JP4272987B2 - スペクトル拡散通信トランシーバにおける同期の捕捉 - Google Patents
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Description
本発明は、一般的にデータ通信システムに関し、さらに詳しくは、スペクトル拡散通信トランシーバで同期を捕捉するための装置および方法に関する。
スペクトル拡散通信技術を使用して通信の信頼性およびセキュリティを改善することは公知であり、ますます一般的になってきている。スペクトル拡散通信は、送信されるデータの帯域幅よりずっと大きいスペクトル帯域幅を利用してデータを送信する。これは、他の利点に加えて、高い狭帯域雑音、スペクトル歪み、およびパルス雑音の存在下で、より信頼できる通信をもたらす。スペクトル拡散通信システムは一般的に相関技術を利用して、到来する受信信号を識別する。
したがって、本発明は新規かつ有用な捕捉および同期化機構を提供する。本発明の機構は、電力線搬送通信を使用するネットワークなどの共用媒体を特徴とする通信システムで有用である。一般的に、本発明は、複数の局が共用通信媒体に接続され、それによって受信局が、各パケットの最初に送信局によって送信されるパケット信号の開始で同期を捕捉しなければならない場合に適用できる。
図面の簡単な記述
図1は本発明に従って構成された同期化シーケンスを生成するように適応された例示的送信機を示す線図である。
図2は本発明に従って構成された捕捉および同期化回路を備えた例示的受信機を示す線図である。
図3は同期化シーケンスを含む例示的パケットのフォーマットを示す線図である。
図4は予め定められた時間遅延によって分離された複数のシンボルを含む例示的同期化シーケンス送信信号を示す線図である。
図5は図4の同期化シーケンスに応答して生成される対応する相関ピークを示す線図である。
図6は図4の同期化シーケンス送信信号に対応する例示的受信信号に応答した線形相関器の出力を示す線図である。
図7Aおよび7Bは本発明の捕捉方法をより詳細に示した流れ図である。
図8は本発明の捕捉および同期化機構を実行するように適応された送信機および受信機回路を組み込んだ局の例示的実施形態を示すブロック図である。
送信局は、データをパケットの形で受信局に送信する。各パケットの前に、予め定められた数のシンボルを含み、各シンボル間に予め定められたギャップまたは時間遅延を持つ同期化シーケンスが先行する。同期化シーケンスの長さは、受信局が送信局と同期化することができるように、任意の適切なシンボル数とすることができる。単なる例示として、本書で提示する例では、同期化シーケンスは既知のシフト循環、例えば零シフトシンボルのシンボル7個のシーケンスを含む。7個のシンボルは送信され、それによって各々のシンボルの間に特定の予め定められた時間遅延が挿入される。シンボル間に挿入された特定の時間遅延は、一意の同期化シーケンスギャップ(すなわち時間遅延)テンプレートを定義する。同期化シーケンス間に挿入された間隔は、送信に使用された特定のパケット型を決定するために、受信局で受信機によって使用される。パケットの型の知識は、パケットの残りを正確に復号することができるために重要である。
本発明に従って構成された捕捉および同期化回路を備えた例示的受信機を示す線図を図2に示す。一般的に30で示された受信機は、データの復号、および各パケットの前に送信されたパケット同期化シーケンスの開始で同期の捕捉を実行する。チャネル媒体から受け取った信号は、受信機を電力線等にインタフェースするチャネル結合回路32に入力される。受信信号は次いで、当該帯域に適した周波数特性を有する帯域通過フィルタ(BPF)33によってフィルタリングされる。帯域通過フィルタ(BPF)の帯域幅は、拡散波形内で送信された周波数の範囲を受信するのに充分に幅広い。フィルタの出力は1ビットA/D変換器34に入力される。A/D変換器は、適切なサンプリング周波数でクロックするサンプラと組み合わされた比較器を含むことができる。
