JP4977822B2 - データビットレート推定方法及び受信機 - Google Patents

Description

【０００１】
［技術分野］
本発明は、受信データ信号のビットレートを推定する方法及び受信機に関する。このような受信機は、典型的に、自動水道メーターのようなアプリケーションに使用されるテレメトリー（遠隔測定）モジュールの受信機部である。
【０００２】
［背景技術］
テレメトリーモジュールは、何年間にも亘って保守点検されることなく継続的に使用される機器に組み込まれる。バッテリ電源式テレメトリーモジュールの場合、バッテリ交換期間の１０年間に亘って動作することが望ましい。このように長期の保守点検の期間を実現するために、テレメトリーモジュールは、適切な応答時間を与えると共に、電流節約を促進するプロトコルに従って動作する。これらの目的を達成するプロトコルは、デジタルページングのような技術分野では周知であり、POCSAGとも称されるCCIR Radiopaging Code No.1は略２０年に亘って使用されている。一般的なアプローチでは、無線ユニットは、長時間に亘って「スリープ（休止状態）」であるが、着目しているチャネルでデータ信号が伝送されたかどうかをチェックするため周期的にウェイクアップ（活動状態）になる。ウェイクアップ周期は、信号が存在するかどうかとは無関係にプリセットされる。このタイプのバッテリ節約プロトコルの改良版では、無線ユニットが活動状態にされたとき、無線ユニットは、受信機全体へ給電する前に、データの有無をチェックし、プリセットされた周期よりも短い時間内にデータが検出されなかった場合、無線ユニットは直ぐに電源消費量を下げる。
【０００３】
より洗練されたシステムでは、プロトコルは、異なる受信用ユニットへの異なるビットレートの伝送を含む。各受信用ユニットは、無線信号の存在が検出された後、たとえば、その無線信号のビットレートが期待しているビットレートであるかどうかをチェックすることによって、この特定の伝送が当該受信用ユニット向けであるかどうかを直ちに判定するならば、バッテリ電源を更に節約することができる。これは、最も多量の電力を消費する受信機の復号化部を活動状態にさせることなく、メッセージのビットレートの高速かつ正確な推定を行なうビットレート検出器を設けることによって実現される。或いは、もう少し緩慢なアプローチは、実際に、受信機全体を活動状態にさせ、メッセージのアドレス部分を復号化し、それをユニットの既知アドレスと比較する。
【０００４】
米国特許第５，７９０，９４６号明細書には、第１部品がウェイクアップ受信機であり、第２部品がマスタ受信機である２点部品受信機が記載され、マスタ受信機は、ウェイクアップ受信機が最初に正確なＲＦ周波数を検出し、次に正確なデータレートを検出すると、そのウェイクアップ受信機に応答して作動される。
【０００５】
ＷＯ９９／２５０５１には、テレメトリーシステムに特に適用されるシステムが記載されている。このシステムでは、中央局は、各部分の前にシーケンス内でのこの部分の位置を示す固有の同期符号語が先行する幾つかの部分からなるシーケンスとしてウェイクアップ呼を送信する。受信機が幾つかの部分のうちの一つを検出できないとき、受信機は、ウェイクアップ周期の残りの期間と、次のスリープ周期の間、電力消費量を下げる。
【０００６】
しかし、これらの公知の方法では、バッテリ電源の節約を増すため、正確なビットレートの推定をより高速化することが望まれる。
【０００７】
［発明の開示］
本発明の目的は、受信信号のビットレートを高信頼性で推定することである。
【０００８】
本発明の第１の局面により提供される、再生データ信号のビットレートを推定する方法は、再生データ信号を複数のウィンドウに分割する手順と、再生データ信号のウィンドウの短区間の積分に基づいて期待データに関する既知の統計量を用いてデータを解析する手順と、を有する。
【０００９】
