JP2005057673A - マルチキャリア受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな遅延広がりを有する伝送路であっても受信特性を向上させることができるマルチキャリア受信装置を得ること。
【解決手段】希望信号以外の干渉を抑圧するように複数のアンテナの指向性を適応的に制御し、ＦＦＴによりサブキャリア上に展開された各受信信号を合成する受信手段（受信アンテナ１，７、ＲＦ／ＩＦ部２，８、同期部３、ＦＦＴ部４，９、ウエイト制御部５、ウエイト乗算部６，１０、加算器１１に相当）と、前記合成後の信号からガードインターバルを超える遅延波および先行波による干渉を抑圧する干渉キャンセラ手段（伝送路推定部１２、パイロット再生部１３、干渉測定部１４、補間部１５、干渉排除部１６に相当）と、を備え、前記受信手段は、前記干渉キャンセラ手段により除去できない遅延波および先行波を抑圧することとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マルチキャリア変復調方式を採用するマルチキャリア受信装置に関するものである。

以下、従来のマルチキャリア受信装置（以下、受信機とよぶ）について説明する。たとえば、広帯域信号を移動体環境において送受信する場合、通信システムとしては、周波数選択性フェージングの克服が必要となる。周波数選択性フェージングへの対応技術の一つとして、マルチキャリア変復調方式、特に、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）が、各種無線通信システムに採用されている。このＯＦＤＭでは、「ガードインターバル」や「Cyclic Prefix」と呼ばれる冗長部分を送信信号に付加することによって、遅延波の影響を排除し、安定した広帯域通信を実現する。

しかしながら、ガードインターバルはシステムの伝送効率を低下させることから、可能な限り短くすることが求められる。したがって、システムによっては、ガードインターバルを越える遅延波が発生し、受信特性の大幅な劣化を引き起こす場合がある。特に、ディジタル放送のような広域通信を行うシステムでは、山岳反射や複局送信等によって、ガードインターバルを越える大きな遅延量を有する到来波が発生する。このような遅延波は、キャリア間の直交性を崩し、シンボル間干渉（ＩＳＩ:Inter Symbol Interference）およびキャリア間干渉（ＩＣＩ:Inter Carrier Interference）が発生する。

ガードインターバルを越える遅延波に対する対策としては、たとえば、干渉キャンセラを適用してＩＳＩ，ＩＣＩを回避する手法がある（非特許文献１参照）。ここでは、まず、パイロット信号を用いて得られた伝送路推定値を再スクランブル処理し、受信周波数軸信号中の希望信号レプリカを生成する。そして、パイロットキャリアにおける受信周波数軸信号と上記希望信号レプリカとの差分演算を行い、ＩＳＩおよびＩＣＩを含んだ干渉信号レプリカを求める。最後に、この干渉信号レプリカからデータキャリアの干渉成分を補間処理により求めて、全干渉信号レプリカを生成し、それを受信周波数軸信号から減算して干渉キャンセルを実現する。

また、干渉キャンセラ以外の対策としては、アンテナ制御による方法が数多く提案されている。これは、アンテナの指向性を利用して希望信号以外の受信波を抑圧するものである。一般的に、ＯＦＤＭでは、ガードインターバルを越える，越えないといった時間的判断要素が入るため、方向制御をベースとするアンテナ制御は、実システムへの適用が困難な場合が多い。ここでは、干渉に着目した場合のアンテナ制御例について説明する（特許文献１参照）。たとえば、伝送するサブキャリアの一部を使用しないことによって、ヌルキャリアを形成する。受信側では、ヌルキャリアに電力が検出された場合、ガードインターバルを越える遅延波などによりＩＣＩが発生していると考える。そして、ヌルキャリアの受信電力を検出し、この電力を最小化するようにアンテナを制御する。これにより、希望信号以外の受信波を抑圧することができる。

