JP2005136517A - 雑音環境適応デジタル受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雑音の統計的性質の変化に追従する情報を積極的に利用し、雑音特性に適した受信を行うことができるような雑音環境適応デジタル受信装置の提供
【解決手段】送信機側では通常の誤り訂正符号化を行い、伝送路の性質に適した波形整形・変調を行って、送信している。図の受信機では、受信した受信信号を、誤り訂正符号化された情報が伝送されているチャネル（コミュニケーション・チャネル：複数でも良い）と、情報伝送に使用されてないチャネル（アウトチャネル：複数でも良い）とを、チャネル分離部１０２で分離する。情報伝送に使用されてないチャネル（アウトチャネル）において、雑音の統計的性質を雑音推定部１０６で推定する。雑音推定部１０６で推定した雑音の統計的性質と、情報が伝送されているチャネル（コミュニケーション・チャネル）の信号とに基づき、デジタル情報再生部１０４で送信された情報の再構成（復号）が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル通信システムにおける受信特性改善技術に関するものである。特に非定常雑音を統計的に処理することで、雑音の統計的性質に適応した受信信号処理を行う受信装置に関するものである。

従来デジタル通信システムにおける受信特性改善技術としては、ダイバシチ技術や誤り訂正符号などが有る。これらの方式における構成では、信号強度を信号の信頼性の尺度として用いている。これは、雑音を定常な白色なガウス雑音と仮定した設計であるが、雑音の統計的性質の変化に追従した動作が行われていないため、自動車の点火雑音や、電気機器から発する人工雑音の様な白色定常ガウス雑音とは異なる特性をもつ雑音が有る環境下では、十分な性能を発揮することができなかった。
なお、電力線雑音環境において、雑音の周期性を考慮した推定を用いてターボ符号の復号を行うことについては、非特許文献１に記載されている。しかし、自動車の点火雑音等の、周期性などを用いて予め推定することができない特性をもつ雑音が有る環境下には、適用することができない。
和田忠浩「電力線雑音環境下におけるターボ符号の性能に関する一考察」信学技報 ＳＳＴ２００２−９，ＳＡＴ２００２−３３，ｐｐ３５−３８，（電子情報通信学会 ２００２−０６）

本発明の目的は、雑音の統計的性質の変化に追従する情報を積極的に利用し、雑音特性に適した受信を行うことができるような雑音環境適応デジタル受信装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、誤り訂正符号化された信号を受信する雑音環境適応デジタル受信装置であって、受信信号を、通信に使用しているチャネルと通信に使用していないチャネルとに分離するチャネル分離部と、前記チャネル分離部からの通信に使用していないチャネルの出力で、雑音の統計データを推定する雑音データ推定部と、通信に使用しているチャネル出力と、前記雑音データ推定部からの雑音の統計データとを用いて、誤り訂正符号化された信号を復号する復号部とを備えることを特徴とする。
また、誤り訂正符号として、繰り返し符号化を用い、前記チャネル分離部は、複数のバンドパス・フィルタを用い、前記復号部は、前記雑音データ推定部からの雑音の統計データを復号の際の重み付けに用いて復号してもよい。

本発明は、通信環境においては複数のチャネルにおける雑音の瞬時値が相関関係を持つことに注目し、受信機において、情報伝送に使用していないチャネル（周波数、時間、符号、空間、偏波等において通信メディアを分割した各々）における雑音の状況を測定して、情報伝送に使用されているチャネルの雑音の統計的処理性質を推定し、この雑音の推定値を利用することで受信信号の信頼性をより正確に評価し、それに基づいたデータの再構成を行うものである。
これにより、自動車の点火雑音や、電気機器から発する人工雑音の様な白色通常ガウス雑音とは異なる特性をもつ雑音や周期性ではない雑音が有る環境下でも、十分な受信性能を発揮することができる。

