JP4913043B2 - 直交相補系列のペアの逐次発射によって、送信メディアによって生じたひずみを最適に推定する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、相補系列を使用することによって送信メディアの時間的特性及び周波数の推定を可能にする変調及び復調装置及び方法、及び送信機及び受信機に関する。

通信システム、スペクトル分析、レーダ、及びソーナは信号を送信し、この信号は、送信メディアを横切った後、反射されるか反射されないで、受信機に達する。このメディアは、周波数Ｈ（ω）又は時間ｈ［ｎ］インパルスへの応答を有する直線性フィルタのように振る舞う。発射された情報を回復するプロセスを可能にするため、大部分の通信システムは、発射された信号ｓ［ｎ］の上に送信メディアによって起こされた効果の除去を不可欠としている。このプロセスは、等化として知られている。更に、メディアのスペクトル分析を実行し、それによってその物理特性に関する情報を取得するため、周波数における応答を使用することができる。

通信路はフィルタとして働き、信号をひずませる。通信路内の摂動に起因する雑音ｎ［ｎ］、熱雑音、又は発射された信号と干渉する他の信号が、考慮されなければならない。結果として、受信信号ｒ［ｎ］は次のようにモデル化することができる。
ｒ［ｎ］＝ｓ［ｎ］＊ｈ［ｎ］＋ｎ［ｎ］ （１）
＊は畳み込み演算を表す。メディアによって信号の中へ導入されたひずみを除去するため、次のようにインパルス応答ｆ［ｎ］を有するフィルタが必要である。
ｒ［ｎ］＊ｆ［ｎ］≒ｓ［ｎ］ （２）

言い換えれば、受信信号は、発射された信号と可能な限り類似しなければならない。雑音ｎ［ｎ］もひずみも完全には除去されないという事実に起因して、この要件を完全には満足させることはできない。

等化を最良の等化にするため、メディアを先天的に知る必要がある。言い換えれば、メディアのｈ［ｎ］を分析して、ひずみ効果を相殺できることが必要である。この目的を達成するために２つの方法がある。
・静的等化器：等化器の特性は時間と共に変化しない。
・適応等化器：等化器はメディアのひずみの時間的変動に適応する。

第１の等化器の主な問題は、等化器が一般的であって、各々の状況の特定の問題を解決しないことである。適応等化器はメディアの変動へ良好に応答するが、等化器の実現が複雑であり、また等化器は雑音へ非常に敏感である。

双方の等化器について、送信メディアを知ることが依然として不可欠である。送信メディアの変調が良くなれば、発射された信号を回復するときに取得される精度がそれだけ大きくなる。メディアを分析する理想的方法は、デルタを送信して受信信号を分析すること、即ち、インパルス応答を取得することである。これは、Ｋｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタσ［ｎ］を発射することによって、ディジタル・レベルで達成される。即ち、
ｓ［ｎ］＝σ［ｎ］
ｒ［ｎ］＝ｈ［ｎ］＋ｎ［ｎ］ （３）

看取されるように、受信信号は加法的雑音で汚染されたインパルス応答ｈ［ｎ］に関する情報を有する。

一方ではＫｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタを効果的に発射することができ、他方では受信信号の雑音を低減する手法の必要性は、前記から推定可能である。Ｋｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタを直接送信することは非常に複雑である。なぜなら、それは高ピーク電力を必要とするからである。理解されるように、送信メディアの非常に正確なモデル、及びそれが作り出すひずみは、これらの２つの前提を維持することによって取得可能である。

メディアのモデルから抽出された特性は、通信の応用でメディアを等化するために使用可能であり、又はソーナ及びレーダのシステムで異なるタイプの目的物を弁別する場合、又は分光学で使用されるように、スペクトル分析を実行して物理化学特性を抽出する場合に、メディアの物理特性を分析するために使用可能である。

本発明の目的である特徴を有する特許又は実用新案は、知られていない。

本明細書で説明される発明は、Ｍ個の相補系列の集合を使用する。相補とは、自己相関の和がＫｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタを生じることと理解される。Ｍの値は、更に、相互に直交する相補系列の集合の数と一致する。直交とは、各々の集合の相補系列の相互相関の和がゼロであることと理解される。直交系列のペア（Ｍ＝２）の特定の場合、それらの系列は、それらを発見した人に因んでゴーレイ系列と呼ばれる。（これらの概念は、Ｔｓｅｎｇ，Ｃ．Ｃ．及びＬｉｕ，Ｃ．Ｌ．によって発表された論文「Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｓｅｔｓ ｏｆ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ」，ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−１８，Ｎｏ．５，ｐｐ．６４４−６５２，Ｓｅｐ．１９７２で説明されている）。本特許はＭの任意の値へ拡張可能であるが、ゴーレイ系列が最も簡単な場合であるから、それを中心に説明する。

