JP4757743B2 - 同期捕捉装置及び同期捕捉方法 - Google Patents

Description

本発明は、インパルス無線（Impulse Radio：ＩＲ）通信システムに用いられる同期捕捉装置及び同期捕捉方法に関する。

高速スイッチング半導体デバイスの開発などの、近年の通信技術の進歩により、持続時間の非常に短い無線周波数（ＲＦ）パルスシーケンスの送受信が可能となった。このようなパルスの持続時間は、一般にナノ秒未満である。このような通信技術は、インパルス無線（ＩＲ）と呼ばれることがある。

ＩＲ技術は、持続時間の非常に短いＲＦパルスを使用し、極めて広い周波数帯域幅を用いて信号を伝送することができる。平均パワースペクトル密度は、パルスの繰り返し周波数、幅及び振幅レベルに依存するものの、広い周波数帯域幅に広げて伝送するため、極めて小さいレベルにあり、例えば、１ヘルツあたり１０^−１１ワットである。このような低電力放射により、同様の周波数帯域で動作する他の有線又は無線システムとの干渉を、最小限に抑えることができる。更に、ＩＲ技術の広帯域幅は、例えば短距離での通信容量が非常に大きいなど、短距離通信のための多くの有利な特性を有している。

ところが、ＩＲ技術の有利な特性は、設計上の難題をも、もたらしている。その１つは、同期捕捉である。ＩＲ技術ではパルス持続時間が極めて短いため、ＩＲ技術をベースにしたＩＲ通信を十分にサポートできる程度の同期捕捉処理を、高速かつ、その通信容量を大きく損なわない程度に短時間で行なう必要がある。また、ＩＲ通信では様々な変調方式が用いられるため、同期捕捉処理は、様々な変調方式に対して正確に行われる必要がある。

ＩＲ通信に用いられる同期捕捉処理は、その具体的手法に基づいて、シリーズ探索、パラレル探索、及びハイブリッド探索に分類することができる。

スライディングウィンドウを用いるシリーズ探索は、多数のパルス存在区間（dwell interval in time）を通して信号探索を行うことが必要となることがある（例えば、特許文献１及び非特許文献１）。シリーズ探索では、受信器において、受信信号とテンプレート信号とを相関処理し、積分される。そして、ベースバンド出力信号が、所定の閾値と比較される。ベースバンド出力信号が閾値よりも大きい又は閾値と等しい場合、同期捕捉は完了する。ベースバンド出力信号が閾値よりも小さい場合、テンプレート信号を所定のタイムスロットだけシフト又は遅延させる。受信器は、シフト又は遅延したテンプレート信号を用いて、相関、積分、及び閾値比較の演算を繰り返す。ベースバンド出力信号が閾値よりも大きく又は等しくなるまで、或いは、シフト又は遅延したテンプレート信号全てが用いられるまで、その演算が繰り返される。

非特許文献２には、スライディングウィンドウを用いるシリーズ探索の幾つかのバリエーション、例えば、ランダム置換探索（random permutation search）及びビット逆順探索（bit reversal search）などが、説明されている。この文献に示されたシミュレーション結果によれば、ビット逆順探索は、スライディングウィンドウを用いるものに比べて、同期捕捉時間が高速である。なお、シリーズ探索の基本構成は、主に、単一の相関器、加算器及び閾値比較器などを含む。

パラレル探索では、複数ブランチの構成を採る受信器が用いられる。各ブランチの相関器及び加算器は、シリーズ探索における相関器及び加算器と同様の演算を実行する。全てのブランチで同時に演算が実行され、そして、全ブランチの中で最大のベースバンド出力信号が、所定の閾値と比較される。

ハイブリッド探索は、シリーズ探索及びパラレル探索のそれぞれの構成を組み合わせたものである（例えば、非特許文献３）。
特開平６−７４２３７号公報 "Rapid acquisition for ultra-wideband localizers", Robert Fleming, Cherie Kushner, Gary Roberts, Uday Nandiwada, IEEE UWBST2002, May 2002 "Rapid acquisition of ultra-wideband signals in the dense multipath channel", Eric A. Homier, Robert A. Scholtz, IEEE UWBST2002, May 2002 "Hybrid Fixed-dwell-time search techniques for rapid acquisition of ultra-wideband signals", Eric A. Homier, Robert A. Scholtz, International Workshop on UWB Systems, June 2003 "Ultrawidebandwidth Time-Hopping Spread Spectrum Impulse Radio for wireless multiple-access communications", M. Z. Win, R. A. Scholtz, IEEE Transaction on Communications, vol. 48, pp. 679-691, April 2000

しかしながら、前述した３つの同期捕捉手法には、それぞれに固有の問題がある。スライディングウィンドウを用いるシリーズ探索は、ＩＲ技術の時間解像度（time resolution）が微細であることに起因して、時間的な制約のあるアプリケーションにとっては許容できないほど長い同期捕捉時間を要することがある。また、パラレル探索は、シリーズ探索に比べて、高速ではあるものの、必然的に構成が複雑化するため、ハードウェアコストが増大する。また、ハイブリッド探索は、シリーズ探索及びパラレル探索を単に組み合わせものに過ぎず、長い同期捕捉時間及び複雑な受信器構成という本質的問題を効果的には解消していない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、シリーズ探索と同様のシンプルな構成で、パラレル探索に匹敵する高速な同期捕捉を実現することができる同期捕捉装置及び同期捕捉方法を提供することを目的とする。

本発明の同期捕捉装置は、インパルス無線通信のための同期捕捉を行う同期捕捉装置であって、各々が複数のテンプレート信号を重畳して成る複数の重畳テンプレート信号を取得する取得手段と、前記取得手段によって取得された一の重畳テンプレート信号と受信信号との間の予備相関一致の検出を行うとともに、前記一の重畳テンプレート信号と前記受信信号との間の前記予備相関一致が検出されなかった場合、前記一の重畳テンプレート信号を前記取得手段によって取得された他の重畳テンプレート信号で置換してから前記予備相関一致の検出を行う予備検出手段と、前記予備検出手段によって前記予備相関一致が検出された場合、前記複数のテンプレート信号のうちいずれかのテンプレート信号と前記受信信号との間の最終相関一致の検出を行う最終検出手段と、を有する構成を採る。

本発明の同期捕捉方法は、インパルス無線通信のための同期捕捉を行う同期捕捉方法であって、複数のテンプレート信号を重畳して成る一の重畳テンプレート信号を取得し、前記一の重畳テンプレート信号と受信信号との間の予備相関一致の検出を行い、前記一の重畳テンプレート信号と前記受信信号との間の前記予備相関一致が検出されなかった場合、前記複数のテンプレート信号を重畳して成る他の重畳テンプレート信号を取得し、前記一の重畳テンプレート信号を前記他の重畳テンプレート信号で置換してから前記予備相関一致の検出を行い、前記予備相関一致が検出された場合、前記複数のテンプレート信号のうちいずれかのテンプレート信号と前記受信信号との間の最終相関一致の検出を行うようにした。

本発明によれば、シリーズ探索と同様のシンプルな構成で、パラレル探索に匹敵する高速な同期捕捉を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る同期捕捉装置の構成を示すブロック図である。同期捕捉装置１００は、ＩＲ通信用の端末装置などに搭載して使用することができる。同期捕捉装置１００は、第１相関検出部１１０、重畳テンプレート取得部１２０、第２相関検出部１３０、時間ホッピング符号源１４０、バッファ１４２、単一探索位置生成器１４４、及び単一テンプレート生成器１４６を有する。

予備相関検出手段としての第１相関検出部１１０は、第１相関器１１２及び第１比較器１１４を有する。第１相関検出部１１０は、ある重畳テンプレート信号と受信信号との間の予備相関一致の検出を行う。その重畳テンプレート信号と受信信号との間の予備相関一致が検出されなかった場合、第１相関検出部１１０は、その重畳テンプレート信号を他の重畳テンプレート信号で置換してから予備相関一致の検出を行う。

取得手段としての重畳テンプレート取得部１２０は、複数探索位置生成器１２２、複数テンプレート生成器１２４及びテンプレート重畳器１２６を有する。重畳テンプレート取得部１２０は、複数のテンプレート信号を重畳して成る複数の重畳テンプレート信号を取得する。

最終相関検出手段としての第２相関検出部１３０は、第２相関器１３２及び第２比較器１３４を有する。また、第２相関検出部１３０は、予備相関一致が検出された場合、重畳テンプレート信号を構成する複数のテンプレート信号のうち、いずれかのテンプレート信号と受信信号との間の最終相関一致の検出を行う。

