JP6586183B2 - フレーム同期装置及びそれを備えた測定装置並びにフレーム同期方法及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、フレームの先頭位置を検出するフレーム同期装置及びそれを備えた測定装置並びにフレーム同期方法及び測定方法に関する。

従来、この種の装置は、入力信号においてフレームに含まれる既知のデータ列（同期ワード）を検出することにより、フレームの先頭位置を検出している。具体的には、同期ワードと同一のデータ列からなる参照データ列を予め用意し、入力信号において比較対象のデータ列を時間軸上で順次シフトさせて参照データ列と相関処理を行う（スライディング相関処理）。そして、相関値のピークを検出し、その相関ピークの位置に基づいてフレームの先頭位置を検出するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２１１１３７号公報

しかしながら、従来のスライディング相関処理では、信号品質が比較的悪い場合、例えば、信号対ノイズ比が比較的小さい場合や、周波数エラーが比較的大きい場合などに、相関ピークのパワーが減少して相関ピークが不明瞭になり易く、フレーム先頭位置を正確に検出できないことがあるという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出することができるフレーム同期装置及びそれを備えた測定装置並びにフレーム同期方法及び測定方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係るフレーム同期装置は、入力信号（ｂ）中に既知のデータ列（７３）を含むフレーム（７０）の先頭位置（７１）を検出するフレーム同期装置（３０）であって、前記既知のデータ列と同一の参照データ列（６０）を記憶する記憶部（４１）と、前記入力信号のうち、基準となる基準データを定めて前記基準データを所定のデータ間隔で順次シフトするシフト部（３２）と、前記入力信号のうち前記基準データから前記参照データ列と同一サンプル数の範囲のデータ列と、前記参照データ列とにおける各先頭データから同一番目のデータ同士の複素共役積を算出して複素共役積データ列（８０）を生成する生成部（４２）と、前記複素共役積データ列のうち、先頭データから一の方向に所定サンプル数の範囲の先頭側データ領域（８１）、及び前記複素共役積データ列のうち、末尾データから前記一の方向とは逆方向に前記所定サンプル数の範囲の末尾側データ領域（８２）を設定する設定部（３１）と、前記シフト部により前記基準データが定められるごとに、前記先頭側データ領域の各データと前記末尾側データ領域の各データとの間で相関演算を行って相関値を算出する算出部（４４）と、前記相関値に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する検出部（３４）と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項１に係るフレーム同期装置は、入力信号に含まれる所定サンプル数のデータ列と参照データ列とから複素共役積データ列を生成し、その先頭側データ領域の各データと末尾側データ領域の各データとの相関値に基づいて、フレームの先頭位置を検出している。このようにして得られた相関値は、周波数エラーの影響を受けにくく、ノイズに対する耐性も高い。したがって、本発明の請求項１に係るフレーム同期装置は、信号品質が比較的悪い場合でも、フレームの先頭位置を正確に検出することができる。

本発明の請求項２に係るフレーム同期装置では、前記シフト部は、第１のデータ間隔で前記基準データを順次シフトした後に、前記第１のデータ間隔よりも狭い第２のデータ間隔で前記基準データをシフトし、前記検出部は、前記第１のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置が含まれる先頭位置領域を推定し、推定した前記先頭位置領域において前記第２のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する構成を有している。

この構成により、本発明の請求項２に係るフレーム同期装置は、フレーム先頭位置の検出処理の負荷を軽減するとともに、フレームの先頭位置を正確に検出することができる。

本発明の請求項３に係る測定装置は、請求項１又は請求項２に記載のフレーム同期装置（３０）を備え、既知のデータ列を含むフレーム（７０）を含んだ入力信号（ａ）の信号特性を測定する測定装置（１０）であって、前記入力信号をベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバータ（２１）と、ダウンコンバートされた前記ベースバンド信号に含まれる前記フレームの先頭位置（７１）を前記フレーム同期装置が検出した信号である検出信号（ｃ）に基づいて、前記ベースバンド信号を復調して復調信号（ｄ）を出力する復調信号出力部（５１）と、出力された前記復調信号の信号特性を測定する測定部（１２）と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項３に係る測定装置は、フレーム同期装置を備えているので、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出して所定の信号特性の測定を実施することができる。

本発明の請求項４に係るフレーム同期方法は、入力信号（ｂ）中に既知のデータ列（７３）を含むフレーム（７０）の先頭位置（７１）を検出するフレーム同期方法であって、前記既知のデータ列と同一の参照データ列（６０）を記憶する記憶ステップ（Ｓ１１）と、前記入力信号のうち、基準となる基準データを定めて前記基準データを所定のデータ間隔で順次シフトするシフトステップ（Ｓ１５）と、前記入力信号のうち前記基準データから前記参照データ列と同一サンプル数の範囲のデータ列と、前記参照データ列とにおける各先頭データから同一番目のデータ同士の複素共役積を算出して複素共役積データ列（８０）を生成する生成ステップ（Ｓ１６）と、前記複素共役積データ列のうち、先頭データから一の方向に所定サンプル数の範囲の先頭側データ領域（８１）、及び前記複素共役積データ列のうち、末尾データから前記一の方向とは逆方向に前記所定サンプル数の範囲の末尾側データ領域（８２）を設定する設定ステップ（Ｓ１７）と、前記シフトステップにより前記基準データが定められるごとに、前記先頭側データ領域の各データと前記末尾側データ領域の各データとの間で相関演算を行って相関値を算出する算出ステップ（Ｓ１８）と、前記相関値に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する検出ステップ（Ｓ２２）と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項４に係るフレーム同期方法は、入力信号に含まれる所定サンプル数のデータ列と参照データ列とから複素共役積データ列を生成し、その先頭側データ領域の各データと末尾側データ領域の各データとの相関値に基づいて、フレームの先頭位置を検出している。このようにして得られた相関値は、周波数エラーの影響を受けにくく、ノイズに対する耐性も高い。したがって、本発明の請求項４に係るフレーム同期方法は、信号品質が比較的悪い場合でも、フレームの先頭位置を正確に検出することができる。

