JP2005286447A - 等化器を備えた受信装置及びその同期確立方法 - Google Patents

等化器を備えた受信装置及びその同期確立方法 Download PDF

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Abstract

【課題】等化器の同期確立に必要な演算量の低減或いは回路構成の簡単小型化を図り、これにより等化器延いては無線装置の消費電力の低減及び小型化を可能とする。
【解決手段】等化器5の初期収束及び同期確立を行う際に、先ず上記等化フィルタ51及び収束回路部を動作させて、QPSK方式により送信された伝送フレームの受信信号をもとに等化フィルタ51の初期収束処理を行う。そして、初期収束の終了が検出されると、次にビット相関演算部55a〜55d及びメモリ56を動作させ、上記初期収束された等化フィルタ51の出力信号と固定パターン信号とのビット相関演算を行って、その相関値出力をもとにフレーム同期タイミングを検出すると共にシンボルの位相回転量を検出し、この検出された位相回転量をもとに位相変換部57でシンボル位相を補正する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、例えば準ミリ波帯を使用する広帯域固定系無線アクセスシステムや移動通信システム等のディジタル無線通信システムで使用される受信装置に係わり、特に等化器を備えた受信装置及びその同期確立方法に関する。
ディジタル無線通信システムでは、伝送路上において多重伝搬等の影響により無線信号に波形歪みが発生することがあり、この波形歪みを補償するために受信装置には等化器が設けられている。一般に等化器は、等化フィルタと、等化誤差を検出するための回路と、検出された等化誤差に応じて上記等化フィルタのタップ係数を更新するタップ係数更新部とを備える(例えば、特許文献1を参照。)。
この種の等化器は、電源投入時や再同期時において、受信データに対する同期の確立とタップ係数の初期収束を行う必要があり、その処理を従来では例えば次のように行っている。すなわち、送信装置は伝送フレームを送信する。伝送フレームは、先頭に同期ワードを配置し、それに続いて情報データ部を配置したもので、同期ワードにはトレーニング信号が挿入される。これに対し受信装置は、先ず相関演算部において、受信された伝送フレームの信号と予め記憶してある既知の信号との相関演算を行い、その相関値出力に基づいてフレーム同期及びシンボル同期を確立する。これにより、受信された伝送フレームの構成と同期ワードの受信タイミングが判明する。次に、伝送フレームの同期ワードを受信して、この同期ワードに挿入されているトレーニング信号と既知の固定パターンとの等化誤差を算出する。そして、タップ係数更新部において、上記算出された等化誤差をもとに当該等化誤差を零に近づけるべくタップ係数を更新し、この更新されたタップ係数を等化フィルタに与える。かくして、受信フレームデータに対するフレーム同期及びシンボル同期の確立と等化器の初期収束がなされる。
特開2003−347977公報
ところが、以上述べた従来の同期確立方法では、はじめにフレーム同期及びシンボル同期を確立するようにしており、そのために相関演算部において伝送フレームの受信信号と既知の固定パターン信号との相関演算を行っている。相関演算部では、複素乗算処理と乗算出力の加算処理が必要であり、多くの問題を生じる。例えば、等化器をDSP(Digital Signal Processor)等を使用してソフトウエアにより実現する場合には、演算量が膨大になって処理遅延や消費電力の増大を招く。一方、等化器をハードウエアで実現する場合には、回路構成の複雑化と回路規模の大型化を招く。
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、等化器の同期確立に必要な演算量の低減或いは回路構成の簡単小型化を図り、これにより等化器延いては受信装置の消費電力の低減及び小型化を可能とした等化器を備えた受信装置及びその同期確立方法を提供することにある。
