JP2012244358A

JP2012244358A - 復調装置および通信装置

Info

Publication number: JP2012244358A
Application number: JP2011111699A
Authority: JP
Inventors: Akinori Nakajima; 昭範中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: JP5669668B2

Abstract

【課題】ガードインターバルを用いた周波数偏差補正の性能向上と演算量の削減を両立させた復調装置を得ること。
【解決手段】本発明は、ブロック伝送を適用し、変調シンボルに、周波数領域へ変換するための非データ系列が付加された信号を送受信する通信装置において、受信信号を復調する復調装置であって、受信信号の周波数偏差を非データ系列に基づいて補償するＡＦＣ部２と、ＡＦＣ部２により周波数偏差が補償された後の受信信号に残留している周波数偏差を周波数領域において補償するサブキャリアシフト補正部２１と、サブキャリアシフト補正部２１により周波数偏差が補償された後の受信信号を復調する検波部５と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、データ送信に用いる通信システムの受信側の通信装置が備えている復調装置に関する。

少なくとも１個対１個の通信装置が送受信する通信ケースでは、復調部にて発生するキャリア周波数偏差の対策として、自動周波数補正（ＡＦＣ：Automatic Frequency Control）を行うことが従来知られている。自動周波数補正では、パイロットあるいはプリアンブルを用いてキャリア周波数偏差の補正を行い、推定した周波数偏差を打ち消すために、受信信号に対して補正位相を乗算する。上記処理によりキャリア周波数偏差に対する耐性を持たせることにより、所望の通信品質を満たすシステムを達成することができる。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）等のブロック伝送では、パイロット／プリアンブルやガードインターバルを使用して周波数偏差が推定される。しかし、周波数偏差を補償するためにパイロット／プリアンブルを多くすると伝送効率に影響があるため、ガードインターバルを用いた周波数偏差補正が好ましい。しかし、この場合、サブキャリア間隔の半分以上の周波数偏差があると補正可能な偏差量を越えてしまうので特性が大幅に劣化してしまう。この課題に対し、非特許文献１では、差動変調を１次変調、ＯＦＤＭを２次変調とするＤＯＦＤＭシステムを対象として、前後のＯＦＤＭシンボルを用いて最尤規範に基づいた周波数偏差を推定・補正する方式が開示されている。

Zhiqiang Liu, Binwei Weng, and Qingyu Zhu, "Frequency Offset Estimation for Differential OFDM,"、IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL.4, NO.4, JULY 2005

しかしながら、上記非特許文献１で開示されている方式では、最尤規範に基づいて周波数偏差の推定・補正を行うため、演算量が多いという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガードインターバルを用いた周波数偏差補正の性能向上と演算量の削減を両立させた復調装置および通信装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ブロック伝送を適用し、変調シンボルに、周波数領域へ変換するための非データ系列が付加された信号を送受信する通信装置において、受信信号を復調する復調装置であって、受信信号の周波数偏差を前記非データ系列に基づいて補償する第１の補正手段と、前記第１の補正手段により周波数偏差が補償された後の受信信号に残留している周波数偏差を周波数領域において補償する第２の補正手段と、前記第２の補正手段により周波数偏差が補償された後の受信信号を復調する復調手段と、を備えることを特徴とする。なお、本明細書では、周波数領域へ変換するための非データ信号系列をガードインターバルと称することとする。

本発明によれば、ガードインターバルを利用して周波数偏差を補正するシステムにおいて、演算量の増加を抑えつつ周波数偏差補正の性能を向上させることができる、という効果を奏する。

図１は、従来の復調装置の構成例を示す図である。図２は、サブキャリア間隔の半分以上の周波数偏差が発生する場合の例を示す図である。図３は、本発明にかかる復調装置の構成例を示す図である。図４は、サブキャリアシフト補正部の構成例を示す図である。図５は、サブキャリアシフト検出部の動作を示す図である。図６は、サブキャリアシフト検出部の動作を示す図である。図７は、サブキャリアシフト検出部の動作を示す図である。図８は、離散的にスペクトルが配置された場合のサブキャリアシフト検出動作を示す図である。図９は、追従モードに対応するサブキャリアシフト補正部の構成例を示す図である。図１０は、ＡＦＣ部におけるＡＦＣ結果の一例を示す図である。図１１は、本発明にかかる復調装置の変形例を示す図である。図１２は、サブキャリアシフト補正部の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる復調装置および通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
まず、従来の復調装置におけるＡＦＣ動作とその問題点について、説明する。

