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JP2006261985A - スペクトル拡散通信用受信機 - Google Patents

スペクトル拡散通信用受信機 Download PDF

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JP2006261985A
JP2006261985A JP2005075708A JP2005075708A JP2006261985A JP 2006261985 A JP2006261985 A JP 2006261985A JP 2005075708 A JP2005075708 A JP 2005075708A JP 2005075708 A JP2005075708 A JP 2005075708A JP 2006261985 A JP2006261985 A JP 2006261985A
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Hideki Ishihara
秀樹 石原
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

【課題】受信機構成の簡素化を実現しつつ、長時間のコヒーレント積分を実行可能なスペクトル拡散通信用受信機を得ること。
【解決手段】本発明にかかるスペクトル拡散通信用受信機は、受信ベースバンド信号と所定の拡散コードとの相関演算結果に基づいて、情報変調の位相変化による積分損失が抑えられた所定の位相誤差ベクトルを生成する位相誤差ベクトル生成手段(1,2,3,4に相当)と、前記相関演算時における所定の位相誤差ベクトルに対して巡回積分を実行する巡回積分器(5)と、前記巡回積分後の信号系列に基づいて遅延プロファイルを生成する電力変換器(6)と、前記遅延プロファイルの最大値に対応するコード位相差を検出する最大値検出器(7)と、前記コード位相差および前記巡回積分後の信号系列に基づいて周波数偏差補正用の誤差信号を生成する検出器(8)と、を備えている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、スペクトル拡散に適用可能な受信機に関するものであり、特に、コード同期捕捉および追尾用の相関器とAFC用の相関器とを共用するスペクトル拡散通信用受信機に関するものである。
スペクトル拡散通信では、送信波に対してBPSK(Binary Phase Shift Keying)等の情報変調と拡散コードによる拡散変調とが実施されている。拡散コードには、M系列,Gold符号等の疑似雑音符号(PN符号)が使用され、その自己相関特性としては、コード位相差0の場合にのみ非常に大きな相関ピークを有する。一方、受信機側では、拡散変調を復調するために逆拡散処理(拡散コードレプリカとの相関演算)を実施しており、相関演算出力の最大値を検出する。この最大値は、PN符号である拡散コードの繰り返し周期に同期して検出されるため、コード同期の捕捉および追尾が可能となる。
また、上記逆拡散処理は、相関演算であるため積分演算を含む。したがって、周波数偏差がある場合は積分損失が増大するため、周波数偏差を補正するAFC(Auto Frequency Controller)回路が必要となる。スペクトル拡散通信では、逆拡散前のS/N(所望波電力対雑音電力比)が非常に小さいため、すべての信号処理が基本的に逆拡散後に実施される。これはAFC回路に対しても同様であり、従来は、AFC回路にも逆拡散回路(相関器)が組み込まれていたため、回路構成が複雑化していた。この問題を可決する手段として、コード同期捕捉および追尾用の相関器とAFC用の相関器とを共用する技術が下記特許文献1に開示されている。以下、下記特許文献1記載の技術について説明する。
下記特許文献1記載の従来の受信機では、拡散復調用の相関器(受動相関を実施するマッチトフィルタ)が、1拡散コード周期の信号(受信ベースバンド信号:局部発振器と直交復調器により搬送波周波数成分を除去してベースバンド帯域に周波数変換された複素信号)を2分割し、分割データの時間的に前の部分と個別に対応する部分拡散コード信号との相関(第1の相関演算信号)、および分割データの時間的に後ろの部分と個別に対応する部分拡散コード信号との相関(第2の相関演算信号)、をそれぞれ演算する。
つぎに、上記受信機では、2つの相関演算信号を複素加算し、この加算結果に基づいて、拡散コード周期単位(シンボル周期)で現れる相関ピークを有するコード位相差kを検出する(AFC回路の動作に相当)。この動作は、シンボルクロックを生成することに相当する。
