JP2007184763A

JP2007184763A - 信号受信装置、信号受信方法および信号受信プログラム

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Publication number: JP2007184763A
Application number: JP2006001450A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Matsuoka; 秀浩松岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: JP4365829B2

Abstract

【課題】フェージングによって生じる受信信号の復調誤りを低減する。
【解決手段】アンテナ１０１１から１０１Nで受信された信号は、自己相関部１０６およびフーリエ変換部１０７を経てドップラースペクトルへと変換される。重み係数算出部１０８は、ドップラースペクトルの重み付け和のスペクトル広がりが、搬送波周波数から搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれだけ離れた周波数を中心とする一定の範囲内に含まれるように重み係数を算出する。重み付け合成部１０２は、重み係数算出部１０８で算出された重み係数を用いて、受信信号の重み付け合成を行う。重み付け合成された信号は、ＡＦＣ部１０４で搬送波周波数に同期された後、復調部１０５で、データシンボル系列へ復調される。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号受信装置、信号受信方法および信号受信プログラムに係わり、特にフェージングにより生じる復調誤りを低減することを可能にした信号受信装置、信号受信方法および信号受信プログラムに関する。

高速で移動する複数のアンテナを用いて無線信号を受信する場合、各アンテナにはドップラーシフトを受けた複数の信号が多重化して到来するため、到来した信号の受信強度が時間的に変動する、いわゆるフェージングとよばれる現象が発生する。特に、異なった通路長の経路を経た無線信号の干渉によるフェージングはマルチパスフェージングとよばれ、受信強度の変動のみならず、遅延時間の異なる信号の干渉による信号波形の歪をも引き起こす。そのため、このようなフェージングが発生すると、受信信号の復調誤りが頻発することになる。

この問題を解決するために、例えば、無線信号の送信側と受信側とで既知のパイロット信号の送受信を行い、受信したパイロット信号を用いて、フェージングによる振幅および位相変動を推定し、これを補償する方法が開示されている（例えば、非特許文献１を参照）。しかし、このような方法では、高速移動に対応するためには多くのパイロット信号が必要となり、データ伝送効率を考慮すると現実的ではない、という問題があった。

これに対して、空間的に離れた複数のアンテナで受信された受信信号から、空間補間を行って、フェージングにより生じる受信信号のドップラー広がりを等価的に抑圧する方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、このような方法により受信信号の復調誤りを低減するためには、特定のアンテナ間隔やアンテナの配置が必要となり、さらに移動速度の正確な把握が必要となるという問題があった。

また、ＯＦＤＭ信号による通信用として、高速移動フェージングにより発生したドップラーシフトを受けた受信信号に対して合成ビームパターンのヌルを向ける方法が開示されている（例えば、非特許文献２を参照）。この方法によれば、ヌルサブキャリアに漏れこんだキャリア間干渉（ＩＣＩ：ＩｎｔｅｒＣａｒｒｉｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）成分を除去するようにアダプティブアンテナの適応アルゴリズムが動作するので、キャリア間干渉によって生じる復調誤りを低減することができる。しかし、この方法では、通常の移動伝搬環境のようにドップラーシフト波が多数存在する場合には、ドップラーシフトの影響を完全に除去するために非常に多くのアンテナが必要となるという問題があった。さらに、各アンテナに到来する到来波の到来方向の角度差が小さいときには、ドップラーシフトの影響を十分に除去することができないという問題があった。
特開２００２‐１５２１０５号公報（３頁、図２）三瓶誠一：「ディジタルワイヤレス伝送技術」、株式会社ピアソン・エデュケーション（第４章、１３１から１３７頁、図４．２２）Ｓ．Ｈａｒａ，Ａ．ＮｉｓｈｉｋａｗａａｎｄＹ．Ｈａｒａ，"ＡｎｏｖｅｌＯＦＤＭａｄａｐｔｉｖｅａｎｔｅｎｎａａｒｒａｙｆｏｒｄｅｌａｙｅｄｓｉｇｎａｌａｎｄＤｏｐｐｌｅｒ−ｓｈｉｆｔｅｄｓｉｇｎａｌｓｕｐｐｒｅｓｉｏｎ，" ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ２００１，ｖｏｌ．７，ｐｐ．２３０２−２３０６，Ｊｕｎｅ２００１