次いで、上記構成を有する同期捕捉装置１００において実行される、一連の同期捕捉処理について説明する。一連の同期捕捉処理は、２段階の同期捕捉処理を含んでいる。

先ず、第１段階の同期捕捉処理、言い換えれば、予備相関一致の検出が行われる。受信信号１５０が、図１に示すように、第１相関器１１２に入力されたときに、第１段階の同期捕捉処理が開始する。

なお、受信信号１５０は、同期捕捉装置１００を搭載した端末装置の受信部（図示せず）で受信された信号であり、その端末装置の通信相手装置から送信された信号を含む。送信された信号は、伝送チャネルの特性（例えば、ガウスノイズ、チャネル遅延又はマルチパスフェージングなど）の影響を受けた上で、受信信号１５０として端末装置に到達する。

また、送信された信号は、所定の方式に従って変調処理を施された信号である。ＩＲ通信においては、例えば、パルス極性変調、パルス振幅変調（ＰＡＭ）、位相変調、周波数変調、パルス位置変調（ＰＰＭ）（タイムシフト変調又はパルス間隔変調とも呼ばれる）、又はこれらの多値バージョンなど、様々な変調方式を用いることができる。本実施の形態では、ＰＰＭを施された既知信号及びテンプレート信号の使用を例示する。但し、本発明が適用可能な変調方式はＰＰＭだけに限定されない。

図２には、ＰＰＭを施された信号が例示されている。この信号は、多数のユーザの送信を同時にサポートする目的で、ＰＰＭ後に時間ホッピング符号が導入された信号である。また、典型的な低デューティサイクルのパルス列から成る信号である。

時間領域は、多数のサブフレームに分割されている。各サブフレームには、１つのパルス（図２には、４つのパルス１６０、１６１、１６２、１６３が示されている）が存在し、情報データは、各パルスの時間位置に格納される。Ｎｆ個（Ｎｆは自然数）のサブフレームは、１つのシンボルフレームを構成する。各サブフレームの持続時間をＴｆとする。また、各シンボルフレームは、持続時間Ｔｓを有する（Ｔｓ＝Ｎｆ×Ｔｆ）。各パルス１６０〜１６３は、固定の振幅Ａ及びパルス幅Ｔｐを有する。一般に、パルス幅Ｔｐは、１ナノ秒未満である。

ところで、パルス１６０〜１６３の形状は、設計上重要である。本実施の形態では、ガウスモノサイクルの形状を有するパルス１６０〜１６３を例にとって説明しているが、使用可能なパルス形状は前述のものだけに限定されない。

パルス１６０〜１６３の時間位置（時間遅延ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４）は、ＰＰＭだけでなく時間ホッピング符号によっても決定される（例えば非特許文献４）。擬似ランダム時間ホッピング符号の使用により、時間遅延ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４がランダム化される。これにより、スペクトルにおける離散周波数成分を低減することができる。

また、同期捕捉の時間解像度は、時間間隔ΔＴとして定義される。Ｔｐ＝Ｎｔ×ΔＴ及びＴｆ＝Ｎｐ×Ｔｐ（Ｎｔ及びＮｐは自然数）と仮定すると、１シンボルフレーム内のパルス存在区間の総数Ｎは、Ｎ＝Ｎｔ×Ｎｐ×Ｎｆによって求められる。

第１相関器１１２には、受信信号１５０の他に、重畳テンプレート信号が入力される。

ここで、重畳テンプレート信号の取得過程について説明する。

先ず、複数探索位置生成器１２２において、Ｍ個のテンプレート信号を作成するためのＭ個（Ｍは２以上の整数）の時間位置が選択される。Ｍ個の時間位置の選択の詳細については後で説明する。選択されたＭ個の時間位置は、バッファ１４２に記憶されるとともに、複数テンプレート生成器１２４に通知される。

複数テンプレート生成器１２４では、Ｍ個の時間位置に従って、また、時間ホッピング符号源１４０から入力されるユーザ固有の時間ホッピング符号に従って、Ｍ個のテンプレート信号１５２を生成する。生成されたＭ個のテンプレート信号１５２は、テンプレート重畳器１２６に入力される。

なお、各テンプレート信号１５２は、通信相手装置から送信された信号と同じ変調（本実施の形態ではＰＰＭ）を施された信号である。Ｍ個のテンプレート信号１５２は、互いに同じシンボルフレーム持続時間、互いに異なる開始時間位置、及び互いに異なる終了時間位置を有する。Ｍ個のテンプレート信号１５２のうち任意の２つのテンプレート信号の開始時間位置（及び終了時間位置）の時間差は、例えば、パルス幅Ｔｐの整数倍である。

テンプレート重畳器１２６では、Ｍ個のテンプレート信号１５２が重畳される。これによって、単一の重畳テンプレート信号１５３が生成される。テンプレート信号１５２の重畳の詳細については後で説明する。

第１相関器１１２において、受信信号１５０と重畳テンプレート信号１５３とが乗算され、その乗算結果が積分される。これによって得られたベースバンド出力信号１５１は、第１比較器１１４に入力される。なお、以下の説明において、第１相関器１１２における一連の処理を予備相関演算と言うことがある。

第１比較器１１４では、ベースバンド出力信号１５１が、所定の閾値Ｔｈ１と比較される。ベースバンド出力信号１５１が閾値Ｔｈ１より大きい又は閾値Ｔｈ１と等しい場合、すなわち、予備相関一致が検出された場合、第１比較器１１４から第２相関器１３２に対して、第２段階の同期捕捉を開始させるための信号１５４が送られる。一方、第１相関器から出力されるベースバンド出力信号１５１が閾値Ｔｈ１よりも小さい場合、すなわち、予備相関一致が検出されなかった場合、先ほど選択されたＭ個の時間位置全てが、複数探索位置生成器１２２によって調整される。より具体的には、新たにテンプレート信号を作成するために、既に選択された時間位置と異なるグループに属するＭ個の時間位置が、新たに選択される。新たに選択されたＭ個の時間位置は、複数テンプレート生成器１２４に通知される。バッファ１４２は、新たに選択されたＭ個の時間位置で更新される。

ベースバンド出力信号１５１が閾値Ｔｈ１よりも小さい限り、Ｍ個の時間位置の調整、Ｍ個のテンプレート信号１５２の生成、Ｍ個のテンプレート信号１５２の重畳、予備相関演算、及びベースバンド出力信号１５３と閾値Ｔｈ１との比較が繰り返し実行される。但し、Ｍ個の時間位置についての全ての可能な組み合わせが用いられてもなおベースバンド出力信号１５３が閾値Ｔｈ１よりも小さい場合は、同期捕捉処理を断念する、或いは、最初から同期捕捉処理をやり直す。

第２段階の同期捕捉処理、言い換えれば、最終相関一致の検出は、第２相関器１３２に信号１５４が入力されたときに開始する。

第２相関器１３２には、信号１５４の他に、受信信号１５０及びテンプレート信号１５６が入力される。

ここで、第２相関器１３２に入力されるテンプレート信号の取得過程について説明する。

先ず、単一探索位置生成器１４４に、予備相関一致が検出された時のＭ個の時間位置が、バッファ１４２から入力される。そして、単一探索位置生成器１４４において、テンプレート信号を作成するためのＭ個の時間位置のうち１個が選択され、単一テンプレート生成器１４６に通知される。単一テンプレート生成器１４６では、通知された単一の時間位置及び時間ホッピング符号源１４０から入力されたユーザ固有の時間ホッピング符号に従って、単一のテンプレート信号１５６が生成される。ここで生成されるテンプレート信号１５６は、予備相関一致時に生成されたＭ個のテンプレート信号１５２と同一である。

第２相関器１３２において、受信信号１５０とテンプレート信号１５６とが乗算され、その乗算結果が積分される。これによって得られたベースバンド出力信号１５５は、第２比較器１３４に入力される。以下の説明において、第２相関器１３４における一連の処理を最終相関演算と言うことがある。

第２比較器１３４では、第２相関器１３４から出力されたベースバンド出力信号１５５が、所定の閾値Ｔｈ２（Ｔｈ２＜Ｔｈ１）と比較される。ベースバンド出力信号１５５が閾値Ｔｈ２より大きい又は閾値Ｔｈ２と等しい場合、すなわち、最終相関一致が検出された場合、同期捕捉に成功したものとして、一連の同期捕捉処理を完了する。

一方、ベースバンド出力信号１５５が閾値Ｔｈ２よりも小さい場合、すなわち、最終相関一致が検出されなかった場合、先ほど選択された、テンプレート信号を作成する１個の時間位置が、単一探索位置生成器１４４によって、再度選択される。この再選択は、Ｍ個の時間位置のうち、既に選択された時間位置以外の１個の時間位置を選択することによって為される。再度選択された時間位置は、単一テンプレート生成器１４６に通知される。