上記目的を達成するためにこの発明は、送信装置から送信される伝送フレームに対し同期を確立する際に、先ず位相同期用の変調方式として位相成分のみを持つ位相変調方式を使用して等化フィルタの初期収束を行う。すなわち、送信装置から上記位相変調方式を使用して送信された伝送フレームを受信して等化フィルタに入力し、この等化フィルタにより等化された伝送フレームの信号と当該信号をシンボル判定した信号とから等化誤差を求めて、この等化誤差をもとに上記等化フィルタに与えるタップ係数を更新する。次に、ビット相関演算を使用してフレーム同期の確立と位相不確定性の補償を行う。すなわち、上記等化誤差が予め設定された値以下に減少した状態で、上記等化フィルタにより等化された位相合わせ信号と既知の固定パターン信号とのビット相関値を求める。そして、このビット相関値の出力をもとに、フレーム同期タイミングを検出すると共に受信シンボルの位相回転量を検出し、この検出された位相回転量に基づいて上記受信シンボルの位相を補正する。
したがってこの発明によれば、先ず位相変調方式により変調された伝送フレームの受信信号をもとに等化フィルタの初期収束が行われ、続いてこの初期収束された等化フィルタにより波形等化された位相合わせ信号と固定パターン信号との相関値をもとにフレーム同期の確立と位相不確定性の補償が行われる。このため、比較的シンボル判定の容易な位相変調方式を使用して、迅速かつ確実に等化フィルタの初期収束を行うことができる。
また、初期収束がなされた等化フィルタの出力を利用することで、相関演算手段としてビット相関演算を使用することが可能となる。ここで、一般にビット相関演算は排他的論理和処理と加算処理により実現される。このため、等化器の処理をソフトウエアで実現する場合には、複素乗算処理と加算処理を必要とした従来の相関演算に比べ演算量を大幅に低減でき、これにより消費電力を低減できる。また、等化器をハードウエアで実現する場合には、多数の複素乗算器と加算器を必要とする従来の相関演算回路を使用する場合に比べ、回路構成の簡単化及び回路規模の小型化が可能となる。
さらにこの発明は、送信装置が複数の変調方式を選択的に使用して伝送フレームを送信する機能を備える場合に、同期の確立処理に先立ち上記複数の変調方式の中から位相成分のみを持つ位相変調方式を同期確立用の変調方式として選択し、この選択された位相変調方式により変調された伝送フレームを送信装置から受信装置に向け送信することも特徴とする。同期確立用の変調方式として、BPSK(Binary Phase Shift Keying)またはQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)が好適である。
このようにすると、例えば適応変調方式を使用する送信装置及び受信装置において、同期確立時には上記適応変調に使用される複数の変調方式の中から位相成分のみを持つ位相変調方式、例えばBPSKまたはQPSKが選択される。そして、送信装置からこの選択された位相変調方式により変調された伝送フレームが送信される。したがって、適応変調方式を備えるシステムであっても、受信装置では上記BPSKまたはQPSKにより位相変調された伝送フレームをもとに等化器の初期収束が行われる。このため、等化器の初期収束をより常に迅速かつ確実に行うことが可能となる。
要するにこの発明では、先ず位相成分のみを持つ位相変調方式により変調された伝送フレームの受信信号をもとに等化フィルタの初期収束を行い、続いてこの初期収束された等化フィルタにより波形等化された位相合わせ信号と固定パターン信号とのビット相関値をもとにフレーム同期の確立と位相回転量の補正を行うようにしている。
したがってこの発明によれば、等化器の同期確立に必要な演算量の低減或いは回路構成の簡単小型化を図ることができ、これにより等化器延いては受信装置の消費電力の低減及び小型化を可能とした等化器を備えた受信装置及びその同期確立方法を提供することができる。
図1は、この発明の一実施形態に係わる無線通信システムの要部構成を示す概略構成図であり、BSは送信装置としての基地局、TMは受信装置としての端末局をそれぞれ示している。
このうち先ず基地局BSは、端末局TMとの間で例えばFDD(Frequency Division Duplex)方式により情報データの双方向通信を行うもので、情報データ信号を伝送フレームに挿入して送信する。図3は下り伝送フレームのフレーム構成を示すもので、各フレームは同期ワードと情報データ部とから構成される。同期ワードには、端末局TMの等化器にシンボルの位相補正を行わせるための位相合わせ信号CSが挿入される。情報データ信号DTは情報データ部に挿入される。
