(57)【要約】【課題】フレーム化されたデータを受信する際に、フレーム同期の精度を向上させることができる、フレーム同期方法を提供する。【解決手段】受信信号の所定位置に配置されたプリアンブルと既知の信号パターンとを比較してプリアンブル相関最大値を算出し、プリアンブル相関最大値を用いて受信信号のC/N比を推定し、推定したC/N比に応じてフレーム同期検出用の相関閾値を設定し、受信信号の所定位置に配置されたアクセスアドレスと、既知の信号パターンとを比較してプリアンブル相関値を算出し、プリアンブル相関値が、設定した相関閾値を最初に越えたタイミングをフレーム同期点として検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信信号の所定位置に配置された第１の参照信号と、既知の第１の信号パターンとを比較して、第１の相互相関値の最大値を算出し、
前記第１の相互相関値の最大値を用いて、前記受信信号のC/N比を推定し、
前記推定したC/N比に応じて、フレーム同期検出用の相関閾値を設定し、
前記受信信号の所定位置に配置されたフレーム同期用の第２の参照信号と、既知の第２の信号パターンとを比較して、第２の相互相関値を算出し、前記第２の相互相関値が前記設定した相関閾値を最初に越えたタイミングをフレーム同期点として検出する、
フレーム同期方法。
【請求項２】
予め設定された数値の異なる２種類以上の複数の前記相関閾値の中から、前記推定したC/N比に応じた相関閾値を選択し、前記フレーム同期検出用の相関閾値として設定する、請求項１に記載のフレーム同期方法。
【請求項３】
前記第１の参照信号の一部のビットを用いて、前記第１の相互相関値の最大値を推定する、請求項１に記載のフレーム同期方法。
【請求項４】
前記第１の相互相関値の経時変化を求め、前記第１の相互相関値の極大値の回帰直線を用いて、前記第１の相互相関値の最大値を推定する、請求項３に記載のフレーム同期方法。
【請求項５】
所定時間までに取得した前記第１の相互相関値の最大値を用いて、前記受信信号のC/N比を推定する、請求項１に記載のフレーム同期方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、フレーム同期方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
送信装置と受信装置との間でフレーム化されたデータを送受信する場合、受信装置において、受信信号のフレーム同期を確立する必要がある。一般的に同期の確立に広く用いられている相関法では、送信装置から受信装置に対して情報信号を送る際に、その先頭に参照信号が付加される。参照信号は、所定の信号パターンを有する信号列である。受信装置は、受信信号と、既知の参照信号の信号パターンとの相互相関値を算出する。そして、算出した相互相関値のピークとなるタイミングを検出することにより、情報信号の開始タイミングを特定する。
【０００３】
例えば、Bluetooth（登録商標） Low Energy（以下、BLEと示す）では、送信される通信信号の先頭に、プリアンブルと呼ばれる参照信号と、アクセスアドレスと呼ばれる参照信号とが付加されている。プリアンブルは、「０」と「１」とが交互に繰り返される信号パターンであり、ビット(シンボル)単位のタイミングの検出に用いられる。アクセスアドレス(同期ワード)は、送信装置と受信装置との間で接続ごとに割り振られるランダムな値であり、フレーム単位のタイミングの検出に用いられる。
【０００４】
従来、アクセスアドレスのビット長が長い場合には、処理の遅延を抑制するために、全ビットの相互相関値の最大値を検出するのではなく、アクセスアドレスと既知の参照信号との相互相関値が検出閾値を超えた点をフレーム同期点とする。
【０００５】
