JP2009165080A - デジタル変調装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率を低下させることなく送受信時の消費電力の増大及び受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できるデジタル変調装置及び方法を提供する。
【解決手段】符号化データを伝送するために、搬送波生成部２２により生成される予め設定された周波数の搬送波を、予め設定された単位期間（シンボル）に区切り、符号化データの内容に応じて搬送波を１シンボル単位で変調するデジタル変調方法であって、符号化データを所定の情報量（例えば、４ｂｉｔ）単位で取得し、出力波の位相差と出力電力レベルとを、符号化データに応じてそれぞれ予め設定された複数の選択候補から１つずつ選択し、選択された位相差と出力電力レベルとに応じて、搬送波をシンボル単位で変調する。
【選択図】図３

Description

本発明は、デジタル変調装置及び方法に関する。

従来、情報を伝送するために搬送波を用いる有線通信又は無線通信において、伝送する情報に応じて搬送波を単位時間（シンボル）毎に変調するデジタル変調が行なわれている。デジタル変調方法としては、キャリア（搬送波）の振幅を変化させるＡＳＫ（Amplitude Shift Keying、振幅偏移変調）、キャリアの周波数を変化させるＦＳＫ（Frequency Shift Keying、周波数偏移変調）、キャリアの位相を変化させるＰＳＫ（Phase Shift Keying、位相偏移変調）等があげられる。

例えば、ＰＳＫの最もシンプルなＢＰＳＫ（Binary PSK）では、１シンボルのキャリアの位相を１８０度単位で変化させることにより、「０」と「１」を表すことで、１シンボルで１ビットの情報を伝送する。さらに、ＱＰＳＫ（Quadrature PSK）では、キャリアのコサイン（ｃｏｓ）成分とサイン（ｓｉｎ）成分とを別々にそれぞれＢＰＳＫ変調したものを合成することによりキャリアの位相をπ／４単位で変化させ、２ビットの情報を伝送している。

さらに、近年の情報の高密度化に伴い、１シンボル当たりの情報の伝送量を増加させるために、ＱＰＳＫにさらに振幅の変化を加えるＱＡＭ（Quadrature Phase Shift Keying、直交振幅変調）が提案されている。ＱＰＳＫの２つの軸上で振幅を２段階に変化させた１６ＱＡＭでは、１シンボル当たり４ビット、更に振幅を４段階に変化させた６４ＱＡＭでは、１シンボル当たり６ビットの情報が伝送できる。

従来から、例えば特許文献１に記載されているように、シンボルが表す情報は、デジタル変調された信号のｃｏｓ成分（同相成分）をＩ軸、−ｓｉｎ成分（直交成分）をＱ軸にとり、Ｉ−Ｑ平面上にマッピングすることにより位相図（コンスタレーション）として表すことができる。
特開２００１−２８５３７６公報

しかしながら、１シンボル当たりで伝送する情報量を多くするほど、信号点の間隔が狭くなり、特に、受信側でのＳ／Ｎが悪い場合、雑音に対して符号間干渉を起こしやすく、受信側におけるデータの誤り率が高くなってしまう、という問題点があった。

このため、信号の電力を大きくして送ることにより、Ｓ／Ｎを改善することが行なわれている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、伝送効率を低下させることなく送受信時の消費電力の増大及び受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できるデジタル変調装置及び方法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、請求項１の発明は、予め設定された周波数の搬送波を生成する生成手段と、符号化された前記伝送対象となる情報を所定の情報量単位で取得する取得手段と、出力波の位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとを、前記取得手段を介して取得された情報が示す符号のパターンに応じて、それぞれ予め設定された複数の選択候補から１つずつ選択する選択手段と、前記選択手段により選択された位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとに応じて、前記生成手段により生成された前記搬送波を予め設定された単位期間毎に変調する変調手段と、を備えている。

請求項１記載の発明によれば、搬送波を位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとを変更することにより変調するので、単位期間（１シンボル）の搬送波が表す信号点が二次元空間でなく三次元空間に存在することになる。これにより、伝送される情報の種類を伝送効率を低下させることなく信号点間距離を小さくすることができるので、受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できる。また、常に出力電力を高くすることにより誤り率を低減させる場合と比較して、送受信時の消費電力の増大が抑制できる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記取得手段が取得する情報量をＮｂｉｔ（Ｎは自然数）とし、前記位相差についての前記選択候補として、「０」及び「π」を予め設定すると共に、前記出力電力レベルについての前記選択候補を２^Ｎ／２種類予め設定している。