ベースバンド出力信号１５５が閾値Ｔｈ２よりも小さい限り、１個の時間位置の再選択、単一のテンプレート信号１５６の生成、最終相関演算、及びベースバンド出力信号１５５と閾値Ｔｈ２との比較が、繰り返し実行される。但し、Ｍ個の時間位置全てが用いられても、なおベースバンド出力信号１５５が閾値Ｔｈ２よりも小さい場合、第１段階の同期捕捉処理（第１相関器による相関処理）が、先ほどの予備相関一致が検出された時のものとは異なるＭ個の時間位置で再開される。

続いて、テンプレート重畳器１２６において実行されるテンプレート信号１５２の好ましい重畳方法について説明する。ここでは、２つのテンプレート信号が重畳される場合を例にとって説明する。

図３（ａ）に示すように、テンプレート信号１７０、１７１は、開始時間位置ｔ_１、ｔ_９をそれぞれ有する。よって、テンプレート信号１７０、１７１の時間差は、ΔＴ×８である。この場合、図３（ｂ）に示すように、テンプレート信号１７１の遅延区間１７３の信号、つまり、テンプレート信号１７１においてテンプレート信号１７０の終了時間位置よりも後方に位置している部分の信号が、テンプレート信号１７１の開始時間位置の直前区間１７２に移される。以下の説明では、このような処理を循環シフトと言うことがある。

テンプレート信号１７１に対する循環シフトの実行により、テンプレート信号１７０と同一の開始時間位置及び終了時間位置を有するテンプレート信号１７４が得られる。そして、テンプレート信号１７０、１７４が重畳され、その結果として重畳テンプレート信号１７５が生成される。

テンプレート重畳器１２６では、常に互いに同じ開始時間位置及び終了時間位置を有する複数のテンプレート信号が得られ、それらが互いに重畳されるため、生成される重畳テンプレート信号のシンボルフレーム持続時間Ｔｓを、常に一定に且つ最小値に保つことができる。

図３（ａ）に示された時間位置ｔ_１、ｔ_９のいずれかが、受信信号１５０の到来タイミングｔ_０と同一であれば、重畳テンプレート信号１７５と受信信号１５０とを用いた予備相関演算の結果として得られるベースバンド出力信号１５１は、閾値Ｔｈ１よりも大きく又は閾値Ｔｈ１と等しくなる。この場合、テンプレート信号１７０又はテンプレート信号１７１と受信信号１５０とを用いた最終相関演算を行うことにより、受信信号１５０の到来タイミングｔ_０を知ることができる。しかし、時間位置ｔ_１、ｔ_９がいずれも、受信信号１５０の到来タイミングｔ_０と異なる場合は、ベースバンド出力信号１５１は、閾値Ｔｈ１よりも小さくなる。この場合、複数のテンプレート信号１７０、１７１がいずれも除外され、他の複数のテンプレート信号が同時に使用されることとなる。このため、本実施の形態の同期捕捉処理は、従来のシリーズ探索の構成をベースにしたシンプルな構成を採りながら、従来のパラレル探索の同期捕捉速度に匹敵することができる。なお、時間位置ｔ_１、ｔ_ｇのいずれかが受信信号１５０の到来タイミングｔ_０と同一であっても、受信信号に加わっている雑音電力や、マルチパス信号電力が大きい場合、相関結果が閾値Ｔｈ１を超えず、相関が検出されないことがあることは言うまでもない。

ところで、互いに重畳されて重畳テンプレート信号を成す複数のテンプレート信号（言い換えれば、複数の時間位置）は、体系的に選択される必要がある。複数のテンプレート信号の選択、すなわち、複数探索位置生成器１２２での時間位置の選択方法としては、幾つかの形態が挙げられる。

第１の好適な形態は、ビット逆順（bit reversal）を使用することである。例えば、１サブフレームにおけるパルス存在区間の数が１６個（２^４個）の場合を例にとって説明する。図４に示すように、１６個の整数０、１、２、３、・・・、１４、１５は、バイナリビット表現では、００００、０００１、００１０、００１１、・・・、１１１０、１１１１としてそれぞれ表すことができる。ビットの順番を逆転すると、１６個のバイナリビット表現は、順に、００００、１０００、０１００、１１００、・・・、０１１１、１１１１である。ビット順逆転後のバイナリビット表現を整数に変換すると、１６個の整数は、順に、０、８、４、１２、・・・、７、１５である。

このようにして得られた新しい整数列に従って、複数のテンプレート信号のための複数の時間位置を選択することができる。例えば２つの時間位置を選択する必要がある場合は、［ｔ_１、ｔ_９］、［ｔ_５、ｔ_１３］、・・・、［ｔ_８、ｔ_１６］を順次選択することができる。これにより、選択された複数のテンプレート信号が重畳されるときに複数のテンプレート信号が相互に干渉したりキャンセルしたりするのを抑制することができる。

第２の好適な形態は、選択される複数のテンプレート信号間の各時間差を、パルス幅Ｔｐの整数倍に設定することである。この場合、複数のテンプレート信号が重畳されたとき、テンプレート信号の組合せによっては、いずれか２つのテンプレート信号の中のパルスが互いに強め合うように重なることがある。その様子が図５（ａ）及び図５（ｂ）に例示されている。

図５（ａ）に示すように、テンプレート信号１８０、１８１は、開始時間位置ｔ_１、ｔ_１３をそれぞれ有する。なお、パルス区間Ｔｉはパルス幅Ｔｐに等しい。そして、図５（ｂ）に示すように、テンプレート信号１８１の遅延区間１８３の信号、つまり、テンプレート信号１８１においてテンプレート信号１８０の終了時間位置よりも後方に位置している部分の信号が、テンプレート信号１８１の開始時間位置の直前区間１８２に移される。

テンプレート信号１８１に対する循環シフトの実行により、テンプレート信号１８０と同一の開始時間位置及び終了時間位置を有するテンプレート信号１８４が得られる。そして、テンプレート信号１８０、１８４が重畳され、その結果として重畳テンプレート信号１８５が生成される。

テンプレート信号１８０、１８４が重畳されるとき、パルス区間Ｔｉがパルス幅Ｔｐと等しく設定されているため、それぞれのパルス１８６、１８７は、相互に強め合うように重なり合う。重なったパルス１８８は、他のパルスと同じ形状を有するが、他のパルスに比べて２倍の振幅を有する。このため、パルス１８６、１８７が強め合うように重なるとき、テンプレート信号１８０、１８４のパルスが相互にキャンセルすることは起こり得ない。

なお、パルスの相互キャンセルが発生した場合、受信信号１５０の到来タイミングｔ_０が見逃される可能性が増大してしまう。そこで、各時間差をパルス幅Ｔｐの整数倍に設定することによってパルスの相互キャンセルが回避されることで、短期間でより確実な同期捕捉を実現することができる。

また、複数のテンプレート信号１８０、１８４が重畳されるときに生じるパルス１８６、１８７の重なりを許容することにより、より多い数のテンプレート信号の多重が可能となり、同期捕捉処理の更なる短縮化が可能となる。

このように、本実施の形態によれば、従来のシリーズ探索の構成をベースにしたシンプルな構成を採りながら、従来のパラレル探索の同期捕捉速度に匹敵することができる。

なお、本実施の形態の同期捕捉装置１００は、シリーズ探索のみの構成をベースにしているが、同期捕捉装置１００にパラレル探索の構成を導入しても良い。例えば、第１段階においては複数の第１相関器１１２が、第２段階においては複数の第２相関器１３２が、それぞれ並列で使用される構成をとることもできる。これにより同期捕捉の更なる高速化を実現することができる。

また、以上の説明では、テンプレート信号及び受信信号に高周波成分が含まれる信号を用いた場合について述べた。但し、テンプレート信号及び受信信号は前述のものだけに限定されない。例えば、ダイオード等によって交流信号を部分的に切り取ったり、交流信号を積分器で積分するエンベロープ検波によって交流成分を取り除いたりした信号を受信信号として用いてもよく、更に、このような受信信号に応じたテンプレート信号を用いてもよい。