本発明の請求項５に係る測定方法は、前記シフトステップでは、第１のデータ間隔で前記基準データを順次シフトした後に、前記第１のデータ間隔よりも狭い第２のデータ間隔で前記基準データをシフトし、前記検出ステップでは、前記第１のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置が含まれる先頭位置領域を推定し、推定した前記先頭位置領域において前記第２のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する構成を有している。

この構成により、本発明の請求項５に係る測定方法は、フレーム先頭位置の検出処理の負荷を軽減するとともに、フレームの先頭位置を正確に検出することができる。

本発明の請求項６に係る測定方法は、請求項４又は請求項５に記載のフレーム同期方法を備え、既知のデータ列を含むフレーム（７０）を含んだ入力信号（ａ）の信号特性を測定する測定方法であって、前記入力信号をベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバートステップ（Ｓ１２）と、ダウンコンバートされた前記ベースバンド信号に含まれる前記フレームの先頭位置（７１）を前記フレーム同期方法で検出した信号である検出信号（ｃ）に基づいて、前記ベースバンド信号を復調して復調信号（ｄ）を出力する復調信号出力ステップ（Ｓ２３）と、出力された前記復調信号の信号特性を測定する測定ステップ（Ｓ２４）と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項６に係る測定方法は、フレーム同期方法を備えているので、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出して所定の信号特性の測定を実施することができる。

本発明によれば、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出することができるフレーム同期装置及びそれを備えた測定装置並びにフレーム同期方法及び測定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るフレーム同期装置の機能の説明図である。 本発明の一実施形態に係るフレーム同期装置のハードウエア構成を示すブロック図である。 （ａ）は従来のスライディング相関処理を用いた場合の相関値のシミュレーション結果を示し、（ｂ）は本実施形態のフレーム同期装置を用いた場合の相関値のシミュレーション結果を示す。 （ａ）周波数オフセットに対する相関値のシミュレーション結果（ノイズ無し）を示し、（ｂ）周波数オフセットに対する相関値のシミュレーション結果（ノイズ有り）を示す。 （ａ）は、周波数オフセットに対する周波数オフセット推定値のシミュレーション結果（ノイズ無し）を示し、（ｂ）は、周波数オフセットに対する周波数オフセット推定値のシミュレーション結果（ノイズ有り）を示す。 本発明の一実施形態に係る測定方法のフローチャートである。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
以下では、例として、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）信号を出力する被測定装置（ＤＵＴ）について、その信号特性を測定する測定装置を説明する。

［測定装置］
図１に示すように、本実施形態の測定装置１０は、ＤＵＴ１から入力する入力信号ａの信号特性を測定するものであり、受信部２０、フレーム同期装置３０、信号処理部５０、及び表示部１１を備えている。この入力信号ａは、ＯＦＤＭ信号である。ＯＦＤＭ信号は、送信側（ＤＵＴ１）で、フレーム内の時間軸上の所定の位置に既知のデータ列（同期ワード）を挿入したデータ系列に対し、ＯＦＤＭ変調、アップコンバート等を行って得られた信号である。

受信部２０は、ＤＵＴ１からアンテナを介して、或いは、有線で入力信号ａを受信するものであり、ダウンコンバータ２１、ＡＤＣ（アナログ・デジタル変換器）２２、及び直交復調部２３を備えている。

ダウンコンバータ２１は、ＤＵＴ１から入力した入力信号ａをベースバンドの信号に周波数変換し、ＡＤＣ２２に出力するようになっている。

ＡＤＣ２２は、ダウンコンバータ２１が周波数変換した信号をサンプリングしてアナログ値からデジタル値に変換し、得られたデジタル変換信号を直交復調部２３に出力するようになっている。

直交復調部２３は、ＡＤＣ２２が出力したデジタル変換信号をＩ（同相）信号成分及びＱ（直交）信号成分に直交復調し、得られた直交復調信号ｂをフレーム同期装置３０及び信号処理部５０に出力するようになっている。直交復調信号ｂは複素信号である。

フレーム同期装置３０は、直交復調部２３が出力した直交復調信号ｂに含まれるフレームの先頭位置を検出し、検出したことを示す検出信号ｃを信号処理部５０に出力するようになっている。このフレーム同期装置３０の詳細な構成については後述する。なお、直交復調信号ｂは、フレーム同期装置３０の入力信号である。