請求項２記載の発明によれば、復調時に位相差を「０」及び「π」の２種類だけについて判定すればよいので、復調回路の回路構成の複雑化を防止できる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記変調手段により変調された出力波を、前記変調手段による変調方法に関する情報として、前記変調手段による前記位相差及び振幅の少なくとも一方と前記出力電力レベルとの選択候補を示す情報を示す変調波と共に無線送信する無線送信手段を更に備えている。

請求項３記載の発明によれば、変調されて無線送信された信号を受信した装置において、変調方法に関する情報を用いて信号の復調を行なうことができる。

請求項４記載の発明は、伝送対象となる情報を伝送するために生成された予め設定された周波数の搬送波を予め設定された単位期間に区切り、前記情報に応じて搬送波を単位期間毎に変調するデジタル変調方法であって、符号化された前記伝送対象となる情報を所定の情報量単位で取得し、出力波の位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとを、取得した情報が示す符号のパターンに応じて、それぞれ予め設定された複数の選択候補から１つずつ選択し、選択された位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとに応じて、前記搬送波を予め設定された単位期間毎に変調する。

請求項４記載の発明によれば、請求項１記載のデジタル変調装置と同様に、伝送効率を低下させることなく送受信時の消費電力の増大及び受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できる。

以上説明したように、本発明は、伝送効率を低下させることなく送受信時の消費電力の増大及び受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できる、という優れた効果を有する。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態では、無線通信装置に設けられ、符号化された情報に基づいて搬送波を変調する変調装置に本発明を適用した形態について説明する。

図１には、本実施形態に係る無線通信装置１０の概略構成が示されている。同図に示されるように、無線通信装置１０は、無線通信の対象となるデータを符号化する符号化装置１２と、符号化された情報に基づいて搬送波を変調する変調装置１４と、データを予め設定されたフレームフォーマットに応じて構成するフレーム構成部１６と、アンテナ２０を介して変調波を無線通信により送信する送信装置１８と、を含んで構成されている。

変調装置１４は、予め設定された周波数の搬送波を発生させる搬送波生成部２２と、搬送波生成部２２により生成された搬送波を変調する変調部２４と、を含んで構成されている。

変調部２４は、搬送波の位相を変化させる位相変更部２６と、搬送波の出力電力を調整する電力調整部２８と、を更に含んで構成されている。符号化装置１２により符号化されたデータは、変調部２４に出力される。変調部２４では、符号化データに基づく搬送波の変調処理を一定期間（シンボル）単位で行うと共に、予め定められた情報量単位で行なう。

図２には、情報を４ｂｉｔ単位で処理する場合の、符号化データに応じたシンボルの電力及び位相変化が示されている。同図に示されるように、変調部２４では、位相変更部２６及び電力調整部２８を用いて搬送波の出力電力及び位相を変更することにより変調処理を行う。同図に示す例では、位相変更部２６により位相を４段階に変化させると共に、電力調整部２８により出力電力を４段階に変化させる。

図３（Ａ）には、本実施の形態に係る変調部２４により４ｂｉｔのデータに基づいて変調された搬送波のｃｏｓ成分をＩ軸（In−phase，同相成分）、搬送波の−ｓｉｎ成分をＱ軸（Quadrature−phase，直交成分）、搬送波の出力電力を電力軸として３次元マッピングしたコンスタレーションが示されている。なお、同図に示される点は、図２に示される各データに基づいて変調されたシンボルの信号点を示している。同図に示されるように、各信号点は、ＲＳＳＩ軸上の４つのＩ−Ｑ平面４０Ｉ〜４０ＩＶ上にそれぞれ４つずつ存在する。すなわち、単一のＩ−Ｑ平面４０上の各信号点間のユークリッド距離は、２ｂｉｔのデータをＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）で変調した場合と同じであり、異なるＩ−Ｑ平面４０間のユークリッド距離は出力電力レベルの差に応じた距離となる。

一方、図３（Ｂ）には、４ｂｉｔのデータに基づいて１６ＱＡＭ（Quadrature Phase Shift Keying）を用いて搬送波を変調した場合のコンスタレーションが示されている。なお、１６ＱＡＭは、位相及び振幅をそれぞれ複数段階に変化させる。同図に示されるように、１６ＱＡＭで変調した場合の各信号点間のユークリッド距離は、図３（Ａ）に示す場合と比較して短くなっている。