本発明の捕捉および同期化機構に従って、同期化シーケンス全体との受信信号の相関が実行される。しかし、受信信号と同期化シーケンスとの相関は、捕捉処理装置50によって線形相関器40から出力される信号に適用される。図4に示す同期化シーケンス送信信号の形の受信信号を処理すると、複数のピークを含む出力信号が線形相関器から生成され、ピーク間の距離は、同期化シーケンスの各々のシンボル間に注入された時間遅延に対応する。ピーク間のこの距離は、256位相単位に、送信を発生するために使用された特定の同期化シーケンステンプレートによって定義された遅延を足したものに等しい。したがって、捕捉処理装置の主な機能は、それぞれの正しい位置にある相関ピークを探索し、合致するピークの数を決定し、同期を宣言するか否かを決定することである。言い換えると、捕捉処理装置は送信が現在受信されているか否かを決定し、受信されている場合、パケットの残りを復号することに取りかかる。
上述の通り、同期が宣言された後、同期点が算出される。捕捉機構の主要な目的の1つは、実際のパケットの開始を定義する同期点を決定することである。この同期点で、受信信号の相関は線形から巡回にシフトし、データが復号され始める。使用される変調の型によっては、コードブック内の2つの連続シンボル間の距離が相対的に非常に小さくなることがある。例えば、1シンボル当たり6ビットを送信するDCSK変調を考慮すると、連続シンボル間の距離はわずか4位相単位である。したがって、同期点のわずか2位相単位の偏位が同期誤りおよびパケット全体の喪失を導くおそれがあるので、同期点を充分な精度で決定しなければならない。間違った同期点を選択することは、全てのシンボルをコードブック内で1位置偏位させ、全てのシンボルの間違った復号を導き、それは誤り訂正コードによって訂正することができない。
本発明では、同期が宣言されるたびに、同期品質係数が算出される。品質係数は次のように定義される。
本発明の捕捉および同期化機構は、同期を宣言するための基準により、同期化が達成されなかったのにパケット内の誤ったデータを訂正することができる事例が発生しないことが確実となるように適応される。言い換えると、同期化アルゴリズムはデータ受信より信頼できるように設計される。使用する誤り訂正コーディングが7個のうち2〜3個の誤り信号を訂正することができる例示的事例で、捕捉アルゴリズムはより信頼できることが好ましい。
本発明の同期シーケンス発生器ならびに捕捉および同期化回路は、局、ネットワークノード、モデム等のような通信トランシーバに組み込むことができる。1つの適用例は、電力線媒体での通信用に適応されたデジタルモデムである。モデムは100〜400kHzの帯域(米国の場合)または95〜125kHzおよび20〜80kHzの帯域(欧州の場合)を利用する。使用される変調はDCSKであり、モデムは適切な帯域のスペクトル拡散変調信号を使用してユニキャスト、ブロードキャスト、およびマルチキャスト送信を行なうことができる。送信された各パケットは、受信機が循環シフトデータ拡散波形として変調されたパケットデータの前の拡散波形(すなわちチャープ、PNシーケンス等)で同期化することを可能にする同期化シーケンスを含む。上述した通り、同期化シーケンスは線形相関器を通して処理される一方、データは巡回相関を用いて復号される。
Claims (27)
- 複数の予め定められた直交同期化シーケンステンプレートの一つに従って生成された複数のシンボルを含むパケット信号の開始で同期を捕捉する方法であって、前記予め定められた直交同期化シーケンステンプレートの各々は、特定の時間遅延が間に挿入された複数のシンボルを含む場合において、前記方法は、
受信信号を相関して複数の受信相関ピークを生成するステップと、
候補同期化シーケンステンプレートのシンボル間の特定の時間遅延に従って各受信相関ピークの期待位置を算出するステップと、
前記各受信相関ピークの前記期待位置の相関品質を決定するステップと、
前記相関品質を評価し、前記評価が予め定められた基準を超える場合には同期を宣言するステップと、
前記候補同期化シーケンステンプレートの特定の時間遅延パターンに従ってパケット型情報を抽出するステップと、
を含む方法。 - 前記相関品質が、前記受信相関ピークの高さに加えて、前記期待位置からの各受信相関ピークの距離に従って決定される、請求項1に記載の方法。
- 受信相関ピークの位置が前記対応する期待位置から予め定められた距離内である場合は、前記相関品質が合致に設定され、そうでなければ非合致に設定される、請求項1に記載の方法。
- 前記予め定められた基準がしきい値を超える合致数を含み、前記しきい値が前記相関ピークの高さの関数として設定される、請求項3に記載の方法。
- 前記相関品質を決定する前記ステップが前記各受信相関ピークの期待位置における相関の値を決定することを含み、前記評価のステップが前記相関品質値を合計することを含む、請求項1に記載の方法。
