JP2009033219A - 無線中継装置 - Google Patents

Abstract

【目的】
本発明は防災無線等の狭帯域信号の伝送においてもＳＦＮを実現することを目的とするものである。
【構成】
本発明にかかる無線中継装置は、第１のアンテナで受信された受信信号を第２のアンテナから送信する、回り込み消去装置を備えた無線中継装置において、中継開始時は推定用信号を回り込ませ、急速に回り込み消去動作を安定化させ、回り込み消去が安定した後は、推定用信号を制限することによって、信号品質を確保する機能を備えることを特徴とする無線中継装置。

【選択図】図１

Description

この発明は、受信した希望波を増幅して中継する無線中継方法およびその装置に関し、特に狭帯域信号システムにおいて同一周波数中継を実現する無線中継方法およびその装置に関するものである。

限られた周波数資源を有効に利用するため、例えば地上デジタルテレビ放送では、中継局も親局と同じ周波数で放送する単一周波数ネットワーク
（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ ：ＳＦＮ）が使用されている。しかしＳＦＮにおいては、中継局の送信アンテナから発射された電波が親局波を受信するアンテナに回り込み、信号の劣化や最悪の場合には発振を引き起こす恐れがあるため、この回り込み対策が重要な課題となっており、該回り込み信号を消去するための回り込みキャンセラが開発されている。

前記回り込み対策としては一般に、回り込み波によって発生する周波数特性、もしくは時系列上の信号の乱れを観測し、トランスバーサルフィルタ（ＦＩＲフィルタ）を用いて回り込み波の逆位相信号を生成し、該逆位相信号を受信信号に加算することで回り込み波を打ち消す手法が実施されている。

使用信号の周波数帯域が広帯域である場合の周波数特性を観測する手法の一実施例として、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に示されている従来の回り込みキャンセラを図３に示す。図３は、基地局からの信号を受信し、同一周波数で再送信する同一周波数中継装置のブロック図であり、広帯域な直交周波数分割多重（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＯＦＤＭ）信号を扱う地上デジタルテレビ放送に使用されており、また、符号分割多元接続（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：ＣＤＭＡ）セルラーシステムにも適用可能である。

図３に示す中継装置は、基地局からの信号を受信アンテナ３０１で受信し、送信アンテナ３１２から再送信した信号が再び３０１に到達することで発生してしまう回り込み波を、回り込みキャンセラの構成要素である３０３、３０４、３０５、３０６、３０７、３０８、３０９、３１０によって消去する。受信信号をＦＦＴ３０５により周波数領域のデータに変換し、電力スペクトル算出部３０６で電力スペクトルを算出することでマルチパスなどの影響を持った伝送路特性を推定し、逆フーリエ変換装置３０７によって時間領域のインパルス応答値に変換し、タップ係数更新部３０８によってインパルス応答値を用いてタップ係数値を計算し、それをＦＩＲフィルタ３０９のタップ係数として設定し、受信信号をこのＦＩＲフィルタに入力することで回り込み波の逆位相信号を生成し、加算部３０４にて受信信号から回り込み信号のみを消去するというものである。

また、回り込みによる受信信号の時系列上の乱れを観測する手法の一例が、非特許文献１に示されている。これはＣＤＭＡセルラーシステムにおいて使用されている。

以上示したいずれの従来例も、対象信号が広帯域であることを利用したものである。

前述のように、受信信号が広帯域であることを利用した回り込み消去方式は、地上デジタルテレビ放送や、ＣＤＭＡセルラーシステムなどの広帯域信号を利用した放送および通信システムにおいて限定的に使用されていたのであるが、通信システムとして、防災行政無線など、より一般的な狭帯域信号を扱うシステムにおいても、周波数有効利用のためにＳＦＮを実現することへの要望が高まっている。

広帯域信号の場合、回り込み波の特性は図２に示すように、リプル波形のスペクトルとなって現れるため、周波数領域での処理により、そのリプル波形から回り込み伝搬路の特性を推定することが出来た。しかるに希望波の帯域幅が数十ｋＨｚ程度しかないような狭帯域信号の場合は、白色雑音のように帯域を広く要する信号は含まれないため、回り込み伝搬路の特性を示すリプル波形が十分に得られず、回り込み波の推定は不可能であった。

また、狭帯域信号において回り込み波の推定が困難であった別の理由としては、広帯域信号の場合、回り込み波の特性は、図４に示すように相関処理において回り込み波の遅延時間に一致した時刻にインパルスとなって現れ、そのインパルスから回り込み伝搬路の特性を推定することが出来たが、希望波の帯域幅が数十ｋＨｚ程度の狭帯域信号の場合は、急峻な相関波形を得られないということもあった。

