JP2005184725A - Ofdm受信装置およびofdm信号の受信方法 - Google Patents

Ofdm受信装置およびofdm信号の受信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】OFDM信号受信において、挿入されるサブキャリア位置が固定されている制御信号を用いて、周波数ずれを検出することを課題とする。
【解決手段】FFT演算器10から出力された受信OFDM信号に対して、絶対値自乗演算が行われる。実数相関器202では、メモリ203からAC1信号およびTMCC信号のパイロットパターンを入力し、パイロットパターンと受信OFDM信号の絶対値自乗演算結果との間で相関処理を行う。ピーク位置検出部204は、実数相関器202の出力のピーク値を算出し、このピーク値を元に誤差検出部205が周波数誤差を検出する。
【選択図】図2

Description

本発明は、OFDM伝送方式において、受信信号の周波数ずれを検出する技術に関する。
日本の地上波デジタルテレビ放送では、伝送方式としてはOFDM(直交周波数分割多重;Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式が採用されている。OFDM方式は、送信データを複数の搬送波に分割して送信するマルチキャリア伝送方式の1つであり、マルチパス伝送路の周波数選択性フェーディングに強い、各サブチャネルのスペクトルが密に配置でき、周波数利用効率が高い、などの利点がある。
OFDM伝送方式によって送信された信号は、受信装置においてFFT変換されることによって復調される。しかし、受信信号に広帯域の周波数ずれ(サブキャリア間隔を超える大きなずれ)が発生している場合には、FFT変換において各信号の周波数がシフトするため、正しいサブキャリアからデータを取り出すことができない。図5において、実線はFFT変換後の受信信号であり、破線は元の送信信号を示している。この図では、受信信号の周波数が全体的に5ポイント分シフトしている。
ここで、広帯域周波数ずれについて説明する。送信装置から送信された信号X(n)を数1式で示す。
Figure 2005184725
ただし、数1式において、kはキャリア番号、Nは全キャリア数である。この送信信号は、D/A変換されることにより数2式で示される信号X(t)となる。
Figure 2005184725
ただし、数2式において、Tはサンプリング間隔、f0はサブキャリア間隔(角周波数)であり、サブキャリア間隔f0は数3式で表される。
Figure 2005184725
数2式で示される送信信号が、伝送路において周波数誤差を受けると、数4式で表される信号Xr(t)となる。
Figure 2005184725
OFDM伝送における受信装置は、この周波数ずれの生じた信号を受信する。ここでΔfは周波数ずれである。数4式で示される受信信号Xr(t)は、A/D変換されることにより、数5式で示される信号Xr(n)となる。
Figure 2005184725
ここで、Δfを数6式で示されるように分解する。
Figure 2005184725
ここで、Kは整数であり広帯域の周波数ずれの大きさを示す値である。これに対して、Δf0/f0は、1より小さい小数であり、狭帯域の周波数ずれの大きさを示す値である。
本発明では、広帯域の周波数ずれのみに着目するので、説明を簡単にするためにΔf=Kf0と仮定する。このように仮定することによって、受信信号Xr(n)は、数7式で表される。
Figure 2005184725
そして、数7式で表される受信信号Xr(n)をDFT変換することにより、変換域でKポイントのシフトが生じることとなる。このKポイントのシフトが広帯域の周波数ずれである。なお、整数Kで表される周波数ずれは、サブキャリア間隔f0を1としたときの相対的な値である。
このように受信装置が受信する信号は広帯域周波数にずれが生じているため、各サブキャリアから正しくデータを取り出すためには、周波数のずれを検出するとともに周波数のずれを補正する必要がある。周波数のずれを検出する方法としては、パイロットとの相関をとる方法が考えられる。