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、高速移動しながら無線信号を受信する場合でも、フェージングによって生じる受信信号の復調誤りを低減することを可能とする信号受信装置、信号受信方法および信号受信プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の信号受信装置は、複数のアンテナと、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成するための重み係数を算出する重み係数算出手段と、前記重み係数算出手段で算出された重み係数を用いて、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成する合成手段と、前記合成手段で合成された信号を復調する復調手段と、前記複数のアンテナで受信した受信信号をそれぞれドップラースペクトルに変換する変換手段とを備え、前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた範囲内に含まれるように前記重み係数を算出することを特徴とする。

また、本発明の信号受信方法は、複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成するための重み係数を算出し、前記算出された重み係数を用いて、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成し、前記合成された信号を復調し、前記複数のアンテナで受信した受信信号をそれぞれドップラースペクトルに変換し、前記重み係数を算出する場合に、前記受信信号を変換して得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた範囲内に含まれるように前記重み係数を算出することを特徴とする。

また、本発明の信号受信プログラムは、コンピュータに、複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成するための重み係数を算出させる機能と、前記算出された重み係数を用いて、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成させる機能と、前記合成された信号を復調させる機能と、前記複数のアンテナで受信した受信信号をそれぞれドップラースペクトルに変換させる機能とを実現させ、前記重み係数を算出させる機能では、前記受信信号を変換して得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた範囲内に含まれるように前記重み係数を算出させることを特徴とする。

本発明によれば、複数のアンテナで受信した受信信号のドップラースペクトル領域でのスペクトルの広がりを抑圧することができるので、フェージングにより生じる受信信号の波形の歪みによる復調誤りを低減することが可能となる。

高速で移動する複数のアンテナで無線信号を受信した場合に生じるフェージングは、受信信号の自己相関をフーリエ変換して得られるドップラースペクトル領域においては、搬送波周波数を中心としたスペクトルの広がりとして現れる。図４は、複数の経路（マルチパス）を経てアンテナに到来する各到来波の到来時間差が小さい一様レイリーフェージング環境下における受信信号のドップラースペクトルの広がりの様子を表している。

そこで、本発明に係わる実施形態では、このような受信信号のドップラースペクトル領域でのスペクトルの広がりを低減させることによって、受信信号に対するフェージングの影響を抑圧し、受信信号の波形の歪みによって生じる復調誤りを低減する方法について説明する。より具体的には、複数のアンテナで受信した受信信号のドップラースペクトル領域でのスペクトルの広がりを、あらかじめ定めた一定の範囲内に含まれるように低減させることにより、受信信号の復調誤りを減少させる本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる信号受信装置を示すブロック図である。

この第１の実施形態に係わる信号受信装置は、無線信号を受信するＮ個のアンテナ１０１１から１０１Ｎと、アンテナ１０１１から１０１Ｎで受信した信号を、後述する重み係数算出部１０８で算出された重み係数を用いて重み付け合成する重み付け合成部１０２と、重み付け合成された信号から、アンテナ１０１１から１０１Nで受信した信号の搬送波周波数のずれを推定する搬送波周波数ずれ推定部１０３と、搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定された搬送波周波数のずれを用いて重み付け合成部１０２で重み付け合成された信号を搬送波周波数に同期させるＡＦＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌ）部１０４と、ＡＦＣ部１０４で搬送波周波数に同期された信号を復調する復調部１０５と、アンテナ１０１１から１０１Nで受信した信号の自己相関を算出する自己相関算出部１０６と、自己相関算出部１０６で算出された受信信号の自己相関をフーリエ変換して、受信信号のドップラースペクトルを算出するフーリエ変換部１０７と、フーリエ変換部１０７で算出されたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、搬送波周波数から搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれだけ離れた周波数を含む一定の範囲内に含まれるように重み付け合成部１０２で用いる重み係数を算出する重み係数算出部１０８とを備える。

