JP3636433B2

JP3636433B2 - アイ開口率測定回路

Info

Publication number: JP3636433B2
Application number: JP2001037175A
Authority: JP
Inventors: 祐一渡来
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP2002247116A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＱＡＭ方式に従いディジタル変調された信号を取り扱うディジタル多重無線装置等に関し、特にアイパターンのアイ開口率を示す数値を得る回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル変調された信号の品質を知る上で、アイパターンの表示が重宝がられている。アイパターンは、入力信号に基づきオシロスコープ等の画面上に表示されるパターンであり、入力信号の品質が良好でその値が理想の信号点に近いほど、そのアイが大きく開く。アイパターンの表示はこのように可視的で直観的な理解が可能であるという利点を有している反面、定量的でないという欠点を有している。特に、無線設備の保守点検等の際のように、入力信号（例えば伝送路を介して受信した信号）の品質を記録する必要がある場合には、この欠点が問題になる。即ち、オシロスコープの画面上に表示されているアイパターンからアイの開き具合を作業者が目視読み取りする際に、読み取り間違いが生ずることがあるし、またオシロスコープの画面輝度によっても、読み取りの結果に違いが生じる。更に、アイパターンの観測にはオシロスコープ等の計測装置が必要である。
【０００３】
そこで、従来から、所定期間に亘り入力信号を自動観測し、定量的に扱えるアイ開口率をこの観測の結果から求める、という仕組みの装置・回路が、いくつか開発されている。例えば特開２０００−２９５２９８号公報や特開平７−２３０６３号公報に記載されている回路では、入力信号の波形データを逐一取得し、それらを振幅及び時間の両方向について解析し、その結果からアイ開口率を算出している。これらの回路を設ければ、目視読み取り間違い、画面輝度による観測値ばらつき等が低減されるだけでなく、アイパターンを表示させるためのオシロスコープ等の計測装置も不要になるため計測装置接続作業がいらなくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の回路には、波形データの解析を行う必要があるためその構成・動作が複雑にならざるを得ず、従って安価に実施することが難しいという問題点があった。無線設備の保守点検等のように低コストで実施すべき作業のために高価な回路を設けるのは、望ましくない。本発明は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、カウンタ等の簡単な回路・ソフトウエアで実現でき、定量的に扱えるアイ開口率の情報を従来よりも低コストで提供できる回路を提供することを、その目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明に係る回路は、
（１）入力信号のアイ開口率Ｍを自動測定する回路において、
（２）信号点間隔Ａより狭く定められておりかつ理想信号点を含む範囲に亘り、信号分布空間上の位置ｘに沿って入力信号の確率密度関数ｐ（ｘ）を積分することにより、その範囲における信号点の確率分布を示す分布値αを検出する分布算出回路と、
（３）検出した分布値α及び信号点間隔Ａに基づき位置ｘについての信号点の分散σを検出する分散算出回路と、
（４）これら分散σ及び信号点間隔Ａに関する情報に基づきアイ開口率Ｍを求める開口率算出回路とを、備えることを特徴とする。
【０００６】
このように、本発明においては、分布値α及び分散σに基づきアイ開口率Ｍを定量的に算出している。従って、定量的に扱うことが容易なアイ開口率を得ることができる。オシロスコープの画面から読みとる従来の手法に比べ、その精度・信頼性がよい情報を得ることができ、また作業者によるオシロスコープ接続作業も不要になる。また、本発明においてアイ開口率算出のために行っている一連の処理は、信号分布空間上の位置ｘ（例えば時間、振幅、Ｉ，Ｑ座標、位相）に沿う信号点分布の統計的集計処理であり、波形データの解析を伴わない。従って、従来の定量的ではあるが波形解析を伴うアイ開口率算出手法に比べ、安価な実施が可能で、保守点検等の用途に適した回路が得られる。
【０００７】
また、分布値αを導出するための積分処理は、カウンタ等を利用して簡便に実現できる。例えば、分布算出回路を、理想信号点を含む所定の範囲（但し信号点間隔Ａより狭いものとする）内に入る入力信号の個数を計数するカウンタと、このカウンタによる計数値を所定入力信号個数毎にリセットする手段とにより実現する。この分布算出回路は、リセットされる直前におけるカウンタの計数値を分布値αとして出力する。更に、このカウンタの計数対象は、領域判定回路により指定すればよい。この領域判定回路は、例えば、入力信号の中から理想信号点の前後Ａ／ｋの範囲内に存する信号を検出し、分布算出回路内のカウンタに対して計数対象として指定する。
【０００８】
また、入力信号に加わっている雑音が主としてホワイトノイズ等のガウス雑音であり、フェージング等の歪みが加わっていない場合、入力信号の確率密度関数ｐ（ｘ）は、位置ｘについてほぼガウス分布を示す。即ち、この場合の確率密度関数ｐ（ｘ）は、ほぼ、次の式
【数３】

