JPH088780A - 相関器及びスペクトル拡散通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スペクトル拡散通信において、高速フェージン
グ環境下での逆拡散後受信信号の信号強度低下を補償す
る相関器、またドップラー周波数に応じて拡散系列の長
さを変えて通信を行うことによりフェージングによる劣
化の影響の少ない通信システムを提供することを目的と
する。 【構成】１周期のＰＮ系列を複数の部分系列に分割した
部分系列に対する相関器と、各相関器の出力信号の位相
を変更する機能と、位相変更した各部分系列相関器の出
力を合成する加算器とから構成される。 【効果】フェージングの影響により逆拡散信号の強度が
低下することを補償する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スペクトル拡散通信シ
ステムにおける拡散系列の相関器、及びこれを用いたス
ペクトル拡散通信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、自動車電話、無線ＬＡＮ、衛星通
信などの無線通信システムにおいてスペクトル拡散（Ｓ
ｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ：以下ＳＳと記述）通信
方式が使用されている。この方式は元の情報ビットのエ
ネルギーを周波数軸上で広帯域に拡散して伝送し、受信
機において広帯域信号を元の情報の帯域幅に逆拡散して
通信を行う方式である。ここで、逆拡散後の信号には情
報信号の帯域幅と伝送広帯域信号の帯域幅の比（プロセ
スゲイン）の分のゲインが生じ、これにより雑音、干渉
などの影響を抑え込むことができる。なお、通常ＳＳ通
信システムに於いては使用する拡散系列の長さ、すなわ
ちプロセスゲインはそのシステム固有の値で、固定であ
る。

【０００３】ところで、無線通信特有の問題としてフェ
ージングという現象がある。フェージングとは、伝送遅
延波との干渉、気象の変化等により、電波の受信状態が
劣化することをいう。フェージング環境下において無線
信号は、位相変動、振幅変動などを受けて受信されるた
め、特性劣化や最悪の場合には受信不能に陥る。スペク
トル拡散通信方式においても、フェージングレートがデ
ータレートに対して無視できない程度まで早くなると、
逆拡散後の信号が所定のプロセスゲインを得ることがで
きないという欠点を有していた。

【０００４】ここで、ＳＳ通信方式における信号強度劣
化のメカニズムを図１(a) 、(b) に模式的に示す。伝送
路が固定位相（フェージング変動等が無い場合：図１
(a)-1参照）であれば、逆拡散操作によりＰＮチップは
同位相に合成され（図１(a)-2参照）、信号振幅は符号
長倍に逆拡散される（図１(a)-3 参照）。ところが、フ
ェージング伝送路の様に位相変動を伴う場合（図１(b)-
1 参照）や受信信号に周波数オフセットが有る場合で、
しかも受信信号の位相がＰＮ系列１周期の時間内に大き
く変動する場合は、逆拡散操作を行っても各チップのベ
クトルが同位相に加算されないために（図１(b)-2 参
照）、逆拡散後の信号振幅は図１(a) の場合よりも小さ
くなってしまう（図１(b)-3 参照）。

【０００５】この状況のシミュレーション結果を図２に
示す。図中横軸は相関器の長さ、つまり相関処理を行う
ためのチップ積分範囲を示しており、横軸は相関器出力
を系列長で規格化した値を示している。図２において、
相関器の長さがある程度以上（相関器の積分範囲に対し
てフェージングによる相関値の減衰が無視できなくなる
程度）長くなると、相関器からの出力信号レベルが低下
することが示されている。なおここではチップレート／
フェージングレート＝１５３６０、つまりフェージング
により位相が２π変動するのに１５３６０チップの時間
がかかる様なフェージング環境の例を示しているが、フ
ェージングレートが早くなるか、チップレートが遅くな
る様な環境において相関器出力低下の状況はさらに厳し
くなる。また、受信信号に周波数オフセットが有る場合
にもこの結果と似通った現象が生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のスペクトル拡散通信システムにおいては、データ
レートに対してレートの早いフェージング環境下では、
逆拡散後の信号が所定のプロセスゲインを得ることがで
きず、通信不能となる場合があるという問題があった。