本発明の実施形態等を、図面を用いて詳しく説明する。
本発明は、通信環境においては複数のチャネルにおける雑音の瞬時値が相関関係を持つことに注目した。そして受信機において情報伝送に使用していないチャネル（周波数、時間、符号、空間、偏波等において通信メディアを分割した各々）における雑音の状況を測定して、情報伝送に使用されているチャネルの雑音の統計的処理性質を推定し、信号強度だけでなく雑音の推定値も利用することで受信信号の信頼性をより正確に評価し、それに基づいたデータの再構成を行うものである。
図１に、本発明の実施形態の受信機の構成を示す。図１において、送信機側では通常の誤り訂正符号化を行い、伝送路の性質に適した波形整形・変調を行って、送信している。
図１に示した受信機では、受信した受信信号を、誤り訂正符号化された情報が伝送されているチャネル（コミュニケーション・チャネル：複数でも良い）と、情報伝送に使用されてないチャネル（アウトチャネル：複数でも良い）とを、チャネル分離部１０２で分離する。情報伝送に使用されてないチャネル（アウトチャネル）において、雑音の統計的性質を雑音推定部１０６で推定する。雑音推定部１０６で推定した雑音の統計的性質と、情報が伝送されているチャネル（コミュニケーション・チャネル）の信号とに基づき、デジタル情報再生部１０４で送信された情報の再構成（復号）が行われる。
複数のアウトチャネルを用いたときは、例えば複数のチャネルからの雑音の推定を平均したり、重み付けをして用いることができる。
これにより、自動車の点火雑音や、電気機器から発する人工雑音の様な白色通常ガウス雑音とは異なる特性をもつ雑音や周期性ではない雑音が有る環境下でも、十分な受信性能を発揮することができる。

図２に、上述の実施形態を、雑音を含む電力線通信に適用した実施例を示す。図２において、送信側では、入力の２値データ系列{ｂｉ}は、ＦＥＣエンコーダ２０２で誤り訂正符号化される。この実施例では、簡単のためにＭ回繰り返し符号を用いている。従って、入力データ系列の１ビットはＭビット符号語に変換される。ＦＥＣエンコーダ２０２の出力は、次にブロック・インターリーバ２０４でＡＣ電圧の半周期時間（Ｔ_ＡＣ／２：これを１フレーム時間）にわたりインターリーブされた後、変調器２０６でＢＰＳＫ変調され送信される。

受信機では、受信信号をコミュニケーション・チャネルを通過帯域とするバンドパス・フィルタ２２２と、アウトチャネルを通過帯域とするバンドパス・フィルタ２２４とで、送信信号を含む成分と雑音のみを含む成分とに分離する。そして、バンドパス・フィルタ２２２の出力を復調器２４２で復調する。そして、ブロック・デインターリーバ２４４でデインターリーブ後、ＦＥＣデコーダ２４６で誤り訂正復号を行い、データを再生する。この誤り訂正復号の際には、バンドパス・フィルタ２２４の出力（雑音）の観測に基づいて、推定器２３０で算出された雑音の瞬時電力の推定値を利用する。

以下、受信機の動作について、図３を用いて、もう少し詳しく述べる。図３では、図２と同じものには、同じ符号を用いている。
図３において、受信信号成分用のフィルタ２２２の出力を

とする。ここでｓ（ｔ）は、

である。但し、Ｐは信号電力，ｄ_ｋ，ｎ∈{−１，＋１}はｋ番目のフレームにおけるｎ番目のシンボル時刻（ｎ＝０，…，Ｎ−１）のＢＰＳＫシンボル、ｇ（ｔ）はシンボルのパルス、Ｔ_ｓはＢＰＳＫの１シンボル時間、ｆｃは中心周波数を表す。なお、１フレーム時間にＮ個のシンボルが送信され、Ｎ×Ｔ_ｓは１フレーム時間（Ｔ_ＡＣ／２）である。簡単のために、ｇ（ｔ）は

の矩形パルスとする。

フィルタ２２２の出力は、ＢＰＳＫ復調器２４２に入力される。ここで、同期が完全にとれているとすると、ｋ番目のフレームにおけるｎ番目のシンボルに対応する受信信号のサンプルは、

となる。ここで、＊は畳み込みを表している。また、ｓ_ｋ，ｎ，ｎ_ｋ，ｎは、それぞれ、ｋ番目のフレームにおけるｎ番目のシンボル時刻の信号成分と雑音成分を表しており、各々、