一方、上記受信機では、第1の相関演算信号の複素共役と第2の相関演算信号との乗算を行い、分割データ間の時間差に応じた位相回転量を示す位相誤差ベクトルを算出する。そして、上記位相誤差ベクトルが持つ位相角を検出し、当該位相角および上記コード位相差kに基づいて周波数補正用の誤差信号を生成する。
また、上記受信機では、2つの相関演算信号の複素加算結果を復調するため、上記コード位相差kに基づいて、コード同期捕捉および追尾の動作を行う。
なお、スペクトル拡散通信においては、受信機の受信感度を向上させるために、逆拡散時の巡回積分回数を増加させるが、BPSK等の情報変調による位相変化が存在する場合にはコヒーレントに積分することができない。そのため、電力遅延プロファイルの電力巡回積分を行うことにより、または、情報変調に関する情報(アシストデータ)を別途受信することにより、情報変調による位相変化を除去している。
特許第2672769号明細書(特開平6−77932号公報)
しかしながら、上記従来技術においては、コード同期捕捉および追尾の動作とAFC回路の動作については、同一のマッチドフィルタ出力(相関演算信号)を使用しているが、AFC用の誤差信号生成処理とコード同期確立用信号であるコード位相差kを検出する処理とが、相関処理以後、個別に実行されているため、受信機構成が複雑化する、という問題があった。
また、上記従来技術においては、受信機の高感度化のために長時間のコヒーレント積分を実施する場合に、シンボル間に存在する情報変調(BPSK等)による位相変化が障害となる、という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受信機構成の簡素化を実現しつつ、受信機の高感度化のために長時間のコヒーレント積分を実施可能なスペクトル拡散通信用受信機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるスペクトル拡散通信用受信機は、情報変調が施された信号を受信し、さらに、コード同期捕捉および追尾の動作と周波数偏差補正の動作で相関器を共用するスペクトル拡散通信用受信機であって、たとえば、1拡散コード周期の受信ベースバンド信号と所定の拡散コードとの相関演算を行い、その演算結果として得られる相関演算信号に基づいて、情報変調の位相変化による積分損失が抑えられた所定の位相誤差ベクトルを生成する位相誤差ベクトル生成手段と、前記相関演算時における所定の位相誤差ベクトルに対して巡回積分を実行する巡回積分手段と、前記巡回積分後の信号系列に基づいて遅延プロファイルを生成する電力変換手段と、前記遅延プロファイルの最大値(相関ピーク時)に対応するコード位相差を検出する最大値検出手段と、前記コード位相差および前記巡回積分後の信号系列に基づいて、周波数偏差補正用の誤差信号を生成する誤差信号生成手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、AFC用の誤差信号生成処理とコード同期確立用信号であるコード位相差を検出する処理とを、相関処理以降、個別の処理として行わず、たとえば、後述する位相誤差ベクトルc[n]に基づいて、AFC用の誤差信号生成処理とコード同期確立用信号であるコード位相差を検出する処理とを、共通化することとしたので、従来技術と比較して、受信機の回路構成を大幅に簡易化することができる、という効果を奏する。また、情報変調の位相変化による積分損失が抑えられているので、電力に変換して巡回積分を実行することなく、受信機の高感度化のために長時間の巡回積分を実行することができる、という効果を奏する。
以下に、本発明にかかるスペクトル拡散通信用受信機(以降、受信機と呼ぶ)の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明にかかる受信機の構成例を示す図であり、この受信機は、前段の拡散復調用の相関器1と、後段の拡散復調用の相関器2と、複素共役演算器3と、複素乗算器4と、巡回積分器5と、電力換算器6と、最大値検出器7と、検出器8と、加算器9と、ラッチ回路10と、を備えている。また、図示の受信ベースバンド信号は、受信機内の局部発振器(図示せず)と直交復調器(図示せず)により搬送波周波数成分を除去してベースバンド帯域に周波数変換された複素信号である。また、上記相関器1,2は、受動相関を実施するマッチドフィルタであり、コード同期捕捉および追尾とAFC(周波数補正回路)で相関器を共用することを前提とする。