図１０に、上記説明におけるテンプレート信号及び受信信号と異なる信号形状を用いた場合の例を示す。図１０Ａには、受信信号１０００と重畳されたテンプレート信号１００２とが示され、１００１が１つのパルス信号である。パルス信号１００１としては、例えば或る周波数帯域の周波数成分を有する信号を用いることができ、具体的な周波数としては２４ＧＨｚ〜２９ＧＨｚ帯であったり、５９ＧＨｚ〜６６ＧＨｚ帯であったりする。図１０Ｂに示す１００３は、受信信号１０００とテンプレート信号１００２とを乗じた信号であり、受信信号１０００とテンプレート信号１００２とが完全に同期していれば、パルス１００４は正の極性の成分のみとなる。図１０Ｃの１００５は、パルス１００４をフィルタで平滑化した信号であり、第１相関器１１２の出力信号１５１がこれにあたる。１００６は個別パルスである。図１０Ｄの１００７は、前述の信号１００５を、例えばマッチドフィルタ等で処理した信号、すなわちＴｓ全体での相関結果を表す信号であり、１００８はその相関ピークである。この相関ピーク１００８の振幅が所定のしきい値を超えるか否かを第１比較器１１４が検出し、予備相関の判定を行なう。

また、本実施の形態において、各テンプレート信号の開始時間差が同一であるような重畳テンプレート信号を用いることもできる。このような重畳テンプレート信号は、例えば、重畳テンプレート信号が第１相関器１１２に入力される時間を、可変遅延回路を用いて変更することによって、生成することができる。ここで、可変遅延回路の遅延時間は任意に設定することができる。遅延時間を比較的短い時間に設定することで相関タイミングの見落としを防ぐことができ、遅延時間を比較的長い時間に設定することで試行回数を減らすことができる。また、遅延時間は、例えばパルス幅Ｔｐの１／５〜１／２０の範囲内で可変に設定することができる。

また、以上の説明ではビットの並び順として図４に示す一例を用いた場合について記載したが、他の並び順を用いることでハミング距離を長くし、誤り訂正効果を高めるように実施してもよい。並び順の決定方法の一例を図１８に示す。

図１８のフローでは、Ｍ−ａｒｙのＰＰＭとＮ−ａｒｙのＰＡＭを組み合わせた変調方式を用いている。順を追って説明する。まず、Ｍ行Ｎ列のマトリックスに全てのパルス位置、振幅を順番に当てはめるが、ＭとＮとの両方がともに２の整数乗であるかを確認する（Ｓ１７０１）。２の整数乗であれば（Ｓ１７０１：ＹＥＳ）、Ｎ列、Ｍ行に全ての波形を当てはめる（Ｓ１７０２）。次に、列と行のいずれかの方向に各データを当てはめるかを決める。ここでは、ＭとＮとの大小を判断（Ｓ１７０３）し、数の少ない方を基準に以降の処理を行う。ここからはＮを選択した場合（Ｓ１７０３：ＮＯ）について説明をつづける。Ｎが２より大きいか否かを判定（Ｓ１７０４）して、２より大きければ（Ｓ１７０４：ＹＥＳ）、Ｎ列を２つに分割、最初の並びにプレフィックスビットとして“０”を、残りの並びに“１”を追加する（Ｓ１７０５）。その後、Ｎを２で割り（Ｓ１７０６）、更新されたＮが２以下となるまで続ける。Ｎが２以下となったら（Ｓ１７０４：ＮＯ）、各並びにパルス位置を割り当てる（Ｓ１７０７）。最後に割り当てられたプレフィックス毎にグループ化して割り当てテーブルを完成させる（Ｓ１７０８）。なお、Ｓ１７０３における判断の結果、ＭがＮ未満の場合（Ｓ１７０３：ＹＥＳ）には、Ｍを基準としてＳ１７０９、Ｓ１７１０、Ｓ１７１１の処理を行う。

図１９に８−ａｒｙ ＰＰＭと４−ａｒｙ ＰＡＭを用いた場合を示す。６３２は、マトリックスに全てのパルスを当てはめた状態で、８−ａｒｙＰＰＭによる８つの位置の違うパルスと、４−ａｒｙＰＡＭによる２つの振幅と２の位相状態による、合計３２の異なる条件のパルスが存在する。６００〜６３１は、ブロック６３２のパルスを示し、縦軸、つまりＮ−ａｒｙが隣同士のパルスのハミング距離が遠くなるように、パルス６００〜６１５には、プレフィックスビット“０”を割り当て、パルス６１６〜６３１にはプレフィックスビット“１”を割り当てる。この状態が、ブロック６３４とブロック６３６とである。ここで、Ｎ＝２であるので、Ｎ−ａｒｙについての割り当ては終了する。

次に、ブロック６３４のパルス６００〜６１５について説明する。ここでは、横軸、つまり、Ｍ−ａｒｙが隣同士のパルスのハミング距離が遠くなるようにパルスを割り振る。例えば、パルス位置６００と６０１とはハミング距離が近いため、ブロック７００には、パルス６００、６０２、・・・、６１２、６１４を割り当て、ブロック７０２には、パルス６０１、６０３、・・・、６１３、６１５を割り当てる。

次に、Ｍ＝４であるので、隣同士のパルスのハミング距離が遠くなるにようにパルスを割り振り、例えば、ブロック７０４には、６００、６０２、６１２、６１４を割り当て、ブロック７０６には、パルス６０４、６０６、６０８、６１０を割り当てる。

次に、Ｎ＝２、Ｍ＝２となるので、各ブロックのパルスにビットを割り当てる。なお、全ての隣り合うパルスのハミング距離が遠くなることを考慮して、ブロック７１２に示すように、８−ａｒｙＰＰＭと４−ａｒｙＰＡＭとを考慮して、ブロック７０６では、パルス６０６、６０４、６１０、６０８の順にビットを割り当てる。なお、ブロック６３６についても同様に処理し、ブロック６３６のパルスに対してブロック７１４のビットを割り当てる。

以上より、パルス６００には、プレフィックスビットの「０」と、割り当てられたビット「００００」とから、「０００００」が割り当てられ、パルス６３１には、「１１１００」が割り当てられることになる。このことで、パルス判定誤りがあった場合、データ誤り箇所がまとまっているため誤り訂正によるデータ訂正が容易になる。

このようにすることで、位置および振幅が類似するパルスに対して、ハミング距離の遠いビット列が対応づけられたマッピングテーブルを作成することが可能となる。すなわち、上記マッピングテーブルを用いてデータ送信するインパルス無線送信装置は、パルスマッピング位置数（ここではパルス位置およびパルス振幅の組み合わせ数）に応じてマッピングテーブルを変更するマッピングコントロール部と、前記パルスマッピング数に応じてデータを分割するデータ分割部と、前記データ分割部の出力するデータ列（このデータ列は、パルスマッピング数を表すビット数を持つ）と前記マッピングテーブルをもちいてマッピングを行うマッピング実施部とを具備する。また、受信側のインパルス無線受信装置は、パルスマッピング位置数（つまり、ここでは位置および振幅の組み合わせ数）に応じてマッピングテーブルを変更するマッピングコントロール部と、前記パルスマッピング数に応じて受信データを分割するデータ分割部と、前記データ分割部の出力するデータ列（このデータ列は、パルスマッピング数を表すビット数を持つ）と前記マッピングテーブルをもちいてマッピングを行うマッピング実施部とを具備する。

このマッピングテーブルを作成する際の考え方を複数探索位置生成器１２２に適用することにより、パルス位置及びパルス振幅に応じてビットの並び順が決定されたテンプレート信号を選択する複数探索位置生成器１２２を実現することができる。さらに、そのテンプレートは、パルス位置又はパルス振幅の一方に基づいてビットの並び順を決定した後に、残りの一方に基づいてビットの並び順を決定した信号である。

図２０は同様に１６−ＰＰＭで実施した場合である。ブロック９１６は、マトリックスに全てのパルスを当てはめた状態で、１６−ａｒｙＰＰＭによる１６つの位置の違う、合計１６の異なる条件のパルスが存在する。９００〜９１５は、ブロック９１６のパルスである。ブロック９１７は、各パルスを番号のみで表したものである。

次に、パルスのハミング距離が遠くなるようにパルスを割り振る。その結果が、ブロック９１８およびブロック９２０である。それぞれをさらに２つに分割し、その結果がブロック９２２、９２４、９２６、９２８となる。そして、各ブロックのパルスに対して全ての隣り合うパルスのハミング距離が遠くなることを考慮して、ビットを割り当てる。この流れが、ブロック９３０、９３２、９３４に示される。この場合においてもパルス判定を誤り易い９００と９０１とはそれぞれ“００００”と“１１１１”とに対応させることで、同様の効果を得られる。なお、パルス位置、振幅の違いによる多値数を固定とせず、例えば誤り率や、受信電力の変化を検出して増やしたり、減らしたりしても良い。誤り率の変化は復調部にカウンタ等の検出手段を設ければよく、受信電力の変化は、例えばＲＳＳＩ信号を用いることが一般的に行なわれている。

