JP6377298B2 - スペクトラム拡散信号受信装置および拡散符号の初期化方法 - Google Patents

Description

この発明は、スペクトラム拡散信号を受信する受信装置に関する。

スペクトラム拡散信号を用いた通信においては、定期的にスペクトラム拡散に用いる拡散符号の位相を初期化（拡散符号の初期化）することが行われる。拡散符号の初期化において、拡散符号を初期化する周期と拡散符号の周期が同期しないシステムでは、拡散符号の周期の途中で初期化をする必要があるため、受信側では送信側において拡散符号の位相の初期化が行われるタイミング（初期化タイミング）を検出して初期化タイミングに同期することが必要になる。これを実現する方法として、受信側において拡散符号の周期ごとに初期化タイミングが拡散符号の１周期の時間以内に近接したかを判定し、初期化タイミングが拡散符号の１周期以内に近接したことを検出すると、当該検出した１周期内の特定の拡散符号の位相のタイミングにおいて拡散符号の位相を初期化する方法がある（特許文献１）。

国際公開第２０１２／１０１９３５号（図４）

上述の特許文献１に示された拡散符号の位相の初期化方法を用いるスペクトラム拡散受信装置では、拡散符号の１周期分の時間内で拡散符号を初期化するタイミングを特定する必要があることから、拡散符号の周期が短時間である場合には初期化タイミングが拡散符号の１周期の時間以内に近接したことを検出して初期化タイミングを特定してから、実際に初期化を実施するまでの時間が短くなり、初期化処理の制御が困難になるという問題があった。

この発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、拡散符号の初期化のタイミングを特定してから実際に初期化を実施するまでの時間を長時間化することが可能なスペクトラム拡散信号受信装置を得ることを目的とする。

この発明のスペクトラム拡散信号受信装置は、拡散符号でスペクトラム拡散された信号を受信するスペクトラム拡散信号受信装置であって、受信信号のフレームの先頭のタイミングに対応する拡散符号の位相の初期化を実施する時刻における拡散符号の位相である位相比較値を求め、現在の時刻が初期化の実施時刻に対して定められた時間窓の範囲内であることを判定すると、位相比較値を含む初期化指示を出力する制御部と、受信信号を拡散符号に基づいて復調し、当該復調後の信号に対してフレーム同期処理を行って受信信号のフレームの先頭に対応するフレームタイミングを検出するとともに、初期化指示の入力を受け、当該初期化指示に含まれる位相比較値とフレームタイミングにおける拡散符号の位相を比較した結果に基づいて定まるタイミングで初期化を実施する信号処理部と、を備えたものである。

この発明の拡散符号の初期化方法は、拡散符号でスペクトラム拡散された信号を受信するスペクトラム拡散信号受信装置が実施する拡散符号の初期化方法であって、受信信号におけるフレームの先頭のタイミングに対応する拡散符号の位相の初期化を実施する時刻における前記拡散符号の位相である位相比較値を求めるステップと、現在の時刻が初期化の実施時刻に対して定められた時間窓の範囲内であることを判定するステップと、現在の時刻が時間窓の範囲内である場合に、位相比較値を含む初期化指示を出力するステップと、受信した信号を拡散符号に基づいて復調し、当該復調後の信号に対してフレーム同期処理を行って受信した信号のフレームの先頭に対応するフレームタイミングを検出するステップと、初期化指示の入力を受けるステップと、初期化指示に含まれる位相比較値とフレームタイミングにおける拡散符号の位相とを比較した結果に基づいて定まるタイミングで初期化を実施するステップと、を備えたものである。

この発明のスペクトラム拡散信号受信装置および拡散信号の初期化方法によれば、拡散符号を初期化するタイミングの検出から初期化までの時間を長時間化することができる。

この発明の実施の形態１に係るスペクトラム拡散信号受信装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１のスペクトラム拡散信号受信装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１のスペクトラム拡散信号受信装置の拡散符号の位相初期化の処理フローを示すフローチャートである。 受信信号のフレームの周期と拡散符号の周期の関係の一例を示すタイミングダイアグラムである。 実施の形態１のスペクトラム拡散信号受信装置の拡散符号の位相初期化の処理の具体例を示すタイミングダイアグラムである。

以下、この発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面においては同一もしくは相当する部分に同一の符号を付している。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に関わるスペクトラム拡散信号受信装置の機能構成の一例を示すブロック図である。図１において、スペクトラム拡散信号受信装置は受信アンテナ１、ＲＦ（Radio Frequency）フロントエンド（ＲＦＦＥ）２、信号処理部１０、制御部２０を備えている。受信アンテナ１は無線信号を受信するアンテナであり、受信アンテナ１は図１に示す送信装置５０が送信するスペクトラム拡散信号６０を受信する。受信アンテナ１が受信した信号は、ＲＦＦＥ２においてベースバンド信号に変換されたのち、信号処理部１０に入力される。

