JP5508922B2 - フレーム同期のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は全般的には通信システムに関し、また具体的にはディジタルデータの連続ストリームとして送信されたデータの離散的フレームを受信器において同期させるためのシステム及び方法に関する。

無線周波数通信リンクを介したディジタルデータの送信は、ディジタルデータのストリームを（連続した一斉のストリームではなく）送信器から受信器への離散的な情報パケットまたはフレームとして転送することによって実現されることが非常に多い。ディジタル情報の適正な復元はその一部として、受信器が到来するディジタルデータパケットのストリームと同期状態であることに依存する。一般に、ディジタルデータストリーム内部でフレームを同期させるための装置は当技術分野で知られている。これら従来技術の装置の大部分は、到来するディジタルデータストリームを受信する間においてある具体的な反復間隔で実施される同期を提供する。

ディジタル受信器においてフレーム同期とは、受信したビットストリーム内で境界画定位置の箇所を決定することを意味している。境界画定は一般に、「同期ワード（ｓｙｎｃ ｗｏｒｄ）」と呼ばれる固定のビットパターンをビットストリーム内に挿入することによって実現される。同期ワードの位置特定はビットストリーム内に埋め込まれたパターンのマッチングによって実施される。パターンマッチングは２つの技法を用いて実行されるのが一般的である。一技法では検出したビットのスキャンと、「ハードマッチ（ｈａｒｄ ｍａｔｃｈ）」とも呼ばれる最適マッチの探索と、を利用する。別の技法では、「ソフト相関（ｓｏｆｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）」とも呼ばれる検出ビットに対する相互相関技法を利用する。

多くの用途では、同期ワードがある周期以内に送信されるであろうことがアプリオリに分かっている。こうしたイベントに対する同期判定法則には、その周期内のすべてのビット位置に関する適当なソフトまたはハードマッチ／相関計量を求め、その計量が最大の箇所を選択することを含む。しかしアプリオリな知見が利用可能でないような別の用途では、到来するデータストリームを連続して探索しなければならず、かつ同期ワードが存在するか否かを決定する「ハード」判定をすべての時間位置で実施しなければならない。こうしたイベントでは複雑で時間がかかる処理過程になる。

米国特許出願第２００６０１８８００９号

したがって、上述の問題のうちの１つまたは幾つかに対処した改良型のフレーム同期技法であることが望ましい。

本発明の一実施形態では、信号データのストリーム内で同期ワードの受信を特定するための方法を提供する。本方法は、信号データのストリーム内の到来するビットを表す信号値を受け取る工程を含む。本方法はさらに、該信号値を同期ワードと同じ長さを有する第１のシフトレジスタ内に挿入する工程を含む。本方法はさらに、該信号値からビット値を計算する工程を含む。本方法はさらに、該ビット値を同期ワードと同じ長さを有する第２のシフトレジスタ内に保存する工程を含む。本方法はさらに、第２のシフトレジスタ内のビット値と同期ワード内の対応するビットとの間のマッチ数を計数する工程を含む。本方法はさらに、第１のシフトレジスタ内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって信号データと同期ワードの間の相関を算定する工程を含む。本方法はさらに、該相関をエネルギーで割り算することによって正規化済み相関を生成する工程を含む。本方法はさらに、そのマッチ数が所定のハード相関しきい値に少なくとも等しいという条件とその正規化済み相関が所定のソフト相関しきい値に少なくとも等しいという別の条件との両方の条件が真であるときに同期ワードの存在を指示する信号を出力する工程を含む。

