JP2004173153A - Transmitter and transversal filter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transmitter for transmitting an OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) signal whose out-of-band radiation level is reduced under the condition that satisfies a Nyquist first reference and prevents the occurrence of an inter-code interference. <P>SOLUTION: In this transmitter, a serial/parallel converter 1 converts a transmission symbol string of one sequence into a parallel transmission symbol string of L (the number of subcarriers) sequences. An IFT 2 converts the parallel transmission symbol string of L sequences into an OFDM signal. I and Q channel signals of conversion results are subjected to spectral shaping by root rolloff filters 3I and 3Q, and then, inputted to multipliers 4I and 4Q to be orthogonally modulated. In a receiver side, I and Q channel signals of orthogonal demodulation signals outputted from multipliers 9I and 9Q are subjected to spectral shapings by root rolloff filters 11I and 11Q and then inputted to an FT part 12. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)通信システムにおいて使用する送信装置、および、符号間干渉を発生させることなく帯域外出力信号電力レベルを低減するトランスバーサルフィルタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
無線LAN(IEEE802.11a規格、非特許文献1参照)やディジタル音声・映像通信システム等の種々の無線通信システムにおいて、直交する複数のサブキャリアを用いるOFDM通信技術が用いられている。
図9は、従来のOFDM通信システムのブロック構成図である。
図中、1は直並列変換器、2はIFT(Inverse Fourier Transform:逆フーリエ変換)部である。送信データは、ディジタル変調(BPSK,QPSK,16QAM等)された後の送信シンボル(複素数)列として、直並列変換器1に入力され、L本の並列送信シンボル(複素数)列に変換されて、IFT2に出力される。
ここで、Lは、OFDM信号のサブキャリア数である。すなわち、直並列変換器1は、並列送信シンボル(複素数)列により、互いに直交関係にある各サブキャリアを変調する信号の複素振幅を指定する。IFT2は、サブキャリアの各複素振幅に対応した波形を生成し、Iチャネル(実数部),Qチャネル(虚数部)別にOFDM信号を出力する。IFT2は、通常、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform:高速逆フーリエ変換)などのIDFT(Inverse Discrete Fourier Transform:離散逆フーリエ変換)を用いてディジタル信号処理で実現される。
【0003】
41は振幅制御部、4I,4Qは乗算器、5はキャリア(搬送波)信号発振器、6は加算器、7は伝送路である。
振幅制御部41は、IFT2から出力されるIチャネル,Qチャネル別のOFDM信号を、それぞれ、各シンボルの境界で振幅を滑らかに減衰させる。具体的には、図10を参照して後述する。
振幅制御されたIチャネルの時間軸波形は直交変調される。すなわち、乗算器4Iにおいて、キャリア(搬送波)信号発振器5の同相出力と乗算され、加算器6に出力される。一方、振幅制御されたQチャネル時間軸波形は、乗算器4Qにおいて、キャリア信号発振器5のπ/2移相出力と乗算され、加算器6に出力される。加算器6は、乗算器4I,4Qの出力を加算したものを、OFDM信号として伝送路7に出力する。
【0004】
IFT2にIDFTを使用し、振幅制御部41もディジタル処理で実現する場合は、振幅制御部41の出力は、図示しないD/A変換器でアナログ信号に変換された上で乗算器4I,4Qに供給される。
また、現実の装置構成では、加算信号は、直接に高周波帯(RF)の信号となって伝送路7に出力されるか、あるいは、一旦、中間周波数帯(IF)の信号となり、この後、高周波帯(RF)に周波数変換されて伝送路7(無線伝送路)に出力される。
通常は、OFDM信号の1シンボル区間の先頭部にガードタイムが挿入されるが、図示を省略している。以上が送信機側の構成である。
【0005】
受信機側においては送信機側の処理の逆を行う。8は分岐部、9I,9Qは乗算器、10はキャリア信号発振器である。受信機側においては、分岐部8において、受信されたOFDM信号を、Iチャネル系の乗算器9IおよびQチャネル系の乗算器9Qに供給する。各乗算器9I,9Qにおいて、受信されたOFDM信号は、送信機側のキャリア信号発振器5と位相同期して同じ周波数で発振するキャリア信号発振器10からの同位相出力,π/2移相出力と乗算されることにより、直交復調される。直交復調されたIチャネル,QチャネルのOFDM信号は、FT(Fourier Transform:フーリエ変換)部12に出力される。
【0006】
FT部12は、OFDM信号を構成する複数の各サブキャリアを変調する信号の複素振幅を抽出して並直列変換器13に出力する。並直列変換器13は、直列化された受信シンボル(複素数)列を出力する。受信シンボル(複素数)列は、送信機側のディジタル変調に対応した変調方式に基づいてディジタル復調されて受信データが得られる。
FT部12は、通常、FFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)などのDFT(Discrete Fourier Transform:離散フーリエ変換)を用いてディジタル信号処理で実現される。DFTを使用する場合は、乗算器9I,9Qの出力は、図示しないA/D変換器でディジタル信号に変換された上でFT部12に供給される。
【0007】
IFT部2から出力される時間軸波形の周波数スペクトルは、サブキャリア数が非常に多ければ矩形状の理想的な周波数スペクトルに近づく。しかし、サブキャリアの本数がさほど多くない場合は、周波数スペクトルが広がっている。伝送路7として、無線伝送路を使用する場合、通信システムに割り当てられた帯域外への不要輻射レベルが規格によって制限されている。従って、割り当てられた帯域の限度までサブキャリアを立てられないこととなり、周波数の利用効率が低下するという問題がある。
各変調されたサブキャリアを予め帯域制限してからこれらを合成することが考えられる。しかし、IFT2を用いる場合には、IFT2内で変調を行うことになるので、この方法は適用できない。
【0008】
そこで、従来、OFDM信号の帯域外成分を抑圧するために、図9に示した振幅制御部41を挿入することが、例えば、非特許文献1のp.10,11で知られている。
図10は、送信機側における振幅制御(Windowing)を説明するための窓関数の説明図である。
図中、51,52,53は、それぞれ、隣接する3シンボル区間のOFDM信号に乗算するウインドウである。
図示の各ウインドウ51,52,53は、OFDM信号の1シンボル区間を若干超える範囲の時間幅を有し、滑らかに立ち上がり滑らかに立ち下がる時間領域の窓関数である。OFDM信号は、送信されるシンボルの値の変化によって、各シンボル区間の境界において波形が非連続で変化する場合がある。このような場合に、帯域外輻射成分が発生する。そこで、IFT2が出力する時間軸波形と窓関数とを乗算することにより、各シンボル区間の境界において、OFDM送信信号が滑らかに減衰することになり、その結果、帯域外輻射成分が減少する。
【0009】
図11は、従来のOFDM通信システムにおける、出力信号電力スペクトルを示すグラフである。1個のOFDMシンボル区間の両端の信号振幅を2乗余弦(raised cosine)の時間領域窓関数(ロールオフ率0.025)でスペクトル整形して1シンボル区間境界での振幅制限をした場合と、このような振幅制限をしない場合について示す。横軸は、図9に示した直並列変換器1によって直並列変換される前の、元の複素送信シンボルのシンボルレート(シンボル/sec)が1となるように正規化された周波数である。
OFDM信号を伝送するのに必要な所要帯域は、上述した正規化周波数の0.5である。0.5を超える周波数帯域にある電力スペクトルの積分値が帯域外輻射レベルとなる。
図11から明らかなように、振幅制御により帯域外輻射レベルの低減が実現されている。しかし、いまだ充分とは言えない。無線LANでOFDM信号を使用するには、電力密度を少なくとも−60dB程度まで低減させたいという要望がある。時間領域ウインドウのロールオフ率を大きくすれば、帯域外輻射レベルは低減されるが、符号間干渉が発生するため、サブキャリア間の直交性を保つことができなくなり、データレートを下げなければならないので、結局、周波数利用効率が低下する。
【0010】
上述した非特許文献1には、上述したウインドウイング以外の方法として、周波数領域でフィルタをかけることが示唆されているように、実際に、バターワースフィルタやチェビシェフフィルタなどのアナログフィルタを用いた研究論文もあるが、帯域外輻射を大きく低減させる設計にすると、フィルタの遷移領域の特性によって帯域境界近傍のサブキャリアの変調信号が非対称となりナイキスト基準を満たさなくなるため、符号間干渉が発生し、複素送信シンボル列は、受信側で完全には復元されない。
【0011】
【非特許文献1】
Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications High−speed Physical Layer in the 5 GHz Band<URL: HYPERLINK ”http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11a−1999.pdf” http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11a−1999.pdf>
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、ナイキスト第1基準を満たし、符号間干渉を発生させないという条件下で帯域外輻射レベルが低減されたOFDM信号を送信する送信装置、および、この送信装置の送信フィルタとして用いることができる、符号間干渉を発生させないという条件下で帯域外出力信号電力レベルを低減させるトランスバーサルフィルタを提供することを目的とするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項1に記載の発明においては、並列送信シンボル列を入力してOFDM信号を出力する逆フーリエ変換手段と、該逆フーリエ変換手段から出力される前記OFDM信号を入力し帯域制限をする送信フィルタと、該送信フィルタの出力を直交変調することにより受信装置に送信する送信信号を出力する送信手段を有する送信装置であって、前記受信装置側の受信フィルタを含めた総合伝送特性が、ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性であり、前記送信フィルタは、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の一部を分配された特性であり、かつ、前記逆フーリエ変換手段が出力する前記OFDM信号の帯域外輻射レベルを低減する特性を有するものである。
従って、ナイキスト第1基準を満たし符号間干渉を発生させないという条件下で、帯域外輻射レベルが低減されたOFDM信号を送信できる。
【0014】
請求項2に記載の発明においては、請求項1に記載の送信装置において、前記送信フィルタの特性は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性を前記受信フィルタとの間で等分配した特性であるものである。
【0015】
請求項3に記載の発明においては、請求項1または2に記載の送信装置において、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性は、2乗余弦ロールオフ特性であるものである。
【0016】
請求項4に記載の発明においては、請求項1に記載の送信装置において、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域における前記総合伝送特性は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性となる基本伝達関数と、前記遷移領域の中心周波数に対し奇関数である1または複数の補正伝達関数との和であって、前記基本伝達関数よりも帯域外出力信号電力レベルを低減する特性を有するように補正された伝達関数で表され、前記受信フィルタの特性は、前記基本伝達関数の一部が分配された伝達関数で表され、前記送信フィルタの特性は、前記総合伝送特性の伝達関数を前記受信フィルタの伝達関数で除算した伝達関数で表されるものである。
従って、1または複数の補正伝達関数を用いることにより、単に基本伝達関数のロールオフ率を変更するだけよりも、遷移領域の特性を決定する自由度が増すので、OFDM信号の帯域外輻射レベルを低減する特性を得るための設計が容易になる。
1または複数の補正伝達関数として、例えば、遷移領域の中心周波数に対し奇関数であり、かつ、直交する周期関数を用いれば、さらに設計が容易になる。
