JP2004032125A

JP2004032125A - 通信システムおよび信号処理方法

Info

Publication number: JP2004032125A
Application number: JP2002182312A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Hanaoka; 花岡　誠之; Takashi Yano; 矢野　隆
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】多値変調適用時において受信信号の大きさを復号器に尤度として入力する従来の場合、誤り率特性が劣化する問題があった。
【解決手段】多値変調適用時に閾値からの距離が離れた信号ほどより大きな尤度をもたせ、かつ伝搬路の利得で尤度の重み付けを行う。
【効果】従来の尤度を用いた場合と比較して誤り率特性が改善し、さらに伝搬路の変動に対応することが可能となる。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は特に無線通信システムで使用される受信装置に用いるのに好適な復号器入力信号（尤度）生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に本願発明が適用される無線通信装置及び無線通信システムの構成を示す。無線通信システムは送信側無線通信装置（１０１）と受信側無線通信装置（１０２）から構成され、無線伝搬路（１０３）を介して通話やデータ伝送が行われる。図１以降すべての図は一方の回線（例えば下り回線）を例に記載しているが、上り回線でも同様に適用可能である。
【０００３】
送信側無線通信装置（１０１）では、まず送信すべきデータは送信部（１０５）内の伝送路符号化部（１０７）によって符号化が行われる。無線通信では符号化方法として畳込み符号化やターボ符号化がよく用いられている。符号化された符号語はＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌｔｉｏｎ）変調部（１０６）に入力され変調が行われ、変調後のベースバンド信号を無線部（１０８）により無線周波数帯に変換して伝送する。一方、受信側無線通信装置（１０２）では無線伝搬路（１０３）からアンテナ（１１０）を介して受信した無線信号を無線部（１１４）によりベースバンド帯域に変換する。ベースバンド信号はまず受信部（１１１）のＱＡＭ復調部（１１２）で復調処理が行われた後、伝送路復号化部（１１３）で復号が行われる。
図２はターボ符号器構成ブロック図（拘束長Ｋ＝４の場合）である。
図３は多値変調の信号点配置図（６４ＱＡＭの場合）である。　さて送信側無線通信装置における伝送路符号化方法としてはここでは図２に示すように、符号化率Ｒ＝１／３、拘束長Ｋ＝４のターボ符号を仮定する。この符号は第３世代移動体通信の仕様として３ＧＰＰ（３^ｒｄ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ　Ｐｒｏｊｅｃｔ）仕様ＴＳ２５．２１２で規定される等、広く一般的に使用される符号の一つである。
【０００４】
また送信側無線通信装置におけるＱＡＭ変調部では伝送効率を高める為に古くから研究されている多値変調（ＱＡＭ変調）を行う。６４ＱＡＭの場合は１シンボルあたり６ビット伝送が可能で、図３（３０１）に示すように６ビット｛Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１，Ｓ０｝を同相成分３ビット｛Ｓ２，Ｓ１，Ｓ０｝と直交成分３ビット｛Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３｝に分けてそれぞれ隣り合うシンボルは１ビットの違いが生じるようなグレイ符号化を施して図３に示すような信号点に配置して伝送する。
【０００５】
受信側無線通信装置受信部（１１１）のＱＡＭ復調部（１１２）では受信信号の受信位置により受信信号の復調を行う。
図４は受信信号の値により送信信号の”０”，”１”を判定する硬判定を行う場合の復調方法を示している。例えば直交成分｛Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３｝の最上位ビットに割り当てられるＳ５ビットは図４（４０５）に示すように受信信号の直交成分の値が正であれば”０”、負であれば”１”と判定される。例えば、情報として”０”を送信し、受信信号に雑音が付加されている場合、判定閾値の受信信号振幅値（＝０）をまたがって直交成分の値が負となった時に誤りとなる。
上記の説明は硬判定によるＱＡＭ復調方法であるが、受信側無線通信装置受信部（１１１）のＱＡＭ復調部（１１２）による復調後、伝送路復号化部（１１３）で復号を行う為、ＱＡＭ復調部（１１２）の復調後データは軟判定した尤度（確からしさ）を出力させる。
【０００６】
このような無線通信システムの受信側無線通信装置において、復号器に入力する値（尤度）の算出方法に注目する。
【０００７】
ビタビ復号器やＴｕｒｂｏ復号器は尤度情報を入力とし、復号器内部でこれらを累積、比較することによりもっとも確からしいデータを復号結果として出力する。この時受信信号をＸとして尤度比を次のように定義する。
【０００８】
【数１】

