JP2006519566A - 送信された無線信号を検出する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＡＫＥ受信機は、送信された超広帯域無線信号を検出する。
【解決手段】受信機は、送信された無線信号の受信したものを電気信号に変換するためのフロントエンドを含む。複数のＲＡＫＥフィンガは、電気信号を並列に処理する。各ＲＡＫＥフィンガは、任意の順序で直列に接続されることができる以下の構成要素を含む。プログラム可能なパルス発生器は、パルスのシーケンスを生成する。フロントエンドの出力およびプログラム可能なパルス発生器の出力に接続される乗算器は、フロントエンドの出力とプログラム可能なパルス発生器の出力との積に機能的に関連する信号を生成する。ローパスフィルタは、乗算器の出力を濾過し、調整可能な重みブロックは、ローパスフィルタの出力をスケーリングする。

Description

本発明は、包括的には、ワイヤレス無線通信の分野に関し、さらに具体的には、超広帯域無線システム用のＲＡＫＥ（レーク）受信機に関する。

超広帯域（ＵＷＢ）は、スペクトラム拡散無線通信の形態である。ＵＷＢシステムでは、帯域幅は基となるペイロードまたはデータ信号の帯域幅よりもはるかに広い。しかし、信号がおおよそ一定の振幅である従来のスペクトラム拡散システムと違って、ＵＷＢ信号は、非常に広い周波数範囲にわたって広がる非常に短いパルスのシーケンスからなる。したがって、「ＵＷＢ」および「インパルス無線」という用語は、大抵の場合、同義で用いられる。拡散波形は、データを符号化するために変調される短いパルスのパターンである。

多くのスペクトラム拡散通信システムは、いわゆる「ＲＡＫＥ」受信機を用いて多経路伝播を補償する。

図１は、従来技術によるＲＡＫＥ受信機１００を示す。ＲＡＫＥ受信機は、無線信号１０２を前処理するためのフロントエンド１０１を有する。ＲＡＫＥ受信機は、受信された無線信号１０２が複数のＲＡＫＥフィンガ１１０を通して並列に処理されるモジュール式構造を有する。各ＲＡＫＥフィンガ１１０は、多経路無線チャネルにおける伝播経路の１つを通して受信される信号を処理する。

したがって、各フィンガは、遅延コントローラ１２０によって制御される調整可能な遅延ブロック１１１、および信号利得用の重みコントローラ１４０によって制御される調整可能な重みブロック１１４を有する。遅延した受信信号は、逆拡散波形生成器１３０から出力される逆拡散波形によって乗算され（１１２）、信号がスケーリングまたは重み付けされる（１１４）前に、低域濾過される（１１３）。

遅延および重み利得は、それぞれ、対応する経路の遅延および減衰を補償する。各フィンガは、送信機内で用いられた拡散波形のレプリカによって、乗算（１１２）を通して受信信号を「逆拡散させる」ことによって対応する経路の信号を抽出する。次に、フィンガ１１０の出力は、後処理（ＰＰ）１６０の前に、加算ブロック１５０において合成される。加算は、代数和である場合がある。

より具体的には、処理は、通常、受信信号１０２の複素表現に対して行われ、それによって、各信号は、同相成分および直交成分としても既知である、実数部および虚数部からなる複素波形に対応する。各ＲＡＫＥフィンガ１１０の重みは、対応する経路の複素振幅の複素共役と一致するように設定される。

フィンガの出力が加算ブロックΣ１５０で合成されるとき、これらは、単純に加算される。複数の信号を重み付け、合成するこの方法は、「最大比」合成として既知である。フィンガ重みの他の選択方法は、「同利得」重み割当ておよび「最適な」重み生成を含む。