である。ｎ_ｋ，ｎは、平均０の雑音ｎ（ｔ）を線形変換したものなので、このサンプルの平均も０となり、その分散は、

となる。ここで、σ^２（ｔ）は時刻ｔにおけるｎ（ｔ）の分散である。

次に、受信信号サンプルｒ_ｋ、ｎは、ブロック・デインターリーバ２４４でデインターリーブされる。ここで、デインターリーブ後の出力を、ｒ^（ｊ） _ｋ，ｍ（ｊ＝０，１，…，Ｎ／Ｍ−１；ｍ＝０，１，…，Ｍ−１）と表記する。但し、ｊ＋（Ｎ／Ｍ）ｋ＝ｉである。これは、ｋ番目のフレームの中のｊ番目のデータｂ_{ｊ＋（Ｎ／Ｍ）ｋ}（＝ｂｉ）に対して、符号化されたＭビット符号語の受信信号サンプルを表すものとし、ｋ番目のフレームにおける符号語の中のｍ番目のビットに対応するシンボル時刻の受信信号サンプルを表す。
ブロック・デインターリーバ２４４の出力ｒ^（ｊ） _ｋ，ｍは、次に、ＦＥＣデコーダ２４６で重みｗ^（ｊ） _ｋ，ｍにより重み付け加算され、判定用サンプル

となる。但し、ｓ^（ｊ） _ｋ，ｍ，ｎ^（ｊ） _ｋ，ｍは、各々ｒ^（ｊ） _ｋ，ｍの信号成分，雑音成分である。また、合成後の信号成分ｓ^（ｊ） _ｋは

であり、雑音成分ｎ^（ｊ） _ｋは平均０，分散

を持つ。合成後のｙ^（ｊ） _ｋは、判定器２５２に入力され、判定器２５２では、ｙ^（ｊ） _ｋ＞０ならば、ｂ_{ｊ＋（Ｎ／Ｍ）ｋ}＝＋１、ｙ^（ｊ） _ｋ≦０ならば、ｂ_{ｊ＋（Ｎ／Ｍ）ｋ}＝−１と判定する。この判定に対する誤り率Ｐ^（ｊ） _ｋは

で与えられる。ここで、バーＳＮＲは、１フレームあたりの平均ＳＮＲである。

＜復号（合成）時の重みの決定＞
本発明の実施例で提案する受信機は、フィルタ２２４の出力を用いて、受信信号サンプルの雑音成分ｎ_ｋ，ｎの瞬時電力（分散）を推定し、それに基づきｗ^（ｊ） _ｋ，ｍを決定する。推定法についての詳細は後で述べるが、ここでは、その推定値を山形σ^２ _ｋ，ｎとする。推定された分散値は、ブロック・デインターリーバ２４５でデインターリーブされた後、ＦＥＣデコーダ２４６に入力される。ここで、ｋ番目のフレームにおける、符号語の中のｍ番目のビットに対応するシンボル時刻における雑音の分散の推定値を、

と表記する。
ＦＥＣデコーダ２４６では、推定器２３０からの出力山形σ^２（ｊ） _ｋ，ｍを用いて重みｗ^（ｊ） _ｋ，ｍを計算し、Ｍ回繰り返し符号で符号化されたＭシンボルを、位相を合わせた上で最大比合成を行う。重みは、次式で与えられ、この時に、合成後のＳＮＲは最大となる。

＜雑音の瞬時電力推定＞
図４に雑音の瞬時電力の推定の概要を示す。コミュニケーション・チャネルの帯域幅をΔ_ｃ＝１／Ｔ_ｓ，アウトチャネルの帯域幅をΔ_ｏとする。ここで、Δ_ｏ≧Δ_ｃとし、

である。ここで、１つのシンボルの継続時間内で間隔１／Δ_ｏで、アウトチャネルの雑音をサンプルすることを考える。すると、ｋ番目のフレームのｎ番目のシンボルに対応するアウトチャネル雑音サンプルは、

で表される。但し、

である。なお、Ｔ_ＡＣ／２は１フレーム時間である。これにより、ｋ番目のフレームのｎ番目のシンボルに対応するサンプルの雑音成分ｎ_ｋ，ｎの分散の推定値山形σ^２ _ｋ，ｎは、

で与えられるものとする。ここで、Ｋは観測フレーム数である。現在のフレームからＫフレーム前までの同じシンボル位置における雑音サンプルを用いて、コミュニケーション・チャネルの雑音の瞬時電力を推定する。また、αは周波数依存性の係数である。