パイロットを用いて相関をとるためには、受信信号にパイロットが挿入されていることと、そのパイロットパターンを受信側が知っていることが条件となる。一般的に、パイロット信号は初期値既知の正負のランダム2値数であり、これを不規則な間隔をおいてサブキャリアに挿入する。受信側では、既知のパイロットパターンを用いて受信した信号との相関をとり、相関ピークの位置を測定することによって、広帯域周波数ずれを検出できるのである。
ここで、ヨーロッパ規格のOFDMフォーマットでは、どのシンボルにおいても、サブキャリア配置とパイロットの値が変わらないCP(continuous pilot)が存在しているため、このパイロットパターンを用意しておけば、FFT直後の信号において、どのシンボルに対しても相関をとることが可能である。
しかし、日本規格のOFDMフォーマットは、1シンボルが13セグメントで構成され、さらに、セグメントは差動変調セグメントと同期変調セグメントの2種類で構成されており(この明細書において、セグメント方式といえば、この日本規格のOFDMフォーマットを指すものとする。)、セグメントの種類によってパイロットの配置が異なる。そして、1シンボル中のセグメントの配列は受信信号から混在配置情報を取得することによって判明するものであるが、そもそも周波数がずれている場合には、混在配置情報の挿入されているサブキャリアを正しく認識できないため、混在配置情報を取得することができない。したがって、FFT直後においてはセグメント構成を知ることができないため、パイロットパターンを決定することはできないこととなる。
そこで、本願出願人は下記特許文献1に示す方法によって、日本規格のOFDMフォーマットにおいても周波数ずれを検出可能としている。
前述の如くセグメント方式(日本規格)のOFDMフォーマットでは、FFT変換による復調処理の直後に、サブキャリア位置とパイロット値が既知のパイロットを取得することができない。しかし、パイロットデータとは異なるが、既知の位置情報を持つ信号が存在する。それはAC1(Auxiliary Channel)と呼ばれる信号とTMCC(Transmission and Multiplexing Configuration Control)と呼ばれる信号であり、付加情報を伝送する目的や、制御情報を伝送する目的で利用されている。そして、下記特許文献1では、図6に示すような周波数ずれ検出回路を備えることにより、AC1信号およびTMCC信号を利用して周波数ずれを検出するようにしている。
図6に示すように、FFT演算部100において周波数領域の信号に変換された受信OFDM信号が周波数ずれ検出部210に入力される。入力された受信OFDM信号は、自乗演算部211に入力される。自乗演算部211においては、受信OFDM信号のデータ信号、AC1信号およびTMCC信号など全ての信号が自乗演算される。なお、AC1信号およびTMCC信号についても他のパイロットデータと同様に、その信号値は、データ信号の信号値より30%程度大きくなっている。
AC1信号およびTMCC信号はDBPSK変調された二値信号のため、自乗演算すれば正になり、不確定性が消える。これに対してデータ信号はランダムの複素信号なので、自乗演算してもそのランダム性は消えない。そのため、自乗演算した受信信号(受信したAC1信号およびTMCC信号を含む)と受信側が保持しているAC1信号およびTMCC信号(位置情報だけのパイロット)との相関をとれば、真のパイロットと同様、相関ピークを検出することができるのである。
自乗演算された受信OFDM信号は、次に、IFFT演算部212に入力され逆フーリエ変換される。一方、所定の記憶部(図示せず)に記憶されているAC1信号およびTMCC信号の位置情報信号が呼び出され、呼び出されたAC1信号およびTMCC信号の位置情報信号がIFFT演算部213に入力される。IFFT変換部213は、AC1信号およびTMCC信号の位置情報信号を逆フーリエ変換する。
次に、逆フーリエ変換された受信OFDM信号と逆フーリエ変換されたAC1信号およびTMCC信号の位置情報信号とが乗算器214に入力されて、乗算処理が行われる。さらに、乗算結果がFFT演算部215に入力されて、乗算結果がフーリエ変換される。
