JP4859800B2 - 相関ピーク検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、スペクトル拡散信号を逆拡散した相関出力信号の相関ピークを検出する相関ピーク検出装置に関するものである。

例えば、自動車へのキーレスエントリシステムに用いる無線通信装置にノイズ対策としてスペクトル拡散を適用する場合、回路規模の限られた携帯機に搭載するのに適した構成のスペクトル逆拡散受信装置が必要である。スペクトル逆拡散の方法には様々なものがあるが、符号長が比較的短い場合にはデジタルマッチドフィルタを使用する方法が有効である。これは拡散符号パターンと同じパターンを有する極性タップを内蔵したデジタル遅延素子に信号を通過させると、拡散符号のパターンの位相とデジタルマッチドフィルタのパターンの位相が一致した瞬間にのみ強いピーク（パルス）が得られ、それ以外の位相ではきわめて小さい値しか検出されないという原理を応用している。この方法は、拡散符号の符号長と同じだけの数の遅延素子（シフトレジスタ）が必要になるが、符号の位相一致点が自動的に（符号の一周期以内に）確定できるというメリットがあり、符号長が７や１５など比較的短い場合には、回路規模を小さく抑えることが可能になる。

デジタルマッチドフィルタからのピーク出力は、信号が情報変調されている場合には、情報の‘０’と‘１’に応じて極性が‘＋’または‘−’に振られたピークとなっている。このピークの位置をまず検出し、次にその位置での極性を判別することで、情報を復調できる。ピークとは信号の強度が他の部分より大きい部分のことであるから、これの位置を検出する方法が最初に必要になる。このためには、一般に信号の正負を無視して強度の絶対値を得た後、他の部分より値の大きい部分を検出する。デジタルマッチドフィルタの出力の絶対値は、理論的には図８のような変化を示し、ピーク位置ではそれ以外の位置に比べて、符号長に比例した大きな値を示すが、他の位置では一様に小さい値を示す。実際には多少のノイズがあるため図９のような変化を示す。このピーク位置をまず検出する方法が必要であり、その方法が様々に提案されている。

このような方法として、従来では、相関値を所定の閾値と比較して相関ピークの有無を判定する方法（例えば、特許文献１参照）や、1シンボル周期中のピーク位置を絶対値比較により判定する方法（例えば、特許文献２参照）があった。

特開２００２−１８５３６１号公報 特開平９−２０００８１号公報

上記のような従来の方法でピーク位置を検出するスペクトル逆拡散受信装置では、通信距離が長くなって信号が弱くなった場合や、送信機と受信機の基準発振器のクロックに誤差があった場合に、正しく通信できなくなるという問題点があった。
例えば、閾値を用いる方法では、図１０のように所定の値（閾値Ａ）を閾値とし、受信信号がそれより大きい値を示す場所をピークと特定する。しかし、この方法では、通信距離が長くなって信号強度が全体に小さくなると、ピーク位置での信号強度が閾値を下回ってしまい、ピークを検出できなくなるという問題点があった。即ち、信号には一般に雑音が乗っており、これをピークと誤判定しないようにする必要がある。ノイズは状況によりかなり大きくなる場合があり、図１１はノイズのために閾値Ａを超える部分が発生し、これが偽のピークとして検出されてしまった場合を示す。このような現象を避けるため、閾値はある程度大きくする必要がある。

図１２は閾値をより大きな値（閾値Ｂ）に設定し、このような偽ピークの発生を防いでいる。ところが、閾値を大きな値に設定すると、今度は、通信距離が長くなって信号強度が弱くなった場合にピークを検出できなくなる。図１３では、信号全体がほんの少し小さくなっただけであるが、ピークの一部が検出できなくなっている。信号強度は、通信距離に依って大きく変わるので、図１４のように、ピーク位置での信号が他の部分より明らかに大きい（Ｓ／Ｎ比が良い）場合でも、信号強度が非常に弱い場合には全く通信ができなくなる。閾値を用いる方法にはこのような欠点があるが、一方でこの方式には送信機と受信機の基準発振器のクロック誤差には影響されないという長所はある。図１５はそのような場合で、送信機側のクロックが受信機側のクロックより速いために、ピークの周期は予想される周期よりも短くなっているが、受信機ではピークがきちんと検出できている。