本発明の第１の局面は、少なくとも二つの択一的なビットレートのうちの一方を有するデータ信号の有無を検出する方法である。この方法は、デジタル変調信号をオーバーサンプリングされた複素信号へ差動的に復号化し、サンプルの連続的なグループの移動和を形成し（移動しながら和をとり）、移動和が干渉ではなく信号を表現するかどうかを判定し、移動和が信号を表現する場合に、移動和の符号を判定し、符号の正負に依存して２個の２進数値のうちの一方を割り当て、連続的な２進数値をシフトレジスタへ格納し、シフトレジスタの内容を、少なくとも二つの択一的なビットレートのうちの一つのビットレートに関連した閾値と比較し、閾値の方が大きい場合に、データ信号のビットレートは一つのビットレートであると決定し、閾値の方が大きくない場合には、他のビットレートに関連した閾値を用いて比較を繰り返す。
【００１０】
本発明の第２の局面により提供される受信機は、データ信号を受信し再生する手段と、再生データ信号を複数のウィンドウに分割する手段と、再生データ信号のウィンドウの短区間の積分に基づいて期待データに関する既知の統計量を用いてデータを解析する手段と、を有する。
【００１１】
この本発明の第２の局面による受信機は、データ信号を受信する手段と、データ信号をオーバーサンプリングされた差動復号化された複素信号に変形する手段と、サンプルの連続的なグループの移動和を形成する手段と、移動和が干渉ではなく信号を表現するかどうかを判定し、移動和が信号を表現する場合に、移動和の符号を判定する手段と、符号の正負に依存して２個の２進数値のうちの一方を割り当てる手段と、連続的な２進数値を保持するシフトレジスタと、シフトレジスタの内容を、少なくとも二つの択一的なビットレートのうちの一つのビットレートに関連した閾値と比較する比較手段と、を具備し、比較手段は、検出されたビットレートを表現する信号用の出力を有する。
【００１２】
本発明は、データが受信されたときのビットレートを検出するため、差動復号化信号の統計量を使用する簡単なアルゴリズムに基づいている。このアルゴリズムは、たとえば、１２００ｂｉｔ／ｓ、２４００ｂｉｔ／ｓ、４８００ｂｉｔ／ｓ、以下同様に続く、２倍のような相互に倍数となるビットレートを有する信号を区別することができる。本発明による方法を使用して実施されるビットレート推定は、実際のデータに関して実時間で行なえる。本発明による方法は、受信機がアドレスを復号化し、復号化されたアドレスをユニットの既知アドレスと比較する場合よりも、最大で１０倍の顕著に高速化された迅速さで、受信信号のデータレートが異なるという理由に基づいて、受信信号が当該受信機に向けられた信号ではない可能性があることを判定し得る。特に、種々のビットレートで動作する受信用ユニットを含むシステムの場合、本発明の方法によれば、復号化ユニットのスイッチをオフ状態に保ち、ビットレートを検出するために要する時間を、メッセージを復号化し、復号化されたメッセージからアドレスを抽出するために要する時間よりも短縮することによって、バッテリ寿命を著しく延ばすことができる。
【００１３】
以下、一例として、添付図面を参照して本発明を説明する。
【００１４】
［本発明の実施例の説明］
図１に示された受信機は、独立型の受信機、又は、テレメトリーモジュールに組み込まれたトランシーバーの受信機部である。以下では、説明をわかりやすくするため、どちらの場合でも受信機と呼ぶ。
【００１５】
受信機は、バッテリ節約プロトコルに従って動作するので、周期的にスリープモードからウェイクアップ状態に戻される。スリープモード中、受信機の部品の中で、受信機のスリープ状態中に受信機の機能を維持するために必要な部品だけにエネルギーが供給される。
【００１６】
アンテナ１０は、信号分離器１２へ接続され、信号分離器１２は、ミキサ１６及び１７の第１入力１４及び１５へ入力信号を供給する。局部発振器１８は、ミキサ１６の第２入力２０へ接続され、また、４位相偏移器（ＱＰＳＫ）２２を介して、ミキサ１７の第２入力２１へ接続される。局部発振器１８の周波数は、アンテナ１０で受信された信号を、零ＩＦ又は低ＩＦの方へ変換するため選択される。ミキサ１６からの出力は、同相信号Ｉ（ｔ）であり、ミキサ１７からの出力は直角位相信号Ｑ（ｔ）である。
