JP2013236350A - 受信装置および受信方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】受信側でサブ変調信号の周波数誤差を補償して歪みのない変調信号を合成し、信号伝送特性を改善する。
【解決手段】送信側において変調信号を周波数軸上で重畳域を有する複数の帯域に分割して複数Ｎのサブ変調信号を生成し、各サブ変調信号を互いに不連続な帯域に周波数シフトして送信し、受信側において受信信号から複数Ｎのサブ変調信号を抽出し、各サブ変調信号の帯域を送信側の周波数シフト前の帯域に戻して合成した変調信号を復調する無線通信システムの受信装置において、受信信号から抽出して周波数シフトした複数Ｎのサブ変調信号のうち、重畳域にあるサブ変調信号ｋの高周波数側の信号電力と、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力との差分を受信信号の周波数誤差成分として検出し、当該周波数誤差成分が最小になるように受信信号の周波数誤差を補償する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、送信装置から周波数帯域を分割して送信された信号を受信し、帯域合成して復調処理を行う受信装置および受信方法に関する。
図７は、送信装置の構成例を示す（非特許文献１参照) 。
図７において、送信装置は、変調回路１と送信フィルタバンク１０を備える。変調回路１は、送信するデータ信号をＱＰＳＫなどの変調方式で変調し、波形整形した変調信号を送信フィルタバンク１０に入力する。
送信フィルタバンク１０は、直並列変換回路１１、ＦＦＴ（高速フーリエ変換) 回路１２、分割回路１３、周波数シフタ１４1 〜１４N （Ｎは２以上の整数）、加算回路１５、ＩＦＦＴ（高速逆フーリエ変換) 回路１６、並直列変換回路１７を備え、変調信号の帯域をＮ分割して送信する構成である。変調信号の帯域を３分割（Ｎ＝３）する例を図９に示す。
送信フィルタバンク１０の直並列変換回路１１は変調信号を直並列変換し、ＦＦＴ回路１２で高速フーリエ変換し、時間領域の信号から周波数領域の信号へ変換する。分割回路１３は、周波数領域に変換された変調信号に対して、図９(a) の破線で示す信号帯域をＮ分割する分割係数を周波数ごとに乗算し、図９(b) に示すＮ個のサブ変調信号１〜Ｎを生成する。周波数シフタ１４1 〜１４N は、サブ変調信号１〜Ｎを周波数軸上の所望の帯域に分散配置し、加算回路１５で足し合わせることにより、図９(c) に示すような分散配置されたサブ変調信号が生成される。この分散配置後の送信サブ変調信号は、ＩＦＦＴ回路１６で高速逆フーリエ変換により周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換され、並直列変換回路１７で並直列変換して出力される。
図８は、受信装置の構成例を示す（非特許文献１参照) 。
図８において、受信装置は、受信フィルタバンク２０と復調回路２を備える。受信フィルタバンク２０は、直並列変換回路２１、ＦＦＴ回路２２、抽出回路２３、周波数シフタ２４1 〜２４N 、加算回路２５、ＩＦＦＴ回路２６、並直列変換回路２７を備え、帯域をＮ分割されたサブ変調信号を分割前の変調信号に合成する構成である。帯域が３分割（Ｎ＝３）された変調信号を合成する例を図１０に示す。
受信フィルタバンク２０の直並列変換回路２１は受信信号を直並列変換し、ＦＦＴ回路２２で高速フーリエ変換し、時間領域の信号から周波数領域の受信信号へ変換する。抽出回路２３は、周波数領域に変換された受信信号に対して、図１０(a) の破線で示す抽出係数を周波数ごとに乗算し、送信側で周波数シフトされたサブ変調信号１〜Ｎを抽出する。周波数シフタ２４1 〜２４N は、図１０(b) に示すように、受信サブ変調信号１〜Ｎを送信側で周波数シフトされる前の帯域に戻し、加算回路２５で足し合わせることにより、図１０(c) に示すような合成された変調信号が生成される。この合成後の変調信号は、ＩＦＦＴ回路２６で高速逆フーリエ変換により周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換され、並直列変換回路２７で並直列変換して出力される。復調回路２は受信フィルタバンク２０から出力された変調信号を復調し、送信装置から送信されたデータ信号を復元する。