【0017】
請求項5に記載の発明においては、請求項4に記載の送信装置において、前記遷移領域における、前記基本伝達関数の重み係数および前記1または複数の補正伝達関数の各重み係数は、前記帯域外輻射レベルを、所定の境界周波数を超える帯域外の側の周波数領域における電力密度の積分値とみなし、該帯域外輻射レベルが最小となるように最適化されたものである。
従って、容易にOFDM信号の帯域外輻射レベルを低減する特性を得ることができる。
【0018】
請求項6に記載の発明においては、請求項5に記載の送信装置において、前記所定の境界周波数は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域の範囲内であって、かつ、該遷移領域の中心周波数よりも帯域外寄りにある周波数に設定されたものである。
従って、基本伝達関数のロールオフ率を実質的に小さくして、帯域幅の広がりを抑えることができる。
【0019】
請求項7に記載の発明においては、請求項4から6までのいずれか1項に記載の送信装置において、前記遷移領域における、前記1または複数の補正伝達関数は、奇数次の余弦関数となるものであり、前記総合伝送特性の伝達関数は、前記遷移領域の両端の各周波数において連続しているものである。
従って、容易にOFDM信号の帯域外輻射レベルを低減する特性を実現することができる。
【0020】
請求項8に記載の発明においては、請求項4から7までのいずれか1項に記載の送信装置において、前記基本伝達関数は、2乗余弦ロールオフ特性であるものである。
【0021】
請求項9に記載の発明においては、総合伝送特性がナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性となるように、該総合伝送特性が他のフィルタとの間で配分された特性を実現するトランスバーサルフィルタであって、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域における前記総合伝送特性は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性となる基本伝達関数と、前記遷移領域の中心周波数に対し奇関数で表される1または複数の補正伝達関数との和であって、前記基本伝達関数よりも帯域外出力信号電力レベルを低減する特性を有するように補正された伝達関数で表され、前記他のフィルタの特性は、前記基本伝達関数の一部が分配された伝達関数で表され、前記トランスバーサルフィルタの特性が前記総合伝送特性の伝達関数を前記他のフィルタの伝達関数で除算した伝達関数で表されるように、タップ係数が設定されているものである。
従って、ナイキスト第1基準を満たし符号間干渉を発生させないという条件下で、帯域外出力信号電力レベルが低減された信号を出力することができる。1または複数の補正伝達関数を用いることにより、単に基本伝達関数のロールオフ率を変更するだけよりも、遷移領域の特性を決定する自由度が増すので、帯域外出力信号電力レベルを低減する特性を得るための設計が容易になる。
1または複数の補正伝達関数として、例えば、遷移領域の中心周波数に対し奇関数であり、かつ、直交する周期関数を用いれば、さらに設計が容易になる。
【0022】
請求項10に記載の発明においては、請求項9に記載のトランスバーサルフィルタにおいて、前記遷移領域における、前記基本伝達関数の重み係数および前記1または複数の補正伝達関数の各重み係数は、前記帯域外出力信号電力レベルを、所定の境界周波数を超える帯域外の側の周波数領域における電力密度の積分値とみなし、該帯域外出力信号電力レベルが最小となるように最適化されたものである。
従って、容易に、帯域外出力信号電力レベルを低減する特性を得ることができる。
【0023】
請求項11に記載の発明においては、請求項10に記載のトランスバーサルフィルタにおいて、前記所定の境界周波数は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域の範囲内であって、かつ、該遷移領域の中心周波数よりも帯域外寄りにある周波数に設定されたものである。
従って、基本伝達関数のロールオフ率を実質的に小さくして、帯域幅の広がりを抑えることができる。
【0024】
請求項12に記載の発明においては、請求項9から11までのいずれか1項に記載のトランスバーサルフィルタにおいて、前記遷移領域における、前記1または複数の補正伝達関数は、奇数次の余弦関数となるものであり、前記総合伝送特性の伝達関数は、前記遷移領域の両端の各周波数において連続しているものである。
従って、容易に帯域外出力信号レベルを低減する特性を実現することができる。
【0025】
請求項13に記載の発明においては、請求項9から12までのいずれか1項に記載のトランスバーサルフィルタにおいて、前記基本伝達関数は、2乗余弦ロールオフ特性である。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1実施形態の説明図である。図1(a)はブロック構成図、図1(b)は動作説明図である。
図1(a)中、従来例の図9と同様な部分には、同じ符号を付している。3I,3Qは送信機側のルート・ロールオフフィルタ(root roll−off filter)、11I,11Qは受信機側のルート・ロールオフフィルタである。
送信機側では直並列変換器1により、1系列の送信シンボル列をL(サブキャリア数)本の系列の並列送信シンボル列に変換する。得られたL本の系列の並列送信シンボル列は、IFT2によりOFDM信号に変換される。変換結果のI,Qチャネル信号は、ルート・ロールオフフィルタ3I,3Qによりスペクトル整形(周波数領域では帯域制限されることになる)された後に、乗算器4I,4Qに入力されて、直交変調され、IFないしRF信号を得る。
【0027】
受信機側において、乗算器9I,9Qから出力される直交復調信号のI,Qチャネル信号は、ルート・ロールオフフィルタ11I,11Qによりスペクトル整形された後に、FT部12に入力される。
図中、符号14で指示される囲み部分は、送信機側のIFT2から出力されるOFDM信号が、伝送路7を経由して受信されFT12に入力されるまでの実質的な伝送路を示す。この伝送路において、送信機側のルート・ロールオフフィルタ3I,3Qおよび受信機側のルート・ロールオフフィルタ11I,11Qの両者の特性を合わせた総合伝送特性(伝達関数の乗算)をロールオフ特性とする。
このとき、送信機側のルート・ロールオフフィルタ3I,3Qは、ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の一部を分配された特性であり、かつ、IFT2が出力するOFDM信号の帯域外輻射レベルを低減する特性を有する。
【0028】
理想低域通過フィルタの遮断周波数に対し奇関数となる伝達関数を、この理想低域通過フィルタの伝達関数に加算した伝達関数は、ナイキスト第1基準を満足する。
満足する伝達関数のうち、伝達関数が連続しており、かつ、周波数に対する伝達関数の傾きも連続していて滑らかに変化する特性となるものを、本明細書ではロールオフ特性という。特に、遷移領域が2乗余弦(raised cosine)のものを2乗余弦ロールオフ特性という。
総合伝送特性がナイキスト第1基準を満足することから、シンボル間干渉がなく、送信シンボルが完全に再現される。この条件の下で、帯域外輻射レベルを従来よりも低減できる。
【0029】
上述した通信システムが送信シンボル列を完全に復元できることは、意外に思われるかもしれない。従って、従来のシングルキャリア(単一搬送波)使用の通信システムと対比して詳しく説明する。
図12は、比較例としての、従来のシングルキャリア通信システムのブロック構成図およびロールオフ特性を示すグラフである。
図12(a)はルート・ロールオフフィルタを使用した従来のシングルキャリア通信システムのブロック構成図である。図12(b)はロールオフ特性の伝達関数を示すグラフである。
図12(a)中、図9と同様な部分には同じ符号を付している。61I,61Qは送信機側のルート・ロールオフフィルタ、62I,62Qは、受信機側のルート・ロールオフフィルタである。
符号63で指示される囲み部分は、1系列の複素送信シンボル列が、伝送路7を経由して受信され複素受信シンボル列として復元されるまでの実質的な伝送路を示す。この実質的な伝送路において、送信機側および受信機側の両ルート・ロールオフフィルタの特性を合わせる(伝達関数の乗算)ことにより、この実質的な伝送路において、ロールオフ特性が実現される。
【0030】
図12(b)は、2乗余弦(raised cosine)ロールオフ特性の伝達特性を示すグラフである。横軸は正規化周波数、縦軸は出力(リニアスケール)である。正規化周波数が負の側の特性については図示を省略しているが、左右対称である。
周波数の正規化は、送信シンボル列のシンボルレート(シンボル間隔の逆数)が1となるように正規化している。このとき、出力レベルが1/2(6dB)に低下する周波数は0.5である。
ロールオフ率をα=1.0,0.2,0.1とした3通りの場合のロールオフ特性を示している。ロールオフ率がαのときは、正規化周波数で(1−α)/2から(1+α)/2までが2乗余弦(raised cosine)状に遷移する肩特性の領域(遷移領域)となる。
ロールオフ特性の送信機,受信機への伝達特性の分配は、符号間干渉をなくすという単一の目的からすれば任意でよく、通常は、送信機側,受信機側の特性を同じにした2乗余弦のルート・ロールオフフィルタが用いられる。
図12(a)に示したルートオフ特性の伝送路構成において、受信信号を正しいタイミングでサンプリングできれば(サンプル点が正しければ)、送信シンボル列が受信機において符号間干渉なく、完全に復元できることがナイキスト第1基準として知られている。
【0031】
一方、図1(a)に示した本発明の実施の一形態を示すブロック図において、実質的な伝送路として点線で囲んだ14の部分は、図12に示した従来のシングルキャリア通信システムを示すブロック図において、実質的な伝送路として点線で囲んだ63の部分に対応する。
そこで、送信機側におけるIFT2の後の変換データ(OFDM信号)を送信シンボル列と見なす。この送信シンボル列に対して、ルート・ロールオフフィルタ3I,3Q,11I,11Qでナイキストの第1基準を満たす帯域制限をかけ、かつ、送受信機間でシンボル同期がとられていて、受信側で正しいタイミングでサンプリングすれば、IFT2の後の変換データ(OFDM信号)と受信機側におけるFT12への入力信号(OFDM信号)とは一致する。さらに、受信機側におけるFT12は、送信機側におけるIFT2の前の並列複素シンボルと同じ並列複素シンボルを出力する。従って、複素送信シンボル列を受信側において完全に復元できる。
【0032】
IFT2後の変換データ(OFDM信号)全体を1系統の送信シンボル列と見なし、この送信シンボル列に対してナイキストの第1基準を満たす帯域制限をかけている。OFDM信号の1シンボル区間に、M個のサンプリング点が含まれることから、見かけ上の伝送速度がM倍となっている。MをIFT2のポイント数という。
従って、M倍の帯域幅のロールオフフィルタで帯域制限し、受信機側でM倍のサンプリング点(OFDM信号の1シンボル区間中に、M個のサンプリング点)でサンプリングすれば、このサンプリング点の出力に基づいて、元の1系列の複素送信シンボルが復元できる。ここで、M倍のサンプリング点でのサンプリングは、FT部12で行われる。FT部12では、M倍のサンプリングによって、直交する各サブキャリアを変調する変調信号の複素振幅を抽出する。
OFDMの信号構成にもよるが、IFT2のポイント数は、通常、OFDM信号のサブキャリア数(L)に等しくされる。従って、以下では、説明を簡単にするため、サブキャリア数(L)はIFT2のポイント数(M)に等しいとして、Mをサブキャリア数ともいう。
【0033】
図1(b)にM=4の場合の例を示す。OFDM信号のうち1キャリアの1シンボルを示しており、1OFDMシンボル区間で1周期の正弦波15を出力する場合を示している。OFDMシンボルの区間長をTsとすると、サンプリング間隔はTs/M=Ts/4となる。サンプリング間隔の逆数の1/2をナイキスト周波数(正規化周波数=0.5)として、ナイキストの第1基準を満たす送受信フィルタを採用すれば、図に示すように、サンプリング間隔Ts/Mで零交差するようなインパルスレスポンス16a〜16dをもつから、正しいサンプリング点でサンプルされれば、17a〜17dのように、複素送信シンボル列が符号間干渉なく、受信側で完全に復元できるのは明らかである。
図1(b)ではキャリア数を1としたが、キャリア数を複数とする場合でも、各キャリアに対応する変調信号が送信フィルタ入力で線形加算されるだけなので、同様に複素送信シンボル列は完全に復元できる。OFDM信号のサンプリング間隔はTs/Mであるため、サンプリング周波数はM/Ts、ナイキスト周波数はM/2Tsとなる。
【0034】
ロールオフ特性を有する−6dB通過帯域内(正規化周波数で−0.5から+0.5まで)において、OFDM信号に含まれるM本のサブキャリアが配置される。このうち、帯域の端部に近いサブキャリアの変調信号ほど、帯域制限の影響を受けやすいが、ロールオフ特性を有することにより、ナイキストの第1基準を満足するから、帯域の端部に近いサブキャリアの変調信号に対しても、符号間干渉を生じることがない。
なお、送信シンボル列が完全に復元できるのは、雑音・干渉・伝搬路のひずみ・無線装置の固定劣化がない場合であり、例えば、サンプルタイミング誤差等の固定劣化や干渉波がある場合には送信シンボル列の復元が不完全になる場合がある。
【0035】
この実施の形態による送信電力スペクトルは、以下の手順で計算される。
初めに、並列変換された変換データ列を定義する。記号amnは、m番目のサブキャリアのn番目の変換データ列を示す。f(t)はルート・ロールオフフィルタのインパルス応答である。wはm番目のサブキャリアの角周波数、Tは送信側における直並列変換後の並列シンボル列のシンボル間隔(OFDM信号のシンボル区間長)としたとき、スペクトル整形フィルタ(ルート・ロールオフフィルタ)の出力は次式となる。
【数1】

Figure 2004173153
上述したスペクトル整形フィルタ出力v(t)の自己相関関数R(t)は、次式の通りである。
【数2】
Figure 2004173153
定数Kは送信フィルタのインパルスレスポンス長であり、有限相関長のディジタルフィルタ(トランスバーサルフィルタ)のタップ数に相当している。