- 捕捉に関連する情報が送信シンボル間の予め定められた時間遅延またはギャップで搬送される、請求項1に記載の方法。
- 最後の受信相関ピークの前の相関ピークが正しいと想定し、かつ前記算出ステップを繰り返して、最後の受信相関ピークの前の相関ピークを基準にして前記期待位置を算出するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記計算ステップ、決定ステップ、および合致を探索する評価ステップを異なる同期化シーケンス遅延テンプレートで繰り返すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 境界線上の合致数の場合には、合致相関ピークの和がピーク値しきい値を超える場合にのみ、同期が宣言される、請求項3に記載の方法。
- 各合致相関ピークの期待位置と受信相関ピークの位置との間の差の平均の関数として同期点を決定するステップをさらに含む、請求項3に記載の方法。
- 同期品質係数を算出するステップをさらに含み、それによって、より高い関連同期品質係数を持つ新しいパケットを受信すると、受信機が前に受信しているパケットをドロップし、前記新しいパケットを直ちに受信するようにした、請求項1に記載の方法。
- パケット同期化シーケンスの開始を生成する方法であって、
前記同期化シーケンスで送信される複数のシンボルを生成するステップと、
前記同期化シーケンスで前記複数のシンボルの間に特定の時間遅延を挿入し、前記時間遅延が全ての他の同期化シーケンスと関連付けられた時間遅延に直交するように選択された同期化シーケンスと関連付けられるステップと、
前記同期化シーケンスを符号化するステップと、
前記符号化された同期化シーケンスをチャネル上に送信するステップと、
を含み、
シンボル間の異なる時間遅延を有する同期化シーケンスは、パケット型情報を搬送する目的と、一つ以上の対応する受信機で同期を捕捉する目的という二重の目的のために役立つ方法。 - 前記特定の時間遅延が、比較的高い自動相関特性を持つ同期化シーケンスを生じるように選択される、請求項12に記載の方法。
- 前記特定の時間遅延は同期化シーケンス間の相互相関が最小になるように選択される、請求項12に記載の方法。
- 複数のシンボルを含み、シンボルの各対が複数の予め定められた直交同期化テンプレートの一つに従って間隔を置いて配置されて成るパケット同期化シーケンスの開始で通信ネットワークにおける同期を捕捉するための装置であって、前記予め定められた直交同期化シーケンステンプレートの各々は、特定の時間遅延が間に挿入された複数のシンボルを含む場合において、前記装置は、
前記同期化シーケンスの各受信シンボルに応答して相関ピークを生成するように適応された相関器と、
候補同期化テンプレートのシンボル間の特定の時間遅延に従って各受信相関ピークの期待位置を算出するための手段と、
前記各受信相関ピークの前記期待位置の相関品質を決定するための手段と、
前記相関品質を評価し、かつ前記評価が予め定められた基準を超えると同期を宣言するための手段と、
前記候補同期化シーケンステンプレートの特定の時間遅延パターンに従ってパケット型情報を抽出するための手段と、
を含む捕捉回路と、
を備えた装置。 - 前記相関品質が、前記受信相関ピークの高さに加えて、前記期待位置からの前記受信相関ピークの距離に従って決定される、請求項15に記載の装置。
- 受信相関ピークの位置が前記対応する期待位置から予め定められた距離内である場合は、前記相関品質が合致に設定され、そうでなければ非合致に設定される、請求項15に記載の装置。
- 前記予め定められた基準がしきい値を超える合致数を含み、前記しきい値が前記相関ピークの高さの関数として設定される、請求項17に記載の装置。
- 前記相関品質を決定するための前記手段が前記各受信相関ピークの期待位置における相関の値を決定するための手段を含み、前記評価のための手段が前記相関品質値を合計することを含む、請求項15に記載の装置。
- 最後の受信相関ピークの前の相関ピークが正しいと想定し、前記期待位置を最後の受信相関ピークの前の相関ピークを基準に繰返し計算するための手段をさらに含む、請求項15に記載の装置。
- 複数の予め定められた同期化時間遅延テンプレートを利用して、算出および比較を繰り返して同期合致を探索するための手段をさらに含む、請求項15に記載の装置。