信号処理部１０はＲＦＦＥ２から入力されるベースバンド信号を復調する復調部１１、復調部１１が復調した復調信号に対しフレーム同期を行うフレーム同期部１２、復調部１１に拡散符号を入力する拡散符号生成部１３、拡散符号生成部１３に対して拡散符号の位相を設定する位相設定部１４、制御部２０からの制御を受け付ける記憶部１５を備えており、信号処理部１０は受信するスペクトラム拡散信号の信号処理を実施する。制御部２０は時刻カウンタ２１、初期化判定部２２、受信フレーム処理部２３を備え、信号処理部１０の制御を行う。なお、スペクトラム拡散信号受信装置は図１に図示した機能以外にも一般的な無線信号の受信装置が備える機能を備えてよいが、ここでは図を簡略化する目的でそのような機能の図示を省略している。

ＲＦＦＥ２は図２に示すように、例えば専用回路１００で実現するなど既存の受信装置において一般的に行われている構成で実現すればよい。また、信号処理部１０はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等で構成される専用回路２００で実現することが可能である。また、制御部２０はプロセッサ３００においてメモリ３１０に記憶されたプログラムを実行することで実現することが可能である。なお、信号処理部１０をプロセッサとプロセッサ上で実行されるプログラムで実現してもよいし、制御部２０を専用回路で実現してもよい。

次にこの実施の形態のスペクトラム拡散信号受信装置の動作を説明する。まず、スペクトラム拡散信号受信装置が通常時に実施する受信処理について説明する。図１に示す通り、送信装置５０が送信するスペクトラム拡散信号６０を受信アンテナ１が受信し、受信アンテナ１によって取得された信号をＲＦＦＥ２が処理する。ＲＦＦＥ２が行う処理は無線信号を受信する受信装置が一般的に行う増幅、周波数変換、フィルタリング、アナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）等の処理であり、ＲＦＦＥ２はこれらの処理を行ってベースバンド信号を出力する。

信号処理部１０は、デジタル信号であるベースバンド信号に対して、まず、復調部１１が信号の捕捉、同期追尾、逆拡散、シンボル判定などのスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置が一般的に行う処理を実施し、送信装置が送信した送信データの推定値（送信データ推定値）を抽出する。なお、復調部１１はスペクトラム拡散信号であるベースバンド信号を処理する際の拡散符号として、拡散符号生成部１３が生成した拡散符号を用いる。

次に、フレーム同期部１２が復調部１１から出力される送信データ推定値を用いてデータフレームの同期処理を行う。ここでフレームとは複数の送信データで構成されるデータ構造を指すものとする。一般的に、誤り訂正符号化や誤り検出符号の付与はフレーム単位に行われるため、受信装置はフレーム周期を正しく取得するフレーム同期を行う必要がある。これを実現する一般的な方法として、フレームを送信する装置においてフレームに既知のデータパターンから成る同期ワードや同期プリアンブルと呼ばれる既知信号を挿入し、受信装置がこれらの既知信号のタイミングを相関演算によって推定することで、フレーム同期を確立する方法がある。フレーム同期部１２はこのような処理によりフレーム同期を確立し、フレーム同期確立後の送信データ推定値を受信フレームとして後段の制御部２０に出力する。

制御部２０では、受信フレームを受信フレーム処理部２３が、例えばフレームのデータ構造を分解して個々の送信情報を抽出するなどの処理を行う。

次に、スペクトラム拡散信号受信装置が行う拡散符号の位相の初期化処理について説明する。なお、ここでは制御部２０は信号処理部１０が備える記憶部１５を介して制御部２０から信号処理部１０への初期化指示の設定を行う。記憶部１５はレジスタやメモリ等で実現することができる。制御部２０が記憶部１５に設定した初期化指示を信号処理部１０の位相設定部１４が読み出すことで信号処理部１０は制御部２０からの制御に応じた動作をする。なお、記憶部１５は信号処理部１０の状態などを示す情報を記憶して、この情報を制御部２０が読み出して信号処理部の制御に用いるようにするなどしてもよい。なお、記憶部１５は信号処理部１０と一体のハードウェアである必要はなく、別のハードウェアで実現してもよい。