図４には、本実施の形態に係るフレーム構成部１６で適用されるフレームフォーマットが一例として模式的に示されている。同図に示されるように、各フレームの先頭には、フレームの開始を意味するプリアンブル４２が付加される。また、データ４６の直前には情報の属性等を示すヘッダ４４が付加されると共に、データ４６の直後には、受信側においてデータ４６が正しく伝送されたか否かを判定するために用いられるＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）４８が付加される。

ここで、同図に示されるように、本実施形態では、プリアンブル４２とヘッダ４４との間に、変調部２４において適用した出力電力レベルＩ〜ＩＶに関するデータがＲＳＳＩ付加ビット４１として付加される。このＲＳＳＩ付加ビット４１は、「１１１」を示す情報であり、プリアンブル４２やヘッダ４４の電力レベルをＩＶとすると、互いに異なるレベルＩ，レベルＩＩ，レベルＩＩＩの電力で出力されるようになっている。このＲＳＳＩ付加ビット４１は、受信側において搬送波を復調・復号する際に用いられる。

図５には、無線通信装置１０により送信された情報を受信する受信装置５０の構成が概略的に示されている。同図に示されるように、受信装置５０は、アンテナ５２、電波に対して所定の周波数帯域のチャンネルを選択して同調をとり、受信信号として出力するチューナ５４、復調処理回路５６及びデコーダ５８を含んで構成されている。アンテナ５２の出力端はチューナ５４の入力端に、チューナ５４の出力端は復調処理回路５６の入力端に、復調処理回路５６の出力端はデコーダ５８入力端に、それぞれ接続されている。

復調処理回路５６は、チューナ５４から出力された受信信号に同期確立を行って同期再生信号を出力すると共に同期確立信号を出力する同期確立部６２と、同期再生信号に基づいて復調信号を出力する復調部６４と、復調信号の誤りを訂正する誤り訂正部６８と、を備えている。なお、復調処理回路５６により復調された信号は、デコーダによりデコードされる。

図６には、復調処理回路５６の復調部６４の構成が概略的に示されている。同図に示されるように、復調部６４は、予め設定された周波数の搬送波を発生させる搬送波生成部７０と、波形の位相をπ／２シフトさせるπ／２シフト器７２と、乗算回路７４と、符号判定回路７６と、を含んで構成されている。搬送波生成部７０の出力端は、乗算回路７４の入力端に接続されると共に、π／２シフト器７２の入力端に接続されている。π／２シフト器７２の出力端は乗算回路７４の入力端に接続されている。

また、同期確立部６２により同期確立された同期再生信号も、乗算回路７４に入力される。すなわち、乗算回路７４では、搬送波生成部７０により生成された搬送波と、π／２シフト器７２により位相がπ／２だけシフトされた搬送波と、同期再生信号と、をそれぞれ掛け合わせることにより、同期再生信号に基づいてＩ軸成分とＱ軸成分とを生成して符号判定回路７６に出力する。

ここで、本実施の形態に係る復調部６４は、同期確立部６２から出力された同期再生信号のＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indication：受信信号強度）を検出するＲＳＳＩ検出回路７８を含んで構成されている。また、ＲＳＳＩ検出回路７８の出力端は、符号判定回路７６の入力端に接続されている。

符号判定回路７６では、乗算回路７４により生成されたＩ軸成分、Ｑ軸成分を合成してＩ−Ｑ平面上にデマッピングすると共に、当該Ｉ−Ｑ平面のＲＳＳＩ軸上の位置をＲＳＳＩ検出回路７８により検出されたＲＳＳI軸成分に基づいて特定することで、信号点を３次元デマッピングし、同期再生信号が示す符号（情報）をシンボル単位で判定する。

図７（Ａ）に示されるように、符号判定回路７６では、ＲＳＳＩ付加ビット４１のＲＳＳＩ検出値に基づいて変調時における電力の調整レベル（レベルＩ〜ＩＶ）に応じてＲＳＳＩ検出値の閾値Ａ〜Ｃを設定し、各シンボルのＲＳＳＩ検出値と閾値とを比較することにより各シンボルが示す符号の信号点のＲＳＳＩ軸の値を決定する。

具体的には、まず、ＲＳＳＩ付加ビット４１の各シンボル（ＢＰＳＫでは１シンボルで１ビットのデータを表すので、ＲＳＳＩ付加ビット「１１１」の場合、３シンボル）のＲＳＳＩ検出値と、プリアンブル４２やヘッダ４４を構成するシンボルのＲＳＳＩ検出値とに基づいて、４つのＩ−Ｑ平面４０のＲＳＳＩ軸の値（０〜３ａ）を決定する。次に、データ４６部分の各シンボルのＲＳＳＩ検出値に基づいて、各シンボルの信号点をＲＳＳＩ軸上のどのＩ−Ｑ平面４０上にデマッピングするかを決定するための閾値Ａ〜Ｃを設定する。