電力スペクトルP(w)は、自己相関関数のフーリエ変換であるから、次式で与えられる。
【数3】
Figure 2004173153
なお、ディジタルフィルタを用いることを想定しているので、式(b),(c)における積分は離散的な数値積分で、T / Mの時間間隔に4点取る(4倍オーバサンプ)とした。すなわち、サンプリング間隔を、T /4M、最高周波数を2M/Tとした。
【0036】
図6は、ロールオフ率=0.2のルート・ロールオフフィルタを送信側と受信側に用いた場合の出力電力スペクトルを示すグラフである。フィルタのタップ数は101,201または401とした。
図11に示した従来のOFDM信号の出力電力スペクトルと比較すると、低い帯域外輻射レベルが達成される。信号帯域幅は、図11に示したような、従来の時間領域ウインドウを乗算する場合と比べて、帯域外輻射レベル−40 dBで60%程度になることがわかる。
【0037】
上述したルート・ロールオフフィルタをディジタルフィルタで実現する場合、有限のインパルスレスポンス長で作らざるを得ない。その結果、インパルスレスポンスを途中で打ち切ることになり、打ち切りが不連続を発生させることになるため、図6に示されるように、出力電力スペクトルは長い裾を引き、帯域外輻射レベルが増加している。
ロールオフ率を小さくすれば、遷移領域で急速に電力スペクトル密度が低下することになるので、周波数利用効率を高められるので好ましい。しかし、ロールオフ率を小さくするほど、裾の引きが長くなり帯域外輻射レベルが大きくなる。この原因は、小さいロールオフ率ほど、インパルス応答の時間相関長が長くなってしまうので、打ち切り誤差の影響が大となるためである。
【0038】
そこで、以下に説明する本発明の第2の実施形態においては、上述した打ち切りの影響を低減するために、送信機側のルート・ロールオフフィルタについて、インパルスレスポンスの最適化を行う。
最適化した結果得られる送受信フィルタの総合伝送特性は、2乗余弦ロールオフ特性とは異なるものとなり、インパルスレスポンスの打ち切りが存在する条件下において、帯域外輻射レベルの低減を実現するものである。
最適化の具体的条件の一例として、(1)送信側と受信側とを合わせた総合伝送特性が、ナイキスト第1基準(符号間干渉なし)を満たすこと、(2)受信機のフィルタは理想的な2乗余弦のルート・ロールオフフィルタとした。
【0039】
図2は、本発明の第2実施形態を説明するためのブロック構成図である。
図中、図9,図1と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。
21I,21Qはインパルスレスポンスを最適化したスペクトル整形フィルタである。受信側のルート・ロールオフフィルタ11I,11Qは、図1と同様のものである。
【0040】
図3は、インパルスレスポンスを最適化したときのロールオフフィルタの説明図である。図3(a)は最適化の第1具体例、図3(b)は最適化の第2具体例の説明図である。
図中、横軸は正規化周波数(正側のみを示す)、縦軸は出力レベルである。
ナイキスト第1基準によれば、理想低域通過フィルタの遮断周波数(ナイキスト周波数、正規化周波数=0.5)の出力レベル0.5(−6dB)の点に対して、肩特性が奇関数であれば、符号間干渉なしの条件を満たす。
【0041】
図3(a)において、31はロールオフ率α=0.2としたときの2乗余弦ロールオフ特性であり、ナイキスト第1基準を満たすフィルタ特性である。矩形特性(理想低域通過フィルタ),3角形特性,台形特性といったものも、ナイキスト第1基準を満たすが、傾きに非連続点があるため、インパルスレスポンス長が増加するため用いられない。
この実施の形態においては、ここで、この2乗余弦ロールオフ特性31を基本伝達関数とし、さらに、遷移領域の中心周波数に対し奇関数である1または複数の補正伝達関数を加算して帯域外輻射レベルを低減したものである。ナイキスト第1基準は満たしているので、符号間干渉は生じない。
図3(a)の例では、遷移領域の外側境界32(正規化周波数0.6)を、所要の帯域と帯域外との境界(周波数f)としている。必ずしも、このようにする必要はなく、所要の帯域と帯域外との境界とする周波数fは、任意に設定して最適化計算をすることができる。
図3(a)に示したような、遷移領域の外側境帯域外輻射レベルが僅かな値であるため、リニアスケールでは、補正後の伝達関数と2乗余弦ロールオフ特性31との差は識別しにくいが、図7を参照して後述するログスケールの電力スペクトルでは識別できる。
送信側のスペクトル整形フィルタ21I,21Qは、総合伝送特性の一部を分配された特性となる。そのため、その特性は、総合伝送特性の伝達関数を受信フィルタの伝達関数で除算した伝達関数で表される。補正伝達関数としては、前記遷移領域における、前記1または複数の補正伝達関数は、奇数次の余弦関数となるものであり、総合伝送特性の伝達関数は、前記遷移領域の両端の各周波数において連続している。
【0042】
この実施の形態における送信フィルタと受信フィルタとの総合伝送特性F(w)は、次式の通りである。wは角周波数であり、正負の値をとる。pは次数、αは次数pにおける係数であって、α(w)は各次数p(1次以上P次以下)における周波数特性である。
(w)+F(w)のみの場合は、従来の2乗余弦ロールオフ特性にとなる。
【数4】
Figure 2004173153
ここで、各次数p(1次以上P次以下)における係数αの総和は1である。すなわち、
【数5】
Figure 2004173153
【0043】
式(2)は、周波数特性が、遷移領域の両側で連続となるための条件である。
式(1)(2)を変形して次式(3)を得る。
【数6】
Figure 2004173153
ここで、
【数7】
Figure 2004173153
【数8】
Figure 2004173153
上述した式(4)(5)は、式(3)中のF(w),F(w)を示している。αはロールオフ率、Mはサブキャリア数(総数)、Tは、送信側におけるシリアル・パラレル変換後の並列シンボル列のシンボル間隔(OFDM信号のシンボル区間長)である。
式(1)でP=1(すなわち、p=0,1のときの和)の場合は、図3の31に示す、従来の2乗余弦ロールオフフィルタとなる。
(w) (p≧2)は、インパルスレスポンスを最適化(帯域外輻射レベルを低減)するためにF(w) (p=1)を拡張した関数である。
【0044】
すなわち、従来の2乗余弦ロールオフフィルタは、通過周波数帯域と遮断周波数帯域の間の肩特性(遷移特性)として、余弦関数cos(x)を使用している。この実施の形態における送受信フィルタの総合伝送特性では、肩特性として、奇数次(基本周期の奇数分の1の周期)の余弦(cosine)関数群、すなわち、cos(x) ,cos(3x) ,cos(5x) ,… ,cos[(2P−1)x] の組み合わせを使用している。
図4は、ロールオフ率α=0.2としたときのF(w)を示すグラフである。あわせて、F(w)も図示している。正規化周波数が負の領域は図示していないが正負対称である。
図4から明らかなように、上述したcosine関数群は、いずれも遷移領域の中心(正規化周波数0.5)に対して奇関数である。従って、符号間干渉なしの条件を満たし、拡張2乗余弦ロールオフフィルタとでもいうべきものが実現される。
【0045】
この実施の形態における送信信号、すなわち、スペクトル整形フィルタが出力する送信信号の帯域外輻射レベルを求め、この帯域外輻射レベルが最小となるように次数pにおける係数αを設定した場合の、出力電力スペクトルを求める。
この実施の形態では、受信側のフィルタ(図2の11I,11Q)を理想ルート・ロールオフ(root roll−off)特性(2乗余弦のロールオフ特性)と仮定した。従って、上述した式(1)の総合伝送特性を、受信側の特性(理想ルート・ロールオフ特性)で割り算すれば、送信側のフィルタ特性、すなわち、図2のスペクトル整形フィルタ21I,21Qの特性が求まる。
【0046】
送信側のフィルタ特性をG(w)とすると、次式の通りである。
【数9】
Figure 2004173153
ここで、式(6)中のG(w),G(w)は、次式の通りである。なお、式(7)のG(w)は理想ルート・ロールオフ特性である。
【数10】
Figure 2004173153
【0047】
上述した式(6)のG(w)を送信フィルタの特性とした場合、その出力電力スペクトルP(w)は次式となる。数式の導出過程は省略する。
【数11】
Figure 2004173153
ここで、c(w),Hp(w)は、次式の通りである。
【数12】
Figure 2004173153
式(10),(11)において、wはm番目のサブキャリアの角周波数、Tは送信側における直並列変換後の並列シンボル列のシンボル間隔(OFDM信号のシンボル区間長)、定数Kは送信フィルタのインパルスレスポンス長であり、有限相関長のディジタルフィルタ(トランスバーサルフィルタ)のタップ数に相当している。
【0048】
帯域外輻射レベルPtは、式(9)の出力電力スペクトルを、帯域外周波数において積分して得られるため、次式のように与えられる。
【数13】
Figure 2004173153
ここでwは既に説明したように、最適化の際の帯域内と帯域外との境界であると定義した角周波数、wはサンプリング定理から決まる最高角周波数である。この境界を周波数fで定義すればf=w/2π、最高角周波数wを周波数で定義すればf=w/2πで与えられる。ディジタルフィルタを前提にすれば、最高周波数はサンプリング周波数の1/2、4倍オーバサンプリングであれば、サンプリング周波数は正規化周波数で4であるから、最高周波数は2となる。
上述した式(12)は、各α (p≧2)の2次関数であり(αとαとを、p=2,…P、q=2,…Pに関して乗算している)、かつ、2次係数が全て正であるため、その極値が帯域外輻射レベルの最小値を与える。各α (p≧2)について式(12)を微分した各式において、極値を与える各α (p≧2)の値を求め、これらを(2)式に代入してαを得、さらに、このαとともに、(6)式に代入してフーリエ変換すれば、帯域外輻射レベルを最小にするインパルスレスポンスが求まる。
【0049】
図3(b)に示すように、境界34を周波数f=0.55とした場合のロールオフ特性35としては、ロールオフ率α=0.1(遷移領域0.45≦f≦0.55)とした場合とほぼ同様の急峻な特性が得られる。
すなわち、境界34の周波数fよりも外の帯域の輻射レベルが最小になるように係数を設定したために、境界34の周波数f=0.55から外側の送信フィルタ伝送特性の振幅は著しく低減される。これは、後述する図7(b)に示す最適化後の出力電力スペクトルと図12の振幅制御なしの出力電力スペクトルを比較すれば明らかである。結果として周波数fから外側の総合伝送特性の振幅は著しく低減される。総合伝送特性はナイキスト周波数(正規化周波数0.5)の出力0.5(−6dB)の点の前後で奇関数となる特性を維持するので、周波数f=0.45においては、ほぼ1.0(0dB)となる。その結果、ロールオフ率α=0.1(遷移領域0.45≦f≦0.55)とした場合と同様の急峻な遷移特性が得られる。しかも、この境界34の周波数fからの帯域外輻射レベルが最小であるので、単なるロールオフ率α=0.1をディジタルフィルタで実現した場合と比べて、帯域外輻射電力レベルが小さくなる。
【0050】
キャリア数M=64、4倍オーバサンプルでディジタルフィルタのタップ数=201、ロールオフ率α=0.2、境界の周波数f=0.55、P=5(余弦関数の次数としては9次まで)としたときのα(1≦p≦5)は次の通りである。
α=1−(α+α+α+α
α=0.308400406
α=−0.100279167
α=0.025005514
α=−0.00326821691
【0051】
図5は、帯域外輻射レベルを最小にしたときの送信側のスペクトル整形フィルタ21I,21Qのインパルスレスホンスを示すグラフである。図中、横軸はサンプルタイミング、縦軸は出力値(リニアスケール)である。スペクトル整形フィルタ21I,21Qは、例えば、直列化された遅延要素の各タップの出力にそれぞれタップ係数を乗算し、各乗算結果を加算して出力するトランスバーサルフィルタ(FIRフィルタ:有限長インパルス応答フィルタ)で実現される。この場合、上述したインパルスレスポンスの値は横軸をタップ番号としたときのタップ係数を与える。既に説明したように、201タップで、4倍オーバサンプリングを行った場合を示す。
なお、スペクトル整形フィルタ21I,21Qの出力はD/A変換されるが、D/A変換器の出力は、インパルスではなく矩形となるため、いわゆるアパーチャ効果により、実質的な伝送路の総合伝達特性の高域が下がることになるが、オーバサンプル率が高ければ事実上無視できる。無視できないときには、例えば、このスペクトル整形フィルタ21I,21Qなどにおいて特性を補償すればよい。
【0052】
図7は、帯域外輻射レベルが最小になるように最適化したときの、出力電力スペクトルを示す図である。図6と同じ設定条件での特性である。
図7(a)は、所要帯域と帯域外との境界と定義する周波数f=0.6、図7(b)はf=0.55とした場合を示している。
最適化によりサイドローブのない準矩形の出力電力スペクトルが得られた。電力密度が−100dB以下の範囲では裾を引いているが、図示の範囲外となっている。比較例として、第1の実施形態である2乗余弦ロールオフフィルタの場合を示している。
図7(b)において、帯域外輻射レベルが−40dBとなる信号帯域は、ナイキスト周波数の1.06倍、帯域外輻射レベルが−60dBとなる信号帯域は、ナイキスト周波数の1.08倍にすぎないので、周波数利用効率が著しく改善される。図11に図示したような、従来の時間領域ウインドウを乗算した場合よりも、遙かに低い帯域外輻射レベルが達成される。
【0053】
図8は、第2の実施形態における出力電力スペクトルのキャリア数依存性を示すグラフである。キャリア数Mは、16,32および64の3通りとした。キャリア数の増加に伴い帯域外輻射レベルが減少することがわかる。キャリア数64では著しく低減される。キャリア数があまりにも少ない場合には、フィルタのタップ数を増やす必要がある。
【0054】
上述した説明では、2乗余弦ロールオフ特性の関数(基本伝達関数)に加える関数(補正伝達関数)として3次以上の奇数次cos関数群(cos(3x),cos(5x)…)とした。原理上、ナイキスト周波数に対して奇関数となる関数群であれば、ナイキストの第1条件を満たすフィルタとなり、かつ、帯域外輻射レベルを低減するように関数群の係数を最適化することができる。
