JP6271411B2

JP6271411B2 - プリアンブル検出装置

Info

Publication number: JP6271411B2
Application number: JP2014261568A
Authority: JP
Inventors: 宏司中川
Original assignee: 大井電気株式会社
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: JP2016122962A

Description

本発明は、プリアンブル検出装置に関し、特に、ディジタル変調信号に対する直交検波によって得られたベースバンド信号からプリアンブルを検出する装置に関する。

ディジタル変調信号を送受信する無線システムが広く用いられている。一般に、無線システムを構成する送信装置は、ディジタル変調信号をフレーム単位で送信する。時間的に連なって送信される複数のフレームのそれぞれには、プリアンブルが含まれている。プリアンブルは、受信装置が各フレームに対する同期処理を実行するための情報を含む。受信装置は、受信されたフレームからプリアンブルを検出すると、そのフレームに対する同期処理を実行し、そのフレームからディジタル信号を抽出する。

以下の特許文献１および２には、受信信号に含まれるプリアンブルを識別する方法が記載されている。特許文献１に記載された方法では、受信信号を直交検波して得られるベースバンド信号と、そのベースバンド信号を所定時間だけ遅延させた信号との相関演算を行って得られた相関値に基づいてプリアンブルの検出が行われる。特許文献２に記載された方法では、受信信号を直交検波して得られるベースバンド信号の周波数スペクトルが求められ、その周波数スペクトルから特定の２つの周波数成分が抽出される。そして、各周波数成分の電力の和と、その周波数スペクトルの全周波数成分の電力との比に基づいてプリアンブルの検出が行われる。

特開２００１−３２６６９９号公報特開２００２−２３２５０３号公報

従来の技術では、受信信号から上述の相関値や特定の周波数成分のような何らかの評価値が生成され、その評価値と所定の閾値との比較に基づいてプリアンブルが検出される。しかし、１種類の評価値を用いるだけでは、受信信号のレベルが低い場合に、プリアンブルを確実に検出することが困難な場合があった。

本発明は、ディジタル変調信号に含まれるプリアンブルを確実に検出することを目的とする。

本発明は、ディジタル変調信号に対する直交検波によって得られたベースバンド信号から、プリアンブルを検出するプリアンブル検出装置において、前記ベースバンド信号と基準信号との相関値を求める相関部と、前記ベースバンド信号の絶対値に基づく信号評価値を求める評価値生成部と、前記信号評価値に対し、シンボル周波数成分を抽出するフィルタ処理を施すフィルタと、前記フィルタ処理が施された前記信号評価値と、前記相関値とに基づいて、前記ベースバンド信号に含まれるプリアンブルを検出する検出部と、を備え、前記フィルタ処理は、シンボル周波数以外の周波数成分を低減若しくは除去し、または、シンボル周波数が含まれる通過周波数帯域外の周波数成分を低減若しくは除去する帯域通過フィルタ処理であることを特徴とする。

望ましくは、前記検出部は、前記相関値が所定の相関閾値以上であり、かつ、前記フィルタ処理が施された前記信号評価値が所定の評価閾値以上である場合に、前記ベースバンド信号にプリアンブルが含まれるとの判定をする。

望ましくは、前記ベースバンド信号を遅延させて前記基準信号を生成する遅延器、を備える。

望ましくは、プリアンブルとの相関値が所定値以上となる参照信号を記憶する記憶部と、前記参照信号に基づいて前記基準信号を生成する基準信号生成部と、を備える。

本発明によれば、ディジタル変調信号に含まれるプリアンブルを確実に検出することができる。

本発明に係る受信装置の構成を示す図である。受信装置で受信される信号の例を示す図である。プリアンブル検出部の構成を示す図である。第２の実施形態に係るプリアンブル検出部の構成を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る受信装置１０の構成が示されている。受信装置１０は、無線伝送されたディジタル変調信号を受信し、ディジタル変調信号からディジタル信号を抽出する。ディジタル変調信号は、ディジタル信号のシンボル符号を、シンボル周期と称される周期ごとに、信号の位相、または信号の位相の変化に対応付けたものである。このようなディジタル変調信号の方式には、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、π／４シフトＱＰＳＫ等がある。例えば、ＱＰＳＫ方式では、（０，０）、（０，１）、（１，０）、および（１，１）の４種類のシンボル符号が、π／２間隔の４つの位相値に対応付けられている。ディジタル変調信号は、その他、シンボル符号を信号の位相および振幅の組に対応付けた、ＱＡＭ方式を採用した信号であってもよい。

