JP4675323B2 - 振幅に影響されにくいパケット検出のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、無線通信の分野に関し、より詳しくは、デジタル受信器において受信されたデータパケットの存在を検出する方法および検出するための装置に関する。

携帯通信市場の急速な成長は、設計者に、引用してここに組み込むＩＥＥＥ ８０２．１１ａ−１９９９ パート１１：“無線ＬＡＮ媒体アクセス制御（ＭＡＣ）および物理レイヤ（ＰＨＹ）仕様−５ＧＨｚ帯域における高速物理レイヤ”に従う無線周波数（ＲＦ）トランシーバのための低コストで低消費電力の高度に集積された解決策の追及を促進させてきた。この技術分野の当業者が理解するように、あらゆる無線受信器の重要な側面は、マルチパスフェーディングおよび／またはノイズの存在の結果として受信された信号が劣化した可能性があるデータパケットの存在を検出する能力である。

デジタル変調方式を利用する無線受信器は、典型的に、無線信号の正しい捕捉（acquisition）を制御するタイミング装置を開始するために、エネルギーの存在を検出する。この捕捉は、典型的に、無線周波数プリアンブルまたは周知の‘シグネチャ（signature）’信号を判定することを含む。

捕捉はオリジナルのＲＦシグネチャに“整合された”フィルタに入力信号を印加すること、および、有効なシグネチャを有する信号が検出されたことを示す“ピーク”がないかどうか整合されたフィルタの出力を検査することを含む。この技術分野の当業者が理解するように、ある無線周波数アプリケーションは、無線周波数信号を同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）チャネル（Ｉ／Ｑチャネル）を表わす信号成分に分離することによって信号処理動作を実行する。ＲＦ信号が複素Ｉ／Ｑベースバンドに復調されるならば、整合されたフィルタもまたベースバンドにおいて複素Ｉ／Ｑでなければならない。この処理は、“複素整合フィルタ相関（complex matched filter correlation）”または短く“相関（correlation）”と定義される。

捕捉処理の間、無線信号が高速な自動利得制御（ＡＧＣ）の揺らぎを受けるならば、相関のピークの品質は劣化し、かつ有効なシグネチャの判定は危うくされる可能性がある。この技術分野の当業者が理解するように、ＡＧＣ回路は、受信された信号の強度（ＲＳＳＩ）のような特定のパラメータの関数として、特定の方法で利得が自動的に調整される回路である。

過去の解決策は、受信器のラインアップ（line-up）においてＡＧＣ利得の推定値で除算することによってベースバンドＩまたはＱ信号を正規化する。このアプローチに伴う問題は、利得値の推定値を要求することである。この利得推定値は時間を要し、かつ限られた時間が利用可能ならば一般にノイズが存在するので、（ＩＥＥＥ ８０２．１１ａにおけるように）限られた時間が利用可能であるアプリケーションにおいて、品質の劣った推定値が用いられなければならず、結果としてノイズが存在する相関器出力となり、かつ検出失敗の可能性が増加する。

品質の劣った利得推定値は、従来の正規化が、入力信号の振幅と利得推定値との差に過大に依存するかまたは過小に依存するかのいずれかである相関器出力を生成することを意味する。

先行技術の欠点を克服するために、入力信号の振幅の揺らぎへの依存を除去し、一方、同時に相関処理のために重要な位相の関連性を維持する簡素化された相関の方法が提供される。本発明は、一般に複素乗算回路によって行われる完全な正規化の要求を除去し、かつＭ個の離散的な複素Ｉ／Ｑ位相出力を有する簡単なルックアップテーブル（ＬＵＴ）で置き換える。

