JP2982504B2 - 適応受信機 - Google Patents
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Description
陸上および衛星デジタル移動通信などにおけるマルチパ
スフェージングおよび低SN受信などの条件に対してア
ダプティブアレイを用いて最適受信を行う適応受信機に
関する。
ディジタル通信においては、マルチパスフェージング歪
の適応等化を行う必要があり、また、移動通信を都市内
で行った場合には建物の反射などによるマルチパス歪も
等化の対象となる。これらのマルチパス歪に対してはア
ダプティブアレイが効果的であると報告されている。例
えば、クラークらは、アイ・イー・イー・イー グロー
バル・テレコミュニケーション・コンファレンス 19
90年において“MMSE(Minimum Mean
Square Error)ダイバーシティ コンバ
イニング フォアワイドバンド デジタル セルラー
ラジオ”(NO.404.5.1) として陸上移動通信へのアダプ
ティブアレイの適用を提案している。この論文による
と、アダプティブアレイによりマルチパス波到来方向に
対してアンテナパターンの落ち込み(ナル)を作ること
ができる。すなわちマルチパス波を受信しないので、主
波のみが受信されマルチパス歪が発生しないことにな
る。従って、従来のようなトランスバーサルフィルタ構
造の適応等化器を用いなくてもアダプティブアレイのみ
により等価的にマルチパス波による符号間干渉を除去で
きる。
の従来技術を図4に示す。図4において、301はN個
のアンテナ、302はN個の受信機、303はN個の乗
算器、304は1個の合成器、305は1個の判定器、
306は1個の減算器、307はLMS(Least
Mean Square)演算器である。図4に示す構
成は従来から知られているアダプティブアレイである。
アダプティブアレイによるタップ係数の適応制御には、
合成器304出力と基準信号との差により誤差信号をま
ず作る。基準信号としては既知のトレーニング信号また
は判定器305の入出力の減算器306のデータが用い
られる。LMS演算器307は誤差信号の自乗平均値が
最小となるように、ウィドローが提案した複素LMSア
ルゴリズムにより乗算器303のタップ係数を修正して
いる。従って図4のアダプティブアレイはLMSアダプ
ティブアレイとも呼ばれ、その動作は下記のようになる
ことが知られている。
ブアレイは希望波到来方向にアンテナパターンをフォー
ミングし、受信信号レベルが最大となるように制御す
る。一方、マルチパス伝搬がある場合に、主波に対し進
み又は遅れのマルチパス波は希望波(主波)に対して干
渉となる。この場合、アダプティブアレイは主波のみに
アンテナ指向性を向け、マルチパス到来方向にナルを作
る。従って、前記クラークらの論文は上記の性質を利用
したものと解釈できる。LMSアルゴリズムの他にCM
Aアルゴリズムなどもよく知られており現在研究されて
いる。これは合成器304出力の包絡線レベルを一定と
なるように制御を行うもので、結果的にはマルチパス波
をアダプティブアレイで除去することになる。
は、マルチパス波の到来方向にアンテナパターンのナル
を作ることによりマルチパス歪を除去している。この場
合、マルチパス伝搬による遅延プロファイルがさらに分
散した場合に、主波レベルはかなり低下する。すなわ
ち、主波のみ受信するアダプティブアレイ方式では、マ
ルチパス分散の程度に応じてSN比が劣化することにな
る。従って従来のアダプティブアレイ方式では、マルチ
パス波を単に除去するだけで、電力制限系での最適受信
が行えないという欠点がある。特に本来低SN通信を行
う衛星移動体通信ではSN比を改善するようなマルチパ
ス除去方式が望まれる。本発明の目的は、SN比の最大
化とマルチパス波の除去とを等価的に実現するアダプテ
ィブアレイによる適応受信機を提供することにある。
伝搬遅延時間が互いにτ間隔で異なるマルチパス成分を
含む信号をN(Nは2以上の整数)素子のアレイアンテ
ナを用いて受信する第1の手段と、前記第1の手段によ
るN個の受信信号をM(Mは2以上の整数)分岐する第
2の手段と、前記第2の手段により分岐されたM個のグ
ループごとにN個の信号の各々を対応する乗算器及び相
関器に通す第3の手段と、前記M個のグループごとに前
記第3の手段で処理されたN個の信号を独立に加算して
