JP4847373B2

JP4847373B2 - フレーム同期検出方法

Info

Publication number: JP4847373B2
Application number: JP2007065177A
Authority: JP
Inventors: 淳也田中
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008228057A

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一般的なフレーム構成を、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）。

特許文献１に記載の「フレーム検出器」の構成は、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。このような課題を解決する方法として「フレーム同期検出方法」が提案されている（特許文献２）。特許文献２に記載の「フレーム同期検出方法」は、受信信号をオーバーサンプリングし、これを多重分離し、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してから、既知の同期ワードとスライディング相関により相関値を求めて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方法である。

特開２００２−１１１６４６号公報特開２００６−２７９６８６号公報

一般的に、無線端末では、通信相手となる無線基地局（又は無線端末）との基準発信器の発振周波数の差等に伴い、その受信信号に周波数のずれが発生する。また、このような周波数のずれは、受信信号の位相を回転させる。例えば、ＳＣＰＣではシンボルレートが４．８ｋｓｐｓであるが、キャリア周波数が６００Ｈｚずれると、受信信号は４５度位相がずれ、検波後のシンボル点はＩ軸又はＱ軸上に存在する。

このように受信信号のシンボル点がＩ軸又はＱ軸に存在してしまうと、特許文献２に記載された方法では、受信信号を二値化したビット系列にする際の処理（いわゆる硬判定処理）に誤りが生じやすくなり同期ワードの検出が正常に行われなくなる可能性が高まる。本発明の目的は、受信信号の周波数ずれに対する耐性を向上させ正常に同期ワードを検出する可能性を高めることにより正常にシンボルタイミングを検出する可能性を高めることができ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サンプリング工程と、サンプリングされた受信信号を、サンプル信号群である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分離工程と、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硬判定処理と、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検出処理と、を含む同期検出工程と、を有するフレーム同期検出方法であって、前記同期検出工程は、サンプル信号群の各々の位相が異なるようずらした複数のサンプル信号群を生成して、このように生成された複数のサンプル信号群の各々に対して判定処理及び検出処理を行い、同期ワード及びシンボルタイミングを検出することを特徴とする。

また、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サンプリング工程と、サンプリングされた受信信号を、サンプル信号群である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分離工程と、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硬判定処理と、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検出処理と、を含む同期検出工程と、を有するフレーム同期検出方法であって、前記同期検出工程は、前記サンプル信号群をπ／２Ｌ（Ｌは、２以上の正の整数）ずつ位相をずらしたＬ個のサンプル信号群を生成する移相処理を含み、このように生成されたＬ個のサンプル信号群の各々に対して前記判定処理及び検出処理を行い、前記同期ワード及びシンボルタイミングを検出することを特徴とする。

また、他の本発明では、前記同期検出工程は、Ｌ個のサンプル信号群の各々に対して、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位相誤差検出処理と、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処理と、を含むことが望ましい。

また、他の本発明では、前記同期検出工程は、Ｌ個のサンプル信号群の各々に対して、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処理を含むことが望ましい。

本発明によれば、受信信号の周波数ずれに対する耐性を向上させ正常に同期ワードを検出する可能性を高めることにより正常にシンボルタイミングを検出する可能性を高めることができ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１００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１０に入力される。サンプリング回路１０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）。なお、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２０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３０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、Ｉ０_０１〜Ｉ３_０１やＱ０_０１〜Ｑ３_０１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、硬判定回路４０ａ（４０ｂ）及び位相誤差移動平均検出回路５０ａ（５０ｂ）に入力される。なお、硬判定回路４０ｂ及び位相誤差移動平均検出回路５０ｂに入力されるサンプル信号０〜３は、４５度位相回転回路８０ｂにより４５度移相されてから入力される（この移相は「遅れ」でも「進み」でもよい）。

なお、後述するが、４５度位相回転回路８０ｂの移相量は、同期検出を行う硬判定回路４０ａ（４０ｂ）、位相誤差移動平均検出回路５０ａ（５０ｂ）、メモリブロック６０ａ（６０ｂ）、セレクタ回路７１ａ及び７３ａ（７１ｂ及び７３ｂ）の並列数Ｌに対してπ／２Ｌ（Ｌは、２以上の正の整数）ずつ位相をずらすよう構成されるのが望ましい。

遅延検波されたサンプル信号０〜３は、硬判定回路４０ａ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。

さらに、サンプル信号０〜３は、位相誤差移動平均検出回路５０ａ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、検出された位相誤差移動平均値は、セレクタ回路７３ａにより、１つずつ同期検出回路８０に受け渡される。

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６０ａに格納される。このメモリブロック６０ａ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６ａ−１〜６ａ−Ｍを有する。また、メモリ６ａ−１〜６ａ−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６０ａ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７１ａにより、Ｍビットずつ同期検出回路８０に受け渡される。