自乗した信号はOFDMシンボル長と同じ長さのNポイントの信号であり、AC1信号およびTMCC信号の位置に対応したベクトルもNポイントの信号であるから(AC1信号およびTMCC信号が挿入されていないサブキャリアに対しては信号値0を割り当てることにより、Nポイントの信号と見ることができる。)、両者を別々にIFFT変換し、乗算した後FFT変換すると、その振幅の波形のピークを持つキャリアのインデックスは広帯域周波数ずれとなるのである。
特開2003−124905号
上記特許文献1で示す方法により、セグメント方式のOFDMフォーマットにおいても、AC1信号やTMCC信号を利用することで広帯域周波数ずれを検出することが可能となった。
しかし、特許文献1で示す方法において、FFT後の信号の自乗とパイロットパターンとの相関は複素相関である。複素相関器による演算量は実数相関器を用いた演算量の4倍以上であり、回路規模が大きくなる。そこで、特許文献1では、回路規模を減らすために、復調処理で用いるFFT演算器と相関処理に用いるFFT演算器を兼用させるようにした。しかし、復調器と同じFFT演算器をシェアリングするためには、受信装置のシステムクロックを上げなければならないという課題があった。また、FFT回路をシェアリングするための、タイミング設計が比較的複雑になるという課題もあった。
そこで、本発明は、AC1信号やTMCC信号を利用した周波数ずれ検出アルゴリズムにおける上記課題を解決することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明では、セグメント方式のOFDM(直交周波数分割多重)伝送における受信装置であって、OFDM信号は、OFDM信号の1シンボルを構成するセグメントの配置に依存することなく、挿入されるサブキャリア位置が固定されている制御信号を含んでおり、a)前記制御信号の1シンボル内におけるサブキャリア位置を示す位置情報を記憶する手段と、b)送信装置から受信した前記制御信号を含む受信OFDM信号の絶対値を自乗演算し、信号パワーを算出する手段と、c)前記信号パワーと前記位置情報との相関をとる相関手段と、d)前記相関手段による相関結果から周波数ずれを検出する手段と、を備えることを特徴とする。
請求項2記載の発明では、請求項1に記載のOFDM受信装置において、前記制御信号は、前記セグメント方式のOFDM伝送において送信されるAC1信号、を含むことを特徴とする。
請求項3記載の発明では、請求項1に記載のOFDM受信装置において、前記制御信号は、前記セグメント方式のOFDM伝送において送信されるTMCC信号、を含むことを特徴とする。
請求項4記載の発明では、セグメント方式のOFDM(直交周波数分割多重)伝送における受信方法であって、OFDM信号は、OFDM信号の1シンボルを構成するセグメントの配置に依存することなく、挿入されるサブキャリア位置が固定されている制御信号を含んでおり、a)送信装置から受信した前記制御信号を含む受信OFDM信号の絶対値を自乗演算し、信号パワーを算出する工程と、b)前記信号パワーと、前記制御信号の1シンボル内におけるサブキャリア位置を示す位置情報との相関をとる相関工程と、c)前記相関工程による相関結果から周波数ずれを検出する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明は、挿入されるサブキャリア位置が固定されている制御信号をパイロット信号として利用して受信信号との間で相関をとる。そして、受信信号の絶対値を自乗した後に相関をとるので、実数相関器を利用することができ、回路規模を縮小することが可能である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。地上波デジタル放送の送信方式として、1チャンネルの帯域内に数百〜数千の多数の搬送波(サブキャリア)を多重伝送するOFDM方式が日本や欧米などで採用されている。このOFDM方式は、送信データを複数のサブキャリアに分割して送信するマルチキャリア変調方式であるため、周波数利用効率が非常に高く、移動受信時に生じる周波数選択性フェーディング妨害に強い。また、6MHzの帯域幅で伝送する総ビットレートが同じという条件下では、各キャリアのシンボル期間が通常のシングルキャリア変調方式のそれに比べてキャリアの本数分(数百〜数千分)長く、また、各有効シンボル間にガードインターバルという保護期間を設けることによりマルチパス(ゴースト)の影響を小さくできるため、画質劣化を抑制できるという利点がある。