信号処理部５０は、受信部２０が出力した直交復調信号ｂに各種デジタル信号処理を施し、入力信号ａの信号特性を測定するものであり、ＯＦＤＭ復調部５１及び測定部５２を備えている。

ＯＦＤＭ復調部５１は、直交復調部２３が出力した直交復調信号ｂと、フレーム同期装置３０が出力した検出信号ｃを入力するようになっている。そして、ＯＦＤＭ復調部５１は、検出信号ｃに基づいて、直交復調信号ｂに対し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理、サブキャリア復調などのＯＦＤＭ復調処理を行って復調信号ｄを生成し、測定部５２に出力するようになっている。なお、ＯＦＤＭ復調部５１は、本発明の復調信号出力部の一例である。

測定部５２は、ＯＦＤＭ復調部５１が出力した復調信号ｄに対して、例えば、周波数エラー、タイミングエラー、ＥＶＭ（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）、送信パワー、コンスタレーション等を測定、解析するように構成されている。

表示部１１は、測定部５２により得られた測定結果のデータやグラフ等を表示するようになっている。

［フレーム同期装置］
次に、フレーム同期装置３０の構成について説明する。

フレーム同期装置３０は、入力信号である直交復調信号ｂからフレームの先頭位置を検出するものであり、相関処理部４０、データ領域設定部３１、基準データシフト部３２、閾値記憶部３３、及び先頭位置検出部３４を備えている。

相関処理部４０は、受信部２０で得られた複素データ系列である直交復調信号ｂとその理想信号との相関処理を行うものであり、参照データ列記憶部４１、複素共役積データ列生成部４２、及び相関値算出部４４を備えている。

参照データ列記憶部４１は、直交復調信号ｂにおいて送信側で挿入した同期ワードに対応する部分の理想的な既知のデータ列（参照データ列という）を格納するようになっている。参照データ列は、干渉やノイズの影響を受けていない理想的なデータ列である。なお、参照データ列記憶部４１は、本発明の記憶部の一例である。

基準データシフト部３２は、直交復調信号ｂに含まれる複素データ系列のうち、基準となる基準データを定め、基準データを所定のデータ間隔で順次シフトするようになっている。なお、基準データシフト部３２は、本発明のシフト部の一例である。

複素共役積データ列生成部４２は、直交復調信号ｂの複素データ系列のうち、基準データから参照データ列と同一サンプル数の範囲のデータ列（以下、受信データ列という）と、参照データ列とにおける各先頭データから同一番目のデータ同士の複素共役積を算出して複素共役積データ列を生成するようになっている。複素共役積は、受信データ列の各データ値、及び参照データ列の各データ値について、一方を複素共役として他方と掛け算をした結果を示す。なお、複素共役積データ列生成部４２は、本発明の生成部の一例である。

データ領域設定部３１は、複素共役積データ列のうち、先頭データから時間軸の進行方向に所定サンプル数の範囲の先頭側データ領域、及び複素共役積データ列のうち、末尾データから時間軸の進行方向とは逆方向に同一の所定サンプル数の範囲の末尾側データ領域を設定するようになっている。なお、データ領域設定部３１は、本発明の設定部の一例である。

相関値算出部４４は、基準データシフト部３２により基準データが定められるごとに、先頭側データ領域の各データと末尾側データ領域の各データとの間で相関演算を行って相関値を算出するようになっている。なお、相関値算出部４４は、本発明の算出部の一例である。

閾値記憶部３３は、直交復調信号ｂに含まれるフレームの先頭位置を検出するための先頭位置検出閾値を格納するようになっている。閾値記憶部３３に格納される先頭位置検出閾値は、例えば、実験やシミュレーションによって求められたものであり、振幅値（パワー）で示される。

先頭位置検出部３４は、相関値算出部４４が算出した相関値に基づいて、フレームの先頭位置を検出するようになっている。具体的には、相関値算出部４４が算出した相関値と、閾値記憶部３３に記憶された先頭位置検出閾値とを比較する。そして、先頭位置検出部３４は、相関値が先頭位置検出閾値を超えた場合に、フレームの先頭位置を検出したことを示す検出信号ｃをＯＦＤＭ復調部５１に出力するようになっている。なお、先頭位置検出部３４は、本発明の検出部の一例である。

次に、フレーム同期装置３０の機能について、図２を参照して具体的に説明する。

図２には、横軸を時間軸として参照データ列６０、及び直交復調信号（入力信号）ｂが示されている。
まず、参照データ列６０について説明する。参照データ列６０は、先頭位置６１に先頭データ（サンプル）を有し、末尾位置６２に末尾データ（サンプル）を有する、全体でＮ個の複素データ（サンプル）により構成された複素データ列である。この参照データ列６０は、送信側でフレームに挿入した同期ワードに対応する理想的なデータ値からなるデータ列である。参照データ列６０をｓ（ｋ）で表す。ここで、ｋ＝０，１，・・・，Ｎ−１である。ｋは、データ列の各データ（サンプル）に時間軸上で順に付されたサンプル番号であり、Ｎはサンプル総数である。