図５に変調方式としてＢＰＳＫやＱＰＳＫを用い、一つの軸（実軸あるいは虚軸）に注目した場合の送信シンボルｘ_０とｘ_１を弁別するための一般的な尤度グラフ図を示す。
図５に示すように、雑音として加法性ガウス雑音（ＡＷＧＮ：雑音電力＝σ^２）を仮定すると、従来のＢＰＳＫやＱＰＳＫを変調方式として用いた場合は確率分布は５０１に示すように”０”を送信した場合は振幅＝Ａを平均値とするガウス分布（ｘ_０）、”１”を送信した場合は振幅＝−Ａを平均値とするガウス分布（ｘ_１）となる。この確率分布を（式１）に代入し対数尤度比を求めると次の式で示すように計算され、尤度は受信信号の大きさに比例し、雑音電力に反比例する。これを図示すると５０２になる。すなわち横軸に受信信号の大きさ、縦軸に対数尤度比をとると、受信信号と対数尤度比との関係は一本の傾きの直線で表される。
【０００９】
【数２】

さらに雑音電力が時間的に一定となる条件下では（式２）に含まれる雑音電力や最小信号点間距離が尤度の観点からは定数項とみなせるため（式３）に簡略化できる。
【００１０】
【数３】

これは受信信号の大きさを尤度として復号器に入力しても等価であることを示している。
これを多値変調に適用した場合、従来は装置簡略の観点からＢＰＳＫやＱＰＳＫと同じ（式３）の尤度計算方法に基づき復調結果をそのまま尤度として復号器への入力信号としていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
受信側無線通信装置において従来の尤度計算方法では誤り率特性が劣化する問題があった。
【００１２】
また受信側無線通信装置において従来の尤度計算方法では、ＱＡＭ等の多値変調適用を考慮しておらず、誤り率特性が劣化する問題があった。
【００１３】
また受信側無線通信装置において従来の尤度計算方法では、無線伝搬路の時間的変動を考慮しておらず、誤り率特性が劣化する問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、復調後データの値及びＱＡＭの最小信号点間距離に応じて尤度を算出し、これを復号器への入力信号とする。
【００１５】
また上記問題を解決するために、ＱＡＭの最小信号点間距離に比例して、尤度を算出し、これを復号器への入力信号とする。
【００１６】
また上記問題を解決するために、無線伝搬路における利得に比例して、尤度を算出し、これを復号器への入力信号とする。
【００１７】
本願発明の信号処理方法の一態様では、複数ビットの情報を含む多値変調受信信号を復調して復調信号を形成し、復調信号の尤度情報を形成し、復調信号の尤度情報に基づいて復号を行う信号処理方法において、復調信号の尤度情報は、復調信号の大きさを横軸に、尤度情報を縦軸にとって示した場合、複数の傾きの異なる直線からなるグラフ、または曲線からなるグラフで示されることを特徴とする。このとき縦軸は対数尤度比としてよい。
【００１８】
復号はたとえば、復調信号を閾値を用いて弁別することにより行われる。一例においては、上記グラフは、復調信号の大きさが閾値の値において、特異点を持つ。すなわち、当該閾値において折れ曲がった直線のグラフ（すなわち、傾きの異なる複数の直線の組み合わせ）となる。また、他の一例においては、これらの傾きの異なる複数の直線は、原点から遠いものほど傾きが急となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明を用いた第一の実施形態について説明する。
【００２０】
まず例として１６ＱＡＭの場合を仮定する。以下では１６ＱＡＭで計算を行っているが、同様の計算を行うことにより６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭ、１０２４ＱＡＭ等他の多値数の多値変調にも容易に拡張することが可能である。
【００２１】
雑音として加法性ガウス雑音（雑音電力＝σ^２）、１６ＱＡＭの最小信号点間距離＝２Ａとして、（式１）を１６ＱＡＭに適用して対数尤度比を算出すると（式４）で近似できる。
【００２２】
【数４】