なお、ここでアンテナ１０１１から１０１Ｎとして用いるアンテナは、無指向性のものであってもよく、指向性を有するものであってもよい。指向性のアンテナを用いる場合には、例えば、移動体の移動方向に対して前方に指向性のビームが形成されるようにアンテナを配置する。このようにすることで、移動体の移動方向に対して前方以外の方向から到来する信号の影響を低減することができ、ドップラー広がりを小さくすることが可能である。

また、重み係数算出部１０８は、搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定された搬送波周波数のずれから参照スペクトルを生成する参照スペクトル生成部１０８ａと、参照スペクトル生成部１０８ａで生成された参照スペクトルを用いて重み係数を計算する重み係数計算部１０８ｂとを備える。

次に図１、図２および図３を用いて、本発明の第１の実施形態に係わる信号受信装置の動作について説明する。なお、図２および図３は、本発明の第１の実施形態に係わる信号受信装置の動作を示すフローチャートである。

まず、アンテナ１０１１から１０１Nで受信した信号が復調されるまでの動作について、図２を用いて説明する。

まず、複数のアンテナ１０１１から１０１Nで無線信号が受信され、受信された信号が重み付け合成部１０２へ送られる（ステップＳ１０１）。

重み付け合成部１０２は、各アンテナ１０１１から１０１Nから送信される信号を重み係数算出部１０８で算出された重み係数を用いて重み付け合成する（ステップＳ１０２）。なお、重み係数算出部１０８の動作の詳細については後述するが、重み付け合成部１０２は、重み係数算出部１０８において算出された最新の重み係数を用いて信号の重み付け合成を行うものとする。

このように重み付け合成部１０２で合成された信号は、次に、搬送波周波数ずれ推定部１０３とＡＦＣ部１０４に送られる。

搬送波周波数ずれ推定部１０３は、重み付け合成部１０２で合成された信号から、アンテナ１０１１から１０１Nで受信した信号の搬送波周波数のずれを推定する（ステップＳ１０３）。ＡＦＣ部１０４は、搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定された搬送波周波数のずれを補正して、重み付け合成部１０２で合成された信号が搬送波周波数に同期するように、信号の周波数シフトを行う（ステップＳ１０４）。

受信信号の搬送波周波数のずれを推定して、周波数シフトにより搬送波周波数同期を行う方法としては、例えば、受信信号に挿入されている既知信号（プリアンブル）の繰り返し波形部分を抽出して相関処理を行い、相関パルスの位相回転量から計算される周波数偏差を用いて搬送波周波数の補正を行う方法がある。また、受信信号がＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号である場合に、ＯＦＤＭシンボル中にガード区間として繰り返して現れる信号区間から、上記相関処理を行って周波数偏差を求める方法も開示されている（例えば、伊丹誠：「ディジタル放送／移動通信のためのＯＦＤＭ変調技術」、トリケップス、１１０ページ、５．２．２節）。さらに、ＯＦＤＭ信号のサブキャリアのうちのいくつかに既知パターン（パイロットキャリア）を挿入し、この既知パターンの位相回転などから、周波数偏差の影響を補償することも可能である。

そして、ＡＦＣ部１０４で搬送波周波数同期が行われた信号は、復調部１０５でデータシンボル系列へと復調される（ステップＳ１０５）。

このように、アンテナ１０１１から１０１Nで受信される信号の搬送波周波数のずれを推定して搬送波周波数同期を行い、同期後の信号を復調することにより、送受信機間の原振（ローカル発振器）の偏差などによって生じる搬送波周波数のずれを補正して、誤りのない復調を行うことが可能になる。

次に、重み係数算出部１０８における重み係数の算出方法について説明する。重み係数算出部１０８における重み係数の算出は、アンテナ１０１１から１０１Nで受信された信号を重み付け合成部１０２で重み付け合成することにより得られる信号のドップラースペクトルの広がりが、搬送波周波数から搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれだけ離れた周波数を含む一定の範囲Ｆ_ｔｈに含まれるように行われる。

