JP2016201743A - 受信装置及び受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイバーシチ合成に用いる最大固有ベクトルにおける時間的な不連続を解消し、ダイバーシチ合成の効果を向上させることができる受信装置を提供する。
【解決手段】 受信装置は、複数のアンテナ、重み算出部、重み補償部及び合成部を具備する。複数のアンテナは、到来波を受信する。重み算出部は、前記複数のアンテナで受信した受信信号に基づき、前記到来波の伝搬チャネルに応じた重み係数を、予め設定される時間長毎に算出する。重み補償部は、前記時間長を予め設定される幅に分割したサンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を参照して算出する。合成部は、前記受信信号を、前記サンプル毎の重み係数により重み付けして合成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、低ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）環境下において伝搬される信号を受信し、受信した信号に対してダイバーシチ処理を施す受信装置及びこの装置で用いられる受信方法に関する。

受信装置は、電波伝搬路を通過した送信信号を受信し、受信した信号に対して例えば、スペクトラムセンシング等を施すことで信号を検出する。しかしながら、低ＳＮＲ環境では、信号を検出する際の判断に誤りが生じる恐れがある。そこで、受信装置に複数のアンテナを設け、ダイバーシチ技術を利用することで、フェージングによる受信信号の変動を軽減するようにしている。

例えば、受信装置は、複数のアンテナにより受信された受信信号から相関行列を算出し、算出した相関行列を固有値分解することで固有値と固有ベクトルとを算出する。受信装置は、算出した固有ベクトルを用い、各アンテナで受信された信号をダイバーシチ合成することでフェージングによる影響を軽減させる。

このとき、従来の受信装置は、予め設定される時間長毎に相関行列を算出する。受信装置は、この相関行列から求められる固有ベクトルの最大固有ベクトルを用い、予め設定される時間長中に受信される受信信号のダイバーシチ合成をする。最大固有ベクトルは、予め設定される時間長毎に算出されるため、時間長が切り替わる際に、時間的に不連続なものとなる。このため、この最大固有ベクトルを用いたダイバーシチ合成後のスペクトラムに劣化が生じることになる。この劣化は、例えば、受信信号がアナログ変調の音声信号である場合には、等価的なＳＳＢ雑音の増加による耳障りな雑音となって現れる。また、受信信号がデジタル変調の信号である場合には、等価的な雑音の劣化に伴うＢＥＲ特性の軽減困難な誤りとして現れる。

特開２００７−１９８０６号公報

以上のように、従来の受信装置では、ダイバーシチ合成に用いる最大固有ベクトルが時間的に不連続であるため、ダイバーシチ合成後のスペクトラムに劣化が生じるおそれがある。

そこで目的は、ダイバーシチ合成に用いる最大固有ベクトルにおける時間的な不連続を解消し、ダイバーシチ合成の効果を向上させることができる受信装置及びこの装置で用いられる受信方法を提供することにある。

実施形態によれば、受信装置は、複数のアンテナ、重み算出部、重み補償部及び合成部を具備する。複数のアンテナは、到来波を受信する。重み算出部は、前記複数のアンテナで受信した受信信号に基づき、前記到来波の伝搬チャネルに応じた重み係数を、予め設定される時間長毎に算出する。重み補償部は、前記時間長を予め設定される幅に分割したサンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を参照して算出する。合成部は、前記受信信号を、前記サンプル毎の重み係数により重み付けして合成する。

本実施形態に係る受信装置の機能構成を示すブロック図である。 図１に示される信号処理部の動作の例を示すフローチャートである。 図１に示される受信装置の帯域合成部から出力される信号のスペクトラムを示す図である。 従来の受信装置によるダイバーシチ合成後の信号のスペクトラムを示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る受信装置の機能構成を示すブロック図である。図１に示される受信装置は、アンテナ１０−１〜１０−Ｎ、受信処理部２０及び信号処理部３０を具備する。

アンテナ１０−１〜１０−Ｎは、到来波である電波を受信し、受信信号を受信処理部２０へ出力する。

受信処理部２０は、アンテナ１０−１〜１０−Ｎで受信されるＲＦ（Radio Frequency）帯の受信信号を、ＩＦ（Intermediate Frequency）帯又はベースバンド帯の信号へ周波数変換する。また、受信処理部２０は、周波数変換後の信号をアナログ−デジタル変換する。受信処理部２０は、デジタル変換した信号を、信号Ｓ１〜ＳＮとして信号処理部３０へ出力する。