既に説明したように、少なくとも１個対１個の通信装置が送受信する形態の通信システムにおいては、受信側の通信装置の復調装置では、発生するキャリア周波数偏差の対策としてＡＦＣを行う必要がある。また、送信フレームの設計の観点から、周波数偏差補正のためにパイロットやプリアンブルを余分に設定することは伝送効率の劣化を招く。そのため、ＯＦＤＭ等のブロック伝送ではガードインターバル（以下の説明においては「ＧＩ」と表現する場合もある）を活用して周波数偏差を補正することが望ましい。ガードインターバルを用いる周波数偏差補正を前提とする場合の復調装置の構成例を図１に示す。

図１に示した従来の復調装置は、シンボル同期部１、ＡＦＣ部２、ＧＩ除去部３、ＦＦＴ部４および検波部５を備えている。この図１では、ＯＦＤＭシンボルの構成例とＡＦＣ部２で実施する周波数偏差補正動作の概要についても併せて記載している。復調装置においては、まず、シンボル同期部１にてガードインターバル６を用いたシンボルタイミングを検出する。ここで、ガードインターバル６は、データ区間の後尾７をコピーしてＯＦＤＭシンボルの先頭に付加したものである。シンボル同期部１によるシンボルタイミング検出が終了すると、ＡＦＣ部２は、シンボルタイミングの検出結果に基づいて、ガードインターバル６を用いた周波数偏差補正を行う。具体的には、ＡＦＣ部２は、まず、相関処理８として、ガードインターバル６の受信サンプルを用いて、データ区間の後尾７の受信サンプルとの相関処理を、次式（１）のように行い、相関値Ｃを得る。

ここで、r(n,t)は第ｎＯＦＤＭシンボルにおける第ｔサンプルに相当し、Ｎ個のＯＦＤＭシンボルを１ブロックとしている。Ｎ_FFTはＦＦＴサンプル数，Ｎ_GIはガードインターバル区間のサンプル数に対応する。そして、位相補正量推定処理９として、次式（２）に従って位相補正量θ(t)を推定する。

さらに、位相補正処理１０として、次式（３）に示した処理を実行し、各受信サンプルの位相補正後のサンプルである補正受信サンプルｒ'(t)を得る。

以上のＡＦＣ部２による周波数偏差の補正処理が終了すると、ＧＩ除去部３がシンボルタイミングに基づいてガードインターバルを取り除き、次にＦＦＴ部４が高速フーリエ変換を実施して周波数領域の受信信号を得る。最後に、検波部５が各サブキャリアに対して同期検波あるいは遅延検波を行って信号を復調する。

このシステムにおいては、サブキャリア間隔の半分以上の周波数偏差が発生すると、補正可能な偏差量を越えてしまい、特性が大幅に劣化してしまう。この理由について、図２を参照しながら説明する。ガードインターバルを用いる周波数偏差補正における補正可能範囲は、中心周波数１３からサブキャリア間隔の半分の周波数までであり、周波数偏差（周波数オフセット１４）がサブキャリア間隔の半分以上となった場合は、最近接の位置にあるサブキャリア（中心周波数１５のサブキャリア）に対して周波数補正が行われ、上記サブキャリアへの周波数引き込みが行われることになる。すなわち、本来位置すべき中心周波数１６ではなく、中心周波数１５に引き込みが行われた結果、サブキャリアシフト（サブキャリアの位相偏差）が観測される。