従って、上述した具体例以外の基本伝達関数、補正伝達関数を採用してもよい。例えば、補正伝達関数として、正弦(sin)関数群を用いることができる。また、sin関数群と上述したcos関数群とを組み合わせたものでも構わない。
また、ロールオフ特性の関数に加える関数として実数部のみからなる関数を用いたが、虚数部を有するものでもよい。虚数部が、ナイキスト周波数に対して偶関数となる場合にもナイキスト第1基準を満たすことが知られている。
【0055】
上述した説明では、サブキャリア数(L)は、通常、IFT2のポイント数(M)に等しいとしたが、他の通信システムとの間の相互干渉を避ける等のために、意図的に任意の数のサブキャリアを使用しない場合がある。このような場合でもIFT2のポイント数(M)は変更しないため、LとMの値は必ずしも一致しない。
【0056】
上述した説明では、無線LANシステムに用いるOFDM通信システムを前提として説明したので、送信複素シンボル列としては、ディジタル変調規則に従ってマッピングされた複素信号となる。しかし、送信複素シンボル列としては、ディジタル変調規則に従ってマッピングされた複素信号が時間軸方向に拡散符号で符号拡散されたものであってもよい。あるいは、直並列変換されたサブキャリアの複素振幅レベルが、周波数軸方向(サブキャリアの配列方向)に拡散符号が割り当てられて符号拡散されて、IFTに出力されるものであってもよい。このように、IFTに入力される前の送信複素シンボルが何であっても構わない。
また、通信システムの用途は、無線LANに限られるものではない。携帯電話などの移動無線通信ネットワークにおける移動局基地局間通信システムにおける上りおよび下り伝送路の少なくとも一方の通信システムに適用してもよい。
【0057】
上述した説明では、本発明のフィルタをOFDM通信システムの送信フィルタに適用したが、他の用途に使用して、ナイキスト第1基準を満足するとともに、帯域外出力信号電力レベルを低減することも可能である。例えば、ディジタル変調を用いずに、2値あるいは多値の実数部のみの信号を用いる有線あるいは光通信ベースバンド通信システムに適用することができる。
また、ナイキスト第1基準を満たす特性の一端を担う基本となる伝達関数を、ナイキスト第1基準を満たす1または複数の伝達関数群を使用して修正する手法を、帯域外輻射レベル低減以外の目的のために採用することもできる。
【0058】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように、本発明の送信装置は、帯域外輻射電力レベルを低減させることが難しかった、IFTにより作成されたOFDM信号を送信する通信システムにおいて、ナイキスト第1基準を満足して符号間干渉を生じることなく、所要帯域外の輻射電力レベルが低減するという効果がある。
また、本発明のフィルタ装置は、上述した通信システム等の送信フィルタとして使用して、ナイキスト第1基準を満足して符号間干渉を生じることなく、所要帯域外の輻射電力レベルが低減するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の説明図である。図1(a)はブロック構成図、図1(b)は動作説明図である。
【図2】本発明の第2実施形態を説明するためのブロック構成図である。
【図3】インパルスレスポンスを最適化したロールオフフィルタの説明図である。
【図4】ロールオフ率α=0.2としたときのF(w)を示すグラフである。
【図5】帯域外輻射レベルを最小にしたときのスペクトル整形フィルタ21I,21Qのインパルスレスホンスを示すグラフである。
【図6】ロールオフ率0.2のルート・ロールオフフィルタを送信側と受信側に用いた場合の出力電力スペクトルを示すグラフである。
【図7】帯域外輻射レベルが最小になるように最適化したときの、出力電力スペクトルを示す図である。
【図8】第2の実施形態における出力電力スペクトルのキャリア数依存性を示すグラフである。
【図9】従来のOFDM通信システムのブロック構成図である。
【図10】従来のOFDM通信システムにおける、送信機側における振幅制御を説明するための窓関数の説明図である。
【図11】従来のOFDM通信システムにおける、出力信号電力スペクトルを示すグラフである。
【図12】従来のシングルキャリア通信システムのブロック構成図およびロールオフ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
1…直並列変換器、2…IFT(逆フーリエ変換)部、3I,3Q…送信機側のルート・ロールオフフィルタ、4I,4Q…乗算器、5…キャリア信号発振器、6…加算器、7…伝送路、8…分岐部、9I,9Q…乗算器、10…キャリア信号発振器、11I,11Q…受信機側のルート・ロールオフフィルタ、12…FT(フーリエ変換)部、13…並直列変換器、21I,21Q…インパルスレスポンスを最適化したスペクトル整形フィルタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a transmitting apparatus used in an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) communication system, and a transversal filter that reduces an out-of-band output signal power level without generating intersymbol interference. .
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art OFDM communication technology using a plurality of orthogonal subcarriers is used in various wireless communication systems such as a wireless LAN (IEEE802.11a standard, see Non-Patent Document 1) and a digital audio / video communication system.
FIG. 9 is a block diagram of a conventional OFDM communication system.
In the figure, 1 is a serial-parallel converter, and 2 is an IFT (Inverse Fourier Transform) unit. The transmission data is input to the serial / parallel converter 1 as a transmission symbol (complex number) sequence after digital modulation (BPSK, QPSK, 16QAM, etc.), and is converted into L parallel transmission symbol (complex number) sequences. Output to IFT2.
Here, L is the number of subcarriers of the OFDM signal. That is, the serial-to-parallel converter 1 specifies the complex amplitude of the signal that modulates the subcarriers that are orthogonal to each other by the parallel transmission symbol (complex number) sequence. The IFT 2 generates a waveform corresponding to each complex amplitude of the subcarrier and outputs an OFDM signal for each of I channel (real part) and Q channel (imaginary part). The IFT 2 is usually realized by digital signal processing using an IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform: discrete inverse Fourier transform) such as IFFT (Inverse Fast Fourier Transform).
[0003]
41 is an amplitude controller, 4I and 4Q are multipliers, 5 is a carrier (carrier) signal oscillator, 6 is an adder, and 7 is a transmission line.
The amplitude control unit 41 smoothly attenuates the amplitude of each of the I-channel and Q-channel OFDM signals output from the IFT 2 at each symbol boundary. Specifically, it will be described later with reference to FIG.
The time axis waveform of the I channel whose amplitude is controlled is quadrature modulated. That is, the multiplier 4I multiplies the in-phase output of the carrier (carrier) signal oscillator 5 and outputs the result to the adder 6. On the other hand, the Q-channel time axis waveform whose amplitude has been controlled is multiplied by the π / 2 phase shift output of the carrier signal oscillator 5 in the multiplier 4Q and output to the adder 6. The adder 6 outputs the sum of the outputs of the multipliers 4I and 4Q to the transmission path 7 as an OFDM signal.
[0004]
When an IDFT is used for the IFT 2 and the amplitude control unit 41 is also realized by digital processing, the output of the amplitude control unit 41 is converted into an analog signal by a D / A converter (not shown) and then output to the multipliers 4I and 4Q. Supplied.
Further, in the actual device configuration, the added signal is directly output as a signal in a high frequency band (RF) to the transmission line 7 or temporarily becomes a signal in an intermediate frequency band (IF). The frequency is converted to a high frequency band (RF) and output to the transmission path 7 (wireless transmission path).
Normally, a guard time is inserted at the beginning of one symbol section of the OFDM signal, but is not shown. The above is the configuration on the transmitter side.
[0005]
On the receiver side, the processing on the transmitter side is reversed. Reference numeral 8 denotes a branch unit, 9I and 9Q denote multipliers, and 10 denotes a carrier signal oscillator. On the receiver side, the branching unit 8 supplies the received OFDM signal to an I-channel multiplier 9I and a Q-channel multiplier 9Q. In each of the multipliers 9I and 9Q, the received OFDM signal is converted into an in-phase output and a π / 2 phase-shifted output from a carrier signal oscillator 10 which oscillates at the same frequency in phase synchronization with the carrier signal oscillator 5 on the transmitter side. The multiplication results in quadrature demodulation. The orthogonally demodulated I-channel and Q-channel OFDM signals are output to an FT (Fourier Transform) unit 12.
