JP6019900B2

JP6019900B2 - スペクトル拡散受信装置

Info

Publication number: JP6019900B2
Application number: JP2012171620A
Authority: JP
Inventors: 佐野　裕康; 裕康佐野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: JP2014033291A

Description

本発明は拡散符号の系列長を推定するスペクトル拡散受信装置に関するものである。

従来のスペクトル拡散受信装置では、スペクトル拡散信号を受信する際に拡散符号の系列長が既知であるとしてスペクトル拡散復調を行う。

一例として、非特許文献１に記載の従来技術について説明する。図１５に従来のスペクトル拡散通信システムの送受信装置の構成例を示す。図１５において、１７０は情報変調部、１７１はスペクトル拡散変調部、１７２は拡散符号生成部、１７３は送信アンテナ、１７４は受信アンテナ、１７５はスペクトル拡散復調部、１７６は拡散符号生成部、１７７は情報復調部を表す。送信すべきデータは情報変調部１７０に入力され、情報変調された後にスペクトル拡散変調部１７１に入力される。スペクトル拡散変調部１７１では、拡散符号生成部１７２で生成された既知の拡散符号により拡散変調が施され、拡散変調されたスペクトル拡散信号は送信アンテナから送信される。

受信側では受信アンテナ１７４で受信した信号をスペクトル拡散復調部１７５に入力する。拡散符号生成部１７６では伝搬遅延時間を予測あるいは拡散符号の同期を取った上で拡散符号を発生する。前記拡散符号生成部１７６からの出力を用いてスペクトル拡散符号生成部１７５では逆拡散処理を行い、情報復調が可能な信号を生成する。前記スペクトル拡散復調部１７５の出力は情報復調部１７７に入力され、情報データを得るための復調処理が行われる。

横山光雄「スペクトル拡散通信システム」科学技術出版社、ｐｐ.４７１−４７７（１９８８年５月）。

上記の従来技術におけるスペクトル拡散受信装置では拡散符号が既知であり、拡散符号の系列長も既知であることを前提としている。そのため、拡散符号や拡散符号の系列長が不明な場合には、スペクトル拡散信号を受信してもスペクトル拡散復調が行えないという問題が生じる。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、拡散符号の系列長が不明な場合でも、受信側で拡散符号の系列長を推定するスペクトル拡散受信装置を得ることを目的とする。なお、スペクトル拡散信号は情報変調される場合が多く、本発明では情報変調されたスペクトル拡散信号から周期性を有する拡散符号の系列長を精度よく推定できるスペクトル拡散受信装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明におけるスペクトル拡散信号受信装置は、スペクトル拡散信号を含む信号を受信信号として受信するスペクトル拡散受信手段と、前記受信信号の一部を抽出する信号抽出手段と、前記信号抽出手段により抽出された信号と前記受信信号とを用いて前記受信信号に含まれるスペクトル拡散信号の拡散系列長を推定する推定手段とを備え、前記推定手段は、前記信号抽出手段により抽出された信号を参照信号として前記受信信号との相関演算を行う相関演算手段と、前記相関演算手段の出力に対して電力値を算出するための電力算出手段と、前記電力算出手段の出力を時間領域から周波数領域に変換する時間−周波数領域変換手段と、前記時間−周波数領域変換手段の出力に基づき電力のピーク値を検出するピーク検出手段と、前記ピーク検出手段の出力を用いて周波数領域においてピークの発生する周期を推定し、時間領域における拡散符号の系列長に変換して出力するピーク周期推定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるスペクトル拡散受信装置では、スペクトル拡散信号の拡散系列長を事前に知らなくても、適切な精度で拡散系列長を独自に検出することができる。

実施の形態１において想定するスペクトル拡散信号の送信局の構成。実施の形態１に係わるスペクトル拡散受信装置の基本構成図。実施の形態１に係わるスペクトル拡散受信装置の動作を示すフローチャート。実施の形態１のスペクトル拡散受信装置における送受信信号と抽出した受信信号系列の関係を示す図。実施の形態１において相関演算時に位相ずれがない場合の相関電力の出力を示す図。実施の形態１において相関演算時に位相ずれがある場合の相関電力の出力を示す図。実施の形態１のピーク検出部出力における相関電力の出力。実施の形態２に係わるスペクトル拡散受信装置の基本構成図。実施の形態２のスペクトル拡散受信装置において電力算出部の出力が周波数領域に変換された結果。実施の形態２において相関演算時に位相ずれがない場合の周波数領域での電力ピーク値の様子。実施の形態２において相関演算時に位相ずれがある場合の周波数領域での電力ピーク値の様子。実施の形態３に係わるスペクトル拡散受信装置の基本構成図。実施の形態３に係わるスペクトル拡散受信装置の動作を示すフローチャート。実施の形態４に係わるスペクトル拡散受信装置の動作を示すフローチャート。従来技術におけるスペクトル拡散受信装置の基本構成図。

