JP5787846B2

JP5787846B2 - 受信装置、スペクトル拡散通信装置および通信システム

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Publication number: JP5787846B2
Application number: JP2012185755A
Authority: JP
Inventors: 浩志富塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP2014045283A

Description

本発明は、受信装置、スペクトル拡散通信装置および通信システムに関する。

スペクトル拡散技術は、耐干渉性・妨害性、秘匿性に優れた特徴を有し、通信だけでなく、レーダー、距離測定、時刻同期などさまざまな分野で利用されている。スペクトル拡散技術の一つである直接スペクトル拡散方式は、送信側でＰＳＫ（ＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）やＦＳＫ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）などで一次変調されたシンボルレート信号を、そのシンボルレートと比較して高速なレートの拡散符号で広帯域に拡散して伝送する。受信側では、送信側で用いた拡散符号と同じ拡散符号とスライディング相関器を用いて、逆拡散することにより、同期捕捉の確立及び送信情報データ系列の再生を行うことができる（例えば、下記特許文献１参照）。

特許第３４４１３０１号公報

しかしながら、上記従来の直接スペクトル拡散方式は、拡散符号長が長くなるにしたがい、同期捕捉に用いるスライディング相関器の回路規模が増大するという課題があった。特に一次変調にＦＳＫ変調を用いた場合、上記特許文献１に記載の構成では変調多値数分のスライディング相関器を用意する必要があり、拡散符号長に加えて変調多値数の増加に伴い、相関器の回路規模あるいは演算量が増大するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、変調多値数が増大しても回路規模を増大させることなく同期補足を実現することができる受信装置、スペクトル拡散通信装置および通信システム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、本発明は、送信側で拡散符号により拡散された拡散符号信号を受信信号として受信する受信装置であって、前記受信信号に対して前記拡散符号に基づいて逆拡散を行うことにより逆拡散信号を生成する逆拡散部と、前記逆拡散信号に基づいて送信信号のレプリカをレプリカ信号として生成するレプリカ生成部と、前記レプリカ信号と前記逆拡散信号との相関値を算出する相関値算出部と、前記相関値に基づいて前記拡散符号に対する同期タイミングを検出する同期判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、変調多値数が増大しても回路規模を増大させることなく同期補足を実現することができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるスペクトル拡散通信装置の機能構成例を示す図である。図２は、スペクトル拡散通信装置におけるＦＳＫ変調信号の周波数配置の例を示す図である。図３は、拡散変調処理後のスペクトルの一例を示す図である。図４は、同期捕捉部の構成例を示す図である。図５は、４ＦＳＫ変調のキャリア信号の配置例を示す図である。図６は、ＦＳＫデータキャリア信号におけるＩｃｈ成分の時間波形を示す図である。

以下に、本発明にかかる受信装置、スペクトル拡散通信装置および通信システム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．
図１は、本発明にかかるスペクトル拡散通信装置の機能構成例を示す図である。スペクトル拡散通信装置１（送信装置）は、送信側の装置であり、スペクトル拡散通信装置２（受信装置）は受信側の装置である。なお、ここでは、スペクトル拡散通信装置１からスペクトル拡散通信装置２への送信が行われる例を説明するため、送信装置としての構成要素を示し、スペクトル拡散通信装置２では受信装置としての構成要素を示している。一般にはスペクトル拡散通信装置は送受信機能を有していることが多く、この場合、スペクトル拡散通信装置１がスペクトル拡散通信装置２と同様に受信装置としての機能も有し、スペクトル拡散通信装置２がスペクトル拡散通信装置１と同様に送信装置としての機能も有している。送受信機能を有する場合、共通化できる部分を有する構成要素（たとえば、拡散符号生成部１２）を送信と受信で個別に備えず、１つの構成要素として共有するようにしてもよい。