[0006]
The FT unit 12 extracts a complex amplitude of a signal that modulates a plurality of subcarriers forming the OFDM signal and outputs the complex amplitude to the parallel-serial converter 13. The parallel-serial converter 13 outputs a serialized received symbol (complex number) sequence. The received symbol (complex number) sequence is digitally demodulated based on a modulation method corresponding to digital modulation on the transmitter side, and received data is obtained.
The FT unit 12 is generally realized by digital signal processing using a discrete Fourier transform (DFT) such as a fast Fourier transform (FFT). When the DFT is used, the outputs of the multipliers 9I and 9Q are supplied to the FT section 12 after being converted into digital signals by an A / D converter (not shown).
[0007]
The frequency spectrum of the time axis waveform output from the IFT unit 2 approaches an ideal rectangular frequency spectrum if the number of subcarriers is very large. However, when the number of subcarriers is not so large, the frequency spectrum is spread. When a wireless transmission path is used as the transmission path 7, the unnecessary radiation level out of the band allocated to the communication system is restricted by the standard. Therefore, subcarriers cannot be set up to the limit of the allocated band, and there is a problem that the frequency utilization efficiency is reduced.
It is conceivable to combine the modulated subcarriers after limiting the band in advance. However, when IFT2 is used, modulation is performed in IFT2, so this method cannot be applied.
[0008]
Therefore, conventionally, in order to suppress the out-of-band component of the OFDM signal, the insertion of the amplitude control unit 41 shown in FIG. 10 and 11 are known.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a window function for explaining amplitude control (Windowing) on the transmitter side.
In the figure, reference numerals 51, 52, and 53 denote windows for multiplying the OFDM signals of three adjacent symbol periods, respectively.
Each of the illustrated windows 51, 52, and 53 has a time width that slightly exceeds one symbol section of the OFDM signal, and is a window function in a time domain that rises smoothly and falls smoothly. The waveform of the OFDM signal may change discontinuously at the boundary of each symbol section due to a change in the value of a transmitted symbol. In such a case, an out-of-band radiation component is generated. Therefore, by multiplying the time axis waveform output from IFT2 by the window function, the OFDM transmission signal is smoothly attenuated at the boundary of each symbol section, and as a result, the out-of-band radiation component is reduced.
[0009]
FIG. 11 is a graph showing an output signal power spectrum in a conventional OFDM communication system. A case where the signal amplitude at both ends of one OFDM symbol section is spectrally shaped by a time-domain window function (roll-off rate of 0.025) of a raised cosine to limit the amplitude at the boundary of one symbol section; A case where such amplitude limitation is not performed will be described. The horizontal axis is the frequency normalized so that the symbol rate (symbol / sec) of the original complex transmission symbol before the serial-to-parallel conversion by the serial-to-parallel converter 1 shown in FIG.
The required band required to transmit the OFDM signal is 0.5 of the above-mentioned normalized frequency. The integrated value of the power spectrum in the frequency band exceeding 0.5 is the out-of-band radiation level.
As is clear from FIG. 11, the reduction of the out-of-band radiation level is realized by the amplitude control. However, it is still not enough. In order to use OFDM signals in a wireless LAN, there is a demand to reduce the power density to at least about -60 dB. If the roll-off rate of the time domain window is increased, the out-of-band radiation level is reduced, but intersymbol interference occurs, so that orthogonality between subcarriers cannot be maintained, and the data rate must be reduced. As a result, the frequency utilization efficiency eventually decreases.
[0010]
Non-Patent Document 1 mentioned above suggests that filtering is performed in the frequency domain as a method other than the above-described windowing, and a research paper using an analog filter such as a Butterworth filter or a Chebyshev filter is suggested. However, if the design is made to greatly reduce out-of-band radiation, the characteristics of the transition region of the filter will cause the modulated signal of the subcarrier near the band boundary to be asymmetric, and will not satisfy the Nyquist criterion. The symbol sequence is not completely restored at the receiving end.
[0011]
[Non-patent document 1]
Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band <URL: HYPERLINK "http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.11a -1999.pdf "http: // standards. ieee. org / getieee 802 / download / 802.11a-1999. pdf>
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and a transmitting apparatus that transmits an OFDM signal that satisfies the Nyquist first criterion and has a reduced out-of-band radiation level under the condition that no intersymbol interference occurs. It is another object of the present invention to provide a transversal filter that can be used as a transmission filter of the transmission device and that reduces the out-of-band output signal power level under the condition that intersymbol interference does not occur.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided an inverse Fourier transform unit for inputting a parallel transmission symbol sequence and outputting an OFDM signal, and inputting the OFDM signal output from the inverse Fourier transform unit for band limiting. And a transmitting means for outputting a transmission signal to be transmitted to the receiving apparatus by orthogonally modulating the output of the transmitting filter, wherein the total transmission characteristic including the receiving filter on the receiving apparatus side is provided. Is a roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion, and the transmission filter is a characteristic obtained by distributing a part of the roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion, and is output by the inverse Fourier transform means. It has a characteristic of reducing the out-of-band radiation level of the OFDM signal.
Therefore, an OFDM signal with a reduced out-of-band radiation level can be transmitted under the condition that the Nyquist first criterion is satisfied and no intersymbol interference occurs.
[0014]
In the invention according to claim 2, in the transmission device according to claim 1, the characteristic of the transmission filter is a characteristic obtained by equally dividing a roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion with the reception filter. There is something.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the transmission device according to the first or second aspect, the roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion is a raised cosine roll-off characteristic.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the transmission device according to the first aspect, the total transmission characteristic in a transition region of the roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion is a roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion. And a sum of a basic transfer function and one or more corrected transfer functions that are odd functions with respect to the center frequency of the transition region, and have a characteristic of reducing the out-of-band output signal power level more than the basic transfer function. Is represented by a transfer function corrected so as to have the characteristic of the reception filter is represented by a transfer function in which a part of the basic transfer function is distributed, and the characteristic of the transmission filter is a transfer function of the total transmission characteristic. Is divided by the transfer function of the reception filter.
Therefore, by using one or a plurality of corrected transfer functions, the degree of freedom for determining the characteristics of the transition region is increased rather than simply changing the roll-off rate of the basic transfer function, so that the out-of-band radiation level of the OFDM signal can be reduced. Design for obtaining reduced characteristics is facilitated.
If, for example, a periodic function that is an odd function with respect to the center frequency of the transition region and that is orthogonal to the center frequency of the transition region is used as one or a plurality of correction transfer functions, the design becomes easier.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the transmission apparatus according to the fourth aspect, in the transition region, the weight coefficient of the basic transfer function and each weight coefficient of the one or more correction transfer functions are out of band. The radiation level is regarded as an integral value of the power density in a frequency region outside the band exceeding a predetermined boundary frequency, and is optimized so that the out-of-band radiation level is minimized.
Therefore, the characteristic of easily reducing the out-of-band radiation level of the OFDM signal can be obtained.
[0018]
In the invention according to claim 6, in the transmission apparatus according to claim 5, the predetermined boundary frequency is within a range of a transition region of a roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion, and The frequency is set to a frequency that is closer to the outside of the band than the center frequency of the transition region.
Accordingly, it is possible to substantially reduce the roll-off rate of the basic transfer function and suppress the spread of the bandwidth.
[0019]
According to a seventh aspect of the present invention, in the transmission apparatus according to any one of the fourth to sixth aspects, the one or more correction transfer functions in the transition region are odd-order cosine functions. Wherein the transfer function of the overall transmission characteristic is continuous at each frequency at both ends of the transition region.
Therefore, the characteristic of easily reducing the out-of-band radiation level of the OFDM signal can be realized.
[0020]
According to an eighth aspect of the present invention, in the transmission apparatus according to any one of the fourth to seventh aspects, the basic transfer function has a raised cosine roll-off characteristic.
[0021]
In the invention according to the ninth aspect, the transversal filter realizes a characteristic in which the overall transmission characteristic is distributed among other filters so that the overall transmission characteristic is a roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion. Wherein the total transmission characteristic in the transition region of the roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion is a basic transfer function that is a roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion, and an odd value with respect to a center frequency of the transition region. A sum of one or more corrected transfer functions represented by a function, represented by a transfer function corrected to have a characteristic of reducing the out-of-band output signal power level from the basic transfer function, and Is represented by a transfer function in which a part of the basic transfer function is distributed, and the characteristic of the transversal filter is the transfer function of the overall transmission characteristic. As represented function by a transfer function divided by the transfer function of the other filter, in which the tap coefficient is set.
Therefore, a signal having a reduced out-of-band output signal power level can be output under the condition that the Nyquist first criterion is satisfied and no intersymbol interference occurs. By using one or a plurality of corrected transfer functions, the degree of freedom for determining the characteristics of the transition region is increased, rather than simply changing the roll-off rate of the basic transfer function, so that the characteristic of reducing the out-of-band output signal power level can be obtained. The design for obtaining is easy.
If, for example, a periodic function that is an odd function with respect to the center frequency of the transition region and that is orthogonal to the center frequency of the transition region is used as one or a plurality of correction transfer functions, the design becomes easier.
[0022]
According to a tenth aspect of the present invention, in the transversal filter according to the ninth aspect, in the transition region, the weight coefficient of the basic transfer function and each weight coefficient of the one or more correction transfer functions are equal to the band. The external output signal power level is regarded as an integral value of the power density in a frequency region outside the band exceeding a predetermined boundary frequency, and is optimized so that the out-of-band output signal power level is minimized.
Therefore, it is possible to easily obtain the characteristic of reducing the out-of-band output signal power level.
[0023]
In the invention according to claim 11, in the transversal filter according to claim 10, the predetermined boundary frequency is within a range of a transition region of a roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion, and The frequency is set to a frequency that is closer to the outside of the band than the center frequency of the transition region.
Accordingly, it is possible to substantially reduce the roll-off rate of the basic transfer function and suppress the spread of the bandwidth.
[0024]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the transversal filter according to any one of the ninth to eleventh aspects, the one or more correction transfer functions in the transition region are an odd-order cosine function and an odd-order cosine function. Wherein the transfer function of the total transmission characteristic is continuous at each frequency at both ends of the transition region.
Therefore, the characteristic of easily reducing the out-of-band output signal level can be realized.
[0025]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the transversal filter according to any one of the ninth to twelfth aspects, the basic transfer function has a raised cosine roll-off characteristic.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a block diagram, and FIG. 1B is an operation explanatory diagram.
In FIG. 1A, the same parts as in FIG. 9 of the conventional example are denoted by the same reference numerals. Reference numerals 3I and 3Q denote root roll-off filters on the transmitter side, and 11I and 11Q denote root roll-off filters on the receiver side.
On the transmitter side, the serial-to-parallel converter 1 converts one sequence of transmission symbol sequences into L (number of subcarriers) sequences of parallel transmission symbol sequences. The obtained L series of parallel transmission symbol sequences are converted into OFDM signals by IFT2. The I and Q channel signals resulting from the conversion are spectrally shaped (band-limited in the frequency domain) by root roll-off filters 3I and 3Q, and then input to multipliers 4I and 4Q to be quadrature modulated. , IF or RF signals.
[0027]
On the receiver side, the I and Q channel signals of the quadrature demodulated signals output from the multipliers 9I and 9Q are input to the FT unit 12 after being spectrally shaped by the root roll-off filters 11I and 11Q.