従来のＲＡＫＥ受信機の問題の１つは、調整可能な遅延ブロック１１１が、ＵＷＢ信号に対して実行されるのが困難であることである。

超広帯域幅のために、ＵＷＢシステムは、非常に精細な時間分解能を有するため、帯域幅と逆に間隔を置いて配置された多経路成分を分解することができる。これは、通常、ＵＷＢの大きな利点として理解される。成分の多経路分解能によって信号のフェージングが低減される。なぜなら、多経路成分は、異なるダイバーシチ経路であるからである。成分がすべて同時に大幅にフェージングしている確率は非常に低い。

しかし、精細な時間分解能はまた、利用可能なエネルギーをすべて得るためには、多くの多経路成分（ＭＰＣ）が、ＲＡＫＥ受信機１００によって「収集」されなければならないことを意味する。Ｎ_Ｐ個に分解可能な成分を有するチャネルは、Ｎ_Ｐ個のフィンガに、利用可能なすべてのエネルギーを集めることが必要となる。緻密な多経路環境では、ＭＰＣの数は帯域幅に対して直線的に増加する。たとえば、最大過剰遅延が１００ｎｓである環境で動作する、１０ＧＨｚ帯域幅のＵＷＢシステムは、１０００個のフィンガを必要とする。ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ規格チャネルモデルによって特定されているような疎な環境でさえ、利用可能なエネルギーの８０％を集めるために最大で８０個のフィンガを必要とする。

他の問題は、ＲＡＫＥフィンガ１１０の複雑さである。直接スペクトラム拡散（ＤＳ−ＳＳ）システムの従来のＲＡＫＥフィンガでは、相関器の出力は、シンボル毎に１回決定される。この相関を行うために、信号はまずサンプリングされ、チップレートでアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換されなければならず、これは、拡散帯域幅の反転である。次に、これらのサンプルは処理されなければならない。これには、格納されている基準波形のたたみこみ、加算、および読出しを伴う。チップレート（たとえば、１０ＧＨｚ）でのサンプリングおよびＡ／Ｄ変換は、高価な構成要素を必要とする。

ＵＷＢの目的は、低コストおよび超高データレートの応用形態を可能にすることである。ＵＷＢをこれらのタイプの応用形態に対して実現可能にするために、上記の問題を克服する改善されたＲＡＫＥ受信機が望まれる。

本発明は、超広帯域（ＵＷＢ）通信システム用のＲＡＫＥ受信機を提供する。フロントエンドで受信されたＵＷＢ無線信号を処理した後、ＵＷＢ信号は、複数のＲＡＫＥフィンガを通して並列に伝送される。

フィンガの数は、送信チャネルにおける「有意の」経路の数、およびコストの考慮に基づく。

各フィンガは、プログラム可能なパルス発生器、乗算器、ローパスフィルタ、および
恐らくは任意の順序で直列接続された調整可能な重みを有する。プログラム可能なパルス発生器は、多経路チャネルにおける特定の経路の遅延に対応する遅延を有するパルス波形を生成する。

パルス波形は、アナログドメインにおける受信信号で乗算され、シンボルレートでサンプリングおよびＡ／Ｄ変換される。次に、出力信号は、低域濾過され、調整された重みで利得制御される。最後に、すべてのフィンガからの出力は、加算によって合成され、送信信号を回復する。

図２は、本発明による超広帯域通信システム用のＲＡＫＥ受信機２００を示す。受信機２００は、受信された無線信号１０２を前処理するためのフロントエンド１０１を有する。フロントエンドは、受信信号１０２を、同相成分および直交成分を含む複素信号である電気信号１０３に変換する。１つの実施の形態では、電気信号１０３は、デジタル形態である。別の実施の形態では、受信された無線信号１０２は、実数ベースバンド無線信号であり、実数電気ベースバンド信号に変換される。

ＲＡＫＥ受信機２００は、受信された無線信号１０２が「ＲＡＫＥフィンガ」２１０として既知の複数のチャネルを通して並列に処理されるモジュール式構造を有する。各ＲＡＫＥフィンガ２１０は、多経路無線チャネルにおける伝播経路の１つを通して受信される信号を処理する。