また、基地局BS及び端末局TMは適応変調制御機能を備える。適応変調制御機能は、無線伝送路の伝搬路特性を推定し、この推定された伝搬路特性に基づいて複数の変調方式、例えばQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、64QAM(Quadrature Amplitude Modulation)の中から適切な変調方式を選択して情報の送受信を行う機能である。
一方、端末局TMは、受信ユニット及び送信ユニットを備え、これらの受信ユニット及び送信ユニットを共用器(DUP)2を介してアンテナ1に接続したものとなっている。受信ユニットはこの発明の受信装置に対応するもので、受信機(RX)3と、直交検波器4と、等化器5とを備えている。
受信機3は、低雑音増幅器、周波数変換器及び帯域通過フィルタを備える。そして、アンテナ1により受信された無線信号を、低雑音増幅器で増幅したのち周波数変換器により中間周波数の受信信号に変換する。直交検波器4は、上記受信機3から出力された受信信号を直交検波し、ベースバンドの受信信号を出力する。
等化器5は、等化フィルタ51と、収束回路部と、フレーム同期部と、位相変換部57とを備えている。等化フィルタ51は例えばユニバーサルフィルタにより構成され、上記直交検波器4から出力されたベースバンドの受信信号x(n)の波形等化を行う。収束回路部は、再マッピング部52と、減算器53と、係数更新部54とから構成される。そして再マッピング部52において、上記等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)をもとにシンボル判定を行って再マッピングし、これにより所望信号d(n)を出力する。続いて、この所望信号d(n)と、上記等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)との誤差信号e(n)を減算器53により算出し、この算出された誤差信号e(n)を係数更新部54に与える。係数更新部54は、上記等化フィルタ51に与えるタップ係数を更新する。
フレーム同期部は、4個のビット相関演算部55a〜55dと、メモリ56とを備える。メモリ56には、基地局BSから送られる位相合わせ信号CSの固定パターン信号が記憶されている。メモリ56は、制御部7の制御の下、上記記憶された固定パターン信号に対し0°,90°,180°,270°の位相回転を与えた信号をそれぞれ読み出し、この読み出された各固定パターン信号をそれぞれ上記4個のビット相関演算部55a〜55dに供給する。
ビット相関演算部55a〜55dはそれぞれ、上記等化フィルタ51により波形等化された受信信号y(n)と、上記位相回転を与えられた固定パターン信号とのビット相関演算を行い、その相関値出力をフレーム同期タイミングの検出信号として制御部7に与える。また、それと共に上記受信信号y(n)の位相回転量を検出し、この検出された位相回転量を位相変換部57に供給する。
位相変換部57は、上記ビット相関演算部55a〜55dにより検出された位相回転量に基づいて、上記等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)の位相を補正する。そして、この位相が補正された受信信号を後段の例えば復号処理部(図示省略)へ出力する。
制御部7は、例えばマイクロコンピュータを使用したもので、この発明に係わる新たな制御機能として、変調方式選択機能71と、同期確立制御機能72とを備えている。
変調方式選択機能71は、等化器5の初期収束及び同期確立に先立ち、適用変調に使用する3種類の変調方式、つまりQPSK、16QAM及び64QAMの中から、等化器5の初期収束及び同期確立を行うための変調方式としてQPSK方式を選択する。なお、上記変調方式選択機能71は基地局BSにも備えられており、端末局TMの等化器5の初期収束及び同期確立を行う際には基地局BSにおいてもQPSK方式が選択され、使用される。
同期確立制御機能72は、上記等化器5の初期収束及び同期確立を行う際に、先ず上記等化フィルタ51及び収束回路部を動作させ、上記選択されたQPSK方式に基づく等化フィルタ51の初期収束処理を行わせる。そして、初期収束の終了が検出されると、次にビット相関演算部55a〜55d及びメモリ56を動作させ、ビット相関演算を使用したフレーム同期タイミングの検出と、等化フィルタ51から出力されたシンボルの位相回転量の検出を行わせる。