図1は、本実施の形態に係るOFDM用受信装置の概略を示す機能ブロック図である。OFDM用送信装置(図示せず)から送信されたRF(Radio Frequency)信号1は伝送路を通って受信アンテナ2で受信される。受信RF信号は、チューナー3でIF(Intermediate Frequency)信号に周波数変換される。そのIF信号は、BPF(バンドパスフィルタ)4を介してミキサー5に入力され、搬送波発振器6から供給される信号と乗算された後にLPF(ローパスフィルタ)7に出力される。LPF7において高周波成分が除去された信号はA/D変換器8に対して出力され、A/D変換器8において所定のサンプリング周波数でデジタル信号(シンボル信号)に変換された信号は、直並列変換器9に対して出力される。そして、直並列変換器9にシリアル信号として入力された信号は、パラレル信号に変換されて、FFT(高速フーリエ変換)演算器10に対して出力される。
FFT演算器10は、入力する時間領域のシンボル信号を周波数領域の信号(以下、この信号を受信OFDM信号と呼ぶ。)にフーリエ変換する。周波数領域の受信OFDM信号は、波形等化を実行する等化器11および周波数ずれ検出部20に入力される。周波数ずれ検出部20については後述するが、本発明の特徴的部分である。
一方、等化器11においては、周波数領域における等化処理が実行され、等化処理後のデータは、並直列変換器12でパラレル信号からシリアル信号に変換された後、チャンネル復号器13でビタビ復号化やリードソロモン復号化を施され、次いで、ソース復号器14でMPEG(Moving Picture Experts Group)−2方式などの復号化を施された後、D/A変換器15でアナログ化され出力される。
次に、図2〜図4を参照しながら周波数ずれ検出部20において行われる相関処理について説明する。前述したように、ヨーロッパ規格のOFDMフォーマットにおいては、位置(配置されるキャリア番号)と値が既知であるパイロット信号が含まれている。しかし、セグメント方式(日本規格)のOFDMフォーマットでは、FFT変換による復調処理の直後に、この二つ情報を持ったパイロットを取得することができない。しかし、パイロット信号とは異なるが位置情報を持つ信号が存在する。それはAC1(Auxiliary Channel)と呼ばれる信号とTMCC(Transmission and Multiplexing Configuration Control)と呼ばれる信号であり、付加情報を伝送する目的や、制御情報を伝送する目的で利用されている。
AC1信号およびTMCC信号はセグメントの構成に左右されなく、常に同じキャリア位置に配置されるという特徴がある。1シンボルには、複数の同期変調セグメントと差動変調セグメントが配置されることになるが、AC1信号およびTMCC信号は、同期変調セグメントと差動変調セグメントの両方に挿入される信号であり、しかも、同期変調セグメントと差動変調セグメントの配列によらず、一定のサブキャリア位置に挿入されるのである。
たとえば、図3に示すように、あるL番目のセグメントにおいては、そのセグメント内のM番目のキャリアにAC1(もしくはTMCC)信号が挿入されるということが決まっているものとする。この場合、L番目のセグメントが同期変調セグメントであっても、差動変調セグメントであっても、そのM番目のキャリアには必ずAC1(もしくはTMCC)信号が挿入されているのである。このことは、結局、1シンボル内に挿入される全AC1およびTMCC信号の挿入位置が決定していることとなる。そこで、本発明においては、このAC1およびTMCC信号を、位置情報を備えるパイロットパターンとして扱うことにより、受信OFDM信号との相関を取るのである。したがって、以下の説明では、AC1信号およびTMCC信号を適宜パイロットと呼ぶことにする。