これにより、同図（Ｂ）に示されるように、Ｉ−Ｑ平面内での各信号点間のユークリッド距離及び各Ｉ−Ｑ平面間のユークリッド距離を十分に保つことができる。

なお、このようにしてデマッピングを行なった結果、誤り率が高い場合には、デマッピング時に用いたＲＳＳＩ軸の値やＲＳＳＩ検出値を無線通信装置１０側にフィードバックしてもよい。これにより無線通信装置１０側で各出力電力レベルの差を大きくするなどの調整を実行することができるので、その後の無線通信における誤り率を低減することも可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、符号化データを伝送するために、搬送波生成部２２により生成される予め設定された周波数の搬送波を、予め設定された単位期間（シンボル）に区切り、符号化データの内容に応じて搬送波を１シンボル単位で変調するデジタル変調方法であって、符号化データを所定の情報量（例えば、４ｂｉｔ）単位で取得し、出力波の位相差と出力電力レベルとを、符号化データに応じてそれぞれ予め設定された複数の選択候補から１つずつ選択し、選択された位相差と出力電力レベルとに応じて、搬送波をシンボル単位で変調するので、伝送効率を低下させることなく送受信時の消費電力の増大及び受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できる。

なお、実施の形態で説明した無線通信装置１０の構成や各種処理の流れは一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

例えば、本実施形態では、４ｂｉｔのデータをＱＰＳＫ×４平面とする変調について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図８に示されるように、４ｂｉｔのデータをＢＰＳＫ×８平面とする形態としてもよい。ＢＰＳＫを用いる場合、平面の数が増えるため、電力の調整が複雑化するが、変調時及び復調時の位相シフト回路の数を減らすことができる。

図９には、受信装置５０に用いられるＢＰＳＫ用の復調部６４Ａの構成の一例が示されている。図８に示されるように、Ｉ軸成分とＲＳＳＩ軸成分とに基づいてコンスタレーションを作成可能であるので、同図に示されるように、位相シフト器が不要となる。したがって、１シンボル当たりの伝送効率を低下させることなく位相シフト回路を減らすことができる。

また、図１０に示されるように、ＲＳＳＩ軸を利用して３ｂｉｔのデータを１シンボルで表す場合、同図（Ａ）に示されるようにＢＰＳＫ×４平面に変調することもできるし、同図（Ｂ）に示されるようにＱＰＳＫ×２平面に変調することもできる。この場合の信号点のコンスタレーションを図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示す。

図１１（Ａ）は、３ｂｉｔのデータをＢＰＳＫ×４平面にマッピングした場合、同図（Ｂ）は３ｂｉｔのデータをＱＰＳＫ×２平面にマッピングした場合のコンスタレーションを示している。さらに、同図（Ｃ）は、ＲＳＳＩ軸を利用することなく、３ｂｉｔのデータを８ＰＳＫ平面にマッピングした場合のコンスタレーションを示している。各コンスタレーションを比較すると、平面数を増やすほど、また、平面間距離を大きくするほど、同一平面上での信号点間のユークリッド距離を保つことができる。

また、常時搬送波の出力電力を高いレベルにする必要がないので、受信側でのデータの誤り率を低減するためにデータ全体の出力電力を高いレベルにする場合と比較して、消費電力の増大を抑制することができる。

したがって、平面数及び平面間距離の増大に伴う搬送波の送受信時における消費電力の増大と、信号点間のユークリッド距離とを考慮して平面数を設定することにより、伝送効率を低下させることなく送受信時の消費電力の増大及び受信側でのデータの誤り率の増大を抑制できる。

すなわち、従来、１シンボルで６ビットの情報を表す場合、６４ＱＡＭ変調を適用しているが、本発明を適用することにより３２ＱＡＭ×２平面、１６ＱＡＭ×４平面、ＱＰＳＫ×１６平面、及び、ＢＰＳＫ×３２平面の何れかとすることができる。また、１シンボルで５ビットの情報を表す場合、３２ＱＡＭ変調を適用しているが、同様に、１６ＱＡＭ×２平面、ＱＰＳＫ×８平面、及び、ＢＰＳＫ×１６平面の何れかとすることができる。