しかしながら、例えばBLE5.0のLE Coded PHY のような周期的で類似パターン性が強いフレームフォーマットの場合、そのパターン性の為、本来のフレーム同期点以外で、相関値が大きい点が複数存在してしまう（サイドローブ）。このため、キャリアノイズ比（以下、C/N比と示す）が小さくノイズが多い状態の信号にも対応すべく、フレーム検出閾値を低く設定すると、C/N比が大きくノイズが小さい状態の通信信号では、真の同期点よりも前のサイドローブにおいて、アクセスアドレス相互相関値が検出閾値を超えてしまい、フレーム同期点を誤って検出してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８５０７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本実施形態は、フレーム化されたデータを受信する際に、フレーム同期点の検出精度を向上させることができる、フレーム同期方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態のフレーム同期方法は、受信信号の所定位置に配置された第１の参照信号と既知の第１の信号パターンとを比較して第１の相互相関値の最大値を算出し、前記第１の相互相関値の最大値を用いて前記受信信号のC/N比を推定し、前記推定したC/N比に応じて、フレーム同期検出用の相関閾値を設定する。そして、前記受信信号の所定位置に配置されたフレーム同期用の第２の参照信号と既知の第２の信号パターンとを比較して第２の相互相関値を算出し、前記第２の相互相関値が前記設定した相関閾値を最初に越えたタイミングをフレーム同期点として検出する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係わるフレーム同期方法を用いた受信装置の構成の一例を示す概略ブロック図。
【図２】プリアンブル相関最大値とC/N比との関係の一例を説明する図。
【図３】アクセスアドレス相関値によるフレーム同期点の検出方法を説明する図。
【図４】受信信号のフレームの構造の一例を示す図。
【図５】本実施形態に係わるフレーム同期方法の一例を説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係わるフレーム同期方法を用いた受信装置の構成の一例を示す概略ブロック図である。受信装置は、プリアンブル相関回路１と、C/N推定回路２と、フレーム相関回路３と、バッファ４とを有している。なお、プリアンブル相関回路１と、C/N推定回路２と、フレーム相関回路３とは、プロセッサ１０に含まれている。すなわち、プリアンブル相関回路１と、C/N推定回路２と、フレーム相関回路３における各処理は、プロセッサ１０によって実行される。
【００１２】
プリアンブル相関回路１は、受信信号（受信データ）の先頭に付加されたプリアンブル（第１の参照信号）と、既知のプリアンブルである比較信号との相互相関値（プリアンブル相互相関値）を算出する。そして、第１の相互相関値であるプリアンブル相互相関値の最大値を算出し、C/N推定回路２に出力する。また、プリアンブル相互相関値の算出に用いた受信信号は、そのままフレーム相関回路３に出力される。
【００１３】
プリアンブル相関回路１は、例えば、受信信号A(nT)と、比較信号B(nT)とを、ビット毎に乗算し、それらを加算する。具体的には、Bn、Bn-1、Bn-2、…B1のビット列から成る比較信号B(nT)の、それぞれのビットに対し、受信信号A(nT)の各ビットであるA(nT)、A((n-1)T)、A((n-2)T)、…、A(T)を乗算する。これらの乗算値を加算することにより、プリアンブル相互相関値を得る。
【００１４】
予め設定された所定時間の間に算出されたプリアンブル相互相関値の最大値は、C/N推定回路２に入力される。C/N推定回路２には、受信信号のC/N比とプリアンブル相互相関値の最大値との関係が予め登録されている。
【００１５】
図２は、プリアンブル相関最大値とC/N比との関係の一例を説明する図である。図２に示すように、C/N比が高い、すなわち、雑音成分が少ないほど、プリアンブル相関最大値は大きくなる。C/N比が低い領域では、プリアンブル相関最大値は低下する。事前の測定等により得られたC/N比とプリアンブル相関最大値との対応関係は、C/N推定回路２の図示しないメモリ等に格納しておく。
【００１６】