このような送信装置および受信装置を用いることにより、変調信号の占有帯域を分割して生成された各サブ変調信号を周波数軸上の任意の場所に分散配置できるため、不連続な空き周波数帯域等を有効利用することができる。
阿部、山下、小林、"スペクトラム編集技術を用いた帯域分散伝送の提案"、電子情報通信学会ソサイエティ大会 B-3-11 2009年９月
一般に、通信システムにおける送信装置、中継装置、受信装置の周波数変換部で使用する基準信号発生器の周波数精度により、周波数変換後の信号に周波数誤差が生じる。このため、一般の通信システムでは、受信装置において周波数誤差を補償した上で復調処理が行われる。
ここで、図８の受信装置で帯域分割して伝送されたサブ変調信号を合成する際に生じる信号の歪みについて、図１１を参照して説明する。受信信号に周波数誤差Δf が生じると、図１１(a) に示すように受信サブ変調信号と抽出係数の帯域が異なる。このため、図１１(b),(c) に示すように、抽出後および周波数シフト後の受信サブ変調信号の一部の帯域が削られ、図１１(d) に示すように、合成後の変調信号に歪みが生じて伝送特性が劣化する。
本発明は、受信側でサブ変調信号の周波数誤差を補償して歪みのない変調信号を合成し、信号伝送特性を改善することができる受信装置および受信方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、送信側において変調信号を周波数軸上で重畳域を有する複数の帯域に分割して複数Ｎのサブ変調信号を生成し、各サブ変調信号を互いに不連続な帯域に周波数シフトして送信し、受信側において受信信号から複数Ｎのサブ変調信号を抽出し、各サブ変調信号の帯域を送信側の周波数シフト前の帯域に戻して合成した変調信号を復調する無線通信システムの受信装置において、受信信号から抽出して周波数シフトした複数Ｎのサブ変調信号のうち、重畳域にあるサブ変調信号ｋ（ｋは１〜Ｎ−１の整数）の高周波数側の信号電力と、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力との差分を受信信号の周波数誤差成分として検出し、当該周波数誤差成分が最小になるように受信信号の周波数誤差を補償する周波数誤差補償回路を備える。
第１の発明の受信装置において、周波数誤差補償回路は、サブ変調信号ｋとサブ変調信号ｋ＋１から得られるＮ−１個の周波数誤差成分の１つ以上を抽出して平滑化し、受信信号の周波数誤差成分として検出する構成である。
第１の発明の受信装置において、周波数誤差補償回路は、サブ変調信号ｋの高周波数側の信号電力を平滑化し、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力を平滑化し、それぞれ平滑化した信号電力の差分を受信信号の周波数誤差成分として検出する構成である。
第１の発明の受信装置において、周波数誤差補償回路は、サブ変調信号１〜Ｎ−１の高周波数側の信号電力を加算平均し、サブ変調信号２〜Ｎの低周波数側の信号電力を加算平均し、それぞれ加算平均した信号電力を平滑化して差分をとり、受信信号の周波数誤差成分として検出する構成である。
第２の発明は、送信側において変調信号を周波数軸上で重畳域を有する複数の帯域に分割して複数Ｎのサブ変調信号を生成し、各サブ変調信号を互いに不連続な帯域に周波数シフトして送信し、受信側において受信信号から複数Ｎのサブ変調信号を抽出し、各サブ変調信号の帯域を送信側の周波数シフト前の帯域に戻して合成した変調信号を復調する無線通信システムの受信方法において、受信信号から抽出して周波数シフトした複数Ｎのサブ変調信号のうち、重畳域にあるサブ変調信号ｋ（ｋは１〜Ｎ−１の整数）の高周波数側の信号電力と、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力との差分を受信信号の周波数誤差成分として検出する周波数誤差補償回路を備え、当該周波数誤差成分が最小になるように受信信号の周波数誤差を補償する。
第２の発明の受信方法において、周波数誤差補償回路は、サブ変調信号ｋとサブ変調信号ｋ＋１から得られるＮ−１個の周波数誤差成分の１つ以上を抽出して平滑化し、受信信号の周波数誤差成分として検出する。
第２の発明の受信方法において、周波数誤差補償回路は、サブ変調信号ｋの高周波数側の信号電力を平滑化し、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力を平滑化し、それぞれ平滑化した信号電力の差分を受信信号の周波数誤差成分として検出する。