非特許文献１に記載されている方式では、差動変調を１次変調、ＯＦＤＭを２次変調とするＤＯＦＤＭシステムを対象として、前後のＯＦＤＭシンボルを用いて最尤規範に基づいて周波数偏差を推定するが、この方式では、最尤規範に基づいていることから演算量が多い。そのため、低演算量にてサブキャリア間隔の半分以上の周波数偏差を補正可能な方式の実現が期待されており、本発明では、上記離散的シフトを簡易かつ効率的に検出・補正できるようにしている。また、周波数偏差カバレッジを拡大できるようにしている。

以下、本実施の形態の復調装置について、詳しく説明する。なお、図１に示した従来の復調装置と共通する部分については説明を省略する。

図３は、本発明にかかる復調装置の構成例を示す図である。図３に示した復調装置は、図１に示した復調装置に対してサブキャリアシフト補正部２１を追加した構成をとり、このサブキャリアシフト補正部２１以外の各構成要素の動作は図１の復調装置と同様である。そのため、ここでは、サブキャリアシフト補正部２１の動作について説明する。

＜１＞電力累積値によるサブキャリアシフト検出と検出したシフト量に基づく位相補正
図示したように、本実施の形態の復調装置が備えているサブキャリアシフト補正部２１は、ＦＦＴ部４と検波部５の間に配置されており、詳細については後述するが、広範な周波数カバレッジを実現する。図４は、このサブキャリアシフト補正部２１の構成図であり、サブキャリアシフト補正部２１は、サブキャリアシフト検出部２１１および位相補正部２１２で構成されている。ＦＦＴ部４からの出力Ｒ(n,k)がサブキャリアシフト検出部２１１および位相補正部２１２に入力され、周波数領域において位相補正を実施する。

図５および図６は、サブキャリアシフト検出部２１１の動作を示す図である。図示したように、サブキャリアシフト検出部２１１では、既知のパラメータであるデータサブキャリアの数をサブキャリアシフト検出するための窓範囲３２に設定する。そして、処理３３において、ＦＦＴ後のサブキャリア信号に対して電力値を算出・累積加算し、次式（４）で示される電力累積値ＣＰ(ｓ)を得る。

式（４）において、Ｎ_subは窓範囲に相当する。ｓは窓範囲内において最低周波数となるサブキャリアインデックスである。上記処理を、ＦＦＴ窓３１を対象としてスライディング処理する。スライディング処理後はＣＰ(ｓ)が最大となるｓがデータサブキャリアの最低周波数に対応するため、得られた電力累積値ＣＰ(ｓ)が最大値を取るサブキャリアインデックスｐ_estを探索する。この処理は式（５）で示される。

次に、算出した電力累積値の系列４２のピーク位置４４（上記Ｐ_est）と周波数偏差が完全に補正された場合の本来あるべき電力累積値の系列４１から得られるピーク位置４３（Ｐ_orgとする）との位置比較を行い、次式（６）に示したように差分Ｓｕｂ_diffを算出する。Ｓｕｂ_diff≠０の場合はサブキャリアシフトが発生していることになる。

位相補正部２１２では、サブキャリアシフト検出部２１１においてサブキャリアシフトが検出された場合、サブキャリアシフト検出部２１１にて得られた差分、すなわちサブキャリアのシフト量Ｓｕｂ_diffに基づいて周波数偏差補正を行う。具体的には、シフト量Ｓｕｂ_diffから補正すべき周波数偏差量を算出して、周波数領域にて位相補償を行う。第ｎＯＦＤＭシンボルに対して補正する位相量θ(ｎ)は次式（７）を使用する。

上記動作によれば、推定した周波数偏差補正を時間領域で行うことなく、ＦＦＴ適用後の受信信号に対して同一の位相量を与えることにより、ＯＦＤＭシンボル間で生じていた位相差を打ち消すことができ、少ない演算量で周波数偏差の補正が可能である。また、ガードインターバルを用いる周波数偏差補正を前提とし、周波数カバレッジを拡大させたい場合は、上記のサブキャリアシフト補正器をＦＦＴの後段に接続するだけで、簡易に要求条件を満たすことができる。

