JP2008017094A

JP2008017094A - 適応等化器

Info

Publication number: JP2008017094A
Application number: JP2006185221A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Baba; 潤寧馬場; Naoya Imahashi; 直也今橋; Masakazu Hoashi; 正和帆足; Kenji Yamamoto; 堅士山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合においても、受信信号から遅延歪みを除去することが可能な適応等化器を提供すること。
【解決手段】受信信号Ｓを、シフトレジスタを内蔵する受信信号加算部１に入力する。一方、加算個数カウント部２では受信信号加算部１での受信信号の加算個数をカウントし、除算部３において加算個数受信信号加算部１の出力を加算個数で割る。除算部３の出力はＳ／Ｎ比が改善されており、この信号を第１トランスバーサルフィルタ４に入力することで、第１，第２トランスバーサルフィルタ４，５のタップ係数を、遅延波歪みを除去する値に収束させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル無線通信における、マルチパス遅延波により歪みを起こした受信信号の波形等化を行う適応等化器に関するものである。

近年、一般家庭でも複数のパーソナルコンピュータが所有され、またネットワークへの通信機能を備えた家電製品も普及しつつある。普及が進むにつれて、ネットワーク経由で映像データや音声データなど様々なデジタルデータがやり取りされるようになりつつある。通信手段としては、これまで有線通信が一般的であったが、ここに来て機器の低価格化、小型化等により無線通信が急速に普及してきている。しかし、無線通信では一般にマルチパスが発生し、伝搬時間が異なる複数経路の電波が同時に到来するため、受信信号に遅延波の重ね合わせによる遅延歪みが生じてビット誤り率などの伝送品質が劣化してしまう。遅延歪みは、シンボルレート(ボーレート)が高速なほどビット誤り率への影響が大きくなるので、伝送速度の速い無線通信を実現するためには、遅延歪みの除去が重要である。

遅延歪みを除去する代表的な手段としては適応等化器がある。一般に適応等化器は、線形等化器、判定帰還型等化器、最尤系列推定型等化器に分類されるが、性能もさることながらコストも重視される民生機器では、等化性能が優れるものの回路規模が大きくなる最尤系列推定型等化器よりも、線形等化器、あるいは判定帰還型等化器が適している。

以下、従来の判定帰還型等化器について説明する。図４は従来の判定帰還型等化器のブロック図である。図４において、１０１はベースバンド信号に変換された受信信号を入力とするフィードフォワード部としてのトランスバーサルフィルタである。このトランスバーサルフィルタ１０１は、タップ間隔がＴ（シンボルレート）で、タップ数がＭ個（Ｍ≧２）である。１０２はフィードバック部としてのトランスバーサルフィルタで、タップ間隔がＴ、タップ数がＮ個（Ｎ≧１）である。トランスバーサルフィルタ１０１，１０２ともに、各タップ係数が設定可能である。１０３はトランスバーサルフィルタ１０１とトランスバーサルフィルタ１０２との出力を加算する加算器である。１０４は加算器１０３の出力をシンボル周期Ｔ毎に閾値で硬判定する判定器である。１０５は加算器１０３の出力と参照信号ｄである判定器１０４の出力との差を誤差信号ｅとして出力する誤差検出部である。１０６はタップ係数更新部で、トランスバーサルフィルタ１０１およびトランスバーサルフィルタ１０２の各タップにおける値(Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，・・・，Ｘ_M，Ｘ_M+1，Ｘ_M+2，・・・，Ｘ_M+N）、および誤差検出部１０５から得られる誤差信号ｅから、各タップ係数を適応的に制御する。なお、入力信号、その他の部分の信号は、直交検波で得られる同相、直交で構成される複素信号でもよい。以下の数式では、同相成分を実部、直交成分を虚部として示す。

また上記構成は、判定帰還型等化器のものであるがトランスバーサルフィルタ１０２を除去すれば線形等化器を構成することもできる。

また、誤差検出部１０５での参照信号ｄに判定器１０４での出力を用いているが、別途トレーニング信号生成部を設けて、そこで生成されるトレーニング信号を参照信号ｄに入力する構成も可能である。