本発明の第１の形態によれば、無線デジタル受信器において受信された無線周波数（ＲＦ）信号中のデータパケットの存在を検出する方法であって、前記ＲＦ信号を同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）信号に分離するステップと、前記ＩおよびＱ信号から直流（ＤＣ）オフセットを除去するステップと、前記ＩおよびＱ信号を変調するステップと、前記変調されたＩおよびＱ信号について振幅正規化を実行するステップと、複素相関器によって前記振幅正規化されたＩおよびＱ信号を基準信号と比較するステップと、前記複素相関器の出力のピークを検出するステップと、前記ピークが所定の閾値を超えているならば、データバケットが受信されたことを示し、それ以外は引き続き受信されたＲＦ信号について以上のステップを実行するステップと、を有する方法が提供される。

好ましくは、前記振幅正規化を実行するステップは、前記変調されたＩおよびＱ信号を量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）信号のコンステレーションにマッピングするステップを含む。

本発明の第２の形態によれば、無線デジタル受信器において受信された無線周波数（ＲＦ）信号中のデータパケットの存在を検出するための回路であって、受信されたＲＦ信号から得られた同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）信号におけるローカル発振器（ＬＯ）の漏洩を訂正する直流（ＤＣ）オフセットモジュールと、前記ＤＣオフセットモジュールと通信し、前記ＩおよびＱ信号を量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）信号のコンステレーションにマッピングするためのＭ相ＰＳＫマッパーと、前記マッピングされたＩおよびＱ信号を基準信号と比較するために前記Ｍ相ＰＳＫマッパーからの入力を受信する複素相関器と、正しいシグネチャの存在を判定するために前記複素相関器からの入力を受信する検出器と、を具備する捕捉モジュールと、を具備する回路が提供される。

好ましくは、前記検出器は、前記複素相関器の出力を振幅および位相の値に変換するための複素数−極座標（complex to polar；Ｃ２Ｐ）変換器と、前記変換された出力の信号サイズを判定するための振幅評価モジュールと、情報ビットの存在を判定するために前記振幅評価モジュールと通信するピーク検出モジュールと、を具備する。

本発明の効果は、ここで容易に明らかである。この簡素化された正規化方式は入力信号における振幅の変動に対してアルゴリズムを強固にし、一方、さらに、よい相関の出力を可能とする。Ｉ／Ｑ入力信号に干渉が重畳されるアプリケーションにおいて、本発明はＡＧＣの正規化の方法における検出能力を向上させる。

添付図面を参照して以下の詳細な説明を考慮することによって本発明のよりよい理解が得られる。
図１を参照すると、本発明が含まれるデジタル受信器１０が表わされている。好ましいデジタル受信器１０は、例えば、ＩＥＥＥ ８０２．１１ａ標準において詳述されている全ての物理層機能を実行するアイスフィア・セミコンダクター・インコーポレーテッドによって提供されるＩＣＥ５３５０デジタル受信器とすることが可能であるが、本発明がこの受信器に限定されることを意味しない。デジタル受信器１０は、ＲＦ受信器フロントエンド１２と物理媒体アクセス制御（ＰＨＹ／ＭＡＣ）１４との間に配置される。ＲＦ受信器フロントエンド１２はアンテナＡおよびＢに接続している。図に表わされたように、デジタル受信器１０内の２つの主要なブロックは、デジタル復調器１６およびベースバンドデコーダ１８である。デジタル復調器１６は、キャリアオフセット、タイミングオフセットを除去し、チャネル損失のための補償を行い、かつデジタル方式で変調された信号をデマッピングすることによってベースバンド信号を回復する。このブロックは、（図示しない）アナログ−デジタルインタフェースと（図示しない）ベースバンドインタフェースとの間に配置される。ベースバンドデコーダ１８はベースバンド信号をデインタリーブし、軟判定ビタビアルゴリズムを通してエラー訂正を行い、かつＰＨＹ／ＭＡＣ・１４を通過させるために訂正されたビットストリームを逆スクランブルする。このブロックは、（図示しない）ベースバンドインタフェースと（図示しない）ＰＨＹ／ＭＡＣインタフェースとの間に配置される。