図4は、受信装置があらかじめ取得しているAC1信号およびTMCC信号の位置情報信号、つまりパイロットパターンを示す図である。この位置情報信号が周波数ずれ検出部20のメモリ203に格納されている。なお、図4において、横軸は、1シンボルにおけるキャリア番号(インデックス)を示しており、縦軸は、信号値(振幅)を示している。また、図では、AC1信号およびTMCC信号値を1としているが、メモリ203が記憶しておく必要があるのは、AC1信号およびTMCC信号が挿入されているキャリア位置に関する情報であるので、特に、信号値を記憶しておく必要はない。
図2に示すように、FFT演算部10において周波数領域の信号に変換された受信OFDM信号が周波数ずれ検出部20に入力される。入力された受信OFDM信号は、絶対値自乗演算部201に入力される。絶対値自乗演算部201においては、受信OFDM信号のデータ信号、AC1信号およびTMCC信号など全ての信号の絶対値が自乗演算される。なお、FFT演算後の信号を複素信号a+jb(a,bは実数、jは虚数単位)とすると、絶対値自乗演算の結果はa2+b2となり、演算結果が実数となる。ここで、FFT後の信号の絶対値の自乗を、信号パワーと呼ぶことにする。
次に、受信信号の絶対値自乗演算結果と、メモリ203に記憶されているAC1信号およびTMCC信号の位置情報信号が実数相関器202に入力される。そして、実数相関器202では、メモリ203に格納されていた位置情報信号と、受信信号の絶対値自乗演算結果との間で相関処理を行う。
つまり、FFT演算器10から出力される1シンボル分の信号に着目すると、絶対値自乗演算された受信OFDM信号はOFDMシンボル長と同じ長さのNポイントの信号である。また、メモリ203に格納されていたパイロットパターン(位置情報信号)についても、AC1信号およびTMCC信号については信号値1を割り当て、AC1信号およびTMCC信号が挿入されていないサブキャリアに対しては信号値0を割り当てることにより、Nポイントの信号と見ることができる。そこで、受信OFDM信号の各点の絶対値自乗演算結果と、パイロットパターンの対応する各点とを乗算し、N個の乗算結果を加算することで、相関値を得ることができるのである。そして、パイロットパターンを1ポイントずつずらしながら、同様に、受信OFDM信号の各点の絶対値自乗演算結果と、パイロットパターンの対応する各点とを乗算し、N個の乗算結果を加算することで、順次相関値が算出されるのである。
そして、パイロットパターンにおけるAC1信号とTMCC信号に信号値1を割り当てて相関演算を行っている場合には、結局、相関値は、受信OFDM信号の1シンボルにおける信号パワーの和となる。ただし、パイロットパターンにおけるAC1信号とTMCC信号に1以外の適当な実数を割り当てても良い。
実数相関器202において、パイロットパターンをずらしながら各位置における信号パワーの和が算出されると、ピーク検出部204において、この実数相関器202の出力のピークが算出される。
ここで、受信OFDM信号に含まれるAC1信号およびTMCC信号の信号値は、データ信号の信号値より30%程度大きくなっている。したがって、AC1信号およびTMCC信号の絶対値自乗演算によって求められるパワーは、データ信号のパワーより69%大きくなる。従って、全てのAC1信号およびTMCC信号のパワーの和、つまり、メモリ203が保持しているパイロットパターンと受信OFDM信号のパイロット位置とが完全一致する場合の信号パワーの和は、ランダムであるデータ信号とのパワーの和よりも大きくなるので、ノイズフリーの場合には相関ピークを得ることができるのである。
そして、誤差検出部205は、ピーク検出部204において算出されたピーク値を元に広帯域の周波数ずれを求める。周波数ずれ検出部20において広帯域周波数ずれが検出されると、周波数補正用の乗算器21において、A/D変換後のシンボル信号に対して周波数補正係数が乗算される。具体的には、数7式で示した受信信号Xr(n)の係数を消去する補正係数としてexp(j2πnK/N)が乗算される。これによって、シンボル信号は、広帯域周波数ずれに対する補正処理が行われることとなる。