[数値例]
上述した誤り率を用いて、図２，図３で説明した電力線雑音環境下での実施例のシステムの性能を評価した。中心周波数ｆ_ｃと帯域幅Δにより、（ｆ_ｃ，Δ）と表すと、アウトチャネルとして（ｆ_ｏ，Δ_ｏ）＝（４５ｋＨｚ，５４ｋＨｚ），コミュニケーション・チャネルとして（ｆ_ｃ，Δ_ｃ）＝（１５３ｋＨｚ，１８ｋＨｚ）を選んだ場合で説明する。
図５に平均誤り率を信号対平均雑音電力比の関数として示す。ここでは、平均誤り率は、

で定義される。図５に示した数値例では、上述では無限大を１０００で近似した。
図５中で、「最大比率（理想推定）」はコミュニケーション・チャネルの雑音の瞬時電力の推定が完全であり、その推定値を元に最大比合成を行った場合の特性であり、「最大比率（推定エラー）」は、アウトチャネル雑音より、コミュニケーション・チャネル内のサブキャリアの雑音の瞬時電力を推定し、最大比合成を行った場合の実施例で提案した方式の特性である。また、比較のため、瞬時電力の推定を行わず、等利得合成を行った場合（従来方式）を「従来方式」で表している。また、ここでは、符号化率１／Ｍ＝１／３，１／５として２つの場合を考える。

図５より、推定が理想的な場合の方式は、従来方式と比較して、符号化率１／Ｍ＝１／３の場合においても、平均がＳＮＲの時に、１桁程小さい誤り率を達成していることが分かる。また、符号化率１／Ｍ＝１／５の従来方式よりも、符号化率１／Ｍ＝１／３のの実施例の方が特性が良いことが分かる。また、符号化率を１／３から１／５にした際に、実施例では、従来方式と比較して特性改善の割合が大きいことが分かる。さらに、実際の推定誤りを考慮に入れた場合の実施例の特性についても、従来方式よりも良く、推定が理想的な場合の実施例の方式に近い性能を達成していることが分かる。

本発明は、上述の実施例に限定されるものではない。例えば、上述の実施例ではアウトチャネルを通信に使用していない帯域としているが、ＴＤＭＡの場合は通信に使用していない時間スロットであり、ＣＤＭＡでは通信に使用していない符号チャネルを用いればよい。また、上述の実施例では誤り訂正符号化としてＭ回の繰り返し符号を採用しており、判定時の重み付けにアウトチャネルの推定器からの情報を用いているが、ターボ符号を用いて、復号化における事前確率としてアウトチャネルの推定器からの情報を用いる構成としてもよい。
複数のアウトチャネルを用いるときは、例えば、それぞれのチャネルの推定器から出力される値に重み付けして使用してもよい。
また、アンテナ・ダイバシチ受信における信号合成の重み付けに、アウトチャネルの推定器からの情報を用いてもよい。

本発明の実施形態の構成を示す図である。 電力線通信における実施例の構成を示す図である。 実施例の受信機の詳細構成を示す図である。 雑音の瞬時電力推定を説明する図である。 具体的な例における平均誤り率特性を示す図である。

Claims (2)

1. 誤り訂正符号化された信号を受信する雑音環境適応デジタル受信装置であって、
   受信信号を、通信に使用しているチャネルと通信に使用していないチャネルとに分離するチャネル分離部と、
   前記チャネル分離部からの通信に使用していないチャネルの出力で、雑音の統計データを推定する雑音データ推定部と、
   通信に使用しているチャネルの出力と、前記雑音データ推定部からの雑音の統計データを用いて、誤り訂正符号化された信号を復号する復号部と
   を備えることを特徴とする雑音環境適応デジタル受信装置。
2. 請求項１に記載の雑音環境適応デジタル受信装置において、
   誤り訂正符号として、繰り返し符号化を用いており、
   前記チャネル分離部は、複数のバンドパス・フィルタを用い、
   前記復号部は、前記雑音データ推定部からの雑音の統計データを復号の際の重み付けに用いて復号している
   ことを特徴とする雑音環境適応デジタル受信装置。

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