JP3563581B2

JP3563581B2 - 無線通信方式

Info

Publication number: JP3563581B2
Application number: JP35206997A
Authority: JP
Inventors: 功手嶋
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11168522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、符号化された音声情報信号を直交振幅変調してアナログ通信システムで送信する方式に関し、特に、この送信処理に際して発生してしまう振幅歪みの影響を回避する無線通信方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば秘話音声通信を実現するために、既存のアナログ無線通信システム上で、暗号化された符号化音声情報信号をモデムによって伝送する場合がある。
【０００３】
図５には、このような無線通信システムの構成例を示してある。送信側では、マイクロホン１から入力された音声情報信号は音声コーダ２によって符号化された後、モデム３で１６ＱＡＭ方式によって直交振幅変調され、この直交振幅変調信号が自動利得調整器（ＡＧＣ）４、リミッタ５、変調器６、パワーアンプ７を介してアンテナ８から送信される。一方、受信側では、アンテナ１０から受信した信号を復調器１１で復調し、更にモデム１２で１６ＱＡＭ方式によって直交振幅検波し、この検波された信号を音声デコーダ１３によって復号化して、音声をスピーカ１４から出力する。なお、同図中の、９は上記のように符号化を行わない音声情報信号を入力するためのマイクロホンであり、１５は符号化されずに送信されてきた音声情報信号に基づいて音声を出力するスピーカである。
【０００４】
ここで、アナログ通信システムにおいて上記のような符号化音声情報信号の通信を行う場合、既存のアナログ通信システムでは帯域が十分にとれない場合がある。一般に符号化音声情報の品質は情報量を削減するに従って大幅に劣化するため、音声品質を保つために、情報量はある程度大きいままとして、モデムの変調方式に多値変調を用いることにより、既存の狭いアナログ無線の帯域での通信を可能としている。例えば、多値変調方式としては１６ＱＡＭのような直交振幅変調が用いられており、これにより、１ｂｉｔ／Ｈｚ以上のデータ伝送が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、既存のアナログ無線通信システムは、アナログ音声情報信号を伝送するために使用されていたため、上記のような直交振幅変調信号を伝送するために特化されているとは言い難い。具体的には、ＩＤＣ（インスタント・デビエーション・コントローラ）を構成する自動利得調整器（ＡＧＣ）やリミッタを通ることによる自動利得制御や振幅制限、更には、増幅器（ＰＡ）の非線形領域での使用などにより、音声情報信号の振幅に歪みが発生する。
【０００６】
図６には、１６ＱＡＭ方式で直交振幅変調した音声情報信号の波形例を示してあり、同図中の上段に示す波形が振幅歪みの影響を受けると、同図中の下段に示す波形に歪んでしまう。また、このような振幅歪みが発生した状態では、直交検波後のコンステレーションは図７に示すようになり、情報シンボルの配置が正常な状態からずれたものとなってしまい、受信側における受信信号の誤り率が著しく増大してしまう。
【０００７】
なお、このような影響が現れる既存のアナログ無線通信システム上でも、マイクロホン入力レベルやアンプ入力レベルを手動で調整すれば、線形な領域での使用が可能となり誤り率の増大を防ぐことも可能である。