実施の形態１．
本実施の形態はスペクトル拡散受信装置に関するものであり、図１から図７をもとに当該装置の拡散符号の系列長推定方法について説明する。

図１は本実施の形態で想定するスペクトル拡散送信装置の構成を示しており、１００は情報変調部、１０１はスペクトル拡散変調部、１０２は拡散系列部、１０３はスペクトル拡散信号を示している。図２は本実施の形態におけるスペクトル拡散受信装置の拡散系列長推定部の構成を示しており、１１０は拡散信号受信部、１１１は抽出信号長設定部、１１２は信号抽出部、１１３は拡散系列長推定部、１１４は相関器、１１５は電力算出部、１１６はピーク検出部、１１７はピーク周期推定部を示している。図３に本実施の形態によるスペクトル拡散受信装置の拡散系列長推定の処理フローを示している。図４は受信信号と抽出した受信信号系列との関係の一例を示しており、(a)は位相ずれ（時間ずれ）がない場合、(b)は位相ずれ（時間ずれ）がある場合（シンボルが変化しない場合）、(c)は位相ずれ（時間ずれ）がある場合（シンボルが変化する場合）を示している。図５は相関演算時に受信信号と抽出した受信信号系列との間に位相ずれ（時間ずれ）がない場合の波形例、図６は位相ずれ（時間ずれ）がある場合の波形例を示す。図７に相関器出力の相関電力のピーク値を検出するためのしきい値とピーク値の関係を示す。

以下、図１から図７を用いて本実施の形態における受信処理を説明する。まず、図１は本実施の形態で想定するスペクトル拡散送信装置の構成を示しており、送信局では情報変調部１００において情報が変調される。具体的には、送信すべき情報はＢＰＳＫ（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）、ＱＰＳＫ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）などの変調方式を用いて一定時間の時間シンボル単位で変調される。また、スペクトル拡散変調部１０１において、情報変調部１００で変調された情報は拡散系列部１０２で生成されたスペクトル拡散系列によってスペクトル拡散変調されて送信される。送信されるスペクトル拡散信号１０３はチップ時間単位で変化する信号であり、１つのデータシンボル時間内に多数のチップが存在する。その結果、情報変調されたデータシンボルの周波数帯域よりも、拡散変調されたスペクトル拡散信号の送信される周波数帯域は広くなる。本実施の形態における受信装置では、このようにスペクトル拡散変調された送信信号を想定する。

図２、図３を参照して本実施の形態の制御手順を説明する。スペクトル拡散受信装置では、スペクトル拡散信号を所定の時間間隔でサンプリングした受信信号を拡散信号受信部１１０に蓄積する（ステップ１２０）。次に、抽出信号長設定部１１１では蓄積された信号から抽出すべき信号長Ｎ（Ｎは正の整数）を設定する（ステップ１２１）。ここで、信号長は通常サンプル数によって表現されるが、それ以外の方法であっても構わない。信号抽出部１１２では抽出信号長設定部１１１で設定された信号長Ｎに従い、拡散信号受信部１１０に蓄積された信号の中から信号長Ｎの分だけ信号を抽出する（ステップ１２２）。ここで、抽出信号長設定部１１１で設定される信号長は、本来の拡散信号の拡散周期よりも短い長さとすることが必要である。拡散系列長推定部１１３では信号抽出部１１２において抽出された信号を参照信号として、拡散信号受信部１１０に蓄積された受信信号サンプルをずらしながら参照信号と受信信号との相関値を計測し、その相関値のピークの時間周期を拡散系列長として推定する（ステップ１２３）。

ステップ１２３における具体的な処理について説明する。拡散系列長推定部１１３では相関器１１４において信号抽出部１１２で抽出された信号の複素共役値を参照信号とし、拡散信号受信部１１０に蓄積された受信信号サンプルとの相関演算を行う。ここで、相関器１１４はＮ段（Ｎは抽出信号長設定部１１１で設定された値）の段数を有する相関器として構成される。具体的には、拡散信号受信部１１０に蓄積された受信信号サンプルを時間的にずらしながら参照信号との相関演算を行い、さまざまな受信信号サンプルのタイミングに対して相関係数を算出する。相関器１１４の出力は電力算出部１１５に入力され、相関電力が算出される。