以降では、制御部２０による制御に応じて信号処理部１０が拡散符号の位相の初期化をする処理の流れを、図３に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。信号処理部１０は動作を開始すると、復調部１１が受信した無線信号の捕捉を行い、信号の同期を確立する(ステップＳ４１)。ここで信号の捕捉に成功すると、復調部１１は拡散符号生成部１３が出力する拡散符号の位相と受信信号の位相とが一致して、信号対雑音電力比が十分高い逆拡散信号を得ることができる。捕捉に成功し、信号の同期を確立したら次のステップ(ステップＳ４２)に移行し、そうでない場合はステップＳ４１を繰り返し実行する。

次にステップＳ４２で、復調部１１が受信信号の追尾を行うとともに、フレーム同期部１２がフレーム同期を行う。なお、フレーム同期部１２はフレーム同期後の受信信号を制御部２０に出力する。次にステップＳ４３で、復調部１１は信号の同期喪失有無を判定し、信号を喪失した場合はステップＳ４１に戻り、喪失していない場合は次のステップＳ４４を実施する。

次にステップＳ４４では、制御部２０内部の初期化判定部２２が、あらかじめ設定された初期化情報に含まれる初期化時刻と制御部２０内部の時刻カウンタ２１が保持する現在時刻と比較し、初期化を行う時刻に対して現在時刻が別に定められた時間窓情報で指定される設定可能時間窓内に入っているか否かを判定する。なお制御部２０では、信号処理部１０から受信する受信フレームに基づいて、受信フレーム処理部２３が信号喪失をしていないことを判断可能である。あるいは、別途信号処理部１０から通知を受けるようにしてもよい。

ステップＳ４４の判断で、現在時刻が時間窓内でない場合にはステップＳ４２に戻って処理を継続し、時間窓内にある場合にはステップＳ４５を実行する。ここで、初期化情報に含まれる初期化時刻については外部から設定入力を受け付けるようにしてもよいし、計算等により取得できる場合には制御部２０内で求めるようにしてもよい。また、設定可能時間窓についても固定値としてあらかじめ設定するようにしてもよいし、外部からの設定を受け付けるようにしてもよい。

ステップＳ４５では、初期化判定部２２は記憶部１５に初期化指示の書き込みを行う。初期化指示は、初期化フラグと位相比較値を含んでいる。初期化フラグは信号処理部１０に対して初期化の実施を指示するためのフラグである。また、位相比較値は拡散符号の位相の初期化を実施するタイミングの直前のフレーム先頭における拡散符号の位相を示す値である。例えば、拡散符号が単数あるいは複数のＬＦＳＲ（線形帰還シフトレジスタ)の組み合わせで生成される場合であれば、ＬＦＳＲのタップ状態（すなわちシフトレジスタの値）に相当する値とする。なお、データフレームの周期、拡散符号の周期、前回の初期化を実施した時刻が分かっていれば、次回の初期化実施時刻における位相比較値を容易に求めることができる。

次にステップＳ４６では、位相設定部１４は記憶部１５に書き込まれた初期化指示から位相比較値と初期化フラグを取得する。そして位相設定部１４は、記憶部１５に初期化フラグが書き込まれている場合に、フレーム同期部１２から出力される受信フレームの先頭を示すフレームタイミング（フレーム周期に同期したタイミング信号）に従って、毎フレームの先頭で拡散符号生成部１３の位相状態を拡散符号生成部１３から取得し、拡散符号生成部１３が生成する拡散符号の位相と位相比較値と比較し、初期化を実施する直前のフレーム先頭であるか否かを判定する。初期化を実施する直前のフレームの先頭でなかった場合にはＳ４２に戻って処理を継続する。初期化を実施する直前のフレームの先頭であった場合には、次のステップＳ４７が実施される。

ステップＳ４７では、位相状態が示す受信フレームの先頭の拡散符号の位相と位相比較値が一致した場合に、位相設定部１４が次のフレームの先頭のタイミングで初期化信号により拡散符号生成部１３に拡散符号の位相状態を初期化するように指示する。そして、拡散符号生成部１３は生成する拡散符号の位相を初期化する。例えば、拡散符号が前述のようにＬＦＳＲの組合せで生成されている場合、ＬＦＳＲのタップ状態(シフトレジスタの値)を初期値で上書きする。

なお、図１では拡散符号生成部１３に対して上記の初期値そのものは指定しない構成としているが、初期値を指定する構成にすることで、拡散符号が初期化されるフレームの先頭において、拡散符号を任意の位相状態に設定することが可能となる。この場合、制御部２０から記憶部１５に拡散符号生成部１３が用いる初期値（例えばＬＦＳＲのタップ状態）を設定し、それを位相設定部１４が拡散符号生成部１３に設定するようにすればよい。なお、制御部２０は初期値を設定したい拡散符号位相における拡散符号生成器の状態をあらかじめ求めておき、その状態におけるＬＦＳＲのタップ状態等から決定すればよい。