In the figure, an enclosed portion indicated by reference numeral 14 indicates a substantial transmission path from when the OFDM signal output from the IFT 2 on the transmitter side is received via the transmission path 7 and is input to the FT 12. In this transmission path, the total transmission characteristic (multiplication of the transfer function) obtained by combining the characteristics of both the root roll-off filters 3I and 3Q on the transmitter side and the root roll-off filters 11I and 11Q on the receiver side is rolled off. And
At this time, the root roll-off filters 3I and 3Q on the transmitter side have a characteristic obtained by distributing a part of the roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion, and the out-of-band radiation level of the OFDM signal output from the IFT2. Has the property of reducing
[0028]
A transfer function obtained by adding a transfer function that is an odd function to the cutoff frequency of the ideal low-pass filter to the transfer function of the ideal low-pass filter satisfies the Nyquist first criterion.
Among the satisfying transfer functions, a transfer function in which the transfer function is continuous and the slope of the transfer function with respect to the frequency is continuous and changes smoothly is referred to as a roll-off characteristic in this specification. In particular, a transition region having a raised cosine is called a raised cosine roll-off characteristic.
Since the total transmission characteristic satisfies the Nyquist first criterion, there is no inter-symbol interference, and the transmission symbol is completely reproduced. Under this condition, the out-of-band radiation level can be reduced as compared with the conventional case.
[0029]
It may seem surprising that the communication system described above can completely recover the transmitted symbol sequence. Therefore, a detailed description will be given in comparison with a conventional communication system using a single carrier (single carrier).
FIG. 12 is a block diagram of a conventional single carrier communication system and a graph showing roll-off characteristics as a comparative example.
FIG. 12A is a block diagram of a conventional single carrier communication system using a root roll-off filter. FIG. 12B is a graph showing a transfer function of the roll-off characteristic.
In FIG. 12A, the same parts as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals. 61I and 61Q are route roll-off filters on the transmitter side, and 62I and 62Q are route roll-off filters on the receiver side.
The boxed portion indicated by the reference numeral 63 indicates a substantial transmission path until a series of complex transmission symbol strings is received via the transmission path 7 and restored as a complex reception symbol string. In this substantial transmission line, the roll-off characteristic is realized in this substantial transmission line by matching the characteristics of the route roll-off filters on both the transmitter side and the receiver side (multiplication of the transfer function). .
[0030]
FIG. 12B is a graph showing a transfer characteristic of a raised cosine roll-off characteristic. The horizontal axis is the normalized frequency, and the vertical axis is the output (linear scale). Although the characteristics on the negative side of the normalized frequency are not shown, they are left-right symmetric.
The frequency is normalized such that the symbol rate (reciprocal of the symbol interval) of the transmission symbol sequence is 1. At this time, the frequency at which the output level decreases to 1/2 (6 dB) is 0.5.
The roll-off characteristics are shown for three cases where the roll-off rate is α = 1.0, 0.2, and 0.1. When the roll-off rate is α, a region (transition region) of a shoulder characteristic in which a transition from (1−α) / 2 to (1 + α) / 2 in a normalized frequency transitions in a raised cosine manner is obtained.
The distribution of the transfer characteristic of the roll-off characteristic to the transmitter and the receiver may be arbitrarily determined for the sole purpose of eliminating intersymbol interference. Usually, the characteristics of the transmitter and the receiver are the same. A raised cosine root roll-off filter is used.
In the transmission path configuration of the route-off characteristic shown in FIG. 12A, if the received signal can be sampled at the correct timing (if the sampling points are correct), the transmission symbol sequence can be completely restored at the receiver without intersymbol interference. Known as the Nyquist primary criterion.
[0031]
On the other hand, in the block diagram showing one embodiment of the present invention shown in FIG. 1A, a portion 14 surrounded by a dotted line as a substantial transmission path is the same as the conventional single carrier communication system shown in FIG. In the block diagram shown, it corresponds to a portion 63 surrounded by a dotted line as a substantial transmission path.
Therefore, the converted data (OFDM signal) after IFT2 on the transmitter side is regarded as a transmission symbol sequence. The transmission symbol sequence is band-limited to satisfy the first Nyquist criterion by the root roll-off filters 3I, 3Q, 11I, and 11Q, and symbol synchronization is established between the transmitter and the receiver. If sampling is performed at the correct timing, the converted data (OFDM signal) after IFT2 matches the input signal (OFDM signal) to FT12 on the receiver side. Furthermore, the FT12 on the receiver side outputs the same parallel complex symbol as the parallel complex symbol before IFT2 on the transmitter side. Therefore, the complex transmission symbol sequence can be completely restored on the receiving side.
[0032]
The entire transformed data (OFDM signal) after IFT2 is regarded as one transmission symbol sequence, and the transmission symbol sequence is band-limited to satisfy the first Nyquist criterion. Since one symbol section of the OFDM signal includes M sampling points, the apparent transmission speed is M times. M is called the number of points of IFT2.
Therefore, if the band is limited by a roll-off filter having an M-fold bandwidth and sampling is performed at the receiver at M-fold sampling points (M sampling points in one symbol section of the OFDM signal), the sampling point is Based on the output, an original series of complex transmission symbols can be restored. Here, sampling at the M times sampling point is performed by the FT unit 12. The FT unit 12 extracts the complex amplitude of the modulation signal for modulating the orthogonal subcarriers by sampling M times.
Although depending on the signal configuration of OFDM, the number of points of IFT2 is usually made equal to the number of subcarriers (L) of the OFDM signal. Therefore, hereinafter, for the sake of simplicity, M is also referred to as the number of subcarriers, assuming that the number of subcarriers (L) is equal to the number of points (M) of IFT2.
[0033]
FIG. 1B shows an example where M = 4. One symbol of one carrier in the OFDM signal is shown, and a case is shown in which one cycle of the sine wave 15 is output in one OFDM symbol section. Assuming that the section length of the OFDM symbol is Ts, the sampling interval is Ts / M = Ts / 4. Assuming that the half of the reciprocal of the sampling interval is the Nyquist frequency (normalized frequency = 0.5) and a transmission / reception filter that satisfies the first criterion of Nyquist is adopted, as shown in FIG. It is apparent that the complex transmission symbol sequence can be completely restored at the receiving side without intersymbol interference as shown at 17a to 17d if the sample is sampled at the correct sampling point since the impulse response 16a to 16d is obtained. .
In FIG. 1 (b), the number of carriers is set to 1. However, even when the number of carriers is set to be plural, the complex transmission symbol sequence is also completely Can be restored. Since the sampling interval of the OFDM signal is Ts / M, the sampling frequency is M / Ts and the Nyquist frequency is M / 2Ts.
[0034]
Within a -6 dB pass band having a roll-off characteristic (from -0.5 to +0.5 in normalized frequency), M subcarriers included in the OFDM signal are arranged. Among them, the modulated signal of the subcarrier closer to the end of the band is more susceptible to the band limitation, but has the roll-off characteristic and satisfies the first Nyquist criterion. There is no intersymbol interference for the carrier modulation signal.
Note that the transmission symbol sequence can be completely restored when there is no noise, interference, distortion of the propagation path, and fixed deterioration of the wireless device.For example, when there is fixed deterioration such as a sample timing error or an interference wave, The restoration of the transmission symbol sequence may be incomplete.
[0035]
The transmission power spectrum according to this embodiment is calculated according to the following procedure.
First, a conversion data string that has been subjected to parallel conversion is defined. Symbol a mn Indicates the n-th converted data sequence of the m-th subcarrier. f (t) is the impulse response of the root roll-off filter. w m Is the angular frequency of the m-th subcarrier, T s Is the symbol interval (symbol section length of the OFDM signal) of the parallel symbol string after serial-to-parallel conversion on the transmitting side, the output of the spectrum shaping filter (root roll-off filter) is as follows.
(Equation 1)
Figure 2004173153
The above-described spectrum shaping filter output v 1 The autocorrelation function R (t) of (t) is as follows.
(Equation 2)
Figure 2004173153
The constant K is the impulse response length of the transmission filter, and corresponds to the number of taps of a digital filter (transversal filter) having a finite correlation length.
Since the power spectrum P (w) is a Fourier transform of the autocorrelation function, it is given by the following equation.
[Equation 3]
Figure 2004173153
Since it is assumed that a digital filter is used, the integrals in equations (b) and (c) are discrete numerical integrals, s Four points were taken at a time interval of / M (4 times oversump). That is, the sampling interval is set to T s / 4M, the highest frequency is 2M / T s And
[0036]
FIG. 6 is a graph showing an output power spectrum when a root roll-off filter having a roll-off rate of 0.2 is used on the transmission side and the reception side. The number of taps of the filter was 101, 201 or 401.
As compared with the output power spectrum of the conventional OFDM signal shown in FIG. 11, a low out-of-band radiation level is achieved. It can be seen that the signal bandwidth is about 60% at the out-of-band radiation level of -40 dB, as compared with the case where the conventional time domain window is multiplied as shown in FIG.
[0037]
When the above-described root roll-off filter is realized by a digital filter, it must be formed with a finite impulse response length. As a result, the impulse response is interrupted in the middle, and the discontinuation causes discontinuity. Therefore, as shown in FIG. 6, the output power spectrum has a long tail, and the out-of-band radiation level increases. I have.
It is preferable to reduce the roll-off rate because the power spectrum density rapidly decreases in the transition region, and the frequency use efficiency can be increased. However, the lower the roll-off rate, the longer the tailing becomes, and the higher the out-of-band radiation level. The reason for this is that the smaller the roll-off rate, the longer the time correlation length of the impulse response, and the greater the effect of the truncation error.
[0038]
Therefore, in the second embodiment of the present invention described below, the impulse response is optimized for the root roll-off filter on the transmitter side in order to reduce the influence of the above-mentioned truncation.
The overall transmission characteristic of the transmission / reception filter obtained as a result of the optimization is different from the raised cosine roll-off characteristic, and realizes the reduction of the out-of-band radiation level under the condition where the impulse response is discontinued.
As an example of specific conditions for optimization, (1) the total transmission characteristics of the transmitting side and the receiving side satisfy the first Nyquist criterion (no intersymbol interference), and (2) the filter of the receiver is ideal. Root-roll-off filter with a typical raised cosine.
[0039]
FIG. 2 is a block diagram illustrating a second embodiment of the present invention.
In the figure, the same parts as those in FIGS. 9 and 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
21I and 21Q are spectrum shaping filters that optimize the impulse response. The route roll-off filters 11I and 11Q on the receiving side are the same as those in FIG.
[0040]
FIG. 3 is an explanatory diagram of the roll-off filter when the impulse response is optimized. FIG. 3A is a diagram illustrating a first specific example of optimization, and FIG. 3B is a diagram illustrating a second specific example of optimization.
In the figure, the horizontal axis is the normalized frequency (only the positive side is shown), and the vertical axis is the output level.
According to the Nyquist first standard, the shoulder characteristic is an odd function with respect to the point of the output level 0.5 (−6 dB) of the cutoff frequency (Nyquist frequency, normalized frequency = 0.5) of the ideal low-pass filter. If so, the condition for no intersymbol interference is satisfied.
[0041]
In FIG. 3A, reference numeral 31 denotes a raised cosine roll-off characteristic when the roll-off rate α = 0.2, which is a filter characteristic satisfying the Nyquist first criterion. A rectangular characteristic (ideal low-pass filter), a triangular characteristic, and a trapezoidal characteristic also satisfy the Nyquist first criterion, but are not used because the slope has discontinuous points and the impulse response length increases.
In this embodiment, the raised cosine roll-off characteristic 31 is used as a basic transfer function, and one or more corrected transfer functions, which are odd functions with respect to the center frequency of the transition region, are added to the out-of-band area. The radiation level is reduced. Since the first Nyquist criterion is satisfied, no intersymbol interference occurs.