一方、閾値を使用せず、1シンボル区間中の最大値を検出する方法では、通信距離が長くなって信号が弱くなっても、ピークが検出できる。この方法は、図１６のように、符号の１周期（１シンボル長）毎に区間を区切り、その中で信号が最大の値を示す場所を探すものである。この方法では、閾値を用いないので、図１７のようにノイズがあっても、ピークの大きさが区間中で最大である限り、ピーク位置は問題なく検出できる。また、通信距離が長くなって図１８のように信号が弱くなっても、影響を受けない。信号強度が図１９のように非常に小さくなっても、Ｓ／Ｎ比が良好で信号がノイズに埋もれない限り、ピーク位置が検出できる。このように、最大値を検出する方法では、閾値を使用する方法に比べ、信号強度の弱い場合でも信号がノイズに埋もれる限界までピークを検出できるので、通信距離が長くできるという長所がある。他方で、この方法には、送信機と受信機の基準発振器のクロックに誤差があると通信できないという欠点がある。

例えば、送信機側のクロックが受信機側のクロックより速い場合、受信機上に現れる信号のピーク周期は、受信機で予想するよりも短くなっている。この場合、図２０に示すように、１区間内にピークが２個入る場合があり、このとき相対的に小さい方のピークは無視されてしまい、欠落する。これはもちろん通信不良となる。逆に、送信機側のクロックが受信機側のクロックよりも遅い場合には、ピークの周期は受信機側で予想するよりも長くなり、この場合、図２１に示すように、１区間内にピークが一つも入らない場合がある。この区間ではノイズ等のピークでない場所がピークとして検出されることになり、通信不良となる。従って、このような最大値を検出する方法では、受信機側のクロックを送信機側のクロックに合わせる仕組みが別途必要になる。一般にはフィードバックループを用いて、ピークの位置が区間内で移動しないように受信機側のクロックを常に補正する仕組みが採用されるが、これは回路規模の増大の原因となる。特に符号長が短い場合には、この仕組みが回路規模に占める割合が無視できない大きさになり、消費電力の増大、電池寿命の短縮など許容できない欠点となる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、信号強度が弱くなっても、また送信機と受信機の基準発振器にクロック誤差があっても、回路規模を増大させることなくピークを検出できる相関ピーク検出装置を得ることを目的としている。

この発明に係る相関ピーク検出装置は、スペクトル逆拡散した相関出力信号を先入れ先出しで通過させる場合、相関出力信号の予想される相関ピーク周期の√２倍の長さの検査区間を設定し、この検査区間の中央の信号強度が、検査区間で最大であった場合、その信号を相関ピークであると判定するようにしたものである。

この発明の相関ピーク検出装置は、相関出力信号の予想される相関ピーク周期の√２倍の長さの検査区間を設け、この検査区間の中央の信号強度が検査区間で最大であった場合に相関ピークと判定するようにしたので、信号強度が弱くなっても、また送信機と受信機の基準発振器にクロック誤差があっても、回路規模を増大させることなくピークを検出することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置を示す構成図である。
図示の相関ピーク検出装置は、スペクトル拡散信号を受信する受信機に備えられるもので、検査区間設定部１、比較判定部２、ピーク判定部３を備えている。尚、受信機内のデジタルマッチドフィルタといったスペクトル逆拡散のための構成や基準クロックを発生させる基準発振器等の構成については公知であるため、ここでの図示は省略している。

図示の相関ピーク検出装置において、検査区間設定部１は、スペクトル逆拡散した相関出力信号を先入れ先出しで通過させる場合、相関出力信号の相関ピーク周期の１倍以上かつ２倍未満の長さの検査区間を設定する機能部である。比較判定部２は、検査区間の中央の信号強度が、当該検査区間で最大であるかを比較する機能部である。ピーク判定部３は、比較判定部２で判定された信号強度が最大であった場合に、その信号を相関ピークであると判定する機能部である。

図２は、実施の形態１の相関ピーク検出装置の基本原理を示す説明図である。
本実施の形態では、検査区間設定部１に対して、検査対象となる相関出力信号を先入れ先出し方式で通過させる。例えば、図２の例では、検査区間の位置を固定して、信号を左から右に移動させると考えればよい。あるいは、周期的なピークを持つ信号が検査区間の左から入ってきて、右から出て行くと考えてもよい。この検査区間の長さは、予想されるピーク周期の１倍以上かつ２倍より小さい値となっていることが特徴である。ピークの検出は、比較判定部２およびピーク判定部３により、この検査区間の中央での値を、該検査区間内の他の部分の値と比較することにより判定する。即ち、比較判定部２が、検査区間中央での信号の絶対値と区間内の他の部分の値とを比較し、検査区間中央での信号の絶対値が他のどの部分の絶対値よりも大きくなったとき、ピーク判定部３は、その位置が相関ピークであると判定する。