また、以上の説明では、通信に用いる信号の搬送波周波数や、複数の端末を用いた際のマルチアクセス方法について記載をしていないが、ＴＤＭＡやＦＤＭＡといった一般的な方法によって実現可能である。

例えば、ＴＤＭＡでは、同一の搬送波周波数帯域、例えば６０ＧＨｚ帯にて同一の変調方式を用いた端末が複数通信を行なう場合には、同期・認証用のデータ列が通信開始時に用いられ、このデータ列を各端末が識別することによって通信の衝突を避けることが一般的に行なわれる。

これに対し本装置では、同期・認証・復調用のデータ列が異なる搬送波周波数帯の信号で送られてきても、複数のテンプレート信号をこれに応じた異なる搬送波周波数帯の信号とすることで同期・認証・復調することが可能である。異なる搬送波周波数帯の信号としては、例えば３ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ帯を用いたマイクロ波の信号と、２５ＧＨｚ帯又は６０ＧＨｚ帯を用いた信号のいずれかとを組み合わせることができる。なお、組み合わせ方法としては、例えば待ち受け時や、通信距離が遠い場合、通信機器間が見通し環境に無いといった場合にはマイクロ波の信号を用い、通信確立後や、機器間が近接していたり、見通し環境にあったりといった環境では６０ＧＨｚ帯を用いることにしても良い。

また、以上の搬送波周波数帯だけでなく、複数のテンプレート信号を異なる変調方式の信号とすることで、異なる変調方式の通信システムが混在しても同期・認証・復調することが可能となる。異なる変調方式の信号としては、例えば振幅、位相、位置変調を行なったインパルス通信と、直接変調したＵＷＢ通信、ＯＦＤＭ変調したＵＷＢ通信のいずれかを組み合わせることができる。

また、以上の説明では複数のテンプレート信号を重畳する頻度について述べていないが、同一の頻度で出現させても、異なる頻度で出現させても良い。また、出現頻度を通信状態に応じて変更しても良い。変更方法としては、例えばＢＰＳＫのような位相同期が必要な信号を受信する際に、まずはエンベロープを用いて大まかな同期を確立できるテンプレート信号の出現頻度を高くし、エンベロープ単位での同期が所定の値を越えた後に、位相同期を確立できる位相情報を有するテンプレート信号の出現頻度を高くすることで同期の短時間化と高精度化を実現するようにしても良い。同様に、複数の変調方式を受信する場合も出現頻度を変更しても良い。

例えば、インパルス通信信号とＯＦＤＭ通信信号が混在した通信環境で、インパルス通信を行なう装置では、通信開始時にはインパルス通信信号を受信可能なテンプレート信号と、ＯＦＤＭ通信信号を受信可能なテンプレート信号を重畳しておき、通信相手のインパルス通信信号の発見、同期・認証・復調を行なうと共に、ＯＦＤＭ通信信号の発見を合わせて行い、例えば通信タイミングの調整等を行なうことで機器間干渉を低減することを行うことができる。なお、調整後はＯＦＤＭ通信信号を受信可能なテンプレート信号の出現頻度を低くすることで、インパルス通信信号の受信可能時間を増やすように制御しても良い。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る同期捕捉装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態で説明する同期捕捉装置２００は、実施の形態１で説明した同期捕捉装置１００と同様の基本的構成を有する。よって、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

同期捕捉装置２００は、実施の形態１で説明した時間ホッピング符号源１４０及びバッファ１４２の他に、相関器２０２、適応比較器２０４、適応探索位置生成器２０６、適応テンプレート生成器２０８、及びテンプレート重畳器２１０を有する。相関器２０２は、基本的に、実施の形態１で説明した第１相関器１１２及び第２相関器１３２の双方の機能を有する。適応比較器２０４は、基本的に、実施の形態１で説明した第１比較器１１４及び第２比較器１３４の双方の機能を有する。適応探索位置生成器２０６は、基本的に、実施の形態１で説明した複数探索位置生成器１２２及び単一探索位置生成器１４４の双方の機能を有する。適応テンプレート生成器２０８は、基本的に、複数テンプレート生成器１２４及び単一テンプレート生成器１４６の双方の機能を有する。テンプレート重畳器２１０は、基本的に、実施の形態１で説明したテンプレート重畳器１２６の機能を有する。

次いで、上記構成を有する同期捕捉装置２００において実行される一連の同期捕捉処理について説明する。図７は、本実施の形態の同期捕捉処理を説明するためのフロー図である。一連の同期捕捉処理は、実施の形態１で説明したものと同様、基本的に２段階の同期捕捉を含んでいる。但し、本実施の形態の同期捕捉処理では、重畳テンプレート信号の取得に際して選択される時間位置の数Ｌ（Ｌは自然数）は、変数（実施の形態１では、数Ｍは固定値であった）である。これにより、多段階の同期捕捉処理を含む一連の同期捕捉処理を実行することができる。第１段階の同期捕捉処理はＬの初期化とともに開始され、第二段階以降の各段階の同期捕捉処理はＬの低減とともに開始される。また、Ｌの値が１に設定されたときに行われる同期捕捉処理を最終段階と言うことができ、この段階よりも前の全ての段階を予備段階と総称することができる。

同期捕捉処理は、ステップＳ５７０において開始する。そして、ステップＳ５７２において、時間位置の数Ｌ及び閾値Ｔｈを含む全てのパラメータが初期化される。

そして、ステップＳ５７４では、適応探索位置生成器２０６が、バッファ１４２からの全ての時間位置の中からＬ個の時間位置を選択するとともに、選択したＬ個の時間位置をバッファ１４２に記憶する。そして、ステップＳ５７６では、選択されたＬ個の時間位置が適応探索位置生成器２０６から適応テンプレート生成器２０８に通知される。ステップＳ５７８において、適応テンプレート生成器２０８は、通知されたＬ個の時間位置及び時間ホッピング符号源１４０からの時間ホッピング符号に従ってＬ個のテンプレート信号を生成し、テンプレート重畳器２１０は、生成されたＬ個のテンプレート信号を重畳し、その結果として重畳テンプレート信号を得る。そして、ステップＳ５８０に進む。

なお、ステップＳ５７８で得られた重畳テンプレート信号が特定のパルス配置を有する場合、テンプレート重畳器２１０は、その重畳テンプレート信号、特に、特定のパルス配置に対して、部分的な変更を加えることができる。

特定のパルス配置の一例としては、重畳テンプレート信号において、複数のパルスが時間間隔なしに隣接しているような配置が挙げられる。このようなパルス配置を有する重畳テンプレート信号が生成された場合、テンプレート重畳器２１０は、そのパルス配置の中の先頭パルス以外の少なくとも１つのパルスを間引く。このようなパルス配置が存在する場合は、例えば伝送チャネルの状況に依存して到来タイミングｔ_０が誤検出される可能性がある。よって、前述のような間引きを行うことにより、到来タイミングｔ_０の誤検出を防止することができる。

ステップＳ５８０では、相関器２０２が、受信信号１５０と重畳テンプレート信号とを乗算し、乗算結果を積分し、その結果として相関器２０２の出力信号であるベースバンド出力信号を得る。なお、以下の説明において、相関器２０２における一連の処理を相関演算と言う。

そして、ステップＳ５８２において、適応比較器２０４が、相関演算によって生成されたベースバンド出力信号が、閾値Ｔｈと比較される。ベースバンド出力信号が、閾値Ｔｈより大きい又は閾値Ｔｈと等しい場合（Ｓ５８２：ＮＯ）、すなわち、相関一致が検出された場合は、ステップＳ５８８に進む。ベースバンド出力信号が閾値Ｔｈよりも小さい場合（Ｓ５８２：ＹＥＳ）、すなわち、相関一致が検出されなかった場合は、ステップＳ５８４に進む。

ステップＳ５８４では、相関一致が検出されなかったため、適応探索位置生成器２０６が、Ｌ個の時間位置全てを再度選択する。より具体的には、既に選択された時間位置と異なるグループに属するＬ個の時間位置が、バッファ１４２から新たに選択される。なお、Ｌの現在値が、ステップＳ５９０で調整された後の値である場合、ステップＳ５８４での新たなＬ個の時間位置の選択は、特定の範囲に制限される。つまり、ステップＳ５９０にて、Ｌの数が減数された場合は、新たなＬ個の時間位置の選択は、減数されたＬ個について行う。バッファ１４２は、再度選択されたＬ個の時間位置で更新される。そして、ステップＳ５８６に進む。

