JP2005159973A - 受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一チャネル干渉を考慮して推定された伝送路特性を用いて受信信号を復調する受信機を提供する。
【解決手段】 受信機１０は、信号分離器６０、推定器７０及び復調器８０を備える。信号分離器６０は、Ａ／Ｄ変換器５０からのデジタル信号ＯＦＤＭを複数の周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎに対応する複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに分離する。推定器７０は、複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎから複数のプリアンブルを抽出し、その抽出した複数のプリアンブルを用いて伝送路の伝達関数を推定する。そして、推定器７０は、実際に受信した複数のプリアンブルと推定した伝達関数とを用いて雑音電力ｖを演算する。復調器８０は、複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎから抽出した複数のシンボルからなる信号に雑音電力ｖを加算し、その加算信号を復号してデータＤＡＴＡを出力する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、直交周波数分割多重方式によって変調された送信信号を受信し、その受信した受信信号を復調してデータを出力する受信機に関するものである。

特許文献１は、直交周波数分割多重伝送方式の通信システムを開示している。この通信システムは、送信装置と受信装置とを備え、送信装置は、受付けたデジタル信号を直列並列変換し、それぞれに対し所定のシンボル数おきに既知データ系列を挿入し、送信装置は、直流成分入力以外の周波数成分入力として挿入済みデジタル信号とパイロットデータ系列とを与え、直流成分入力にはゼロデータを与えて逆フーリエ変換し、アナログ信号に変換して受信装置へ送信する。

受信装置は、送信装置からアナログ信号を受信してデジタル信号に変換し、送信装置と同じ周波数成分入力にパイロットデータ系列を受付け、それ以外はゼロデータを受付けて逆フーリエ変換する。そして、受信装置は、２つのデジタル信号との相関を演算して取得したマルチパス電波伝搬特性により、変換されたデジタル信号を等化し、フーリエ変換し、更に並列直列変換して出力する。
特開２００１−９４５２５号公報

しかし、特許文献１に示された通信システムにおける受信装置は、送信装置との間の伝送路特性を考慮して受信信号を復調しないため、同一周波数の電波による干渉である同一チャネル干渉が生じた場合、実際に受信した受信信号を復調したデータは送信データと異なるという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、同一チャネル干渉を考慮して推定された伝送路特性を用いて受信信号を復調する受信機を提供することである。

この発明によれば、受信機は、直交周波数分割多重方式によって変調された送信信号を受信し、その受信した受信信号を復調して出力データを出力する受信機であって、信号分離器と、推定器と、復調器とを備える。信号分離器は、受信信号を周波数が異なる複数のチャネル信号に分離する。推定器は、信号分離器によって分離された複数のチャネル信号に基づいて、同一周波数の電波による干渉である同一チャネル干渉を反映した伝送路特性を推定する。復調器は、複数のチャネル信号と推定された伝送路特性とに基づいて受信信号を復調して出力データを出力する。

好ましくは、複数のチャネル信号の各々は、各フレームの先頭に付加されたプリアンブルとデータからなるシンボルとを含む。推定器は、複数のチャネル信号に含まれる複数のプリアンブルに基づいて複数のチャネルの伝達関数である複数の伝達関数を推定し、その推定した複数の伝達関数と複数のプリアンブルとに基づいて同一チャネル干渉を含む雑音電力を推定する。復調器は、複数のチャネル信号に含まれる複数のシンボルからなるシンボル信号と、雑音電力からなる雑音信号とから構成される出力データを出力する。

好ましくは、復調器は、シンボル信号に雑音信号を加算し、その加算した加算信号を所定の復調方式によって復調して出力データを出力する。

好ましくは、推定器は、予め保持している複数の既知プリアンブルを推定した複数の伝達関数に乗算し、実際に受信したプリアンブルである複数のプリアンブルから乗算した乗算信号を減算して雑音電力を推定する。

好ましくは、復調器は、加算信号をビタビ復号により復調する。

好ましくは、復調器は、加算信号に含まれる各ビットの値が第１の値である第１の確率と各ビットの値が第２の値である第２の確率とを演算し、第１の確率と第２の確率との比に応じて加算信号を復調する。

この発明による受信機は、直交周波数分割多重方式によって変調された受信信号を各周波数（各チャネル）のチャネル信号に分離し、その分離した複数のチャネル信号に含まれる複数のプリアンブルを用いて同一周波数の電波による干渉である同一チャネル干渉を反映した伝送路特性を推定すると共に、受信機は、推定した伝送路特性を反映して受信信号を復調してデータを出力する。