次に、直交復調信号ｂについて説明する。直交復調信号ｂは、複素データ系列であり、所定のフォーマットに基づくフレーム７０を含んでいる。フレーム７０は、先頭位置７１及び末尾位置７２を有している。フレーム７０には、送信側で挿入された同期ワードに対応する既知のデータ列（同期データ列という）７３が含まれており、同期データ列７３は先頭位置７４と末尾位置７５を有している。同期データ列７３の先頭位置７４とフレーム７０の先頭位置７１との距離は、予め定められており、既知の値である。

基準データシフト部３２は、直交復調信号ｂの複素データ系列における基準データの位置をサンプルＳ０，Ｓ１，Ｓ２，・・・と順次シフトする。本実施形態では、基準データシフト部３２は、基準データの位置を１サンプル（データ）ずつシフトするものとする。なお、基準データをシフトする間隔は、１サンプルに限定されるものではなく、任意のサンプル数に設定することができる。例えば、シフト間隔を１シンボル分のサンプル数にしてもよい。

また、直交復調信号ｂにおいて、サンプルＳ０から参照データ列６０と同一のＮサンプル長の範囲の受信データ列７６が設定されている。受信データ列７６の末尾はサンプルＳ３である。受信データ列７６は、Ｎ個の複素データ（サンプル）で構成された複素データ列である。受信データ列７６をｒ（ｋ）で表す。ここで、ｋ＝０，１，・・・，Ｎ−１である。

複素共役積データ列生成部４２は、基準データシフト部３２が直交復調信号ｂの基準データをサンプルＳ０，Ｓ１，Ｓ２，・・・とシフトするごとに、受信データ列ｒ（ｋ）と、参照データ列ｓ（ｋ）の複素共役データ列ｓ^＊（ｋ）とから、各データ（サンプル）間で積演算を行って複素共役積データ列８０を生成する。複素共役積データ列８０をｚ（ｋ）で表す。よって、ｚ（ｋ）＝ｒ（ｋ）・ｓ^＊（ｋ），ここで、ｋ＝０，１，・・・，Ｎ−１である。

なお、複素共役積データ列生成部４２は、受信データ列ｒ（ｋ）の複素共役データ列ｒ^＊（ｋ）と、参照データ列ｓ（ｋ）とから、各データ間で積演算を行って複素共役積データ列ｚ（ｋ）を生成するようにしてもよい。この場合、ｚ（ｋ）＝ｒ^＊（ｋ）・ｓ（ｋ），ここで、ｋ＝０，１，・・・，Ｎ−１である。

データ領域設定部３１は、複素共役積のデータ列８０の先頭データから時間軸上の進行方向にＮ−Ｍ個のサンプル数からなる先頭側データ領域８１、及び複素共役積のデータ列８０の末尾データから時間軸上の進行方向とは逆方向にＮ−Ｍ個のサンプル数からなる末尾側データ領域８２を設定する。

相関値算出部４４は、基準データシフト部３２が直交復調信号ｂの基準データをサンプルＳ０，Ｓ１，Ｓ２，・・・とシフトするごとに、複素共役積データ列８０の先頭側データ領域８１の各データと、末尾側データ領域８２の各データとの間で相関演算を行って相関値Ｒを算出する。

先頭位置検出部３４は、相関値Ｒの振幅値と先頭位置検出閾値とを比較する。先頭位置検出部３４は、相関値Ｒの振幅値が先頭位置検出閾値を超えた場合に、そのときの直交復調信号ｂの基準データの位置にフレーム７０の基準位置（同期データ列７３の先頭位置７４）が存在すると判断し、検出信号ｃをＯＦＤＭ復調部５１に出力する。同期データ列７３の先頭位置７４とフレーム７０の先頭位置７１との距離は、既知であるので、先頭位置７４が判明するとフレーム７０の先頭位置７１を検出することができる。図２に示した例では、参照データ列６０がＡで示す位置にある場合に、相関値Ｒの振幅値が先頭位置検出閾値を超えることとなる。

次に、フレーム同期装置３０の機能について数式を用いて説明する。

図２に示すように、理想データ列である参照データ列６０をｓ（ｋ）、ｔ_０時に入力した直交復調信号ｂのうち受信データ列７６をｒ（ｋ）で表すと、ｒ（ｋ）は［数１］で示される。なお、参照データ列ｓ（ｋ）と受信データ列ｒ（ｋ）は各サンプル（データ）がＩ成分とＱ成分を有する複素データ列である。

ここで、Δｆは周波数エラー、Ｔはサンプリング周期、ω_ｋはノイズを示している。ｋはサンプル番号、Ｎはサンプル総数である。すなわち、受信データ列ｒ（ｋ）は、サンプル番号ｋ（０，１，・・・，Ｎ−１）により識別できるＮ個のサンプル（データ）からなるデータ列である。

ノイズを考慮しない場合、受信データ列ｒ（ｋ）は［数２］で示される。

受信データ列ｒ（ｋ）と、参照データ列ｓ（ｋ）の複素共役データ列ｓ^＊（ｋ）とから、複素共役積データ列ｚ（ｋ）が［数３］により生成される。［数３］に示された演算は、複素共役積データ列生成部４２によって実行される。

