JP5423866B2

JP5423866B2 - 相関器

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Publication number: JP5423866B2
Application number: JP2012253820A
Authority: JP
Inventors: 仁志秋山
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP2013048488A

Description

この発明は、スペクトラム拡散信号の拡散コードの相関を取る相関器に関するものである。

従来、拡散コードで目的信号をスペクトラム拡散してなるスペクトラム拡散信号を受信して、復調する受信機が各種考案されている。このような受信機では、スペクトラム拡散信号に含まれる拡散コードを相関処理用の拡散コードとして予め記憶しており、当該相関処理用の拡散コードによりスペクトラム拡散信号に含まれる拡散コードの相関を取ることで、スペクトラム拡散信号から目的信号を復調する。そして、このような拡散コードの相関処理は、従来、特許文献１に示すようなＤＬＬ（ディレイロックループ）回路を用いる。
特表２００６−５１６８６５号公報

しかしながら、ＤＬＬ回路は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）等のアナログ的回路素子を含むとともに、制御のための閉ループを形成するものである。このため、設計及び調整が難しくなるとともに、これら設計及び調整が上手くいかないと、拡散コードをロックできず、有意な相関値を取ることができない可能性がある。

したがって、本発明の目的は、相関処理に対してアナログ的な処理を用いることなく、設計が容易で、調整が簡単な相関器を実現することにある。

この発明は、目的信号を拡散コードでスペクトラム拡散してなるスペクトラム拡散信号に対して、前記拡散コードの相関を取り、相関値を出力する相関器であって、前記目的信号に基づくそれぞれに異なるサンプリング周波数で設定されるフィルタ係数で前記拡散コードの相関値を算出する複数の整合フィルタと、該複数の整合フィルタから出力される相関値を加算して合成相関値を出力する加算器と、を備え、前記複数の整合フィルタの数は、前記複数の整合フィルタ間のサンプリング周波数の差である局部周波数帯域幅と、全ての整合フィルタによって設定されるサンプリング周波数の最大幅である最大周波数帯域幅と、に基づいて設定されていることを特徴とする。

この構成では、送信機および受信機の相対移動により、相関器を備える受信機で目的信号の周波数がドップラシフトして受信されても、受信信号の周波数に応じて各整合フィルタの相関値が得られる。このようなコード相関では、各整合フィルタから出力される相関値レベル（絶対値）は、相関が強いほど急激に高い値（例えば「１」）になり、相関が弱いほど低い値（例えば「０」）になる非線形な特性を有する。このため、これら各整合フィルタからの相関値を加算すれば、受信信号に一致した周波数や近い周波数で設定された整合フィルタからの相関値が強調的に現れる。このため、シフト量に応じて異なるフィルタ係数が設定された各整合フィルタからの相関値を加算すれば、相関器として略一定に検出可能な閾値レベル以上の高い値が出力される。この際、相関器を構成する要素は、それぞれに異なるサンプリング周波数からフィルタ係数が設定された複数の整合フィルタ、および、該複数の整合フィルタから出力される相関値を加算する加算器のみであり、極簡素な構成で実現される。

また、整合フィルタ数Ｎは、局部周波数帯域幅と、最大周波数帯域幅とに基づいて設定することができる。局部周波数帯域幅は、隣り合う整合フィルタのそれぞれに設定されたサンプリング周波数間で周波数が変化しても、これらの整合フィルタの相関値データ同士を加算して得られる局部合成相関値が、常時所定レベル以上となり得ることが好ましい。このように局部周波数帯域幅が決定されれば、最大周波数帯域幅を当該局部周波数帯域幅で除算すれば、必要な整合フィルタ数を算出することができる。そして、各整合フィルタのサンプリング周波数は、目的信号を基準周波数にして、局部周波数帯域幅に応じて高域側および低域側に順次周波数シフトすることにより得ることができる。