電子情報通信学会２００３年総合大会Ｂ−５−９３ 「符号間干渉発生時のＯＦＤＭ用干渉キャンセラに関する検討」 特開２００２−２７１２４０号公報

しかしながら、上記従来のマルチキャリア受信装置における干渉キャンセラは、ＯＦＤＭシンボル単位の伝送路推定処理を必要としており、パイロットの挿入間隔によって等化（キャンセル）可能な遅延量に限界が生じる。たとえば、日本の地上ディジタルテレビジョン放送規格（ARIB STD−B31）によれば、パイロット信号は１２サブキャリアにつき１本挿入される。この場合、サンプリング定理から、ＯＦＤＭ信号の有効シンボル長の１／２４までの時間差（ガードインターバルを越える時間長）を持つ遅延波と先行波を等化することが可能である。言い換えると、これ以上の時間差を有する到来波については等化することができない、という問題があった。

また、上記アンテナ制御による方法では、アンテナ数により抑圧できる到来波数が制限される、という問題があった。また、ヌルキャリアを挿入することは、伝送容量を低下させるうえ、ディジタル放送のように規格で規定されているシステムでは適用が不可能（ヌルキャリアがない）である。したがって、ヌルキャリアの本数として、それほど大きな値を指定することは不可能であり、制御に際して干渉量の測定精度を上げることが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、干渉キャンセラによりガードインターバル近辺の遅延波の影響を低減し、さらに、アンテナ制御により高精度に干渉を抑圧することにより、受信特性のさらなる向上を実現可能なマルチキャリア受信機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のマルチキャリア受信機は、希望信号以外の干渉を抑圧するように複数のアンテナの指向性を適応的に制御し、ＦＦＴによりサブキャリア上に展開された各受信信号を合成する受信手段と、前記合成後の信号からガードインターバルを超える遅延波および先行波による干渉を抑圧する干渉キャンセラ手段と、を備え、前記受信手段は、前記干渉キャンセラ手段により除去できない遅延波および先行波を抑圧することを特徴とする。

この発明によれば、干渉キャンセラ手段によりガードインターバル近辺（等化可能な最大遅延量の限界まで）の遅延波および先行波の影響を低減し、さらに、パイロットサブキャリアの干渉成分を指標としたアンテナ制御により、干渉キャンセラ手段により除去できない希望信号以外の干渉を高精度に抑圧する。

この発明によれば、大きな遅延広がりを有する伝送路であっても受信特性を向上させることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるマルチキャリア受信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、実施の形態１の受信機の概要について説明する。本実施の形態の受信機は、干渉キャンセラを用いてガードインターバル近辺の遅延波および先行波の影響を低減する。一般的に、干渉波はガードインターバル近辺に存在する可能性が高く、ガードインターバルを遥かに越える遅延波および先行波が存在する確率は低いので、干渉キャンセラの適用により、アンテナを用いて抑圧すべき干渉波を大幅に減らすことができる。

一方で、干渉キャンセラには、パイロット信号の挿入間隔に基づいて、等化可能な最大遅延量の限界が存在するが、パイロット信号を用いて干渉成分を測定しているため、干渉成分として等化不可能な遅延波および先行波を観測することは可能である。そこで、本実施の形態では、干渉キャンセラにより高精度に測定した干渉成分を指標として、アンテナを適応的に制御することにより、さらに高精度に遅延波を抑圧する。このように、本実施の形態では、アダプティブアレーアンテナを用いて、干渉キャンセラにより除去できない遅延波および先行波を高精度に抑圧することによって、少ないアンテナ数で安定した通信特性を実現する。