ここで、上述の拡散符号の初期化処理の具体例を図４、図５に示すタイミングダイアグラムを参照して説明する。図４は受信信号のフレーム（逆拡散後のフレーム）と拡散符号の関係の一例を示すタイミングダイアグラムである。なお図４では受信信号について１フレーム毎に番号を付している。図４は１フレームの時間と拡散符号の１周期が異なる例を図示しているが、これは国際公開第２０１２／１０１９３５号に開示されたＬＥＸ（L-band experiment）信号の１メッセージとロングコードの関係に相当する。ＬＥＸ信号はメッセージの１周期が１秒であり、個々のメッセージの先頭にフレーム同期用のプリアンブルを含む構成である。一方、ロングコードの１周期は４１０ミリ秒である。

図４に示すようにフレームの周期と拡散符号の周期の関係が、一方が他方の整数倍にならない関係である場合、フレームの先頭のタイミングと拡散符号の初期位相のタイミングが一致する周期は拡散符号周期に比べて極めて長いものとなる。例えば前述のＬＥＸ信号の場合は、メッセージの周期とロングコードの周期の最小公倍数である２１秒ごとに、フレームの先頭タイミングと拡散符号の初期位相のタイミングが一致する。すなわち図４においてＮ＝２１である。フレームと拡散符号がこのような関係にある場合を例に、この実施の形態に係るスペクトラム拡散信号受信装置の動作を、図５を参照して具体的に説明する。

図５において拡散符号の位相の初期化を実施する時刻である時刻Ａを基準に時間窓が時刻Ｅまで長さで設定されている。この時間窓内の時刻ＦにステップＳ４６の処理により、初期化指示が信号処理部１０に通知されたものとする。このときの初期化指示には位相比較値として、時刻Ａの直前のフレーム先頭のタイミングである時刻Ｂにおける拡散符号の位相が信号処理部１０に通知される。そして信号処理部１０では、位相設定部１４が各フレームのフレーム先頭のタイミングにおいて拡散符号生成部１３の拡散符号の位相と位相比較値を比較する。図５の例では、時刻Ｄ、時刻Ｃでは位相の比較結果が不一致となり、時刻Ｂにおいて位相の比較結果が一致になる。そしてステップＳ４７の処理により、位相設定部１４は次のフレームの先頭のタイミングで拡散符号の位相が初期化されるように拡散符号生成部１３に指示を出し、拡散符号生成部１３が拡散符号の位相を初期化する。

ここで、時間窓の長さの決定方法を説明する。時間窓の長さは初期化直前のフレーム先頭における拡散符号の位相と同じ位相が時間窓の区間内の他のフレームの先頭では現れない長さに決定する。前述のようにフレーム周期と拡散符号の周期の関係が、一方が他方の整数倍になる関係でない場合、両者の周期の最少公倍数の間はフレームの先頭において同じ位相が現れることはない。この関係を利用することで、定めた時間窓内において初期化の実施を判断するとともに、初期化実施タイミングをフレームの先頭との関係で決定するようにすることが可能となり、制御部２０から信号処理部１０への初期化指示を比較的緩やかに実施することができる。これにより、制御部２０と信号処理部１０のインタフェースが簡易な非同期インタフェースである場合など、高い即時性で処理することが困難な場合であっても拡散符号の初期化を容易に実現できる。

なお、上述の説明では拡散符号の位相の初期化を実施するタイミングの直前のフレーム先頭のタイミング信号処理部１０が初期化実施の判定をする場合を例に示したが、これに限定されるものではなく、時間窓の範囲内であれば直前より前のどのフレーム先頭で判定しても良い。初期化直前以外のフレームで判定する場合は、初期化までの残存フレーム数を数えることで同等の初期化動作が実現できる。さらに、初期化を実施するフレームと初期化実施を判定するフレームの間のフレーム数を制御部２０から指定することで、時間窓の範囲内で初期化の判定から実施までの時間間隔を自由に設定できるようにしても良い。

また、図３のフローチャートは受信する１波のスペクトラム拡散信号に対する処理を示すものである。拡散符号の異なる複数のスペクトラム拡散信号を同時に受信する場合は、図３のフローチャートに基づく処理を信号毎に実行しても良いし、信号間が同期しているのであれば、最初の信号捕捉をある１波のみで実行し、その結果をもとにその他の信号の同期を確立し、あとは個別に復調や同期追尾といった処理を行っても良い。この場合、スペクトラム拡散信号受信装置は必要に応じて個々のスペクトラム拡散信号がそれぞれ処理されように信号処理部１０を構成すればよい。