図２は、図１のデジタル復調器１６を表わす。図に表わされているように、アナログからデジタルへのインタフェースは、ブロックＡＤＣ／ＤＡＣ・２０に配置される。また、ベースバンドインタフェースは、図において軟判定デマッパー２２に見ることができる。また、デジタル復調器１６は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路２４によって２つの部分に明確に分離されていることが、図において理解される。左側がデジタル復調器フロントエンド（ＤＦＥ）２６であり、一方、右側がデジタル復調器バックエンド（ＤＢＥ）２８である。本発明は、デジタル復調器フロントエンド２６において提供される。

図３は、デジタル復調器フロントエンド２６のより詳細な図を表わす。図に表わされているように、フロントエンドにおいて４つの主要な処理経路が存在する（丸で囲まれた数字１から４で表わされている）。
１）信号検出経路。これの目的は、バーストが存在するときに判定し、かつ使用する最適なアンテナを選択することである。
２）ショートシンボル相関経路。これの目的は、バーストタイミングを判定し、かつ粗い周波数推定値を生成し、かつその推定値をアナログブロックのローカル発振器に送ることである。
３）ロングシンボル相関経路。これの目的は、品質のすぐれた周波数推定値を生成し、かつデジタルのローカル発振器を初期化することである。
４）データ検出経路。これの目的は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）シンボルをダウンサンプル（down-sample）し、中心周波数を訂正し、かつガードインターバル（ＧＩ）を除去することである。
本発明は、データ検出経路に関する。

図４は、本発明のパケット検出システムのブロック図である。上述したように、本発明は、入力ＲＦ信号の振幅の揺らぎへの依存を除去し、一方、同時に位相の関連性を維持することによって簡素化された相関の方法を提案する。重要な利点は、整合された複素相関器への印加前に、複素（complex）直交振幅変調（ＱＡＭ）プリアンブルを量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）のコンステレーションにマッピングすることを含む。この処理は、基本的に、除算器を使用せず、または除算器に関する複雑さなしで、入力信号を“振幅正規化”する。図５に関してより詳しく説明されるように、ＰＳＫマッパーからの出力は、単位円上のＭ個の位相のいずれか１つとすることが可能であるが、単位の大きさのみを有する。

より詳しくは、図４に表わされているように、このシステムは、ＩおよびＱ直流（ＤＣ）オフセットモジュール３０、３２および捕捉ブロック３４を具備する。ＤＣオフセットは捕捉ブロックの性能を歪曲する可能性があるので、ＩおよびＱそれぞれの信号は、ある程度までＤＣオフセットが除去されなければならない。この技術分野の当業者によって理解されるように、ＤＣオフセットは、ローカル発振器（ＬＯ）の漏洩または貫通接続から生じる。漏洩信号はＬＯ信号と混合され、それによってＤＣ成分を生成する。直接に増幅されるならば、オフセット電圧は回路を飽和させ、所望の信号の増幅を妨げ得る。したがって、オフセット除去の手段が要求される。ＤＣ推定モジュール３６、３８は、入力されるＩおよびＱ信号に印加されることを余儀なくされたオフセットを推定する。この技術分野の当業者によって理解されるように、オフセット除去の１つの方法は、オフセット除去を実行するデジタル無線標準における遊休時間間隔（idle time interval）を利用することを含む。

前記捕捉モジュールが図５に表わされ、前記捕捉モジュールは、Ｍ相（M-ary）位相偏移変調（ＰＳＫ）フェーズマッパー４２、複素相関器４４および検出器４６から構成される。デジタルＲＦシステムにおいて、搬送波はデジタルベースバンド信号によって変調される。この技術分野で知られた１つのそのような変調技術は、伝送されるデータにしたがって、搬送波の位相が基準位相または直前の信号要素の位相のいずれかに関して離散的に変化する位相偏移変調である。最も簡単な方法は、２相ＰＳＫ（ＢＰＳＫ）が０度および１８０度の２つのみの信号位相を用いる。搬送波を変調するために（２つの信号に対して）複数レベルのデジタル信号を利用することが効果的なことが時々ある。このシグナリング形式はＭ相（M-ary）シグナリングと呼ばれ、Ｍは選択された位相の数を表わすパラメータである。本発明において用いられるＭ相ＰＳＫは、複数の位相角度（例えば、０，＋４５，−４５，＋９０，−９０，＋１３５，−１３５，１８０）が変調される複数レベル変調技術である。