信号処理部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、並びに、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のＣＰＵが処理を実行するためのプログラムやデータの格納領域等を含む。信号処理部３０は、ＣＰＵにアプリケーション・プログラムを実行させることで、帯域分割部３１、重み算出部３２−１〜３２−Ｋ、ドップラ推定部３３、重み補償部３４−１〜３４−Ｋ、合成部３５−１〜３５−Ｋ及び帯域合成部３６の機能を実現する。

帯域分割部３１は、受信処理部２０から出力される信号Ｓ１〜ＳＮを、所定の幅を有するＫ個の周波数帯域にそれぞれ分割する。ここで、所定の幅とは、受信信号を帯域毎に分割した際に、各周波数帯での周波数変動がほぼ無いと見なせるような幅を言う。各周波数帯での周波数変動がほぼ無いとは、例えば、帯域毎の受信信号をテイラー展開した際に一次近似が成立することである。なお、経験的にこの所定の幅は、ドップラ周期の１／１０程度の幅である。

重み算出部３２−１は、Ｋ個に分割された周波数帯域のうち、任意の１つの周波数帯域についてのＮ個の信号、例えば、信号Ｓ１−１〜ＳＮ−１を用い、到来波の伝搬チャネルに応じた重み係数を、ダイバーシチ合成する際の重み係数として算出する。重み算出部３２−１は、周期Ｔｃで、重み係数を算出する。なお、周期Ｔｃは、受信装置が許容できる演算量及び熱雑音等による固有ベクトルの誤差を勘案し、予め設定される。以下では、空間情報を用いた最大比合成（以下では、ＭＲＣと称する。）を利用する場合を例に説明する。なお、ダイバーシチ処理の方式は、いかなる方式を適用しても構わない。また、算出される重み係数の種類は、ダイバーシチ処理の方式に依存して複数存在する。

ここで、受信信号＜Ｘ＞_１は、数式（１）のように表されるとする。なお、以下において、「＜」及び「＞」で囲まれる文字は、行列を表すものとする。

電波伝搬路における伝搬チャネルのチャネル応答行列を＜Ｈ＞_１とした場合、受信信号＜Ｘ＞_１は、数式（２）のように表される。

なお、数式（２）において、＜Ｎ＞_１は雑音を表し、＜Ｚ＞_１は送信信号を表す。ＭＲＣを用いて重み係数を算出するために、受信信号＜Ｘ＞_１の相関行列＜Ｒ＞_ｘｘ１を数式（３）のように計算する。

なお、数式（３）において、Ｅ［＊］は、アンサンブル平均を表す。数式（３）に表される相関行列＜Ｒ＞_ｘｘ１を固有値分解すると数式（４）のように表される。

なお、数式（４）において、＜Ｅ＞_１は固有ベクトルを表し、＜Ｄ＞_１は固有値を表す。重み算出部３２−１は、固有ベクトル＜Ｅ＞_１の、時間長Ｔｃにおける最大固有ベクトルを＜Ｅ＞_{ｍａｘ，１}と定め、最大固有ベクトル＜Ｅ＞_{ｍａｘ，１}を信号Ｓ１−１〜ＳＮ−１についての重み係数とする。

重み算出部３２−２〜３２−Ｋは、Ｋ個に分割された周波数帯域のうち、任意の１つの周波数帯域についてのＮ個の信号、例えば、信号Ｓ１−２〜ＳＮ−２、…、Ｓ１−Ｋ〜ＳＮ−Ｋをそれぞれ用い、重み算出部３２−１と同様の処理により重み係数を算出する。

ドップラ推定部３３は、帯域分割部３１によりＫ個に帯域分割されたＮ系統の信号Ｓ１−１〜ＳＮ−Ｋを受け取る。ドップラ推定部３３は、それぞれの信号から、少なくともフェージングにより生じる信号レベルの変動（ドップラ変動）を検出し、検出したドップラ変動の周期をドップラ周期Ｔｄとして算出する。ドップラ周期の算出手法は、多くの公知の手法が存在する。例えば、ドップラ推定部３３は、帯域分割部３１により帯域分割された信号Ｓ１−１の包絡線を、時間長Ｔｃ毎に検出する。ドップラ推定部３３は、検出した包絡線に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）処理を施し、包絡線のスペクトラムを取得する。そして、ドップラ推定部３３は、取得したスペクトラムの幅の逆数をドップラ周期Ｔｄとする。