つづいて、実施の形態１の受信機の構成および動作を詳細に説明する。図１は、本発明にかかるマルチキャリア受信装置（以降、受信機とよぶ）の実施の形態１の構成を示す図である。この受信機は、図示のとおり、受信アンテナ１，７と、受信アンテナ１からの高周波信号Ｓ１をダウンコンバートしてベースバンド信号Ｓ２を生成するＲＦ／ＩＦ部２と、タイミング／周波数同期を行う同期部３と、同期部３から出力されるタイミング同期情報Ｓ３を用いてＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を実行するＦＦＴ部４と、干渉情報Ｓ１４に基づいてアダプティブアレーアンテナを制御するウエイト制御部５と、サブキャリア上に展開された受信信号Ｓ４に対してウエイト制御部５から出力されたウエイト情報Ｓ５−１を乗算することによって、指向性アンテナを実現するウエイト乗算部６と、受信アンテナ２からの高周波信号Ｓ７をダウンコンバートしてベースバンド信号Ｓ８を生成するＲＦ／ＩＦ部８と、同期部３から出力されるタイミング同期情報Ｓ３を用いてＦＦＴを実行するＦＦＴ部９と、サブキャリア上に展開された受信信号Ｓ９に対してウエイト制御部５から出力されたウエイト情報Ｓ５−２を乗算することによって、指向性アンテナを実現するウエイト乗算部１０と、を備える。

このように、本実施の形態では、受信アンテナ１，ＲＦ／ＩＦ部２，ＦＦＴ部４，ウエイト乗算部６の組み合わせと、受信アンテナ７，ＲＦ／ＩＦ部８，ＦＦＴ部９，ウエイト乗算部１０の組み合わせにより、アダプティブアレーアンテナとして用いる２つの受信系を構成する。

さらに、図１に示す受信機は、ウエイト乗算結果Ｓ６とＳ１０を合成する加算器１１と、サブキャリア上に展開されたアンテナ合成後の受信信号のパイロット部分（パイロットサブキャリア）Ｓ１１−２を用いて伝送路推定を行う伝送路推定部１２と、伝送路推定部１２から出力される伝送路情報Ｓ１２を用いてパイロットサブキャリアのレプリカＳ１３を作成するパイロット再生部１３と、再生されたパイロットサブキャリアのレプリカＳ１３と実際に受信したパイロットサブキャリアＳ１１−２とを比較して干渉成分Ｓ１４を算出する干渉測定部１４と、算出された干渉成分Ｓ１４を補間し、データ部分を含めた干渉成分Ｓ１５を再生する補間部１５と、サブキャリア上に展開されたアンテナ合成後の受信信号のデータ部分（データサブキャリア）Ｓ１１−１から干渉成分Ｓ１５を減算する干渉排除部１６と、干渉除去後の受信信号Ｓ１６を検波，復調して最終的な受信機出力Ｓ１７を出力する検波／復調部１７と、を備える。

なお、本実施の形態では、一例として、２つのアンテナで受信系を構成しているが、これに限らず、３つ以上のアンテナで受信系を構成してもよい。

ここで、上記本実施の形態の受信機の動作について説明する。まず、アンテナ１，７で受信した高周波信号Ｓ１，Ｓ７を受け取ったＲＦ／ＩＦ部２，８では、当該高周波信号Ｓ１，Ｓ７をベースバンド信号Ｓ２，Ｓ８に変換する。そして、同期部３では、受信信号（ベースバンド信号Ｓ２，Ｓ８）を解析し、周波数同期およびタイミング同期を確立する。

つぎに、ＦＦＴ部４，９では、同期部３から送られてくるタイミング同期情報Ｓ３に基づいて、受信信号（ベースバンド信号Ｓ２，Ｓ８）からガードインターバルを除去した信号を抽出する。そして、ガードインターバル除去後の信号に対してＦＦＴ処理を実行することにより、サブキャリア上の受信信号Ｓ４，Ｓ９を生成する。

つぎに、ウエイト制御部５では、上記ＦＦＴ出力、および後述するパイロットサブキャリアにおける干渉成分Ｓ１４を用いて、干渉が最小化するように各アンテナのウエイト制御を行う。ウエイト乗算部６，１０では、ウエイト制御部５から送られてくるウエイト情報Ｓ５−１，Ｓ５−２に基づいて、各サブキャリアの受信信号Ｓ４，Ｓ９に対して複素乗算（ウエイト乗算）を行い、アンテナの指向性を作り出す。そして、加算器１１では、ウエイト乗算結果Ｓ６，Ｓ１０を各アンテナ間で合成し、指向制御された受信信号を生成する。