図４は受信信号と抽出した受信信号系列との関係を一例として示している。図４において、「位相ずれがない」とは１つの情報シンボルから受信信号系列が抽出された状態であり、「位相ずれがある」とは２つのまたがる情報シンボルから受信信号系列が抽出される状態を表す。この位相ずれのあり／なしによって、電力算出部１１５の出力である相関電力の時間的な出力波形は変化する。

図４(a)に示されるように受信信号と抽出された受信信号系列との位相ずれがない場合には、図５に示されるように周期ごとに規則正しく電力５０ｄＢを超える相関値のピークが得られる。図５において横軸は相関演算を行う受信信号のサンプルタイミング、縦軸はその相関電力の出力値を示している。一方、位相ずれがある場合には、図４(b)に示すように２つのまたがる情報シンボルから受信信号系列が抽出される。この抽出された受信系列は２つの情報シンボルが同じ値である場合（図４(b)に対応）には大きな相関値となり、２つの情報シンボルが異なる値となる場合（図４(c)に対応）には小さな相関値となる。その結果、図６に示されるように、相関電力のピーク値は不規則に発生する。

図２の電力算出部１１５の出力はピーク検出部１１６に入力され、ピーク検出が行われる。図７にピーク検出部１１６の動作を説明するため、ピーク発生状況の一例を示す。ここで、ピーク値の発生時間間隔（サンプル間隔）はＭであり、抽出信号長設定部１１１で設定された抽出信号長Ｎよりも大きく、既知ではないものである。図７ではサンプル時間順にピーク値Ｐ（１）、Ｐ（Ｍ+１）、Ｐ（２Ｍ＋１）が得られており、ここでは３つのピーク値のうちＰ（Ｍ＋１）が最大値をとっている。ピーク検出部１１６では次式のしきい値Ｐｔｈを設定し、Ｐｔｈよりも高いものをピークとみなし、そのピークが表れる時刻（サンプル番号）を抽出する。

Ｐｔｈ＝α・Ｐｍａｘ（１）
ここで、Ｐｍａｘは最大ピーク値、αは０＜α＜１の係数である。

ピーク検出部１１６で検出されたピーク値とそのサンプル番号に関する情報は、ピーク周期推定部１１７に入力される。ピーク周期推定部１１７ではピーク値の時間間隔（又はサンプル間隔）に関する統計値をとり、統計的に頻度の高い時間間隔を拡散符号の系列長として推定して出力する。ただし、ピーク値の発生周期がＮよりも短いものについては推定値としないこととする。

以上のように、さまざまな受信信号のタイミングに対して抽出された受信信号系列との相関を計測し、相関のピーク周期を算出することにより、受信側で拡散符号の系列長を推定することが可能なスペクトル拡散受信装置が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１は時間領域で拡散系列長を推定するスペクトル拡散受信装置に関するものであったのに対し、本実施の形態では周波数領域で拡散系列長を推定するスペクトル拡散受信装置について開示する。

図８に本実施の形態における拡散系列長推定部の構成を示す。図８において、１４０は拡散信号受信部、１４１は抽出信号長設定部、１４２は信号抽出部、１４３は拡散系列長推定部、１４４は相関器、１４５は電力算出部、１４６は時間−周波数領域変換、１４７はピーク検出部、１４８はピーク周期推定部を示している。本実施の形態における構成と、実施の形態１との違いのある時間−周波数領域変換部１４６とピーク検出部１４７とピーク周期推定部１４８の動作を中心に説明する。

本実施の形態では相関演算後の電力算出部１４５の出力は、時間−周波数領域変換部１４６に入力される。時間−周波数領域変換部１４６に入力された電力算出部１４５の出力で時間サンプルに対して、時間領域から周波数領域に変換する処理を行う。時間領域から周波数領域に変換する処理については、例えば、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いてもよい。ＦＦＴでは例えば２のべき乗単位(ポイント数：Ｋ)での計算が一般に行われる。図９に、電力算出部１４５の出力を時間領域から周波数領域に変換した結果を示す。相関演算の電力に周期性のあるピーク値が発生する場合には、周波数領域に変換された場合でも、周期性のあるピークが発生する。図９にみられる周波数領域上のピークの発生周期Ｆには、式（２）に示す関係がある。

Ｆ=Ｋ/Ｍ（２）

ただし、Ｍは時間領域におけるピークの発生周期であり、拡散符号の系列長である。また、図１０に相関演算時に位相ずれがない場合、図１１に相関演算時に位相ずれがある場合に関して、周波数領域における電力のピーク値の様子を示す。周波数領域上では受信信号と抽出した受信信号系列に位相ずれがある場合とない場合のいずれについても、周期性のある電力のピーク値が得られている。