本発明で使用される系列の主な特性は、系列が理想的な自己相関特性を有することである。即ち、それは、次のように完全なＫｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタに対応する。

Φ_ｉｉは、長さＬを有する選択されたＭ個の相補系列の各々の個別の相関である。具体的には、ゴーレイ相補系列のペアの場合、

Φ_Ａ１Ａ２［ｎ］及びΦ_Ｂ１Ｂ２［ｎ］は、それぞれ系列Ａ１及びＢ１の自己相関であり、次のように定義される。

更に、相互相関の和が任意のｎについてゼロと等しくなるように、常に、直交相補系列のペア（Ａ２，Ｂ２）が存在する。即ち、
Φ_Ａ１Ａ２［ｎ］＋Φ_Ｂ１Ｂ２［ｎ］＝０∀ｎ （７）
Φ_Ａ１Ａ２［ｎ］及びΦ_Ｂ１Ｂ２［ｎ］は、それぞれ、双方のペアの系列Ａ及びＢの相互相関であり、次のように定義される。

次の補助特性が更に満たされる。
Φ_Ａ１Ａ１［ｎ］＋Φ_Ａ２Ａ２［ｎ］＝２σ［ｎ］
Φ_Ｂ１Ｂ１［ｎ］＋Φ_Ｂ２Ｂ２［ｎ］＝２σ［ｎ］
Φ_Ａ１Ａ１［ｎ］−Φ_Ｂ２Ｂ２［ｎ］＝０∀ｎ （９）
Φ_Ａ２Ａ２［ｎ］−Φ_Ｂ１Ｂ１［ｎ］＝０∀ｎ

そのような系列の生成は、現在まで２、１０、及び２６ビットまで知られている、いわゆる基本カーネルから実行される（ゴーレイ系列を生成する規則は、論文「Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ」 ｂｙ Ｍ．Ｊ．Ｅ．Ｇｏｌａｙ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＩＲＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−７，ｐｐ．８２−８７，Ａｐｒｉｌ，１９６１で説明されている）。

システムは２つの主なブロック、即ち、符号器及び復号器から構成される。符号化システムは等化プリアンブルを生成する責任を有する。等化プリアンブルは、図２で定められた順序及びステップによって、対応する相補系列と一緒に発射される。対照的に、復号器は、発射で使用された相補系列と受信信号とを相関づけ、下記で説明するように結果を総計する責任を有する。

異なったＭ−ＱＡＭ変調／復調プロセス（及び、それらのディジタル及びアナログの誘導プロセス、即ち、Ｍ−ＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＡＳＫ、ＱＡＳＫなど）は、２つの直交Ｉ及びＱ位相を使用する（一般的に１つの位相だけを使用するＰＳＫ及びＡＳＫを除く）。これらの位相は送信メディアを横切るとき位相及びモジュラスのひずみを受け、これらのひずみはメディアによって異なるように影響を受けて、位相間の相互干渉を生じる。復調プロセスは本明細書の目的ではなく、したがって、復調されたベースバンドＩ及びＱ位相が考察される。信号を理論的に考察できるように、プロセスを示すブロック図（図１）の使用が推奨される。

送信された相補系列の特性を使用することによって、受信データをひずませる伝達関数を推定できることは周知である。図は、更に、双方のベースバンド位相を復調した後で受信された信号が、周波数定義域で下記の式に対応することを示す。明瞭にするため、ωは式から省略される。
ＡＨ_Ｉ＋Ｂｉ_ＱＪ＋Ｎ_Ｉ＝Ｉ
ＢＨ_Ｑ＋Ａｉ_ＪＱ＋Ｎ_Ｑ＝Ｑ （１０）
Ａ及びＢは、それぞれ、直交位相Ｉ及びＱの各々によって送信された系列であり、ＨＱ及びＨＩは、それぞれ、通信路の振幅ひずみに起因するＱ及びＩ位相への通信路ひずみ関数に対応し、ｉＩＱ及びｉＱＩは、通信路の位相ひずみに起因する通信路ＩからＱへの、又は逆の干渉関数であり、双方の位相で受信された雑音は異なっていて、項ＮＩ及びＮＱの中に反映される。通信路によってデータに生じた位相ひずみは、双方の位相の間の干渉を生じる。図２で定められたプリアンブルが送信されるならば、相互干渉を除去することができ、ＢからＩを、またＡからＱを分離して、次のフィルタ動作を実行することができる（雑音項はないものと仮定する）。これは図３で説明される。
（ＡＨ_Ｉ＋Ｂｉ_ＱＩ）Ｈ_Ｑ−（ＢＨ_Ｑ＋Ａｉ_ＩＱ）ｉ_ＱＩ＝Ａ（Ｈ_ＩＨ_Ｑ−ｉ_ＩＱｉ_ＱＩ）＝ＡＨ＝Ｉ２
（ＢＨ_Ｑ＋Ａｉ_ＩＱ）Ｈ_Ｉ−（ＡＨ_Ｉ＋Ｂｉ_ＱＩ）ｉ_ＩＱ＝Ｂ（Ｈ_ＩＨ_Ｑ−ｉ_ＩＱｉ_ＱＩ）＝ＢＨ＝Ｑ２ （１１）