重み算出部３２−１が相関行列を算出する時間長Ｔｃには、Ｔｃを所定の等間隔の幅に分割したｍ個のサンプルが存在する。重み補償部３４−１は、時間長Ｔｃと、ドップラ推定部３３により算出されたドップラ周期Ｔｄとの比に基づき、重み算出部３２−１により算出される、少なくとも直前の時間長Ｔｃの重み係数を用い、時間長Ｔｃに含まれるサンプルそれぞれについての重み係数を算出する。

具体的には、時間長Ｔｃに対するドップラ周期Ｔｄの割合、すなわちＴｄ／Ｔｃが十分に大きい場合、重み補償部３４−１は、この時間長Ｔｃの直前の時間長において算出された重み係数と、この時間長Ｔｃの直後の時間長において算出された重み係数とから、時間に関する一次関数を決定する。重み補償部３４−１は、決定した一次関数を用い、時間長Ｔｃに含まれるサンプルの値を算出する。

また、時間長Ｔｃに対するドップラ周期Ｔｄの割合、すなわちＴｄ／Ｔｃが十分に小さい場合、重み補償部３４−１は、この時間長Ｔｃ以前の複数の時間長において算出された重み係数から、時間に関する近似曲線を決定する。重み補償部３４−１は、決定した近似曲線を用い、時間長Ｔｃに含まれるサンプルの値を算出する。なお、ここでは、重み補償部３４−１は、Ｔｄ／Ｔｃが十分に大きい場合には一次関数を利用し、Ｔｄ／Ｔｃが十分に小さい場合には近似曲線を利用する場合を例に説明したが、これに限定されない。重み補償部３４−１は、例えば、Ｔｄ／Ｔｃについて１つの閾値を設定し、Ｔｄ／Ｔｃが閾値を超える場合は一次関数を利用し、Ｔｄ／Ｔｃが閾値を超えない場合は近似曲線を利用するようにしても良い。また、閾値は１つに限定されない。

このように、重み補償部３４−１は、数式（５）に表すように各サンプルにおける重みを算出する。

重み補償部３４−２〜３４−Ｋは、重み算出部３２−２〜３２−Ｋにより算出される重み係数を用い、重み補償部３４−１と同様の処理により各サンプルにおける重み係数を数式（６）に表すように算出する。

なお、数式（６）において、ｉは、２〜Ｋの自然数とする。

合成部３５−１は、帯域分割部３１により分割されたＮ個の信号Ｓ１−１〜ＳＮ−１を、重み補償部３４−１により算出された重み係数を用いて合成する。合成出力Ｙ_１（ｍ）は、数式（７）のように表される。

合成部３５−２〜３５−Ｋは、帯域分割部３１により分割された信号Ｓ１−２〜ＳＮ−２，…，Ｓ１−Ｋ〜ＳＮ−Ｋを、重み補償部３４−２〜３４−Ｋにより算出された重み係数を用いてそれぞれ合成する。合成部３５−２〜３５−Ｋからそれぞれ出力される合成出力Ｙｉ（ｍ）は、数式（８）のように表される。

なお、数式（８）において、ｉは、２〜Ｋの自然数とする。

帯域合成部３６は、合成部３５−１〜３５−Ｋで合成される合成出力Ｙ_１（ｍ）〜Ｙ_Ｋ（ｍ）を合成する。このとき、帯域合成部３６は、帯域分割部３１による分割方法と対をなす合成方法を用いて、合成出力を合成する。例えば、帯域分割部３１が高速フーリエ変換であるならば、帯域合成部３６は、逆高速フーリエ変換となる。

次に、以上のように構成された信号処理部３０により実施される動作の手順を説明する。図２は、本実施形態に係る信号処理部３０の動作の例を示すフローチャートである。なお、図２では、説明をシンプルにするため、アンテナ１０−１による受信される受信信号に由来する信号Ｓ１に対する処理を例に説明する。

まず、信号処理部３０は、受信処理部２０から、デジタル形式の信号Ｓ１を受信する。

帯域分割部３１は、受け取った信号Ｓ１を、Ｋ個の周波数帯域にそれぞれ分割する（ステップＳ２１）。これにより、信号Ｓ１−１〜ＳＮ−１が発生する。

重み算出部３２−１は、信号Ｓ１−１〜ＳＮ−１を用い、時間長Ｔｃでの重み係数＜Ｅ＞_{ｍａｘ，１}を算出する（ステップＳ２２）。重み算出部３２−１は、算出した重み係数＜Ｅ＞_{ｍａｘ，１}を図示しないメモリに記憶する（ステップＳ２３）。