以下、図３を用いて、本発明の第１の実施形態に係わる信号受信装置における重み係数算出動作について説明する。

まず、アンテナ１０１１から１０１Nで受信された信号が自己相関部１０６へ送られる。

自己相関部１０６は、アンテナ１０１１から１０１Nで受信されたそれぞれの信号の自己相関を算出する（ステップＳ２０１）。ここで、送信信号をｓ（ｔ）、伝搬路応答をｃ（ｔ）、ひとつのアンテナで受信された信号をｒ（ｔ）とすると、各マルチパスを経由して到来する信号の到来時間差が小さい一様レイリーフェージング環境下では、ｒ（ｔ）は、（１）式で表すことができる。

ここで、アンテナで受信された信号ｒ（ｔ）の自己相関をＲ（τ）と表すと、Ｒ（τ）は、（２）式のように算出することができる。

なお、Ｅ［ｆ（ｔ）］は、信号ｆ（ｔ）の集合平均を表し、具体的には、あらかじめ定めた時間長に渡って信号ｆ（ｔ）の時間平均を計算することにより求めることができる。

（２）式において、定包絡線の変調方式（例えば、ＦＭ：ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎやＦＳＫ：ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇなど）や、ＢＰＳＫ（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）、ＱＰＳＫ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）などの受信サンプル時刻において振幅レベルがひとつしかない変調方式を用いた場合など、Ｅ［｜ｓ（ｔ）｜^２］＝１と仮定できる場合には、（２）式で表される受信信号の自己相関Ｒ（τ）は、（３）式のように算出することが可能となる。

このようにして自己相関部１０６で算出された受信信号の自己相関Ｒ（τ）は、次に、フーリエ変換部１０７へ送られる。

フーリエ変換部１０７は、自己相関部１０６で受信信号ごとに算出された自己相関Ｒ（τ）をＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）する（ステップＳ２０２）。

ここで、図４に示すように、レイリーフェージング環境下において、受信信号のドップラースペクトルＳ（ｆ）が、搬送波周波数ｆ_ｃを中心とするｆ_ｃ−ｆ_ｄからｆ_ｃ＋ｆ_ｄの範囲に広がっているとすると、受信信号の自己相関Ｒ（τ）とドップラースペクトルＳ（ｆ）との間には（４）式の関係が成り立つ（例えば、非特許文献１を参照）。なお、以下では搬送波周波数はｆ_ｃとして説明するが、受信信号をベースバンド帯域にダウンコンバート（周波数変換）して用いる場合には、搬送波周波数ｆ_ｃは、ｆ_ｃ＝０とおくことができる。

したがって、自己相関Ｒ（τ）と、受信信号のドップラースペクトルＳ（ｆ）との間には、（５）式の関係が成り立つので、自己相関部１０６で算出された受信信号の自己相関をフーリエ変換することにより、受信信号のドップラースペクトルを得ることができる。

なお、（５）式における無限積分は、実際には、あらかじめ定めた複数の時間のサンプルを用いたフーリエ積分によって算出することができる。このとき、時間分解能τは、Ｓ（ｆ）の周波数分解能Ｆ_ｒｅｓの逆数となる。

このようにフーリエ変換部１０７で得られた受信信号ごとのドップラースペクトルは、次に重み係数算出部１０８へと送られる。

重み係数算出部１０８は、フーリエ変換部１０７から送られた受信信号のドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、搬送波周波数から搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれだけ離れた周波数を含む一定の範囲内に含まれるように重み係数を算出する。

具体的には、まず、参照スペクトル生成部１０８ａが、搬送波周波数ｆ_ｃから搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれ（Δｆ）だけ離れた周波数を中心として、一定の範囲に広がりを有するスペクトルを参照スペクトルＳ_ｒｅｆ（ｆ）として生成する（ステップＳ２０３）。図５は、参照スペクトルの例であり、周波数ｆ_ｃ＋Δｆを中心として、スペクトルの広がりがＦ_ｔｈである矩形スペクトルを表している。この場合の参照スペクトルＳ_ｒｅｆ（ｆ）は、（６）式のように表すことができる。