［数３］で示される複素共役積データ列ｚ（ｋ）は、［数２］を代入すると［数４］で示される。

相関値算出部４４は、複素共役積データ列ｚ（ｋ）の末尾側データ領域のデータ列ｚ（ｍ）と、先頭側データ領域のデータ列ｚ（ｍ−Ｍ）の複素共役データ列ｚ^＊（ｍ−Ｍ）とに対し、各データごとに乗算し足し合わせて、［数５］に示される相関値Ｒを算出する。ここで、Ｍは、相関処理を行う範囲を定めるパラメータである。

［数５］は、［数４］より［数６］のように変形できる。

一般に、複素信号とその複素信号の共役信号との掛け算の結果は、その複素信号のパワーを示す。よって、ｓ（ｍ）・ｓ^＊（ｍ）・ｓ（ｍ−Ｍ）・ｓ^＊（ｍ−Ｍ）＝Ｃ（Ｃは定数）とおける。このとき、次の［数７］に示される関係が成り立つ。

したがって、同期位置での相関値Ｒの振幅（絶対値）は｜Ｒ（ｍ）｜＝Ｃとなる。

実際の処理では、固定の閾値を設定できるため、理想信号である参照データ列ｓ（ｋ）と受信データ列ｒ（ｋ）はサンプル単位で正規化される。よって、ｓ（ｍ）・ｓ^＊（ｍ）・ｓ（ｍ−Ｍ）・ｓ^＊（ｍ−Ｍ）＝１とおける。したがって、次の［数８］に示された関係が成り立つ。

したがって、同期位置での相関値Ｒの振幅は｜Ｒ（ｍ）｜＝１となる。

以上のことから明らかなように、相関値Ｒの振幅は、周波数の要素を含んでいないので、周波数エラーの影響を受けにくい。

また、同期位置での相関値Ｒの位相Ａｎｇｌｅは、次の［数９］により示される。

よって、周波数エラーは、次の［数１０］から推定することができる。

ここで、ｓｃｓはサブキャリア間隔である。

したがって、周波数エラーを推定可能な範囲は、次の［数１１］により示される。

ここで、周波数軸はサブキャリア間隔＝１となるように正規化されている。

以上のことから、本実施形態のフレーム同期装置３０は、周波数エラーの影響を受けにくい相関値の振幅に基づいてフレームの先頭位置を検出する構成を有するので、周波数エラーが比較的大きい場合でも、従来のもののように、相関ピークのパワーが減少して相関ピークが不明瞭になることはない。

さらに、従来のスライディング相関処理では１同期ワードについて１回相関を行っていたのに対し、本実施形態のフレーム同期装置３０は、受信データ列ｒ（ｋ）と参照データ列ｓ（ｋ）とから複素共役積データ列ｚ（ｋ）を生成し（第１の相関処理）、複素共役積データ列ｚ（ｋ）の先頭側データ領域の各データと末尾側データ領域の各データとの相関演算（第２の相関処理）を行う構成となっている。そのため、ノイズを加法性白色ガウスノイズ（ＡＷＧＮ）と仮定すると、ノイズと入力信号とは相関がないので、平均化理論により、２回相関を行っている本実施形態の方が従来のものよりもノイズの耐性を向上させることができる。

したがって、本実施形態におけるフレーム同期装置３０は、信号対ノイズ比が比較的小さい場合や、周波数エラーが比較的大きい場合などのように、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出することができる。

図３は、本実施形態に係るフレーム同期装置３０のハードウエア構成例を示すブロック図である。フレーム同期装置３０は、一般的なコンピュータの構成を含み、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０３、入出力インタフェース１０４等を有する。

ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に格納されたプログラムやデータをＲＡＭ１０３上に読み出し、種々の処理を実行することで、フレーム同期装置３０の各機能を実現する演算装置である。ＲＯＭ１０２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性のメモリである。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１のワークエリア等として用いられる揮発性のメモリである。入出力インタフェース１０４には、受信部２０及び信号処理部５０が接続されている。バス１０５は、各構成要素間においてデータを転送する。

フレーム同期装置３０は、測定装置１０に一体的に組み込まれ、測定装置１０とコンピュータを共用する構成であってもよい。また、フレーム同期装置３０は、測定装置１０のコンピュータにインストールするアプリケーションソフトウェア（プログラム）であってもよい。

次に、本実施形態のフレーム同期装置３０の効果について、従来のスライディング相関処理と、本実施形態による相関処理とを対比しつつ、図４〜図６を参照して説明する。

図４（ａ）は、従来のスライディング相関処理を用いた場合の相関値のシミュレーション結果を示し、（ｂ）は本実施形態のフレーム同期装置３０を用いた場合の相関値のシミュレーション結果を示す。横軸はサンプル数（すなわち時間）、縦軸は正規化された相関値の振幅を示す。これらのシミュレーションでは、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を１０ｄＢとし、周波数エラーをサブキャリア間隔の０．５倍とした。

図４（ａ）に示すように、従来のスライディング相関処理の場合、ノイズのピークレベルが０．１〜０．２であるのに対し、フレーム先頭位置を示すピークレベルは、０．６程度であり、ノイズレベルとの差異が比較的小さい。

これに対し、図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、ノイズのピークレベルが０．１〜０．２に対し、フレーム先頭位置を示すピークレベルは０．９程度あり、ノイズレベルとの差異が従来と比べて大きくなっている。

