JP4091580B2 - Ｏｆｄｍ受信装置及びｏｆｄｍ受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムで使用する受信装置に関し、特に複数チャネルを同時に受信するＯＦＤＭ受信装置に関する。

無線信号が建物の壁などに反射されるため、無線伝搬は厳しい伝搬歪み（フェージング：fading）を受ける環境下にある。したがって、複数のアンテナを用いて受信性能を向上することができるダイバーシティ受信装置、アダプティブアレイ受信装置など、伝搬歪みに強い受信方式が検討されている。また、さらに厳しい伝搬歪みが存在しても高速伝送を行えるＭＩＭＯ（Multi-input Multi-output）伝送が注目されている。
これらのシステムでは、受信装置は、複数のアンテナ、複数の無線部、複数のＡ／Ｄ変換器を備え、それぞれのアンテナで受信した受信信号を前記複数のＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換した後、ディジタル信号処理により様々な方法で伝搬歪みを補償する。しかし、この受信装置は、複数の無線部、複数のＡ／Ｄ変換器を必要とし、これらの実装面積が大幅に増加してしまう問題がある。

この問題を解決するために、複数アンテナの各受信信号の中心周波数を少しずつ、ずらして合成し、一括してＡ／Ｄ変換する受信装置が提案されている。この受信装置によれば、必要とされるＡ／Ｄ変換器の個数を大幅に削減することができるため、実装面積を小さくすることができる。
しかし、複数チャネルの受信信号を合成すると、合成した受信信号の位相関係が同相となった場合にピーク振幅が大きくなる可能性がある。ＯＦＤＭ信号は、特にもともとピーク振幅が大きいため、複数チャネルを合成することによりピーク振幅が著しく大きくなる可能性がある。ピーク振幅が大きくなると、Ａ／Ｄ変換器の所要ダイナミックレンジを大きくする必要があり、ダイナミックレンジを大きくした分の消費電力が増加してしまうという問題がある。

この問題を解決するために、ＯＦＤＭ信号のピーク振幅を低減する装置として、送信側で送信波形のピーク振幅を測定し、ピーク振幅が大きいときには各サブキャリアから生成される時間波形を回転させてピーク振幅を低減する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１０７３４５号公報

しかし、受信側において複数のアンテナで受信した信号を合成する場合にピーク電力を低減する方法は提案されていない。このように、従来の複数チャネルを一括してＡ／Ｄ変換するＯＦＤＭ受信機では、複数チャネルの受信信号が同相で合成されるとピーク振幅が著しく大きくなるという問題がある。

この発明は、上記問題点に鑑み、複数チャネルを一括してＡ／Ｄ変換するＯＦＤＭ受信機において、ピーク振幅を低減しＡ／Ｄ変換器の所要ダイナミックレンジを削減することができるＯＦＤＭ受信装置を提供することを目的とする。

本発明のＯＦＤＭ受信装置によれば、複数のアンテナ及び複数の周波数変換手段を使用してＯＦＤＭ信号を受信するＯＦＤＭ受信装置において、アンテナ及び当該アンテナから取得した信号の周波数を変換する周波数変換手段を含む受信手段を複数有する受信手段群と、前記複数の受信手段により受信された信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された信号をディジタル信号に変換するディジタル変換手段と、前記加算手段により加算された信号の振幅値若しくは電力値を閾値と比較する比較手段と、前記受信手段と前記加算手段との間に配設され、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記複数の受信手段からの複数の出力信号の内、少なくともいずれか１つの位相を変更する位相変更手段を具備することを特徴とする。

本発明のＯＦＤＭ受信方法によれば、複数のアンテナ及び複数の周波数変換手段を使用してＯＦＤＭ信号を受信するＯＦＤＭ受信方法において、アンテナ及び当該アンテナから取得した信号の周波数を変換する周波数変換手段を含む受信手段を複数有する受信手段群で、アンテナから取得した信号の周波数を変換し、前記複数の受信手段により受信された信号を加算し、前記加算された信号をディジタル信号に変換し、前記加算された信号の振幅値若しくは電力値を閾値と比較し、前記振幅値若しくは電力値と前記閾値との比較結果に基づいて、前記複数の受信手段からの複数の出力信号の内、少なくともいずれか１つの位相を変更することを特徴とする。