で表される形となり、その積分である確率分布関数Ｐ（ｘ）は、ほぼ、次の式
【数４】

となる。この場合を含め、入力信号の確率密度関数ｐ（ｘ）が位置ｘに沿い理想信号点に対してほぼ対称な波形を有する場合には、分布算出回路における確率密度関数ｐ（ｘ）の積分範囲を、理想信号点の前後Ａ／ｋ（ｋ：定数）の範囲に設定するのが望ましい。この設定下では、波形の対称性から
【数５】
Ｐ（＋Ａ／ｋ）＋Ｐ（−Ａ／ｋ）＝１
で示す関係が成り立つと同時に、定積分の定義から
【数６】
α＝Ｐ（＋Ａ／ｋ）−Ｐ（−Ａ／ｋ）
の関係が成り立つ。これを利用すれば、分布値αから分散σを導出するための論理を簡単なものにすることができる。即ち、確率密度分布がガウス分布である場合を例として述べると、次の式
【数７】

に示される関係に従い分布値αから分散σを導出することができる。特に、この関係を分散算出回路内のメモリに蓄えておき、メモリ上の情報を分布値αにより参照して分散σを求める、という実施形態を採ることにより、回路の構成を関すにすることができる。
【０００９】
更に、ディジタル無線伝送では、送信元でディジタル変調され周波数変換された信号が、無線伝送路及びこれに付随する各種の回路・装置（以下単に「無線伝送路」）を介して受信側の無線設備に伝達され、当該無線設備において周波数変換されディジタル復調される。本発明の代表的な用途のひとつは、この受信側の無線設備における受信信号のアイ開口率を保守点検等のため計測する、という用途である。この種の無線設備への入力信号たる受信信号には、通常、無線伝送路におけるフェージング等の影響により歪みが現れている。かかる歪みが生じていると、受信信号の分布はガウス分布と見なせない分布となる。しかし、復調信号品質の維持向上等のためその無線設備に波形歪等化器が設けられている場合には、その波形歪等化器により歪が等化・補償されているため、波形歪等化器を経由してほぼガウス分布と見なせる分布の信号が得られる。本発明の好適な実施形態では、この信号を入力してアイ開口率Ｍを検出する。従って、本発明を、本来は他の目的で設けられている波形歪等化器の出力がほぼガウス分布であることを利用し、アイ開口率の簡便な自動計測を実現した発明である、とも捉えることができる。
【００１０】
更に、アイ開口率は、
【数８】
Ｍ＝（Ａ−２・σ）／Ａ
等の形で定義する。特に注目すべき点は、この式が信号点間隔Ａとの比率を表す式であること、またこの式の分子がアイ開口を示す指標でありかつ分散σを含んでいることである。開口率算出回路は、この定義に従いアイ開口率Ｍを求める。アイ開口率Ｍを求める演算はこのような単純なものとすることができるため、本発明は、従来の回路に比べて簡便に従って低コストで実施できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態に関し図面に基づき説明する。なお、実施形態間で共通の又は対応する部材については同一の符号を付し、重複した説明を避けることとする。
【００１２】
まず、フェージング等による歪が概ね生じていない場合或いは受信後に波形歪等化処理が施されている場合は、ディジタル多重無線装置等における受信信号値は、ほぼ、送信信号値に加えガウス雑音により決まる傾向で分布する。従って、この場合における信号点の分布は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ガウス分布となる。図中、横軸は信号分布空間上の位置ｘ、例えば位相平面上での位置である。縦軸は信号値、例えば信号のレベル或いは信号の位相である。Ａは隣り合う信号点の間隔であり、その値は変調方式により設計的に決まる。σはガウス雑音により決まる分散であり、未知数である。
【００１３】
図１（Ａ）及び（Ｂ）の記載から明らかなように、理想的な信号点の位置に対する実際の受信信号値の偏差が大きいほど、アイパターンの開口が狭くなる。より具体的には、図中左側の信号点の理想的な位置（ｘ＝０）から図中右側の信号点の理想的な位置（右側の点を基準にするとｘ＝Ａ）までの間隔は設計的に定まるＡであるが、ガウス雑音による信号値のばらつき・分布が生じているため、オシロスコープの画面上に表示されるアイパターンの開口は信号点間隔Ａよりも狭くなるはずである。
【００１４】
そこで、ここでは、アイパターンの開口に連動する数値としての“間隔”を、信号点間隔Ａよりも狭い値をとりかつ分散σを反映する値であるＡ−２σにより定義する。更に、アイパターンのアイ開口率Ｍを、信号点間隔Ａに対するこの“間隔”Ａ−２σの比率により定義する。即ち、アイ開口率Ｍを、
【数８】
Ｍ＝（Ａ−２σ）／Ａ
又はその百分率である
【数９】
Ｍ＝（Ａ−２σ）／Ａ・１００
により定義する。一見して明らかなごとく、この定義によるアイ開口率Ｍは、定量的評価が可能な指標を提供し、また、オシロスコープ間隔を不要化し或いはその必要性を薄めるものである。更に、この定義によるアイ開口率Ｍは、各信号点について受信信号値（より一般には入力信号値）に関する統計的集計を実行することにより簡便に得ることができる。波形データの解析は必要でない。
【００１５】
上式に従いアイ開口率Ｍを求めるには、設計的に与えられる定数である信号点間隔Ａに加え、分散σが必要である。分散σを求めるに際しては、ここで想定しているガウス分布が、理想的な信号点位置を中心に位置ｘについて対称であることを、利用することができる。
【００１６】
まず、ｘ＝−Ａ／ｋ（ｋ：正定数）からｘ＝＋Ａ／ｋの範囲に亘り、即ち理想的な信号点位置の前後Ａ／ｋの範囲に亘り、確率密度関数ｐ（ｘ）を積分した値（以下「分布値」）αは、図１（Ｃ）中のハッチング部分の面積であり、従って確率分布関数Ｐ（ｘ）を用いて
【数１０】