本実施の形態では、セグメントの配置に依存することなく、その挿入位置が固定されているAC1信号およびTMCC信号をパイロット信号として代用することにより、セグメント方式のOFDMフォーマットを採用している日本規格においても、周波数ずれを検出することが可能である。そして、本実施の形態の周波数ずれ検出処理は、実数相関器を用いて実行されるので、複素相関器を用いる場合に比べて回路規模を縮小させることが可能である。
また、本実施の形態では、AC1信号およびTMCC信号の両方の信号について相関をとる方法をとっているが、AC1信号のみを利用して相関をとる方法、もしくは、TMCC信号のみを利用して相関をとる方法としてもよい。
ノイズやフェーディングなどの外乱がある場合について説明する。シミュレーションによると、C/N比(Carrier to Noise Ratio)が1.6dB以上であり、十分な数のAC1信号とTMCC信号が存在することが相関ピークを得る条件となる。このような条件であれば、AC1信号とTMCC信号の平均パワーが、データ信号の平均パワーとノイズの平均パワーの和より大きくなり、相関ピークを検出することが可能である。地上波デジタルテレビ放送日本規格の場合、AC1信号とTMCC信号の挿入数が最も少ないモードIの場合であっても、13セグメントの合計で両信号の合計は39本である。また、モードIIとモードIIIでは、それぞれ78本と144本存在する。シミュレーションの結果、39本のAC1信号とTMCC信号が存在すれば相関ピークが検出可能であった。
本実施の形態におけるOFDM受信装置の機能ブロック図である。 周波数ずれ検出部の機能ブロック図である。 シンボルとセグメントの関係を示す図である。 AC1信号およびTMCC信号の位置情報信号を示す図である。 広帯域周波数ずれが発生している状態を示す図である。 AC1信号およびTMCC信号を用いて周波数ずれを検出する従来のブロック図である。
符号の説明
10 FFT演算部
20 周波数ずれ検出部
201 絶対値自乗演算部
202 実数相関器
203 (AC1信号およびTMCC信号の位置情報信号を格納する)メモリ
204 ピーク位置検出部
205 誤差検出部

Claims (4)

  1. セグメント方式のOFDM(直交周波数分割多重)伝送における受信装置であって、
    OFDM信号は、OFDM信号の1シンボルを構成するセグメントの配置に依存することなく、挿入されるサブキャリア位置が固定されている制御信号を含んでおり、
    a)前記制御信号の1シンボル内におけるサブキャリア位置を示す位置情報を記憶する手段と、
    b)送信装置から受信した前記制御信号を含む受信OFDM信号の絶対値を自乗演算し、信号パワーを算出する手段と、
    c)前記信号パワーと前記位置情報との相関をとる相関手段と、
    d)前記相関手段による相関結果から周波数ずれを検出する手段と、
    を備えることを特徴とするOFDM受信装置。
  2. 請求項1に記載のOFDM受信装置において、
    前記制御信号は、
    前記セグメント方式のOFDM伝送において送信されるAC1信号、
    を含むことを特徴とするOFDM受信装置。
  3. 請求項1に記載のOFDM受信装置において、
    前記制御信号は、
    前記セグメント方式のOFDM伝送において送信されるTMCC信号、
    を含むことを特徴とするOFDM受信装置。
  4. セグメント方式のOFDM(直交周波数分割多重)伝送における受信方法であって、
    OFDM信号は、OFDM信号の1シンボルを構成するセグメントの配置に依存することなく、挿入されるサブキャリア位置が固定されている制御信号を含んでおり、
    a)送信装置から受信した前記制御信号を含む受信OFDM信号の絶対値を自乗演算し、信号パワーを算出する工程と、
    b)前記信号パワーと、前記制御信号の1シンボル内におけるサブキャリア位置を示す位置情報との相関をとる相関工程と、
    c)前記相関工程による相関結果から周波数ずれを検出する工程と、
    を備えることを特徴とするOFDM信号の受信方法。
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