別の本発明の実施形態では、信号データのストリーム内で、ある特定の長さを有する所定のビットからなる順序付けられたストリングを含む同期ワードの受信を特定するためのシステムを提供する。本システムは、信号データのストリーム内の到来するビットを表す信号値を受け取るように構成された同期ワードと同じ長さを有する第１のシフトレジスタを含む。本システムはさらに、信号値から計算したビット値を保存するように構成された同期ワードと同じ長さを有する第２のシフトレジスタを含む。本システムはさらに、第２のシフトレジスタ内のビット値と同期ワード内の対応するビットとの間のマッチ数を計数するように構成されたプロセッサを含む。このプロセッサはさらに、第１のシフトレジスタ内の信号値の大きさの総和を求めることによって信号データのエネルギーを算定するように構成されている。このプロセッサはさらに、第１のシフトレジスタ内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって信号データと同期ワードの間の相関を算定するように構成されている。このプロセッサはさらに、該相関をエネルギーで割り算することによって正規化済み相関を生成するように構成されている。このプロセッサはさらに、そのマッチ数が所定のハード相関しきい値に少なくとも等しいという条件とその正規化済み相関が所定のソフト相関しきい値に少なくとも等しいという別の条件の両条件が真であるときに、同期ワードの存在を指示する信号を出力するように構成されている。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本発明の一実施形態による同期ワードを含む典型的なデータフレームを表した概要図である。 本発明の一実施形態によるフレーム同期を実行する受信器システムを表したブロック図である。 本発明の一実施形態による信号データのストリーム内で同期ワードの受信を特定するための方法の工程を表した流れ図である。 同期ワードを実際に存在させた場合と存在させない場合についてハードマッチ技法を利用する間に使用される同期ワード内のエラー計数の例示的な観測数を表したグラフである。 同期ワードを実際に存在させた場合と存在させない場合についてソフト相関技法を利用する間に使用される正規化相関値の例示的な観測数を表したグラフである。 エラーの許容を４としてハード及びソフト相関技法を組み合わせて利用するとの制約下で同期ワードを実際に存在させた場合と存在させない場合について正規化相関値の例示的な観測数を表したグラフである。

以下で詳細に検討することにするが、本発明の実施形態はフレーム同期のためのシステム及び方法を含む。本システム及び方法は、「ハードマッチ」と「ソフト相関」技法を組み合わせた技法を含む。この技法では、２つのコモンエラー確率の間（すなわち、検出失敗の確率と誤警報の確率の間）のトレードオフを考察することによって、判定しきい値に関する最適な推定値を提供する。本明細書で使用する場合に「検出失敗」とは、同期ワードが実際に送信されたのに検出されないことと定義する。同様に「誤警報」とは、同期ワードが実際に送信されていないのに存在が検出されることと定義する。検出失敗及び誤警報の確率がゼロであるときが理想的なシナリオであると考えられる。

図１は、同期ワード１２及びデータストリーム１４を含む典型的なデータフレーム１０を表した概要図である。フレーム同期で使用される最も一般的な技法は、同期を支援するためにデータフレーム１０の開始位置に「同期ワード」とも呼ぶ固定のデータパターンを挿入することである。フレーム同期の目的は図１に示すように同期ワード１２に続くデータストリーム１４の開始位置を分離することである。同期損失を確実に最小とするような同期ワード１２の長さと、効率がよいデータスループットを達成するようなデータストリーム１４内の関連情報ビットの長さとの間には折衷が必要である。データスループットとは、データフレーム１０で送られる総ビット数（同期ワードのビット数を含む）に対する、データフレーム１０で送られる情報ビットの量（データストリーム１４内におけるビット数）のことを意味する。

フレーム同期を達成するために、受信器（図示せず）は送信器において挿入された既知の同期ワード１２とマッチするシーケンスがあるか否かについて信号ストリームを絶えず探索している。信号理論の観点から、受信器は既知の同期ワードと受信した信号ストリームとの相互相関を実行する。ある時点において同期ワードが存在しなければ、累積（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ）相関は低いことになる。しかしフレーム同期ワードが存在する場合、その相関は概ね完全であり、時折起こる検出エラーによる欠陥のみとなる。