特開２００１−２８５６２号公報 特開２００２−２７１２９５号公報 特開２００２−２９０３７０号公報 特開２００４−８０６６８号公報 特開２００５−０８６３７７号公報 前山利幸、井上隆："回り込み干渉抑圧機能を搭載したＣＤＭＡセルラ用リピータの開発"、電子情報通信学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ Ｎｏ．９ ｐｐ．１１９４−１２０２ ２００４年９月

本発明はこれら防災無線等において狭帯域信号を扱う際に生じる回り込みキャンセラの課題を解決し、広帯域通信と同様にＳＦＮを高精度で実現することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明による無線中継装置は、第１のアンテナから受信された受信信号を第２のアンテナから送信する無線中継装置であって、第１のアンテナの受信信号の一部が第２のアンテナからの送信信号の回り込み信号である場合において、
中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量になるまでの間だけ動作する、複数の希望信号帯域を含み、かつ、希望狭帯域信号の帯域幅より広い通過帯域を有する受信バンドパスフィルタと、
同様に中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量になるまでの間だけ動作する、複数の希望信号帯域を含み、かつ、希望狭帯域信号の帯域幅より広い通過帯域を有する送信バンドパスフィルタと、
中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量で安定した後、前記受信バンドパスフィルタに代わって動作し、複数の希望狭帯域信号のみを通過させるくし型受信バンドパスフィルタと、
同様に中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量で安定した後、前記送信バンドパスフィルタに代わって動作し、複数の希望狭帯域信号のみを通過させるくし型送信バンドパスフィルタと、
を備えることを特徴とする無線中継装置とする。

また、前記無線中継装置は、
中継開始から常時、あるいは回り込み信号の消去が安定するまでの間、回り込み推定をするための平坦で充分に広帯域な推定用信号を受信信号に重畳する推定用信号重畳部を備えることを特徴とする無線中継装置とする。

また、前記無線中継装置は、前記推定用信号重畳部を持たず、受信機内の信号経路においておのずから生じる熱雑音を推定用信号として利用することを特徴とする無線中継装置とする。

本発明によれば、回り込みの希望波電力対非希望波電力比（Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｕｎｄｅｓｉｒｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ：Ｄ／Ｕ）が低い場合であっても、定常処理時には希望狭帯域信号のみでＡ／Ｄコンバータのダイナミックレンジを最大に扱うので、希望狭帯域信号の信号電力対雑音電力比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ：Ｓ／Ｎ）の劣化を抑制することが可能となる。

希望狭帯域信号を処理する回路と、推定用信号を処理する回路に分離する必要が無いため、アナログフィルタ、Ａ／Ｄコンバータなど部品点数が少なくて済む。

また、推定用信号の送信電力を必要最低限に抑制することが可能となる。

本発明の実施例について図１を参照し説明する。本実施例は、受信アンテナから取り込まれた希望狭帯域信号に、スペクトルが平坦で広帯域な推定用信号を重畳し、希望狭帯域信号と推定用信号を同時に送信アンテナから再送信して受信アンテナに回り込ませ、回り込み推定部においては希望狭帯域信号を消去し、推定用信号と推定用信号の回り込み信号からなるスペクトルを時間平均し、さらに逆フーリエ変換すれば、伝送路のインパルス応答によって、回り込み特性を表現できることを利用している。

まず、中継動作開始時の動作を述べる。最初に、選択スイッチ１０４は広帯域受信バンドパスフィルタ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）１０２を、選択スイッチ１１９は広帯域送信ＢＰＦ１１７をそれぞれ選択しておく。

受信アンテナ１０１で受信した信号は、１０４によって選択された広帯域受信ＢＰＦ１０２に入力される。広帯域受信ＢＰＦ１０２は複数の希望狭帯域信号の占有周波数帯域を含み、かつ、希望狭帯域信号の帯域幅より広い通過帯域を有することにより、希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号、および推定用信号の回り込み信号を１０４以降に通過させる。

例えば一例として、防災無線では、希望狭帯域信号の帯域幅が２５ｋＨｚ程度で、送信チャネルおよび受信チャネルに割り当てられている帯域幅がそれぞれ６ＭＨｚなので、１０２の通過帯域幅は６ＭＨｚ程度に設定する。

広帯域受信ＢＰＦ１０２によってバンドパス処理された信号に、推定用信号重畳部１０５にて推定用信号を重畳する。推定用信号とはスペクトルが平坦で広帯域な信号すなわち白色性広帯域雑音のことであり、スイッチ１０７をオンにし推定用信号発生器１０６を用いて擬似的に作成しても良いが、受信機が本来持っている熱雑音を利用するほうが白色性が高いので好ましい。