したがって、各フィンガは、パルスシーケンスコントローラ２２０によって制御されるプログラム可能なパルス発生器２１１を有する。乗算器２１２は、電気信号１０３の入力およびプログラム可能なパルス発生器２１１の出力を取る。乗算器２１２の出力は、低域濾過される（２１３）。ローパスフィルタは、フィルタへの入力の時間積分と比例する出力を生成する。フィルタは、積分および放電フィルタであってもよい。

次に、信号は、多経路チャネルにおける減衰を補償するために信号利得用の重みコントローラ２４０に従って重み付けされる（２１４）。次に、フィンガ２１０の出力は、後処理（ＰＰ）１６０の前に加算ブロック２５０において合成される。複数の信号を重み付け、合成するこの方法は、「最大比」合成として既知である。フィンガ重みの別の選択方法は、「同利得」重み割当ておよび「最適な」重み生成を含む。

本発明によるＲＡＫＥ受信機２００と、従来技術のＲＡＫＥ受信機１００との相違は、調整可能な遅延ブロック２１１および遅延コントローラ１２０が削除され、単一の逆拡散波長生成器１３０が、各ＲＡＫＥフィンガ２１０に対して１つずつ、複数のプログラム可能なパルス発生器２２０で置き換えられていることである。

これらの変更は有利である。なぜなら、従来技術の調整可能な遅延ブロックは、超広帯域信号に対して実施するのが困難であるのに対して、プログラム可能なパルス発生器２１１は、集積電子回路で実施するのがはるかに容易であるからである。

プログラム可能なパルス発生器２１１はすべて、パルスパターン２２１を生成する。パルスパターンは、送信されるデータを変調するために送信機において用いられるパルスパターンと同じである。しかし、異なるパルス発生器２１１からのパルスパターンのタイミングは異なる。パルスシーケンスコントローラ２２０は、多経路チャネルにおける１つの経路の遅延と一致するように各パルス発生器のタイミングを調整する。

本発明によるＲＡＫＥ受信機２００は、チャネルのスパース性を利用する。ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａチャネルモデル、すなわち、８５％のエネルギーを捕捉するチャネルにおける「有意の」経路の数は、ＵＷＢ屋内チャネルモデル１（ＣＭ１）に対する４０と、ＵＷＢ屋内チャネルモデル４（ＣＭ４）に対する１６０との間である。したがって、約２０００個の可能な経路、すなわち、２００ｎｓの持続時間を有するパルスおよび１００ｐｓ遅延分解能を有するインパルス応答をすべてＡ／Ｄ変換する必要はない。

チャネルが見積られた後、最上位の経路が識別される。次に、フィンガ２１０の数は、有意の経路の数と一致するように低減される。コストに対するトレードオフ性能によって、より少ないフィンガを用いることができる。

上記のように、パルスシーケンスコントローラ２２０は、各パルス発生器２１１のタイムアウト処理を、チャネル内の各有意の経路の遅延と一致するように調整する。

図２の変更されたＲＡＫＥ受信機の性能は、ペイロード信号のシンボルレートがチャネルの遅延拡散と比較して小さい限り、従来技術のＲＡＫＥ受信機の性能に近い。

図３は、このシンボルレートの条件が合致しない状況に対する別の受信機３００を示す。受信機３００に対する性能は、従来技術のＲＡＫＥ受信機１００に対するものと同じである。受信機２００から除去された調整可能な遅延ブロックは、各ＲＡＫＥフィンガ３１０において、調整可能な遅延ブロック２１６として再度取り入れられる。

しかし、本実施の形態では、遅延ブロック２１６は、フィンガ３１０における最後の機能ブロックとして配置されている。これによって、遅延を処理する（implement）ことがはるかに容易になる。なぜなら、この時点における信号帯域幅は、ローパスフィルタ２１３の前よりもはるかに狭くなるからである。ブロック２１６は、任意選択であることを示すために、破線の輪郭線で示される。