ここで、Ｓ_{ｃｏｎｓｔ}は、定数であり、例えば、１とすればよい。

また、参照スペクトルの形状は、矩形でなくてもよく、例えば、ロールオフ型やガウスフィルタ型であってもよい。

ここで、スペクトルの広がりＦ_ｔｈは、例えば、受信した信号のサブキャリアの周波数間隔やサブキャリアの数、あるいは、受信信号を復調する際の誤り訂正能力などに基づいて定めればよい。具体的には、例えば、本発明の実施形態に係わる信号受信装置に真の搬送波周波数からずれた搬送波周波数で到来する信号を受信させ、その受信信号を復調したときの搬送波周波数のずれとシンボル誤り率との関係を、図６に示すように、あらかじめ調べておく。そして、受信信号装置が利用される状況に応じて定まるシンボル誤り率の許容量から、上述したスペクトルの広がりＦ_ｔｈを定めるようにすればよい。

次に、重み係数計算部１０８ｂは、参照スペクトル生成部１０８ａで生成された参照スペクトルを用いて重み係数を計算する（ステップＳ２０４）。重み係数は、フーリエ変換部１０７から出力される受信信号ごとのドップラースペクトルＳ_ｉ（ｆ）（ｉ＝１，．．．，Ｎ）の重み付け和Ｓ_ｏｂｊ（ｆ）と、参照スペクトル生成部１０８ａで生成された参照スペクトルＳ_ｒｅｆ（ｆ）との間の誤差が小さくなるように定める。なお、Ｓ_ｏｂｊ（ｆ）は、（７）式のように求められる。

また、重み係数ベクトルＷは、（８）式のように表されるものとする。

具体的には、重み係数計算部１０８ｂは、（９）式で定まる評価関数ＪをＷで偏微分した値が０となるように重み係数ベクトルＷを求め、重み付け合成されたドップラースペクトルＳ_ｏｂｊ（ｆ）と参照スペクトルＳ_ｒｅｆ（ｆ）との間の誤差を最小化する重み係数を求める。

ここで、評価関数Ｊの集合平均Ｅ［・］は、周波数分解能Ｆ_ｒｅｓごとに得られた周波数サンプルに対する平均を計算することにより求めることができる。また、誤差最小化アルゴリズムには、最急降下法やｃｌｏｓｅｄ−ｆｏｒｍ型の適応アルゴリズムなどを用いることができる。

そして、このようにして重み係数計算部１０８ｂで計算された重み係数は、重み付け合成部１０２に送られ、重み付け合成部１０２で新たな受信信号に対する重み付け合成に用いられる。

このように、（９）式で定まる評価関数Ｊを最小化する重み係数を求め、その重み係数を用いて重み付け合成部１０２で受信信号の重み付け合成をすることにより、アンテナ１０１１から１０１Nで受信した受信信号のドップラースペクトルの広がりを、搬送波周波数から搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれだけ離れた周波数（ｆ_ｃ＋Δｆ）を中心とする一定の範囲（Ｆ_ｔｈ）内に抑えることが可能になり、フェージングの影響を抑圧することができる。そして、このようにして算出された重み係数を用いて重み付け合成部１０２で重み付け合成を行い、重み付け合成された信号を復調することで、復調誤りの低減を実現することができる。

このように、第１の実施形態に係わる信号受信装置によれば、受信信号のドップラースペクトル領域でのスペクトルの広がりを低減させることにより、受信信号に対するフェージングの影響を抑圧することができるので、フェージングよって生じる復調誤りを低減することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、まず、自己相関部１０６で、アンテナ１０１１から１０１Nで受信した信号の自己相関を求めてから、フーリエ変換部１０７でフーリエ変換を行っていたが、図７に示すように、自己相関とフーリエ変換の順序を逆としてもよい。これは図８に示すような信号の性質によるものであり、受信信号をフーリエ変換した後の信号を自己相関することによっても、受信信号のドップラースペクトルを得られることによる。

また、上述した実施形態では、参照スペクトル生成部１０８ａで生成される参照スペクトルを（６）式のようにしたが、例えば、（１０）式のように、周波数ｆ_ｃ＋ΔｆからＦ_ｔｈの範囲内では、受信信号のドップラースペクトルをそのまま用い、周波数ｆ_ｃ＋ΔｆからＦ_ｔｈ以上離れた周波数では、スペクトルを「０」とするようにしてもよい。