また、最大周波数帯域幅は、前記目的信号を送信する送信機と当該相関器を備える受信機との相対速度に基づいて設定されている。この構成では、相対速度に応じて目的信号の周波数に対する受信信号の周波数のシフト量が決定されるので、相対速度に基づいて複数の整合フィルタで相関を取る周波数帯域を設定すれば、いずれかの整合フィルタで高い相関値が得られる。

また、この発明の相関器は、複数の整合フィルタから出力される複数の相関値の位相差を、相関値出力タイミングが一致するように補正する位相調整器を備える。この構成では、この周波数差に応じて生じる出力タイミングの差を位相調整して一致させることで、各整合フィルタからの出力タイミングのズレに基づく、相関値同士の相殺を防止することができる。

この発明によれば、目的信号の周波数がシフトしても、略一定に検出閾値レベル以上の相関値を出力することができる相関器を、複雑なループ処理等を行う必要のない簡素な構成で実現することができる。

本発明の実施形態の相関器１０２を備える受信機１００を含むスペクトラム拡散通信システムの概略構成を示す図、および、相関器１０２の構成を示すブロック図である。経時的に受信周波数をシフトさせた場合の各整合フィルタの出力相関値の遷移を示す図である。経時的に受信周波数をシフトさせた場合の合成相関値の遷移を示す図である。Ｎ個の整合フィルタを用いた相関器１０２’の構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係る相関器について、図を参照して説明する。

図１（Ａ）は本実施形態の相関器１０２を備える受信機１００を含むスペクトラム拡散通信システムの概略構成を示す図であり、図１（Ｂ）は本実施形態の相関器１０２の構成を示すブロック図である。

本実施形態の相関器１０２を含むスペクトラム拡散通信システムでは、送信機２００と受信機１００とを備える。受信機２００は、マイクＭＩＣ、受信部１０１、相関器１０２を備え、送信機２００は放音制御部２０１とスピーカＳＰとを備える。

送信機２００の放音制御部２００は、楽音信号や超音波信号等の目的信号を拡散コードで変調することによりスペクトラム拡散信号を生成する。スピーカＳＰは、スペクトラム拡散信号を放音する。

受信機１００のマイクＭＩＣは、送信機２００のスピーカＳＰから放音されたスペクトラム拡散信号を収音して、受信部１０１へ与える。受信部１０１は、収音信号をアナログ信号からデジタル信号に変化することで、受信信号を生成する。この際、送信機２００および受信機１００が相対的に移動していれば、受信信号の周波数は目的信号の周波数に対してドップラシフトした周波数で出力される。

相関器１０２は、図１（Ｂ）に示すように、複数の整合フィルタ１１１〜１１３、位相調整器１２０、および加算器１３０からなる。

複数の整合フィルタ１１１〜１１３は、それぞれデジタルフィルタからなり、例えばＦＩＲフィルタによって形成される。この際、複数の整合フィルタ１１１〜１１３は、予め記憶している送信機２００と同じ拡散コードと、それぞれに異なるサンプリング周波数とに基づいてフィルタ係数が設定されている。各整合フィルタ１１１〜１１３は、受信信号が入力されると、自身のフィルタ係数で設定されている拡散コードによって相関処理を行い、相関が強いと当該拡散コードの周期で強いピーク値を発生する。各整合フィルタ１１１〜１１３は、当該ピーク値を検出することで相関値を出力する。