図２は、フレーム同期を実行する受信器システム３０を表したブロック図である。信号データ３４のストリーム内の例示的な信号値３２を有する到来ビットが第１のシフトレジスタ３６によって受け取られる。一実施形態ではその信号データ３４は、２進非ゼロ復帰信号を表した１ビットあたり単一サンプルの「ソフト値」である。このソフト値は、復調器段の出力、あるいはアナログベースバンド信号に対するアナログ対ディジタル変換から導出されることがある。この実施形態では、正の値が２進の１を意味する一方、負の値が２進の０を意味することがある。第１のシフトレジスタ３６はデータストリーム内の同期ワードと同じ長さを有する。第１のシフトレジスタ３６は到来するビットを表す信号値３２を記録する。一実施形態ではその第１のシフトレジスタ３６は先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファを含む。信号データ３４はさらにビット検出器３８に渡り、ビット検出器３８は２進１では＋１の値にまた２進０では−１の値になるようにそのソフト信号値を量子化する。量子化された値は同期ワード３９と同じ長さを有する第２のシフトレジスタ４２に渡り、第２のシフトレジスタ４２はビット検出器３８が計算した例示的な量子化ビット値４０を保存する。この長さを「Ｎ」で表すことがある。第２のシフトレジスタ４２に結合させたビットマッチング相関器５０は、第２のシフトレジスタ４２内のビット値とバッファ４１内に保存された同期ワード３９内の対応するビットとの間のマッチ数を計数する。このことを参照番号５２で示したように「ハードマッチ」と呼ぶことがある。さらに正規化ソフト相関の算定に必要な数値５６、５７がソフト相関プロセッサ５４によって計算される。

正規化ソフト相関を算定する工程は、第１のシフトレジスタ３６内の信号値の大きさの総和を求めることによって信号データに関する参照番号５７で表したエネルギーを算定する工程を含む。このエネルギーＥは次式で与えられる。

（式１）

上式において、ｒ（ｉ）は第ｉ番目の「ソフト」受信の信号値である。このエネルギーは、信号の任意の特定部分が示すビット値によらずに、受信される信号の全体的な強度または品質を表している。

信号データに関する参照番号５６で表した相関は、第１のシフトレジスタ内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって算定される。この相関「Ｃ」は次式で与えられる。

（式２）

この相関は、受け取った信号値と、同期ワードが受信器によって完全受信されたとした場合に受け取るであろう予測ビット値と、の間の対応関係の大きさを示している。

該相関をエネルギーで割り算することによって、さらに「Ｃ／Ｅ」で示す正規化相関が生成される。この規格化によって、その相関がどの程度に良好な受信信号（そのエネルギーに基づく）に基づくかに従ってスケール調整するように相関を計算することが可能となる。この方式では、高品質信号における弱い相関は低品質信号における強い相関ほどに高い正規化相関を生成しない。この規格化にはさらに、Ｃ／Ｅ比を＋／−１．０に限定する効果があり、これにより固定のしきい値を検出に使用することが可能となる。同期箇所特定プロセッサ４６は、以下の両方の条件が真のときに同期ワードの存在を指示する信号６０を出力する。条件の第１は、「ハードマッチ」５２で実行されたマッチ数が所定のハード相関しきい値に少なくとも等しいことである。条件の第２は、式２の結果（信号５６）を式１の結果（信号５７）で割り算して得られた正規化相関が所定のソフト相関しきい値に少なくとも等しいことである。図２の処理工程はすべて、ディジタルプロセッサ内で実現することができる。

本発明の実施形態は、本発明の処理タスクを実行するための具体的な任意のプロセッサに限定されるものでないことに留意すべきである。「プロセッサ」という用語は本明細書内でこれを使用した場合、本発明のタスクの実行に必要な計算または算定の実行が可能な任意のマシンを指すように意図している。「プロセッサ」という用語は、出力を生成するために規定の法則に従って構造化入力を受け入れかつ該入力を処理することが可能な任意のマシンを指すように意図している。さらに本明細書で使用する場合に「ように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」という言い回しは、当業者であれば理解されるであろうように、そのプロセッサが本発明のタスクを実行するためのハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェアからなるある組み合わせを装備することを意味することに留意されたい。