本発明のＯＦＤＭ受信装置によれば、複数チャネルを一括してＡ／Ｄ変換するＯＦＤＭ受信機において、ピーク振幅を低減しＡ／Ｄ変換器の所要ダイナミックレンジを削減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るＯＦＤＭ受信装置及びＯＦＤＭ受信方法について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態のＯＦＤＭ受信装置は、図１に示すように、複数のアンテナ１０１〜１０４、各アンテナに対応して１つずつ設けられた周波数変換部１０５〜１０８、合成部１０９、Ａ／Ｄ変換部１１０、直交復調部１１１、復調部１１２、比較部１１３を備えている。

複数のアンテナ１０１〜１０４は、ＯＦＤＭ信号を受信するためのアンテナである。アンテナ１０１〜１０４で受信された受信信号は、それぞれ異なる伝搬環境により異なる無線歪みを受けている。本実施形態ではアンテナ本数は４本として説明するが、本数は４本にこだわらず複数本であればよい。

周波数変換部１０５〜１０８は、それぞれアンテナ１０１〜１０４に接続して各アンテナが受け取った受信信号をＩＦ（intermediate-frequency）信号に周波数変換する。各周波数変換部１０５〜１０８は、互いの受信信号が重ならないように、ＩＦ信号の中心周波数をずらして設定する。この中心周波数をずらす量は、通信方式と無線機の能力に依るが、一般的には一括してＡ／Ｄ変換するので余り周波数が離れすぎない方が好ましく、通常はチャネル間隔程度ずらす。この設定により複数の受信信号を干渉させることなく合成でき、一括してＡ／Ｄ変換することができるようになる。

合成部１０９は、各周波数変換部１０５〜１０８が周波数変換した信号の全てを入力し合成する。この合成時に合成部１０９は、各周波数変換部１０５〜１０８からの各入力信号の位相を回転させ全ての入力信号を加算する。この処理により複数の受信信号を合成した後の信号のピーク振幅を低減することができるので、一括してＡ／Ｄ変換することができるようになる。合成部１０９の詳細は後に図２を参照して説明する。

Ａ／Ｄ変換部１１０は、合成部１０９の出力信号を入力し、この入力信号をディジタル信号に変換する。合成部１０９の出力信号はピーク振幅が低減されているため、Ａ／Ｄ変換部１１０の所要ダイナミックレンジは、アンテナ本数が１本の時よりも大幅に増加させる必要は無くなる。したがって、余計な消費電力が掛からなくて済む。

直交復調部１１１は、Ａ／Ｄ変換部１１０の出力信号であるディジタル信号を入力して、ディジタル信号をＩ／Ｑ信号に分離してベースバンド信号を得る。分離する場合、１本のアンテナからの信号は直接ベースバンド波形を得ることができるが、残りの３本のアンテナからの信号はＩＦ信号の中間周波数がずれているためにさらに周波数変換を行う。すなわち、直交復調部１１１は、残りの３本のアンテナからの信号を、ＩＦ信号の周波数分だけ周波数変換した後に、各信号のチャネルが重ならないようにさらにそれぞれ異なる周波数変換を行う。ここで、各信号にＩＦ信号信号の周波数分だけ周波数変換した後の各信号の周波数は異なるので、この周波数変換後に各信号に行う周波数変換はそれぞれ異なる。このようにして、直交復調部１１１は、４本のアンテナからの全ての信号をベースバンド信号に変換する。

復調部１１２は、同期処理、ＯＦＤＭ信号復調のためのＦＦＴ処理、歪み補正処理などを行う。また、復調部１１２は、合成部１０９から、各アンテナに対応する位相回転の変化量を受け取ることにより、位相回転量を考慮した歪み補正を行う。これにより、合成部１０９が受信途中で位相回転量を変えた場合でも位相回転量を考慮した歪み補正を行うことができる。また合成部１０９は、位相回転量が変化したことのみを復調部１１２に通知しても良い。この場合、復調部１１２は、位相回転量の変化をトリガにして歪み補正量を再計算することができる。