従って、この発明によれば、同一チャネル干渉を反映して受信信号を復調できるので、受信信号特性を向上させることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による受信機を備える無線通信システムの概略ブロック図である。無線通信システム１００は、無線装置１０〜１４からなる。無線装置１０〜１４は、それぞれ、アンテナ２０〜２４を備える。そして、無線装置１０〜１４は、無線通信空間３０に配置され、直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）によって変調された信号をアンテナ２０〜２４を介して相互に送受信する。

無線通信システム１００は、例えば、アドホック無線通信システムである。従って、無線装置１０〜１４は、アドホック無線通信システムにおけるプロトコルに従ってＯＦＤＭによる信号を相互に送受信する。

このように、無線装置１０〜１４は、相互に信号を送受信するが、この発明は、受信機に関するものであるので、無線装置１０を受信機ＲＸとし、以下においては、無線通信システム１００における受信機（ＲＸ）としての無線装置１０について説明する。

図２は、図１に示す受信機（ＲＸ）としての無線装置１０の構成を示す概略ブロック図である。無線装置１０は、受信部４０と、Ａ／Ｄ変換器５０と、信号分離器６０と、推定器７０と、復調器８０とを備える。

受信部４０は、アナログ信号である受信信号をアンテナ２０から受け、その受けた受信信号をＡ／Ｄ変換器５０へ出力する。Ａ／Ｄ変換器５０は、受信部４０から受けた受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、その変換したデジタル信号ＯＦＤＭを信号分離器６０へ出力する。

信号分離器６０は、デジタル信号ＯＦＤＭを直列並列変換し、その変換した信号に離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を施してデジタル信号ＯＦＤＭを複数の周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎ毎の複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに分離する。そして、信号分離器６０は、複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを推定器７０および復調器８０へ出力する。

推定器７０は、信号分離器６０からの複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに基づいて、後述する方法によって雑音電力ｖを推定し、その推定した雑音電力ｖを復調器８０へ出力する。復調器８０は、信号分離器６０からの複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎと推定器７０からの雑音電力ｖとに基づいて、後述する方法によってデジタル信号ＯＦＤＭを復調してデータＤＡＴＡを出力する。

図３は、フレームの模式図である。フレームＦＲＭは、プリアンブルＰＲＥと、複数のガードインターバルＧＩＶ１〜ＧＩＶｊ（ｊは、自然数）と、複数のシンボルＳＹＭ１〜ＳＹＭｊとからなる。複数のガードインターバルＧＩＶ１〜ＧＩＶｊは、複数のシンボルＳＹＭ１〜ＳＹＭｊに対応してそれぞれシンボルＳＹＭ１〜ＳＹＭｊの前に挿入される。そして、プリアンブルＰＲＥは、複数のガードインターバルＧＩＶ１〜ＧＩＶｊおよび複数のシンボルＳＹＭ１〜ＳＹＭｊの先頭に設けられる。このプリアンブルＰＲＥは、クロック同期を取るための信号である。

各チャネルのチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎは、図３に示すフレームＦＲＭを複数個集めた構成からなる。

推定器７０は、信号分離器６０から複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを受け、その受けた複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎからプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを抽出する。プリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎは、それぞれ、チャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを構成するフレームＦＲＭに含まれるプリアンブルＰＲＥを表す。複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを構成要素とするプリアンブルベクトルを＜ｙ＞とすると、プリアンブルベクトル＜ｙ＞は、次式により表される。なお、表記＜Ａ＞は、ベクトルを表すものとする。

推定器７０は、複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを抽出すると、プリアンブルベクトル＜ｙ＞を次式に代入して伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定する。

＜ｈ_ｒ＞＝Ａ_{ＬＭＭＳＥ}＜ｙ＞・・・（２）
ここで、伝達関数＜ｈ＞は、複数のチャネルの伝達関数であり、各チャネルの伝達関数を構成要素とする縦行列からなる。また、Ａ_{ＬＭＭＳＥ}は、次式により表される。