つづいて、上記受信機の動作を説明する。まず、1拡散コード周期の受信ベースバンド信号を相関器1および2内のレジスタ内に格納し、相関器1が、2分割後のデータ(同じ時間長を持ち、かつ時間的に連続した受信信号系列)の時間的に前の部分とそれに対応する部分拡散コード信号との相関を演算(部分相関演算)し、相関器2が、2分割後のデータの時間的に後ろの部分とそれに対応する部分拡散コード信号との相関を演算(部分相関演算)する。なお、拡散コード1周期の長さをN(chip)、相関演算時のコード位相差をnとした場合、各相関器の部分相関演算結果をそれぞれa[n],b[n](0≦n≦N)とする。a[n],b[n]は拡散コードとの相関演算結果(相関演算信号)なので、図2に示すような相関ピークを持つ信号系列となり、遅延プロファイルを示す。また、相関ピーク時のコード位相差nの値をkとする。
複素共役演算器3では、相関器1出力の相関演算信号a[n]の複素共役a*[n]を演算する。そして、複素乗算器4では、上記複素共役a*[n]と相関器2出力の相関演算信号b[n]と、を複素乗算する。すなわち、複素乗算器4の出力信号(複素乗算結果)を位相誤差ベクトルc[n]とすると、c[n]は、「c[n]=a*[n]×b[n]」となる。
たとえば、上記c[n]を用いて相関ピーク時のコード位相誤差kを検出できれば、データ間の時間差に応じた位相回転量を示す位相誤差ベクトルc[k]を算出できる。本実施の形態では、上記c[n]が、遅延プロファイルを示す相関演算信号a[n],b[n]から算出された信号系列であり、a[n],b[n]と同様に遅延プロファイルとしての情報を持ち合わせているので、このc[n]に基づいてAFC用の位相誤差ベクトルc[k]とコード同期捕捉および追尾用のコード位相差kを求めることができる。図3は、a[k],b[k],c[k]を複素平面上で表現した場合を示す図である。
巡回積分器5では、上記c[n]に対して巡回積分を実施することでS/Nを向上させ、位相誤差ベクトル精度の向上とコード同期捕捉性能の向上を図る。上記c[n]に対する巡回積分後の信号系列をd[n]とする。電力換算器6では、信号系列d[n]の絶対値二乗演算を行い、遅延プロファイルP[n]を算出する。最大値検出器7では、遅延プロファイルP[n]の最大値に対応するコード位相差kを検出する。遅延プロファイルの最大値は相関演算結果の最大値(相関ピーク)であり、拡散コード周期(シンボル周期)で現れるため、最大値に対応するコード位相差kを検出する動作は、シンボルクロックを生成することに相当する。
検出器8では、上記で検出されたコード位相差kを用いて位相誤差ベクトルd[k](c[k]を巡回積分した値)を検出し、その検出結果を後続の周波数補正回路(図示せず)に出力する。
一方で、上記で検出されたコード位相差kはラッチ回路10に対しても出力され、ラッチ回路10では、コード位相差kに基づいて加算器9において加算後の信号をラッチし、ラッチされた信号を後続する復調器(図示せず)に出力する。すなわち、ここでは、a[k]+b[k]が復調器に対して出力され、復調器においてBPSK等の情報変調に対応する復調が実施される。また、上記コード位相差kは、たとえば、GPS等の測位システム(Global Positioning System:全地球測位システム)を利用した測距回路(図示せず)において、測距にも使用される。
このように、本実施の形態においては、AFC用の誤差信号生成処理とコード同期確立用信号であるコード位相差kを検出する処理とを、マットドフィルタによる相関処理以降、個別の処理として行わず、すなわち、相関演算信号a[n]の複素共役a*[n]と相関演算信号b[n]との複素乗算結果c[n]に基づいて、AFC用の誤差信号生成処理とコード同期確立用信号であるコード位相差kを検出する処理とを、共通化することとした。これにより、従来技術と比較して、受信機の回路構成を大幅に簡易化することができる。
つづいて、上記c[n]を電力に変換して巡回積分を実行する必要がない理由について説明する。たとえば、BPSK等の情報変調が実施されている受信信号に対してシンボル周期で巡回積分する場合は、情報変調による位相変化を除去しないとコヒーレント積分が実行できないため、従来は、電力遅延プロファイルの巡回積分を実行する必要があった。これに対して、本実施の形態における上記c[n]は、BPSK等の情報変調が実施されている受信信号の場合であっても、情報変調の位相変化による積分損失が抑えられているので、電力に変換して巡回積分を実行することなく、シンボル周期で巡回積分を実行できる。