C/N推定回路２は、入力されたプリアンブル相互相関値の最大値を、登録されている受信信号のC/N比とプリアンブル相互相関値の最大値との関係に照合し、受信信号のC/N比を推定する。例えば、プリアンブル相関最大値とC/N比とが図２に示す対応関係である場合、プリアンブル相関回路１から入力されたプリアンブル相互相関値の最大値が８０％であれば、C/N比は３dBと推定される。プリアンブル相互相関値の最大値に基づいて推定されたC/N比は、フレーム相関回路３に入力される。
【００１７】
フレーム相関回路３は、受信信号において、プリアンブルに続いて付加されたアクセスアドレス（第２の参照信号）と、既知のアクセスアドレスである比較信号との相関値（アクセスアドレス相関値）を算出する。そして、第２の相互相関値であるアクセスアドレス相関値が所定の相関閾値（フレーム相関閾値）以上となるタイミングを、フレーム同期点と判定し、同期回路であるバッファ４に出力する。
【００１８】
図３は、アクセスアドレス相関値によるフレーム同期点の検出方法を説明する図である。アクセスアドレスが類似パターンの繰り返しで構成されている場合、図３に示すように、アクセスアドレス相関値の時間波形は、フレーム同期点をメインローブとし、左右に複数のピークがあらわれるサイドローブを有する形状となる。
【００１９】
アクセスアドレス相関値のレベルは、受信信号のC/N比に依存している。すなわち、受信信号のC/N比が大きく、受信信号の品質が高いほど、アクセスアドレス相関値は大きな値となる。逆に、C/N比が小さく、受信信号の品質が低いほど、アクセスアドレス相関値は小さな値となる。従来のフレーム同期方法では、受信信号のC/N比にかかわらず、フレーム同期点を確実に検出するために、C/N比が小さい場合のアクセスアドレス相関値に合わせて、フレーム相関閾値を設定していた。例えば、C/N比が０dBにおいて、メインローブの値より小さくサイドローブの値より大きい値になるように、フレーム相関閾値が設定されていた。
【００２０】
ところが、受信信号のC/N比が大きい場合、サイドローブのアクセスアドレス相関値も大きな値となる。フレーム相関回路３は、アクセスアドレス相関値がフレーム相関閾値を超えた最初のタイミングを同期点と判定するため、フレーム相関閾値よりサイドローブの値のほうが大きくなると、フレーム同期点を誤検出してしまう。
【００２１】
そこで、本実施形態においては、C/N推定回路２で推定された受信信号のC/N比に応じて、フレーム相関回路３で用いるフレーム相関閾値を調整する。例えば、３dB未満のC/N比の受信信号に用いる低フレーム相関閾値と、３dB以上のC/N比の受信信号に用いる高フレーム相関閾値の２種類の閾値を予め設定しておき、C/N推定回路２から入力されたC/N比に応じて、どちらの閾値を用いるか選択する。
【００２２】
例えば、図３において、低フレーム相関閾値ThA’を３００、高フレーム相関閾値ThAを５００とする。受信信号のC/N比が例えば２０dBであり、品質が高い信号が入力されている場合、低フレーム相関閾値ThA’を用いてフレーム同期点を判定すると、真の同期点であるメインローブの一つ前のサイドローブもアクセスアドレス相関値が３００を超えているため、フレーム同期点として誤検出してしまう。
【００２３】
しかし、C/N推定回路２で推定された受信信号のC/N比（＝２０dB）に従い、フレーム相関閾値を高フレーム相関閾値ThAに変更してフレーム同期判定を行うと、メインローブのみがフレーム相関閾値を超えるため、サイドローブをフレーム同期点として誤検出することがなくなり、フレーム同期点の検出精度が向上する。
【００２４】
フレーム相関回路３は、検出したフレーム同期点を、バッファ４に出力する。バッファ４は、入力された同期点を用いて受信信号のフレーム同期処理を行い、同期化された信号を出力する。
【００２５】
次に、本実施形態におけるフレーム同期方法について説明する。受信信号のフレームフォーマットは、例えば、図４に示すBLE5.0のLE Coded PHY S=8のフォーマットとする。
【００２６】