このようにすると、相関ピークが検査区間の中央に来たときにのみ相関ピークが検出されたと判定され、それ以外の部分が検査区間の中央に来たときには相関ピークが検出されたとは判定されないので、相関ピークのみを選択的に抽出することができる。この様子を図３に示す。相関ピークが検査区間の中央に来たときに、他の部分にノイズが乗っていたとしてもその相関ピークよりも小さい限り、相関ピークを正しく検出できる。この検査方式は閾値を使用しないので、相関ピークがノイズよりも大きい限り、信号強度全体が小さくなっても正しく相関ピークを検出できる。しかも、本実施の形態の特徴である、検査区間の長さが予想されるピーク周期の１倍以上かつ２倍より小さいという事実により、送信機と受信機の基準発振器のクロックに誤差があって、相関ピークの実際の周期が予想より異なっていたとしても、相関ピークを見落とすことなく、また相関ピークでないところを相関ピークと誤認識することもない。

この原理をより詳しく説明する。検査区間の幅が予想されるピーク周期の１倍以上あることが必要な理由は、図４に示すような場合を考えれば理解される。この例では検査区間の幅が予想されるピーク周期の１倍未満であるため、検査区間が相関ピークと相関ピークの間に落ち込んでしまうことがある。このとき、検査区間の中央に、他の部分より大きい雑音が出ていた場合、偽のピークが検出されてしまう。従ってこのような現象を防ぐために検査区間の長さは予想されるピーク周期の１倍以上ある必要がある。一方、検査区間の幅が予想されるピーク周期の２倍より小さいことが必要な理由は、図５に示すような場合を考えれば理解される。この例では検査区間の幅が予想されるピーク周期の２倍以上あるため、ある相関ピークが検査区間の中央に来たとしても、隣り合う相関ピークのどちらかがノイズの影響でそれよりも大きかった場合、そちらのピークが検査区間内で最大の値であるため、検出されるべき相関ピークが検出されなくなる。従ってこのような現象を防ぐために検査区間の長さは予想されるピーク周期の２倍より小さい必要がある。

そして、このように検査区間の長さを予想されるピーク周期の１倍以上かつ２倍より小さい値に設定することにより、送信機と受信機の基準発振器のクロックに誤差があっても、相関ピークだけを正確に抽出できる。例えば、もしも送信機側のクロックが受信機側のクロックよりも速い場合、実際の相関ピークの周期は受信機側で予想されるよりも短いものとなっている。図６はそのような場合を示す。この例では図３や図５の時より実際のピーク間隔が短くなっているが、検査区間の幅は予想されるピーク周期の２倍よりも小さく取ってあるので、相関ピークの間隔が多少短くなったところで、相関ピークが検査区間の中央に来たときに、その両隣の相関ピークが検査区間に入ることはない。このため、相関ピークが中央に来たにもかかわらずそれを見落とすような事態は発生しない。逆に、もしも送信機側のクロックが受信機側のクロックよりも遅い場合、実際の相関ピークの周期は受信機側で予想されるものよりも長いものとなっている。図７はそのような場合を示す。この例では図３や図４の時より実際のピーク間隔が長くなっているが、検査区間の幅は予想されるピーク周期の１倍以上に取ってあるので、相関ピークの間隔が多少長くなったところで、検査区間が相関ピークと相関ピークの間に落ち込むことはない。このため、相関ピークと相関ピークの間にあるノイズを誤ってピークと誤判定するような事態は発生しない。

以上のような原理により、本実施の形態の相関ピーク検出装置では、受信機はスペクトル逆拡散後の相関出力から正しく相関ピークのみを抽出することができる。即ち、相関ピークの信号が弱くなっても、信号がノイズに埋もれる限界まで相関ピークを検出できるので、通信距離が長くなって信号が弱くなっても通信ができる。しかも、送信機と受信機の基準発振器のクロックに誤差があっても、受信機側のクロックを調整する仕組みが不要であり、回路規模を抑えて消費電力を低減でき、電池駆動される携帯機等の電池寿命を伸ばすことができる。

以上のように、実施の形態１の相関ピーク検出装置によれば、スペクトル逆拡散した相関出力信号を先入れ先出しで通過させる場合、相関出力信号の予想される相関ピーク周期の１倍以上かつ２倍未満の長さの検査区間を設定する検査区間設定部と、検査区間の中央の信号強度が、検査区間で最大であるかを比較する比較判定部と、比較判定部で判定された信号強度が最大であった場合に、信号を相関ピークであると判定するピーク判定部とを備えたので、信号強度が弱くなっても、また送信機と受信機の基準発振器にクロック誤差があっても、回路規模を増大させることなくピークを検出することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、検査区間設定部１における検査区間の長さを、予想されるピーク周期の√２倍（約１．４倍）に設定するようにし、送信機と受信機の基準発振器のクロック誤差に対する耐性を最大とするようにしたものである。これ以外は、実施の形態１と同様である。