図３は、信号データのストリーム内である特定の長さを有する所定のビットからなる順序付けられたストリングを含む同期ワードの受信を特定するための方法９０の各工程を表した流れ図である。方法９０は、信号データのストリーム内の到来するビットを表す信号値を受け取る工程９２を含む。この信号値は工程９４において、同期ワードと同じ長さを有する第１のシフトレジスタ内に挿入される。一実施形態ではその第１のシフトレジスタは先入れ先出しバッファを含む。工程９６ではこの信号値からビット値が計算される。このビット値は工程９８において同期ワードと同じ長さを有する第２のシフトレジスタ内に保存される。具体的なある実施形態では、最も古いビットを棄却するためにその到来するビットを右か左のいずれかにシフトさせている。工程１００では、第２のシフトレジスタ内のビット値と同期ワード内の対応するビットとの間のマッチ数が計数される。さらに工程１０２において、第１のシフトレジスタ内の信号値の大きさの総和を求めることによって信号データのエネルギーが算定される。工程１０４では、第１のシフトレジスタ内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって信号データの相関が算定される。工程１０６では、該相関をエネルギーで割り算することによって正規化相関が生成される。工程１０８では以下の両方の条件が真のときに同期ワードの存在を指示する信号が出力される。第１の条件はそのマッチ数が所定のハード相関しきい値に少なくとも等しいことであり、また第２の条件はその正規化済み相関が所定のソフト相関しきい値に少なくとも等しいことである。一実施形態では、そのマッチ数が所定のハード相関しきい値より小さい場合に、次の到来ビットが処理される。別の実施形態では、その正規化相関が１より小さいか１に等しい。さらに別の実施形態では、新たに受信したメッセージの先頭を示すために信号出力が制御プロセッサ内に供給される。

図４〜６は、上で検討したようにハードマッチ技法、ソフト相関技法、及びハードマッチとソフトマッチの組み合わせのそれぞれを利用した際の、ハード同期エラー及び正規化相関の数の観測数を表したグラフである。このシミュレーションでは４１ビットの同期ワードを使用した。このシミュレーションはまた、約１×１０^−４のハードデコードビットレートを与えるようにエネルギー毎ビット対ノイズパワースペクトル密度の比（Ｅｂ／Ｎ０）を約１２ｄＢとして実行した。送信ビットの２６％を占める２，２４７，２３１個の同期ワードを埋め込んで４億ビット間隔をこのシミュレーションにかけた。残りのビット間隔にはビットかホワイトノイズのいずれかをランダムに選択して包含させた。図４に示すように、Ｘ軸１１２はハード同期エラーの計数を表し、またＹ軸１１４は計数の観測数を表している。曲線１１８は同期ワードが実際に存在する（ＴＲＵＥ）ときのハード同期エラーの数を表し、また曲線１２０は同期ワードが存在しない（ＦＡＬＳＥ）ときの計数ハード同期エラーを表している。本図に示したように、同期ワードを実際に包含していない受信シーケンスで発生させたハードエラーが３未満のものは全くない一方、同期ワードを実際に包含する受信シーケンスで発生させたハードエラーが４を超えるものは全くない。このデータでは、同期検出の最適判定しきい値が２つの曲線１１８及び１２０の交点１２４に来ることになる。

図５は、ソフト相関技法を表したグラフである。Ｘ軸１３２は正規化ソフト相関を表し、またＹ軸１３４は正規化ソフト相関の観測数を表している。曲線１３６は同期ワードが実際に存在する（ＴＲＵＥ）ときの観測の計数を表し、また曲線１３８は同期ワードが送信されなかった（ＦＡＬＳＥ）ときの観測の計数を表している。本図に示したように、同期ワードが実際に存在するときに観測される相関値の数は約０．９７未満において０に到達し、値が０．９７を超えるとこれが急速に増加する。同様に、同期ワードが存在しないときに観測される相関値の数は値が約０．９８を超えると０に到達し、値が約０．９７を下回ると急激に増加する。曲線１３６及び１３８は参照番号１４２で表したように約０．９７５の位置で交差している。２つの曲線はある狭い相関値レンジで重複しており、これにより０．９７５のしきい値で誤警報と検出失敗がある程度発生することを指示していることに留意されたい。