第２の発明の受信方法において、周波数誤差補償回路は、サブ変調信号１〜Ｎ−１の高周波数側の信号電力を加算平均し、サブ変調信号２〜Ｎの低周波数側の信号電力を加算平均し、それぞれ加算平均した信号電力を平滑化して差分をとり、受信信号の周波数誤差成分として検出する。
本発明は、複数の帯域に分割して送信された各サブ変調信号を合成する前に、重畳域にあるサブ変調信号ｋの高周波数側の信号電力と、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力との差分が最小になるように、受信信号の周波数誤差を補償することができるので、信号伝送特性を改善することができる。また、本発明では、特別なパイロット信号やフレームフォーマットが不要なため、伝送効率を低下させるためなく信号伝送特性の改善が可能である。
本発明の受信装置の実施例１の構成を示す図である。 本発明における周波数誤差検出メカニズム１を説明する図である。 本発明における周波数誤差検出メカニズム２を説明する図である。 本発明における周波数誤差補償アルゴリズムを説明する図である。 本発明の受信装置の実施例２の構成を示す図である。 本発明の受信装置の実施例３の構成を示す図である。 送信装置の構成例を示す図である。 受信装置の構成例を示す図である。 送信装置における帯域分割を説明する図である。 受信装置における帯域合成を説明する図である。 受信サブ変調信号の周波数誤差による歪みを説明する図である。
図１は、本発明の受信装置の実施例１の構成を示す。
図１において、受信装置は、受信フィルタバンク２０、復調回路２、周波数誤差補償回路３０Ａを備える。受信フィルタバンク２０を構成する直並列変換回路２１、ＦＦＴ回路２２、抽出回路２３、周波数シフタ２４1 〜２４N 、加算回路２５、ＩＦＦＴ回路２６、並直列変換回路２７は、図８に示す従来の受信装置と同様の機能を有する。周波数誤差補償回路３０Ａは、（Ｎ−１）個の差分検出回路３１1 〜３１N-1 、補償基準値生成回路３２、ループフィルタ３３、積分器３４、可変発振器３５、乗算回路３６により構成される。
受信フィルタバンク２０の抽出回路２３および周波数シフタ２４1 〜２４N を介して送信側の周波数シフト前の帯域に戻された各サブ変調信号は、加算回路２５に入力されるとともに、分岐して周波数誤差補償回路３０Ａの差分検出回路３１1 〜３１N-1 に入力される。差分検出回路３１1 は、隣接する周波数シフタ２４1 ，２４2 から出力されるサブ変調信号を入力し、以下同様に、差分検出回路３１N-1 は、隣接する周波数シフタ２４N-1 ，２４N から出力されるサブ変調信号を入力する。
ここで、差分検出器３１1 〜３１N-1 を用いて受信信号の周波数誤差を検出するメカニズムについて、図２および図３を参照して説明する。
図２(a) は、送信フィルタバンクで分割前の変調信号である（図９(a) と同じ）。分割回路において、破線で示す分割係数で帯域を分割するが、隣接する分割係数に重畳域が存在し、重畳域の積分値（面積）は互いに等しい関係にある。このため、当該重畳域におけるサブ変調信号の電力の時間平均値も互いに等しくなる。例えば、図２(b) に示すサブ変調信号１の高周波数側の重畳域ｂの信号電力Ｓb1と、図２(c) に示すサブ変調信号２の低周波数側の重畳域ａの信号電力Ｓa2は、互いに等しい関係にある。すなわち、重畳域におけるサブ変調信号ｋ（ｋは１〜Ｎ−１）の低周波数側の信号電力Ｓak、高周波数側の信号電力Ｓbkとすると、
Ｓbk＝Ｓa(k+1)
の関係にある。なお、サブ変調信号ｋの高周波数側の重畳域ｂと、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の重畳域ａは、共通の帯域である。
ここで、受信信号に周波数誤差Δf が生じると、図３(a) に示すように受信サブ変調信号と抽出係数の帯域に周波数誤差Δｆが生じる。このため、図３(b) 〜(d) に示すように、抽出後および周波数シフト後の受信サブ変調信号の一部の帯域が削られる。この結果、周波数誤差Δｆがない場合にＳbk＝Ｓa(k+1)であった関係が崩れ、ＳbkとＳa(k+1)に差が生じる。図１に示す差分検出回路３１k は、サブ変調信号ｋの重畳域ｂ（高周波数側）の信号電力Ｓbkと、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の重畳域ａ（低周波数側）の信号電力Ｓa(k+1)との差分を受信信号の周波数誤差成分として検出する機能を有する。