【００１７】
同相信号Ｉ（ｔ）及び直角位相信号Ｑ（ｔ）は、それぞれ、ローパスフィルタ２４及び２５でフィルタ処理され、次に、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）２６及び２７でデジタル変換される。
【００１８】
ＡＤＣ２６及び２７は、信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）をオーバーサンプリングし、サンプルは、差動復号化器２８へ供給される。たとえば、データレートが１５０ｂｉｔ／ｓであり、サンプリング周波数が７６．８ｋＨｚである場合、オーバーサンプリングレートは１ビット当たり５１２サンプルであり、データレートが１２００ｂｉｔ／ｓである場合、同じサンプリング周波数に対し、オーバーサンプリングレートは１ビット当たり６４サンプルであり、データレートが４８００ｂｉｔ／ｓである場合、オーバーサンプリングレートは１ビット当たり１６サンプルである。差動復号化器２８は、公知の構造であり、遅延段３１及び複素共役段３２を介して乗算器３４の第１入力に接続された第１出力と、乗算器３４の第２入力へ直結された第２出力とを有する複素信号合成器３０を含む。乗算器３４の出力は、複素実部及び虚部段３６へ供給され、複素実部及び虚部段３６は、実数出力Ｒｅと、虚数出力Ｉｍを共にオーバーサンプルビットレートで発生する。
【００１９】
図２を参照すると、ビットレートを判定するため、信号をノイズから区別し得ることが必要である。２−ＦＳＫ（周波数偏移変調）方式で変調された伝送の場合、復調デジタル信号に対し期待される信号点配置図上で利用可能な情報が使用される。図２に示されるように、復号化信号の信号点は、完全に虚部ブランチＩｍに存在する。したがって、ノイズそのものに類似した実部チャネルＲｅに残されたデータを積分することは、２−ＦＳＫ方式を対象としている限り有益ではない。実部チャネルからの寄与分を無視することによって、検出処理の速度は、従来の方法よりも高められる。マルチレベル変調の仕組みの場合、実部出力Ｒｅと、虚部出力Ｉｍの両方の出力からの寄与分を組み入れることが必要である。
【００２０】
再度、図１を参照するに、オーバーサンプリングされた虚部出力Ｉｍは、移動和カウンタ３８に供給Ｓれ、移動和カウンタ３８の出力は、通常は開いているスイッチ４０へ送られる。カウンタ４２は、３２個のサンプルを計数し、３２番目のカウントに基づいて、最初にスイッチ４０の制御入力４４へ供給される出力を生成し、スイッチ４０を閉成させ、移動和カウントを出力４１へ伝達し、次に、カウントを零にリセットさせるため、カウンタ３８のリセット入力４６へ供給される出力を生成する。
【００２１】
簡単化された実施例において、出力４１上の信号Ａは、ビットレート回路５８の入力へそのまま供給される。ビットレート回路５８の一実施例は、後述の図５に示されている。
【００２２】
処理される信号が実数信号であり、単純な局在化ノイズではないことを保証しようとする少し複雑な一実施例の場合、信号は重み付けられる。信号に重み付けるため、切換式の出力４１で得られるサンプリングされた移動和Ａは、絶対値段４８へ供給され、絶対値段４８は、絶対値カウントＸｉを生成する。絶対値段４８からの絶対値カウントＸｉは、比較器５０へ供給される。４個の閾値ｔｒ１〜ｔｒ４が比較器５０の対応した入力へ供給され、比較器５０は、以下の５通りの条件：
Ｘｉ＞ｔｒ１
ｔｒ２＜Ｘｉ
ｔｒ３＜Ｘｉ
ｔｒ４＜Ｘｉ＜ｔｒ３
Ｘｉ＜ｔｒ４
に対応した５通りの出力をもつ。
【００２３】
重み値選択段５４は、比較器５０の５個の出力毎に接続された入力を有し、比較器の５出力の中でアクティブ状態である一つの出力に応じた重み値Ｗｉを選択し、選択した重み値Ｗｉを乗算段５２へ供給する。信号Ａは、乗算段５２へも供給される。
【００２４】
乗算段５２の積
Ｓ＝Ａ＊Ｗｉ
は、ビットレート回路５８の別の入力へ供給される。
【００２５】