図4は、受信機の動作を示すタイミングチャートである。なお、図4の最上段(a)においては、送信信号がBPSK変調されていることが示されており、(b)においては、シンボル周期(拡散コード周期)でN(chip)の拡散変調が実施されていることが示されている。
図4において、(c)は、上記に示したとおり、N/2(chip)で実部および虚部成分毎に部分相関演算を実施した場合を示している。(d)は、部分相関演算実施後の相関ピーク(コード位相差k)における信号(相関演算信号a[k],b[k]に相当)の複素平面上の様子を示している。この図では、ある一定の角速度θの周波数偏差(ドップラー周波数,周波数オフセットに起因する)があると仮定している。(e)は、部分相関演算結果から算出した位相誤差ベクトル(c[k]に相当)を示している。このc[k]には、情報変調による位相変化は現れず、角速度θだけ位相回転したベクトルになる。したがって、本実施の形態においては、位相誤差ベクトルc[k]はベクトルの方向がほぼ同一と見なせるため、情報変調が実施されているにもかかわらず、位相誤差ベクトルc[n]を電力に変換することなく、受信機の高感度化のために長時間の巡回積分を実行することができる。
実施の形態2.
つづいて、実施の形態2の動作について説明する。図5は、本発明にかかる受信機の構成例を示す図であり、この受信機は、前述した実施の形態1の構成に対して、さらに、メモリ11と、複素共役演算器12と、複素乗算器13と、複素加算器14と、を追加することとした。なお、前述した実施の形態1と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態1と異なる処理についてのみ説明する。
ここで、上記実施の形態2の受信機の動作を説明する。たとえば、GPSでは、50bpsの航法メッセージ(情報変調はBPSK)に対して、チップレートが1.023Mcpsになるように拡散変調が行われている。すなわち、航法メッセージ1bitに対して1023chip周期の拡散コード(C/Aコード)の、20周期分20460chipにより拡散されている。本実施の形態においては、情報ビット1bitに対して複数周期の拡散コードで拡散処理が実施されている場合について説明する。
図5において、メモリ11には、相関器2が出力する相関演算信号b[n]を保存し、拡散コード1周期後にb_old[n]として複素共役演算器12に対して出力する。複素共役演算器12では、メモリ11から出力される拡散コード1周期前のb_old[n]の複素共役b_old*[n]を算出する。複素乗算器13では、複素共役演算器12が出力する複素共役b_old*[n]と相関器1が出力する相関演算信号a[n]とを乗算する。複素乗算器13の出力信号(複素乗算結果)をe[n]とすると、e[n]は、「e[n]=a[n]×b_old*[n]」となり、c[n]と同様に位相誤差ベクトルを示す。図6は、a[n],b[n],b_old[n],c[n],e[n]の関係を示す図である。
複素加算器14では、複素乗算器4の出力信号c[n]と複素乗算器13の出力信号e[n]とを複素加算する。これにより、実施の形態1の処理と比較して、遅延プロファイルの情報を持つ位相誤差ベクトルのサンプル数が増加し、巡回加算による位相誤差ベクトルの精度とコード同期捕捉性能がさらに向上する。なお、巡回積分器5以降の処理は、前述した実施の形態1と同様である。
また、図7は、受信機の動作を示すタイミングチャートである。なお、図7における(a),(b),(c),(d)は、実施の形態1と同様である。また、図4と同様に、ある一定の角速度θの周波数偏差があると仮定している。
図7において、(e)は、部分相関演算結果から算出した位相誤差ベクトルを示している。本実施の形態においては、e[k]とc[k]が交互に並んだ形となり、図4と比較してサンプル数が倍増している。また、本実施の形態の構成においては、(e)に示すとおり、BPSKによる位相変化がシンボル周期で現れる。たとえば、GPSを例では、20コード周期で現れることになるが、これによる積分損失は0.4dB程度であり、サンプル数が倍増することによる利得よりも十分に小さい。したがって、本実施の形態においては、e[k],c[k]の巡回積分によって、位相誤差ベクトルの精度とコード同期捕捉性能をさらに向上させることができる。すなわち、拡散コード周期の整数倍で拡散変調を実施しているGPS等のシステムにおいて、長時間の巡回積分が可能となる。
実施の形態3.