この結果は、前述したように、従来のスライディング相関処理では１同期ワードについて１回相関処理を行っていたのに対し、本実施形態では、受信データ列ｒ（ｋ）と参照データ列ｓ（ｋ）とから複素共役積データ列ｚ（ｋ）を生成し（第１の相関処理）、得られた複素共役積データ列ｚ（ｋ）の先頭側データ領域の各データと末尾側データ領域の各データとの相関演算（第２の相関処理）を行う構成となっていることから得られたものである。

図５（ａ）は、周波数オフセットに対する相関値のシミュレーション結果（ノイズ無し）を示し、図５（ｂ）は、周波数オフセットに対する相関値のシミュレーション結果（ノイズ有り）を示す。横軸は周波数オフセット（周波数エラー）、縦軸は正規化された相関値の振幅を示す。図中、黒丸と白丸でプロットされた部分は、本実施形態のフレーム同期装置３０によるシミュレーション結果であり、そのうち、黒丸はパラメータＭが８の場合、白丸はパラメータＭが９６の場合を示す。また、図中、三角でプロットされた部分は、従来のスライディング相関処理によるシミュレーション結果を示す。

図５（ｂ）は、加法性白色ガウスノイズの存在下におけるシミュレーションの結果を示している。これらのシミュレーションでは、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を１０ｄＢとし、サンプル数（データ数）Ｎを１２８とした。

図５（ａ）に示すように、従来のスライディング相関処理においては、周波数オフセット（周波数エラー）がサブキャリア間隔の±１倍程度の大きさのところで、相関値の振幅が急激に減少している。これに対し、本実施形態では、周波数オフセット（周波数エラー）の大きさに関わらず、相関値の振幅はほぼ１で一定している。すなわち、本実施形態では、周波数エラーが比較的大きい場合であっても、フレーム同期を正確に行うことができる。

また、図５（ｂ）に示すように、本実施形態では、白色ノイズの存在下においても、相関値の振幅が０．９近くで一定している。すなわち、本実施形態では、白色ノイズにほとんど影響されることなく、フレーム同期を正確に行うことができる。

しかも、図５（ａ）及び図５（ｂ）から、本実施形態のフレーム同期における周波数エラーやノイズに対する耐性は、パラメータＭが変わってもほとんど変わらないことも分かる。

図６（ａ）は、周波数オフセット（周波数エラー）に対する周波数オフセット推定値のシミュレーション結果（ノイズ無し）を示し、図６（ｂ）は、周波数オフセットに対する周波数オフセット推定値のシミュレーション結果（白色ノイズ有り）を示す。これらのシミュレーションでは、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）＝１０ｄＢとし、サンプル数（データ数）Ｎ＝１２８とした。横軸、縦軸とも、サブキャリア間隔＝１となるように正規化している。図中、実線はパラメータＭ＝８、破線はパラメータＭ＝９６の場合を示す。

図６（ａ）に示すように、推定可能な周波数エラーの範囲は、パラメータＭの値に依存して変わり、Ｍ＝８では、サブキャリア間隔の１６倍程度である。この結果から、パラメータＭの値にも依るが、従来より広い範囲で周波数エラーを推定できることが分かる。しかも、図６（ｂ）から、推定可能な周波数エラーの範囲は、白色ノイズの存在下でもほぼ変わらないことが分かる。

次に、本実施形態における測定装置１０の動作について図７を参照して説明する。
図７は、本実施形態におけるフレーム同期方法及び測定方法を説明するためのフローチャートである。

ユーザが操作部（図示省略）を操作することにより、参照データ列ｓ（ｋ）の各データが参照データ列記憶部４１に、相関処理の対象となる先頭側及び末尾側データ領域を指定するパラメータＭのデータがデータ領域設定部３１に、先頭位置検出閾値が閾値記憶部３３にそれぞれ記憶される（ステップＳ１１）。

ダウンコンバータ２１は、ＤＵＴ１から入力した入力信号ａをベースバンドの信号にダウンコンバートする（ステップＳ１２）。ＡＤＣ２２は、ダウンコンバートされた信号をサンプリングしてアナログ値からデジタル値に変換し（ステップＳ１３）、直交復調部２３に出力する。

直交復調部２３は、ＡＤＣ２２の出力信号をＩ信号成分及びＱ信号成分に直交復調し、得られた直交復調信号ｂをフレーム同期装置３０及び信号処理部５０に出力する（ステップＳ１４）。

基準データシフト部３２は、直交復調信号ｂに含まれる複素データ系列のうち、基準とする基準データを設定する（ステップＳ１５）。基準データは、直交復調信号ｂの複素データ系列において参照データ列に対して相関処理が行われる受信データ列の先頭データである。例えば、基準データシフト部３２は、図２に示した直交復調信号ｂ内のサンプルＳ０を基準データとして定める。

複素共役積データ列生成部４２は、基準データにより規定される受信データ列ｒ（ｋ）と参照データ列ｓ（ｋ）とから、複素共役積データ列ｚ（ｋ）＝ｒ（ｋ）・ｓ^＊（ｋ）を生成する（ステップＳ１６）。

