１】
下記に、計算を実行するための効率的な技術を強調した同期化処理についてより詳細に説明する。まず、受信信号ｘ（ｎ）および所定の同期信号ｓ（ｍ）の相互相関の効率的な計算から始める。
【００１２】
【数１】

１つの実施例として符号速度を毎秒１００万符号とする。同期符号は６４ＦＳＫ（周波数偏移変調）符号を含み、下記の実数値をとる。
【数２】

１符号当たり４個の標本があるものとする。上記の相互相関式では、Ｎ＝２５６となる。相互相関を直接計算すると、このように２５６×２＝５１２個の記憶位置を必要とし、２５６回の乗算と、０．２５マイクロ秒当たり２５６回の加算がさらに必要なるであろう。これは、１秒当たり約１０２４ＭＩＰＳ（１０億２４００万命令）（ＭＩＰＳ：Ｍｉｌｌｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ）と等価になる。
【００１３】
符号パルスは、受信されるとそれぞれ約１２の標本上に伸張する。同期信号は下記のように表記できる。
【数３】

ここでｇ_Ｓは符号パルスを表わす。相互相関式へ上記等式の右辺を代入し、メモリ量と処理量を削減するように相互相関式を簡単化すると、下記のように変換できる。
【００１４】
【数４】

この変換は必要メモリ量を２５３＋１２＝２６５に削減する利点があり、実質的にその計算量を６回の乗算と、６＋５＋６４＝７５の加算に削減でき、これは約９５％の計算の節約になる。さらに、ｇ_Ｓ（ｍ）値が既知であり、乗数に組み込むことができるので、６回の乗算の複雑性は、直接計算を行った手法の３回の乗算の複雑性と等価となる。また、α_ｋ，ｋ＝ １，２， ．．．， ６４ からｓ（ｍ）（ｍ＝１，２、．．．、２５６）を生成することも回避できる。計算量の有意な削減は、電力削減に直接的に関係し、例えば携帯用無線トランシーバーにおいては特に重要になる。
【００１５】
図３は、本発明における周波数偏移変調チャンネルの相互相関を計算するための効率的実現法を示す第２のフローチャート３００である。第１シフトレジスタ３０２は、受信信号ｘ（ｎ）の各標本を受信する。第１シフトレジスタ１０２の１２の桁がタップされ、その中の値は、６個の乗算器と１１個の加算器中のｇ_Ｓ（ｎ）の６個の値と結合して、Ｒ_ＧＸ（ｎ）を生成する。第２シフトレジスタ３０４は、Ｒ_ＧＸ（ｎ）の各標本を受信し、４桁目ごとにタップされＲ_ＳＸ（ｎ）を生成する。α_ｋ値は±１であるので、シフトレジスタ６０４からの受信値の符号を単に変えるだけで、それらと関連付けられた６４個の乗算器を簡単に実現できる。
【００１６】
受信信号と同期信号が複素数値である場合、その同期化はＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：位相偏移（変調））の場合同様、下記のように実現できる。同期信号は次のように表記できる。
【００１７】
【数５】

ここで、同期符号は、
【数６】

であり、ｇ_Ｓ（ｍ）は実数値の符号パルスである。
受信信号は、
【数７】

である。ここで、φは、送信機と受信機間のランダムな位相オフセットであり、［−π、＋π］にわたり一様に分布し、また、Ｎ（ｎ）はノイズ（相互相関を平均化したもので無視することができる）である。上記の実数値の場合で説明したように、受信信号と所定の同期信号の相互相関を使用する。
【数８】

【００１８】
ここで、ｓバーは同期信号の複素共役数である。相互相関｜Ｒ_ＳＸ（ｎ）｜^２の振幅二乗値のピークは、チャネルのタイミングを提供する。ピークにおけるＲ_ＳＸ（ｎ）の位相φは、干渉性の符号回復に用い得る位相予測を提供する。
【００１９】
相互相関の効率的な計算は実数値の場合と同様である。
【数９】

ここで、
【数１０】

は同期符号の複素共役数であり、ここで
【数１１】

である。ただし、Ｒ_ＧＸ（ｎ）の実数部と直交部は別々に計算される。
【数１２】

よって、
【数１３】

となる。
【数１４】

である。
図４は、本発明における複素数値位相偏移変調チャネルの相互相関を計算するための効率的実現法を示す第３のフローチャート４００である。図４００は図３００と同様であるが、基本的差異は要素４０２，４０４，４０６である。要素４０２は、相互相関の振幅２乗値を計算する。要素４０４は、周知の技術によってピークを見つけ、そこからタイミングを決定する。要素４０６は位相を予測する。
【００２０】
キャリアエラーが複素数値であらわされる場合には、上記計算では、キャリアエラーを補正する必要がある。上記のように、所定の同期信号と受信信号との相互相関は、所定の符号パルスと受信信号の複数の相互相関から導き出される。したがって、各標本インデックスｎについては、所定の符号パルスと受信信号との相互相関が必要となる。
【００２１】
【数１５】