各フィンガ３１０はまた、サンプルホールドブロック３１８を有する。繰り返すが、破線の輪郭線は、ブロック３１８もまた任意選択であることを示す。これらのブロックは、調整可能な重みブロック２１４およびフィンガにおいて続く調整可能な遅延ブロック２１６を実施するのを容易にする。これは、特に、サンプルホールドブロック２１８が、Ａ／Ｄコンバータとして実施されるときに当てはまるため、続くすべての機能は、デジタル形式で実施され得る。調整可能な重みおよび遅延ブロックは、重みおよび遅延コントローラ３４０によって制御される。

この場合、サンプリングは、シンボルレートで行われる。調整可能な遅延ブロック３１６は、粗い調整のみを必要とするが、微細なタイミング調整は、個々のサンプリング時間を正確に調整することによって、サンプルタイミングコントローラ３２０によって行われる。

別の実施の形態も可能である。特に、各ＲＡＫＥ３１０における最後の４つの機能ブロック２１３、２１４、２１６、および２１８は、受信機３００の機能に影響を与えずに、任意の順序で各フィンガにおいて直列に接続されることができる。図３は、好ましい順序を示す。

図４は、ＲＡＫＥ受信機４００の別の実施の形態を示す。受信機４００では、個々のプログラム可能なパルス発生器２１１は、単一のパルス発生器４１０、次いで、デマルチプレクサ４２０およびパルスシーケンスコントローラ４３０によって置き換えられる。これは、複数のパルス発生器２１１を実施するのが困難であるが、単一のパルス発生器４１０およびデマルチプレクサ４２０を実施するのが比較的容易であるいくつかの応用形態において有利である。

デマルチプレクサ４２０は、パルスシーケンスコントローラ４３０によって規定されるパターンに従って、パルス発生器４１０からのパルスを様々な乗算器２１２に転送するためのスイッチとして動作する。同時に、コントローラ４３０はまた、プログラム可能なパルス発生器４１０によって生成されるパルスのパターンを制御し、それによって、乗算器２１２に対して望ましいパターンのパルスを達成する。

上記の説明では、すべてのＲＡＫＥフィンガは、異なるタイミングで同じパルスパターンを受け取る。しかし、本発明はまた、異なるＲＡＫＥフィンガに異なるパルスパターンを供給する任意選択を可能にする。これは、シンボル間干渉による害が、付加的な検出信号の利点よりも大きい、厳しい多経路の状況において特に有利であることができる。

一般に、パルスシーケンスコントローラ、サンプルタイミングコントローラ、および重み／遅延コントローラは、本発明によって与えられる柔軟性を十分に利用しながら、協働して作用し、得られるチャネルに対するＲＡＫＥ受信機の性能を最適にする。

本発明は、好ましい実施形態を例に挙げて記載されたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更がなされることを理解されたい。したがって、本発明の真の精神および範囲内に入るようにかかるすべての変形形態および変更形態を網羅することは、添付の特許請求項の目的である。

スペクトラム拡散超広帯域通信システム用の従来技術のＲＡＫＥ受信機のブロック図である。 本発明によるＲＡＫＥ受信機のブロック図である。 本発明によるＲＡＫＥ受信機の別の実施の形態のブロック図である。 本発明によるＲＡＫＥ受信機のさらに別の実施の形態のブロック図である。

Claims (15)