独立したM個のアダプティブアレイとして出力する第4
の手段と、前記第4の手段の第n(nは1〜Mの整数)
番目のアダプティブアレイの出力信号に前記τの(M−
n)倍の遅延時間をそれぞれ与える第5の手段と、前記
第5の手段のM個の出力信号を合成して適応等化器を通
す第6の手段と、前記第6の手段の出力信号に前記τの
(n−1)倍の遅延時間をそれぞれ与えて前記第3の手
段の第n番目のグループのN個の相関器にそれぞれ入力
する第7の手段と、前記第3の手段の前記各乗算器の入
力信号に前記τと前記適応等化器の遅延時間との合計時
間だけ遅延を与えて対応する前記各相関器にそれぞれ入
力して前記第7の手段からそれぞれ入力された信号と相
関をとる第8の手段とを有し、前記乗算器の出力を各ア
ダプティブアレイのタップ係数とすることを特徴とす
る。
る。図1は本発明の一実施例の構成図である。図2は本
発明の動作説明のための説明図である。図1において、
101はN個のアンテナ、102はN個の受信機、10
3はN個の乗算器、104はN個の遅延時間ηの遅延素
子、105はN個の相関器、106はN個の乗算器、1
07はN個の遅延時間ηの遅延素子、108はN個の相
関器、109はN個の乗算器、110はN個の遅延時間
ηの遅延素子、111はN個の相関器、112と113
と114は加算器、115は遅延時間2τの遅延素子、
116は遅延時間τの遅延素子、117は加算器、11
8は適応等化器、119は遅延時間τの遅延素子、12
0は遅延時間2τの遅延素子である。図2において、2
01はアレイアンテナ、202は第1のアダプティブア
レイの乗算器、203は第1のアダプティブアレイの加
算器、204は第2のアダプティブアレイの乗算器、2
05は第2のアダプティブアレイの加算器、206は第
3のアダプティブアレイの乗算器、207は第3のアダ
プティブアレイの加算器、208は遅延時間2τの遅延
素子、209は遅延時間τの遅延素子、210は加算
器、211は適応等化器、図3(a)は受信入力におけ
る主波とマルチパス波の時間関係を示す説明図、図3
(b)は加算器210における主波とマルチパス波の時
間関係を示す説明図である。図1において、アンテナ1
01と受信機102によりN素子アレイアンテナ受信が
行われる。受信機102は無線周波数から中間周波数
(IF)またはベースバンド信号に変換する。図1の実
施例ではN素子アレイアンテナから独立なアダプティブ
アレイを3組構成する一例であるので、N本の受信機1
02出力は3分岐される。3分岐されたN本の受信信号
ブランチはさらにN個の乗算器103と、N個の乗算器
106とN個の乗算器109に入力される。乗算器10
3、遅延素子104、相関器105および加算器112
は第1のアダプティブアレイを構成し、要素106,1
07,108および113は第2のアダプティブアレイ
を構成し、要素109,110,111および114は
第3のアダプティブアレイを構成する。
ナルを作るのではなく、マルチパス波を希望信号波とし
て最大比合成することにある。この最大比合成する際に
は、各マルチパス波の伝搬遅延時間を吸収しており、通
信理論などで知られている整合フィルタと同様の効果を
アダプティブアレイで実現することである。整合フィル
タリングを行った場合に、SN比の最大化が行われる
が、デジタル伝送でのナイキストの無歪条件は満足され
ない。従って、本発明においては図1の適応等化器11
8が不可欠となる。適応等化器は一般に適応フィルタで
構成され、線形等化器、非線形等化器などに分類される
が、いずれも図4の判定器305と減算器306を備え
ている。すなわち判定器誤差信号の自乗平均値が最小と
なるように適応等化器が制御される。ここで注意すべき
ことは従来例のアダプティブアレイのMMSE(自乗平
均誤差最小)制御と等価の制御が本実施例の適応等化器
118の内部で行われていることである。前述のよう
に、アダプティブアレイによりマルチパス波に対してナ
ルが作られないようにするために、判定器誤差信号を用
いるのではなく、適応等化器118の出力である判定デ
ータ信号によりアダプティブアレイ系の適応制御を行
う。すなわち図1にて第1のアダプティブアレイの制御
に関して適応等化器118出力の判定データとN個の乗
算器103入力と相関を取り、該相関値をそれぞれの乗
算器103に乗ずる。この相関処理において、遅延素子