スペクトル拡散通信装置１は、図１に示すように送信する情報データに基づいてＦＳＫ変調を行うＦＳＫ変調部１１と、拡散符号を生成して記憶しておく拡散符号生成部１２と、ＦＳＫ変調信号に対して拡散符号により拡散変調を行う拡散変調部１３と、拡散変調信号を送信する送信処理部１４と、を備える。

スペクトル拡散通信装置２は、スペクトル拡散通信装置１から送信された信号（拡散変調信号）を受信する受信処理部２１と、受信信号から拡散符号の同期タイミングを検出する同期捕捉部２２と、送信側と同一の拡散符号を生成して記憶しておく拡散符号生成部２３と、拡散符号を用いて逆拡散を行う逆拡散部２４と、逆拡散信号を用いてＦＳＫ復調を行うＦＳＫ復調部２５と、を備える。

図２は、本実施の形態のスペクトル拡散通信装置１におけるＦＳＫ変調信号の周波数配置の例を示す図である。ここでは、４値ＦＳＫの例を示しており、図２に示すように、ＦＳＫ変調信号は、拡散帯域幅Ｂｗ内に、４値にそれぞれ対応したｆ₀，ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃の４つの周波数（ＦＳＫ変調キャリア周波数）のＦＳＫデータキャリア信号（ＦＳＫ変調キャリア信号）２０１，２０２，２０３，２０４として配置される。

図３は、本実施の形態のスペクトル拡散通信装置１における拡散変調処理後のスペクトルの一例を示す図である。図３において、スペクトル３００は拡散変調後のスペクトルの一例を示している。

次に本実施の形態の動作について説明する。ここでは、情報系列に対する一次変調としてＦＳＫ変調を適用し、拡散符号を用いて広帯域に拡散を行う直接スペクトル拡散方法を採用する例に説明する。まず、送信側（図１のスペクトル拡散通信装置１）の動作を説明する。

一次変調処理を行うＦＳＫ変調部１１は、情報データａ（ｔ）（ｔは時間を示す）に基づいて情報データの値ごとに異なるキャリア周波数遷移を与えてＦＳＫ変調データを生成する。例えば、図２に示すように４値ＦＳＫを例にすると、情報データの値００、０１、１０、１１を拡散帯域幅Ｂｗ内のそれぞれｆ₀，ｆ_１，ｆ₂，ｆ₃に対応させて、周波数変換を行いＦＳＫ変調データを生成する。

拡散符号生成部１２は、拡散符号ｃ(ｔ)を生成し、メモリ等に記憶しておく。拡散変調部１３は、ＦＳＫ変調データｂ（ｔ）と拡散符号ｃ（ｔ）とを式（１）に示すように掛け合わせて、図３に例示したような拡散変調データｓ（ｔ）を生成する。
ｓ（ｔ）＝ｂ（ｔ）×ｃ（ｔ） …（１）

次に、受信側（図１のスペクトル拡散通信装置２）の動作を説明する。受信信号ｒ（ｔ）は、同期捕捉部２２および逆拡散部２４に入力される。同期捕捉部２２は、受信信号ｒ（ｔ）と送信側と同一の拡散符号ｃ（ｔ）を用いて、受信信号に乗算されている拡散符号の同期タイミングを抽出し、同期捕捉を行う。

図４は、本実施の形態のスペクトル拡散通信装置１における同期捕捉部２２の構成例を示す図である。図４に示すように、同期捕捉部２２は、受信信号に対して拡散符号を用いて逆拡散を行う逆拡散部３１と、逆拡散後の受信信号を用いて送信された一次変調信号（送信信号）のレプリカを生成するレプリカ生成部３２と、逆拡散後の受信信号とレプリカ生成部３２により生成されたレプリカ信号との相関電力を算出する相関電力算出部（相関値算出部）３３と、相関電力の最大値を検出する相関電力ピーク検出部３４と、拡散符号の同期判定を行う同期判定部３５と、を備える。