以上のように構成された従来の適応等化器について、その動作を説明する。入力信号はトランスバーサルフィルタ１０１で処理され、未来の送信データが推定される。またトランスバーサルフィルタ１０２では符号間干渉成分が推定され、両者が加算器１０３で加算されて等化処理が行われる。その結果は判定器１０４で硬判定され等化出力として出力される。また、判定器１０４での判定結果は誤差検出部１０５にも供給され、加算器１０３の出力との誤差信号ｅが生成され、その誤差信号ｅの平均自乗誤差が最小となるように、タップ係数更新部１０６において各タップ係数(Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，・・・，Ｃ_M，Ｃ_M+1，Ｃ_M+2，・・・，Ｃ_M+N）が逐次更新される。

最小平均自乗誤差規範に基づいた逐次更新アルゴリズムにおいて、演算量が少ないアルゴリズムとしてリースト・ミーン・スクエア（以下、ＬＭＳと称す。）アルゴリズムが知られている。このアルゴズムでは、時刻ｔ＝（ｎ＋１）Ｔにおけるタップ係数ベクトルｗ（ｎ＋１）は、時刻ｔ＝ｎＴにおけるタップ係数ベクトルｗ（ｎ）、各タップにおける値のベクトルｘ（ｎ）、およびステップサイズパラメータμから以下の式（１）〜（４）で逐次的に求められる。なお、式（１）〜（４）中上付き添え字^*は複素共役を、上付き添え字Ｔは転置行列を、上付き添え字Ｈは複素共役転置行列を示す。

なお、ステップサイズパラメータμは、収束速度と収束後の雑音特性(過剰雑音)に影響を与え、ステップサイズパラメータμを大きくすると収束速度は早まるが、過度に大きな場合はタップ係数が発散する。一方、ステップサイズパラメータμを小さくすると、収束速度は遅くなるものの、タップ係数が発散しにくくなる。ステップサイズパラメータの上限は、各タップにおける値の平均自乗値の総和をタップ入力電力とすると、２×１／（タップ入力電力）が目安とされている。

従来の適応等化器は、上記更新を逐次的に繰り返すことによりタップ係数を収束させて、送信信号と加算器１０３の平均自乗誤差が最小となるように適応的に動作する。ただし、誤差信号ｅの平均自乗誤差が最小となる各タップ係数(Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，・・・，Ｃ_M，Ｃ_M+1，Ｃ_M+2，・・・，Ｃ_M+N）が唯一定まるためには、平均値が時間に関わらず受信信号が、一定で、かつ自己相関関数が時間の差だけで決定される時系列信号でなければならない。
斉藤洋一著，「ディジタル無線通信の変復調」，第１版，電子情報通信学会，平成９年９月１日，ｐ.１７６−ｐ．１８８サイモン・へイキン（ＳｉｍｏｎＨａｙｋｉｎ）著，「適応フィルタ理論」，第１版，科学技術出版，２００１年１月１０日，ｐ.４１４−ｐ．４２０

しかしながら、従来の適応等化器では、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合、すなわち受信信号に含まれる雑音成分の割合が大きい場合、受信信号の自己相関関数が時間の差だけで決定される時系列信号ではなくなり、タップ係数が誤差信号の平均自乗誤差を最小にする値に収束しない。すなわち、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合、受信信号から遅延歪みを除去しきれないという課題がある。

そこで本発明は、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合においても、受信信号から遅延歪みを除去することが可能な適応等化器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の適応等化器は、送信信号の繰り返しパターンを用いてタップ係数の更新を行う適応等化器であって、ベースバンド信号に変換された受信信号を保持するシフトレジスタと、前記シフトレジスタに保持された値の和を出力するデータ加算部と、前記データ加算部での受信信号の加算個数に応じて除数を変える除算部と、前記除算部の出力を入力信号とするトランスバーサルフィルタと、前記トランスバーサルフィルタの出力と前記トランスバーサルフィルタの出力を硬判定した参照信号との差を誤差信号として出力する誤差検出部と、前記誤差信号と前記トランスバーサルフィルタの状態に応じて、リースト・ミーン・スクエアアルゴリズムにより前記トランスバーサル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た。