図６に受信信号の復調信号と尤度との関係を示す。
【００２３】
図６の６０１及び６０３に示す様に、１６ＱＡＭではひとつの軸（実軸あるいは虚軸）につき２ビットの情報がのっているため、２ビットのうちの上位ビット（ＭＳＢ）と下位ビット（ＬＳＢ）とで送信すべき”０”と”１”の分布が異なる。すなわち、一つの軸で送信するシンボルは”００”、”０１”、”１１”、”１０”の４種類あり、６０１に示す様に上位ビットが”０”であれば”００”あるいは”０１”のシンボルにて、上位ビットが”１”であれば”１１”あるいは”１０”のシンボルにて送信される。また６０３に示す様に下位ビットが”０”であれば”００”あるいは”１０”のシンボルにて、下位ビットが”１”であれば”０１”あるいは”１１”のシンボルにて送信される。
【００２４】
雑音として加法性ガウス雑音を仮定している為、受信信号の確率分布は６０１及び６０３に示すように例えば”００”シンボル送信時には、振幅＝３Ａを中心とするガウス分布となる（ｘ_０）。その他のシンボルも同様に、ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３で表されるガウス分布となる。
（式４）の尤度を、横軸に受信信号の大きさ、縦軸に対数尤度比の値をとって図示すると、上位ビットの場合は６０２、下位ビットの場合は６０４のようなグラフとなる。
この尤度で注目すべきは、受信信号と対数尤度比の関係が従来のＢＰＳＫやＱＰＳＫの場合のような一本の傾きの直線で表されず、６０２のグラフに顕著に見られるように閾値（受信信号の大きさ＝２Ａ、−２Ａ）を境にして複数の傾きの直線から構成されるグラフとなる点である。すなわちＱＡＭでは振幅（横軸）方向にも情報が入っているため、受信信号の大きさに応じて適用する尤度の計算式が変わり、閾値からの距離が離れた信号ほどより大きな尤度をもつことである。
【００２５】
今、雑音として加法性ガウス雑音のみを仮定した場合、尤度に含まれる信号点間距離の値や雑音電力の値は時間的に不変である。復号器に与える尤度は相対値であればよいので、信号点間距離や雑音電力は定数項とみなせ、（式４）の尤度は（式５）のように簡略化できる。
【００２６】
【数５】