ドップラ推定部３３は、帯域分割部３１で分割された信号Ｓ１−１から、時間長Ｔｃでのドップラ周期Ｔｄ_１を算出する。また、ドップラ推定部３３は、帯域分割部３１で分割された信号Ｓ２−１から、時間長Ｔｃでのドップラ周期Ｔｄ_２を算出する。…また、ドップラ推定部３３は、帯域分割部３１で分割された信号ＳＮ−１から、時間長Ｔｃでのドップラ周期Ｔｄ_Ｎを算出する（ステップＳ２４）。

重み補償部３４−１は、時間長Ｔｃに対するドップラ周期Ｔｄ_１の割合が予め設定される閾値を超えるか否かを判断する（ステップＳ２５）。超える場合（ステップＳ２５のＹｅｓ）、重み補償部３４−１は、この時間長Ｔｃの直前の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１}と、この時間長Ｔｃの直後の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１}とをメモリから読み出す。重み補償部３４−１は、読み出した直前及び直後の重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１}から、この時間長Ｔｃにおけるサンプル毎の重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１（ｍ）}を直線補間により算出する（ステップＳ２６）。時間長Ｔｃに対するドップラ周期Ｔｄ_１の割合が閾値を超えない場合（ステップＳ２５のＮｏ）、重み補償部３４−１は、この時間長Ｔｃ以前の複数の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１}をメモリから読み出す。重み補償部３４−１は、読み出した複数の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１}から、この時間長Ｔｃにおけるサンプル毎の重み係数＜Ｅ＞^１ _{ｍａｘ，１（ｍ）}を曲線補間により算出する（ステップＳ２７）。

また、重み補償部３４−１は、時間長Ｔｃに対するドップラ周期Ｔｄ_２の割合が予め設定される閾値を超えるか否かを判断する（ステップＳ２５）。超える場合（ステップＳ２５のＹｅｓ）、重み補償部３４−１は、この時間長Ｔｃの直前の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^２ _{ｍａｘ，１}と、この時間長Ｔｃの直後の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^２ _{ｍａｘ，１}とから、この時間長Ｔｃにおけるサンプル毎の重み係数＜Ｅ＞^２ _{ｍａｘ，１（ｍ）}を直線補間により算出する（ステップＳ２６）。時間長Ｔｃに対するドップラ周期Ｔｄ_２の割合が閾値を超えない場合（ステップＳ２５のＮｏ）、重み補償部３４−１は、この時間長Ｔｃ以前の複数の時間長において算出された重み係数＜Ｅ＞^２ _{ｍａｘ，１}から、この時間長Ｔｃにおけるサンプル毎の重み係数＜Ｅ＞^２ _{ｍａｘ，１（ｍ）}を曲線補間により算出する（ステップＳ２７）。

重み補償部３４−１は、ステップＳ２５〜Ｓ２７の処理を、ドップラ周期Ｔｄ_３〜Ｔｄ_Ｎについても実施し、重み係数＜Ｅ＞^３ _{ｍａｘ，１（ｍ）}〜＜Ｅ＞^Ｎ _{ｍａｘ，１（ｍ）}を算出する。

合成部３５−１は、帯域分割部３１により分割された信号Ｓ１−１〜ＳＮ−１を、重み補償部３４−１により算出された重み係数を用いて合成し、合成出力Ｙ_１（ｍ）とする（ステップＳ２８）。

帯域合成部３６は、合成部３５−１により合成された合成出力Ｙ_１（ｍ）と、図２では説明を割愛した合成部３５−２〜３５−Ｋにより合成された合成出力Ｙ_２（ｍ）〜Ｙ_Ｋ（ｍ）を合成する（ステップＳ２９）。

図３は、本実施形態に係る受信装置の帯域合成部３６から出力される信号のスペクトラムを示す図である。また、図４は、本実施形態に示す重み補償を実施しない場合の、ダイバーシチ合成後の信号のスペクトラムを示す図である。図３では、信号のスペクトラムの幅は小さいが、図４では、信号のスペクトラムの幅が大きい。これは、重み補償をしない従来のダイバーシチ合成では、スペクトラムに劣化が生じていることを表す。この劣化は、受信信号がアナログ変調の音声信号等であれば、等価的なＳＳＢ雑音の増加による耳障りな雑音となって現れ、受信信号がデジタル変調の信号であれば、等価的な雑音の劣化に伴うＢＥＲ特性の軽減困難な誤りとして現れる。