図４を用いて、同期捕捉部２２の動作を説明する。逆拡散部３１は、受信信号ｒ（ｔ）と送信側で用いた拡散符号ｃ（ｔ）に基づいて生成した逆拡散符号ｃ^*（ｔ）とに基づいて逆拡散した信号（逆拡散信号）ｘ’（ｔ）を算出する。
ｘ’（ｔ）＝ｒ（ｔ）×ｃ^*（ｔ） …（２）

レプリカ生成部３２は、本実施の形態のポイントである同期捕捉に用いるＦＳＫ変調信号共通のレプリカ信号ｒｅｐ（ｔ）を逆拡散信号ｘ’（ｔ）から生成する。レプリカ生成方法について、図５、図６を用いて説明する。

図５は、４ＦＳＫ変調のキャリア信号の配置例を示す図である。図５において、Ｆ₀は拡散帯域幅Ｂｗを１６等分した周波数帯域幅を示し、周波数０は拡散帯域幅の中心周波数を表している。本実施の形態では、図５に示すように、拡散帯域幅Ｂｗを１６Ｆ₀とし、キャリア周波数−８Ｆ₀，−４Ｆ₀，０，４Ｆ₀の４つのＦＳＫデータキャリア信号５０１，５０２，５０３，５０４が用いられる。

図６は、図５で周波数軸上にＦＳＫ変調マッピングされたときの各ＦＳＫデータキャリア信号におけるＩｃｈ成分の時間波形を示している。図６の縦軸は周波数を示し、横軸は時間（１サンプル時間で離散値）を示している。拡散符号長Ｎは、拡散符号の周期に相当するサンプル長を示している。本実施の形態では、レプリカ観測周期Ｍは、４つのキャリア周波数の周期のそれぞれ整数倍となる周期とする。図６の例では、拡散符号長Ｎは、４つのレプリカ観測周期Ｍに分割されている。

図６の例では、レプリカ観測周期Ｍは、以下の式（３）を満足するものとする。
ｕ₀／ｆ₀＝ｕ₁／ｆ₁＝ｕ₂／ｆ₂＝ｕ₃／ｆ₃ …（３）
ここで、ｆ₀＝−８Ｆ₀，ｆ₁＝−４Ｆ₀，ｆ₂＝０，ｆ₃＝４Ｆ₀とし、ｕ₀〜ｕ₃は０より大きい整数を表している。すなわち、各ＦＳＫデータキャリア信号はレプリカ観測周期Ｍを単位とするくり返し信号になっていることを示している。また、Ｑｃｈ成分についてもＩｃｈ成分をπ／２だけ位相を進めた信号であり、同様にレプリカ観測周期Ｍでくり返し信号となる特徴は変わらない。

これらの特徴を利用して、レプリカ生成部３２は以下の式（４）〜（６）に示す計算を行い、レプリカ信号ｒｅｐ（ｎ）を生成する。
ｒｅｐ（ｎ）＝Ｒ（ｍ） …（４）
ｍ＝ｍｏｄ（ｎ、Ｍ） …（５）
Ｒ（ｍ）＝Ａ（ｍ）＋Ｂ（ｍ）＋Ｃ（ｍ）＋Ｄ（ｍ） …（６）
ここで、Ａ（ｍ）、Ｂ（ｍ）、Ｃ（ｍ）、Ｄ（ｍ）は逆拡散信号ｘ’（ｔ）をレプリカ観測周期Ｍでのくり返し周期毎に分割したものである。また、ｎは、拡散符号周期内のサンプル番号を示し０≦ｎ≦Ｎ−１であり、ｍはレプリカ観測周期Ｍ内のサンプル番号を示し０≦ｍ≦Ｍ−１である。ｍｏｄ（ｐ、ｑ）はｐ／ｑの剰余を表している。上記式（６）からわかるとおり、Ｒ（ｍ）は、レプリカ観測周期Ｍ毎のＦＳＫデータキャリア信号を加算したものであり、レプリカ観測周期Ｍ毎のＦＳＫデータキャリア信号の平均値に相当する。なお、レプリカ信号の生成方法は、上記の例に限定されず、逆拡散信号ｘ’（ｔ）に基づいて生成する方法であればよい。例えば、上記式（６）において、平均化の方法として重み付き平均を適用してもよい。また、上記のＲ（ｍ）をレプリカ観測周期Ｍ毎のＦＳＫデータキャリア信号の位相差の平均値とすることにより、拡散前送信信号のレプリカ観測周期Ｍ毎の位相差に相当するレプリカ信号を生成することができる。