つづいて、実施の形態3の動作について説明する。図8は、本発明にかかる受信機の構成例を示す図であり、この受信機は、拡散復調用の相関器21と、メモリ22と、複素共役演算器23と、複素乗算器24と、を備えている。なお、前述した実施の形態1および2と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態1および2と異なる処理についてのみ説明する。
ここで、上記実施の形態3の受信機の動作を説明する。実施の形態1,2においては、拡散復調用拡散コード1周期の相関演算を実行可能なマットドフィルタを2つに分割して、部分相関演算を行っていたが、本実施の形態においては、部分相関演算を用いない構成とした。
図8において、拡散復調用の相関器21は、拡散コード1周期N(chip)の拡散コードレプリカを用いて、拡散コード1周期N(chip)の逆拡散を行うマッチトフィルタである。相関器21の出力を相関演算信号g[n](0≦n≦N)とする。メモリ22には、相関演算信号g[n]が保存され、拡散コード1周期後に、相関演算信号g_old[n]として複素共役演算器23に対して出力する。複素共役演算器23では、メモリ22から出力される拡散コード1周期前のg_old[n]の複素共役g_old*[n]を算出する。複素乗算器24では、複素共役演算器23の出力であるg_old*[n]と相関器21の出力であるg[n]とを複素乗算する。複素乗算器24の出力信号(複素乗算結果)をh[n]とすると、h[n]は、「h[n]=g[n]×g_old*[n]」となり、c[n],e[n]と同様に位相誤差ベクトルを示す。なお、以降の動作については、前述した実施の形態1および2と同様である。
このように、本実施の形態においては、実施の形態1または2とは異なり、部分相関演算を行っていないため、マッチドフィルタにおけるコヒーレント積分時間が増大することによる積分利得が生じる。したがって、コード同期確立性能や周波数検出精度を向上させることを優先する場合には、上記の構成が可能となる。
ただし、本実施の形態の場合は、周波数偏差の検出可能範囲が狭くなる。たとえば、部分相関演算を用いない一例として、R[cps(chip per second)]のシステムにおいては、N/R秒間の位相変化を検出する。位相誤差ベクトルによる位相検出は、±180°以内の位相変化しか検出できない。すなわち、270°の位相回転は+270°と−90°の区別ができない。したがって、本実施の形態において検出できる周波数偏差fは、N/R秒間における±180°以内の位相変化、すなわち、「−R/(2N)<f<R/(2N)」となる。なお、検出する周波数偏差の範囲に合わせて分割数を調整することも可能である。たとえば、検出する周波数偏差の範囲を拡大する場合は、部分相関演算時の分割数を増やすことにより実現する。たとえば、分割数が2である実施の形態1または2の例では、検出可能な周波数偏差の範囲は「−R/(N)<f<R/(N)」となる。また、分割数が4の場合は「−2R/(N)<f<2R/(N)」となる。
以上のように、本発明にかかるスペクトル拡散通信用受信機は、スペクトル拡散通信システムに有用であり、特に、コード同期捕捉および追尾用の相関器とAFC用の相関器とを共用する受信機に適している。
本発明にかかる受信機の構成例(実施の形態1)を示す図である。 遅延プロファイルの一例を示す図である。 a[k],b[k],c[k]を複素平面上で表現した場合を示す図である。 実施の形態1の受信機の動作を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる受信機の構成例(実施の形態2)を示す図である。 a[n],b[n],b_old[n],c[n],e[n]の関係を示す図である。 実施の形態2の受信機の動作を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる受信機の構成例(実施の形態3)を示す図である。