つぎに、伝送路推定部１２では、受信信号中のパイロットサブキャリア１１−２を用いて伝送路のチャネルインパルスレスポンス（伝送路情報）Ｓ１２を計算する。パイロット再生部１３では、当該伝送路情報Ｓ１２に基づいてノイズを除去してパイロットサブキャリアのレプリカＳ１３を生成する。干渉測定部１４では、受信信号内のパイロットサブキャリア１１−２と上記パイロットサブキャリアのレプリカＳ１３とを比較し、両者の差であるパイロットサブキャリアの干渉成分（含む雑音）Ｓ１４を出力する。補間部１４では、パイロットサブキャリアの干渉成分Ｓ１４を補間し、データサブキャリアの干渉成分Ｓ１５を計算する。そして、干渉排除部１６では、受信信号のデータ部分Ｓ１１−１から干渉成分Ｓ１５を減算して干渉キャンセラ機能を実現する。

最後に、検波／復調部１７では、干渉キャンセル後の受信信号Ｓ１６に対して既知の検波処理，復調処理を行い、最終的な受信機出力Ｓ１７を出力する。

このように、本実施の形態においては、干渉キャンセラによりガードインターバル近辺（等化可能な最大遅延量の限界まで）の遅延波および先行波の影響を低減し、さらに、パイロットサブキャリアの干渉成分を指標としたアンテナ制御により、高精度に希望信号以外の干渉を抑圧する。これにより、大きな遅延広がりを有する伝送路であっても受信特性を向上させることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明にかかる受信機の実施の形態２の構成を示す図であり、この受信機は、検波出力または受信機出力Ｓ１７から残留する干渉成分Ｓ１８を測定する残留干渉量測定部１８と、干渉情報Ｓ１４および干渉成分Ｓ１８に基づいてアダプティブアレーアンテナを制御するウエイト制御部５ａと、を備える。なお、先に説明した実施の形態１の図１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態１と異なる動作についてのみ説明する。

残留干渉量測定部１８では、検波出力または受信機出力Ｓ１７より残留する干渉成分の大きさを測定する。具体的にいうと、まず、検波器出力を復調／誤り訂正し、送信信号の仮判定値を得る。そして、この情報に基づいて検波器出力のレプリカを生成し、このレプリカと実際の検波器出力とを比較することにより、残留干渉量を測定する。ウエイト制御部５ａでは、残留干渉量測定部１８から送られてくる残留干渉量情報Ｓ１８を用いて、残留干渉量が最小となるようにアンテナのウエイト制御を行う。

このように、本実施の形態においては、実施の形態１の構成に加えて、さらに、干渉キャンセラ適用後の残留干渉成分をアンテナ制御の指標とした。これにより、さらに的確に遅延波を抑圧できる。

実施の形態３．
図３は、本発明にかかる受信機の実施の形態３の構成を示す図であり、この受信機は、受信機出力Ｓ１７からデータサブキャリアのレプリカＳ２０を生成するデータ再生部２０と、再生されたパイロットサブキャリアのレプリカＳ１３とサブキャリア上に展開されたアンテナ合成後の受信信号（データサブキャリアおよびパイロットサブキャリア）Ｓ１１と上記レプリカＳ２０とを用いて、全サブキャリアの干渉成分Ｓ１４ｂを算出する干渉測定部１４ｂと、干渉成分１４ｂの波形整形を行い、各サブキャリアの干渉成分Ｓ１９を出力する波形整形部１９と、を備える。なお、先に説明した実施の形態１の図１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態１と異なる動作についてのみ説明する。