ディジタル変調信号には、シンボル周期ごとに位相および振幅が離散的に変化することにより、位相変調成分のみならず振幅変調成分を含むものがある。受信装置１０が受信するディジタル変調信号は、位相変調成分および振幅変調成分の両者を含むものとする。

図２には、受信装置１０で受信される信号の例が示されている。送信装置からは、ディジタル変調信号がフレーム単位で送信される。先に送信されるフレームＦと、次に送信されるフレームＦの時間間隔は任意であり、複数のフレームＦが隙間なく連続して連なっていてもよい。受信装置１０では、フレーム単位で順次ディジタル変調信号が受信される。各フレームＦには、プリアンブルＰと、プリアンブルＰに続く伝送データＤが含まれている。プリアンブルＰには、受信装置１０が各フレームＦとの同期処理を実行するための情報が含まれ、伝送データＤには伝送対象の情報が含まれている。本実施形態では、プリアンブルＰとして、予め定められた繰り返し周期で、予め定められた信号パターンが繰り返されるものが採用される。

図１に示されているように、受信装置１０は、アンテナ１２、受信部１４、同期処理部１６、信号処理部１８、およびプリアンブル検出部２０を備える。受信部１４は、アンテナ１２を介して受信された信号に対して増幅および直交検波を行い、同相成分Ｉおよび直交成分Ｑによって構成されるベースバンドＩ／Ｑ信号を出力する。同相成分Ｉおよび直交成分Ｑは、デジタルサンプリングされ、時間的に離散化されたサンプル値で表されるものとする。また、同相成分Ｉおよび直交成分Ｑの組は、同相成分Ｉを実数部とし、直交成分Ｑを虚数部とした複素信号であってもよい。受信部１４は、ベースバンドＩ／Ｑ信号を、同期処理部１６およびプリアンブル検出部２０に出力する。

同期処理部１６は、ベースバンドＩ／Ｑ信号に対し、無線搬送波の周波数誤差に基づく位相誤差を補償する処理を実行する。ここで、無線搬送波の周波数誤差とは、受信部１４で直交検波される前の受信信号の無線搬送波に含まれていた周波数誤差をいう。同期処理部１６は、さらに、位相誤差が補償されたベースバンドＩ／Ｑ信号に基づいてシンボルタイミングを認識し、そのシンボルタイミングに従ってベースバンドＩ／Ｑ信号からシンボル符号を抽出する。シンボル符号は、同相信号Ｉの値を横軸にとり、直交信号Ｑの値を縦軸にとった場合に、ＩＱ平面上の所定の位置に対応付けられた符号であり、各シンボル符号からディジタル信号が得られる。

後述するように、プリアンブル検出部２０は、ベースバンドＩ／Ｑ信号からプリアンブルが検出されたか否かを示すプリアンブル検出信号を同期処理部１６に出力する。プリアンブル検出部２０は、ベースバンドＩ／Ｑ信号からプリアンブルを検出すると、プリアンブル検出信号をローレベルからハイレベルにする。同期処理部１６は、プリアンブル検出信号がローレベルからハイレベルになると、ベースバンドＩ／Ｑ信号から抽出したディジタル信号を出力する。これによって、ベースバンドＩ／Ｑ信号からフレームに同期したタイミングで抽出されたディジタル信号が出力される。

プリアンブル検出部２０の構成および処理について、図３を参照して説明する。プリアンブル検出部２０は、相関部２２、振幅変調成分抽出部３４、および検出部４２を備える。相関部２２は、次のような構成および処理によって、ベースバンドＩ／Ｑ信号を繰り返し周期だけ遅延させた信号と、遅延させていないベースバンドＩ／Ｑ信号との相関演算を実行し、相関値を出力する。