図４は、受信信号のフレームの構造の一例を示す図である。具体的には、図４は、BLE5.0のLE Coded PHY S=8のフレームフォーマットである。図４に示すように、LE Coded PHY S=8のフレームは、データであるFEC block 2の前に、プリアンブル（Preamble）と、アクセスアドレス（Access Address）を含むFEC block 1が付加されている。
【００２７】
プリアンブルは、ゲイン調整と、シンボル単位の同期などに用いられる。プリアンブルは、「０」「１」のパターンを、「００１１」「１１００」と４倍に拡散して生成した「００１１１１００」の８ビットのパターンを、１０回繰り返す８０ビットのデータ列から成る。
【００２８】
アクセスアドレスは、２つのデバイス間で接続ごとに割り振られるランダムな値である。アクセスアドレスは、そのフレームがどの接続のものかを区別する識別子であり、フレーム単位の同期に用いられる。アクセスアドレスは、当該識別子を示す３２ビットのデータを、畳み込み符号化、及びプリアンブル同様に「０」を「００１１」、「１」を「１１００」と４倍に拡散して生成した、２５６ビットのデータ列から成る。すなわち、アクセスアドレスには、「００１１」と「１１００」のパターンが頻出する。
【００２９】
このようなフレームフォーマットを有する通信信号を受信し、フレーム同期を行う方法について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係わるフレーム同期方法の一例を説明するフローチャートである。
【００３０】
まず、プリアンブル相関回路１において、プリアンブル最大相関値を取得する（Ｓ１）。BLE5.0のLE Coded PHY S=8ように、プリアンブルのビット長が既知である場合、受信信号の相関長はプリアンブルのビット長とする。
【００３１】
次に、C/N推定回路２において、受信信号のC/N比を推定する（Ｓ２）。具体的には、プリアンブル相関回路１で取得したプリアンブル相互相関値の最大値を、登録されている受信信号のC/N比とプリアンブル相互相関値の最大値との関係に照合することにより、受信信号のC/N比を推定する。
【００３２】
続いて、推定したC/N比を、予め設定されたC/N閾値と比較する（Ｓ３）。推定したC/N比が、C/N閾値未満である場合（Ｓ３、NO）、フレーム相関回路３で用いるフレーム相関閾値に低フレーム相関閾値をセットする（Ｓ４）。一方、推定したC/N比が、C/N閾値以上である場合（Ｓ３、YES）、フレーム相関回路３で用いるフレーム相関閾値に高フレーム相関閾値をセットする（Ｓ５）。
【００３３】
最後に、フレーム相関回路３は、受信信号に付加されたアクセスアドレス信号と、既知のアクセスアドレス信号である比較信号とのアクセスアドレス相関値を算出する。そして、アクセスアドレス相関値において、最初にフレーム相関閾値以上となるタイミングをフレーム同期点として抽出し、バッファ４に出力する（Ｓ６）。
【００３４】
図４に示すBLE5.0のLE Coded PHY S=8のフレームフォーマットのように、アクセスアドレスに特定の信号パターン（「００１１」と「１１００」）、及び、これと類似するパターンが頻出する場合、サイドローブのアクセスアドレス相関値が、真のフレーム同期点であるメインローブのアクセスアドレス相関値と近い値をとる。このため、C/N比が高くなり、メインローブのアクセスアドレス相関値が高くなると、サイドローブのアクセスアドレス相関値も高い値となる。
【００３５】
このようなフレームフォーマットの受信信号に対し、C/N比が低い場合にメインローブのアクセスアドレス相関値を検出可能な閾値を用いてフレーム同期点の検出を行うと、受信信号のC/N比が高い場合には、当該閾値がサイドローブのアクセスアドレス相関値よりも低い値になってしまい、サイドローブをフレーム同期点として誤検出する可能性が非常に高かった。これに対し、本実施形態では、フレーム相関閾値をC/N比に応じて変更しているので、C/N比が高い受信信号でも、サイドローブをフレーム同期点として誤検出するのを防止しすることができる。
【００３６】