実施の形態３においては、干渉測定にパイロットサブキャリアだけでなく、データサブキャリアをも使用する。具体的にいうと、まず、データ再生部２０が、受信器出力Ｓ１７を用いてデータサブキャリアのレプリカＳ２０を生成する。なお、この処理は既知の再生法が一般的に知られている。干渉測定部１４ｂでは、パイロットサブキャリアのレプリカＳ１３およびデータサブキャリアのレプリカＳ２０と、アンテナ合成後の受信信号Ｓ１１と、を比較し、全サブキャリアの干渉成分Ｓ１４ｂを算出する。そして、この干渉成分１４ｂは、波形整形部１９によって波形整形され、 干渉排除部１６により受信信号Ｓ１１から減算される。なお、ここでは、ウエイト制御部５が、全サブキャリアの干渉成分Ｓ１４ｂを最小化するようにアンテナ制御を行う。

このように、本実施の形態においては、パイロットサブキャリアの干渉成分に加えて、判定帰還されるデータサブキャリアの干渉成分についても算出し、全サブキャリアの干渉を抑圧するようにアンテナ制御を行う。これにより、等化可能な最大遅延量を拡大できるとともに、さらに、より正確なアンテナ制御を実現できる。

実施の形態４．
図４は、本発明にかかる受信機の実施の形態４の構成を示す図であり、この受信機は、
パイロットサブキャリアのレプリカＳ１３およびアダプティブアレーアンテナの構成情報Ｓ２１を用いてＦＦＴ窓の位置制御を行う同期部３ｃ、を備える。なお、先に説明した実施の形態１の図１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、実施の形態１と異なる動作についてのみ説明する。

たとえば、パイロットサブキャリアのＩＦＦＴ結果はチャネルインパルスレスポンス（ＣＩＲ）であり、これは、パイロットサブキャリアのレプリカＳ１３と等価である。一方、アダプティブアレーアンテナでは、制御するアンテナの数によって抑圧できる到来波の数が決まる。したがって、何波の到来波が抑圧可能かどうかを示すアンテナ構成情報Ｓ２１とパイロットサブキャリアのレプリカ（ＣＩＲ）Ｓ１３とを同期部３ｃに入力することにより、最適なＦＦＴ窓制御が可能となる。

具体的には、ガードインターバルおよび干渉キャンセラによる等化可能範囲からはずれる到来波の波数が、アダプティブアレーアンテナによる抑圧可能波数以下となるようにＦＦＴ窓位置の制御を行う。なお、ＦＦＴ窓位置をどのように設定しても、等化範囲外の到来波数がアンテナによる抑圧可能波数を越える場合には、干渉の残留成分が発生する。このような場合には、残留成分を最小化するようにＦＦＴ窓を設定する。また、干渉キャンセラの等化範囲は、時間的に前後両方向に存在する。そのため、一般的には、ＦＦＴ窓内に漏れ込むＩＳＩ成分および自シンボルに発生するＩＣＩ成分の大きさを最小化するように、ＦＦＴ窓位置を制御する。図５は、ＩＳＩ成分およびＩＣＩ成分の大きさを最小化するように設定したＦＦＴ窓の一例を示す図である。

このように、本実施の形態においては、パイロットサブキャリアのレプリカＳ１３および何波の到来波が抑圧可能かどうかを示すアンテナ構成情報Ｓ２１を用いて、干渉の残留成分を最小化するようにＦＦＴ窓を設定することとした。これにより、大きな遅延広がりを有する伝送路であっても受信特性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、上記ＦＦＴ窓の設定処理を、前述の実施の形態１の構成に適用した場合について記載したが、これに限らず、実施の形態２，３の受信機においても同様に適用可能である。

以上のように、本発明にかかるマルチキャリア受信装置は、マルチキャリア変復調方式を採用する無線通信システムに有用であり、特に、ガードインターバルを越える遅延波が存在する伝送路で用いられる受信機として適している。