相関部２２は、バッファ２４、遅延器２６、共役演算部２８、バッファ３０および相関演算部３２を備える。バッファ２４には、所定の演算サンプル個数ＮだけベースバンドＩ／Ｑ信号のサンプル値が記憶される。すなわち、先に入力された順にベースバンドＩ／Ｑ信号のサンプル値が記憶され、最も先に記憶された最古のサンプル値は、新たにサンプル値が入力されるごとに削除される。

遅延器２６は、ベースバンドＩ／Ｑ信号を繰り返し周期だけ遅延させ、共役演算部２８に出力する。共役演算部２８は、直交信号Ｑの極性を反転させた共役ベースバンドＩ／Ｑ信号を生成し、バッファ３０に出力する。バッファ３０には、バッファ２４と同様、所定の演算サンプル個数Ｎだけ共役ベースバンドＩ／Ｑ信号のサンプル値が記憶される。

相関演算部３２は、バッファ２４に記憶されているベースバンドＩ／Ｑ信号のサンプル値と、バッファ３０に記憶されている共役直交Ｉ／Ｑのサンプル値との内積演算を行う。例えば、ベースバンドＩ／Ｑ信号のＮ個のサンプル値が複素数Ａ１〜ＡＮで表され、共役ベースバンドＩ／Ｑ信号のＮ個のサンプル値が複素数Ｂ１〜ＢＮで表される場合、相関演算部３２は、サンプル値ベクトル（Ａ１，Ａ２，・・・・・，ＡＮ）と、サンプル値ベクトル（Ｂ１，Ｂ２，・・・・・，ＢＮ）との内積演算を行うことで相関値を求め、相関値を検出部４２に出力する。

バッファ２４には、順次、ベースバンドＩ／Ｑ信号のサンプル値が入力され、バッファ３０には、順次、繰り返し周期だけ遅延した共役ベースバンドＩ／Ｑ信号が入力される。そのため、相関値は受信装置で受信される信号に応じて変化する。上述のように、プリアンブルでは、予め定められた信号パターンが繰り返される。したがって、繰り返し周期だけ遅延させたベースバンドＩ／Ｑ信号と、遅延させていないベースバンドＩ／Ｑ信号との相関値は、信号パターン同士の相関値が求められるタイミングで所定の相関閾値以上となる。したがって、プリアンブルが相関部２２に入力された場合、相関演算部３２から検出部４２には、相関閾値以上の相関値が出力される。これによって、相関値には、プリアンブルが相関部２２に入力されたタイミングに応じたタイミングでピークが現れる。

なお、プリアンブルは、繰り返し周期のｋ倍の時間だけ遅延させたベースバンドＩ／Ｑ信号と、遅延させていないベースバンドＩ／Ｑ信号との相関値が所定の相関閾値以上となることに基づき検出してもよい。ここで、ｋは２以上の整数である。この場合、遅延器２６は、ベースバンドＩ／Ｑ信号を繰り返し周期のｋ倍の時間だけ遅延させ、共役演算部２８に出力する。

次に、振幅変調成分抽出部３４について説明する。振幅変調成分抽出部３４は、ベースバンドＩ／Ｑ信号からシンボル周波数成分を抽出し、信号評価値として検出部４２に出力する。シンボル周波数は、シンボル周期の逆数として定義される周波数であり、変調速度とも称される。

振幅変調成分抽出部３４は、絶対値演算部３６、フィルタ３８、および平均化演算部４０を備える。評価値生成部としての絶対値演算部３６は、ベースバンドＩ／Ｑ信号の絶対値を信号評価値として求める。すなわち、絶対値演算部３６は、同相成分Ｉの自乗と、直交成分Ｑの自乗の和の平方根を求め、信号評価値としてフィルタ３８に出力する。フィルタ３８は、信号評価値に対し、シンボル周波数成分を通過させ、不要な周波数成分を低減または除去するフィルタ処理を施して、フィルタ処理後の信号評価値を平均化演算部４０に出力する。このようなフィルタには、例えば、シンボル周波数以外の周波数成分を低減または除去するフィルタ、シンボル周波数が含まれる通過周波数帯域外の周波数成分を低減または除去するフィルタが用いられる。平均化演算部４０は、信号評価値に対して平滑化処理を施し、平滑化処理後の信号評価値を検出部４２に出力する。