比較部１１３は、例えばシンボル単位で合成部１０９の出力信号の振幅値若しくは電力値を読み込んで、予め設定しておいた閾値と比較し、閾値よりも大きいときにはピーク振幅が大きいと判断し、合成部１０９の各アンテナに対応する位相回転量を決定する。予め設定しておいた閾値としては、例えば図１のＡ／Ｄ変換部１１０が飽和しないレベルとする。比較部１１３は、各アンテナ１０１〜１０４に対応する信号ごとに位相回転量を決定する。位相回転量は、予め決められたパターンを順番に切り替えても良いし、ランダムに切り替えても良い。また、比較部１１３は、位相回転量の決定をパケットごとに行ってもよい。
比較部１１３はＡ／Ｄ変換器を含んでいる。比較部１１３内のＡ／Ｄ変換器はＡ／Ｄ変換部１１０よりは低い精度でも実用に耐えると期待できるので、比較部１１３内のＡ／Ｄ変換器はＡ／Ｄ変換部１１０よりも量子化ビット幅を小さく設定してもよい。この結果、ＯＦＤＭ受信装置の回路規模を小さくすることができ、さらにＯＦＤＭ受信装置の消費電力も小さくすることができる。

次に、合成部１０９の詳細を図２を参照して説明する。
合成部１０９は、各周波数変換部１０５〜１０８の各出力信号をそれぞれ入力する位相回転制御部２０１〜２０４、各位相回転制御部２０１〜２０４が出力した各信号を加算する加算部２０５を備えている。

各位相回転制御部２０１〜２０４は、比較部１１３で決定された、各アンテナ１０１〜１０４に対応する信号ごとの位相回転量をそれぞれ入力して、これらの位相回転量にしたがって各入力信号の位相を回転する。

位相回転制御部２０１〜２０４が位相を回転させるときの大きさは、位相回転制御部２０１〜２０４の全てが同じ場合には合成部１０９の出力信号の振幅値若しくは電力値のピーク振幅には変化がない。このため位相回転制御部２０１〜２０４は、全てが同じ位相だけ回転しないようにする。また、位相回転制御部２０１〜２０４は、必ずしも全てが位相を回転させる必要はない。

また、位相回転制御部２０１〜２０４は、それぞれ復調部１１２に位相回転量を出力する。

加算部２０５は、各位相回転制御部２０１〜２０４の出力信号を入力して、これらの信号を加算する。また、加算部２０５は、加算した信号をＡ／Ｄ変換部１１０及び比較部１１３に出力する。

上記の例では比較部１１３が位相回転量を決定して合成部１０９へ出力した。しかし、これに限らず比較部１１３は、例えばシンボル単位で合成部１０９の出力信号の振幅値若しくは電力値を読み込んで、予め設定しておいた閾値と比較し、この比較結果を合成部１０９へ出力するようにしてもよい。即ち、比較部１１３は、閾値よりも大きいときにはピーク振幅が大きいと判断する。

この場合、合成部１０９内の位相回転制御部２０１〜２０４には、比較部１１３から比較結果のみが通知される。位相回転制御部２０１〜２０４は、比較部１１３から入力された比較結果が、合成部１０９の出力信号の振幅値若しくは電力値のピーク振幅が大きいことを示すとき（ピーク振幅が大きいと判断された場合）、これをトリガとして各入力信号の位相を回転させる。位相回転量については、位相回転制御部２０１〜２０４で個々に決めてもよいし、予め決められた手順に従って変えてもよい。

以上に説明した本実施形態のＯＦＤＭ受信装置及びＯＦＤＭ受信方法によれば、複数チャネルで受信した信号を一括してＡ／Ｄ変換するＯＦＤＭ受信機において、合成後の波形のピーク振幅を観測し、各受信信号に対して、ピーク振幅を低減するような位相回転を掛けることにより、Ａ／Ｄ変換器の所要ダイナミックレンジを低減することができる。また、本実施形態及び以下に説明する全ての実施形態のＯＦＤＭ受信装置は、送信装置は従来のままでも効果を奏する。