図３を参照するに、３２個のサンプルを計数した後のカウンタ３８からの移動和カウントの値のヒストグラムが示されている。カウントは、０から３２まで変化する。ノイズカウントの分布、すなわち、無線だけにノイズが存在するカウントは、短い破線で示され、太線は、信号カウントの分布を示す。
【００２６】
信号の場合のカウンタ３８のカウントの期待値が、ノイズの場合のカウントの期待値と著しく相違する（一般的に、信号の方がノイズよりも高い）ということが予めわかる。この情報は、種々の測定の結果に、割り当てられた確信度に応じて重みを付ける際に有利に使用される。
【００２７】
図４には、ｍ＜ｎとする場合に、典型的なデータ周期がｎサンプル長であり、このデータ周期がｍ個の連続的なサンプルのグループ、すなわち、ウィンドウに分割されるように、データＤがオーバーサンプリングされる、一般的な例が示されている。ビットレートが１５０ｂｉｔ／ｓであり、オーバーサンプリング周波数が７６．８ｋＨｚである本例の場合、ｎ＝５１２かつｍ＝３２、すなわち、ｎは１ビット当たり５１２ビットであり、ｍは３２サンプルである。図１に示された一実施例において、ｍ個のサンプルの各ウィンドウは、先行ウィンドウ及び後続ウィンドウとは独立して考慮され、これにより、寄与するヒストリー（履歴）は短くなる。ｍ個のサンプルの各グループに対するカウンタの値は、０からｍまでの範囲に収まる。この数は、図３に示されたヒストグラムにおけるデータの寄与分に応じて重み付けられる。図３において、３２の中から相関の値が１５よりも大きいものを選択すると、この相関は信号によるものであって、ノイズによるものではないという確率が高くなる。したがって、この情報は、値が１０のカウンタから得られる情報よりも高く重み付けされる。このようにして、図１におけるｔｒ１〜ｔｒ４の値は、カウンタ値の種々の区切りを定め、重み値Ｗ１〜Ｗ５（図３）は、選択された確信度に応じて種々の区域に割り当てられる。
【００２８】
上述の方法以外のその他の重み付けの方法を利用してもよい。一般規則として、重みＷｉ＝ｆ（相関値）で表わされ、関数は、ノイズだけ、或いは、種々の信号電力レベルのような所定の条件で、カウンタ値の分布の知識に応じて適切に設計された適当な線形関数又は非線形関数である。
【００２９】
図５を再度参照するに、ビットレート回路５８は、入力５６側の信号Ａと、入力６０側の重み付き信号Ｓを交互に受け入れることができる。
【００３０】
最初に、簡単な方法を説明すると、信号Ａは６ビットにより構成され、段６２において、最上位ビット（ｍｓｂ）が選択され、比較器６６の一方の入力へ供給される。閾値は第２の入力６８へ与えられる。最上位ビットｍｓｂが閾値よりも大きい場合、これは、ノイズとしてではなく、信号として扱われ、比較器の出力が段７０へ供給され、段７０はサンプルが許容可能であると判定する。或いは、最上位ビットｍｓｂが閾値よりも小さい場合、サンプルは出力７２へ放出される。
【００３１】
段７４で、信号Ａが正であるかどうかを判定する。信号Ａが正である場合、段７４は、値”１”がバッファ段８０を介してシフトレジスタ８２へ入れられるべきであることを示す出力をライン７６に発生させる。信号Ａが正ではない場合、すなわち、負である場合、この段７４は、値”０”がシフトレジスタ８２へ送られるべきであることを示す出力をライン７８に発生させる。シフトレジスタ８２の長さは、Ｌビットであり、Ｌは典型的に１６である。
【００３２】
この動作は、シフトレジスタ８２に対し最大でｎ／ｍ個の２進数値を生成する全ウィンドウに対して繰り返される。この処理の最後に、段８４は、認識可能なパターンであるかどうかを判定するため、１又は零の個数を計数する。計数結果は、決定段８８の第１入力８６へ送られる。固定閾値ｋが第２入力９０へ与えられる。入力８６側のカウントが現在の値ｋ_ｉ以上であるならば、検出されたビットレート示す出力結果がライン９２に与えられる。カウントがｋ_ｉ未満である場合、出力結果がライン９４に与えられる。そして、次に高いビットレートに一致させるため、調節したｋ_ｉを用いて、すなわち、ｋ_ｉを減少させて、新たな探索が始められる。
【００３３】