【０００７】そこで本発明においては、上記欠点を改善
し、上記の条件においても信号強度の劣化量の少ない相
関器を提案すると共に、その結果フェージングの影響を
受けにくいスペクトル拡散通信システムを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の相関器は、受信
された拡散系列信号に対して、前記拡散系列信号を複数
の部分系列信号に分割する分割手段と、その分割された
部分系列信号に対して拡散符号の相関処理を行なう複数
の部分系列相関検出手段と、その部分系列相関検出手段
の出力信号の位相を変換する複数の位相変換手段と、そ
れらの位相変換手段からの出力信号を加算する加算手段
とからなることを特徴とする。

【０００９】また本発明の相関器は、前記位相変換手段
が、前記部分系列相関検出手段の出力信号を拡散系列信
号の１周期分の時間窓で観測し、その中で信号振幅が最
大となるか、または他の部分系列相関器の信号振幅が最
大となるタイミングに対応するサンプルベクトル信号の
位相情報を検出し、前記部分系列相関検出信号の出力信
号を前記位相情報に基づいて位相変換させる手段を含む
ことを特徴とする。

【００１０】また本発明の相関器は、前記位相変換手段
が、前記部分系列相関検出手段の出力信号の大きさの２
乗値を演算し、その演算結果をもとに実軸上の信号成分
を得ることにより信号ベクトルの位相情報を検出し、前
記部分系列相関検出信号の出力信号を前記位相情報に基
づいて位相変換させる手段を含むことを特徴とする。ま
た本発明のスペクトル拡散通信システムにおいては、フ
ェージングのドップラー周波数に応じて使用する拡散系
列の長さを変化させることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の相関器は、拡散系列の部分系列を係数
とする部分相関器により、相関演算の範囲をフェージン
グによる影響を受けない程度に短くして相関演算を行
い、その後それぞれの部分相関器の出力を位相変換して
合成することを特徴とする。（図１(c)-1 、2 に模式図
を示す） すなわち１周期分の拡散系列を複数の部分系列に分割し
て、それぞれ分割された部分系列に対して相関演算を行
うことによって、拡散系列繰り返し周期（データ繰り返
し周期）よりも短い時間間隔でフェージングによる受信
信号の位相、振幅の遷移情報を得ることができ、この位
相情報によって部分系列相関器の出力を位相回転し同位
相で合成することにより、逆拡散信号の強度の低下を防
止することができると共に、干渉の大きな条件下におい
ても、高品質な通信を実現することが可能となる。また
周波数オフセットが存在する受信装置を有する無線機に
おいても同様な効果を発揮することができる。

【００１２】また、本発明の相関器を用いたスペクトル
拡散通信システムにおいては、ドップラー周波数の推定
を行い、通信を行う伝送路におけるフェージングのドッ
プラー周波数が高い場合には、通信で使用する拡散系列
を短く設定し、フェージングのドップラー周波数が低け
れば、通信で使用する拡散系列を長く設定するように、
伝送路におけるフェージングのドップラー周波数に応じ
て、通信で使用する拡散系列の長さを切り替えて通信を
行うことにより、フェージングによる通信品質の劣化を
防止することができる。

【００１３】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図２にフェージング環境下における相関器の長
さと相関器出力の劣化量を示した。拡散系列の長さが、
図２の領域Ｂに入るほど長いと、フェージングにより相
関器出力が低下する。この低下を回避するには拡散系列
の長さをフェージングによる劣化を受けない程度（その
システムで許される許容劣化量に依存）、つまり図２領
域Ａになる系列長まで分割して、分割した拡散系列（以
下部分系列と記述）に対応した相関器によって逆拡散を
行うことにより劣化を防ぐことができる。 つまり、再
び図１によって説明すると、部分系列によって逆拡散を
行うことにより様々な方向のチップベクトルのうち同じ
様な方向のものを集めることができ（図１(c)-2 #1〜#4
参照）、劣化量の少ない部分系列逆拡散ベクトルが部分
系列数分出力される（図１(c)-3 #1〜#4参照）。なお、
各部分系列による逆拡散出力はもとの拡散系列に比べ、
系列長が分割され短くなっている分小さくなるが、各部
分系列による相関出力を合成することによって劣化量の
少ないプロセスゲインを得ることができる（図１(c)-4
）。