上記のサブキャリアシフト補正部２１は、パイロットサブキャリアが挿入されているシステムにおいても活用が可能であり、パイロットサブキャリアやプリアンブルによる補正を併用しても良い。使用するフィルタ形状やスペクトル形状に合わせたサブキャリアシフト検出も実施可能である。例えば図７に示したように、サブキャリアシフト検出部２１１は、帯域制限されたシングルキャリアスペクトル６１に対し、各ＦＦＴポイントにおける電力を算出した後、フィルタ形状に合わせた重み（重み付け係数６３）を各電力値に乗算する処理６２を実施することにより、より正確なサブキャリアシフトを検出することができる。

また、スペクトル形状に関しては、図８に示したような、スペクトルが分割されて離散的に分割スペクトル７１および７２が配置された場合、１つ以上のサブキャリアシフト検出部によって、サブキャリアシフトを検出することができる。例えば、離散的に配置された位置の情報に基づき電力累積値の計算処理７３を行い、離散配置したスペクトルの全体のシフトを検出しても良い。ただし、複数の送信機から離散的なスペクトルが多重送信された場合、単純な電力累積値による検出は精度が大幅に劣化する。そのような場合には、サブキャリアシフト検出部を複数準備し、各送信機は周波数軸上で互いに異なる符号を乗算して送信を行えば、この符号を活用して、１つ以上のサブキャリアシフト検出部を用いることで、各々のサブキャリア位置とサブキャリアシフトを検出することができる。

＜２＞サブキャリアシフト検出の精度向上と処理量削減
特定の状況でない限りは、キャリア周波数偏差は、一度サブキャリアシフトを算出すればよく、頻繁に大きくサブキャリアシフトが変化するわけではない。この性質を利用すれば、一度サブキャリアシフトを算出した後は、電力累積値のピークが現れたサブキャリアの周辺のサブキャリアを対象としてシフト検出すれば良く、演算量を削減することができる。ここで、削減した処理モードを追従モードと称する。図９は、追従モードに対応するサブキャリアシフト補正部２１ａの構成例を示す図であり、図４に示したサブキャリアシフト補正部２１に対して窓範囲制御部２１３を追加して実現される。追従モードでは、窓範囲制御部２１３が、状況（サブキャリアシフト検出部２１１から取得した、過去の電力累積値のピーク位置）に応じて窓範囲を設定することにより、性能劣化を抑えつつ、低演算量でサブキャリアシフト量を求めることができる。その際、過去に求めた累積電力値を、次式（８）のように活用すれば、雑音に対する耐性を持つことができ、サブキャリアシフト誤検出の確率を低減することができる。

ここで、αは忘却定数である。忘却係数αを大きくすれば、現在求めた値の影響が大きくなり、忘却係数を小さく設定すれば、過去に求めた値の影響が大きくなる。忘却係数を小さく設定することで、平均化効果により雑音耐性が向上するが、追従性は劣化する。上記性質により以下に示すような課題が生じる。

キャリア周波数偏差がサブキャリア間隔の半分付近となる場合、上記追従モードをそのまま採用すると、サブキャリアシフトが生じても、時定数の値によっては直ぐに検出することができず、正確なシフト検出ができない間は誤りが大幅に生じる課題が発生する。

上記課題については、前段（ＡＦＣ部２）で実行される推定結果を参照しながら、サブキャリアシフト検出用の累積電力値を更新することにより解決することができる。キャリア周波数偏差がサブキャリア間隔の半分付近となる場合には、ＡＦＣの結果に依存して、電力累積値のピークが瞬時的に前後する現象が生じる。この場合、ＡＦＣの結果は図１０に示したように、ＡＦＣにて補正可能な周波数偏差範囲の限界付近となるため、ＡＦＣ部２の出力値（ＡＦＣ結果）は、絶対値が大きく、かつ正負の反転を繰り返すことになる。すなわち、ＡＦＣ部２において時刻（ｎ−１）に算出した複素周波数偏差９１（Ｃ(n-1)）と、次の時刻ｎに算出した複素周波数偏差９２（Ｃ(n)）との関係が図１０に示したものとなり、位相を算出する際に正負の反転が観測されることになる。この性質を利用し、過去のＡＦＣ結果と現在求めたＡＦＣ結果（最新のＡＦＣ結果）に基づいて、過去の時刻（例えば初期補足完了時刻）と現在時刻でサブキャリアシフト変動の発生有無を判断し、判断結果に応じた処理を実施することにより、上記の課題を解決できる。