は、等化されるべきフィルタに対応し、Ｈｅｑは双方の位相に共通の等化フィルタであり、現在の通信路等化方法で実現可能である。こうして、２つの新しい独立信号Ｉ２及びＱ２が取得され、それらは受信されるべき系列にのみ依存する。したがって、２つの同一フィルタによって双方の位相を等化し、ひずみを有しない送信情報を回復することができる。

フィルタＨ_Ｉ、Ｈ_Ｑ、ｉ_ＩＱ、及びｉ_ＱＩを識別することが明らかに必要である。前記のフィルタは、次式のように、
Ｈ_Ｉ＝ＩＡ１＋ＩＡ２＋Ｎ_Ｉ／２Ｌ
Ｈ_Ｑ＝ＱＢ１＋ＱＢ２＋Ｎ_Ｑ／２Ｌ
ｉ_ＩＱ＝ＱＡ１＋ＱＡ２＋Ｎ_Ｑ／２Ｌ （１３）
ｉ_ＱＩ＝ＩＢ１＋ＩＢ２＋Ｎ_Ｉ／２Ｌ
式（６）及び（８）で定義された相関演算子によって系列Ａ、Ｂ及びＡＣ、ＢＣを操作し、相補系列の定義された特性を適用することによって、受信されたベースバンドＩ及びＱ信号（図４）から取得されることを容易に証明できる。

図４を参照として使用すると、ＩＡ１は、ＩＡ１によって定められた区間におけるＩ位相とＡ１系列との相関に対応し、ＩＡ２は、ＩＡ２によって定められた区間における位相Ｉの標本とＡ２系列との相関に対応し、ＱＢ１は、ＱＢ１によって定められた区間におけるＱ位相とＢ１系列との相関に対応し、ＱＢ２は、ＱＢ２によって定められた区間におけるＱ位相の標本とＢ２系列との相関に対応し、ＱＡ１は、ＱＡ１によって定められた区間におけるＱ位相とＡ１系列との相関に対応し、ＱＡ２は、ＱＡ２によって定められた区間におけるＱ位相とＡ２系列との相関に対応し、ＩＢ１は、ＩＢ１によって定められた区間におけるＩ位相とＢ１系列との相関に対応し、ＩＢ２は、ＩＢ２によって定められた区間におけるＩ位相の標本とＢ２系列との相関に対応する。更に、雑音は平均され、したがって雑音電力は相関関数の結果として２Ｌだけ低減されることが分かる。ここで、Ｌは相補系列の長さである。この結果は、識別に使用される系列の長さから独立している。

結論として、この手法の利点は、一方では、各々の位相について最適及び独立した仕方で、送信メディアをひずませる伝達関数を推定できることであり、他方では、Ｌに従って雑音効果を低減できることである。したがって、説明される発明は、メディアのひずみを推定する強力なシステムであり、等化の応用に使用するか、又は単純に、所与のメディアの周波数又は電磁スペクトル特性を分析するために使用することができる。

この手法が、電波の送信機及び受信機で干渉を取得及び除去抑圧することに応用されるときの可能な実現が、下記で説明される。明瞭にするため、図１は実現を略図で示す。前述したように、この実現は、この方法を無線周波システムに応用することに基づく。説明を簡単にするため、ＱＡＳＫ変調相補ゴーレイ系列のペアの特定の場合が使用される。システムは、良好に区別された２つのブロック、即ち、送信システム及び受信システムから構成される。

送信システムは、次の責任を有する。
・図２のプリアンブルで定められた順序及び位相で、長さＬを有するゴーレイペアを形成する系列の各々及び入力信号（少なくとも４つのＫｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタ）を畳み込む。
・符号化から生じた２つの信号を、双方の位相を総計することによって直交変調する。
・直交変調された信号を周波数変換して（アップコンバータ）、無線電気スペクトルの対応区域で送信できるようにする。
・信号をアンテナへ送信する。