なお、ステップＳ５８４において、Ｌの現在値が１でない場合において、前述した特定の範囲内の全ての時間位置が既に選択され、新たにＬ個の時間位置を選択することができないときは、同期捕捉処理を断念するか、前段階から同期捕捉処理をやり直すか、第１段階から同期捕捉処理をやり直す。

また、Ｌの現在値が１である場合において、前述した特定の範囲内の全ての時間位置が既に選択され、新たに１つの時間位置を選択することができないときは、前段階から同期捕捉処理をやり直すか、第１段階から同期捕捉処理をやり直す。

ステップＳ５８６では、調整されたＬ個の時間位置が、適応探索位置生成器２０６から適応テンプレート生成器２０８に通知され、ステップＳ５７８に戻る。

ステップＳ５８８では、Ｌの現在値が１であるか否かが判断される。Ｌの現在値が１でない場合は（Ｓ５８８：ＮＯ）、先ほど検出された相関一致は最終相関一致ではない、つまり、先ほど検出された相関一致は予備相関一致である、とみなされる。この場合、ステップＳ５９０において、Ｌの値が低減される。例えば、Ｌの値を、現在値から、現在値を４で除算した値を下回らない最小の整数に、置き換える。また、数Ｌの低減に伴って、閾値Ｔｈが調整される。

つまり、Ｌが１であれば、最終的に決定したタイミングであるため、高めの閾値Ｔｈで最終的な相関の判断をする。また、Ｌが１以外であれば、同期となる時間位置の候補を選択するために、低めの閾値Ｔｈを用いて、相関値の中から高めの値が出るタイミングをふるいにかける。

そして、ステップＳ５７４に戻り、次段階の同期捕捉処理が開始される。

一方、Ｌの現在値が１である場合は（Ｓ５８８：ＹＥＳ）、先ほど検出された相関一致は最終相関一致であるとみなされる。よって、一連の同期捕捉処理が完了する（Ｓ５９２）。

ところで、同期捕捉処理を開始するときの数Ｌの初期値は、同期捕捉処理の所要時間及び精度に大きく影響を与える要素であるため、その設定は非常に重要である。Ｌの値が大きいほど、グループ内干渉（つまり、重畳された複数のテンプレート信号が互いに干渉すること）が大きくなる。低デューティサイクル（Ｔｐ／Ｔｆが小さい）が採用されたシステムであれば、グループ内干渉を抑制しつつＬの値を増大させることができる。数Ｌの初期値の設定方法としては様々なものを用いることができる。

例えば、Ｌの初期値が、受信信号１５０の伝送チャネルの品質（例えば受信誤り率）に基づいて可変設定される。言い換えれば、重畳されるテンプレート信号の数が、伝送チャネルの品質に基づいて可変設定される。具体的には、品質が良好であれば、比較的小さい数のテンプレート信号が重畳され、品質が良好でなければ、比較的大きい数のテンプレート信号が重畳される。これにより、同期捕捉処理の所要時間及び精度を、伝送チャネル品質に応じて最適化することができる。

或いは、Ｌの初期値が、受信信号１５０の受信電力（例えば、受信信号１５０の強度を表すＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator））に基づいて可変設定される。言い換えれば、重畳されるテンプレート信号の数が、受信電力に基づいて可変設定される。具体的には、受信電力が比較的大きければ、比較的小さい数のテンプレート信号が重畳され、受信電力が比較的小さければ、比較的大きい数のテンプレート信号が重畳される。これにより、同期捕捉処理の所要時間及び精度を、受信電力に応じて最適化することができる。

或いは、Ｌの初期値が、前回の一連の同期捕捉処理に関する情報、例えば、相関器２０２における前回の同期捕捉時の積分結果の分散値に基づいて可変設定される。言い換えれば、重畳されるテンプレート信号の数が、前回の一連の同期捕捉処理に関する情報に基づいて可変設定される。具体的には、分散値が比較的小さければ比較的小さい数のテンプレート信号が重畳され、分散値が比較的大きければ比較的大きい数のテンプレート信号が重畳される。これにより、同期捕捉処理の所要時間及び精度を、過去の同期捕捉処理の結果に応じて最適化することができる。

或いは、Ｌの初期値が、一連の同期捕捉処理の再試行回数に基づいて可変設定される。言い換えれば、重畳されるテンプレート信号の数が、再試行回数に基づいて可変設定される。具体的には、再試行回数が比較的大きければ、処理時間短縮のため、比較的小さい数のテンプレート信号が重畳され、再試行回数が比較的小さければ、処理時間の短縮よりも、精度向上のため、比較的大きい数のテンプレート信号が重畳される。これにより、同期捕捉処理の所要時間及び精度を、再試行回数に応じて最適化することができる。

図８は、時間位置の数Ｌの初期値設定の一例を説明するためのフロー図である。

初期値設定処理は、ステップＳ１０００にて開始される。そして、ステップＳ１００２において、Ｌの値が初期化される。初期化後のＬの値は、２以上の任意の自然数である。

そして、ステップＳ１００４において、図示されない測定器がＲＳＳＩを測定する。そして、ステップＳ１００６において、ＲＳＳＩが所定の閾値Ｒ１と比較される。ＲＳＳＩが閾値Ｒ１よりも小さい場合（Ｓ１００６：ＹＥＳ）、Ｌの値は低減され、これに伴って閾値Ｔｈも調整され（Ｓ１０１０）、ステップＳ１０１４に進む。一方、ＲＳＳＩが閾値Ｒ１よりも大きい又は閾値Ｒ１と等しい場合（Ｓ１００６：ＮＯ）、ステップＳ１００８に進む。

ステップＳ１００８では、ＲＳＳＩが所定の閾値Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ１）と比較される。ＲＳＳＩが閾値Ｒ２よりも大きい場合（Ｓ１００８：ＹＥＳ）、Ｌの値は増大され、これに伴って閾値Ｔｈも調整され（Ｓ１０１２）、ステップＳ１０１４に進む。ＲＳＳＩが閾値Ｒ２よりも小さい又は閾値Ｒ２と等しい場合（Ｓ１００８：ＮＯ）、Ｌの値が増減されることなくステップＳ１０１４に進む。

ステップＳ１０１４では、例えば図７を用いて説明した一連の同期捕捉処理が実行される。そして、ステップＳ１０１６で、同期捕捉処理が完了したか否かが判断される。

同期捕捉処理が完了せず、同期捕捉処理が第１段階からやり直される場合は（Ｓ１０１６：ＮＯ）、ステップＳ１０２０に進み、同期捕捉処理が完了した場合は（Ｓ１０１６：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１８にて初期値設定を終了する。なお、同期捕捉処理が途中で断念された場合も、ステップＳ１０１８にて初期値設定を終了する。また、ある段階の同期捕捉処理から、その前段階の同期捕捉処理に戻る場合は、ステップＳ１０１４の同期捕捉処理の実行が継続しているとみなされる。

ステップＳ１０２０では、一連の同期捕捉処理の再試行回数がカウントされ、バッファ１４２に記憶される。記憶された再試行回数は、ステップＳ１０２２において、所定の閾値Ｙと比較される。

再試行回数が閾値Ｙよりも大きい場合は（Ｓ１０２２：ＹＥＳ）、ステップＳ１０２４において、Ｌの値が低減され、これに伴って閾値Ｔｈが調整される。そして、ステップＳ１０１４に進む。また、再試行回数が閾値Ｙよりも小さい又は閾値Ｙと等しい場合は（Ｓ１０２２：ＮＯ）、Ｌの値が低減されることなくステップＳ１０１４に進む。

続いて、相関器２０２において実行される積分の積分長制御について図９を用いて説明する。

相関器２０２は、振幅Ａ２を有する重畳テンプレート信号２２１（又はテンプレート信号）と振幅Ａ１を有する受信信号２２０との乗算の結果を積分するための積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}の長さを、可変設定することができる。よって、積分長を、テンプレート信号又は重畳テンプレート信号のシンボルフレーム持続時間Ｔｓと同じ長さに設定することもでき、シンボルフレーム持続時間Ｔ２よりも短く設定することができる。相関器２０２は、シンボルフレーム持続時間Ｔｓにわたり、テンプレート信号又は重畳テンプレート信号と受信信号２２０とを乗算して、積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}にわたり、その乗算結果２２２（振幅Ａ３を有する）を積分する。

積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}の積分長が、シンボルフレーム持続時間Ｔｓよりも短く設定された場合に得られるベースバンド出力信号Ｂ２と、積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}の積分長が、シンボルフレーム持続時間Ｔｓと同じ長さに設定された場合に得られるベースバンド出力信号Ｂ１とは、それぞれに対応する値に設定された閾値Ｔｈと比較される。