このようにすることで、重み係数計算部１０８ｂでは、周波数ｆ_ｃ＋ΔｆからＦ_ｔｈ以上離れた周波数で、ドップラースペクトルを「０」にするような重み係数を求めることになり、上述したような適応アルゴリズムの拘束条件が緩くなるため、最適解への収束が早くなることが期待できる。

また、上述した実施形態では、搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定された受信信号の搬送波周波数からのずれを用いて参照スペクトルを生成していたが、例えば、受信信号の搬送波周波数からのずれが小さい場合などには、搬送波周波数ずれ推定部１０３で推定されたずれを用いて参照スペクトルを生成することを行わず、図９に示すように、あらかじめ搬送波周波数ｆ_ｃを中心として一定の範囲に広がりを有するスペクトルを参照スペクトルとして生成して記憶部１０８ｃに記憶しておき、これを用いて重み係数を算出するようにしてもよい。さらに、この場合、搬送波周波数ずれ推定部１０３、および、ＡＦＣ部１０４を用いずに、重み付け合成部１０２で合成された信号を、直接、復調部１０５へ入力するようにしてもよい。

なお、この信号受信装置は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることでも実現することが可能である。すなわち、重み付け合成部１０２、搬送波周波数ずれ推定部１０３、ＡＦＣ部１０４、復調部１０５、自己相関部１０６、フーリエ変換部１０７および重み係数算出部１０８は、上記のコンピュータ装置に搭載されたプロセッサにプログラムを実行させることにより実現することができる。このとき、信号受信装置は、上記のプログラムをコンピュータ装置にあらかじめインストールすることで実現してもよいし、ＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶して、あるいはネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータ装置に適宜インストールすることで実現してもよい。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、図４に示すような、複数の経路（マルチパス）を経てアンテナに到来する各到来波の到来時間差が小さい一様レイリーフェージング環境下において、受信信号の重み付け合成によって、受信信号のドップラースペクトル領域でのスペクトルの広がりを低減させる実施の形態について説明した。

ここで、アンテナの指向性や、アンテナが搭載された移動体の周辺環境、あるいは、送信局との位置関係によっては、受信信号のドップラースペクトルは、図４に示すような搬送波周波数を中心とした広がりとはならず、図１０に示すように、周波数軸上で偏りを持つ広がりとなる場合も多い。

そこで第２の実施形態では、ドップラースペクトルがこのような偏りを持つ広がりを有する場合に好適な本発明に係わる信号受信装置の実施の形態について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係わる信号受信装置を示すブロック図である。

この第２の実施形態に係わる信号受信装置は、無線信号を受信するＮ個のアンテナ２０１１〜２０１Ｎと、アンテナ２０１１〜２０１Ｎで受信した信号を、後述する重み係数算出部２０８で算出された重み係数を用いて重み付け合成する重み付け合成部２０２と、重み付け合成された信号から、アンテナ２０１１〜２０１Ｎで受信した信号の搬送波周波数のずれを推定する搬送波周波数ずれ推定部２０３と、搬送波周波数ずれ推定部２０３で推定された搬送波周波数のずれを用いて重み付け合成部２０２で重み付け合成された信号を搬送波周波数に同期させるＡＦＣ部２０４と、ＡＦＣ部２０４で搬送波周波数に同期された信号を復調する復調部２０５と、アンテナ２０１１〜２０１Ｎで受信した信号の自己相関を算出する自己相関算出部２０６と、自己相関算出部２０６で算出された受信信号の自己相関をフーリエ変換して、受信信号のドップラースペクトルを算出するフーリエ変換部２０７と、フーリエ変換部２０７で算出されたドップラースペクトルから重み付け合成部２０２で用いる重み係数を算出する重み係数算出部２０８とを備える。

また、重み係数算出部２０８は、フーリエ変換部２０７から送られるドップラースペクトルから、参照スペクトルの中心周波数を定める周波数掃引部２０８ａと、周波数掃引部２０８ａで定められた中心周波数から参照スペクトルを生成する参照スペクトル生成部２０８ｂと、参照スペクトル生成部２０８ｂで生成された参照スペクトルを用いて重み係数を計算する重み係数計算部２０８ｃとを備える。