具体的には、整合フィルタ１１１は、目的信号の周波数ｆ０と同じ周波数からなる基準サンプリング周波数Ｆ０でサンプリングされた拡散コードによりフィルタ係数が設定されている。整合フィルタ１１２は、目的信号の周波数ｆ０よりも所定周波数分だけ高い方向へ周波数偏差を与えた第１シフトサンプリング周波数Ｆ１でリサンプリングされた拡散コードによりフィルタ係数が設定される。整合フィルタ１１３は、目的信号の周波数ｆ０よりも所定周波数分だけ低い方向へ周波数偏差を与えた第２シフトサンプリング周波数Ｆ２でリサンプリングされた拡散コードによりフィルタ係数が設定される。この際、基準サンプリング周波数Ｆ０に対する第１シフトサンプリング周波数Ｆ１の周波数偏差と、基準サンプリング周波数Ｆ０に対する第２シフトサンプリング周波数Ｆ２の周波数偏差とは、基準サンプリング周波数Ｆ０を中心周波数として高域側にシフトさせるかと低域側にシフトさせるかの違いであり、周波数偏差量は同じに設定する。

ここで、このような第１、第２シフトサンプリング周波数Ｆ１，Ｆ２の設定は、基準サンプリング周波数Ｆ０によって設定されるフィルタ係数を周波数偏差に応じたリサンプリング処理により実現される。

例えば、整合フィルタ１１１の基準サンプリング周波数Ｆ０に対して、整合フィルタ１１２の第１シフトサンプリング周波数Ｆ１に＋０．３％で周波数偏差を与える場合、整合フィルタ１１１のフィルタ係数を１０００倍にアップサンプリングしたのち、１／１００３倍でダウンサンプリングすることで、整合フィルタ１１２のフィルタ係数を設定することができる。一方、整合フィルタ１１１の基準サンプリング周波数Ｆ０に対して、整合フィルタ１１３の第２シフトサンプリング周波数Ｆ２に−０．３％で周波数偏差を与える場合、整合フィルタ１１１のフィルタ係数を１０００倍にアップサンプリングしたのち、１／９９７倍でダウンサンプリングすることで、整合フィルタ１１３のフィルタ係数を設定することができる。

このように整合フィルタ１１１〜１１３毎に異なるサンプリング周波数でフィルタ係数が設定されていることで、受信信号に対して異なる相関値の出力特性を得ることができる。例えば、上述のように、整合フィルタ１１１を基準サンプリング周波数Ｆ０で設定し、当該基準サンプリング周波数Ｆ０を中心周波数として高域側と低域側に周波数偏差を与えた第１、第２シフトサンプリング周波数Ｆ１，Ｆ２で整合フィルタ１１２，１１３を設定する。

このような設定では、整合フィルタ１１１は、ドップラシフトされていない基準サンプリング周波数Ｆ０に対応した受信信号が入力されると、強い相関が得られ、相関値「１」を出力する。一方で、第１、第２シフトサンプリング周波数Ｆ１，Ｆ２にドップラシフトされた受信信号が入力されると、拡散コードの周期および相関特性に応じて相関値が低下する。なお、この低下量は、基準サンプリング周波数Ｆ０から受信信号の周波数が離れるほど低くなり、拡散コードの１チップ分以上になると、相関値は「０」になる。

また、整合フィルタ１１２は、第１シフトサンプリング周波数Ｆ１にドップラシフトされた受信信号が入力されると、強い相関が得られ、相関値「１」を出力する。ドップラシフトされていない基準サンプリング周波数Ｆ０の受信信号や、第１シフトサンプリング周波数Ｆ１から離れた第２シフトサンプリング周波数Ｆ２にドップラシフトされた受信信号が入力されると、拡散コードの周期および相関特性に応じて相関値が低下したり、相関値が「０」になる。

さらに、整合フィルタ１１３は、第２シフトサンプリング周波数Ｆ２にドップラシフトされた受信信号が入力されると、強い相関が得られ、相関値１を出力する。ドップラシフトされていない基準サンプリング周波数Ｆ０の受信信号や、第２シフトサンプリング周波数Ｆ２から離れた第１シフトサンプリング周波数Ｆ１にドップラシフトされた受信信号が入力されると、拡散コードの周期および相関特性に応じて相関値が低下したり、相関値が「０」になる。