なお、送信機6は周波数変換器及び送信電力増幅器を備える。そして、図示しない変調部から出力された変調信号を、上り回線用の無線周波数に変換すると共に所定の送信電力レベルに増幅し、この増幅された無線信号を共用器2を介してアンテナ1に給電し、基地局BSに向け送信させる。
次に、以上のように構成された基地局BS及び端末局TMの動作を説明する。図4はその動作説明に使用するタイミング図である。
端末局TMの電源投入時、或いは降雨減衰等により端末局TMが同期外れを起こした場合の再同期時において、基地局BS及び端末局TMは次のように等化器5の初期収束及び同期確立動作を実行する。
すなわち、基地局BS及び端末局TMは、先ず変調方式選択機能71により、適用変調に使用する3種類の変調方式、つまりQPSK、16QAM及び64QAMの中から、等化器5の初期収束及び同期確立を行うための変調方式としてQPSK方式を選択し、変調部に設定する。したがって基地局BSは、少なくとも端末局TMにおいて等化器5の初期収束及び同期確立が完了するまで、上記QPSK方式により変調された伝送フレームを端末局TMに向け送信する。
一方端末局TMでは、制御部7の同期確立制御機能72の制御の下、等化器5の初期収束及び同期確立動作が次のように行われる。
すなわち、先ず等化フィルタ51及び収束回路部が動作し、直交検波器4から出力されたベースバンドの受信信号x(n)が等化フィルタ51に入力されて波形等化される。収束回路部では、上記等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)をもとに再マッピング部52によりマッピング処理が行われ、これにより所望信号d(n)が生成される。このとき、基地局BSでは変調方式としてQPSK方式が使用され、かつ上記再マッピングのための変調方式にもQPSK方式が使用される。このため、上記再マッピングされる位相平面上の信号点は4点となり、上記所望信号d(n)は上記4点のうちのいずれかにシンボル判定されたものとなる。
そして、上記生成された所望信号d(n)と、上記等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)との誤差信号e(n)が減算器53により算出され、この算出された誤差信号e(n)が係数更新部54に与えられる。係数更新部54では、上記誤差信号e(n)をもとに当該誤差の値を小さくする方向にタップ係数が更新され、この更新されたタップ係数が等化フィルタ51に与えられる。以後同様に、フレームが受信されるごとに上記等化フィルタ51の収束動作が繰り返され、これにより等化誤差e(n)は次第に減少して等化フィルタ51の特性は初期収束する。
しかし、上記等化フィルタ51が初期収束しても、フレーム同期はまだ確立されていない。また、受信信号y(n)のシンボル判定結果は位相が不確定なため、誤ったシンボル判定が行われている可能性がある。
そこで制御部7は、上記等化フィルタ51の収束動作に続いて、ビット相関演算部55a〜55d及びメモリ56を動作させ、これによりフレーム同期確立動作を実行させる。すなわち、制御部7は上記誤差信号e(n)の値が予め設定したしきい値以下に低下すると、メモリ56から固定パターン信号に対し0°,90°,180°,270°の位相回転を与えた信号をそれぞれ読み出し、ビット相関演算部55a〜55dに与える。ビット相関演算部55a〜55dではそれぞれ、等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)に含まれる位相合わせ信号CSと、上記メモリ56から与えられた固定パターン信号とのビット相関演算が行われる。このとき、ビット相関演算は、図2に示すように排他的論理和演算部552と加算演算部553とにより行われるため、複素乗算を使用する場合に比べ演算量は少なくなる。