重み付き信号Ｓがビットレート回路５８へ供給された場合、信号Ｓは、比較器６６へ供給され、比較器６６において、信号Ｓは入力６８へ与えられた閾値と比較される。サンプルが許容されたとき、段７４において、Ｓが正であるかどうかの判定が行なわれる。次に、ビットレート推定が上述の処理の後に続く。
【００３４】
ビットレート検出を実施する際、時間的に最長の周期（すなわち、遅い方のビットレート）から探索を始め、ビットレートを検出する規準を満たさない場合に、次に遅いビットレートへ移る必要がある。したがって、探索は、常に、最も遅いレートに対し必要な期間と同じ長さか、又は、それ以上の長さになる。
【００３５】
たとえば、１５０ｂｉｔ／ｓ、１２００ｂｉｔ／ｓ、及び、４８００ｂｉｔ／ｓを備えたシステムの場合、４８００ｂｉｔ／ｓを検出するためには、１５０ｂｉｔ／ｓのデータ周期の２倍のデータ周期（１０２４サンプル）を必要とする。したがって、（４８００ｂｉｔ／ｓにおける６４データ周期に対応した）１０２４サンプルよりも前に応答は得られない、すなわち、いずれにしても、少なくとも１３．３ｍｓが必要である。本例の場合のように、レートに著しい差を伴うシステムでは、別の方法の方がより効果的である。
【００３６】
探索処理の開始がデータビットの開始と同期しない場合、両者は一致することがなく、最悪の状況では、両者は半ビット分の隔たりを生ずる。
【００３７】
この最悪の状況で、左側の隣接したｎ／２個のサンプル（１５０ｂｉｔ／ｓの場合には、２５６個のサンプル）と、右側の隣接したｎ／２個のサンプルは、−ｎ／２から＋ｎ／２までのｎ個の連続したサンプルのあらゆる寄与の可能性を検査し、獲得した値の中の最大値を決定段８８へ送ることによって考慮される。
【００３８】
これらのデータを取得するため、１個の新しいサンプルをシフト毎に収容できるように要求されるビット数（その長さの半分）だけ、レジスタをシフトすることが必要である。
【００３９】
これにより、システムは、推定が半ビットだけ遅れて開始される最悪の状況が存在する場合でも動作するが、各ビットレートを少なくとも２の倍数によって区別することが必要である。
【００４０】
勿論、同期が任意の他の手段又はアルゴリズムによって与えられた場合、システムは、最後の計算を回避し、ビットレート間の小さい差を識別することが可能である。
【００４１】
以上の通り、本発明の実施例は、２−ＦＳＫ方式変調に基づいて説明されているが、本発明の教示事項は、実部出力Ｒｅ及び虚部出力Ｉｍの両方を使用する必要があるより高次レベルの変調に適用することが可能である。
【００４２】
以上の詳細な説明、及び、請求の範囲の記載において、要素の個数は単数に限られず、複数でもよい。さらに、「有する」、「含む」、「具備する」等の用語は、列挙されていない要素又は手順の存在を除外するものではない。
【００４３】
本明細書に記載された事項から、他の変形例が当業者には明白である。このような変形例には、ビットレート検出器段を含む受信機、並びに、その構成部品の設計、製造、及び、使用に関して既に知られている他の特徴が含まれ、これらの他の特徴は、上記の特徴の代替として、又は、上記の特徴に付け加えて使用される。
【００４４】
［産業上利用性］
本発明は、データ通信装置などのビットレート推定に適用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２−ＦＳＫ方式の信号と共に使用される本発明による受信機の一実施例のブロック図である、
【図２】 ２−ＦＳＫ方式の復調データの信号点配置図である。
【図３】 信号とノイズが併存する場合のカウンタ値の統計的分布を、各グループ又はウィンドウに割り当てられた重みＷｉと共に示すグラフであり、横軸はカウンタ値を表わし、縦軸は出現頻度を表わす。
【図４】 複数のウィンドウへ分割された復号化データを示す図である。
【図５】 ビットレート推定器の一実施例のブロック図である。

Claims (11)

1. 少なくとも二つの択一的なビットレートのうちの一つのビットレートを有するデータ信号の有無を検出する方法であって、