104により乗算器103入力信号を遅延時間ηだけ遅
延させている。このηは遅延素子116の遅延時間τプ
ラス適応等化器118の遅延時間に等しく設定してい
る。遅延素子104を用いる理由は、適応等化器118
の出力の判定データ信号がアンテナ101の点よりηだ
け遅延しており、相関処理において時間合わせが必要な
ためである。
ルチパス波の中から特定のマルチパス波を抽出する原理
について説明する。主波h0 S(t)、進み波h- 1 S
(t−τ)および遅れ波h+ 1 S(t+τ)が図に示す
矢印方向に到来していると仮定する。ここでh- 1 、h
0 およびh+ 1 は各マルチパスに対する複素伝達係数で
あり、インパルス応答の離散値と一致するものである。
この場合、第1のアンテナ素子201への受信信号r
(t)は(1)式で表される。
ンテナは半波長間隔で設置されるので、各アンテナ素子
による受信信号には一定の位相差が生じる。すなわち第
2のアンテナ素子201による受信信号はr(t)・e
xp(jφ)、第3のアンテナ素子201による受信信
号は、r(t)・exp(j2φ)、第Nのアンテナ素
子201による受信信号は同様にr(t)・exp{j
(N−1)φ}となる。適応等化器211の判定データ
が今Sa(t+τ)であるとする。判定誤りが生じてい
ない場合には、判定データは送信データと一致し、誤り
率が低い場合には、(2)式のように近似される。
で図1において、まず第2のアダプティブアレイに着目
する。第2のアダプティブアレイは適応等化器118出
力の判定データを遅延素子119によりτだけ遅延させ
て相関制御に用いている。この場合に、第2のアダプテ
ィブアレイのN個の相関器108では遅延素子119出
力の判定データSa(t)との相関演算が行われ、第1
の相関器108は、(3)式に示すような相関値W1 を
出力する。なお、ここでの相関とは基準信号に対する一
方の信号の複素共約と基準信号との積を時間平均する。
時間平均はEという記号で示すものとする。
信号S(t)は通常PN信号に代表されるように自己相
関性が急峻であり、データ間隔τに対して時間差がτ以
上である場合には相関が零になる。すなわち、 E[S(t)* ・S(t)]=1 E[S(t−τ)* ・S(t)]=0 E[S(t+τ)* ・S(t)]=0 となり、(3)式は(4)式で表される。
108の出力=W2 は(5)式で表される。
108の出力=WN は(6)式で表される。
106に乗ぜられるタップ係数をベクトル表示すると、
(7)式のように表される。
ブアレイが主波h0 S(t)の到来方向にアンテナ指向
性を向ける従来のアダプティブアレイのタップ係数理論
解と一致している。ここで第2のアダプティブアレイの
各乗算器入力信号をベクトル表示すると、(8)式で表
される。
従って第2のアダプティブアレイの出力は(9)式とな
る。
は複素共約どうしの積であり、フェージングによる伝達
係数の変動に依存せず、常にh0 2の大きさの実数であ
る。一方、第2および第3項のh0 *h-1とh0 *h+1は複
素共約の関係にも無く、また相関性も無いために、ベク
トル的には常時変動している。すなわち(9)式におい
てS(t)に関するNブランチの最大比合成が行われて
いるのと等価である。従って、第2のアダプティブアレ
イ出力は(10)式のように近似される。
式のようになるが、図2ではNで正規化した値で記載し
ている。
に関して説明する。図1に示すように第1のアダプティ
ブアレイの制御には適応等化器118からの判定データ
を遅延させないで相関処理に用いている。前述の第2の
アダプティブアレイの相関処理の基準信号はS(t)で
あったが、ここではS(t−τ)が基準信号となる。従
って、第1のアダプティブアレイのタップ係数は同様の
計算により(11)式のベクトル表示で表される。
器入力ベクトルは(8)式と同じであるために、第1の
アダプティブアレイ出力は(12)式のように表され
る。
て、第1のアダプティブアレイ出力であるところの加算
器203出力にてh-1 2 S(t−τ)が出力される。同
様に第3のアダプティブアレイに関しては、図2の加算
器207出力にてh+1 2 S(t+τ)が出力される。
ブアレイ出力間にはτ時間の遅延差が存在する。これら
の遅延差τは遅延素子115,116(図2では遅延素
子208および209)により吸収される。すなわち図
3(a)に示す遅延分散している3波は図3(b)に示