積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}は、シンボルフレームの中の任意の部分に設定することができる。積分長がシンボルフレーム持続時間Ｔｓよりも短いとき、同期捕捉処理の所要時間を短縮化することができる。但し、受信信号２２０の到来タイミングｔ_０の見逃しを回避するのに、十分な数のパルスを積分するためには、積分長はサブフレーム持続時間Ｔｆよりも長い必要がある。例えば、積分長はＴｆ×３に設定される。

また、例えば、積分長は、最初に短く設定され徐々に長く設定されても良い。

或いは、積分長は、受信信号２２０の伝送チャネルの品質（例えば、受信誤り率）に基づいて、可変設定されるも良い。具体的には、品質が良好であれば積分長を長く設定して、同期捕捉処理の所要時間の短縮化を図り、品質が良好でなければ積分長を短く設定して、複数の到来タイミング候補の発見の早期化を図る。

或いは、積分長は、受信信号２２０の受信電力（例えばＲＳＳＩ）に基づいて、可変設定されても良い。具体的には、受信電力が比較的大きければ積分長を長く設定して、同期捕捉処理の所要時間の短縮化を図り、受信電力が比較的小さければ積分長を短く設定して、複数の到来タイミング候補の発見の早期化を図る。

或いは、積分長は、前回の一連の同期捕捉処理に関する情報、例えば、相関器２０２における前回の同期捕捉時の積分結果の分散値に基づいて、可変設定されても良い。具体的には、分散値が比較的小さければ積分長を長く設定して、同期捕捉処理の所要時間の短縮化を図り、分散値が比較的大きければ積分長を短く設定して、複数の到来タイミング候補の発見の早期化を図る。

また、前述のとおり、積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}は、シンボルフレームの中の任意の部分に設定することができる。好ましくは、優先的に相関演算を行うべき区間を、積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}として設定することができる。

その一例についてより詳しく説明する。適応テンプレート生成器２０８によって生成される各テンプレート信号、及びテンプレート重畳器２１０によって生成される各重畳テンプレート信号は、互いの相関性が相対的に高い複数の部分信号を含む第１の組み合わせと、互いの相関性が相対的に低い複数の部分信号を含む第２の組み合わせと、を有する。そこで、相関器２０２は、第１の組み合わせに含まれる全ての部分信号と、受信信号２２０の中で、その部分信号に対応する部分との乗算の結果を積分する。積分結果が所定の閾値を超過した場合は、積分区間Ｔ_{ｉｎｔｅｇｒａｌ}を徐々に長く設定して、再度閾値判定を行うという手順を繰り返す。最終的に重畳テンプレート信号全体又はテンプレート信号全体と受信信号２２０との相関演算結果が所望の閾値を超過した場合、同期捕捉が完了したと判断することができる。

このように、本実施の形態によれば、各パラメータ（Ｌ及びＴｈなど）の適応制御を追加することにより、装置全体の構成をよりシンプルにすることができる。

なお、本実施の形態の同期捕捉装置２００は、シリーズ探索のみの構成をベースにしているが、同期捕捉装置２００にパラレル探索の構成を導入しても良い。例えば、各段階において複数の相関器２０２が、それぞれ並列で使用される。これにより同期捕捉の更なる高速化を実現することができる。

なお、以上の説明にて受信電力に基づいて重畳するテンプレートを切り替える例について記載したが、マルチパス状態を判定し、重畳するテンプレートを切り替えても良い。図１１、１２を用いて説明する。図１１Ａの１１００は送信信号であり、１１０１がパルスである。図１１Ｂの１１０２が受信信号であり、マルチパス波によるパルス１１０３が存在している。図１１Ｃの１１０４が重畳テンプレート信号である。受信信号１１０２と重畳テンプレート信号とが一致するように遅延時間を調整した結果、マルチパス波を捕捉した状態となっている。図１２Ａに、更に最適点を探している状態を示しており、マルチパス波であるパルス１１０３の前後を検索することで、これの前にある更に大きな振幅の信号を発見し、図１２Ｂに示すように最適点に同期状態を移動する。更に図１３に示すように重畳テンプレートを変更しても良い。図１３Ａは最適点に同期したの（同図における点線のテンプレート）とは別の時間のテンプレート１１０５（実線で表示）をマルチパス波の時間に変更する様子を示しており、図１３Ｂに示すように、これによってマルチパス位置にも同期するため、相関信号の合成による受信感度改善や、例えばシャドーイング等による特定パスの遮断時にも同期を保持することが可能となる。

なお、以上の説明では、内部に有するテンプレートのみを重畳し、切り替える例について記載したが、受信波形をテンプレートの一つとして用いても良い。図１４に受信信号をテンプレートとする部分の追加機能について示す。図１４と図６で異なるのは受信波形バッファ１４００を備えて適応テンプレート生成器２０８にその波形を入力して重畳するテンプレートの一つとしている点である。図１５に受信波形を用いた重畳テンプレートを示す。１４０１は受信信号であり、１４０２がパルスの受信波形である。１４０３は重畳テンプレートであり、１４０４は受信波形バッファ１４００から入力された受信波形パルスのテンプレート（実線で表示）、１４０５は内部発生パルスのテンプレート（点線で表示）である。このように受信波形をテンプレートとして用いることでより高い波形相関を得て、正確に同期捕捉を行なうことができる。

なお、以上の説明にて相関がしきい値以上であることを同期捕捉状態として記載したが、実際には雑音による誤った相関検出や、マルチパスによる第２、第３の相関が検出される。図１６にその様子を示す。図１６Ａは受信信号と重畳テンプレートの状態を示しており、１５００は同期に最適な最も電圧の大きなパルス、１５０１はマルチパスによる電圧の低いパルス、１５０２は雑音である。１５０３は重畳テンプレートで、マルチパス位置でも同期した状態である。この状態での相関ピークの様子を示すのが図１６Ｂである。１５０４は最適なパルスとの相関によるピーク、１５０５はマルチパスとの相関によるピーク、１５０６は雑音との相関による誤ったピークである。最適なピークを検出し、予備検出を正しく終えるには、例えば複数の相関ピークを検出した場合は最も相関の高いピークを同期とみなす判定を入れればよく、誤ったピークを回避するには、所定の時間、ピークが存在することを判定条件とすれば良い。

なお、以上の説明では同期状態によってテンプレートの重畳数を変更する例を説明したが、図１７に通信レートによって変更する例を示す。図１７Ａに通信機の配置イメージを示す。ユーザ１６００は端末１６０１をもっており、データホルダ１６０２からデータをダウンロードする利用形態である。データホルダ１６０２と端末１６０１との距離が遠い場合、データホルダ１６０２から端末１６０１に届く電波は弱く、端末１６０１における受信電力と雑音の比が小さいため受信誤りが発生しやすい。また、直接波と反射・回折波の経路差が小さい、つまりは電力比、到達時間差が小さいため、マルチパスが多い通信状態となる。この状態ではパルス繰り返し周期を低くし、あわせて個々のパルスの振幅を大きくすることで受信電力と雑音の比を大きくすることが可能となり、また、パルス繰り返し周期を低くすることでシンボル間干渉を低減することも可能となる。この状態では通信レートを高くすることには不向きであるが、機器間の初期的な同期や、認証といった処理が可能である。この状態に続き、ユーザ１６００はデータホルダ１６０２に接近していく。これに伴い、受信電力は大きくなり、受信誤りは小さくなる。マルチパスについても、直接波と反射・回折波の経路差が大きくなるため電力比が大きくなり、その影響が小さくなる。この状態では、パルス繰り返し周期を高く設定し、通信レートを高めることができる。通信レートを高めることは、ダウンロード時間を短くすることになり、データの秘匿性や、機器の消費電力を低く抑えることに効果を有する。図１７Ｂは通信レートが低い場合であり、１６０３は受信信号、１６０４はパルスである。１６０５は重畳テンプレートであり、複数の開始時間の異なるテンプレートが重畳されている。図１７Ｃは通信レートが高い場合の受信信号１６０６であり、パルス繰り返し周期を高めるために、受信信号のＴｆ、ＴＤは低レート時より短く変更されている。この場合、テンプレート１６０７には重畳するためのパルス間隔がなくなるため、テンプレートの重畳は行なわない。なお、以上の説明ではテンプレートの重畳数を２から１（重畳しない）に変更した例を記載したが、例えば重畳数を１０から５といったように単に減らすことについても同様であることは言うまでもない。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。なお、本発明に係る同期捕捉装置及び同期捕捉方法は、上記各実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、各実施の形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。また、上記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、ソフトウェアで実現することも可能である。