しかしながら、この場合は手動による調整を要するということで、利用者の熟練が必要となって、モデムとしての汎用性を欠くことになる。なお、従来では、このような条件の中で線形変調方式（直交振幅変調方式）が使用された実績はなく、当然のことながらＡＧＣ、増幅器等から構成される非線形回路を通ることによる振幅歪みを回避或いは除去する方法はなかった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、符号化された音声情報信号を直交振幅変調してアナログ通信システムで通信する場合において、振幅歪みの影響が変調信号の情報シンボルに現れないようにして、振幅歪みによる誤りを減少することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、直交振幅変調方式の変調信号に通常の包絡線を越える大きな振幅歪み回避用のダミーシンボルを挿入し、送信側に生じる振幅歪みがこのダミーシンボルにのみ現れるようにして、情報シンボルには歪みが生じないようにする。
【００１０】
すなわち、本発明では、アナログ無線通信システム上で、符号化された音声情報信号をモデムによって変調して送信するに際して、符号化された音声情報信号を直交振幅変調し、当該直交振幅変調信号中に情報シンボルの振幅より大きな一定の振幅のダミーのシンボルを挿入し、当該信号を直交変調して増幅器により増幅して送信することにより、送信信号の振幅歪みをダミーシンボルに集中させる。
これにより、情報シンボルは振幅歪みの影響を受けることなく、或いは、振幅歪みの影響が低減されて受信側へ伝送される。
【００１１】
また、本発明では、直交変調された信号は自動利得調整器による振幅制限及び増幅器による増幅が施されて送信されるシステム構成となっており、前記ダミーシンボルは当該自動利得調整器の時定数より短い間隔で直交振幅変調信号中に挿入される。
これにより、情報シンボルとダミーシンボルとの振幅比は保たれ、自動利得調整器を用いた場合にあっても振幅歪みをダミーシンボルに集中させることができる。
【００１２】
また、本発明では、前記ダミーシンボルは直交振幅変調信号中に所定の目的で挿入されるパイロットシンボルを兼用する。
また、本発明では、前記ダミーシンボルは直交振幅変調信号中に所定の目的で挿入されるユニークワードシンボルを兼用する。
このように、同期用やフェージング歪み補償用等の目的で直交振幅変調信号中に元々含まれているシンボルを、振幅歪みの回避用に用いるダミーシンボルに共用することにより、信号の冗長度を抑えて情報率の低下をきたすことなく、振幅歪みの影響を回避することができる。
【００１３】
また、本発明では、上記のようにして変調された信号に対して受信側で同期をとるために、送信された信号を受信して直交検波を行い、当該検波信号を変調速度の数倍の速度で離散化して、離散化された信号の自乗和を離散化周期で算出し、算出された自乗和を累積平均化して、当該累積平均化値が最大となる位置をシンボルの中心位置として検出する。更に、当該検出されたシンボル中心位置から、シンボル間隔で離散化された前記検波信号の自乗和を算出し、算出された自乗和を累積平均化して、当該累積平均化値が最大値となる位置をダミーシンボルの位置として検出する。
これにより、情報シンボルとダミーシンボルとを選別して同期を達成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を、その実施形態の例示を用いて詳しく説明する。
図１には、本例に係るアナログ無線通信システムの構成を示してある。なお、図５に示した従来の構成と同様な部分には同一符号を付してある。
【００１５】