各差分検出回路３１1 〜３１N-1 の出力は補償基準値生成回路３２に入力され、補償基準値生成回路３２で差分検出回路３１1 〜３１N-1 の各出力から１つ以上の周波数誤差成分を抽出し、抽出した周波数誤差成分間で平滑化し、さらに時間軸方向でも平滑化した補償基準値を生成してループフィルタ３３に入力する。ループフィルタ３３は、補償基準値にループゲインを乗算して積分器３４に入力する。積分器３４は、ループフィルタ３３の出力値を積算し、その結果を可変発振器３５に入力して発振周波数を制御し、乗算回路３６に入力する周波数誤差補償値を生成する。乗算回路３６は、この周波数誤差補償値を用いて受信信号の周波数誤差を補償し、受信フィルタバンク２０に入力する。
図４は、本発明における周波数誤差補償アルゴリズムを示す。
図４(a) は、受信フィルタバンク２０の抽出回路２３で抽出前の受信サブ変調信号であり、受信サブ変調信号と抽出係数の帯域に周波数誤差Δｆが生じている状態を示す。周波数誤差補償回路３０Ａは、この周波数誤差Δｆを補償する周波数誤差補償値Δｆest を図２および図３で説明したメカニズムで生成し、乗算回路３６で受信信号の周波数誤差Δｆを補償することにより、図４(b) に示す周波数誤差補償後の受信サブ変調信号が得られる。これを抽出回路２３でそれぞれの抽出係数で抽出し、周波数シフタ２４1 〜２４N で周波数シフトすることにより図４(c) に示すサブ変調信号が得られ、これを加算回路２５で合成することにより、図４(d) に示す歪みのない変調信号が生成される。
図５は、本発明の受信装置の実施例２の構成を示す。
図５において、受信装置は、受信フィルタバンク２０、復調回路２、周波数誤差補償回路３０Ｂを備える。本実施例の周波数誤差補償回路３０Ｂは、差分検出回路３１k （ｋは１〜Ｎ−１）の前段に、サブ変調信号ｋの重畳域ｂ（高周波数側）の信号電力Ｓbkを平滑する重畳域ｂ平滑化回路３７bkと、隣接するサブ変調信号ｋ＋１の重畳域ａ（低周波数側）の信号電力Ｓa(k+1)を平滑する重畳域ａ平滑化回路３７ak+1を配置し、それぞれ時間軸方向に平滑化した上で差分検出回路３１k に入力し、隣接するサブ変調信号間で共通する重畳域ｂ，ａにおける信号電力の差分を検出する。その他の構成および機能は、図１に示す実施例１と同様である。この平滑化処理により雑音成分が低減され、周波数誤差補償精度を向上させることができる。
図６は、本発明の受信装置の実施例３の構成を示す。
図６において、受信装置は、受信フィルタバンク２０、復調回路２、周波数誤差補償回路３０Ｃを備える。本実施例の周波数誤差補償回路３０Ｃは、周波数シフタ２４1 〜２４N-1 から出力されるサブ変調信号１〜Ｎ−１の重畳域ｂ（高周波数側）の信号電力Ｓb1〜ＳbN-1を入力する重畳域ｂ加算回路３８ｂと、周波数シフタ２４2 〜２４N から出力されるサブ変調信号２〜Ｎの重畳域ａ（低周波数側）の信号電力Ｓb2〜ＳbNを入力する重畳域ａ加算回路３８ａを配置し、それぞれ加算平均した上で時間軸方向に平滑化して１つの差分検出回路３１に入力し、隣接するサブ変調信号間で共通する重畳域ｂ，ａにおける信号電力の差分を検出する。その他の構成および機能は、図１に示す実施例１と同様である。この加算平均および平滑化処理により雑音成分が低減され、周波数誤差補償精度を向上させることができる。
なお、本発明の周波数誤差補償アルゴリズムでは、特別なパイロット信号やフレームフォーマットが不要なため、伝送効率を低下させることなく受信信号の周波数誤差を補償して信号伝送特性を改善することができる。
また、連続信号を処理する受信フィルタバンク２０としてオーバーラップ加算を用いる構成とした場合、オーバーラップ加算を行う２つのＦＦＴ回路のそれぞれにおいて生成したサブ変調信号から周波数誤差補償値を算出してもよい。また、一方のＦＦＴ回路で生成したサブ変調信号から算出した周波数誤差補償値を２つのＦＦＴ回路で共有する構成でもよい。
１ 変調回路
２ 復調回路
１０ 送信フィルタバンク
１１ 直並列変換回路
１２ ＦＦＴ回路
１３ 分割回路
１４1 〜１４N 周波数シフタ
１５ 加算回路
１６ ＩＦＦＴ回路
１７ 並直列変換回路
２０ 受信フィルタバンク
２１ 直並列変換回路
２２ ＦＦＴ回路
２３ 抽出回路
２４1 〜２４N 周波数シフタ
２５ 加算回路
２６ ＩＦＦＴ回路
２７ 並直列変換回路
２８1 〜２８N 乗算回路
２９ 振幅補償回路
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 周波数誤差補償回路