また、１０５、１０６、１０７は省略し受信機内の信号経路においておのずから生じる熱雑音をそのまま推定用信号として利用しても良い。白色性広帯域雑音が重畳された信号はＡ／Ｄコンバータ１０８にてサンプリングされる。

全体としては、狭帯域信号を希望波とする伝送システムではあるが、希望狭帯域信号と同時に白色性広帯域雑音も送信アンテナ１２１から送信し、送信局からの希望狭帯域信号と共に、前記希望狭帯域信号と白色性広帯域雑音が重畳された信号の回り込み波も受信アンテナ１０１で受信する。白色性広帯域雑音はスペクトルを観測すると、回り込み波が存在しない時は平坦な周波数特性をもつが、回り込み波が存在すると周波数特性にリプルが生じる。このリプルを用いて回り込み伝送路の推定を精度良く行う。

Ａ／Ｄコンバータ１０８でサンプリングされた信号を元に、ＦＦＴ１１０にてＦＦＴを行い、１１０の出力信号の実数部と虚数部の２乗和を算出する電力スペクトル算出部１１１で電力スペクトルを観測するが、推定用信号の回り込みによるリプルと希望狭帯域信号が混在しているため、そのままでは回り込み推定を精度良く行うことが出来ない。

そこで、１１１で算出された電力スペクトルについて、キャリアシェービング１１２にて、図５に示すように、希望狭帯域信号の大きなピークを示す周波数帯を消去することにより、白色性広帯域雑音および白色性広帯域雑音の回り込み信号によるリプルのみの信号に変形させ、さらに逆フーリエ変換器１１３にて時間信号に戻すことで伝送路のインパルス応答を求める。ここで、１１２の前段階の信号、あるいは１１２にてリプルのみの電力スペクトルに変形した信号を時間平均しても良い。時間平均によって伝送路のインパルス応答を精度良く推定できる。

ここで、キャリアシェービング１１２の代わりに、図６に示すように、希望狭帯域信号の電力スペクトルを逆数化した逆特性を周波数領域で乗算しても良い。

逆フーリエ変換器１１３にて求められたインパルス応答からタップ係数更新部１１４にてＦＩＲ１１５のタップ係数を更新し、１１５にて希望狭帯域信号と推定用信号の回り込み信号の逆位相信号を生成し、加算器１０９にてＡ／Ｄコンバータ１０８でサンプリングされた受信信号に加算し、推定用信号の回り込み信号を消去する。

加算器１０９で回り込み信号が消去された希望狭帯域信号と推定用信号は、Ｄ／Ａコンバータ１１６にてアナログ信号に戻され、選択スイッチ１１９によって選択された広帯域受信ＢＰＦ１０２と同様の通過帯域を有する広帯域送信ＢＰＦ１１７にて不要な周波数成分がカットされ、増幅器１２０で増幅され、送信アンテナ１２１から送信される。

以上が、中継開始時の収束処理（安定化処理）の動作である。収束処理では、システムに割り当てられた帯域幅全体に及ぶ広帯域で回り込み推定に有効な推定用信号を用いることによりＦＩＲ１１５のタップ係数を素早く収束させることが出来る。すなわち回り込み消去を素早く安定させることが出来る。

しかるに、回り込み推定用に広帯域信号を別途用いる手段による回り込みキャンセラは、回り込み信号が極めて大きい場合、つまりＤ／Ｕが低い場合は、希望狭帯域信号に対して広帯域で大きなパワーを持った回り込み信号を受信し、加算器１０９において回り込み信号が消去されるまでは、常に信号経路内に回り込み信号も存在するため、Ａ／Ｄ変換器１０８における希望狭帯域信号のＳ／Ｎが頭打ちになる恐れがある。

そこで、中継開始後、ＦＩＲ１１５のタップ係数が収束したならば、希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号のみで、Ａ／Ｄ変換器１０８のダイナミックレンジを最大に使う定常処理に移行する。その手順を以下に述べる。

中継開始時から常に、回り込み消去誤差測定部１２３は、逆フーリエ変換器１１３の出力であるインパルス応答の電力により回り込み消去誤差を測定する。回りこみ消去誤差があらかじめ定めた値以下に連続して留まるようになったら、すなわち回り込み消去量が一定値で安定したら、１２３はスイッチ切換信号を出力する。１２３からのスイッチ切換信号によって選択スイッチ１０４は、希望狭帯域信号の占有周波数帯域幅に一致した通過帯域を有するくし型受信ＢＰＦ１０３を選択する。１０３を選択することで希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号のみを１０４以降に通過させる。