上記ビット相関演算により、図4(b)に示すように受信信号y(n)に含まれる位相合わせ信号CSが検出されると、その時点でビット相関演算部55a〜55dのいずれかから“0”が出力される。制御部7では、上記“0”が出力された時点を位相合わせ信号の最終タイミングとして認識でき、これによりフレームタイミングを確定することができる。また、上記“0”を出力したビット相関演算部がどれであるかによりシンボルの位相回転量が検出され、位相変換部57に通知される。位相変換部57では、上記検出された位相回転量に基づいて、上記等化フィルタ51から出力された受信信号y(n)のシンボル位相が補正される。そして、この位相が補正された受信信号y(n)が等化器5の出力信号として後段の復号部へ出力される。
以上述べたようにこの実施形態では、等化器5の初期収束及び同期確立を行う際に、図4(d)に示すように、先ず上記等化フィルタ51及び収束回路部を動作させて、QPSK方式により送信された伝送フレームの受信信号をもとに等化フィルタ51の初期収束処理を行う。そして、初期収束の終了が検出されると、次にビット相関演算部55a〜55d及びメモリ56を動作させ、上記初期収束された等化フィルタ51の出力信号と固定パターン信号とのビット相関演算を行って、その相関値出力をもとにフレーム同期タイミングを検出すると共にシンボルの位相回転量を検出し、この検出された位相回転量をもとに位相変換部57でシンボル位相を補正するようにしている。なお、図4(c)は従来における等化器の同期確立及び初期収束方法の手順を示すものである。
したがってこの実施形態によれば、比較的雑音耐性が高くかつシンボル判定の容易なQPSK方式を使用することで、迅速かつ確実に等化フィルタ51の初期収束を行うことができる。また、初期収束がなされた等化フィルタ51の出力を利用してフレーム同期タイミングを検出することで、相関演算手段としてビット相関演算を使用することが可能となる。ここで、一般にビット相関演算は排他的論理和処理と加算処理により実現されるため、複素乗算処理と加算処理が必要な従来の相関演算に比べ演算量を大幅に低減でき、これにより消費電力を低減できる。また等化器5をハードウエアで実現する場合には、多数の複素乗算器と加算器が必要な従来の相関演算回路を使用する場合に比べ、回路構成の簡単化及び回路規模の小型化することができる。
またこの実施形態では、等化器5の初期収束及び同期確立に先立ち、適用変調に使用する3種類の変調方式、つまりQPSK、16QAM及び64QAMの中から、等化器5の初期収束及び同期確立を行うための変調方式としてQPSKを選択し、このQPSKにより変調された伝送フレームを基地局BSから端末局TMに向け送信するようにしている。したがって、適応変調方式を備えるシステムであっても、等化器5の同期確立を行う際には、端末局TMは上記QPSKにより位相変調された伝送フレームをもとに等化器5の初期収束を行うことができ、これにより等化器5の初期収束をより迅速かつ確実に行うことが可能となる。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、適応変調方式を採用したシステムを例にとって説明した。しかし、変調方式としてQPSKやBPSK等の位相成分のみを持つ位相変調方式を固定的に使用するシステムの場合にもこの発明を適用可能である。この場合には、等化器5の初期収束及び同期確立に先立ち変調方式を選択する処理が不要となる。
また、前記実施形態では誤差信号e(n)をもとに等化フィルタ51の初期収束の状態を判定し、初期収束したと判定した場合にビット相関演算を用いたフレーム同期タイミングの検出及び位相回転量の検出処理に移行するようにした。しかし、等化フィルタ51の初期収束に必要な基準時間を予め設定しておき、この基準時間が経過した時点でビット相関演算を用いたフレーム同期タイミングの検出及び位相回転量の検出処理に移行するようにしてもよい。
さらに、前記実施形態では、変調方式の選択及び同期確立制御を端末局TMの制御部7で実行するようにした。しかし、等化器内に制御回路を設け、この制御回路により上記変調方式の選択及び同期確立制御を実行するように構成してもよい。
その他、等化器の初期収束及び同期確立に使用する変調方式の種類や、等化器の回路構成、送信装置及び受信装置の種類やその構成、無線システムの種類等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