なお、ＲＳＳＩ付加ビット４１のビット数は、出力電力レベルの数に応じて、適宜設定することができる。例えば、本実施形態では、プリアンブル４２等とは異なる出力電力レベルＩ〜ＩＩＩの数に応じて３ビットとする形態について説明したが、３の倍数としてもよいし、出力レベルの数又はその倍数としてもよい。

実施形態に係る無線通信装置の構成を概略的に示すブロック図である。 実施形態において、１シンボルで４ｂｉｔの情報を表す場合の、符号化データに応じた搬送波の出力電力及び位相変化を示す図表である。 搬送波のｃｏｓ成分をＩ軸、搬送波の−ｓｉｎ成分をＱ軸、搬送波の出力電力を電力軸として３次元マッピングしたコンスタレーションであり、（Ａ）は、図２に示す図表に従って変調された場合、（Ｂ）は１６ＱＡＭで変調された場合をそれぞれ示す。 実施形態に係るフレームフォーマットの一例を示す模式図である。 無線通信装置により送信された情報を受信する受信装置５０の構成を概略的に示すブロック図である。 復調処理回路の復調部の構成を概略的に示すブロック図である。 復号時における各平面のＲＳＳＩ値の決定及びデマッピングの手法に関する説明図である。 ４ｂｉｔのデータをＢＰＳＫ×８平面に変調した場合のコンスタレーションである。 他の形態に係る復調部の構成を概略的に示すブロック図である。 １シンボルで３ｂｉｔの情報を表す場合の、符号化データに応じた搬送波の出力電力及び位相変化を示す図表である。 ３ｂｉｔのデータを１シンボルで表す場合のコンスタレーションであり、（Ａ）はＲＳＳＩ軸を利用してＢＰＳＫ×４平面に変調した場合、（Ｂ）はＲＳＳＩ軸を利用してＱＰＳＫ×２平面に変調した場合、（Ｃ）は、８ＰＳＫで変調した場合をそれぞれ示す。

符号の説明

１０ 無線通信装置
１２ 符号化装置
１４ 変調装置
１６ フレーム構成部
１８ 送信装置
２０ アンテナ
２２ 搬送波生成部
２４ 変調部
２６ 位相変更部
２８ 電力調整部
４０Ｉ 平面
４０ 平面
４１ 付加ビット
４２ プリアンブル
４４ ヘッダ
４６ データ
５０ 受信装置
５２ アンテナ
５４ チューナ
５６ 復調処理回路
５８ デコーダ
６２ 同期確立部
６４ 復調部
６８ 誤り訂正部
７０ 搬送波生成部
７２ シフト器
７４ 乗算回路
７６ 符号判定回路
７８ 検出回路

Claims (4)

1. 予め設定された周波数の搬送波を生成する生成手段と、
   符号化された前記伝送対象となる情報を所定の情報量単位で取得する取得手段と、
   出力波の位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとを、前記取得手段を介して取得された情報が示す符号のパターンに応じて、それぞれ予め設定された複数の選択候補から１つずつ選択する選択手段と、
   前記選択手段により選択された位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとに応じて、前記生成手段により生成された前記搬送波を予め設定された単位期間毎に変調する変調手段と、
   を備えたデジタル変調装置。
2. 前記取得手段が取得する情報量をＮｂｉｔ（Ｎは自然数）とし、
   前記位相差についての前記選択候補として、「０」及び「π」を予め設定すると共に、前記出力電力レベルについての前記選択候補を２^Ｎ／２種類予め設定した請求項１記載のデジタル変調装置。
3. 前記変調手段により変調された出力波を、前記変調手段による変調方法に関する情報として、前記変調手段による前記位相差及び振幅の少なくとも一方と前記出力電力レベルとの選択候補を示す情報を示す変調波と共に無線送信する無線送信手段を更に備えた請求項１又は請求項２記載のデジタル変調装置。
4. 伝送対象となる情報を伝送するために生成された予め設定された周波数の搬送波を予め設定された単位期間に区切り、前記情報に応じて搬送波を単位期間毎に変調するデジタル変調方法であって、
   符号化された前記伝送対象となる情報を所定の情報量単位で取得し、
   出力波の位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとを、取得した情報が示す符号のパターンに応じて、それぞれ予め設定された複数の選択候補から１つずつ選択し、
   選択された位相差及び振幅の少なくとも一方と出力電力レベルとに応じて、前記搬送波を予め設定された単位期間毎に変調する
   デジタル変調方法。

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