図６は、ハード同期エラーの許容を４としてハード及びソフト相関技法を組み合わせて利用して観測される正規化ソフト相関値の数を表したグラフである。Ｘ軸１５２は正規化相関を表し、またＹ軸１５４は正規化ソフト相関値の観測数を表している。同期ワードが実際に存在するときに観測される相関値は約０．９７未満において０である一方、同期ワードが存在しないときに観測される相関値は約０．８４５を超える間は０である。したがって、理想的なシナリオである曲線の重複がない場合にあたる広い領域１５６が存在する。

上述したフレーム同期のためのシステム及び方法の様々な実施形態によって、データフレームを同期させる好都合でありかつ効率がよい手段を達成するための方法が得られる。本技法は、図６において重複がない領域１５６が広いことにより示すように、ソフト相関とハード相関の技法をスタンドアロンモードとした場合と比べてより確実である。

特定の任意の実施形態に従って上述した目的または利点の必ずしもすべてを達成できるわけではないことを理解すべきである。したがって例えば、本明細書において教示または示唆されるような別の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書における教示に従った１つの利点または利点の組を達成または最適化するような方式で本明細書に記載したシステム及び技法を具現化または実施できることは、当業者であれば理解されよう。

さらに当業者であれば様々な実施形態からの様々な特徴が相互に置き換え可能であることを理解されよう。例えば、ある実施形態に関する先入れ先出しバッファの使用は、別の実施形態に関連して記載した２進非ゼロ復帰信号によって使用するように適合させることが可能である。同様に当業者は、記載した様々な特徴、並びに各特徴に関する別の周知の等価形態を混合しマッチングさせ、この開示の原理に従った追加的なシステム及び技法を構築することが可能である。

本発明について限られた数の実施形態に関連して詳細に記載してきたが、本発明が開示したこうした実施形態に限定されないことは容易に理解できよう。それどころか本発明は、ここまでに記載していないが本発明の精神及び趣旨に相応するような任意の数の変形形態、修正形態、置換形態、等価形態の機構を組み込むように修正することが可能である。さらに、本発明に関して様々な実施形態を記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちの一部のみを含むこともあり得ることを理解すべきである。したがって、本発明は上述の記述によって限定されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨によってのみ限定されるものと理解すべきである。

１０ データフレーム
１２ 同期ワード
１４ データストリーム
３０ 受信器システム
３２ 信号値
３４ 信号データ
３６ 第１のシフトレジスタ
３８ ビット検出器
３９ 同期ワード
４０ ビット値
４１ バッファ
４２ 第２のシフトレジスタ
５２ ハードマッチ
５４ プロセッサ
５６ 相関
５７ エネルギー
６０ 信号
９０ 信号データのストリーム内で同期ワードの受信を特定するための方法
９２ 信号データのストリーム内の到来するビットを表す信号値を受け取る工程
９４ 信号値を同期ワードと同じ長さを有する第１のシフトレジスタ内に挿入する工程
９６ 信号値からビット値を計算する工程
９８ ビット値を同期ワードと同じ長さを有する第２のシフトレジスタ内に保存する工程
１００ 第２のシフトレジスタ内のビット値と同期ワード内の対応するビットとの間のマッチ数を計数する工程
１０２ 第１のシフトレジスタ内の信号値の大きさの総和を求めることによって信号データのエネルギーを算定する工程
１０４ 第１のシフトレジスタ内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって信号データと同期ワードの相関を算定する工程
１０６ 相関をエネルギーで割り算することによって正規化済み相関を生成する工程
１０８ 以下の両条件が真のときに同期ワードの存在を指示する信号を出力する工程