   デジタル変調信号をオーバーサンプリングされた複素信号へ差動復号化し、
   サンプルの連続的なグループの移動和を形成し、
   移動和が干渉ではなく信号を表現するかどうかを判定し、
   移動和が信号を表現する場合に、移動和の符号を判定し、
   符号の正負に依存して２個の２進数値のうちの一方を割り当て、
   連続的な２進数値をシフトレジスタへ格納し、
   シフトレジスタの内容を、少なくとも二つの択一的なビットレートのうちの一つのビットレートに関連した閾値と比較し、
   閾値の方が大きい場合に、データ信号のビットレートは一つのビットレートであると決定し、閾値の方が大きくない場合には、他のビットレートに関連した閾値を用いて比較を繰り返す、
   方法。
2. 移動和の最上位ビットを別の閾値と比較することにより移動和の特性を判定し、 最上位ビットが別の閾値よりも大きい場合、移動和が信号を表現しているとして扱われる、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 移動和は、信号が存在する場合に重みを付けられることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 移動和は、連続した移動和の絶対値を取得し、絶対値を大きさの異なる複数の閾値と比較することにより重みを付けられ、
   連続した大きさの閾値の差は、重み値が割り当てられたウィンドウを含み、
   移動和は、定められた重み値によって乗算される、
   ことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. データ信号は２−ＦＳＫ信号により構成され、
   差動復号化された虚数値を含む信号点配置が移動和を形成するため使用されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の方法。
6. データ信号を受信する手段と、
   データ信号をオーバーサンプリングされた差動復号化された複素信号に変形する手段と、
   サンプルの連続的なグループの移動和を形成する手段と、
   移動和が干渉ではなく信号を表現するかどうかを判定し、移動和が信号を表現すると判定された場合に、移動和の符号を判定する手段と、
   符号の正負に依存して２個の２進数値のうちの一方を割り当てる手段と、
   連続的な２進数値を保持するシフトレジスタと、
   シフトレジスタの内容を、少なくとも二つの択一的なビットレートのうちの一つのビットレートに関連した閾値と比較する比較手段と、
   を具備し、
   比較手段は、検出されたビットレートを表現する信号用の出力を有する、
   受信機。
7. 移動和の符号を判定する手段は、移動和の最上位ビット用の第１入力と、別の閾値用の第２入力と、移動和が許容可能な信号を表現するかどうかの判定用の出力と、を具備した比較器を有することを特徴とする請求項６記載の受信機。
8. 期待される結果の既知の統計量に従って合計に重みを付ける手段を更に有することを特徴とする請求項６記載の受信機。
9. 信号が存在する場合に移動和に重みを付ける手段を更に有することを特徴とする請求項６記載の受信機。
10. 移動和に重みを付ける手段は、
    連続した移動和の絶対値を取得する手段と、
    大きさの異なる複数の閾値を取得する手段と、
    連続した大きさの閾値の差は重み値が割り当てられたウィンドウを含むような大きさの異なる複数の閾値と、絶対値を比較する比較器と、
    移動和に定められた重み値を乗算する手段と、
    を有することを特徴とする請求項９記載の受信機。
11. データ信号が２−ＦＳＫ信号により構成される場合に、
    差動復号化された虚数値を含む信号点配置を、移動和を形成する手段へ供給する手段を更に有することを特徴とする請求項６乃至１０のうちいずれか一項記載の受信機。

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