この無線通信システムにおいて、送信側では、マイクロホン１から入力された音声情報信号は音声コーダ２によって符号化された後、モデム変調器３０で直交振幅変調されるとともにダミーのシンボルが挿入され、この直交振幅変調信号が自動利得調整器（ＡＧＣ）４、リミッタ５、変調器６、パワーアンプ７を介してアンテナ８から送信される。一方、受信側では、アンテナ１０から受信した信号を復調器１１で復調し、更にモデム復調器４０で情報シンボル及びダミーシンボルの検出並びに直交振幅検波し、この検波された信号を音声デコーダ１３によって復号化して、音声をスピーカ１４から出力する。
【００１６】
なお、マイクロホン９、ＡＧＣ４、リミッタ５、変調器６、パワーアンプ７、アンテナ８は、マイクロホン９から入力された音声情報信号を自動利得制御、振幅制限、増幅して無線送信する一般的な音声用アナログ無線送信機を構成しており、これに、マイクロホン１、音声コーダ２、モデム変調器３０から成る音声情報符号化部が付加された構成となっている。また、アンテナ１０、復調器１１、スピーカ１５は送信されてきた音声情報信号に基づいて音声を出力する一般的な音声用アナログ無線受信機を構成しており、これに、モデム復調器４０、音声デコーダ１３、スピーカ１４から成る音声情報復号化部が付加された構成となっている。
【００１７】
モデム変調器３０は、変調方式として１６ＱＡＭを用いており、音声コーダ２により符号化された音声情報信号（バイナリのデータ系列）をバッファメモリ３１に一旦保持し、このデータ系列を送信フレーム生成部３２でフレーム化し、更に、１６ＱＡＭマッピング部３３で４ビット毎に１シンボルの１６ＱＡＭダイアグラムに配置した後、直交変調部３４で直交変調して直交振幅変調信号をＡＧＣ４へ出力する。
【００１８】
ここで、１６ＱＡＭマッピング部３３では、データ系列を１６ＱＡＭダイアグラムに配置するに際して、一定周期、一定振幅で歪み回避用のダミーのシンボルを挿入している。
このダミーシンボルの振幅は、１６ＱＡＭの最大振幅点（複素平面で３＋ｊ３）を超える値としてあり、このように十分に大きい振幅とするのは次のような理由による。すなわち、ダミーシンボルの振幅と１６ＱＡＭの最大振幅との比は、送信機のＰＡ７の出力バックオフに相当し、バックオフと同様の効果を得るためには十分大きい振幅にする必要があるからである。
また、ダミーシンボルを挿入する間隔は、通信システムのＡＧＣ時定数によって決められており、一般に音声情報信号に使われるＡＧＣ４の時定数は１００ｍｓ程度であるため、この値以下に挿入すればダミーシンボルと情報シンボルの振幅比は保たれる。
【００１９】
本例ではダミーシンボルの振幅を６＋ｊ６に設定してあり、ダミーシンボルを挿入された１６ＱＡＭ信号は複素平面上で図２に示すようになる。
そして、このダミーシンボルを挿入された１６ＱＡＭ信号が、直交変調部３４でロールオフフィルタによって帯域制限が施され、直交変調されて変調波とされると、このダミーシンボルが挿入された変調波の波形は図３中の上段に示すようになる。
【００２０】
そして、この変調波がＡＧＣ４、リミッタ５を通過することにより振幅制限が生じ、更に、アンプ７の非線形領域を通過することによって同様に振幅歪みが生じる。この結果、従来にあっては変調波の波形は図６中の下段に示したように包絡線が一定となってしまうが、ダミーシンボルを挿入した本例の変調波波形は図３中の下段に示すように、振幅制限はダミーシンボルのみに生じ、情報シンボル部は包絡線が保たれる。
【００２１】
受信側では、送信側より送信されてきた信号を受信し、直交準同期検波を行う。振幅歪みがない状態での直交準同期検波後の１６ＱＡＭのコンステレーションは、変調側と同じであり、ダミーシンボルは複素平面上で６＋ｊ６に位置することとなるが、振幅歪みが生じた場合の直交検波後のコンステレーションは、図４に示すように位置ずれが生ずる。しかしながら、このように振幅歪みが生じた場合であっても、従来の変調波のように全体に歪みが生じるのではなく、ダミーシンボルの振幅のみが抑えられ、情報シンボル部は歪みが生じないことから、誤り率の増大を防止できる。