符号の説明
1,2,21 相関器
3,12,23 複素共役演算器
4,13,24 複素乗算器
5 巡回積分器
6 電力換算器
7 最大値検出器
8 検出器
9 加算器
10 ラッチ回路
11,22 メモリ
14 複素加算器

Claims (4)

  1. 情報変調が施された信号を受信し、さらに、コード同期捕捉および追尾の動作と周波数偏差補正の動作で相関器を共用するスペクトル拡散通信用受信機において、
    1拡散コード周期の受信ベースバンド信号と所定の拡散コードとの相関演算を行い、その演算結果として得られる相関演算信号に基づいて、情報変調の位相変化による積分損失が抑えられた所定の位相誤差ベクトルを生成する位相誤差ベクトル生成手段と、
    前記相関演算時における所定の位相誤差ベクトルに対して巡回積分を実行する巡回積分手段と、
    前記巡回積分後の信号系列に基づいて遅延プロファイルを生成する電力変換手段と、
    前記遅延プロファイルの最大値(相関ピーク時)に対応するコード位相差を検出する最大値検出手段と、
    前記コード位相差および前記巡回積分後の信号系列に基づいて、周波数偏差補正用の誤差信号を生成する誤差信号生成手段と、
    を備えることを特徴とするスペクトル拡散通信用受信機。
  2. 前記位相誤差ベクトル生成手段は、
    前記1拡散コード周期の受信ベースバンド信号を、同じ時間長でかつ時間的に連続した受信信号系列に分割し、分割した系列の時間的に前の部分とそれに対応する部分拡散コードとの相関を演算し(第1の相関演算信号を生成する処理)、さらに、分割した系列の時間的に後ろの部分とそれに対応する部分拡散コードとの相関を演算する(第2の相関演算信号を生成する処理)相関演算手段と、
    前記第1の相関演算信号の複素共役を演算する第1の複素共役演算手段と、
    前記複素共役と前記第2の相関演算信号とを複素乗算する第1の複素乗算手段と、
    を備え、
    前記第1の複素乗算手段による複素乗算結果を、前記相関演算時における位相誤差ベクトルとすることを特徴とする請求項1に記載のスペクトル拡散通信用受信機。
  3. 前記位相誤差ベクトル生成手段は、さらに、
    前記第2の相関演算信号を受け取り、拡散コード1周期後に第3の相関演算信号として出力する遅延付加手段と、
    前記第3の相関演算信号の複素共役を演算する第2の複素共役演算手段と、
    前記第2の複素共役演算手段が出力する複素共役と前記第1の相関演算信号とを複素乗算する第2の複素乗算手段と、
    前記第1の複素乗算手段の出力信号と前記第2の複素乗算手段の出力信号とを複素加算する複素加算手段と、
    を備え、
    前記第1の複素乗算手段による複素乗算結果に代えて、前記複素加算結果を、前記相関演算時における位相誤差ベクトルとすることを特徴とする請求項2に記載のスペクトル拡散通信用受信機。
  4. 前記位相誤差ベクトル生成手段は、
    前記1拡散コード周期の受信ベースバンド信号と対応する拡散コードとの相関を演算する(相関演算信号を生成する処理)相関演算手段と、
    前記相関演算信号を受け取り、拡散コード1周期後に遅延付加後相関演算信号として出力する遅延付加手段と、
    前記遅延付加後相関演算信号の複素共役を演算する複素共役演算手段と、
    前記複素共役と前記相関演算信号とを複素乗算する複素乗算手段と、
    を備え、
    前記複素乗算結果を、前記相関演算時における位相誤差ベクトルとすることを特徴とする請求項1に記載のスペクトル拡散通信用受信機。
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