具体的には、図１１に示したように、過去のＡＦＣ結果と最新のＡＦＣ結果に基づいて、過去の時刻と現在時刻でサブキャリアシフト変動が発生しているかどうかを判断する瞬時サブキャリアシフト判定部１００を用意し、瞬時サブキャリアシフト判定部１００の結果（サブキャリアシフト変動の発生有無）をサブキャリアシフト補正部２１ｂに入力する。サブキャリアシフト補正部２１ｂでは、図１２に示したように、サブキャリアシフト変動の発生有無を示す上記判定結果（瞬時サブキャリアシフト判定結果１１０）をサブキャリアシフト検出部２１１ｂおよび位相補正部２１２ｂに入力する。

サブキャリアシフト検出部２１１ｂは、入力された判定結果を勘案した電力累積値の更新を実施する。例えば、次式（９）に示したように、ＡＦＣ結果の正負が過去と現在（前回と今回）で反転した場合、過去のサブキャリア位置を基準として、その１つ前の時刻の電力累積値の系列と現在求めた電力累積値の合成系列のピークを探索してサブキャリアのシフト量を求める。

位相補正部２１２ｂは、入力された判定結果とサブキャリアシフト検出部２１１ｂが求めたシフト量とに基づいて、ＦＦＴ部４から入力された信号の位相補正を行う。瞬時サブキャリアシフトの発生が検出された場合には、この検出結果を考慮して位相補正を行う。

上記の手法によれば、瞬時的なサブキャリアシフトによる大幅な誤り劣化を防ぐことができるとともに、サブキャリアシフト補正の追従性と雑音耐性の両方を向上させることができる。

＜サブキャリアシフト検出法及び標本値＞
上記のサブキャリアシフト検出処理においては、電力累積値に基づいてピーク検出を行ったが、シフト検出（ピーク検出）の基準となる数値は電力累積値に限らない。例えば、次式（１０）に示したように、周波数領域にて各サブキャリアで２逓倍あるいは４逓倍の結果の累積値をピーク探索に用いても良い。

あるいは、周波数領域に対して、ある１つ以上の符号系列を用いる伝送系を対象とする場合、次式（１１）に示したように、その符号系列を元にピークを検出することもできる。なお、ｃ_m(s)は第ｍ番の符号系列に対応する。

また、復調前のサブキャリアの受信信号に対し電力算出する方法に限らず、遅延検波あるいは同期検波等の復調処理を実行してから、尤度や電力を算出して、上記の各々の累積値あるいは２つの累積値の組み合わせにてサブキャリアシフト検出を実施してもよく、次式のように尤度算出してもよい。次式（１２）において、Ｒ'(n,k)は検波後の受信信号，Ｈ(n,k)は電力込みの等価チャネル利得，“＾”を付したｄ_c(n,k)は、Ｃ個ある送信信号点のうち第ｃ番目の候補点に相当する。

これを累積し、尤度が最小となるサブキャリア位置と本来最小となるサブキャリア位置との差分から補正しても良い。

このように、本実施の形態の復調装置では、受信信号に対してＧＩによる周波数補正を実施後、ＦＦＴを実行して周波数領域の信号に変換し、周波数領域において、連続する所定数（データ伝送に使用されているサブキャリア数と同数）のサブキャリア信号の電力累積値を求める処理を、対象範囲を変更（スライディング）しながら全帯域または一部の帯域にわたって実行して電力累積値のピーク位置を求め、この求めたピーク位置と、周波数偏差が存在していない理想的な受信信号に対して同様の処理を実施した場合に得られるピーク位置との比較結果に基づいて、サブキャリアのシフト量を算出し、このシフト量に相当する周波数偏差量を求めて周波数偏差を補正することとした。また、過去にシフト量を算出済みの場合には、算出する際に検出した電力累積値のピーク位置の周辺を対象として、電力累積値を求めることとした。これにより、ガードインターバルを利用して周波数偏差を補正するシステムにおいて、演算量の増加を抑えつつ周波数偏差補正の性能を向上させることができる。