【００１４】図３に拡散系列を４分割する場合、前記動
作を実現するための相関器ブロック図を示す。帯域制限
フィルタ３１を通過した信号に対して、それぞれ異なる
部分の部分系列の相関器３３１〜３３４によって相関処
理を行うが、各相関器の受信信号の拡散符号と相関器の
符号の一致するタイミングを一致させるために遅延素子
３２を用いる。なお、３２と３３１〜３３４の部分は図
４に示す構成によっても実現可能である。各部分系列相
関出力の抱絡線（３４出力）によって自己相関ピークの
タイミングを検出する。なお、ここでは遅延素子３２に
よって各部分系列相関器のピークは同一タイミングに起
こるよう設定されており、閾値を超える相関器の出力の
数によりタイミングの検出を行う。

【００１５】標本化、位相検出器３６は部分系列相関器
出力を、タイミング検出器３５からのタイミング信号に
よってサンプリングし、サンプリングした信号ベクトル
の位相を求める。位相の算出は信号の実軸、虚軸成分よ
り計算するか、もしくは信号の実軸虚軸成分からtan テ
ーブルによって行う。

【００１６】部分系列相関器出力は、遅延素子３７によ
って遅延を受けた後、位相変換器３８により、各相関器
出力のピークに於ける位相をあわせ、加算器３９によっ
て合成される。

【００１７】以上の処理による効果を示すため、受信信
号に周波数オフセットが存在する場合の従来方式（図
８：全系列による相関器）と本方式（図３：部分系列に
よる処理の後合成を行う相関器、但し分割数は８分割）
によるシミュレーション結果を図９に示す。条件とし
て、1024の長さを持つ拡散系列を用いることを想定し、
系列１周期の間に位相が2.56× 2π[rad] 回転する周波
数オフセットがかかった信号を逆拡散したとき、従来方
式による相関ピークにおけるＩ−Ｑ平面内での信号と、
相関ピークにおける信号振幅の発生頻度を示す。従来方
式による信号出力は、図２の特性劣化に類似した信号振
幅の低下を引き起こすが、本方式では余り大きな劣化は
見られない（図９ノイズフリー、周波数オフセットが無
い場合にはR=1024のところに信号が集中する）。受信信
号にノイズが加わった場合、従来方式と本方式には信号
振幅Ｒに大きな差はあるが信号の分散は同程度である。
この結果は本方式による受信により対雑音比を稼いでい
ることを示している。

【００１８】図５に本発明の別の実施例を示す。前述の
第１の実施例に対して遅延素子５２の前にスイッチ５１
０を持ち、スイッチを遅延素子側に入れれば実施例１と
して、逆側に入れれば５１、５３、５４、５５の部分が
並列同期捕捉用相関器として動作可能である。

【００１９】図６に本発明の更に別の実施例を示す。部
分系列相関器６１１〜６１４からの出力はそれぞれ包絡
線検波器６２によって振幅成分のみ抽出され、加算器６
３にて合成される。なお、複素離散信号による処理の場
合には、包絡線検波器の代わりに複素共役器と乗算器に
よっても実現可能である。

【００２０】更に別の実施例として、ドップラー周波数
オフセットに応じて拡散系列の長さを変化させて通信を
行うスペクトル拡散通信システムを示す。ドップラー周
波数推定は図７に示すようなドップラー周波数推定器
や、自動車などの移動速度の判る場合の通信に於いては
その速度と使用中心周波数に応じて行う。ドップラー周
波数推定器は長さの異なる相関器を複数用意しておき、
その相関ピークにおけるレベルから図２の特性を求めて
ドップラー周波数あるいは周波数オフセットを推定す
る。これらのドップラー周波数推定により、ドップラー
周波数が高ければ短い拡散系列を、低ければ長い拡散系
列を用いて通信を行うことにより、フェージングによる
影響の少ない通信が可能となる。なお、拡散系列長を変
化させることによりデータレートが一定であれば所要周
波数帯域幅が変わるが、帯域幅が固定である場合や、通
信品質を更に向上させたい場合にはデータを複数回繰り
返し、等価的にデータ帯域幅を広げて拡散を行うことに
より帯域幅の変更、通信品質の向上をはかることができ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の相関器に
よれば、拘束フェージングによる逆拡散後受信信号の信
号強度の低下を防止することができる。また本発明のス
ペクトル拡散通信システムにおいては、フェージングに
よる通信品質の劣化を防止することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明及び従来技術の説明のため、受信信号の
位相回転により、スペクトル拡散信号の振幅が低下する
様子を模式的に示す図。 (a)-1 ：伝送路の変動がなく、受信信号搬送波の位相が
拡散系列１周期にわたり固定値φである伝送路を示す模
式図。 (a)-2 ：相関器の係数の乗算後各チップが同位相に加算
される様子を示す模式図。 (a)-3 ：逆拡散後の（相関ピークにおける）信号ベクト
ルを示す図。 (b)-1 ：フェージング、周波数オフセットにより受信信
号の位相が時変φ(t) であることを示す模式図。 (b)-2 ：(a)-2 と同じ操作時に各チップベクトルが同位
相にならないことを示す模式図。 (b)-3 ：(b)-2 の信号をベクトル合成した逆拡散後の信
号の例を示す図。 (c)-1 ：(b)-1 と同様（但し部分系列#1〜#4に分割する
様子を示す）。 (c)-2 #1〜#4：各部分系列時間内におけるチップベクト
ルの様子を示す図（同じ様な方向のベクトルを集めた様
になっている例）。 (c)-3 #1〜#4：(c)-2 のベクトルを合成した信号。各部
分相関器出力を示す図。 (C)-4 ：部分系列相関器の出力（(c)-3 ）を同相合成し
て信号レベルが低下するのを補償することを示す図。