1. 送信された無線信号を検出する装置であって、
   前記送信された無線信号の受信したものを電気信号に変換するフロントエンドと、
   各ＲＡＫＥフィンガが、前記電気信号を並列に処理するとともに、
   パルスのシーケンスを生成するプログラム可能なパルス発生器と、
   前記フロントエンドの出力と前記プログラム可能なパルス発生器の出力との積に機能的に関連する信号を生成するように、前記フロントエンドの出力及びプログラム可能なパルス発生器の出力に接続された乗算器と、
   前記乗算器の出力を濾過するローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタの出力をスケーリングする調整可能な重みブロックとをさらに含む、複数のＲＡＫＥフィンガと、
   各ＲＡＫＥフィンガ内の各プログラム可能なパルス発生器からのパルスの各シーケンスのタイミングを調整するパルスシーケンスコントローラと、
   各ＲＡＫＥフィンガ内の前記各調整可能な重みブロックに対して重みを調整する重みコントローラと、
   各ＲＡＫＥフィンガの出力を合成して、前記送信された無線信号に対応する信号を再生するように構成された加算ブロックと
   を備える送信された無線信号を検出する装置。
2. 前記送信された無線信号は、超広帯域信号である
   請求項１記載の装置。
3. 前記パルスのシーケンスのパターンは、送信機において前記送信された信号を拡散させるために用いられるパルスのパターンと同じである
   請求項１記載の装置。
4. 前記パルスの各シーケンスのタイミングは、前記無線信号を送信するために用いられる多経路チャネルにおける１つの経路の遅延と一致する
   請求項１記載の装置。
5. 前記ローパスフィルタは、前記ローパスフィルタへの入力の時間積分と比例する出力を生成する
   請求項１記載の装置。
6. 前記ローパスフィルタは、積分および放電フィルタである
   請求項１記載の装置。
7. 前記電気信号は、同相成分及び直交成分から構成される複素信号である
   請求項１記載の装置。
8. 前記電気信号は、デジタル信号の形態である
   請求項４記載の装置。
9. 前記プログラム可能なパルス発生器、前記乗算器、前記ローパスフィルタ、及び前記調整可能な重みブロックは、任意の順序で各ＲＡＫＥフィンガにおいて直列に接続されている
   請求項１記載の装置。
10. 前記ローパスフィルタと前記加算ブロックとの間に接続された調整可能な遅延ブロックをさらに含む
    請求項１記載の装置。
11. 前記サンプルホールドブロックは、アナログ−デジタル変換器である
    請求項１０記載の装置。
12. 入力信号の遅延されたものと比例する出力信号を生成するようになっている調整可能な遅延ユニットをさらに含み、
    遅延値は、制御入力によって確定される
    請求項１記載の装置。
13. 前記無線信号は、超広帯域信号である
    請求項１記載の装置。
14. 送信された無線信号を検出する装置であって、
    前記送信された無線信号の受信したものを電気信号に変換するフロントエンドと、
    パルスのシーケンスを生成するプログラム可能なパルス発生器と、
    前記プログラム可能なパルス発生器の出力に接続され、複数のパルスのシーケンスを生成するデマルチプレクサと、
    パルスの各シーケンスのタイミングを調整するパルスシーケンスコントローラと、
    各ＲＡＫＥフィンガが、前記電気信号を並列に処理するとともに、
    前記フロントエンドの出力と前記プログラム可能なパルス発生器の出力との積に機能的に関連する信号を生成するように、前記フロントエンドの出力及び前記デマルチプレクサの出力に接続された乗算器と、
    前記乗算器の出力を濾過するローパスフィルタと、
    前記ローパスフィルタの出力をスケーリングする調整可能な重みブロックとをさらに含む、複数のＲＡＫＥフィンガと、
    各ＲＡＫＥフィンガ内の各調整可能な重みブロックに対して重みを調整する重みコントローラと、
    各ＲＡＫＥフィンガの出力を合成して、前記送信された無線信号に対応する信号を再生するように構成された加算ブロックと
    を備える送信された無線信号を検出する装置。
15. 送信された無線信号を検出する方法であって、
    前記送信された無線信号の受信したものを電気信号に変換すること、
    パルスのシーケンスを調整可能なタイミングで生成すること、
    前記パルスのシーケンスを前記電気信号で乗算すること、
    前記乗算することによって生成される信号を低域濾過すること、
    及び
    前記濾過された信号を調整可能な重みでスケーリングすることを有する、複数のＲＡＫＥフィンガにおいて前記電気信号を並列に処理すること、
    並びに
    前記スケーリングされた信号を加算して、前記送信された無線信号に対応する信号を再生すること
    を含む送信された無線信号を検出する方法。

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