本発明の適応等化器は、受信信号をデータ加算部と除算部を通してトランスバーサルフィルタに入力するので、受信信号に含まれる雑音成分を低減させることができ、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合でも遅延歪みを除去できる利点がある。

第１の発明は、送信信号の繰り返しパターンを用いてタップ係数の更新を行う適応等化器であって、ベースバンド信号に変換された受信信号を保持するシフトレジスタと、シフトレジスタに保持された値の和を出力するデータ加算部と、データ加算部での受信信号の加算個数に応じて除数を変える除算部と、除算部の出力を入力信号とするトランスバーサルフィルタと、トランスバーサルフィルタの出力とトランスバーサルフィルタの出力を硬判定した参照信号との差を誤差信号として出力する誤差検出部と、誤差信号とトランスバーサルフィルタの状態に応じて、リースト・ミーン・スクエアアルゴリズムによりトランスバーサル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たことを特徴としたものである。

この構成により、受信信号に含まれる雑音成分を低減させることができるため、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合でもタップ係数を収束させることができる作用を有する。

第２の発明は、信号加算部における受信信号の加算個数に応じてステップサイズパラメータを変えるステップサイズパラメータ制御部を備えたことを特徴としたものである。

信号加算部において、受信信号の加算回数が所定の回数に達する前でも、ステップサイズパラメータを、所定加算時のステップサイズパラメータよりも小さな値に設定して、タップ係数を更新する。これにより、受信信号に含まれる雑音成分が十分に低減されていない状態でも、タップ係数を更新していくため、タップ係数の収束時間を短縮することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る適応等化器ついて、図１から図３を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る適応等化器を示すブロック図である。図２は、図１に示す適応等化器の受信信号加算部を示すブロック図である。図３は、図１に示す適応等化器のステップサイズパラメータ制御部から出力されるステップサイズパラメータが、受信信号の加算個数に応じて段階的に増加することを模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施の形態の適応等化器は、受信信号加算部１と、加算個数カウント部２と、除算部３と、第１トランスバーサルフィルタ４と、第２トランスバーサルフィルタ５と、加算器６と、判定器７と、誤差検出部８と、タップ係数更新部９とを備えている。

受信信号加算部１は、ベースバンド信号に変換された受信信号Ｓを保持するシフトレジスタを少なくとも二つ以上有すると共に、保持された受信信号Ｓの繰り返しパターン間で加算するデータ加算部を有している。加算個数カウント部２は、受信信号加算部１で加算された受信信号個数をカウントする。除算部３は、受信信号加算部１からの出力信号を、加算個数カウント部２で求めた加算個数で割る除算器である。第１トランスバーサルフィルタ４は、フィードフォワード部として機能するもので、除算部３からの信号を入力して、加算器６へ出力する。第２トランスバーサルフィルタ５は、フィードバック部として機能するもので、判定器７からの信号を入力して、加算器６へ出力する。加算器６は、第１トランスバーサルフィルタ４と第２トランスバーサルフィルタ５の出力を加算する。判定器７は、加算器６の出力をシンボル周期Ｔ毎に閾値で判定する。誤差検出部８は、加算器６の出力と、判定器７の出力である参照信号ｄとの差を誤差信号ｅとして出力する。タップ係数更新部９は、第１トランスバーサルフィルタ４，第２トランスバーサルフィルタ５の各遅延タップにおける値(Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，・・・，Ｘ_M，Ｘ_M+1，Ｘ_M+2，・・・，Ｘ_M+N)、および誤差検出部８から得られる誤差信号ｅから、各タップ係数を適応的に制御する。なお、入力信号、その他の部分の信号は、直交検波で得られる同相、直交で構成される複素信号でもよい。

タップ係数更新部９は、タップ係数演算部１０およびステップサイズパラメータ制御部１１を備えている。タップ係数演算部１０は、各タップ係数毎に設けられ、誤差信号ｅの複素共役とステップサイズパラメータμの積μｅ^*と、各タップにおける値(Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，・・・，Ｘ_M，Ｘ_M+1，Ｘ_M+2，・・・，Ｘ_M+N)から、タップ係数を算出する。ステップサイズパラメータ制御部１１は、加算個数カウント部２で求めた、受信信号加算部１での受信信号Ｓの加算個数に応じて、ステップサイズパラメータμを出力する。