本発明にかかるマルチキャリア受信装置の実施の形態１の構成を示す図である。 本発明にかかるマルチキャリア受信装置の実施の形態２の構成を示す図である。 本発明にかかるマルチキャリア受信装置の実施の形態３の構成を示す図である。 本発明にかかるマルチキャリア受信装置の実施の形態４の構成を示す図である。 ＦＦＴ窓の一例を示す図である。

符号の説明

１，７ 受信アンテナ
２，８ ＲＦ／ＩＦ部
３，３ｃ 同期部
４，９ ＦＦＴ部
５，５ａ ウエイト制御部
６，１０ ウエイト乗算部
１１ 加算器
１２ 伝送路推定部
１３ パイロット再生部
１４，１４ｂ 干渉測定部
１５ 補間部
１６ 干渉排除部
１７ 検波／復調部
１８ 残留干渉量測定部
１９ 波形整形部
２０ データ再生部

Claims (7)

1. 希望信号以外の干渉を抑圧するように複数のアンテナの指向性を適応的に制御し、ＦＦＴによりサブキャリア上に展開された各受信信号を合成する受信手段と、
   前記合成後の信号からガードインターバルを超える遅延波および先行波による干渉を抑圧する干渉キャンセラ手段と、
   を備え、
   前記受信手段は、前記干渉キャンセラ手段により除去できない遅延波および先行波を抑圧することを特徴とするマルチキャリア受信装置。
2. 前記干渉キャンセラ手段は、
   前記合成後の信号に含まれるパイロットサブキャリアを用いて伝送路推定処理を行い、その結果に基づいて雑音を除去してパイロットサブキャリアのレプリカを生成するレプリカ生成手段と、
   前記合成後の信号に含まれるパイロットサブキャリアと前記レプリカとを用いてパイロットサブキャリアにおける干渉成分を求める干渉測定手段と、
   前記パイロットサブキャリアにおける干渉成分を補間することによりデータサブキャリアの干渉成分を求める補間手段と、
   前記合成後の信号に含まれるデータサブキャリアから前記データサブキャリアの干渉成分を除去する干渉除去手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア受信装置。
3. 前記受信手段は、前記パイロットサブキャリアの干渉成分の大きさを指標として、前記各アンテナのウエイト制御を適応的に行うことを特徴とする請求項２に記載のマルチキャリア受信装置。
4. さらに、前記干渉除去後の信号を復調する復調手段と、
   前記復調後の信号から残留する干渉成分を測定する残留干渉成分測定手段、
   を備え、
   前記受信手段は、前記パイロットサブキャリアの干渉成分および前記残留干渉成分の大きさを指標として、前記各アンテナのウエイト制御を適応的に行うことを特徴とする請求項２に記載のマルチキャリア受信装置。
5. さらに、前記干渉抑圧後の信号を復調する復調手段と、
   前記復調後の信号からデータサブキャリアのレプリカを生成するデータレプリカ生成手段と、
   を備え、
   前記干渉キャンセラ手段は、
   前記合成後の信号に含まれるパイロットサブキャリアを用いて伝送路推定処理を行い、その結果に基づいて雑音を除去してパイロットサブキャリアのレプリカを生成するパイロットレプリカ生成手段と、
   前記合成後の信号と、前記パイロットサブキャリアのレプリカと、前記データサブキャリアのレプリカと、を用いて、全サブキャリアにおける干渉成分を求める干渉測定手段と、
   前記合成後の信号から前記全サブキャリアの干渉成分を除去する干渉除去手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア受信装置。
6. 前記受信手段は、前記全サブキャリアの干渉成分の大きさを指標として、前記各アンテナのウエイト制御を適応的に行うことを特徴とする請求項５に記載のマルチキャリア受信装置。
7. 前記受信手段は、前記パイロットサブキャリアのレプリカ、および何波の到来波が抑圧可能かどうかを示すアンテナ構成情報、を用いて、干渉残留成分を最小化するようにＦＦＴ窓の設定位置を調整することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載のマルチキャリア受信装置。

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