【図２】フェージングによる信号強度劣化特性を示す
図。

【図３】本発明が適応される相関器の一実施例の構成を
示すブロック図。

【図４】第一の実施例の一部分を実現する別の構成を示
すブロック図。

【図５】本発明の別の実施例の構成を示すブロック図。

【図６】本発明の更に別の実施例を示すブロック図。

【図７】本発明のスペクトル拡散通信システムに用いる
ドップラー周波数、周波数オフセット推定器のブロック
図。

【図８】従来の相関器の概念を示すブロック図。

【図９】本方式と従来方式の相関器の特性を示す図。

【符号の説明】

３０、５０ 受信信号 ３１、５１ 帯域制限フィルタ ３２、５２ 遅延素子 ３３１、３３２、３３３、３３４５３１、５３２、５３
３、５３４ 部分系列相関器 ３４、５４ ２乗器 ３５、５５ タイミング検出器 ３６、５６ 標本化、位相検出器 ３７、５７ 遅延素子 ３８、５８ 位相変換器 ３９、５９ 加算器 ５１０ スイッチ ４０ 受信信号 ４１１、４１２、４１３、４１４ 部分系列相関器 ４２ 相関器中の遅延素子通過後の信号 ４３ 相関出力 ６０ 受信信号 ６１１、６１２、６１３、６１４ 部分系列相関器 ６２ 包絡線検波器 ６３ 加算器 ７０ 受信信号 ７１１、７１２、７１３、７１４ 相関器 ７２ 出力比較、周波数推定器 ８０ 受信信号 ８１ 遅延素子 ８２ タップ係数 ８３ 加算器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】受信された拡散系列信号に対して、前記拡
   散系列信号を複数の部分系列信号に分割する分割手段
   と、その分割された部分系列信号に対して拡散符号の相
   関処理を行なう複数の部分系列相関検出手段と、その部
   分系列相関検出手段の出力信号の位相を変換する複数の
   位相変換手段と、それらの位相変換手段からの出力信号
   を加算する加算手段とからなることを特徴とする相関
   器。
2. 【請求項２】前記位相変換手段は、前記部分系列相関検
   出手段の出力信号を拡散系列信号の１周期分の時間窓で
   観測し、その中で信号振幅が最大となるか、または他の
   部分系列相関器の信号振幅が最大となるタイミングに対
   応するサンプルベクトル信号の位相情報を検出し、前記
   部分系列相関検出信号の出力信号を前記位相情報に基づ
   いて位相変換させる手段を含むことを特徴とする請求項
   １記載の相関器。
3. 【請求項３】前記位相変換手段は、前記部分系列相関検
   出手段の出力信号の大きさの２乗値を演算し、その演算
   結果をもとに実軸上の信号成分を得ることにより信号ベ
   クトルの位相情報を検出し、前記部分系列相関検出信号
   の出力信号を前記位相情報に基づいて位相変換させる手
   段を含むことを特徴とする請求項１に記載の相関器。
4. 【請求項４】フェージングのドップラー周波数に応じて
   使用する拡散系列の長さを変化させることを特徴とする
   スペクトル拡散通信システム。