受信システムは、次の責任を有する。
・アンテナによって受信された信号を周波数同期化及び変換する（ダウンコンバータ）。
・直交復調によって位相Ｉ［ｎ］及び直交Ｑ［ｎ］成分を取得する。
・送信で定められた順序及び位相で元の系列によって双方の位相を相関づけ、前に定義されたように係数を抽出する。
・入力フィルタの係数を更新する。
・必要であれば、位相ごとに同じＨｅｑフィルタによって信号を等化する。

プロセスの結果の信号は、電磁波が適用される帯域幅で電磁波を伝搬したメディアによって生じたひずみ情報を含み、熱雑音及びプロセスの異なるステップによって導入された雑音が、使用される相補系列の長さＬに比例して低減される。

メディアを推定するシステムのブロック図を示す。前記システムを形成する異なる部分は、下記で詳細に説明される。 発射されるべきプリアンブルのディジタル信号ｓ［ｎ］。Ｌ個の記号又は系列細片の少なくとも１つの距離によって分離された少なくとも４つのデルタ（δ［ｎ］）が、メディアを推定するために送信される。 ２．相補系列を有する符号器。それぞれの相補系列でｓ［ｎ］を畳み込むフィルタ。 ３．図２のクロノグラムに従って相補系列と一緒に発射されるべきディジタル信号の畳み込み結果。ここで２つのＩ及びＱ位相が取得される。 ４．双方の位相が総計される直交変調器。 ５．直交変調された信号。 ６．所望の帯域でメディアへ送信するための周波数変換器（アップコンバータ）。 ７．分析されている送信メディアｈ［ｎ］。このブロックは、変調／復調に必要なエレクトロニクス、トランスデューサ又はアンテナ、及び物理的送信メディアを含む。 ８．受信機入力での信号。これらの信号は同じ発射相補系列であるが、ひずみを受けており、また通信路の雑音によって影響を受けている。 ９．信号を元の帯域へ戻して処理させるための周波数変換器（ダウンコンバータ）。 １０．受信された直交信号。 １１．直交復調器。それは、ひずみを受けたベースバンドＩ及びＱ信号を抽出する。 １２．復調されたベースバンド信号。 １３．図３の干渉除去抑圧フィルタ。これは、最初、バイパス・モードでプログラムされ、係数は１５で識別されたときに負荷される。 １４．フィルタリングの後に取得された位相。 １５．復号器。符号化に使用された同じ相補系列に受信位相を相関づけ、同じ順序で１３のフィルタの係数に関する情報を取得するフィルタ。 １６．計算された係数の負荷プロセス。 １７．識別及びフィルタリング・プロセスの終わりで等化された受信信号。 ２つのＩ／Ｑ直交位相の各々によって送信された送信プリアンブル及び系列を記述するクロノグラムを示す。２つのＩ／Ｑ直交位相は、直交変調及び総計されてＱＡＭ（直交振幅変調）又は一般的にＱＡＳＫ（直交振幅偏移変調）を形成する。 一度係数が取得されたとき、双方のＩ／Ｑ位相に同一の単一等化フィルタの識別を取得するフィルタリング・プロセスのブロック図を示す。一度係数が取得されたとき、このフィルタは図１のブロック１５の入力へ挿入される。 直交復調された２つのＩ／Ｑ位相の各々によって受信された受信プリアンブル及び信号を記述するクロノグラムを示す。データは、等化フィルタを取得するため、直交復調された２つのＩ／Ｑ位相から取得される。

Claims (5)