図７にこの第一の実施形態を実現するための受信機における尤度判定部の構成を示す。
【００２７】
受信信号は搬送波に対する同相成分（Ｉ−ｃｈ）７０２と直交成分（Ｑ−ｃｈ）７０３の２つから構成され、それぞれＱＡＭの最小信号点間距離＝２Ａをパラメータとして（７０１）、尤度判定器（７０４、７０５、７０６、７０７）に入力される。尤度判定器にて尤度計算を行った後、尤度情報Ｄ_０、Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３を出力し、これを復号器７０８への入力信号とする。
【００２８】
次に本発明を用いた第二の実施形態について説明する。
第一の実施形態では雑音として加法性ガウス雑音を仮定したため、無線伝搬路の時間的変動はないとみなせ、送信側で設定したＱＡＭの最小信号点間距離は受信側でも同じ距離であった（伝搬路における利得＝１倍と等価）。しかし無線伝搬路は時間的に変動するのが一般的であり、無線伝搬路における利得によって最小信号点間距離が変わるため、（式４）で求めた尤度に基づき、受信側における最小信号点間距離を考慮した尤度を復号器への入力とする。
【００２９】
図８に第二の実施形態を実現するための受信機における尤度判定部の構成を示す。
【００３０】
受信信号は搬送波に対する同相成分（Ｉ−ｃｈ）７０２と直交成分（Ｑ−ｃｈ）７０３の２つから構成され、それぞれＱＡＭの最小信号点間距離＝２Ａと雑音電力σ_２をパラメータとして（８０５）、尤度判定器（８０１、８０２、８０３、８０４）に入力される。尤度判定器にて尤度計算を行った後、尤度情報Ｄ_０、Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３を出力し、これを復号器７０８への入力信号とする。
【００３１】
第一の実施形態と異なり、雑音電力の情報及びＱＡＭ最小信号点間距離の情報を尤度判定に用いていることが特長である。
【００３２】
次に本発明を用いた第三の実施形態について説明する。
【００３３】
第一及び第二の実施形態では雑音として加法性ガウス雑音を仮定していたが、無線通信を行う場合にはフェージングによる信号レベル変動及び位相変動を伴うのが一般的である。
【００３４】
図９に示すように、伝搬路における利得＝Ｇ、位相回転＝θの変動が起きた場合（９０２）、９０３に示す様に受信信号の大きさは利得により変わり、かつ位相回転が生じている。受信側では図９に示すように復調器で伝搬路の複素共役を乗ずることにより検波を行い（９０４）、位相回転を補正する。検波して位相回転を補正した後のデータに対して（式１）を適用し、フェージングを考慮した尤度を計算すると（式６）となる。
【００３５】
【数６】