以上のように、本実施形態では、重み補償部３４は、重み算出部３２で予め設定される時間長毎に算出される重み係数を用い、時間長に含まれるサンプル毎の重み係数を算出するようにしている。これにより、時間長Ｔｃを短くせずに、かつ、雑音成分を増大させずに、重み係数の数を増やすことが可能となる。

したがって、本実施形態に係る受信装置によれば、時間長が次の時間長へ切り替わる際に生じる、最大固有値ベクトルの位相及び振幅の時間的な不連続を解消することができ、ダイバーシチ合成の効果を向上させることができる。また、本実施形態に係る受信装置によれば、低ＳＮＲ環境の信号に対してダイバーシチ処理するアレーアンテナ信号処理技術において、精度の高いブラインドチャネル推定技術を提供することができる。このため、本実施形態に係る受信装置は、受信信号がアナログ変調の音声信号等である場合、及び、受信信号がデジタル変調の信号である場合に、特性改善を実現することができる。

また、本実施形態では、帯域分割部３１により、複数の帯域に分割し、帯域合成部３６により、帯域を合成するようにしている。これにより、本実施形態に係る受信装置は、信号が広帯域に及ぶ場合、又は、複数の帯域に信号が存在する場合等に対応することが可能となる。

また、本実施形態では、重み補償部３４は、ドップラ推定部３３により推定されたドップラ周期と、時間長との関係に基づき、時間長に含まれるサンプル毎の重み係数を、直線補間、又は、曲線補間を用いて算出するようにしている。これにより、ドップラ周期が時間長に対して小さい場合には、サンプル毎の重み係数の精度を向上させると共に、ドップラ周期が時間長に対して大きい場合には、計算量を削減することが可能となる。

なお、本実施形態では、受信装置が、帯域分割部３１と、帯域合成部３６とを具備する場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。例えば、到来する信号の帯域が予め予想可能である等の場合には、帯域分割部３１と、帯域合成部３６とは必ずしも必要ではない。

また、本実施形態では、ドップラ推定部３３によりドップラ周期を推定し、重み補償部３４により、推定したドップラ周期に基づいて重み係数を補償する場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。例えば、ドップラ推定部３３を設け無くても構わない。この場合、重み補償部３４は、直線補間及び曲線補間のいずれか一方を採用し、重み係数を補償する。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０−１〜１０−Ｎ…アンテナ、２０…受信処理部、３０…信号処理部、３１…帯域分割部、３２−１〜３２−Ｋ…重み算出部、３３…ドップラ推定部、３４−１〜３４−Ｋ…補償部、３５−１〜３５−Ｋ…合成部、３６…帯域合成部

Claims (6)

1. 到来波を受信する複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナで受信した受信信号に基づき、前記到来波の伝搬チャネルに応じた重み係数を、予め設定される時間長毎に算出する重み算出部と、
   前記時間長を予め設定される幅に分割したサンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を参照して算出する重み補償部と、
   前記受信信号を、前記サンプル毎の重み係数により重み付けして合成する合成部と
   を具備する受信装置。
2. 前記到来波のドップラ周期を推定するドップラ推定部をさらに具備し、
   前記重み補償部は、前記時間長と前記ドップラ周期との関係に基づき、前記サンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を利用した直線補間、又は、曲線補間により算出する請求項１記載の受信装置。
3. 前記重み補償部は、前記時間長に対する前記ドップラ周期の割合が予め設定される値を超える場合、前記サンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を利用した直線補間により算出し、する請求項２記載の受信装置。
4. 前記重み補償部は、前記時間長に対する前記ドップラ周期の割合が予め設定される値を超えない場合、前記サンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を利用した曲線補間により算出する請求項２記載の受信装置。
5. 前記複数のアンテナで受信した受信信号を所定の周波数帯域毎に分割する帯域分割部と、
   前記帯域分割された周波数帯域毎に前記合成部により合成される合成信号を、帯域合成する帯域合成部と
   をさらに具備する請求項１記載の受信装置。
6. 複数の到来波を受信信号として受信し、
   前記複数の受信信号に基づき、前記到来波の伝搬チャネルに応じた重み係数を、予め設定される時間長毎に算出し、
   前記時間長を予め設定される幅に分割したサンプル毎の重み係数を、少なくとも直前の時間長において算出された重み係数を参照して算出し、
   前記受信信号を、前記サンプル毎の重み係数により重み付けして合成する受信方法。