データ領域設定部３１は、パラメータＭに基づいて、複素共役積データ列ｚ（ｋ）の先頭側データ領域８１と末尾側データ領域８２を設定する（ステップＳ１７）。ここで、先頭側データ領域８１は、複素共役積データ列ｚ（ｋ）の先頭データから時間軸の進行方向にＮ−Ｍ個のサンプル数からなるデータ領域であり、末尾側データ領域８２は、複素共役積のデータ列ｚ（ｋ）の末尾データから時間軸の進行方向とは逆方向にＮ−Ｍ個のサンプル数からなるデータ領域である。

相関値算出部４４は、前述の［数５］に示すとおり、複素共役積データ列ｚ（ｋ）の先頭側データ領域８１の各データと、末尾側データ領域８２の各データとの間で相関演算を行って相関値Ｒを算出する（ステップＳ１８）。

先頭位置検出部３４は、相関値Ｒの振幅値（絶対値）と先頭位置検出閾値とを比較する（ステップＳ１９）。そして、先頭位置検出部３４は、相関値Ｒの振幅値が先頭位置検出閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ２０）。

ステップＳ２０において、相関値Ｒの振幅値が先頭位置検出閾値を超えたと判断されなかった場合（ステップＳ２０でＮｏ）、基準データシフト部３２が、基準データを１サンプル分シフトし（ステップＳ２１）、ステップＳ１６の処理に戻る。例えば、基準データシフト部３２は、基準データを、図２に示した直交復調信号ｂ内のサンプルＳ０からＳ１にシフトさせ、相関処理部４０は、データＳ１を基準データとして新たな相関処理を実行する。

一方、ステップＳ２０において、相関値Ｒの振幅が先頭位置検出閾値を超えたと判断された場合（ステップＳ２０でＹｅｓ）、先頭位置検出部３４は、検出信号ｃをＯＦＤＭ復調部５１に出力する（ステップＳ２２）。

ＯＦＤＭ復調部５１は、検出信号ｃに基づいて、直交復調部２３が出力したベースバンドの信号である直交復調信号ｂに対し、ＯＦＤＭ復調処理を行って復調信号ｄを生成し、測定部５２に出力する（ステップＳ２３）。ＯＦＤＭ復調処理では、例えば、直交復調信号ｂに対してＦＦＴ処理を行い、得られたＦＦＴ処理信号に対してサブキャリア復調を行う。

測定部５２は、ＯＦＤＭ復調部５１が出力した復調信号ｄに対し、各種信号特性の測定及び解析を行う（ステップＳ２４）。

以上のように、本実施形態におけるフレーム同期装置３０は、受信データ列ｒ（ｋ）と参照データ列ｓ（ｋ）とから複素共役積データ列ｚ（ｋ）を生成し（第１の相関処理）、複素共役積データ列ｚ（ｋ）の先頭側データ領域の各データと末尾側データ領域の各データとの相関演算（第２の相関処理）を行う構成となっている。このようにして得られた相関値の振幅は、周波数エラーの影響を受けにくく、ノイズに対する耐性も高い。したがって、本実施形態のフレーム同期装置３０は、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出することができる。

また、本実施形態における測定装置１０は、フレーム同期装置３０を備えているので、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出して各種信号特性の測定及び解析を実施することができる。

（変形例）
上述の実施形態では、基準データシフト部３２が基準データの位置を１サンプル（データ）ずつシフトするものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、基準データシフト部３２が、基準データの位置を、第１のデータ間隔（データピッチ）でシフトし、先頭位置検出部３４が、フレームの概略の先頭位置領域を推定した後に、第１のデータ間隔よりも細かい第２のデータ間隔で概略の先頭位置領域をシフトする構成とすることもできる。

具体的には、例えば、基準データシフト部３２が、まず、基準データの位置を８サンプル（データ）ずつシフトし、先頭位置検出部３４が、フレームの概略の先頭位置領域を推定する。次に、基準データシフト部３２が、基準データの位置を１サンプル（データ）ずつシフトし、先頭位置検出部３４が、フレーム先頭位置を正確に求める、という構成とする。

この構成により、本実施形態における測定装置１０及びフレーム同期装置３０は、フレーム先頭位置の検出処理の負荷を軽減するとともに、フレーム先頭位置を正確に検出することができる。

以上説明したように、本発明は、信号品質が比較的悪い場合でも、フレーム先頭位置を正確に検出することができるという効果を有し、フレームの先頭位置を検出するフレーム同期装置及びそれを備えた測定装置並びにフレーム同期方法及び測定方法の全体に有用である。

１ ＤＵＴ
１０ 測定装置
１１ 表示部
２０ 受信部
２１ ダウンコンバータ
２２ ＡＤＣ
２３ 直交復調部
３０ フレーム同期装置
３１ データ領域設定部（設定部）
３２ 基準データシフト部（シフト部）
３３ 閾値記憶部
３４ 先頭位置検出部（検出部）
４０ 相関処理部
４１ 参照データ列記憶部（記憶部）
４２ 複素共役積データ列生成部（生成部）
４３ 相関値算出部（算出部）
５０ 信号処理部
５１ ＯＦＤＭ復調部
５２ 測定部
６０ 参照データ列
６１ 参照データ列の先頭位置
６２ 参照データ列の末尾位置
７０ フレーム
７１ フレームの先頭位置
７２ フレームの末尾位置
７３ 同期データ列
７４ 同期データ列の先頭位置
７５ 同期データ列の末尾位置
７６ 受信データ列
８０ 複素共役積データ列
８１ 先頭側データ領域
８２ 末尾側データ領域
１０１ ＣＰＵ
１０２ ＲＯＭ
１０３ ＲＡＭ
１０４ 入出力インタフェース
ａ 入力信号（測定装置の入力信号）
ｂ 直交復調信号（フレーム同期装置の入力信号）
ｃ 検出信号
ｄ 復調信号