この発明の一実施形態に係わる等化器を備えた無線装置の要部構成を示すブロック図。 図1に示した等化器のビット相関演算部の回路構成を示す図。 送信装置から送信される伝送フレームの構成を示す図。 図1に示した等化器を備えた無線装置の動作説明に使用するタイミング図。
符号の説明
BS…基地局、TM…端末局、1…アンテナ、2…共用器(DUP)、3…受信機(RX)、4…直交検波器、5…等化器、6…送信機、7…制御部、51…等化フィルタ、52…再マッピング部、53…減算器、54…係数更新部、55a〜55d…ビット相関演算部、56…メモリ、57…位相変換部、71…変調方式選択機能、72…同期確立制御機能、551…シフトレジスタ、552…排他的論理和演算部、553…加算部。

Claims (5)

  1. 等化器を備え、送信装置から送信される伝送フレームの波形歪みを前記等化器により等化する受信装置であって、
    前記送信装置から位相成分のみを持つ変調方式により送信される、位相合わせ信号を含む伝送フレームを受信する手段と、
    前記受信された伝送フレームの信号波形を等化する等化フィルタと、
    前記等化フィルタにより波形等化された伝送フレームの信号と、当該信号をシンボル判定した信号とから等化誤差を求め、この等化誤差をもとに上記等化フィルタに与えるタップ係数を更新する手段と、
    前記等化誤差がしきい値以下に減少した状態で、前記等化フィルタにより波形等化された信号と前記位相合わせ信号に対応する既知の固定パターンとのビット相関値を出力する手段と、
    前記ビット相関値の出力をもとにフレーム同期タイミングを検出する手段と、
    前記ビット相関の出力をもとに、前記等化フィルタにより波形等化された信号のシンボルごとの位相回転量を検出し、この検出された位相回転量に基づいて前記シンボルの位相を補正する手段と
    を具備することを特徴とする等化器を備えた受信装置。
  2. 前記送信装置が、複数の変調方式を選択的に使用して伝送フレームを送信する機能を備える場合に、
    前記送信装置と協調して、前記複数の変調方式の中から位相成分のみを持つ位相変調方式を同期確立用の変調方式として選択する手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1記載の等化器を備えた受信装置。
  3. 前記選択する手段は、同期確立用の変調方式としてBPSK(Binary Phase Shift Keying)またはQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)のいずれかを選択することを特徴とする請求項2記載の等化器を備えた受信装置。
  4. 等化器を備える受信装置が、送信装置から送信される伝送フレームに対し同期を確立する方法であって、
    前記送信装置から位相成分のみを持つ変調方式により送信される、位相合わせ信号を含む伝送フレームを受信する過程と、
    前記受信された伝送フレームの信号を等化フィルタに入力し、この等化フィルタにより等化された伝送フレームの信号と当該信号をシンボル判定した信号とから等化誤差を求め、この等化誤差をもとに上記等化フィルタに与えるタップ係数を更新する過程と、
    前記等化誤差が予め設定された値以下に減少した状態で、前記等化フィルタにより等化された信号と前記位相合わせ信号に対応する既知の固定パターンとのビット相関値を求め、その相関値出力をもとにフレーム同期タイミングを検出する過程と、
    前記ビット相関の相関値出力をもとに、前記等化フィルタにより波形等化された信号のシンボルごとの位相回転量を検出し、この検出された位相回転量に基づいて前記シンボルの位相を補正する過程と
    を具備することを特徴とする等化器を備えた受信装置の同期確立方法。
  5. 前記送信装置が、複数の変調方式を選択的に使用して伝送フレームを送信する機能を備える場合に、
    前記複数の変調方式の中から、位相成分のみを持つ位相変調方式を同期確立用の変調方式として選択する過程と、
    前記選択された位相変調方式により変調された、位相合わせ信号を含む伝送フレームを前記送信装置から前記受信装置に向け送信する過程と
    を、さらに具備することを特徴とする請求項4記載の等化器を備えた受信装置の同期確立方法。
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