1. 直交相補系列のペアを逐次に発射することによって送信メディアで生じたひずみを最適に推定する方法であって、時間的に分離されて物理メディアへ逐次に送信される相補系列の使用に基づき、復調及び後続の相関によって、受信時にメディアのスペクトル及び時間的特性を抽出して雑音効果を最小にし、
   少なくとも２つの相補系列を有する符号化プリアンブルを生成する方法が、
   （ａ）位相Ｉによって第１のペアの系列の１つであるＡ１を発射し、第１のペアの他の系列Ｂ１を発射することなく直交位相Ｑを維持し、
   （ｂ）位相Ｉによって第２のペアの他の相補系列Ａ２を発射し、第２のペアの他の系列Ｂ２を発射することなく直交位相Ｑを維持し、
   （ｃ）（ａ）で使用された直交位相Ｑによって第１のペアの他の系列Ｂ１を発射し、第１のペアの系列Ａ１を発射することなく他の位相Ｉを維持し、
   （ｄ）（ｂ）で使用された直交位相Ｑによって第２のペアの他の系列Ｂ２を発射し、第２のペアの系列Ａ２を発射することなく他の位相Ｉを維持し、
   （ｅ）結果を直交変調して、それを送信メディアへ発射する
   ことを含み、
   信号をメディアへ送信してメディアの時間的又は周波数特性を取得するため相補系列の復号を取得する方法が、
   （ｆ）符号器の入力で復調された直交位相を相補系列の各々に相関又は適応フィルタリングして、発射で使用された集合を、それらが送信された同じ順序及び位相で形成し、
   （ｇ）次式、
   Ｈ_Ｉ＝ＩＡ１＋ＩＡ２＋Ｎ_Ｉ／２Ｌ
   Ｈ_Ｑ＝ＱＢ１＋ＱＢ２＋Ｎ_Ｑ／２Ｌ
   ｉ_ＩＱ＝ＱＡ１＋ＱＡ２＋Ｎ_Ｑ／２Ｌ
   ｉ_ＱＩ＝ＩＢ１＋ＩＢ２＋Ｎ_Ｉ／２Ｌ
   （ＩおよびＱは互いに直交する位相、Ａ１およびＡ２は位相Ｉから送信される系列、Ｂ１およびＢ２は位相Ｑから送信される系列、Ｎ _Ｉ およびＮ _Ｑ はそれぞれ位相ＩおよびＱで受信された雑音、Ｌは相補系列の長さ、Ｈ _Ｉ およびＨ _Ｑ はそれぞれ通信路の振幅ひずみに起因する位相ＩおよびＱへの通信路ひずみ関数、ｉ _ＩＱ およびｉ _ＱＩ はそれぞれ通信路の位相ひずみに起因する通信路ＩからＱへの又は通信路ＱからＩへの干渉関数）
   によって相関結果を総計して、フィルタ係数を取得し、
   （ｈ）次式、
   

   

   （ＨおよびＨ _ｅｑ は等化のためのフィルタ）
   から取得された情報を使用して、通信路のひずみを識別又は除去する
   ことを含むことを特徴とする方法。
2. 少なくとも、
   （Ａ）相補系列を有する符号器（２）及び畳み込みフィルタ、
   直交変調器（４）、
   周波数変換器（アップコンバータ）（６）、
   アンテナを含む送信機（７）
   からなる送信システムと、
   （Ｂ）周波数変換器（ダウンコンバータ）（９）、
   直交復調器（１１）、
   干渉除去抑圧フィルタ（１３）、
   復号器（１５）
   からなる受信システムと
   から構成されることを特徴とする装置であって、請求項１に記載の、直交相補系列のペアを逐次に発射することによって送信メディアで生じたひずみを最適に推定する方法を行う装置。
3. 更に、送信システム（Ａ）が、物理メディアを介して発射されたディジタル・プリアンブル信号（１）が少なくとも４つのＫｒｏｅｎｅｃｋｅｒデルタ（ｄ（ｎ））から成り、系列の少なくとも各々の分離が任意の幅Ｔ、任意の振幅、及び任意のオーバサンプリング・レベルを使用して長さＬを有するゴーレイペアを形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 更に、請求項１から３のいずれか一項に従ったディジタル信号（１）がＩ及びＱ位相（３）として直交変調器（４）へ通過し、一度双方の位相が直交変調されて総計されると、直交変調器がＱＡＭ（直交振幅変調）、又は一般的にＱＡＳＫ（直交振幅偏移変調）を形成し、変換器（６）によって直交変調信号を或る周波数へ変換して、送信機及びアンテナ（７）によって無線電気スペクトルの対応区域で信号を送信できるようにすることを特徴とする、請求項１または３に記載の方法。
5. 更に、受信システム（Ｂ）において、アンテナ（７）から発射された信号がアンテナ（８）によってピックアップされて周波数変換器（ダウンコンバータ）（９）へ送信され、そこでは周波数が同期化及び変換されて、信号が元の帯域へ戻されて直交復調器（１１）で処理されるようにし、直交復調器はベースバンドＩ及びＱひずみ信号を抽出し、これらの信号が干渉除去抑圧フィルタ（１３）へ通過し、更にそこから復号器（１５）へ通過し、そこにはフィルタが存在して、符号化に使用された同じ相補系列を同じ順序で受信位相に相関づけ、この情報を復号器（１５）のフィルタから取得し、復号器が情報を干渉除去抑圧フィルタ（１３）へ再送信し、正しく等化された識別及びフィルタリング処理の後に信号を最終的に受信することを特徴とする、請求項１、３および４のうちいずれかに記載の方法。

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