希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号のみでＡ／Ｄ変換器１０８のダイナミックレンジを最大に使うことが出来るため、希望狭帯域信号のＳ／Ｎが向上する。

さらに、回り込み消去誤差測定部１２３からのスイッチ切換信号によって、選択スイッチ１１９は、くし型受信ＢＰＦ１０３と同様の通過帯域を有するくし型送信ＢＰＦ１１８を選択する。希望信号帯域外の送信を抑制し通信品質を向上できる。

さらに回り込み伝送路特性が安定している場合には、スイッチ１０７をオフにし、タップ係数更新部１１４の動作を停止しても良い。これにより希望狭帯域信号のＳ／Ｎをいっそう高めることが出来る。

以上のように、中継開始時の収束処理では白色性広帯域雑音を用いることにより素早くＦＩＲ１１５のタップ係数を収束させ、定常状態では、くし型受信ＢＰＦ１０３およびくし型送信ＢＰＦ１１８で帯域制限することにより、希望信号品質を維持する。このように、状態によって受信ＢＰＦと送信ＢＰＦを変更することによって、高い収束性と信号品質を小さな回路規模で実現できる。

実施例の回り込み推定部は、周波数領域での処理を用いるものであるが、時間領域での相関処理を用いる回り込み推定でも有効である。

実施例のシステムブロック図 従来の回り込みキャンセル装置 回り込みによるリプル状のスペクトル波形 回り込みによるインパルス状の相関値 回り込み推定部におけるシェービングによる希望狭帯域信号の消去 回り込み推定部における逆特性乗算による希望狭帯域信号の消去

符号の説明

１０１…受信アンテナ、 １０２…広帯域受信バンドパスフィルタ、
１０３…くし型受信バンドパスフィルタ、 １０４…選択スイッチ、
１０５…推定用信号重畳部、 １０６…推定用信号発生器、 １０７…スイッチ、
１０８…Ａ／Ｄコンバータ、 １０９…加算器、
１１０…ＦＦＴ、 １１１…電力スペクトル算出器、
１１２…キャリアシェービング部、 １１３…逆フーリエ変換器、
１１４…タップ係数更新器、 １１５…ＦＩＲフィルタ、
１１６…Ｄ／Ａコンバータ、 １１７…広帯域送信バンドパスフィルタ、
１１８…くし型送信バンドパスフィルタ、 １１９…選択スイッチ、
１２０…可変増幅器、 １２１…送信アンテナ、
１２２…回り込み信号、 １２３…回り込み消去誤差測定部、
３０１…受信アンテナ、 ３０２…受信バンドパスフィルタ、
３０３…Ａ／Ｄコンバータ、 ３０４…加算器、 ３０５…ＦＦＴ、
３０６…電力スペクトル算出器、 ３０７…逆フーリエ変換器、
３０８…タップ係数更新器、 ３０９…ＦＩＲフィルタ、
３１０…Ｄ／Ａコンバータ、 ３１１…送信バンドパスフィルタ、
３１２…送信アンテナ、 ３１３…回り込み信号

Claims (3)

1. 第１のアンテナから受信された受信信号を第２のアンテナから送信する無線中継装置であって、第１のアンテナの受信信号の一部が第２のアンテナからの送信信号の回り込み信号である場合において、
   中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量になるまでの間だけ動作する、複数の希望信号帯域を含み、かつ、希望狭帯域信号の帯域幅より広い通過帯域を有する受信バンドパスフィルタと、
   同様に中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量になるまでの間だけ動作する、複数の希望信号帯域を含み、かつ、希望狭帯域信号の帯域幅より広い通過帯域を有する送信バンドパスフィルタと、
   中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量で安定した後、前記受信バンドパスフィルタに代わって動作し、複数の希望狭帯域信号のみを通過させるくし型受信バンドパスフィルタと、
   同様に中継開始後、回り込みキャンセラによる回り込み信号の消去量が一定量で安定した後、前記送信バンドパスフィルタに代わって動作し、複数の希望狭帯域信号のみを通過させるくし型送信バンドパスフィルタと、
   を備えることを特徴とする無線中継装置。
2. 前記無線中継装置は、
   中継開始から常時、あるいは回り込み信号の消去が安定するまでの間、回り込み推定をするための平坦で充分に広帯域な推定用信号を受信信号に重畳する推定用信号重畳部を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線中継装置。
3. 前記無線中継装置は、前記推定用信号重畳部を持たず、受信機内の信号経路においておのずから生じる熱雑音を推定用信号として利用することを特徴とする請求項１に記載の無線中継装置。