これは、上記の複素数値の場合同様、効率的かつ正確に計算される。
ただし、所定の同期信号と受信信号の相互相関を導き出す過程においては、キャリアエラーの影響を考慮に入れる必要がある。
【数１６】

上記の等式は、次の理由で修正される。
【数１７】

が符号相関内
【数１８】

のキャリアエラー影響を除去するからである。
【００２２】
キャリアエラーが何であるかは事前に不明なので、複数の試行値ωｉを使用するが、ここで、ωｉは、Ｎω回の試行を有するサーチウィンドウω_ｉ＝−ω_ｍａｘ、．．．ω_ｍａｘ内にある。これは次の再帰的計算が必要である。
【数１９】

また、Ｎ_ω相関を必要とする。
【数２０】

それぞれＫ回の複素乗算が必要である。ピーク基準値およびキャリアエラー推定値は、受信した各標本について判定される。
【数２１】

【００２３】
対応するキャリアエラー推定値の場合の最も直前に計算された３個の相互相関と同様に、最も直前に計算された３個のピーク基準値およびキャリアエラー推定値も３個のシフトレジスタに保存される。
【数２２】

タイミング推定値は、次式の２次補間法から計算されるのが好ましい。
｛Ｐ（３），Ｐ（２），Ｐ（１）｝）｝
このキャリアエラー推定値はω（２）と等しくなる。位相は相互相関の実数部と直交部から計算される。
【数２３】

【００２４】
図５は、本発明におけるキャリアエラーと位相偏移変調チャネルの相互相関を計算するための効率的実現を示す第４のフローチャート５００である。図５００は図３００と同様であるが、基本的差異は要素５０２〜５１０である。複素乗算器５０２はキャリアエラーを補正する。ピーク基準値計算機５０４は、各標本間隔およびキャリアエラー試行値ごとに相互相関の振幅２乗値を計算する。キャリアエラー予測量５０６は、相関ピーク時のキャリア予測値を判定し、一方タイミング推定器５０８は、そのキャリアエラー予測値時のタイミングを判定する。位相推定器５１０は、そのタイミングおよびキャリアエラー予測値時の位相を推定する。
【００２５】
本発明が受信信号との同期を確立する方法および装置を提供することは、本願明細書の上記の開示から明白である。この方法および装置は大きなメモリ容量や処理量を必要とせず、実数および複素数信号のいずれに対しても効率的実行される長所を有する。
【００２６】
本発明の多くの変更および変化が上記の教示の観点から可能である。例えば、特定の同期信号の大きさ、符号速度、１符号当たりの標本数、および１符号パルス当たりの標本数は、本願明細書に示した上記実施例に記述しているが、通常の当業者は、本発明の範囲を逸脱することなくこれらおよび他のパラメータについての変更を予見することができるであろう。したがって、本発明は、添付請求項の範囲内において、上記の本願明細書に具体的に記述した以外に実行できることが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の典型的な通信受信機の電気的構成図。
【図２】 本発明の通信受信機に使用される同期方法を示す第１フローチャート。
【図３】 本発明における周波数偏移変調チャンネルの相互相関を計算するための効率的実現法を示す第２のフローチャート。
【図４】 本発明における移相偏移変調チャネルの相互相関を計算するための効率的実現法を示す第３のフローチャート。
【図５】 本発明におけるキャリアエラーを有する移相シフトチャネルの相互相関を計算するための効率的実現法を示す第４のフローチャート。

Claims (24)