すように同一時刻に時間合わせされ加算器210(図1
では加算器117)の出力として(h- 1 2 +h0 2 +
h+ 1 2 )・S(t+τ)を得る。この動作は整合フィ
ルタによるインパルス応答の集束化と等価なもので、図
3(a)のように分散した信号電力を基準時刻に最大比
合成することによりSN比の最大化を実現している。信
号に関する波形歪は適応等化器211(図1では11
8)により最終的に除去される。
ているマルチパス波を除去するのではなく、アダプティ
ブアレイの空間処理を等価的に整合フィルタリングとし
て動作させることにより、マルチパス波をも希望信号波
として利用している。すなわち、SN比が最大化され、
マルチパス環境下にてより低SNでの通信が可能とな
る。
ンテナ受信から互いに独立な複数のアダプティブアレイ
を構成し、各アダプティブアレイにより遅延時間が互い
にτ間隔で異なるマルチパス波を抽出し、遅延素子によ
り伝搬遅延差を吸収し、最大比合成することにより、マ
ルチパス波を単に除去するのではなく、希望信号成分と
して利用することでSN比の最大化が可能となる。従っ
て、マルチパス環境下にてより低SNでの通信を可能に
するとともに特に低SNの移動体衛星通信および陸上移
動通信などにおいて良好なマルチパス歪の除去も行うこ
とができる効果がある。
20 遅延素子 105,108,111 相関器 112,113,114,117 加算器 118 適応等化器
Claims (1)
- 【請求項1】 伝搬遅延時間が互いにτ間隔で異なるマ
ルチパス成分を含む信号をN(Nは2以上の整数)素子
のアレイアンテナを用いて受信する第1の手段と、 前記第1の手段によるN個の受信信号をM(Mは2以上
の整数)分岐する第2の手段と、 前記第2の手段により分岐されたM個のグループごとに
N個の信号の各々を対応する乗算器及び相関器に通す第
3の手段と、 前記M個のグループごとに前記第3の手段で処理された
N個の信号を独立に加算して独立したM個のアダプティ
ブアレイとして出力する第4の手段と、 前記第4の手段の第n(nは1〜Mの整数)番目のアダ
プティブアレイの出力信号に前記τの(M−n)倍の遅
延時間をそれぞれ与える第5の手段と、 前記第5の手段のM個の出力信号を合成して適応等化器
を通す第6の手段と、 前記第6の手段の出力信号に前記τの(n−1)倍の遅
延時間をそれぞれ与えて前記第3の手段の第n番目のグ
ループのN個の相関器にそれぞれ入力する第7の手段
と、 前記第3の手段の前記各乗算器の入力信号に前記τと前
記適応等化器の遅延時間との合計時間だけ遅延を与えて
対応する前記各相関器にそれぞれ入力して前記第7の手
段からそれぞれ入力された信号と相関をとる第8の手段
とを有し、 前記乗算器の出力を前記各アダプティブアレイのタップ
係数とすることを特徴とする適応受信機。
Priority Applications (3)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP4204635A JP2982504B2 (ja) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 適応受信機 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0653870A JPH0653870A (ja) | 1994-02-25 |
JP2982504B2 true JP2982504B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=16493744
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4204635A Expired - Lifetime JP2982504B2 (ja) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 適応受信機 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5425059A (ja) |
EP (1) | EP0582233B1 (ja) |
JP (1) | JP2982504B2 (ja) |
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