そして、例えば、基準サンプリング周波数Ｆ０と第１シフトサンプリング周波数Ｆ１との間の周波数にドップラシフトされた受信信号が入力されれば、整合フィルタ１１１と整合フィルタ１１２とで、拡散コードの周期に基づく各整合フィルタの相関特性に応じた所定レベルの相関値が出力され、整合フィルタ１１３では極低い相関値が出力される。

図２は、経時的に受信周波数をシフトさせた場合の各整合フィルタ１１１〜１１３の出力相関値の遷移を示す図であり、（Ａ）は整合フィルタ１１１の出力相関値の遷移、（Ｂ）は整合フィルタ１１２の出力相関値の遷移、（Ｃ）は整合フィルタ１１３の出力相関値の遷移を示す。なお、図２に示す例では、整合フィルタ１１１に対する整合フィルタ１１２の周波数偏差は＋０．３％に設定され、整合フィルタ１１１に対する整合フィルタ１１３の周波数偏差は−０．３％に設定されている。そして、受信信号を±０．３％の範囲で継続的に周波数遷移させた場合について示している。

図２に示すように、各整合フィルタ１１１〜１１３は、自身のサンプリング周波数と同じかもしくは近い周波数の受信信号が入力されれば高い相関値を出力し、自身のサンプリング周波数から離間した周波数になると低い相関値を出力する。

このように、各整合フィルタ１１１〜１１３から出力された相関値データは、位相調整器１２０へ入力される。

位相調整器１２０は、各整合フィルタ１１１〜１１３からの相関値データの相関ピークの検出タイミングを一致させるように、相関値データの位相を調整する。具体的には、整合フィルタ１１１〜１１３は、それぞれ異なるサンプリング周波数でフィルタ係数が設定されているので、拡散コードの周期による相関ピークを出力するタイミングが周波数偏差量に応じて異なる。したがって、位相調整器１２０は、周波数偏差量に応じて、各相関値データの位相を調整し、一つの受信信号に基づいて各整合フィルタ１１１〜１１３より得られる各相関値データの検出タイミングを一致させる。このように位相調整された各相関値データは、加算器１３０へ入力される。

加算器１３０は、位相調整された各相関値データを検出タイミング毎に加算して、合成相関値を出力する。図３は、経時的に受信周波数をシフトさせた場合の合成相関値の遷移を示す図である。図３に示すように、各整合フィルタ１１１〜１１３から出力された相関値を加算することで、周波数が変化しても定常的に所定レベル以上の相関値が出力される。これは、受信信号の周波数がドップラシフトしても、整合フィルタ１１１〜１１３のいずれかにおいて、上述の図２に示すように、所定レベルの相関値が出力されるので、これらを加算することで、定常的に所定レベル以上の相関値を得ることができるからである。この際、位相調整器１２０により各相関値データの検出タイミングが一致するように調整することで、各相関値データ同士が相殺されることがなく、より確実に所定レベル以上の相関値をドップラシフト量に関わらず定常的に出力することができる。

このように、本実施形態の構成を用いることで、拡散コードでスペクトラム拡散された目的信号がドップラシフトにより周波数変化された状態で受信しても、確実に拡散コードのコード相関を取ることができ、目的信号を正確に復調することができる。この際、複数の整合フィルタ（上述の例では三個）、位相調整器および加算器からなる簡素な構成でコード相関を取ることができ、従来のＤＬＬのような複雑でアナログ的な閉ループ処理を行わなくてもよい。

なお、上述の説明では、整合フィルタ数が三個の例を示したが、送信機と受信機との相対速度の最大値によって設定される最大周波数帯域幅に応じて、より多くの整合フィルタを用いてもよい。図４は、Ｎ個の整合フィルタを用いた相関器１０２’の構成を示すブロック図である。