Claims (10)

1. 信号データのストリーム内である特定の長さを有する所定のビットからなる順序付けられたストリングを含む同期ワードの受信を特定するための方法（９０）であって、
   信号データのストリーム内の到来するビットを表す信号値を第１のシフトレジスタを介して受け取る工程（９２）と、
   信号値を同期ワードと同じ長さを有する第１のシフトレジスタ内に挿入する工程（９４）と、
   信号値からビット値を計算する工程（９６）と、
   ビット値を同期ワードと同じ長さを有する第２のシフトレジスタ内に保存する工程（９８）と、
   第２のシフトレジスタ内のビット値と同期ワード内の対応するビットとの間のマッチ数を計数する工程（１００）と、
   第１のシフトレジスタ内の信号値の大きさの総和を求めることによって信号データのエネルギーを算定する工程（１０２）と、
   第１のシフトレジスタ内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって信号データと同期ワードの相関を算定する工程（１０４）と、
   前記相関をエネルギーで割り算することによって正規化済み相関を生成する工程（１０６）と、
   以下の条件、
   そのマッチ数が所定のハード相関しきい値に少なくとも等しいこと、
   その正規化済み相関が所定のソフト相関しきい値に少なくとも等しいこと、
   の両方が真のときに同期ワードの存在を指示する信号を出力する工程（１０８）と、
   を含む方法。
2. 前記第１のシフトレジスタは先入れ先出しバッファを含む、請求項１に記載の方法（９０）。
3. 前記保存の工程は、最も古いビットを棄却するために第１のシフトレジスタ内の到来するビットを右または左のいずれかにシフトさせる工程を含む、請求項１に記載の方法（９０）。
4. そのマッチ数が所定のハード相関しきい値未満の場合に備えて次の到来ビットを処理する工程を含む請求項１に記載の方法（９０）。
5. 信号データのストリーム内である特定の長さを有する所定のビットからなる順序付けられたストリングを含む同期ワード（３９）の受信を特定するためのシステム（３０）であって、
   信号データのストリーム内の到来するビットを表す信号値（３２）を受け取るように構成された、同期ワードと同じ長さを有する第１のシフトレジスタ（３６）と、
   前記信号値（３２）から計算したビット値を保存するように構成された、同期ワードと同じ長さを有する第２のシフトレジスタ（４２）と、
   プロセッサ（５４）であって、
   第２のシフトレジスタ内のビット値（４２）と同期ワード（３９）内の対応するビットとの間のマッチ数を計数すること、
   第１のシフトレジスタ（３６）内の信号値の大きさの総和を求めることによって信号データのエネルギーを算定すること、
   第１のシフトレジスタ（３６）内の各信号値と同期ワード内の対応するビットとの積の総和を求めることによって信号データ（３４）と同期ワード（３９）の相関を算定すること、
   前記相関（５６）をエネルギー（５７）で割り算することによって正規化相関を生成すること、
   次の条件、
   そのマッチ数が所定のハード相関しきい値に少なくとも等しいという条件と、
   その正規化済み相関が所定のソフト相関しきい値に少なくとも等しいという条件と、
   の両方が真のときに同期ワードの存在を指示する信号を出力すること、
   を行うように構成されたプロセッサ（５４）と、
   を備えるシステム（３０）。
6. ディジタル無線受信器を含む請求項５に記載のシステム（３０）。
7. 前記プロセッサ（５４）はゲートアレイを含む、請求項５に記載のシステム（３０）。
8. 前記信号データ（３９）は２進非ゼロ復帰変調信号を含む、請求項５に記載のシステム（３０）。
9. 前記第１のシフトレジスタ（３６）は先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファを含む、請求項５に記載のシステム。
10. 前記信号データ（３９）は２進非ゼロ復帰変調信号を含む、請求項５に記載のシステム。

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