（式６）と（式４）を比較すると、（式６）は（式４）をさらに伝搬路の利得Ｇで重み付けした形となっている。すなわち伝搬路の状況がいい（利得が高い）時はより確かである可能性が高く、伝搬路の状況が悪い（利得が低い）時は確かである可能性が低いとして重み付けされている。
【００３６】
図１０に第三の実施形態を実現するための受信機における尤度判定部の構成を示す。
【００３７】
受信信号は搬送波に対する同相成分（Ｉ−ｃｈ）７０２と直交成分（Ｑ−ｃｈ）７０３の２つから構成され、まず伝搬路の複素共役（１００２）を乗ずることにより検波を行い、検波後データをそれぞれＱＡＭの最小信号点間距離＝２Ａと雑音電力σ_２（８０５）、及び伝搬路における利得＝Ｇ（１００１）をパラメータとして、尤度判定器（１００３、１００４、１００５、１００６）に入力する。尤度判定器にて尤度計算を行った後、尤度情報Ｄ_０、Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３を出力し、これを復号器７０８への入力信号とする。
【００３８】
第一、第二の実施形態に加え、伝搬路の利得や検波の為の伝搬路状況の複素共役情報を用いている点が特長となっている。
【００３９】
【発明の効果】
本発明による多値変調適用時の尤度では受信信号に比例した尤度を与える従来の尤度と異なり、多値変調のシンボル配置に応じた閾値を設け、閾値からの距離が離れた信号ほどより大きな尤度をもち、誤り率特性を改善することが可能である。
【００４０】
また本発明による多値変調適用時の尤度では、送信時に用いた多値変調の最小信号点間距離に応じた尤度であるため、伝搬路による利得変動にも対応可能である。
【００４１】
また本発明による多値変調適用時の尤度では、伝搬路による利得で重み付けした尤度であるため、伝搬路の利得が大きい受信信号ほど大きな尤度をもち、誤り率特性を改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線通信装置構成ブロック図。
【図２】ターボ符号器構成ブロック図。
【図３】多値変調の信号点配置図（６４ＱＡＭの場合）。
【図４】６４ＱＡＭ復調時ビット判定方法概念図。
【図５】従来の尤度グラフ図。
【図６】本発明による１６ＱＡＭの尤度グラフ図。
【図７】第一の実施形態における受信機構成ブロック図。
【図８】第二の実施形態における受信機構成ブロック図。
【図９】フェージング時のＱＡＭ信号点配置図。
【図１０】第三の実施形態における受信機構成ブロック図。
【符号の説明】
１０１…送信側無線通信装置
１０２…受信側無線通信装置
１０３…無線伝搬路
１０４…アンテナ
１０５…送信部
１０６…ＱＡＭ変調部
１０７…伝送路符号化部
１０８…無線部
１０９…受信部
１１０…アンテナ
１１１…受信部
１１２…ＱＡＭ復調部
１１３…伝送路復号化部
１１４…無線部
１１５…送信部
２０１…入力ビット
２０２…出力ビット
２０３…符号語ｘ
２０４…符号語ｙ
２０５…符号語ｙ’
３０１…６ビット配置
４００…同相成分最下位ビット判定
４０１…同相成分中位ビット判定
４０２…同相成分最上位ビット判定
４０３…直交成分最下位ビット判定
４０４…直交成分中位ビット判定
４０５…直交成分最上位ビット判定
５０１…従来のＢＰＳＫ，ＱＰＳＫの確率密度
５０２…従来のＢＰＳＫ，ＱＰＳＫにおける受信信号と尤度
６０１…１６ＱＡＭシンボルの確率密度（ＭＳＢの場合）
６０２…本発明による受信信号と尤度（ＭＳＢの場合）
６０３…１６ＱＡＭシンボルの確率密度（ＬＳＢの場合）
６０４…本発明による受信信号と尤度（ＬＳＢの場合）
７０１…ＱＡＭ最小信号点間距離
７０２…受信信号（Ｉ−ｃｈ）
７０３…受信信号（Ｑ−ｃｈ）
７０４…第一の実施形態における尤度判定器
７０５…第一の実施形態における尤度判定器
７０６…第一の実施形態における尤度判定器
７０７…第一の実施形態における尤度判定器
７０８…復号器
８０１…第二の実施形態における尤度判定器
８０２…第二の実施形態における尤度判定器
８０３…第二の実施形態における尤度判定器
８０４…第二の実施形態における尤度判定器
８０５…ＱＡＭ最小信号点間距離及び雑音電力情報
９０１…１６ＱＡＭ送信信号配置
９０２…伝搬路
９０３…１６ＱＡＭ受信信号配置
９０４…検波処理
９０５…１６ＱＡＭ検波後信号配置
１００１…伝搬路利得
１００２…検波用信号（伝搬路の複素共役）
１００３…第三の実施形態における尤度判定器
１００４…第三の実施形態における尤度判定器
１００５…第三の実施形態における尤度判定器
１００６…第三の実施形態における尤度判定器。

Claims

送信側通信装置と受信側通信装置から構成される通信システムであって、
送信側通信装置では、伝搬路に対する耐性を高める為に１ビットを冗長度を増やして多ビットにする符号化器と、複数ビットを一つのシンボルにマッピングして多値変調を行う多値変調器を具備し、
上記受信側通信装置では、受信信号の復調を行う復調器と、復号を行う復号器を具備し、
復調後データの値に応じて復号器に入力する値を変えることを特長とする通信システム。
上記復号器の入力信号は多値変調時における最小信号点間距離に応じて、最小信号点距離が大きいほど復号器に入力する値を大きくすることを特長とする通信システム。
上記復号器の入力信号は無線伝搬路における利得に応じて、利得が大きいほど復号器に入力する値を大きくすることを特長とする請求項１または２記載の通信システム。
複数ビットの情報を含む多値変調受信信号を復調して復調信号を形成し、
該復調信号の尤度情報を形成し、
上記復調信号の尤度情報に基づいて復号を行う信号処理方法において、
上記復調信号の尤度情報は、上記復調信号の大きさを横軸に、尤度情報を縦軸にとって示した場合、複数の傾きの異なる直線からなるグラフ、または曲線からなるグラフで示されることを特徴とする信号処理方法。
上記復号は閾値を用いて行われ、
上記グラフは、上記復調信号の大きさが上記閾値の値において、特異点を持つことを特徴とする請求項４記載の信号処理方法。