Ａ_{ＬＭＭＳＥ}＝＜Ｒ_ｈ＞＜Ｔ^†＞（＜Ｔ＞＜Ｒ_ｈ＞＜Ｔ^†＞＋（Ｐ_ｉ＋Ｐ_ｎ）＜Ｉ_Ｎ＞）^−１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
なお、Ｐ_ｉは、同一周波数の電波による干渉である同一チャネル干渉に対する定数であり、Ｐ_ｎは、熱ノイズに対する定数である。また、＜Ｉ_Ｎ＞は、熱ノイズを表し、周波数、即ち、各チャネルに対して一定である。

更に、ベクトル＜Ｔ＞は、次式により表されるベクトルである。

ここで、ｙ_０１，ｙ_０２，・・・，ｙ_０Ｎは、推定器７０が予め保持しているプリアンブルであり、伝送路を通過しないときの複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに含まれるプリアンブルである。そして、ベクトル＜Ｔ＞は、プリアンブルｙ_０１，ｙ_０２，・・・，ｙ_０Ｎを対角要素とし、それ以外の要素は”０”である行列からなる。

また、ベクトル＜Ｔ^†＞は、ベクトル＜Ｔ＞のエルミート転置行列である。

更に、ベクトル＜Ｒ_ｈ＞は、複数のチャネルの伝達関数＜ｈ＞の共分散行列からなり、次式により表される。

＜Ｒ_ｈ＞＝Ｅ［＜ｈ＞＜ｈ^†＞］・・・（５）
ここで、ベクトル＜ｈ^†＞は、ベクトル＜ｈ＞のエルミート転置行列である。より具体的には、ベクトル＜ｈ^†＞は、＜ｈ^†＞＝［ｈ_１ ^＊，ｈ_２ ^＊，・・・，ｈ_Ｎ ^＊］からなり、ベクトル＜ｈ＞とベクトル＜ｈ^†＞との積は、次式により表される。

なお、ｈ_１ ^＊は、ｈ_１の共役複素数を表す。そして、式（５）におけるＥ［＜ｈ＞＜ｈ^†＞］は、式（６）により演算された＜ｈ＞＜ｈ^†＞の平均値を表す。即ち、ベクトル＜Ｒ_ｈ＞は、連続する多数のフレームに対する平均値であり、既知である。

従って、推定器７０は、ベクトル＜Ｒ_ｈ＞，＜Ｔ＞，＜Ｔ^†＞、定数Ｐ_ｉ，Ｐ_ｎ及び熱ノイズ＜Ｉ_Ｎ＞を保持しており、上記の式（２）〜（４）を用いて伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定する。

推定器７０は、伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定すると、その推定した伝達関数＜ｈ_ｒ＞とプリアンブルベクトル＜ｙ＞とベクトル＜Ｔ＞とを次式に代入して雑音電力＜ｖ＞を推定する。

＜ｖ＞＝＜ｙ＞−＜Ｔ＞＜ｈ_ｒ＞・・・（７）
この雑音電力＜ｖ＞は、同一チャネル干渉とノイズとを含む。

推定器７０は、信号分離器６０から複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを受け、その受けた複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎからプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを抽出して式（２）〜（４）を用いて複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを伝送した伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定する。即ち、推定器７０は、最小平均二乗誤差法により伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定する。そして、推定器７０は、その推定した伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞と、実際に受信したプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎからなるプリアンブルベクトル＜ｙ＞とを用いて雑音電力＜ｖ＞を推定する。

復調器８０は、信号分離器６０から複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを受け、推定器７０から雑音電力＜ｖ＞を受ける。そして、復調器８０は、複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎから複数のシンボルＳＹＭ１＿ｃｈ１〜ＳＹＭＮ＿ｃｈＮを抽出する。即ち、復調器８０は、周波数ｆ_１のチャネルのチャネル信号Ｆ_１に含まれるフレームＦＲＭから最初のシンボルＳＹＭ１をシンボルＳＹＭ１＿ｃｈ１として抽出し、周波数ｆ_２のチャネルのチャネル信号Ｆ_２に含まれるフレームＦＲＭから最初のシンボルＳＹＭ１をシンボルＳＹＭ１＿ｃｈ２として抽出し、以下、同様にして周波数ｆ_Ｎのチャネルのチャネル信号Ｆ_Ｎに含まれるフレームＦＲＭから最初のシンボルＳＹＭ１をシンボルＳＹＭ１＿ｃｈＮとして抽出する。