図４に示す相関器は、Ｎ個の整合フィルタ１１０Ａ〜１１０Ｎと、位相調整器１２０’、加算器１３０’を備える。各整合フィルタ１１０Ａ〜１１０Ｎは、上述の整合フィルタ１１１〜１１３と同じようにデジタルフィルタにより構成され、それぞれに異なるサンプリング周波数に基づいてフィルタ係数が設定されている。位相調整器１２０’は、各整合フィルタ１１０Ａ〜１１０Ｎから出力される相関値データの位相調整を、上述の位相調整器１２０と同様の原理で行って、加算器１３０’へ出力する。加算器１３０’は、これら位相調整された相関値データを、検出タイミングで加算して合成相関値を出力する。

整合フィルタ数Ｎは、最大周波数帯域幅と拡散コードの周期に基づく整合フィルタの相関特性とに基づいて、以下のように設定することができる。ここで、最大周波数帯域幅（本発明の「サンプリング周波数の最大幅」に相当する。）は、最小のサンプリング周波数と最大のサンプリング周波数との差であり、送信機と受信機との相対速度によって決まるドップラシフト量によって設定される。

各整合フィルタは、拡散コードの周期（１チップのコード長）と周波数偏差量とに応じて相関カーブの遷移量、すなわち相関特性が決定する。この相関特性を利用し、隣り合う整合フィルタのそれぞれに設定されたサンプリング周波数間で周波数が変化しても、これらの整合フィルタの相関値データ同士を加算して得られる局部合成相関値が、常時所定レベル以上となり得る局部周波数帯域幅を得ることができる。このように局部周波数帯域幅が決定されれば、最大周波数帯域幅を当該局部周波数帯域幅で除算すれば、必要な整合フィルタ数を算出することができる。そして、各整合フィルタのサンプリング周波数は、目的信号を基準周波数にして、局部周波数帯域幅に応じて高域側および低域側に順次周波数シフトすることにより得ることができる。

このように算出された必要数の整合フィルタを用い、算出された各サンプリング周波数を各整合フィルタのフィルタ係数を設定することで、最大周波数帯域幅の範囲内の周波数であれば、基準周波数から周波数がシフトしても確実にコード相関を行うことができる。

なお、上述の説明では位相調整器を用いた例を示したが、各整合フィルタの出力が相殺されないような場合には、位相調整器を省略することができる。

また、上述の説明では、楽音信号や超音波信号を目的信号とする例を示したが、直接スペクトラム拡散を行うシステムであれば、他の周波数帯域を用いた目的信号に対しても、上述の構成および処理を適用することができる。

１００−受信機、１０１−受信部、１０２−相関器、１１０Ａ〜１１０Ｎ，１１１〜１１３−整合フィルタ、１２０，１２０’−位相調整器、１３０，１３０’−加算器、２００−送信機、２０１−放音制御部、ＭＩＣ−マイク、ＳＰ−スピーカ

Claims

目的信号を拡散コードでスペクトラム拡散してなるスペクトラム拡散信号に対して、前記拡散コードの相関を取り、相関値を出力する相関器であって、
前記目的信号に基づくそれぞれに異なるサンプリング周波数で設定されるフィルタ係数で前記拡散コードの相関値を算出する複数の整合フィルタと、
該複数の整合フィルタから出力される相関値を加算して合成相関値を出力する加算器と、を備え、
前記複数の整合フィルタの数は、前記複数の整合フィルタ間のサンプリング周波数の差である局部周波数帯域幅と、全ての整合フィルタによって設定されるサンプリング周波数の最大幅である最大周波数帯域幅と、に基づいて設定されていることを特徴とする相関器。
前記局部周波数帯域幅は、当該整合フィルタ間の相関値を加算して得られる局部合成相関値が、周波数領域で連続的に所定レベル以上となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の相関器。
前記最大周波数帯域幅は、前記目的信号を送信する送信機と当該相関器を備える受信機との相対速度に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の相関器。
前記複数の整合フィルタから出力される複数の相関値の位相差を、相関値出力タイミングが一致するように補正する位相調整器を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の相関器。