すなわち、送信側では、図２に示されるように、音声情報信号のデータ系列を１６ＱＡＭダイアグラムに配置するに際して、１６ＱＡＭの情報シンボルの最大振幅点（複素平面で３＋ｊ３）を超える振幅であって十分に大きい一定振幅（複素平面で６＋ｊ６）を有するダミーシンボルを挿入している。すると、送信側では、当該ダミーシンボルが挿入された１６ＱＡＭ信号の変調波が自動利得調整器（ＡＧＣ）４やリミッタ５を通過して振幅制限が生じても、十分に大きい振幅を有するダミーシンボルのみが振幅制限され、ダミーシンボルと比べて十分に小さい振幅を有する１６ＱＡＭの情報シンボルは振幅制限されない。また、送信側では、ダミーシンボルの振幅と１６ＱＡＭの情報シンボルの最大振幅との比は送信機のパワーアンプ（ＰＡ）７の出力バックオフに相当しているため、変調波が非線形領域を有するパワーアンプ（ＰＡ）７を通過しても、十分に大きい振幅を有するダミーシンボルのみに振幅歪みが生じ、ダミーシンボルと比べて十分に小さい振幅を有する１６ＱＡＭの情報シンボルには振幅歪みは生じない。この結果、受信側では、図４に示されるように、ダミーシンボルのみに歪みが生じ、１６ＱＡＭの情報シンボルには歪みは生じない。従って、パワーアンプ（ＰＡ）７の非線形領域での使用による音声情報信号の振幅歪みが、ダミーシンボルにのみ現れ、情報シンボルが振幅歪みの影響を受けることなく、或いは、振幅歪みの影響が低減されて受信側へ伝送される。
また、送信側では、ダミーシンボルを１６ＱＡＭ信号に挿入する時間間隔として、自動利得調整器（ＡＧＣ）４の時定数の値以下の一定周期の時間間隔を用いている。すると、自動利得調整器（ＡＧＣ）４を用いて前記時定数で自動利得制御を行う場合においても、前記一定周期毎に、ダミーシンボルの振幅（複素平面で６＋ｊ６）と１６ＱＡＭの情報シンボルの最大振幅点（複素平面で３＋ｊ３）との振幅比が保たれる。この結果、自動利得調整器（ＡＧＣ）４を用いて前記時定数で自動利得制御を行う場合においても、受信側では、図４に示されるように、ダミーシンボルのみに歪みが生じ、１６ＱＡＭの情報シンボルには歪みは生じない状態が保たれる。従って、自動利得調整器（ＡＧＣ）４を用いて前記時定数で自動利得制御を行う場合においても、パワーアンプ（ＰＡ）７の非線形領域での使用による音声情報信号の振幅歪みが、ダミーシンボルにのみ現れ、情報シンボルが振幅歪みの影響を受けることなく、或いは、振幅歪みの影響が低減されて受信側へ伝送される。
【００２２】
ここで、上記した例では、専用のダミーシンボルを挿入する場合を説明したが、専用のダミーシンボルを新たに付加した場合には、情報シンボルに対する振幅歪みを抑制するという本発明の目的を達成できるものの、若干情報率が低下することともなる。通常のディジタル変復調では、送信フレームには、情報シンボルの他に同期用、フェージング歪み補償用などのためにパイロットシンボルやユニークワードを挿入する。本発明では、これらのパイロットシンボルやユニークワードをダミーシンボルとして兼用してもよく、このようにすることによって、振幅歪みを抑制という本発明の目的を達成しつつ情報率低下も防止することができる。
【００２３】
以下に説明する受信側における処理についての本発明の一例では、ダミーシンボルを同期用シンボルと兼用した場合を説明する。なお、以下の同期処理は受信側のモデム復調器４０にて実施される。
本例では、フレーム長＝ダミーシンボル挿入間隔＝Ｎ、Ｍ倍オーバサンプリングとして説明する。
直交準同期検波後の受信信号をＩ_Ｒ（Ｔ）、Ｑ_Ｒ（Ｔ）とし、受信信号サンプル電力Ｐ_Ｓ（Ｔ）をシンボル長区間（連続するＭサンプル）の範囲で（１）式のように計算する。
【００２４】
【数１】