そして、復調器８０は、抽出した複数のシンボルＳＹＭ１＿ｃｈ１〜ＳＹＭＮ＿ｃｈＮを要素とする信号＜ｓ＞を生成し、その生成した信号＜ｓ＞と推定器７０からの雑音電力＜ｖ＞とを次式に代入して信号＜ｒ＞を演算する。

＜ｒ＞＝＜ｓ＞＋＜ｖ＞・・・（８）
信号＜ｒ＞が演算されると、復調器８０は、軟判定または硬判定によって信号＜ｒ＞を復号してデータＤＡＴＡを出力する。復調器８０は、信号＜ｒ＞をビタビ復号することによって軟判定による復号を行なう。

また、復調器８０は、次の方法によって硬判定を行なう。即ち、復調器８０は、信号＜ｒ＞に含まれる各ビットが”０”である確率Ｐｒ［ｂ＝０｜ｒ］（ｂは、各ビットを表す）と各ビットが”１”である確率Ｐｒ［ｂ＝１｜ｒ］とを演算し、その演算した２つの確率の比Ｐｒ［ｂ＝０｜ｒ］／Ｐｒ［ｂ＝１｜ｒ］を更に演算する。そして、復調器８０は、比Ｐｒ［ｂ＝０｜ｒ］／Ｐｒ［ｂ＝１｜ｒ］が”１”よりも大きいか否かを判定し、比Ｐｒ［ｂ＝０｜ｒ］／Ｐｒ［ｂ＝１｜ｒ］が”１”よりも大きいとき、各ビットｂを”０”と決定し、比Ｐｒ［ｂ＝０｜ｒ］／Ｐｒ［ｂ＝１｜ｒ］が”１”よりも小さいとき、各ビットｂを”１”と決定する。これにより、復調器８０は、硬判定により信号＜ｒ＞を復号してデータＤＡＴＡを出力する。

この発明においては、実際に受信した複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを用いて式（２）により伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定する。この場合、伝達関数＜ｈ_ｒ＞は、複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを構成要素とするプリアンブルベクトル＜ｙ＞にＡ_{ＬＭＭＳＥ}を乗算したものであり、Ａ_{ＬＭＭＳＥ}は、式（３）〜（６）を用いて演算され、連続する多数のフレームに対する伝送路の伝達関数の平均値（＜Ｒ_ｈ＞）、同一チャネル干渉に対する定数（Ｐ_ｉ）、熱ノイズに対する定数（Ｐ_ｎ）及び熱ノイズ（＜Ｉ_Ｎ＞）によって決定され、同一チャネル干渉等を含む伝送路の定常的な伝送特性を表すものである。従って、式（２）を用いて伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定することは、定常的な伝送路特性に基づいて複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを実際に受信したときの同一チャネル干渉等を反映した伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定することになる。即ち、式（２）を用いて推定した伝達関数＜ｈ_ｒ＞は、同一チャネル干渉等を反映したときの基準となる伝達関数である。

そして、同一チャネル干渉等を反映したときの基準となる伝達関数＜ｈ_ｒ＞を、伝送路を伝搬していない理想的なプリアンブルを表すベクトル＜Ｔ＞に乗算することにより、理想的なプリアンブルが同一チャネル干渉等を反映したときの基準となる伝達関数＜ｈ_ｒ＞によって伝送路を伝搬したときに受信機１０が受信するプリアンブルが演算される（式（７）参照）。

このプリアンブルの演算後、実際に受信したプリアンブル＜ｙ＞から、基準となる伝達関数＜ｈ_ｒ＞によって伝送路を伝搬したプリアンブルを減算することによって伝送路における雑音電力＜ｖ＞を演算できることになる（式（７）参照）。

次に、図２に示した受信機１０における動作を説明する。図４は、受信機１０における動作を説明するためのフローチャートである。一連の動作が開始されると、信号分離器６０は、Ａ／Ｄ変換器５０から受けたデジタル信号ＯＦＤＭを複数の周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎに対応する複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに分離し（ステップＳ１）、その分離した複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎを推定器７０及び復調器８０へ出力する。

推定器７０は、信号分離器６０から受けた複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに含まれる複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎを抽出し（ステップＳ２）、その抽出した複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎからなるプリアンブルベクトル＜ｙ＞を式（２）に代入して伝送路の伝達関数＜ｈ_ｒ＞を推定する（ステップＳ３）。

そして、推定器７０は、複数のプリアンブルｙ_１〜ｙ_Ｎからなるプリアンブルベクトル＜ｙ＞と推定した伝達関数＜ｈ_ｒ＞とを式（７）に代入して雑音電力＜ｖ＞を推定する（ステップＳ４）。