本発明の同期捕捉装置及び同期捕捉方法は、インパルス無線通信での用途に適している。

本発明の実施の形態１に係る同期捕捉装置の構成を示すブロック図 パルス位置変調を施された信号の一例を示す図 実施の形態１に係るテンプレート信号の重畳方法の説明に供する図 実施の形態１に係るビット逆順を用いた時間位置選択方法の一例を示す図 実施の形態１に係るテンプレート信号の他の重畳方法の説明に供する図 実施の形態２に係る同期捕捉装置の構成を示すブロック図 実施の形態２に係る一連の同期捕捉処理を例示するフロー図 実施の形態２に係る時間位置の数の初期値設定処理を例示するフロー図 実施の形態２に係る積分長制御の一例を示す図 図２および図５と異なる信号形状のテンプレート信号及び受信信号の相関の説明に供する図 送信信号、マルチパスが含まれる受信信号、及び重畳テンプレートの説明に供する図 受信信号にマルチパスが含まれる場合の同期補足方法の説明に供する図 受信信号にマルチパスが含まれる場合の他の同期補足方法の説明に供する図 テンプレート信号として受信信号の波形を利用する場合の同期捕捉装置の構成を示すブロック図 テンプレート信号として受信信号の波形を利用する場合の重畳テンプレートの説明に供する図 受信信号に雑音が重畳している場合の同期補足方法の説明に供する図 通信レートに従いテンプレート重畳数を変更する実施例の説明に供する図 変調方式としてＰＰＭおよびＰＡＭを利用する場合の各パルス位置とパルス振幅との組み合わせとビット列との対応付け方法の説明に供するフロー図 変調方式としてＰＰＭおよびＰＡＭを利用する場合の各パルス位置とパルス振幅との組み合わせとビット列との対応付け方法の説明に供する図 図１９Ａに続く図 変調方式として１６−ＰＰＭを利用する場合の各パルス位置とビット列との対応付け方法の説明に供する図

符号の説明

１００、２００ 同期捕捉装置
１１０ 第１相関検出部
１２０ 重畳テンプレート取得部
１３０ 第２相関検出部
１１２ 第１相関器
１１４ 第１比較器
１２２ 複数探索位置生成器
１２４ 複数テンプレート生成器
１２６ テンプレート重畳器
１３２ 第２相関器
１３４ 第２比較器
１４４ 単一探索位置生成器
１４６ 単一テンプレート生成器
２０２ 相関器
２０４ 適応比較器
２０６ 適応探索位置生成器
２０８ 適応テンプレート生成器
２１０ テンプレート重畳器
１４００ 受信波形バッファ

Claims (22)

1. インパルス無線通信のための同期捕捉を行う同期捕捉装置であって、
   各々が複数のテンプレート信号を重畳して成る複数の重畳テンプレート信号を取得する取得手段と、
   前記取得手段によって取得された一の重畳テンプレート信号と受信信号との間の予備相関一致の検出を行うとともに、前記一の重畳テンプレート信号と前記受信信号との間の前記予備相関一致が検出されなかった場合、前記一の重畳テンプレート信号を前記取得手段によって取得された他の重畳テンプレート信号で置換してから前記予備相関一致の検出を行う予備検出手段と、
   前記予備検出手段によって前記予備相関一致が検出された場合、前記複数のテンプレート信号のうちいずれかのテンプレート信号と前記受信信号との間の最終相関一致の検出を行う最終検出手段と、
   を有する同期捕捉装置。
2. 前記取得手段は、
   互いに異なる開始時間位置を有する複数のテンプレート信号を重畳する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
3. 前記複数のテンプレート信号は、互いに異なる開始時間位置を有し、
   前記開始時間位置の時間解像度の整数倍が、パルス幅に相当し、
   前記取得手段は、
   前記一のテンプレート信号と前記他のテンプレート信号とを重畳する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
4. 前記取得手段は、
   前記一のテンプレート信号と前記他のテンプレート信号とを重畳した場合に生じるパルスの重なりを許容する、
   請求項３記載の同期捕捉装置。
5. 前記取得手段は、
   互いに重畳されるテンプレート信号の数を、前記受信信号の伝送チャネルの品質に基づいて、可変設定する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
6. 前記取得手段は、
   互いに重畳されるテンプレート信号の数を、前記受信信号の受信電力に基づいて、可変設定する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
7. 前記取得手段は、
   互いに重畳されるテンプレート信号の数を、前記予備検出手段及び前記最終検出手段によってそれぞれ行われた前記予備相関一致及び前記最終相関一致の検出を含む前回の一連の同期捕捉処理に関する情報に基づいて、可変設定する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
8. 前記取得手段は、
   互いに重畳されるテンプレート信号の数を、前記予備検出手段及び前記最終検出手段によって、それぞれ行われた前記予備相関一致及び前記最終相関一致の検出を含む一連の同期捕捉処理の再試行回数に基づいて、可変設定する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
9. 前記複数のテンプレート信号の持続時間よりも短い積分長を設定する積分長設定手段を更に有し、
   前記予備検出手段及び前記最終検出手段のいずれか一方は、
   重畳テンプレート信号又はテンプレート信号と前記受信信号との乗算結果を、前記積分長設定手段によって設定された前記積分長にわたって積分する、
   請求項１記載の同期捕捉装置。
10. 前記積分長設定手段は、
    前記積分長を、前記受信信号の伝送チャネルの品質に基づいて、可変設定する、
    請求項９記載の同期捕捉装置。
11. 前記積分長設定手段は、
    前記積分長を、前記受信信号の受信電力に基づいて、可変設定する、
    請求項９記載の同期捕捉装置。
12. 前記積分長設定手段は、
    前記積分長を、前記予備検出手段及び前記最終検出手段によって、それぞれ行われた前記予備相関一致及び前記最終相関一致の検出を含む前回の一連の同期捕捉処理に関する情報に基づいて、可変設定する、
    請求項９記載の同期捕捉装置。
13. 前記取得手段は、
    前記複数の重畳テンプレート信号のうち、時間間隔なしに隣接する複数のパルスを有する重畳テンプレート信号を部分的に変更することによって、前記一の重畳テンプレート信号又は前記他の重畳テンプレート信号を取得する、
    請求項１記載の同期捕捉装置。
14. 前記取得手段は、
    前記複数のパルスのうち先頭のパルス以外のいずれかのパルスを間引く、
    請求項１３記載の同期捕捉装置。
15. 前記複数のテンプレート信号の各々及び前記複数の重畳テンプレート信号の各々は、互いの相関性が相対的に高い複数の部分信号を含む第１の組み合わせと、互いの相関性が相対的に低い複数の部分信号を含む第２の組み合わせと、を有し、
    前記予備検出手段及び前記最終検出手段のいずれか一方は、
    前記第１の組み合わせと前記受信信号との乗算の結果を積分する、
    請求項１記載の同期捕捉装置。
16. インパルス無線通信のための同期捕捉を行う同期捕捉方法であって、
    複数のテンプレート信号を重畳して成る一の重畳テンプレート信号を取得し、
    前記一の重畳テンプレート信号と受信信号との間の予備相関一致の検出を行い、
    前記一の重畳テンプレート信号と前記受信信号との間の前記予備相関一致が検出されなかった場合、前記複数のテンプレート信号を重畳して成る他の重畳テンプレート信号を取得し、
    前記一の重畳テンプレート信号を前記他の重畳テンプレート信号で置換してから前記予備相関一致の検出を行い、
    前記予備相関一致が検出された場合、前記複数のテンプレート信号のうちいずれかのテンプレート信号と前記受信信号との間の最終相関一致の検出を行う、
    同期捕捉方法。
17. 前記取得手段は、
    パルス位置及びパルス振幅に応じてビットの並び順が決定されたテンプレート信号を選択する複数探索位置生成部を含む
    請求項１記載の同期捕捉装置。
18. 前記テンプレートは、
    パルス位置又はパルス振幅の一方に基づいてビットの並び順を決定した後に、残りの一方に基づいてビットの並び順を決定した信号である
    請求項１７記載の同期捕捉装置。
19. 前記複数のテンプレート信号は、異なる搬送波周波数帯の信号であることを特徴とする請求項１記載の同期捕捉装置。
20. 前記複数のテンプレート信号の搬送波周波数帯として、マイクロ波帯の信号とミリ波帯の信号を用いることを特徴とする請求項１９記載の同期捕捉装置。
21. 前記複数のテンプレート信号は、異なる変調方式の信号であることを特徴とする請求項１記載の同期捕捉装置。
22. 前記複数のテンプレート信号は、異なる出現頻度で重畳されていることを特徴とする請求項１記載の同期捕捉装置。

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