次に、時間−周波数領域変換部１４６の出力はピーク検出部１４７に入力され、実施の形態１と同様にピーク検出が行われる。ピーク検出部１４７の出力はピーク周期推定部１４８に入力され、実施の形態１と同様な方法で周波数領域上でのピークの発生周期を推定する。ピーク周期推定部１４８に関する実施の形態１との差異は、周波数領域上でのピークの発生周期の推定結果Ｆをもとに、時間領域上でのピークの発生周期の推定結果に変換する必要がある点である。具体的には、式（２）の関係にあることを利用して、周波数領域上でのピークの発生周期の推定結果を式（３）に基づき時間領域上での拡散符号の系列長の推定値Ｍ’に変換する必要がある。

Ｍ’=Ｋ/Ｆ（３）

以上のように、本発明では情報変調されたスペクトル拡散信号から、周期性を有する拡散符号の系列長を推定することができる。時間領域ではピークが不規則に生じる場合であっても、周波数領域に変換すると安定的なピークの発生間隔Ｆを得ることができ、発生間隔Ｆを安定的に測定することができる。その結果、時間領域から周波数領域へ変換した後に相関演算によるピーク電力の周期を推定することができ、拡散符号の系列長の推定精度の改善が可能なスペクトル拡散受信装置を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１、実施の形態２では拡散符号の系列長周期を推定していたのに対して、本実施の形態では系列長周期の推定の可否を判断し、拡散周期の推定を行う拡散系列長推定の処理について説明する。

図１２は本実施の形態で想定するスペクトル拡散送信装置の構成を示しており、実施の形態１におけるスペクトル拡散受信装置（図１）の構成にさらに拡散系列長推定可否決定部１１８が付加されている。また、実施の形態２におけるスペクトル拡散受信装置（図８）の構成に同様に拡散系列長推定可否決定部を付加する構成も本実施の形態に含まれるが、説明を割愛する。図１３は本実施の形態における動作フローを示している。以下、図１２、１３に基づき本実施の形態について説明を行う。

図１３のフローに示されるようにスペクトル拡散受信装置では、所定のサンプリング間隔で入力された受信信号を拡散信号受信部１１０に蓄積する（ステップ１５０）。次に、抽出信号長設定部１１１では蓄積された信号から抽出すべき信号長Ｎ（Ｎは正の整数）を設定する（ステップ１５１）。ここで、信号長Ｎは、拡散系列の周期Ｍよりも短い長さ(Ｎ＜Ｍ)とする。受信信号系列を抽出する動作（ステップ１５２）、拡散系列長を推定する動作（ステップ１５３）については、実施の形態１および実施の形態２と同じ処理であるため、説明を割愛する。

ステップ１５１において設定される信号長Ｎは、本来の拡散系列の周期に相当するサンプル数Ｍよりも十分に小さい場合がある。この場合には、相関器出力の電力のピーク値のＳ／Ｎが十分に得られない場合があるため、拡散符号の系列長の推定が行えなくなる可能性がある。そこで、本実施の形態では、抽出信号長設定部１１１で設定する信号長Ｎを順次変えながら（例えば、２のべき乗で増やしながら）、拡散系列長推定結果が得られるまで繰り返し行う（ステップ１５４）。具体的には、スペクトル拡散送信装置（図１２）内の拡散系列長推定可否決定部１１８ではピーク周期推定部１１７からピーク周期とそのピーク周期の確度に関する出力を受け取り、その確度情報に基づき拡散系列長推定が適切に行われたかどうかを判定する。拡散系列長推定可否決定部１１８において拡散系列長推定が適切に行われていない場合には（ステップ１５４）、抽出信号長設定部１１１で設定する信号長Ｎを順次変えながら（例えば、２のべき乗で増やしながら）、拡散系列長推定結果が得られるまで繰り返し行う（ステップ１５５）。推定された拡散系列長が適切であると判定された場合には、拡散系列長の推定処理を停止する（ステップ１５４）。

以上のように、本発明では情報変調されたスペクトル拡散信号から周期性を有する拡散符号の系列長を推定するため、相関器の段数を規定する系列長設定を変えながら繰り返し拡散符号の系列長を推定することで、拡散符号の系列長の推定精度の改善が可能なスペクトル拡散受信装置を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態３では拡散系列長推定が適切に行われたかどうかに応じて、信号長Ｎを順次更新したが、本実施の形態ではさらにその信号長Ｎが最大値に達した場合に拡散系列長推定を停止する処置を設けた実施の形態を示す。