ここでは、一次変調としてＦＳＫ変調が実施されている例について説明したが、一次変調の種類はこれに限定されない。送信信号の周期性に基づいて送信信号の繰り返し周期を求め、この繰り返し周期をレプリカ観測周期として逆拡散信号ｘ’（ｔ）を分割すればよい。

相関電力算出部３３は、レプリカ信号ｒｅｐ（ｔ）と逆拡散信号ｘ’（ｔ）との相関値を求め、その電力Ｐ（ｔ）を計算する。なお、ここでは、ｔをサンプル時間単位で表すとしｒｅｐ（ｔ）＝ｒｅｐ（ｎ）とする。

Ｐ（ｔ）＝｜ｘ’（ｔ）ｒｅｐ（０）＋ｘ’(ｔ−１／Ｂｗ）ｒｅｐ（１）
＋・・・＋ｘ’(ｔ−（Ｎ−１）／Ｂｗ）ｒｅｐ（Ｎ−１）｜² …（７）

相関電力ピーク検出部３４は、上記式（７）により計算された拡散符号周期内のサンプル時刻毎の相関電力の中で最も相関電力の高いもの（相関電力ピーク値）と対応するサンプル時刻（相関電力ピーク時刻）を検出する。ここでは、必要に応じて受信電力等で正規化した相関電力値を用いることもできる。

同期判定部３５は、相関電力ピーク検出部３４から出力される相関電力ピーク値と対応するサンプル時刻を用いて同期判定を行う。すなわち、同期判定部３５は、相関電力ピーク値に基づいて拡散符号に対する同期タイミングを検出する。ここでは、同期判定方法に制約はないが、例えば、相関電力のしきい値を設け、相関電力ピーク値がしきい値を上回った場合に同期と判定する方法等がある。同期と判定された場合は、その相関電力ピーク値に対応するサンプル時刻ｌを同期タイミングとして出力する。

逆拡散部２４は、同期捕捉部２２により同期と判定されたサンプル時刻ｌにしたがって受信信号ｒ（ｔ）と拡散符号ｃ（ｔ）の位相を調整し、調整後の受信信号ｒ（ｔ）と拡散符号ｃ（ｔ）を用いて、式（２）と同様の計算を行って逆拡散信号ｘ（ｔ）を求める。

ＦＳＫ復調部２５は、逆拡散信号ｘ（ｔ）に対して復調行い、復調データを出力する。ここで実施するＦＳＫ復調方法に制約はなく、一般的なＦＳＫ復調を行えばよい。

以上のように、本実施の形態では一次変調で適用した多値ＦＳＫ変調における各ＦＳＫデータキャリア信号間で共通のレプリカ信号を受信信号から生成し、そのレプリカ信号と逆拡散信号の相関電力ピークを検出する。そして、相関電力ピークを用いて同期判定を行うことにより、拡散符号の同期タイミングを検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、パイロット信号等の既知信号を用いずに拡散符号の同期捕捉を確立することができる。また、従来技術では、多値ＦＳＫ変調では多値数分のＦＳＫデータキャリア毎用のレプリカ信号と受信信号との相関をとるための整合フィルタを予め用意しておく必要があり、拡散符号長に加えて変調多値数の増加に伴い、相関器の回路規模、あるいは演算量が増大するという問題があった。これに対し、本実施の形態では、多値数分のＦＳＫデータキャリア信号毎に個別に必要だった逆拡散用の信号レプリカの代わりに、受信信号から生成した１つのレプリカ信号を生成する。そして、このレプリカ信号をＦＳＫデータキャリア信号の同期捕捉に共通に使用できるようにしたので、同期捕捉に用いる整合フィルタの回路規模、あるいは演算量を大幅に削減しつつ、同期捕捉を可能にすることができる。