平滑化処理としては、例えば、信号評価値の最新のサンプル値から過去に遡った複数個のサンプル値の平均値を求める移動平均化処理が行われてもよい。また、最新のサンプル値から過去に遡った複数個のサンプル値のそれぞれに対して、所定の重み付け係数を乗じて重み付け平均値を求める、重み付け移動平均化処理が行われてもよい。すなわち、最新のサンプル値Ｓ（Ｍ）から過去に遡ったＭ−１個のサンプル値Ｓ（Ｍ−１）、Ｓ（Ｍ−２）、・・・・・Ｓ（１）に対し、次の（数１）で表されるような平滑化された信号評価値Ｅが求められてもよい。

ここで、Ｗｉは０以上１以下の重み付け係数であり、この値を適宜設定することで、過去のサンプル値を信号評価値Ｅに反映させる度合いが設定される。Ｗｉを１とした場合、重み付け平均値は、通常の平均値と同一となる。

検出部４２は、相関演算部３２から出力された相関値が、所定の相関閾値以上となり、かつ、平均化演算部４０から出力された信号評価値が所定の評価閾値以上となったときに、ベースバンドＩ／Ｑ信号にプリアンブルが含まれるとの判定をする。すなわち、検出部４２は、相関演算部３２から出力された相関値が、所定の相関閾値以上となり、かつ、平均化演算部４０から出力された信号評価値が所定の評価閾値以上となったときに、自らが出力するプリアンブル検出信号をハイレベルにする。一方、相関演算部３２から出力された相関値が、所定の相関閾値未満であるか、または、平均化演算部４０から出力された信号評価値が所定の評価閾値未満であるときは、プリアンブル検出信号をローレベルに維持する。

上述のように、同期処理部１６は、プリアンブル検出信号がローレベルからハイレベルになると共に、ベースバンドＩ／Ｑ信号から抽出されたディジタル信号を出力する。なお、プリアンブル検出信号のハイレベルおよびローレベルは、逆の条件の下で設定されてもよい。すなわち、プリアンブル検出信号は、プリアンブルが検出されていないときにハイレベルとなり、プリアンブルが検出されたときにローレベルとなる信号であってもよい。この場合、同期処理部１６は、プリアンブル検出信号がハイレベルからローレベルになると共に、ベースバンドＩ／Ｑ信号から抽出されたディジタル信号を出力する。

一般に、相関値が閾値以上であるという条件のみに基づいて、プリアンブルを検出する場合、次のような問題が生じる。すなわち、プリアンブルに対する検出感度を高めるために閾値を小さく設定すると、ノイズが検出されているにも関わらず、プリアンブルが検出されたとしてしまう可能性が高くなる。一方、このような誤検出を避けるため、相関閾値を大きく設定すると、プリアンブルに対する感度が低下し、受信装置にプリアンブルが到来したにもかかわらず、プリアンブルが検出されない非検出の可能性が高くなる。

本発明によれば、ベースバンドＩ／Ｑ信号に基づいて求められた相関値のみならず、ベースバンドＩ／Ｑ信号に含まれるシンボル周波数成分に基づく信号評価値に基づいて、プリアンブルが検出される。これによって、誤検出の可能性が低くなり、相関閾値を小さくしてプリアンブルに対する検出感度を高め、プリアンブルを確実に検出することができる。

また、一般に、ベースバンドＩ／Ｑ信号の振幅変調成分は、無線搬送波の周波数誤差の影響を受け難い性質を有する。本発明では、ベースバンドＩ／Ｑ信号の振幅変調成分に基づく信号評価値がプリアンブル検出に用いられる。したがって、プリアンブル検出に際して、無線搬送波の周波数誤差の影響が抑制される。