図１４のフローに示されるように所定のサンプリング間隔で入力された受信信号は、拡散信号受信部１１０に入力される（ステップ１６０）。次に、抽出信号長設定部１１１では蓄積された信号から抽出すべき信号長Ｎ（Ｎは正の整数）を設定する（ステップ１６１）。設定される信号長Ｎは、本来の拡散系列長Ｍよりも短い長さ(Ｎ＜Ｍ)とする。受信信号系列を抽出する動作（ステップ１６２）、拡散系列長を推定する動作（ステップ１６３）、拡散系列長推定結果が得られるまで繰り返し行う動作（ステップ１６４）については、実施の形態３と同じ処理であるため、説明を割愛する。

本来の拡散系列長Ｍが既知でない場合には、ＮがＭよりも十分に小さい場合がある。この場合には、相関器出力の電力のピーク値のＳ／Ｎが十分に得られない場合があるため、拡散符号の系列長の推定が行えなくなる可能性がある。そこで、拡散系列長推定が適切に行われていない場合には（ステップ１６４）、抽出信号長設定部１１１で設定する信号長Ｎを順次変えながら（例えば、２のべき乗で増やしながら）、拡散系列長推定結果が得られるまで繰り返し行う（ステップ１６５）。抽出信号長設定部１１１では信号長Ｎが信号長設定最大値まで達したかどうか判定する（ステップ１６６）。最大系列長に達していない場合には、信号長Ｎを順次増やしながらステップ１６１に戻る。また、抽出信号長設定部１１１において信号長Ｎが系列長設定最大値まで達したと判定された場合には、拡散系列長の推定処理を停止する。

以上の制御により、設定最大値までの信号長Ｎの範囲内において、相関器の段数を規定する系列長設定を変えながら繰り返し拡散符号の系列長を推定できる。その結果、設定最大値までの信号長Ｎの範囲内において、拡散符号の系列長の推定精度の改善が可能なスペクトル拡散受信装置を得ることができる。

１００：情報変調部
１０１：スペクトル拡散変調部
１０２：拡散系列部
１０３：スペクトル拡散信号
１１０：拡散信号受信部
１１１：抽出信号長設定部
１１２：信号抽出部
１１３：拡散系列長推定部
１１４：相関器
１１５：電力算出部
１１６：ピーク検出部
１１７：ピーク周期推定部
１１８：拡散系列長推定可否決定部
１３０、１３２、１３４：送信／受信信号
１３１、１３３、１３５：抽出した受信信号系列
１４０：拡散信号受信部
１４１：抽出信号長設定部
１４２：信号抽出部
１４３：拡散系列長推定部
１４４：相関器
１４５：電力算出部
１４６：時間−周波数領域変換
１４７：ピーク検出部
１４８：ピーク周期推定部
１７０：情報変調部
１７１：スペクトル拡散変調部
１７２：拡散符号生成部
１７３、１７４：アンテナ
１７５：スペクトル拡散復調部
１７６：拡散符号生成部
１７７：情報復調部

Claims

スペクトル拡散信号を含む信号を受信信号として受信するスペクトル拡散受信手段と、前記受信信号の一部を抽出する信号抽出手段と、
前記信号抽出手段により抽出された信号と前記受信信号とを用いて前記受信信号に含まれるスペクトル拡散信号の拡散系列長を推定する推定手段とを備え、
前記推定手段は、
前記信号抽出手段により抽出された信号を参照信号として前記受信信号との相関演算を行う相関演算手段と、
前記相関演算手段の出力に対して電力値を算出するための電力算出手段と、
前記電力算出手段の出力を時間領域から周波数領域に変換する時間−周波数領域変換手段と、
前記時間−周波数領域変換手段の出力に基づき電力のピーク値を検出するピーク検出手段と、
前記ピーク検出手段の出力を用いて周波数領域においてピークの発生する周期を推定し、時間領域における拡散符号の系列長に変換して出力するピーク周期推定手段と、
を備えることを特徴とするスペクトル拡散信号受信装置。
前記推定手段による推定結果に基づき推定の可否を決定し、前記決定に基づき拡散符号の系列長の推定を繰り返し行うか否かを決定する推定可否決定手段
を備えることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル拡散信号受信装置。
前記推定可否決定手段で拡散符号の系列長の推定を繰り返し行うと決定された場合に前記信号抽出手段で抽出される受信信号の信号長を増やす抽出信号長設定部と、
前記信号抽出手段により抽出された受信信号の信号長が設定最大値まで達したか否かを判定し、前記判定に基づき拡散符号の系列長の推定を繰り返し行うか否かを決定する信号長判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載のスペクトル拡散信号受信装置。