1. 通信受信機において、各々所定の符号パルスによって形成された複数の所定同期符号からなる同期信号を用いて同期を確立するための方法であって、
   同期信号を含む信号を受信するステップと、
   前記所定の符号パルスと前記受信信号との間で複数の第１相互相関を決定するステップと、
   前記複数の所定同期符号と前記複数の第１相互相関の所定部分集合との積の複数の和であって、前記同期信号と前記受信信号との間の複数の第２相互相関と数学的に等価な前記複数の和を計算するステップと、
   受信機同期を確立するために前記複数の和のピークを探し出すステップとからなる同期信号を用いて同期を確立するための方法。
2. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
   前記決定ステップが受信信号の実数部と直交部について複数の第１相互相関を別々に決定するステップからなる請求項１に記載の方法。
3. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
   前記計算するステップが複数の所定の同期符号の複素共役数と複数の第１相互相関の所定の部分集合との積から複数の前記和を計算するステップからなる請求項１に記載の方法。
4. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
   前記探し出すステップが前記複数の和の振幅二乗値からピークを探し出すステップからなる請求項１に記載の方法。
5. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
   前記方法は、ピークと一致する前記複数の和の１個の位相から干渉性の符号回復に使用される位相を予測するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
6. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であるとともにキャリアエラーが前記受信信号と前記通信受信機との間に存在し、
   前記計算するステップが、
   所定の複数のキャリアエラーの前記複数の和を補正し、それによって複数の補正和を生成するステップと、
   受信機の推定キャリアエラーとして、前記複数の補正和の最大振幅二乗値を生成する所定の複数のキャリアエラーの１個を識別するステップとからなる請求項１に記載の方法。
7. ピーク時およびピークのいずれか一方の側の前記複数の補正和からタイミングを決定し、推定キャリアエラーに対応させるステップをさらに備える請求項６に記載の方法。
8. ピーク時の前記複数の補正和の１個から予測キャリアエラー対応する位相を決定するステップをさらに備える請求項６に記載の方法。
9. 各々所定の符号パルスによって形成された複数の所定の同期符号からなる同期信号を用いて同期を確立する通信受信機であって、同通信受信機は、
   同期信号を含む信号を受信するための受信機フロントエンドと、
   受信信号を処理するために受信機フロントエンドに結合したプロセッサからなり、前記プロセッサは、
   所定の符号パルスと受信信号間の複数の第１相互相関を決定し、
   複数の所定の同期符号と複数の第１相互相関の所定部分集合との積の複数の和であって、同期信号と受信信号間の複数の第２相互相関と数学的に等価である前記複数の和を計算し、
   受信機同期を確立するために前記複数の和のピークを探し出すようにプログラムされる通信受信機。
10. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、受信信号の実数部と直交部について複数の第１相互相関を別々に決定するようにさらにプログラムされる請求項９に記載の通信受信機。
11. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、複数の所定同期符号の複素共役数と複数の第１相互相関の所定部分集合との積の複数の和を計算するようにさらにプログラムされる請求項９に記載の通信受信機。
12. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、前記複数の和の振幅二乗値からピークを探し出すようにさらにプログラムされる請求項９に記載の通信受信機。
13. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、ピークと一致する前記複数の和の１個の位相から干渉性の符号回復に使用される位相を予測するようにさらにプログラムされる請求項９に記載の通信受信機。
14. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、かつキャリアエラーが受信信号と通信受信機との間に存在し、
    前記プロセッサは、
    所定の複数のキャリアエラーの前記複数の和を補正し、それによって、複数の補正和を生成し、
    受信機の予測キャリアエラーとして、前記複数の補正和の最大振幅二乗値を生成する所定の複数のキャリアエラーの１個を識別するようにさらにプログラムされている、請求項９に記載の通信受信機。
15. プロセッサは、ピーク時およびピークのいずれか片側の前記複数の補正和から推定キャリアエラーに対応するタイミングを決定するようにさらにプログラムされる請求項１４に記載の通信受信機。
16. プロセッサは、ピーク時の前記複数の補正和の１個から前記予測キャリアエラー対応する位相を決定するようにさらにプログラムされる請求項１４に記載の通信受信機。
17. 所定の符号パルスによって形成された複数の所定の同期符号からなる所定の同期信号を含む信号を受信するレシーバフロントエンドとともに使用される受信信号を用いて同期を確立するための装置であって、前記装置は受信信号を処理するプロセッサからなり、同プロセッサは、
    所定の符号パルスと受信信号との間の複数の第１相互相関を決定し、
    複数の所定の同期符号と複数の第１相互相関の所定の部分集合との積の複数の和であって、同期信号と受信信号間の複数の第２相互相関と数学的に等価である前記複数の和を計算し、
    受信機同期を確立するために前記複数の和のピークを探し出すようにプログラムされている装置。
18. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、受信信号の実数部と直交部について複数の第１相互相関を別々に決定するようにさらにプログラムされる請求項１７に記載の装置。
19. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、複数の所定の同期符号の複素共役数と複数の第１相互相関の所定の部分集合との積の複数の和を計算するようにさらにプログラムされる請求項１７に記載の装置。
20. 受信信号および所定の同期符号は複素数値であって、
    前記プロセッサは、前記複数の和の振幅二乗値からピークを探し出すようにさらにプログラムされる請求項１７に記載の装置。
21. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、
    前記プロセッサは、ピークと一致する前記複数の和の１個の位相から干渉性の符号回復に使用される位相を予測するようにさらにプログラムされる請求項１７に記載の装置。
22. 受信信号および所定の同期符号が複素数値であって、かつキャリアエラーが受信信号と通信受信機間に存在し、
    プロセッサは、
    所定の複数のキャリアエラーの前記複数の和を補正し、それによって、複数の補正和を生成し、
    受信機の予測キャリアエラーとして、前記複数の補正和の最大振幅二乗値を生成する所定の複数のキャリアエラーの１個を識別するようにさらにプログラムされる請求項１７に記載の装置。
23. プロセッサは、
    ピーク時およびピークのいずれか片側の前記複数の補正和から予測キャリアエラーに対応するタイミングを決定するようにさらにプログラムされる請求項２２に記載の装置。
24. プロセッサは、
    ピーク時の前記複数の補正和の１個から前記予測キャリアエラー対応する位相を決定するようにさらにプログラムされる請求項２２記載の装置。

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