【００２５】
シンボル点におけるサンプル電力は、Ｉ相、Ｑ相それぞれ４値であるが、シンボル点以外、つまりシンボル間の軌跡はランダムに近いため、（２）式に示す累積平均化処理を行うことで、シンボル点のサンプル電力が大きくなる。
【００２６】
【数２】

【００２７】
（２）式で求められるＭ個のＰｓ_ａｖ（ｍＴ／Ｍ）のうちの、最大となるｍの位置をシンボルの中心点Ｔとする。
次に、前式によって求められたシンボル中心点からＭサンプル間隔でＮ個のシンボル点電力を（３）式によって算出する。
【００２８】
【数３】

【００２９】
次に、（３）式によって検出されたシンボル電力に対し、（４）式によって累積平均化処理を行う。これは、同期位置はフレーム間で急激に変動することはないため、累積平均化処理を入れることで、フェージング等による歪みが大きな場合における、ダミーシンボル位置すなわちフレーム同期位置の誤検出を抑えるためである。
【００３０】
【数４】

【００３１】
シンボル点電力Ｐｆ_ａｖ（ｎＴ）が最大となる点ｎをダミーシンボル位置すなわちフレーム位置とする。
ダミーシンボルの振幅は、情報シンボルの振幅と比較して十分大きいものとしているため、上記の方法でフレーム同期検出を行った場合、受信電力が減少した際にもピーク検出が容易になるため、同期確率が向上する。
【００３２】
したがって、上記のようにしてダミーシンボルを挿入して変調された信号に対して、受信側で情報シンボルとダミーシンボルとを選別して同期を達成することができ、情報率の低下及び情報シンボルに対する振幅歪みを防止しつつ、良好な受信処理が達成される。
【００３３】
なお、上記では１６ＱＡＭ方式を例にとって説明したが、本発明は他の直交振幅変調方式を用いた場合にも適用することができ、上記と同様な作用効果を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、直交振幅変調方式の変調波に通常の包絡線を越える大きな振幅の歪み回避用のダミーシンボルを挿入し、振幅歪みがダミーシンボルのみに生じるようにしたため、受信信号の振幅歪みによる誤りを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る無線通信システムの構成図である。
【図２】ダミーシンボルを挿入した１６ＱＡＭ信号のコンステレーションの一例を示す図である。
【図３】１６ＱＡＭ信号の波形を示す図面代用写真である。
【図４】ダミーシンボルを挿入して振幅歪みを受けた１６ＱＡＭ信号のコンステレーションの一例を示す図である。
【図５】従来の無線通信システムの一例を示す構成図である。
【図６】１６ＱＡＭ信号の波形を示す図面代用写真である。
【図７】振幅歪みを受けた１６ＱＡＭ信号のコンステレーションの一例を示す図である。
【符号の説明】
１、９・・・マイクロホン、２・・・音声コーダ、
４・・・自動利得調整器（ＡＧＣ）、５・・・リミッタ、６・・・変調器、
７・・・増幅器（ＰＡ）、８、１０・・・アンテナ、１１・・・復調器、
１３・・・音声デコーダ、１４、１５・・・スピーカ、
３０・・・モデム変調器、３１・・・メモリバッファ、
３２・・・送信フレーム生成部、３３・・・１６ＱＡＭマッピング部、
３４・・・直交変調部、４０・・・モデム復調部、

Claims

アナログ無線通信システム上で、符号化された音声情報信号をモデムによって変調し増幅器により増幅して送信する無線通信方式において、
符号化された音声情報信号を直交振幅変調し、情報シンボルの最大振幅との比が前記増幅器のバックオフに相当する当該最大振幅より大きな振幅のダミーシンボルを当該直交振幅変調信号中に挿入し、当該信号を直交変調して前記増幅器により増幅して送信することにより、送信信号の振幅歪みをダミーシンボルに集中させることを特徴とする無線通信方式。
請求項１に記載の無線通信方式において、
前記直交変調された信号は自動利得調整器による振幅制限及び前記増幅器による増幅が施されて送信され、
前記ダミーシンボルは当該自動利得調整器の時定数より短い間隔で前記直交振幅変調信号中に挿入されていることを特徴とする無線通信方式。