背景技術の欄で示したように、復調の後、受信された信号は、それぞれコサインおよびサイン成分の振幅を表わす同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）ベースバンド成分にダウンコンバートされる。Ｘ軸上に同位相（Ｉ）、Ｙ軸上に直交位相（Ｑ）を有する２次元表示である、極座標プロットまたはアルガン平面（Argand diagram）としても知られる、いわゆる“コンステレーション”ダイアグラムにおいてこれらの信号を見ることがたいへん役に立つ。どの時間においても、信号の２つの値はこのＸ／Ｙプロットにおける点によって表わすことができる。本発明の場合には、Ｍ相ＰＳＫフェーズマッパー４２は、図６に表わされたように、特定のＩ／Ｑコンステレーションポイントを単位円上に配置された、定義された出力Ｉ／Ｑにマップする。図６から分かるように、位相角度を量子化し、かつ振幅を“１”に限定する役割を果たすいくつかのマッピングが表わされている。この処理は、基本的に、追加の構成要素を要求することなく入力信号を“振幅正規化”する。Ｍ相ＰＳＫマッパー４２における位相の数Ｍを増加させることによってよりよい性能を達成することができる。

Ｍ相ＰＳＫマッパー４２の出力を記憶された正しい（例えば、ノイズのない）基準信号の複製と比較する複素相関器４４がＭ相ＰＳＫマッパー４２に続く。図７においてより十分に表わされている検出器４６は、複素相関器４４の出力をある大きさに変換し、かつピークを検出するために用いられる。ピークが所定の閾値を上回るならば、パケット検出を示す。検出器４６は、複素相関器４４から受信された各々の値を振幅および位相の値に変換する複素数−極座標（Ｃ２Ｐ）変換器４８を具備する。Ｃ２Ｐ・４８の振幅出力は、数式（振幅）＾２に従って信号電力を算出するオプションの振幅評価モジュール５０に供給される。２乗された振幅の算出は常に必要とは限らず、例えば、振幅はいくつかのアプリケーションにおいて用いられ得る。そして、モジュール５０の出力は、相関のピークの振幅がある最小の所定の閾値を超えているか否かを判定するピーク検出モジュール５２に供給される。この最小の閾値を超えていると、正しい“シグネチャ”が受信され、かつ情報ビットが存在することを示す。ピーク信号の包絡線検出のような高速なピーク検出技術が利用可能であり、かつこれらはこの技術分野の当業者に知られており、かつ本発明の範囲内に含まれることを意味する。

この技術分野の当業者によって理解されるように、本発明は、パケット検出回路が集積回路内で有効な機能を実行するための他の構成要素と結合して用いられる集積回路に関する。上述した実施形態において利用された個々の電子的機能および処理機能は、個々に、この技術分野の当業者によって十分に理解される。この技術分野の当業者は代替のために様々な他の実装を工夫することが可能であり、かつ特許請求の範囲に記載された発明は、全てのそのような代わりの実装、代替および均等物を含むことを意図することは読者によって理解される。無線周波数および集積回路設計の分野の当業者は、与えられたアプリケーションのために本発明を適切な実装に適用することが容易に可能である。

したがって、説明を通してここに表わされ、かつ記載された特定の実施形態は、発明者／譲受人によって主張された発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されると理解すべきである。