次に、受信信号加算部１の構成について図２に基づいて詳細に説明する。図２に示すように、受信信号加算部１には、シフトレジスタ１２と、加算器１３と、第１スイッチ１４と、第２スイッチ１５とを備えている。

シフトレジスタ１２は、１周期の中にｘ個のシンボルが含まれ、少なくともタップ係数更新期間は、同じパターンを繰り返す受信信号Ｓの加算個数分（ｙ個）のレジスタを有しており、受信信号Ｓの繰り返し周期の中に含まれるシンボル数分（ｘ個）のシフトレジスタを有している。加算器１３は、シフトレジスタ１２に含まれる各レジスタの値を加算するデータ加算部である。第１スイッチ１４は、入力信号である受信信号Ｓを、順番にそれぞれのシフトレジスタに振り分けるスイッチである。第２スイッチ１５は、それぞれの加算器１３からの出力を選択して出力するスイッチであり、受信信号Ｓが取り込まれるたびに、シフトレジスタ（１）からシフトレジスタ（ｘ）の加算出力（加算器１３の出力）を順番に切り替える。

ここで、図１に示すタップ係数更新部９のステップサイズパラメータ制御部１１が出力するステップサイズパラメータについて図３に基づいて詳細に説明する。図３に示すように、ステップサイズパラメータ制御部１１では、ステップサイズパラメータμとして、加算個数が１、すなわち受信信号加算部１の各シフトレジスタ１２に受信信号Ｓが一つしか入っていないときはμ₁を、受信信号Ｓがシフトレジスタ１２に追加され加算個数が２のときはμ₂を、加算個数が４以上になるとμ₄を、μ₁＜μ₂＜μ₃＜μ₄の関係となるように出力する。

以上のように構成された本発明の実施の形態１に係る適応等化器について、その動作を説明する。

図１および図２に示すように、受信信号Ｓが受信信号加算部１に入力されると、受信信号Ｓの先頭のシンボルｕ₁が第１スイッチ１４を介してシフトレジスタ（１）に取り込まれ、第２スイッチ１５を介して出力される。その後、第１スイッチ１４と、第２スイッチ１５とが切り替わり、次のシンボルｕ₂は切り替わった第１スイッチ１４を介してシフトレジスタ（２）に取り込まれ、同様に切り替わった第２スイッチ１５を介して出力される。シンボルｕ_Xまで、同様に第１スイッチ１４と、第２スイッチ１５の切り替えが繰り返される。次の受信信号Ｓの繰返し周期の先頭シンボルｕ₁’は、シフトレジスタ（１）に取り込まれ、ｕ₁とｕ₁’の和が受信信号加算部１から出力される。同様に次のシンボルｕ₂’はシフトレジスタ（２）に入力され、ｕ₂との和が加算器１３から第２スイッチ１５を介して出力される。なお加算個数は各シフトレジスタが保有するレジスタ数ｙで決定される。

図１に示すように、加算個数カウント部２では、受信信号Ｓをトリガにカウンタを動作させる等の手段で、受信信号加算部１における各シフトレジスタ１２での加算個数をカウントする。除算部３では、加算個数カウント部２で求めた加算個数で、受信信号加算部１からの出力信号を割り、平均化処理を行う。なお、除数は１から始まり、最大がｙである。この平均化処理により、受信信号Ｓに含まれる雑音成分の割合が低減される。また加算個数が増えて平均化処理に使われる受信信号が増えるほど雑音成分が減少し、受信信号のＳ／Ｎ比が改善される。

除算部３を通過した信号は第１トランスバーサルフィルタ４で処理され加算器６へ出力されると共に、第２トランスバーサルフィルタ５の出力が加算器６に加えられることにより等化処理が行われ、判定器７で判定結果が等化出力として出力される。