なお、上述したサブキャリアシフト補正処理はＯＦＤＭ伝送に限られたものではなく、ブロック伝送全般に活用可能であり、シングルキャリア伝送でも利用できる。

また、本発明は、上記の実施の形態に制限されるものではない。実施段階では、上記内容の予測可能な範囲内での変形が可能である。また、無線通信に制限されず、光通信などの有線通信においても適用可能である。

以上のように、本発明にかかる復調装置は、ブロック伝送を行う通信システムに有用である。

１シンボル同期部
２ＡＦＣ部
３ＧＩ除去部
４ＦＦＴ部
５検波部
２１，２１ｂサブキャリアシフト補正部
１００瞬時サブキャリアシフト判定部
２１１，２１１ｂサブキャリアシフト検出部
２１２，２１２ｂ位相補正部
２１３窓範囲制御部

Claims

ブロック伝送を適用し、変調シンボルに、周波数領域へ変換するための非データ系列が付加された信号を送受信する通信装置において、受信信号を復調する復調装置であって、
受信信号の周波数偏差を前記非データ系列に基づいて補償する第１の補正手段と、
前記第１の補正手段により周波数偏差が補償された後の受信信号に残留している周波数偏差を周波数領域において補償する第２の補正手段と、
前記第２の補正手段により周波数偏差が補償された後の受信信号を復調する復調手段と、
を備えることを特徴とする復調装置。
前記第２の補正手段は、
周波数軸上の各信号の電力値に基づいて、当該各信号の位相偏差を推定する位相偏差推定手段と、
前記位相偏差を補償する位相補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の復調装置。
前記位相偏差推定手段は、
受信信号に含まれるデータサブキャリアの数と同数の信号を対象として各信号の電力値を累積する処理を、対象範囲を変更しながら実行して電力値の累積結果が最大となる周波数を求め、当該求めた周波数であるピーク周波数と、前記第１の補正手段により周波数偏差が補償された後の受信信号に周波数偏差が残留していない場合におけるピーク周波数とに基づいて前記位相偏差を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の復調装置。
前記位相偏差推定手段は、
データサブキャリアの周波数軸上における配置が離散的である場合、当該配置に基づいて、前記電力値を累積する処理の対象とする信号を設定する
ことを特徴とする請求項３に記載の復調装置。
前記電力値を累積する処理の実行範囲を前記周波数偏差算出手段に対して指示する実行範囲制御手段、
をさらに備えることを特徴とする請求項３または４に記載の復調装置。
前記実行範囲制御手段は、
前記位相偏差推定手段が過去に求めたピーク周波数およびその近辺の周波数を前記実行範囲に設定する
ことを特徴とする請求項５に記載の復調装置。
前記第１の補正手段による周波数偏差補償処理で算出された位相補正量に基づいて、前記第１の補正手段により周波数偏差が補償された後の受信信号に、過去の結果とは異なる周波数偏差が残存しているかどうかを判断する判断手段、
をさらに備え、
前記位相偏差推定手段は、周波数軸上の各信号の電力値、および前記判断手段による判断結果に基づいて、周波数軸上の各信号の位相偏差を算出し、
前記位相補正手段は、前記判断手段による判断結果に基づいて前記位相偏差を補償する
ことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の復調装置。
前記判断手段は、前記位相補正量が算出された場合、過去に算出された位相補正量と比較を行い、双方の位相補正量の絶対値が大きく、かつ符号が異なる場合に補正すべき周波数偏差が過去と現在で異なっていると判断する
ことを特徴とする請求項７に記載の復調装置。
請求項１〜８のいずれか一つに記載の復調装置を備えることを特徴とする通信装置。