In the example of FIG. 3A, the outer boundary 32 (normalized frequency 0.6) of the transition region is defined as the boundary between the required band and the out-of-band (frequency f 1 ). It is not always necessary to do so, and the frequency f as the boundary between the required band and the out-of-band 1 Can be arbitrarily set to perform the optimization calculation.
As shown in FIG. 3A, since the radiation level outside the boundary region of the transition region is a small value, the difference between the transfer function after correction and the raised cosine roll-off characteristic 31 is identified on the linear scale. Although it is difficult to do so, it can be identified in a log-scale power spectrum described later with reference to FIG.
The transmission-side spectrum shaping filters 21I and 21Q have characteristics obtained by distributing a part of the total transmission characteristics. Therefore, the characteristic is represented by a transfer function obtained by dividing the transfer function of the total transmission characteristic by the transfer function of the reception filter. As the corrected transfer function, the one or more corrected transfer functions in the transition region are odd-order cosine functions, and the transfer function of the overall transmission characteristic is continuous at each frequency at both ends of the transition region. are doing.
[0042]
The total transmission characteristic F (w) of the transmission filter and the reception filter in this embodiment is as follows. w is an angular frequency and has a positive or negative value. p is the order, α p Is the coefficient at the order p, α p F p (W) is a frequency characteristic in each order p (1st order or more and Pth order or less).
F 0 (W) + F 1 In the case of only (w), the conventional raised cosine roll-off characteristic is obtained.
(Equation 4)
Figure 2004173153
Here, the coefficient α in each order p (1st order or more and Pth order or less) p Are 1. That is,
(Equation 5)
Figure 2004173153
[0043]
Equation (2) is a condition for the frequency characteristic to be continuous on both sides of the transition region.
Equations (1) and (2) are modified to obtain the following equation (3).
(Equation 6)
Figure 2004173153
here,
(Equation 7)
Figure 2004173153
(Equation 8)
Figure 2004173153
Equations (4) and (5) described above are equivalent to F in equation (3). 0 (W), F 1 (W) is shown. α is the roll-off rate, M is the number of subcarriers (total), T s Is the symbol interval (symbol section length of the OFDM signal) of the parallel symbol sequence after serial-parallel conversion on the transmission side.
In the case of P = 1 (that is, the sum when p = 0, 1) in the equation (1), a conventional raised cosine roll-off filter shown at 31 in FIG. 3 is obtained.
F p (W) (p ≧ 2) is used to optimize the impulse response (reduce the out-of-band radiation level) p (W) This is a function obtained by expanding (p = 1).
[0044]
That is, the conventional raised cosine roll-off filter uses the cosine function cos (x) as a shoulder characteristic (transition characteristic) between the pass frequency band and the cut-off frequency band. In the overall transmission characteristic of the transmission / reception filter in this embodiment, as the shoulder characteristic, a cosine function group of an odd-order (a period of an odd number of the fundamental period), that is, cos (x), cos (3x), A combination of cos (5x),..., cos [(2P-1) x] is used.
FIG. 4 is a graph of F when the roll-off rate α = 0.2. p It is a graph which shows (w). In addition, F 0 (W) is also illustrated. Although the area where the normalized frequency is negative is not shown, the area is symmetric with positive and negative.
As is clear from FIG. 4, the above-described cosine function group is an odd function with respect to the center of the transition region (normalized frequency 0.5). Therefore, what is referred to as an extended raised cosine roll-off filter that satisfies the condition of no intersymbol interference is realized.
[0045]
The out-of-band radiation level of the transmission signal in this embodiment, that is, the transmission signal output from the spectrum shaping filter is obtained, and the coefficient α in the order p is set so that the out-of-band radiation level is minimized. p The output power spectrum in the case where is set is obtained.
In this embodiment, the filters on the receiving side (11I and 11Q in FIG. 2) are assumed to have ideal root roll-off characteristics (roll-off characteristics of raised cosine). Therefore, if the total transmission characteristic of the above equation (1) is divided by the characteristic on the receiving side (ideal route / roll-off characteristic), the filter characteristic on the transmitting side, that is, the characteristic of the spectrum shaping filters 21I and 21Q in FIG. Is found.
[0046]
Assuming that the filter characteristic on the transmission side is G (w), the following equation is obtained.
(Equation 9)
Figure 2004173153
Here, G in equation (6) 1 (W), G p (W) is as follows. Note that G in equation (7) 1 (W) is an ideal route roll-off characteristic.
(Equation 10)
Figure 2004173153
[0047]
When G (w) in the above equation (6) is used as the characteristic of the transmission filter, the output power spectrum P (w) is as follows. The process of deriving the formula is omitted.
[Equation 11]
Figure 2004173153
Here, c (w) and Hp (w) are as follows.
(Equation 12)
Figure 2004173153
In equations (10) and (11), w m Is the angular frequency of the m-th subcarrier, T s Is the symbol interval (symbol section length of the OFDM signal) of the parallel symbol sequence after serial-to-parallel conversion at the transmission side, the constant K is the impulse response length of the transmission filter, and the number of taps of a digital filter (transversal filter) having a finite correlation length Is equivalent to
[0048]
The out-of-band radiation level Pt is obtained by integrating the output power spectrum of Expression (9) at the out-of-band frequency, and is given by the following expression.
(Equation 13)
Figure 2004173153
Where w 1 Is the angular frequency defined as the boundary between the in-band and out-of-band at the time of optimization, w 2 Is the highest angular frequency determined from the sampling theorem. The frequency f 1 Defined by f 1 = W 1 / 2π, highest angular frequency w 2 If f is defined by frequency, f 2 = W 2 / 2π. Assuming a digital filter, the maximum frequency is 1/2 of the sampling frequency, and if oversampling is four times the sampling frequency, the sampling frequency is 4 as the normalized frequency, and the maximum frequency is 2.
The above equation (12) is given by P (P ≧ 2) is a quadratic function (α p And α q , And p = 2,... P, q = 2,... P), and since the quadratic coefficients are all positive, the extreme value gives the minimum value of the out-of-band radiation level. Each α P In each equation obtained by differentiating equation (12) with respect to (p ≧ 2), each α that gives an extreme value P (P ≧ 2) are obtained, and these values are substituted into equation (2) to obtain α 1 And furthermore, this α 1 At the same time, by substituting into the equation (6) and performing Fourier transform, an impulse response that minimizes the out-of-band radiation level is obtained.
[0049]
As shown in FIG. 3B, the boundary 34 is 1 As the roll-off characteristic 35 when = 0.55, almost the same steep characteristic as when the roll-off rate α = 0.1 (transition region 0.45 ≦ f ≦ 0.55) is obtained.
That is, the frequency f of the boundary 34 1 Since the coefficient is set so that the radiation level in the band outside the frequency band becomes minimum, the frequency f 1 From 0.55, the amplitude of the outer transmission filter transmission characteristic is significantly reduced. This is apparent from a comparison between the output power spectrum after optimization shown in FIG. 7B described later and the output power spectrum without amplitude control shown in FIG. As a result, the frequency f 1 The amplitude of the overall transmission characteristic outside of is significantly reduced. Since the overall transmission characteristic maintains the characteristic that becomes an odd function before and after the point of the output 0.5 (−6 dB) of the Nyquist frequency (normalized frequency 0.5), at the frequency f = 0.45, approximately 1. 0 (0 dB). As a result, a steep transition characteristic similar to the case where the roll-off rate α = 0.1 (transition region 0.45 ≦ f ≦ 0.55) is obtained. Moreover, the frequency f of the boundary 34 1 , The out-of-band radiation power level is smaller than when a simple roll-off rate α = 0.1 is realized by a digital filter.
[0050]
Number of carriers M = 64, number of taps of digital filter with 4 times oversampling = 201, roll-off rate α = 0.2, boundary frequency f 1 = 0.55, P = 5 (the order of the cosine function is up to the order 9). p (1 ≦ p ≦ 5) is as follows.
α 1 = 1− (α 2 + Α 3 + Α 4 + Α 5 )
α 2 = 0.308400406
α 3 = -0.100279167
α 4 = 0.025005514
α 5 = -0.003262681691
[0051]
FIG. 5 is a graph showing the impulse response of the spectrum shaping filters 21I and 21Q on the transmission side when the out-of-band radiation level is minimized. In the figure, the horizontal axis is the sample timing, and the vertical axis is the output value (linear scale). The spectrum shaping filters 21I and 21Q, for example, multiply the output of each tap of the serialized delay element by a tap coefficient, add each multiplication result and output the result, and output the result (FIR filter: finite length impulse response filter). ). In this case, the value of the above impulse response gives a tap coefficient when the horizontal axis is a tap number. As described above, a case in which quadruple oversampling is performed with 201 taps is shown.
Although the outputs of the spectrum shaping filters 21I and 21Q are D / A converted, the output of the D / A converter is not an impulse but a rectangle. Is lowered, but can be effectively ignored if the oversampling rate is high. If not negligible, for example, the characteristics may be compensated for in the spectrum shaping filters 21I and 21Q.
[0052]
FIG. 7 is a diagram illustrating an output power spectrum when optimization is performed to minimize the out-of-band radiation level. This is a characteristic under the same setting conditions as in FIG.
FIG. 7A shows a frequency f defined as a boundary between a required band and an out-of-band. 1 = 0.6, and FIG. 1 = 0.55.
A quasi-rectangular output power spectrum without sidelobes was obtained by optimization. In the range where the power density is -100 dB or less, the tail is drawn, but outside the range shown in the figure. As a comparative example, a case of a raised cosine roll-off filter according to the first embodiment is shown.
In FIG. 7B, the signal band having an out-of-band radiation level of −40 dB is 1.06 times the Nyquist frequency, and the signal band having an out-of-band radiation level of −60 dB is only 1.08 times the Nyquist frequency. As a result, the frequency utilization efficiency is significantly improved. A much lower out-of-band radiation level is achieved than when multiplied by a conventional time domain window, as shown in FIG.
[0053]
FIG. 8 is a graph illustrating the dependence of the output power spectrum on the number of carriers in the second embodiment. The number of carriers M was set to 16, 32 and 64. It can be seen that the out-of-band radiation level decreases as the number of carriers increases. When the number of carriers is 64, the number is significantly reduced. If the number of carriers is too small, it is necessary to increase the number of taps of the filter.
[0054]
In the above description, as a function (correction transfer function) to be added to the function of the raised cosine roll-off characteristic (basic transfer function), an odd-order or higher-order cos function group (cos (3x), cos (5x)...) Is used. . In principle, if the function group becomes an odd function with respect to the Nyquist frequency, the function group becomes a filter satisfying the first condition of Nyquist, and the coefficients of the function group can be optimized so as to reduce the out-of-band radiation level. .
Therefore, a basic transfer function and a corrected transfer function other than the specific examples described above may be employed. For example, a group of sine functions can be used as the correction transfer function. Further, a combination of the sin function group and the above-described cos function group may be used.
Further, although a function having only a real part is used as a function to be added to the function of the roll-off characteristic, a function having an imaginary part may be used. It is known that the Nyquist first criterion is satisfied even when the imaginary part is an even function with respect to the Nyquist frequency.
[0055]
In the above description, the number of subcarriers (L) is usually equal to the number of points (M) of IFT2. However, in order to avoid mutual interference with other communication systems, any number of subcarriers are intentionally used. May not use the number of subcarriers. Even in such a case, since the number of points (M) of IFT2 is not changed, the values of L and M do not always match.