また、判定器７での判定結果は、参照信号ｄとして誤差検出部８にも供給されて、加算器６の出力との誤差信号ｅが生成される。タップ係数更新部９において誤差信号ｅと各タップにおける値からタップ係数が求められ、逐次的に第１トランスバーサルフィルタ４と、第２トランスバーサルフィルタ５のタップ係数が更新される。なお、タップ係数更新部９では、誤差信号ｅの複素共役ｅ^*と、ステップサイズパラメータ制御部１１から出力されるステップサイズパラメータμの積μｅ^*と、各タップにおける値ｘから、ＬＭＳアルゴリズムにおいて係数更新値を算出する式（１）に従って更新値が求められる。ステップサイズパラメータ制御部１１では、図３に示すように、加算個数カウント部２での加算個数が１のときはステップサイズパラメータμをμ₁に設定し、以降加算個数の増加に伴って、μ₂、μ₃と段階的に増加させ、加算個数が４以降では、ステップサイズパラメータμをμ₄として出力する。

受信信号が入力され始めた直後で、平均化処理が十分進んでいないときは、受信信号のＳ／Ｎ比が十分に改善されていないため、タップ係数の更新値のベクトルの向きが収束状態でのベクトルの向きと離れる場合もある。４個の状態で比較的大きいステップサイズパラメータμ₄を用いると、収束が遅れたり発散したりする。受信信号の平均化処理が十分に進むまで、タップ係数の更新を停止すること考えられるが、収束までの時間が延びる。そこで、ステップサイズパラメータを比較的小さな値μ₁に設定してタップ係数の更新量を小幅にし、タップ係数の更新値のベクトルの向きが収束状態でのベクトルの向きと離れた場合でも大きく逸れないようにする。これにより、タップ係数の収束性を保ったまま、タップ係数の収束時間を短縮することができる。一方、加算個数が増え平均化処理が進んだときは、ステップサイズパラメータμを大きな値に変更し、タップ係数を大きく更新する。

以上のように本実施の形態に係る適応等化器によれば、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合でも、平均化処理によりＳ／Ｎ比を改善してトランスバーサルフィルタに入力し、受信信号から遅延歪みを除去することができると共に、受信信号が入力された直後で、受信信号のＳ／Ｎ比が十分に改善されていない場合でもタップ係数の更新を進められるため、タップ係数の収束時間を短縮することができる。

本発明は、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合でも遅延歪みを除去できるので、携帯電話、無線ＬＡＮ、またはデジタル地上波放送などの受信器、使用時の受信電力が微弱な状況が想定される様々な無線通信システムの適応等化器に利用できる。

本発明の実施の形態１に係る適応等化器を示すブロック図図１に示す適応等化器の受信信号加算部を示すブロック図図１に示す適応等化器のステップサイズパラメータ制御部から出力されるステップサイズパラメータが、受信信号の加算個数に応じて段階的に増加することを模式的に示す図従来の適応等化器のブロック図

符号の説明

１受信信号加算部
２加算個数カウント部
３除算部
４第１トランスバーサルフィルタ
５第２トランスバーサルフィルタ
６加算器
７判定器
８誤差検出部
９タップ係数更新部
１０タップ係数演算部
１１ステップサイズパラメータ制御部
１２シフトレジスタ
１３加算器
１４第１スイッチ
１５第２スイッチ
１０１、１０２トランスバーサルフィルタ
１０３加算器
１０４判定器
１０５誤差検出部
１０６タップ係数更新部
ｄ参照信号
ｅ誤差信号
Ｓ受信信号

Claims

送信信号の繰り返しパターンを用いてタップ係数の更新を行う適応等化器であって、
ベースバンド信号に変換された受信信号を保持するシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに保持された値の和を出力するデータ加算部と、
前記データ加算部での受信信号の加算個数に応じて除数を変える除算部と、
前記除算部の出力を入力信号とするトランスバーサルフィルタと、
前記トランスバーサルフィルタの出力と前記トランスバーサルフィルタの出力を硬判定した参照信号との差を誤差信号として出力する誤差検出部と、
前記誤差信号と前記トランスバーサルフィルタの状態に応じて、リースト・ミーン・スクエアアルゴリズムにより前記トランスバーサル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たことを特徴とする適応等化器。
前記信号加算部における受信信号の加算個数に応じてステップサイズパラメータを変えるステップサイズパラメータ制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載の適応等化器。