Claims (6)

1. 入力信号（ｂ）中に既知のデータ列（７３）を含むフレーム（７０）の先頭位置（７１）を検出するフレーム同期装置（３０）であって、
   前記既知のデータ列と同一の参照データ列（６０）を記憶する記憶部（４１）と、
   前記入力信号のうち、基準となる基準データを定めて前記基準データを所定のデータ間隔で順次シフトするシフト部（３２）と、
   前記入力信号のうち前記基準データから前記参照データ列と同一サンプル数の範囲のデータ列と、前記参照データ列とにおける各先頭データから同一番目のデータ同士の複素共役積を算出して複素共役積データ列（８０）を生成する生成部（４２）と、
   前記複素共役積データ列のうち、先頭データから一の方向に所定サンプル数の範囲の先頭側データ領域（８１）、及び前記複素共役積データ列のうち、末尾データから前記一の方向とは逆方向に前記所定サンプル数の範囲の末尾側データ領域（８２）を設定する設定部（３１）と、
   前記シフト部により前記基準データが定められるごとに、前記先頭側データ領域の各データと前記末尾側データ領域の各データとの間で相関演算を行って相関値を算出する算出部（４４）と、
   前記相関値に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する検出部（３４）と、
   を備えたことを特徴とするフレーム同期装置。
2. 前記シフト部は、第１のデータ間隔で前記基準データを順次シフトした後に、前記第１のデータ間隔よりも狭い第２のデータ間隔で前記基準データをシフトし、
   前記検出部は、前記第１のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置が含まれる先頭位置領域を推定し、推定した前記先頭位置領域において前記第２のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のフレーム同期装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のフレーム同期装置（３０）を備え、既知のデータ列を含むフレーム（７０）を含んだ入力信号（ａ）の信号特性を測定する測定装置（１０）であって、
   前記入力信号をベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバータ（２１）と、
   ダウンコンバートされた前記ベースバンド信号に含まれる前記フレームの先頭位置（７１）を前記フレーム同期装置が検出した信号である検出信号（ｃ）に基づいて、前記ベースバンド信号を復調して復調信号（ｄ）を出力する復調信号出力部（５１）と、
   出力された前記復調信号の信号特性を測定する測定部（１２）と、
   を備えたことを特徴とする測定装置。
4. 入力信号（ｂ）中に既知のデータ列（７３）を含むフレーム（７０）の先頭位置（７１）を検出するフレーム同期方法であって、
   前記既知のデータ列と同一の参照データ列（６０）を記憶する記憶ステップ（Ｓ１１）と、
   前記入力信号のうち、基準となる基準データを定めて前記基準データを所定のデータ間隔で順次シフトするシフトステップ（Ｓ１５）と、
   前記入力信号のうち前記基準データから前記参照データ列と同一サンプル数の範囲のデータ列と、前記参照データ列とにおける各先頭データから同一番目のデータ同士の複素共役積を算出して複素共役積データ列（８０）を生成する生成ステップ（Ｓ１６）と、
   前記複素共役積データ列のうち、先頭データから一の方向に所定サンプル数の範囲の先頭側データ領域（８１）、及び前記複素共役積データ列のうち、末尾データから前記一の方向とは逆方向に前記所定サンプル数の範囲の末尾側データ領域（８２）を設定する設定ステップ（Ｓ１７）と、
   前記シフトステップにより前記基準データが定められるごとに、前記先頭側データ領域の各データと前記末尾側データ領域の各データとの間で相関演算を行って相関値を算出する算出ステップ（Ｓ１８）と、
   前記相関値に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する検出ステップ（Ｓ２２）と、
   を備えたことを特徴とするフレーム同期方法。
5. 前記シフトステップでは、第１のデータ間隔で前記基準データを順次シフトした後に、前記第１のデータ間隔よりも狭い第２のデータ間隔で前記基準データをシフトし、
   前記検出ステップでは、前記第１のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置が含まれる先頭位置領域を推定し、推定した前記先頭位置領域において前記第２のデータ間隔に基づいて前記フレームの前記先頭位置を検出する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のフレーム同期方法。
6. 請求項４又は請求項５に記載のフレーム同期方法を備え、既知のデータ列を含むフレーム（７０）を含んだ入力信号（ａ）の信号特性を測定する測定方法であって、
   前記入力信号をベースバンド信号にダウンコンバートするダウンコンバートステップ（Ｓ１２）と、
   ダウンコンバートされた前記ベースバンド信号に含まれる前記フレームの先頭位置（７１）を前記フレーム同期方法で検出した信号である検出信号（ｃ）に基づいて、前記ベースバンド信号を復調して復調信号（ｄ）を出力する復調信号出力ステップ（Ｓ２３）と、
   出力された前記復調信号の信号特性を測定する測定ステップ（Ｓ２４）と、
   を備えたことを特徴とする測定方法。

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