- 境界線上の合致数の場合には、合致相関ピークの和がピーク値しきい値を超える場合にのみ、同期が宣言される、請求項17に記載の装置。
- 各合致相関ピークの期待位置と受信相関ピークの位置との間の差の平均の関数として同期点を決定するための手段をさらに含む、請求項17に記載の装置。
- 同期品質係数を算出するための手段をさらに含み、それによって、より高い関連同期品質係数を持つ新しいパケットを受信すると、受信機が前に受信しているパケットをドロップし、前記新しいパケットを直ちに受信するようにした、請求項15に記載の装置。
- 通信ネットワークで同期を捕捉するための方法であって、
送信局によって送信されたパケットの最初に直交同期化シーケンスを受信するステップ、ただし、送信された直交同期化シーケンスが複数のシンボルを含んでおり、各シンボルが、特定の同期化シーケンステンプレートに対応する特定の時間遅延によって分離されている、と、
前記受信した直交同期化シーケンスを相関して複数の相関ピークを生成するステップと、
前記送信局によってシンボル間に挿入された予め定められた時間遅延を有する候補同期化シーケンスに対応する期待位置で予め定められた位相単位の範囲内で相関ピークの存在を探索するステップと、
対応する期待位置で前記予め定められた位相単位の範囲内で見つかった相関ピークの数がしきい値を超える場合に同期を宣言するステップと、
受信相関ピークの位置とそれらの対応する期待位置との間の距離の関数として同期時点を決定するステップと、
前記候補同期化シーケンステンプレートの特定の時間遅延パターンに従ってパケット型情報を抽出するステップと、
を含む方法。 - 複数のシンボルのパケット同期化シーケンスの開始を含み、複数の予め定められた直交同期化シーケンスギャップテンプレートの一つに従ってシンボルの各対の間に予め定められた時間遅延が挿入されて成る送信信号で、通信ネットワークにおける同期を捕捉するための特定用途向け集積回路(ASIC)であって、
前記送信信号から受信信号を生成するように適応された受信手段と、
前記同期化シーケンス内の各受信シンボルに応答して前記受信信号から相関ピークを生成するように適応された相関手段と、
候補同期化シーケンステンプレートのシンボル間の特定の時間遅延に従って各受信相関ピークの期待位置を算出するための計算手段と、
前記期待位置の相関品質を生成するための決定手段と、
前記相関品質を評価し、かつ前記評価が予め定められた基準を超える場合には同期を宣言するための手段と、
前記候補同期化シーケンステンプレートの特定の時間遅延パターンに従ってパケット型情報を抽出するための手段と、
を備えたASIC。 - 共用通信媒体ベースのネットワークを通して接続された他の局との間で信号を送受信するための通信局において、
前記ネットワークを通して受信した受信信号を生成し、かつ前記ネットワークに送信信号を出力するための結合回路と、
変調方式に従って送信される同期化シーケンスおよびデータを変調してそこから送信信号を生成するように適応された送信機であって、前記同期シーケンスは、複数の予め定められた直交同期化シーケンスの一つに従って生成され、前記予め定められた直交同期化シーケンスの各々は、特定の時間遅延が間に挿入された複数のシンボルを含む送信機と、
前記変調方式に従って前記受信信号を復調してそこから受信データ信号を生成するように適応された受信機であって、前記受信機が捕捉回路を含み、前記捕捉回路が、
前記受信信号を相関してそこから複数の受信相関ピークを生成するための手段と、
候補同期化シーケンステンプレートのシンボル間の特定の時間遅延に従って各受信相関ピークの期待位置を算出するための手段と、
各受信相関ピークの位置を対応する期待位置と比較し、受信相関ピークの位置が前記対応する期待位置から予め定められた距離内にある場合には合致を宣言するための手段と、
合致数がしきい値を超える場合には同期を宣言するための手段と、
前記候補同期化シーケンステンプレートの特定の時間遅延パターンに従ってパケット型情報を抽出するための手段と、
を含む受信機と、
アプリケーション処理装置を前記共用通信媒体にインターフェースするように適応された媒体アクセス制御(MAC)回路と、
前記送信機、受信機及びMACの動作を制御するように、及び前記MACと外部ホストとの間のインターフェースを与えるように適応されている前記アプリケーション処理装置と、
を備えた通信局。
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