３１1 〜３１N-1 差分検出回路
３２ 補償基準値生成回路
３３ ループフィルタ
３４ 積分器
３５ 可変発振器
３６ 乗算回路
３７a2〜３７aN 重畳域ａ平滑化回路
３７b1〜３７bN-1 重畳域ｂ平滑化回路
３８ａ 重畳域ａ加算回路
３８ｂ 重畳域ｂ加算回路

Claims (8)

  1. 送信側において変調信号を周波数軸上で重畳域を有する複数の帯域に分割して複数Ｎのサブ変調信号を生成し、各サブ変調信号を互いに不連続な帯域に周波数シフトして送信し、受信側において受信信号から複数Ｎのサブ変調信号を抽出し、各サブ変調信号の帯域を送信側の周波数シフト前の帯域に戻して合成した変調信号を復調する無線通信システムの受信装置において、
    前記受信信号から抽出して周波数シフトした前記複数Ｎのサブ変調信号のうち、前記重畳域にあるサブ変調信号ｋ（ｋは１〜Ｎ−１の整数）の高周波数側の信号電力と、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力との差分を前記受信信号の周波数誤差成分として検出し、当該周波数誤差成分が最小になるように前記受信信号の周波数誤差を補償する周波数誤差補償回路を備えた
    ことを特徴とする受信装置。
  2. 請求項１に記載の受信装置において、
    前記周波数誤差補償回路は、前記サブ変調信号ｋと前記サブ変調信号ｋ＋１から得られるＮ−１個の周波数誤差成分の１つ以上を抽出して平滑化し、前記受信信号の周波数誤差成分として検出する構成である
    ことを特徴とする受信装置。
  3. 請求項１に記載の受信装置において、
    前記周波数誤差補償回路は、前記サブ変調信号ｋの高周波数側の信号電力を平滑化し、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力を平滑化し、それぞれ平滑化した信号電力の差分を前記受信信号の周波数誤差成分として検出する構成である
    ことを特徴とする受信装置。
  4. 請求項１に記載の受信装置において、
    前記周波数誤差補償回路は、前記サブ変調信号１〜Ｎ−１の高周波数側の信号電力を加算平均し、前記サブ変調信号２〜Ｎの低周波数側の信号電力を加算平均し、それぞれ加算平均した信号電力を平滑化して差分をとり、前記受信信号の周波数誤差成分として検出する構成である
    ことを特徴とする受信装置。
  5. 送信側において変調信号を周波数軸上で重畳域を有する複数の帯域に分割して複数Ｎのサブ変調信号を生成し、各サブ変調信号を互いに不連続な帯域に周波数シフトして送信し、受信側において受信信号から複数Ｎのサブ変調信号を抽出し、各サブ変調信号の帯域を送信側の周波数シフト前の帯域に戻して合成した変調信号を復調する無線通信システムの受信方法において、
    前記受信信号から抽出して周波数シフトした前記複数Ｎのサブ変調信号のうち、前記重畳域にあるサブ変調信号ｋ（ｋは１〜Ｎ−１の整数）の高周波数側の信号電力と、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力との差分を前記受信信号の周波数誤差成分として検出する周波数誤差補償回路を備え、当該周波数誤差成分が最小になるように前記受信信号の周波数誤差を補償する
    ことを特徴とする受信方法。
  6. 請求項５に記載の受信方法において、
    前記周波数誤差補償回路は、前記サブ変調信号ｋと前記サブ変調信号ｋ＋１から得られるＮ−１個の周波数誤差成分の１つ以上を抽出して平滑化し、前記受信信号の周波数誤差成分として検出する
    ことを特徴とする受信方法。
  7. 請求項５に記載の受信方法において、
    前記周波数誤差補償回路は、前記サブ変調信号ｋの高周波数側の信号電力を平滑化し、高周波数側に隣接するサブ変調信号ｋ＋１の低周波数側の信号電力を平滑化し、それぞれ平滑化した信号電力の差分を前記受信信号の周波数誤差成分として検出する
    ことを特徴とする受信方法。
  8. 請求項５に記載の受信方法において、
    前記周波数誤差補償回路は、前記サブ変調信号１〜Ｎ−１の高周波数側の信号電力を加算平均し、前記サブ変調信号２〜Ｎの低周波数側の信号電力を加算平均し、それぞれ加算平均した信号電力を平滑化して差分をとり、前記受信信号の周波数誤差成分として検出する
    ことを特徴とする受信方法。
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