その後、復調器８０は、信号分離器６０から受けた複数のチャネル信号Ｆ_１〜Ｆ_Ｎに含まれる複数のシンボルＳＹＭ１＿ｃｈ１〜ＳＹＭＮ＿ｃｈＮを抽出し（ステップＳ５）、その抽出した複数のシンボルＳＹＭ１＿ｃｈ１〜ＳＹＭＮ＿ｃｈＮからなる信号＜ｓ＞に推定器７０から受けた雑音電力＜ｖ＞を加算して信号＜ｒ＞を生成する（ステップＳ６）。

そして、復調器８０は、信号＜ｒ＞を軟判定または硬判定によって復号してデータＤＡＴＡを出力する（ステップＳ７）。これにより、一連の動作は終了する。

図５は、パケットエラーレートと伝送特性との関係図を示している。同図において、横軸は、伝送特性であり、縦軸は、パケットエラーレートである。また、曲線ｋ１は、本発明によるパケットエラーレートと伝送特性との関係を示し、曲線ｋ２は、従来におけるパケットエラーレートと伝送特性との関係を示す。なお、従来は、同一チャネル干渉をプリアンブルを用いて推定せずに、一定であるとして受信信号を復調していた。

図５の結果から明らかなように、この発明により雑音電力＜ｖ＞を推定し、その推定した雑音電力を用いて受信信号を復調することによって同一パケットエラーレートにおいて２［ｄＢ］も伝送特性を向上できる。つまり、送信電力を２倍に増加したのと同等の効果を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、同一チャネル干渉を考慮して推定された伝送路特性を用いて受信信号を復調する受信機に適用される。

この発明の実施の形態による受信機を備える無線通信システムの概略ブロック図である。 図１に示す受信機（ＲＸ）としての無線装置の構成を示す概略ブロック図である。 フレームの模式図である。 図２に示す受信機における動作を説明するためのフローチャートである。 パケットエラーレートと伝送特性との関係図である。

符号の説明

１０〜１４ 無線装置、２０〜２４ アンテナ、３０ 無線通信空間、４０ 受信部、５０ Ａ／Ｄ変換器、６０ 信号分離器、７０ 推定器、８０ 復調器、１００ 無線通信システム。

Claims (6)

1. 直交周波数分割多重方式によって変調された送信信号を受信し、その受信した受信信号を復調して出力データを出力する受信機であって、
   前記受信信号を周波数が異なる複数のチャネル信号に分離する信号分離器と、
   前記分離された複数のチャネル信号に基づいて、同一周波数の電波による干渉である同一チャネル干渉を反映した伝送路特性を推定する推定器と、
   前記複数のチャネル信号と前記推定された伝送路特性とに基づいて前記受信信号を復調して前記出力データを出力する復調器とを備える受信機。
2. 前記複数のチャネル信号の各々は、各フレームの先頭に付加されたプリアンブルとデータからなるシンボルとを含み、
   前記推定器は、前記複数のチャネル信号に含まれる複数のプリアンブルに基づいて複数のチャネルの伝達関数である複数の伝達関数を推定し、その推定した複数の伝達関数と前記複数のプリアンブルとに基づいて前記同一チャネル干渉を含む雑音電力を推定し、
   前記復調器は、前記複数のチャネル信号に含まれる複数のシンボルからなるシンボル信号と、前記雑音電力からなる雑音信号とから構成される出力データを出力する、請求項１に記載の受信機。
3. 前記復調器は、前記シンボル信号に前記雑音信号を加算し、その加算した加算信号を所定の復調方式によって復調して前記出力データを出力する、請求項２に記載の受信機。
4. 前記推定器は、予め保持している複数の既知プリアンブルを前記推定した複数の伝達関数に乗算し、実際に受信したプリアンブルである前記複数のプリアンブルから前記乗算した乗算信号を減算して前記雑音電力を推定する、請求項２または請求項３に記載の受信機。
5. 前記復調器は、前記加算信号をビタビ復号により復調する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の受信機。
6. 前記復調器は、前記加算信号に含まれる各ビットの値が第１の値である第１の確率と前記各ビットの値が第２の値である第２の確率とを演算し、前記第１の確率と前記第２の確率との比に応じて前記加算信号を復調する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の受信機。

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