以上説明したように、この実施の形態のスペクトラム拡散信号受信装置によれば、受信信号のフレームの先頭のタイミングに対応する拡散符号の位相の初期化を実施する時刻における拡散符号の位相である位相比較値を求め、現在の時刻が初期化の実施時刻に対して定められた時間窓の範囲内であることを判定すると、位相比較値を含む初期化指示を出力する制御部と、受信信号を拡散符号に基づいて復調し、当該復調後の信号に対してフレーム同期処理を行って受信信号のフレームの先頭に対応するフレームタイミングを検出するとともに、初期化指示の入力を受け、当該初期化指示に含まれる位相比較値とフレームタイミングにおける拡散符号の位相とを比較した結果に基づいて定まるタイミングで初期化を実施する信号処理部と、を備えるようにしたので拡散符号を初期化するタイミングの検出から初期化までの時間を長時間化することができる。

以上のように、この発明に関わるスペクトラム拡散信号受信装置は、信号処理部と制御部の連携によるスペクトラム拡散信号の拡散符号の定期的な初期化を、非同期アクセス等の即時性の低いインタフェースであっても容易に行うことが可能であるので、装置設計の容易さや、装置の小型化、低消費電力化、低価格化などが期待でき、スペクトラム拡散信号の受信装置として有用である。

１ 受信アンテナ、２ ＲＦフロントエンド（ＲＦＦＥ）、１０ 信号処理部、１１ 復調部、１２ フレーム同期部、１３ 拡散符号生成部、１４ 位相設定部、１５ 記憶部、２０ 制御部、２１ 時刻カウンタ、２２ 初期化判定部、２３ 受信フレーム処理部、５０ 送信装置、６０ スペクトラム拡散信号、１００ 専用回路、 ２００ 専用回路、３００ プロセッサ、３１０ メモリ。

Claims (4)

1. 拡散符号でスペクトラム拡散された信号を受信するスペクトラム拡散信号受信装置であって、
   前記信号におけるフレームの先頭のタイミングに対応する前記拡散符号の位相の初期化を実施する時刻における前記拡散符号の位相である位相比較値を求め、現在の時刻が前記初期化の実施時刻に対して定められた時間窓の範囲内であることを判定すると、前記位相比較値を含む初期化指示を出力する制御部と、
   受信した前記信号を前記拡散符号に基づいて復調し、当該復調後の信号に対してフレーム同期処理を行って受信した前記信号のフレームの先頭に対応するフレームタイミングを検出するとともに、前記初期化指示の入力を受け、当該初期化指示に含まれる前記位相比較値と前記フレームタイミングにおける前記拡散符号の位相とを比較した結果に基づいて定まるタイミングで前記初期化を実施する信号処理部と、
   を備えることを特徴とするスペクトラム拡散信号受信装置。
2. 前記制御部は、前記拡散符号の位相を初期化する初期値を前記信号処理部に設定し、
   前記信号処理部は、前記初期値で前記拡散符号の位相を初期化する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトラム拡散信号受信装置。
3. 拡散符号でスペクトラム拡散された信号を受信するスペクトラム拡散信号受信装置が備える制御部と信号処理部が実施する拡散符号の初期化方法であって、
   前記制御部が前記信号におけるフレームの先頭のタイミングに対応する前記拡散符号の位相の初期化を実施する時刻における前記拡散符号の位相である位相比較値を求めるステップと、
   前記制御部が現在の時刻が前記初期化の実施時刻に対して定められた時間窓の範囲内であることを判定するステップと、
   現在の時刻が前記時間窓の範囲内である場合に、前記制御部が前記位相比較値を含む初期化指示を出力するステップと、
   前記信号処理部が受信した前記信号を前記拡散符号に基づいて復調し、当該復調後の信号に対してフレーム同期処理を行って受信した前記信号のフレームの先頭に対応するフレームタイミングを検出するステップと、
   前記信号処理部が前記初期化指示の入力を受けるステップと、
   前記信号処理部が前記初期化指示に含まれる前記位相比較値と前記フレームタイミングにおける前記拡散符号の位相とを比較した結果に基づいて定まるタイミングで前記初期化を実施するステップと、
   を含むことを特徴とする拡散符号の初期化方法。
4. 前記制御部が前記拡散符号の位相を初期化する初期値を決定するステップを含み、
   前記初期化を実施するステップでは、前記初期値で前記拡散符号の位相を初期化することを特徴とする請求項３に記載の拡散符号の初期化方法。

Images