デジタル受信器のブロック図である。 図１のデジタル受信器に含まれるデジタル復調器のブロック図である。 図２のデジタル復調器に含まれるデジタル復調器フロントエンドのブロック図である。 図３のデジタル復調器フロントエンドに含まれる本発明のパケット検出システムのブロック図である。 図４のパケット検出システムの捕捉ブロックのブロック図である。 Ｉ／Ｑ信号のコンステレーションである。 図５の捕捉ブロックに含まれる検出器のブロック図である。

符号の説明

１０ デジタル受信器
１２ ＲＦ受信器フロントエンド
１４ 物理媒体アクセス制御
１６ デジタル復調器
１８ ベースバンドデコーダ
２０ ＡＤＣ／ＤＡＣ
２２ 軟判定デマッパー
２４ 高速フーリエ変換回路
２６ デジタル復調器フロントエンド
２８ デジタル復調器バックエンド
３０、３２ ＩおよびＱ直流オフセットモジュール
３４ 捕捉ブロック
３６、３８ ＤＣ推定モジュール
４２ Ｍ相ＰＳＫフェーズマッパー
４４ 複素相関器
４６ 検出器
４８ Ｃ２Ｐ変換器
５０ 振幅評価モジュール
５２ ピーク検出モジュール
Ａ、Ｂ アンテナ

Claims (14)