このように、本実施形態によれば、プリアンブルなどの参照信号を用いたシンボル同期と、アクセスアドレスなどの参照信号を用いたフレーム同期の、２段階同期を行うことが可能な受信信号について、まず、プリアンブル相互最大値に基づき受信信号のC/N比を推定する。そして、推定したC/N比に応じてフレーム相関閾値を設定し、アクセスアドレス相関値が該フレーム相関閾値を越えたタイミングをフレーム同期点して検出する。
【００３７】
すなわち、受信信号のC/N比に応じてフレーム相関閾値を調整することで、C/N比が大きくノイズが小さい状態の通信信号でも、真の同期点以外のピークをフレーム同期点と誤検出することを防ぎ、フレーム同期点の検出精度を向上させることができる。
【００３８】
なお、上述では、C/N比が３dB未満の受信信号に用いる低フレーム相関閾値と、３dB以上のC/N比の受信信号に用いる高フレーム相関閾値の２種類の閾値を予め設定しているが、フレーム相関閾値は３種類以上設定してもよい。また、C/N比の関数として登録しておき、推定したC/N比を入力すると、対応するフレーム相関閾値が算出されるようにしてもよい。
【００３９】
また、低フレーム相関閾値と高フレーム相関閾値とを切り替えるC/N比は、３dBに限定されるものではなく、予め定義された値であれば、これ以上の値でもよいし、これ以下でもよい。
【００４０】
更に、推定したC/N比を用いてフレーム相関閾値を決定するのではなく、プリアンブル相関最大値を用いてフレーム相関閾値を決定してもよい。例えば、受信信号にプリアンブル相関最大値が８０％以上の場合に高フレーム相関閾値を用い、プリアンブル相関最大値が８０％未満の場合に低フレーム相関閾値を用いるようにしてもよい。なお、低フレーム相関閾値と高フレーム相関閾値とを切り替えるプリアンブル相関最大値は、８０％に限定されるものではなく、予め定義された値であれば、これ以上の値でもよいし、これ以下でもよい。
【００４１】
プリアンブル相関最大値に応じてフレーム相関閾値を変更する場合も、C/N比を用いる場合と同様に、フレーム相関閾値は３種類以上設定してもよいし、プリアンブル相関最大値を入力すると、対応するフレーム相関閾値が算出されるようにしてもよい。
【００４２】
また、受信信号のフレームフォーマットは、BLE5.0のLE Coded PHY S=8に限定されず、シンボル同期を行う参照信号と、フレーム同期を行う参照信号とが付加された受信信号であれば、どのようなフレームフォーマットの信号でもよい。
【００４３】
また、上述では、受信信号を１ビット読み込むごとに、プリアンブル相互相関値を算出する。プリアンブル相互相関値は、プリアンブルを構成するデータ列を完全に読み込んだ時点で最大値となる。従って、８０ビットのプリアンブルを用い、１クロックに１ビットの信号が読み込まれる場合、受信信号の読み込みを開始してからプリアンブル相関最大値を取得するまで、８０クロックを要する。すなわち、上述の方法では、プリアンブルのデータ長が長くなると、プリアンブル相関最大値の算出時間も長くなってしまい、受信信号の処理速度が低下してしまう。
【００４４】
そこで、所定のビット数（または所定時間）だけプリアンブルを読み込んだ時点で、それまでのプリアンブル相互相関値の推移を参照し、プリアンブル相関最大値を推定する。この推定したプリアンブル相関最大値を用い、C/N比の推定を行ってもよい。プリアンブル相関最大値を推定することで、シンボル同期処理時間が短縮され、フレーム同期に迅速に移行することができる。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、一例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１…プリアンブル相関回路、２…C/N推定回路、３…フレーム相関回路、４…バッファ、１０…プロセッサ、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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