すなわち、上述した第１の実施形態とは、重み係数算出部２０８の構成が異なる。そこで、重み係数算出部２０８以外の部分（アンテナ２０１１から２０１N、重み付け合成部２０２、搬送波周波数ずれ推定部２０３、ＡＦＣ部２０４、復調部２０５、自己相関部２０６、フーリエ変換部２０７）についての詳細な説明は省略する。

フーリエ変換部２０７でドップラースペクトルへ変換された受信信号は、重み係数算出部２０８の周波数掃引部２０８ａへと送られ、参照スペクトルの中心周波数が決定される。具体的には、フーリエ変換部２０７から入力されるドップラースペクトルを、それぞれ、あらかじめ定めた周波数幅（例えば、Ｆ_ｔｈ）を有する窓関数と掛け合わせ、そのスペクトルの積分値を求める。このようにして得られた積分値は、上述した窓関数でドップラースペクトルをフィルタリングした場合のスペクトルの電力（エネルギー）値を表すので、その値が最大となる周波数を、周波数掃引を行って求める。なお、このようにして求められた周波数は、各アンテナで受信された受信信号ごとに異なるが、例えば、アンテナ間で上記電力値が最大となるアンテナにおける周波数を、参照スペクトルの中心周波数ｆ_ｃｎｔとして決定すればよい。あるいは、すべてのアンテナの受信信号から得られる周波数を平均したものを中心周波数ｆ_ｃｎｔとして決定してもよい。そしてこのようにして求められた、周波数掃引後の中心周波数ｆ_ｃｎｔは、次に、参照スペクトル生成部２０８ｂに送られる。

参照スペクトル生成部２０８ｂは、周波数掃引部２０８ａから送られた中心周波数ｆ_ｃｎｔを用いて、その周波数を中心として一定の範囲に広がりを有するスペクトルを参照スペクトルとして生成する。参照スペクトルの形状は、上述した第１の実施形態の場合と同様に、ｆ_ｃｎｔを中心とする矩形スペクトルであってもよく、ロールオフ型であってもよく、ガウスフィルタ型であってもよい。

そして、重み係数計算部２０８ｃは、参照スペクトル生成部２０８ｂで生成された参照スペクトルとフーリエ変換部２０７で得られたドップラースペクトルを重み付け合成したスペクトルとの間の誤差が最小となるように、重み係数を定める。重み係数の計算方法は、上述した第１の実施形態の場合と同様であるので、ここでは省略する。

このように、本発明の第２の実施形態に係わる信号受信装置によれば、アンテナの指向性や、移動体の周辺環境、あるいは、送信局との位置関係によって、ドップラースペクトルが、図１０に示すように周波数軸上で偏りをもつような場合にも、多重ドップラーシフト波のうち多くの電力（エネルギー）をとりこむように周波数掃引を行って参照スペクトルの中心周波数を決定することができる。その結果、受信誤りに寄与するドップラーシフト波をなるべく少なくするように窓関数を設定し、窓関数の外のドップラーシフト成分を除去するように重み係数を決定することが可能になるので、ドップラースペクトルの広がりに偏りがある場合にも、そのドップラー広がりの影響を低減し、復調誤りを抑えることが可能になる。

なお、本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わせにより、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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係わる信号受信装置の構成を示すブロック図。本発明の第１の実施形態の受信信号の復調に係わる動作を示すフローチャート。本発明の第１の実施形態の重み係数算出に係わる動作を示すフローチャート。レイリーフェージング環境下における受信信号のドップラースペクトルを示す図。本発明の第１の実施形態の参照スペクトルの一例を示す図。本発明の第１の実施形態の参照スペクトルの幅の決定方法の一例を示す図。本発明の第１の実施形態の変形例に係わる信号受信装置の構成を示すブロック図。受信信号とドップラースペクトルとの間の関係を示す図。本発明の第１の実施形態の変形例に係わる信号受信装置の構成を示すブロック図。フェージングによって生じるドップラースペクトルの広がりの一例を示す図。本発明の第２の実施形態に係わる信号受信装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０１１〜１０１Ｎ、２０１１〜２０１Ｎ・・・アンテナ
１０２、２０２・・・重み付け合成部
１０３、２０３・・・搬送波周波数ずれ推定部
１０４、２０４・・・ＡＦＣ部
１０５、２０５・・・復調部
１０６、２０６・・・自己相関部
１０７、２０７・・・フーリエ変換部
１０８、２０８・・・重み係数算出部
１０８ａ、２０８ｂ・・・参照スペクトル生成部
１０８ｂ、２０８ｃ・・・重み係数計算部
１０８ｃ・・・記憶部
２０８ｃ・・・周波数掃引部