検査区間の長さは、実施の形態１で説明したように、予想されるピーク周期の１倍以上かつ２倍より小さい範囲で任意に選ぶことができるが、回路規模を考慮すればその範囲内で短い方が回路規模を小さく抑えられる。しかし、クロック誤差に対する耐性を最大に発揮するためには、検査区間の長さを√２倍に設定することが有効である。

つまり、送信機と受信機の基準発振器のクロック誤差は、一般にどちらが速くどちらが遅いかは不定である。このとき、検査区間の長さが予想されるピーク周期の√２倍であると、送信機と受信機のクロックのどちらが速い（大きい）かに関わりなく、（小さい方から見て）最大で√２−１倍（約４１％）のクロック誤差に耐えられる。なぜなら、ピークの間隔は、受信機側のクロックを基準にして送信機側のクロックがＮ倍のとき、予想されるピーク周期の１／Ｎになるからである。

例えば、送信機側のクロックが速い場合、相関ピークの周期は予想されるよりも短くなるが、検査区間が予想されるピーク周期の√２倍であるとき、送信機側のクロックが受信機側のクロックの√２倍（約１４１％）となるまで、検査区間の中央にピークが来たとき隣り合うピークが検査区間に入ることはない（検査区間の中央から検査区間の端までの距離が√２／２＝１／√２であるから）。逆に、送信機側のクロックが遅い場合（受信機側のクロックが速い場合）、相関ピークの周期は予想されるよりも長くなるが、検査区間が予想されるピーク周期の√２倍であるとき、受信機側のクロックが送信機側のクロックの√２倍（約１４１％）となるまで、検査区間が相関ピークと相関ピークの間に落ち込むことはない（受信機側のクロックが送信機側のクロックの√２倍より小さいときは、送信機側のクロックが受信機側のクロックから見て１／√２より大きい、すなわち周期は受信機側から見て√２倍より小さいから）。

以上のように、実施の形態２の相関ピーク検出装置によれば、検査区間の長さを予想される相関ピーク周期の√２倍としたので、送信機側のクロックと受信機側のクロックのどちらが速くどちらが遅いかに関わりなく、クロックの小さい方から見て最大（√２−１）倍までのクロックずれを許容することができるので、クロック精度の低い基準発振器を採用しても通信を正常に行うことができ、装置を安価に製造することができる。

この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置の基本原理を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置の動作を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置のピーク周期の１倍以上あることが必要な理由を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置のピーク周期の２倍より小さいことが必要な理由を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置の送信機側のクロックが受信機側のクロックよりも速い場合の動作を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による相関ピーク検出装置の送信機側のクロックが受信機側のクロックよりも遅い場合の動作を示す説明図である。 デジタルマッチドフィルタの出力の絶対値の理論的な変化を示す説明図である。 デジタルマッチドフィルタの出力の絶対値の実際の変化を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を閾値を用いて検出する方法を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を閾値を用いて検出する方法における誤検出を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を閾値を用いて検出する方法において閾値を大きな値とした場合の説明図である。 従来の相関ピーク位置を閾値を用いて検出する方法において閾値を大きな値とした場合の誤検出を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を閾値を用いて検出する方法において閾値を大きな値とした場合の誤検出の他の例を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を閾値を用いて検出する方法においてクロック誤差の影響がないことを示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を１シンボル区間中の最大値によって検出する方法を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を１シンボル区間中の最大値によって検出する方法におけるピーク位置検出動作を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を１シンボル区間中の最大値によって検出する方法における通信距離が長い場合のピーク位置検出動作を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を１シンボル区間中の最大値によって検出する方法における信号強度が非常に小さい場合のピーク位置検出動作を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を１シンボル区間中の最大値によって検出する方法における送信機側のクロックが受信機側のクロックより速い場合の誤検出を示す説明図である。 従来の相関ピーク位置を１シンボル区間中の最大値によって検出する方法における送信機側のクロックが受信機側のクロックより遅い場合の誤検出を示す説明図である。

符号の説明

１ 検査区間設定部、２ 比較判定部、３ ピーク判定部。

Claims (1)

1. スペクトル逆拡散した相関出力信号を先入れ先出しで通過させる場合、前記相関出力信号の予想される相関ピーク周期の√２倍の長さの検査区間を設定する検査区間設定部と、
   前記検査区間の中央の信号強度が、当該検査区間で最大であるかを比較する比較判定部と、
   前記比較判定部で判定された信号強度が最大であった場合に、当該信号を相関ピークであると判定するピーク判定部とを備えた相関ピーク検出装置。

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