次に、第２の実施形態について説明する。上記では、ベースバンドＩ／Ｑ信号を遅延させた信号と、遅延させていないベースバンドＩ／Ｑ信号との相関演算を実行し、相関値を求める処理について説明した。この相関値は、ベースバンドＩ／Ｑ信号を遅延させた信号を基準信号として、その基準信号およびベースバンドＩ／Ｑ信号から求められた相関値であると捉えられる。

このように、ベースバンドＩ／Ｑ信号を遅延させた信号を基準信号とする他、予め記憶された参照信号を基準信号としてもよい。図４には、予め記憶された参照信号を基準信号とするプリアンブル検出部２１が示されている。図３に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。このプリアンブル検出部２１は、図３に示されている遅延器２６および共役演算部２８を基準信号生成部４６に置き換えたものである。基準信号生成部４６には、プリアンブルとの相関値が相関閾値以上となるような参照信号が予め記憶されている。すなわち、プリアンブルのタイミングと合致した演算タイミングで、参照信号とベースバンドＩ／Ｑ信号との相関演算を行うことで得られた相関値は、相関閾値以上となる。また、プリアンブル検出部２１を搭載する受信装置には、受信信号に基づいて演算タイミングを検出する同期回路が別途設けられ、その同期回路から基準信号生成部４６に、演算タイミング信号Ｔが出力される。基準信号生成部４６は、演算タイミング信号Ｔが示すタイミングに基づいて、参照信号をバッファ３０に出力する。相関演算部３２は、バッファ２４およびバッファ３０に記憶されたサンプル値に基づいて相関値を求め、検出部４２に出力する。

上述のように、検出部４２は、相関演算部３２から出力された相関値が、所定の相関閾値以上となり、かつ、平均化演算部４０から出力された信号評価値が所定の評価閾値以上となったときにプリアンブル検出信号をハイレベルにする。これによって、プリアンブルが受信されたことが同期処理部１６に伝えられ、同期処理部１６は、それに応じた処理を実行する。

１０受信装置、１２アンテナ、１４受信部、１６同期処理部、２０，２１プリアンブル検出部、２２，４４相関部、２４，３０バッファ、２６遅延器、２８共役演算部、３２相関演算部、３４振幅変調成分抽出部、３６絶対値演算部、３８フィルタ、４０平均化演算部、４２検出部、４６基準信号生成部。

Claims

ディジタル変調信号に対する直交検波によって得られたベースバンド信号から、プリアンブルを検出するプリアンブル検出装置において、
前記ベースバンド信号と基準信号との相関値を求める相関部と、
前記ベースバンド信号の絶対値に基づく信号評価値を求める評価値生成部と、
前記信号評価値に対し、シンボル周波数成分を抽出するフィルタ処理を施すフィルタと、
前記フィルタ処理が施された前記信号評価値と、前記相関値とに基づいて、前記ベースバンド信号に含まれるプリアンブルを検出する検出部と、
を備え、
前記フィルタ処理は、シンボル周波数以外の周波数成分を低減若しくは除去し、または、シンボル周波数が含まれる通過周波数帯域外の周波数成分を低減若しくは除去する帯域通過フィルタ処理であることを特徴とするプリアンブル検出装置。
請求項１に記載のプリアンブル検出装置において、
前記検出部は、
前記相関値が所定の相関閾値以上であり、かつ、前記フィルタ処理が施された前記信号評価値が所定の評価閾値以上である場合に、前記ベースバンド信号にプリアンブルが含まれるとの判定をすることを特徴とするプリアンブル検出装置。
請求項１または請求項２に記載のプリアンブル検出装置において、
前記ベースバンド信号を遅延させて前記基準信号を生成する遅延器、を備えることを特徴とするプリアンブル検出装置。
請求項１または請求項２に記載のプリアンブル検出装置において、
プリアンブルとの相関値が所定値以上となる参照信号を記憶する記憶部と、
前記参照信号に基づいて前記基準信号を生成する基準信号生成部と、
を備えることを特徴とするプリアンブル検出装置。