以上のように、本発明にかかる受信装置、スペクトル拡散通信装置および通信システムは、直接スペクトル拡散を行う通信システムに有用であり、特に、変調多値数が多い通信システムに適している。

１，２スペクトル拡散通信装置、１１ＦＳＫ変調部、１２拡散符号生成部、１３拡散変調部、１４送信処理部、２１受信処理部、２２同期捕捉部、２３拡散符号生成部、２４逆拡散部、２５ＦＳＫ復調部、３１逆拡散部、３２レプリカ生成部、３３相関電力算出部、３４相関電力ピーク検出部、３５同期判定部、２０１〜２０４，５０１〜５０４ＦＳＫデータキャリア信号、３００スペクトル。

Claims

送信側で拡散符号により拡散された拡散符号信号を受信信号として受信する受信装置であって、
前記受信信号に対して前記拡散符号に基づいて逆拡散を行うことにより逆拡散信号を生成する逆拡散部と、
前記逆拡散信号に基づいて送信信号のレプリカをレプリカ信号として生成するレプリカ生成部と、
前記レプリカ信号と前記逆拡散信号との相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値に基づいて前記拡散符号に対する同期タイミングを検出する同期判定部と、
を備えることを特徴とする受信装置。
前記レプリカ生成部は、前記拡散符号の１周期分の前記受信信号を、前記送信信号の繰り返し周期ごとに分割し、分割した前記受信信号の平均値に基づいて前記レプリカ信号を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
前記拡散符号信号を、ＦＳＫ変調により一次変調された後に前記拡散符号により拡散された信号とし、
前記レプリカ生成部は、前記レプリカ信号として一次変調信号のレプリカを生成することを特徴とする請求項１または２に記載の受信装置。
前記ＦＳＫ変調におけるＦＳＫ変調キャリアの周波数は、拡散帯域幅内で選択された任意の２つ以上の周波数とすることを特徴とする請求項３に記載の受信装置。
前記繰り返し周期を、前記変調キャリア周波数のそれぞれについて、前記ＦＳＫ変調キャリアの周期の整数倍とすることを特徴とする請求項３または４に記載の受信装置。
拡散符号により拡散された拡散符号信号を送信する送信部と他の装置から受信した前記拡散符号により拡散された拡散符号信号を受信信号として受信する受信部とを備えるスペクトル拡散通信装置であって、
前記受信部は、
前記受信信号に対して前記拡散符号に基づいて逆拡散を行うことにより逆拡散信号を生成する逆拡散部と、
前記逆拡散信号に基づいて送信信号のレプリカをレプリカ信号として生成するレプリカ生成部と、
前記レプリカ信号と前記逆拡散信号との相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値に基づいて前記拡散符号に対する同期タイミングを検出する同期判定部と、
を備えることを特徴とするスペクトル拡散通信装置。
拡散符号により拡散された拡散符号信号を送信する送信装置と、
前記拡散符号信号を受信信号として受信する受信装置と、
を備える通信システムであって、
前記受信装置は、
前記受信信号に対して前記拡散符号に基づいて逆拡散を行うことにより逆拡散信号を生成する逆拡散部と、
前記逆拡散信号に基づいて送信信号のレプリカをレプリカ信号として生成するレプリカ生成部と、
前記レプリカ信号と前記逆拡散信号との相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値に基づいて前記拡散符号に対する同期タイミングを検出する同期判定部と、
を備えることを特徴とする通信システム。