1. 無線デジタル受信器において受信された無線周波数（ＲＦ）信号中のデータパケットの存在を検出する方法であって、
   （ａ）前記ＲＦ信号を同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）ベースバンド信号にダウンコンバートするステップと、
   （ｂ）前記ＩおよびＱベースバンド信号から直流（ＤＣ）オフセットを除去するステップと、
   （ｃ）前記直流（ＤＣ）オフセットを除去されたＩおよびＱベースバンド信号について振幅正規化を実行するステップと、
   （ｄ）複素相関器によって前記振幅正規化されたＩおよびＱベースバンド信号を基準信号と比較するステップと、
   （ｅ）前記複素相関器の出力のピークを検出するステップと、
   （ｆ）前記ピークが所定の閾値を超えているならば、データバケットが受信されたことを示し、それ以外は引き続き受信されたＲＦ信号についてステップ（ａ）から（ｆ）を実行するステップとを有し、
   前記振幅正規化を実行するステップは、前記直流（ＤＣ）オフセットを除去されたＩおよびＱベースバンド信号を量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）信号のコンステレーションにマッピングするステップを含む方法。
2. 前記検出するステップは、
   （ａ）前記複素相関器の出力を複素数から極座標の値に変換するステップと、
   （ｂ）前記極座標の値の信号の振幅を評価するステップと、
   （ｃ）情報ビットを含むデータパケットが存在するか否か判定するステップと、
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記評価するステップは、数式（振幅）＾２を用いて実行される請求項２に記載の方法。
4. 前記判定するステップは、ピーク信号の包絡線検出技術を利用するステップを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記判定するステップは、信号の振幅を最小閾値と比較し、かつ前記信号の振幅が前記最小閾値を超えているならば、正しいシグネチャが受信されたことを示すステップを含む請求項３に記載の方法。
6. 無線デジタル受信器において受信された無線周波数（ＲＦ）信号中のデータパケットの存在を検出するための回路であって、
   （ａ）前記受信されたＲＦ信号から得られた同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）ベースバンド信号においてローカル発振器（ＬＯ）の漏洩を訂正する直流（ＤＣ）オフセットモジュールと、
   （ｂ）前記ＤＣオフセットモジュールと通信し、
   （１）前記ＩおよびＱベースバンド信号を量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）信号のコンステレーションにマッピングするためのＭ相ＰＳＫマッパーと、
   （２）前記マッピングされたＩおよびＱベースバンド信号を基準信号と比較するために前記Ｍ相ＰＳＫマッパーからの入力を受信する複素相関器と、
   （３）正しいシグネチャの存在を判定するために前記複素相関器からの入力を受信する検出器と、
   を具備する捕捉モジュールと、
   を具備する回路。
7. 前記検出器は、
   （１）前記複素相関器の出力を振幅および位相の値に変換するための複素数−極座標（Ｃ２Ｐ）変換器と、
   （２）前記変換された出力の信号サイズを判定するための振幅評価モジュールと、
   （３）情報ビットの存在を判定するために前記振幅評価モジュールと通信するピーク検出モジュールと、
   を具備する請求項６に記載の回路。
8. 前記受信されたＲＦ信号は、直交振幅変調（ＱＡＭ）信号である請求項７に記載の回路。
9. 無線デジタル受信器において受信された直交振幅変調（ＱＡＭ）無線周波数（ＲＦ）信号中のデータパケットの存在を検出するための方法であって、
   （ａ）前記受信されたＱＡＭ ＲＦ信号から得られたＩおよびＱベースバンド信号から直流（ＤＣ）オフセットを除去するステップと、
   （ｂ）前記直流（ＤＣ）オフセットを除去されたＩおよびＱベースバンド信号について振幅正規化を実行するステップと、
   （ｃ）複素相関器によって前記振幅正規化されたＩおよびＱベースバンド信号を基準信号と比較するステップと、
   （ｄ）前記複素相関器の出力のピークを検出するステップと、
   （ｅ）前記ピークが所定の閾値を超えているならば、データバケットが受信されたことを示し、それ以外は引き続き受信されたＱＡＭ ＲＦ信号についてステップ（ａ）から（ｅ）を実行するステップとを有し、
   前記振幅正規化を実行するステップは、前記直流（ＤＣ）オフセットを除去されたＩおよびＱベースバンド信号を量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）信号のコンステレーションにマッピングするステップを含む方法。
10. 前記検出するステップは、
    （ａ）前記複素相関器の出力を複素数から極座標の値に変換するステップと、
    （ｂ）前記極座標の値の信号の振幅を評価するステップと、
    （ｃ）情報ビットを含むデータパケットが存在するか否か判定するステップと、
    をさらに含む請求項９に記載の方法。
11. 前記判定するステップは、信号の振幅を最小閾値と比較し、かつ前記信号の振幅が前記最小閾値を超えているならば、正しいシグネチャが受信されたことを示すステップを含む請求項１０に記載の方法。
12. 無線デジタル受信器において受信された無線周波数（ＲＦ）信号中のデータパケットの存在を検出するための回路であって、
    （ａ）前記受信されたＲＦ信号から得られた同位相（Ｉ）および直交位相（Ｑ）ベースバンド信号においてローカル発振器（ＬＯ）の漏洩を訂正する直流（ＤＣ）オフセットモジュールと、
    （ｂ）前記データパケットに対応付けられた情報ビットの存在を判定するためのマッピング、比較および検出機能を実行するために前記訂正されたＩおよびＱベースバンド信号を受信する捕捉モジュールとを具備し、
    前記捕捉モジュールは、
    （１）前記ＩおよびＱベースバンド信号を量子化された位相偏移変調（ＰＳＫ）信号のコンステレーションにマッピングするためのＭ相ＰＳＫマッパーと、
    （２）前記マッピングされたＩおよびＱベースバンド信号を基準信号と比較するために前記Ｍ相ＰＳＫマッパーからの入力を受信する複素相関器と、
    （３）正しいシグネチャの存在を判定するために前記複素相関器からの入力を受信する検出器と、
    を具備する回路。
13. 前記検出器は、
    （１）前記複素相関器の出力を振幅および位相の値に変換するための複素数−極座標（Ｃ２Ｐ）変換器と、
    （２）前記変換された出力の信号サイズを判定するための振幅評価モジュールと、
    （３）情報ビットの存在を判定するために前記振幅評価モジュールと通信するピーク検出モジュールと、
    を具備する請求項１２に記載の回路。
14. 前記受信されたＲＦ信号は、直交振幅変調（ＱＡＭ）信号である請求項１３に記載の回路。

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