と表すことができる。また、ガウス分布は上述のような対称分布であるから、
【数１１】
Ｐ（＋Ａ／ｋ）＋Ｐ（−Ａ／ｋ）＝１
が成り立つ。従って、これらの式から、
【数１２】

の関係が得られる。
【００１７】
また、ガウス分布に係る確率密度関数ｐ（ｘ）は次の式
【数１３】

で表される形式を有しており、従って位置ｘについてのその積分である確率分布関数Ｐ（ｘ）は次の式
【数１４】

で表される形式を採る。この確率分布関数Ｐ（ｘ）の式に上述のＰ（−Ａ／ｋ）又はＰ（＋Ａ／ｋ）の値を代入することにより、次の式
【数１５】

が得られる。この式に現れる記号のうち、Ａ及びｋは既知の定数であるため、分布値αを求めこの式に代入することにより分散σを得ることができる。或いは、この式に表されている関係をテーブル化しメモリに蓄えそれを分布値αにて参照するようにすれば、更に簡便にかつ高速に分散σを得ることができる。分散σが得られれば、先に示した定義式によりアイ開口率Ｍを得ることができる。なお、分布値αは、確率密度関数ｐ（ｘ）の定積分、例えば信号分布の計数により得ることができる。
【００１８】
図２及び図３に、この原理を用いアイ開口率Ｍを算出・表示する回路を示す。図２に示す回路においては、図示しない前段の回路において周波数変換された受信信号（「復調信号」）が、シンボルクロック発生器１２から供給されるシンボルクロックに同期して、Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタルデータに変換される。伝送路にて無視し得ない歪が発生する用途では、好ましくは、図３に示すようにＡ／Ｄ変換器１０の出力を復調機２８内の波形歪等化器３０を通し、それによって歪を等化・補償して、ほぼガウス分布と見なしうる確率密度分布を有するディジタルの復調信号を得る。これによって、フェージング伝送路にも対処できる。
【００１９】
更に、（歪等化後の）ディジタルの復調信号は、領域判定回路１４を介し、分布算出回路１６内のカウンタ２０に供給される。分布算出回路１６内のカウンタ１８及び２０はシンボルクロックに同期して計数動作を実行するカウンタである。カウンタ１８は所定期間に亘りシンボルクロックを計数し、その計数値（入力信号が定速なら所定入力信号個数と等価）が所定値に至った時点で、自らの計数値及びカウンタ２０による計数値を０にリセットする。即ち、カウンタ１８は所定個数の入力信号を計数する毎にカウンタ２０に対してリセット信号を供給する手段であるといえる。カウンタ２０は、このリセット信号が供給されてから次に供給されるまでの間、領域判定回路１４により指定された範囲に属する復調信号の個数を計数する。領域判定回路１４は、復調信号が先に述べた範囲ｘ＝−Ａ／ｋからｘ＝＋Ａ／ｋに属するか否かを判定し、属すると判定した場合にカウンタ２０に対し計数対象として指定する回路である。従って、カウンタ１８からのリセット信号に応じてリセットされる直前におけるカウンタ２０による計数値は、分布値αを与える数値となる。
【００２０】
分散算出回路２２は、カウンタ２０により得られる分布値αから分散σを算出する。そのため、分布値αと分散σとを対応付ける情報例えば変換テーブルをその内蔵メモリ上に保持している。分散σを求めるに際しては、分布値αによりこの情報を参照する。開口率算出回路２４は、このようにして得られる分散σからアイ開口率Ｍを求める。開口率算出回路２４は、分散σとアイ開口率Ｍとを対応付ける情報例えば変換テーブルをその内蔵メモリ上に保持しており、アイ開口率Ｍを求めるに際しては分散σによりこの情報を参照する。開口率表示回路２６は例えば各７セグメントを有する２桁の表示装置、例えば液晶等により構成され大きな設置スペースを必要としない小型の表示装置であり、開口率算出回路２４により得られるアイ開口率Ｍを例えば百分率で表現・表示する。