[0056]
In the above description, the description has been made on the assumption that the OFDM communication system is used for the wireless LAN system. Therefore, the transmission complex symbol sequence is a complex signal mapped according to a digital modulation rule. However, the transmission complex symbol sequence may be a complex signal mapped according to the digital modulation rule and code-spread with a spreading code in the time axis direction. Alternatively, the complex amplitude level of the subcarrier that has been subjected to serial / parallel conversion may be assigned a spreading code in the frequency axis direction (subcarrier arrangement direction), code-spread, and output to the IFT. Thus, the transmission complex symbol before being input to the IFT may be any.
Further, the application of the communication system is not limited to the wireless LAN. The present invention may be applied to at least one of an uplink and a downlink transmission line in a communication system between mobile stations and base stations in a mobile radio communication network such as a mobile phone.
[0057]
In the above description, the filter of the present invention is applied to the transmission filter of the OFDM communication system. However, the filter can be used in other applications to satisfy the Nyquist first criterion and to reduce the out-of-band output signal power level. It is. For example, the present invention can be applied to a wired or optical communication baseband communication system that uses only binary or multivalued signals of the real part without using digital modulation.
Also, a technique for correcting a basic transfer function that plays a part of the characteristic satisfying the Nyquist first criterion by using one or a plurality of transfer functions that satisfy the Nyquist first criterion is used for purposes other than the reduction of the out-of-band radiation level. Can also be adopted for.
[0058]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the transmitting apparatus of the present invention satisfies the Nyquist first criterion in a communication system that transmits an OFDM signal created by IFT, in which it was difficult to reduce the out-of-band radiation power level. Therefore, there is an effect that the radiation power level outside the required band is reduced without causing intersymbol interference.
Further, the filter device of the present invention is used as a transmission filter of the above-described communication system or the like, and satisfies the first Nyquist criterion, thereby reducing the radiation power level outside the required band without causing intersymbol interference. There is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a block diagram, and FIG. 1B is an operation explanatory diagram.
FIG. 2 is a block diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a roll-off filter having an optimized impulse response.
FIG. 4 shows F when roll-off rate α = 0.2 p It is a graph which shows (w).
FIG. 5 is a graph showing the impulse response of the spectrum shaping filters 21I and 21Q when the out-of-band radiation level is minimized.
FIG. 6 is a graph showing an output power spectrum when a root roll-off filter having a roll-off rate of 0.2 is used on the transmission side and the reception side.
FIG. 7 is a diagram illustrating an output power spectrum when optimization is performed so that an out-of-band radiation level is minimized.
FIG. 8 is a graph showing the dependence of the output power spectrum on the number of carriers in the second embodiment.
FIG. 9 is a block diagram of a conventional OFDM communication system.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a window function for explaining amplitude control on a transmitter side in a conventional OFDM communication system.
FIG. 11 is a graph showing an output signal power spectrum in a conventional OFDM communication system.
FIG. 12 is a block diagram of a conventional single carrier communication system and a graph showing roll-off characteristics.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Serial-parallel converter, 2 ... IFT (inverse Fourier transform) part, 3I, 3Q ... Root roll-off filter at the transmitter side, 4I, 4Q ... Multiplier, 5 ... Carrier signal oscillator, 6 ... Adder, 7 ... Transmission line, 8 ... Branching section, 9I, 9Q ... Multiplier, 10 ... Carrier signal oscillator, 11I, 11Q ... Route / roll-off filter on receiver side, 12 ... FT (Fourier transform) section, 13 ... Parallel-serial conversion , 21I, 21Q ... Spectrum shaping filter with optimized impulse response

Claims (13)

並列送信シンボル列を入力してOFDM信号を出力する逆フーリエ変換手段と、
該逆フーリエ変換手段から出力される前記OFDM信号を入力し帯域制限をする送信フィルタと、
該送信フィルタの出力を直交変調することにより受信装置に送信する送信信号を出力する送信手段を有する送信装置であって、
前記受信装置側の受信フィルタを含めた総合伝送特性が、ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性であり、
前記送信フィルタは、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の一部を分配された特性であり、かつ、前記逆フーリエ変換手段が出力する前記OFDM信号の帯域外輻射レベルを低減する特性を有する、
ことを特徴とする送信装置。
Inverse Fourier transform means for inputting a parallel transmission symbol sequence and outputting an OFDM signal;
A transmission filter that receives the OFDM signal output from the inverse Fourier transform unit and performs band limitation;
A transmission device having a transmission unit that outputs a transmission signal to be transmitted to a reception device by orthogonally modulating an output of the transmission filter,
The overall transmission characteristic including the reception filter on the receiving device side is a roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion,
The transmission filter is a characteristic obtained by distributing a part of a roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion, and has a characteristic of reducing an out-of-band radiation level of the OFDM signal output by the inverse Fourier transform unit. ,
A transmitting device characterized by the above-mentioned.
前記送信フィルタの特性は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性を前記受信フィルタとの間で等分配した特性であることを特徴とする請求項1に記載の送信装置。The transmission apparatus according to claim 1, wherein the characteristic of the transmission filter is a characteristic obtained by equally dividing a roll-off characteristic satisfying the Nyquist first criterion between the transmission filter and the reception filter. 前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性は、2乗余弦ロールオフ特性であることを特徴とする請求項1または2に記載の送信装置。The transmission device according to claim 1, wherein the roll-off characteristic satisfying the first Nyquist criterion is a raised cosine roll-off characteristic. 前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域における前記総合伝送特性は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性となる基本伝達関数と、前記遷移領域の中心周波数に対し奇関数である1または複数の補正伝達関数との和であって、前記基本伝達関数よりも帯域外出力信号電力レベルを低減する特性を有するように補正された伝達関数で表され、
前記受信フィルタの特性は、前記基本伝達関数の一部が分配された伝達関数で表され、
前記送信フィルタの特性は、前記総合伝送特性の伝達関数を前記受信フィルタの伝達関数で除算した伝達関数で表される、
ことを特徴とする請求項1に記載の送信装置。
The overall transmission characteristic in the transition region of the roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion is an odd function with respect to the basic transfer function that becomes the roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion and the center frequency of the transition region. Or a sum of a plurality of corrected transfer functions, represented by a transfer function corrected to have a characteristic of reducing the out-of-band output signal power level than the basic transfer function,
The characteristic of the receiving filter is represented by a transfer function in which a part of the basic transfer function is distributed,
The characteristic of the transmission filter is represented by a transfer function obtained by dividing the transfer function of the total transmission characteristic by the transfer function of the reception filter.
The transmitting device according to claim 1, wherein:
前記遷移領域における、前記基本伝達関数の重み係数および前記1または複数の補正伝達関数の各重み係数は、前記帯域外輻射レベルを、所定の境界周波数を超える帯域外の側の周波数領域における電力密度の積分値とみなし、該帯域外輻射レベルが最小となるように最適化されたものである、
ことを特徴とする請求項4に記載の送信装置。
In the transition region, the weighting factor of the basic transfer function and each weighting factor of the one or more correction transfer functions is a power density in a frequency region on the out-of-band side exceeding a predetermined boundary frequency. Is regarded as an integral value, and is optimized so that the out-of-band radiation level is minimized.
The transmission device according to claim 4, wherein:
前記所定の境界周波数は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域の範囲内であって、かつ、該遷移領域の中心周波数よりも帯域外寄りにある周波数に設定されたものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の送信装置。
The predetermined boundary frequency is set to a frequency that is within the range of the transition region of the roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion and that is closer to the outside of the band than the center frequency of the transition region. ,
The transmitting device according to claim 5, wherein:
前記遷移領域における、前記1または複数の補正伝達関数は、奇数次の余弦関数となるものであり、
前記総合伝送特性の伝達関数は、前記遷移領域の両端の各周波数において連続している、
ことを特徴とする請求項4から6までのいずれか1項に記載の送信装置。
In the transition region, the one or more correction transfer functions are odd-order cosine functions,
The transfer function of the overall transmission characteristic is continuous at each frequency at both ends of the transition region,
The transmitting device according to claim 4, wherein the transmitting device comprises:
前記基本伝達関数は、2乗余弦ロールオフ特性であることを特徴とする請求項4から7までのいずれか1項に記載の送信装置。The transmission device according to any one of claims 4 to 7, wherein the basic transfer function has a raised cosine roll-off characteristic. 総合伝送特性がナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性となるように、該総合伝送特性が他のフィルタとの間で配分された特性を実現するトランスバーサルフィルタであって、
前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域における前記総合伝送特性は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性となる基本伝達関数と、前記遷移領域の中心周波数に対し奇関数で表される1または複数の補正伝達関数との和であって、前記基本伝達関数よりも帯域外出力信号電力レベルを低減する特性を有するように補正された伝達関数で表され、
前記他のフィルタの特性は、前記基本伝達関数の一部が分配された伝達関数で表され、
前記トランスバーサルフィルタの特性が前記総合伝送特性の伝達関数を前記他のフィルタの伝達関数で除算した伝達関数で表されるように、タップ係数が設定されている、
ことを特徴とするトランスバーサルフィルタ。
A transversal filter that realizes characteristics distributed among other filters so that the total transmission characteristics are roll-off characteristics satisfying the Nyquist first criterion,
The overall transmission characteristic in the transition region of the roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion is expressed by an odd function with respect to a basic transfer function that is a roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion and a center frequency of the transition region. And a transfer function corrected to have a characteristic of reducing the out-of-band output signal power level from the basic transfer function, and
The characteristic of the other filter is represented by a transfer function in which a part of the basic transfer function is distributed,
Tap coefficients are set so that the characteristic of the transversal filter is represented by a transfer function obtained by dividing the transfer function of the total transmission characteristic by the transfer function of the other filter.
A transversal filter, characterized in that:
前記遷移領域における、前記基本伝達関数の重み係数および前記1または複数の補正伝達関数の各重み係数は、前記帯域外出力信号電力レベルを、所定の境界周波数を超える帯域外の側の周波数領域における電力密度の積分値とみなし、該帯域外出力信号電力レベルが最小となるように最適化されたものである、
ことを特徴とする請求項9に記載のトランスバーサルフィルタ。
In the transition region, the weighting factor of the basic transfer function and each weighting factor of the one or more correction transfer functions are such that the out-of-band output signal power level exceeds the predetermined boundary frequency in a frequency region outside the band. It is regarded as an integrated value of the power density and optimized so that the out-of-band output signal power level is minimized.
The transversal filter according to claim 9, wherein:
前記所定の境界周波数は、前記ナイキスト第1基準を満たすロールオフ特性の遷移領域の範囲内であって、かつ、該遷移領域の中心周波数よりも帯域外寄りにある周波数に設定されたものである、
ことを特徴とする請求項10に記載のトランスバーサルフィルタ。
The predetermined boundary frequency is set to a frequency that is within the range of the transition region of the roll-off characteristic that satisfies the Nyquist first criterion and that is closer to the outside of the band than the center frequency of the transition region. ,
The transversal filter according to claim 10, wherein:
前記遷移領域における、前記1または複数の補正伝達関数は、奇数次の余弦関数となるものであり、
前記総合伝送特性の伝達関数は、前記遷移領域の両端の各周波数において連続している、
ことを特徴とする請求項9から11までのいずれか1項に記載のトランスバーサルフィルタ。
In the transition region, the one or more correction transfer functions are odd-order cosine functions,
The transfer function of the overall transmission characteristic is continuous at each frequency at both ends of the transition region,
The transversal filter according to any one of claims 9 to 11, wherein:
前記基本伝達関数は、2乗余弦ロールオフ特性であることを特徴とする請求項9から12までのいずれか1項に記載のトランスバーサルフィルタ。The transversal filter according to any one of claims 9 to 12, wherein the basic transfer function has a raised cosine roll-off characteristic.
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