Claims

複数のアンテナと、
前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成するための重み係数を算出する重み係数算出手段と、
前記重み係数算出手段で算出された重み係数を用いて、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成する合成手段と、
前記合成手段で合成された信号を復調する復調手段と、
前記複数のアンテナで受信した受信信号をそれぞれドップラースペクトルに変換する変換手段とを備え、
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた範囲内に含まれるように前記重み係数を算出する
ことを特徴とする信号受信装置。
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた周波数を中心とする一定の範囲内に含まれるように前記重み係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルと、あらかじめ定めた周波数を中心とする一定の範囲に広がりを有する参照スペクトルとの間の誤差が最小となるように前記重み係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記参照スペクトの形状が、矩形スペクトル、ロールオフ型スペクトル、もしくは、ガウスフィルタ型スペクトルのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の信号受信装置。
前記合成手段で合成された信号から前記受信信号の搬送波周波数のずれを推定する推定手段と、
前記推定された搬送波周波数のずれを用いて前記合成手段で合成された信号を搬送波周波数に同期させる同期手段とをさらに備え、
前記復調手段は、前記同期手段で搬送波周波数に同期された信号を復調する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記合成手段で合成された信号から前記受信信号の搬送波周波数のずれを推定する推定手段と、
前記推定された搬送波周波数のずれを用いて前記合成手段で合成された信号を搬送波周波数に同期させる同期手段とをさらに備え、
前記復調手段は、前記同期手段で搬送波周波数に同期された信号を復調し、
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、搬送波周波数から前記推定手段で推定されたずれだけ離れた周波数を含む一定の範囲内に含まれるように前記重み係数を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルと、搬送波周波数から前記推定手段で推定されたずれだけ離れた周波数を含む一定の範囲に広がりを有する参照スペクトルとの間の誤差が最小となるように前記重み係数を算出することを特徴とする請求項６に記載の信号受信装置。
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、前記変換手段で得られたドップラースペクトルから周波数掃引を行って得た周波数を含む一定の範囲内に含まれるように前記重み係数を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記重み係数算出手段は、前記変換手段で得られたドップラースペクトルごとに、それらのドップラースペクトルと、あらかじめ定めた周波数幅を有する窓関数との積を周波数掃引して得られる値が最大となる周波数を求め、それらの周波数からひとつの周波数を得、その得られた周波数を中心とする一定の範囲に広がりを有する参照スペクトルと前記ドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルとの間の誤差が最小となるように前記重み係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記変換手段は、前記アンテナで受信された受信信号の自己相関をフーリエ変換してドップラースペクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
前記変換手段は、前記アンテナで受信された受信信号をフーリエ変換した信号の自己相関を求めることによりドップラースペクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の信号受信装置。
複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成するための重み係数を算出し、
前記算出された重み係数を用いて、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成し、
前記合成された信号を復調し、
前記複数のアンテナで受信した受信信号をそれぞれドップラースペクトルに変換し、
前記重み係数を算出する場合に、前記受信信号を変換して得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた範囲内に含まれるように前記重み係数を算出する
ことを特徴とする信号受信方法。
コンピュータに、
複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成するための重み係数を算出させる機能と、
前記算出された重み係数を用いて、前記複数のアンテナで受信した受信信号を重み付け合成させる機能と、
前記合成された信号を復調させる機能と、
前記複数のアンテナで受信した受信信号をそれぞれドップラースペクトルに変換させる機能とを実現させ、
前記重み係数を算出させる機能では、前記受信信号を変換して得られたドップラースペクトルを重み付け合成して得られるスペクトルの広がりが、あらかじめ定めた範囲内に含まれるように前記重み係数を算出させる
ことを特徴とする信号受信プログラム。