【００２１】
図４に示したのは、図２に示した回路を直交変調向けに変形した例である。この図に示す回路は、大まかには、Ｉ相の復調信号（復調同相信号）及びＱ相の復調信号（復調直交信号）各々に対応して図２と同様の回路機能を設けたものである。但し、Ｉ，Ｑの各相で共用できるシンボルクロック発生器１２やカウンタ１８については共用化している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す図であり、（Ａ）は隣接する信号点の間隔及びその確率密度を示す図、（Ｂ）は同じく確率分布を示す図、（Ｃ）は分布値の定義を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る回路の構成を示すブロック図である。
【図３】この実施形態に係る回路の入力段の構成をより詳細に示すブロック図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１４領域判定回路、１６分布算出回路、１８，２０カウンタ、２２分散算出回路、２４開口率算出回路、２６開口率表示回路、２８復調器、３０波形歪等化器、Ａ信号点間隔、ｋ定数、ｐ（ｘ）確率密度、Ｐ（ｘ）確率分布、α 分布値、σ 分散。

Claims

入力信号のアイ開口率Ｍを自動測定する回路において、
信号点間隔Ａより狭く定められておりかつ理想信号点を含む範囲に亘り、信号分布空間上の位置ｘに沿って入力信号の確率密度関数ｐ（ｘ）を積分することにより、その範囲における信号点の確率分布を示す分布値αを検出する分布算出回路と、
検出した分布値α及び信号点間隔Ａに基づき位置ｘについての信号点の分散σを検出する分散算出回路と、
これら分散σ及び信号点間隔Ａに関する情報に基づきアイ開口率Ｍを求める開口率算出回路とを、
備えることを特徴とする回路。
請求項１記載の回路において、
分布算出回路が、理想信号点を含む上記範囲に入る入力信号の個数を計数するカウンタと、このカウンタによる計数値を所定入力信号個数毎にリセットする手段とを有し、リセットされる直前における上記計数値を分布値αとして出力することを特徴とする回路。
請求項２記載の回路において、
入力信号の中から理想信号点を含む上記範囲内に存する信号を検出し、分布算出回路内のカウンタに対して計数対象として指定する領域判定回路を備えることを特徴とする回路。
請求項１乃至３のいずれか記載の回路であって、入力信号の確率密度関数ｐ（ｘ）が位置ｘに沿い理想信号点位置に対してほぼ対称な波形を有する場合に使用される回路において、
分布算出回路における確率密度関数ｐ（ｘ）の積分範囲が、理想信号点の前後Ａ／ｋ（ｋ：定数）の範囲に設定されていることを特徴とする回路。
請求項４記載の回路であって、入力信号の確率密度関数ｐ（ｘ）が位置ｘについてガウス分布を示している場合に使用される回路において、
分散算出回路における分散σの算出が、

の式で表される分布値α対分散σの関係を記憶したメモリを参照することにより、行われることを特徴とする回路。
請求項４又は５記載の回路において、
入力信号として、伝送路におけるフェージング等による歪が等化されその確率密度関数ｐ（ｘ）がほぼガウス分布に係る関数であると見なせる信号を、入力することを特徴とする回路。
請求項１乃至６のいずれか記載の回路において、
開口率算出回路が、設計的に定まる信号点間隔Ａに対する比率を示す次の式

に従いアイ開口率Ｍを求めることを特徴とする回路。