同期検出回路８０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ビットず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８０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、同様な作業を、硬判定回路４０ｂ、位相誤差移動平均検出回路５０ｂ、メモリブロック６０ｂ、セレクタ回路７１ｂ（及び同期検出回路８０）でも行う（なお、前述した比較は、既知の同期ワードの位相を９０度回転させた同期ワードとの間でも同時に行う）。

上述したように、受信信号に周波数ずれが生じていると、受信信号の位相が回転してしまう。例えば、シンボルレートが４．８ｋｓｐｓの受信信号で６００Ｈｚほど周波数ずれが生じてしまうと、受信信号の位相が４５度回転してしまう。また、このような位相回転は、前述した硬判定回路４０ａにおいて、誤りを生じやすくさせる。

本実施形態に係るフレーム同期検出方法では、４５度位相回転させた受信信号のサンプル信号群で、硬判定回路４０ｂ、位相誤差移動平均検出回路５０ｂ、メモリブロック６０ｂ、セレクタ回路７１ｂ（及び同期検出回路８０）を用いて同期検出を行うため、上述したような誤りが生じたとしても、同期ワードの検出を行うことができる。

また、前述したように、各々のサンプル信号は、１／Ｎシンボルず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。また、４５度位相回転させた受信信号のサンプル信号群で、硬判定回路４０ｂ、位相誤差移動平均検出回路５０ｂ、メモリブロック６０ｂ、セレクタ回路７１ｂ（及び同期検出回路８０）により同期ワードが検出された場合、キャリア周波数誤差６００Ｈｚ±３００Ｈｚの範囲にあることを検出することができる。このように検出されたキャリア周波数誤差を後段の信号の復調処理で用いてもよい。

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もある。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。また、位相誤差移動平均回路５０ａは、位相誤差移動平均値を検出し、これをセレクタ回路７３ａに出力する。セレクタ回路７３ａは、位相誤差移動平均値を制御信号に応じてセレクタ回路７１ａのサンプル信号の受け渡しに同期して同期検出回路８０に受け渡す。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。

また、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のビット系列を、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。なお、セレクタ回路７１ａ及び７３ｂから出力されるサンプル信号のいずれに対しても９０度位相回転させた同期ワードを用意しておけばよい。

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、前記サンプル信号群をπ／２Ｌ（Ｌは、２以上の正の整数）ずつ位相をずらしたＬ個のサンプル信号群を生成する移相処理を含み、このように生成されたＬ個のサンプル信号群の各々に対して前記判定処理及び検出処理を行い、前記同期ワード及びシンボルタイミングを検出することにより、受信信号の周波数ずれに対する耐性を向上させ正常に同期ワードを検出する可能性を高めることにより正常にシンボルタイミングを検出する可能性を高めることができるフレーム同期検出方法を実現する。なお、本実施形態ではＬ＝２の場合について説明したが、２以上であってもよいのは言うまでもない。また、Ｌを３以上にすることにより、キャリア周波数誤差の検出精度を高めることができる。

また、サンプル信号群の各々の位相が異なるようずらした複数のサンプル信号群を生成して、このように生成された複数のサンプル信号群の各々に対して判定処理及び検出処理を行い、同期ワード及びシンボルタイミングを検出する構成としてもよい。さらに、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。

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

１０サンプリング回路、２０多重分離回路、３０遅延検波回路、４０ａ，４０ｂ硬判定回路、５０ａ，５０ｂ位相誤差移動平均検出回路、６０ａ，６０ｂメモリブロック、７１ａ，７３ａ，７１ｂ，７３ｂセレクタ回路、８０同期検出回路、１００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サンプリング工程と、
サンプリングされた受信信号を、サンプル信号群である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分離工程と、
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硬判定処理と、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検出処理と、を含む同期検出工程と、
を有するフレーム同期検出方法であって、
前記同期検出工程は、
サンプル信号群の各々の位相が異なるようずらした複数のサンプル信号群を生成して、このように生成された複数のサンプル信号群の各々に対して判定処理及び検出処理を行い、同期ワード及びシンボルタイミングを検出することを特徴とするフレーム同期検出方法。
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サンプリング工程と、
サンプリングされた受信信号を、サンプル信号群である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分離工程と、
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硬判定処理と、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検出処理と、を含む同期検出工程と、
を有するフレーム同期検出方法であって、
前記同期検出工程は、
前記サンプル信号群をπ／２Ｌ（Ｌは、２以上の正の整数）ずつ位相をずらしたＬ個のサンプル信号群を生成する移相処理を含み、このように生成されたＬ個のサンプル信号群の各々に対して前記判定処理及び検出処理を行い、前記同期ワード及びシンボルタイミングを検出することを特徴とするフレーム同期検出方法。
請求項２に記載のフレーム同期検出方法であって、
前記同期検出工程は、
Ｌ個のサンプル信号群の各々に対して、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位相誤差検出処理と、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処理と、を含むことを特徴とするフレーム同期検出方法。
請求項２又は３に記載のフレーム同期検出方法であって、
前記同期検出工程は、
Ｌ個のサンプル信号群の各々に対して、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処理を含むことを特徴とするフレーム同期検出方法。