（第２の実施形態）
本実施形態のＯＦＤＭ受信装置は、合成部の構成のみが第１の実施形態と異なる。その他の装置部分は、第１の実施形態のＯＦＤＭ受信装置と同様である。第１の実施形態と同様な装置部分は説明を省略する。
本実施形態の合成部３１５は、図３に示したように、遅延部３０１〜３０４、位相回転制御部３０５〜３１２、加算部３１３，３１４を備えている。
遅延部３０１〜３０４は、それぞれ周波数変換部１０５〜１０８に接続し、周波数変換部１０５〜１０８からそれぞれ出力された周波数変換された信号を次段の位相回転制御部３０５〜３０８に出力するタイミングを遅延させる。この遅延する時間は、例えば、遅延部３０１〜３０４に信号が入力された時から比較部１１３が処理して位相回転制御部３０５〜３０８及び位相回転制御部３０９〜３１２に指示を出す時までの時間に設定する。すなわち、比較部１１３が位相回転量を決定するまで待機した上で位相回転制御部３０５〜３０８が入力信号の位相を回転する。このようにして位相回転を行えば、Ａ／Ｄ変換部１１０に入力される信号を全て適切な振幅に低減することができる。

各位相回転制御部３０５〜３１２は、比較部１１３で決定された、各アンテナ１０１〜１０４に対応する信号ごとの位相回転量をそれぞれ入力して、これらの位相回転量にしたがって各入力信号の位相を回転する。ただし、各アンテナに対応する信号に接続している位相回転制御部は同じ位相回転量に設定する。すなわち、位相回転制御部３０５と３０９、位相回転制御部３０６と３１０、位相回転制御部３０７と３１１、位相回転制御部３０８と３１２は、それぞれ同じ位相回転量にしたがって各入力信号の位相を回転する。
また、第１の実施形態の位相回転制御部２０１〜２０４と同様に、位相回転制御部３０５〜３０８は、それぞれ復調部１１２に位相回転量を出力する。若しくは位相回転量の変化を通知する。

加算部３１３は位相回転制御部３０５〜３０８からの４信号を入力し加算する。加算部３１４は位相回転制御部３０９〜３１２からの４信号を入力し加算する。そして、加算部３１３は加算した信号をＡ／Ｄ変換部１１０に出力し、加算部３１４は加算した信号を比較部１１３に出力する。

以上に説明した本実施形態のＯＦＤＭ受信装置及びＯＦＤＭ受信方法によれば、遅延部３０１〜３０４で遅延させた分だけ遅れて合成波形がＡ／Ｄ変換部１１０に入力されるので、比較部１１３によって先にピーク振幅判定された結果により、Ａ／Ｄ変換部１１０に入力する合成波形のピーク電力を低減することができる。換言すれば、本実施形態のＯＦＤＭ受信装置によれば、Ａ／Ｄ変換部１１０に入力する波形を遅延させることにより、わずかな遅延でピーク振幅低減処理を行うことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態のＯＦＤＭ受信装置は、復調部のみが第２の実施形態とは異なり、その他の装置部分は第２の実施形態と同様である。第２の実施形態と同様な装置部分は説明を省略する。本実施形態では、ＯＦＤＭ信号の特徴を利用して復調部が遅延部３０１〜３０４の遅延時間を調整する。
第２の実施形態では、比較部１１３でピーク振幅判定を行った後に、合成波形をＡ／Ｄ変換部１１０へ伝送することができるように合成部３１５でタイミングを調整を行う場合であったが、本実施形態ではＯＦＤＭ信号の復調処理タイミングを考慮してタイミングを調整して復調処理を行う。

復調部の説明に先立ち、ＯＦＤＭ信号の構成を図４を参照して説明する。図４は、ＯＦＤＭ信号の構成を示した図である。横軸は時間である。
ＯＦＤＭ信号は、図４に示したように、複数のＯＦＤＭシンボルで構成されている。各ＯＦＤＭシンボルは、先頭に遅延波を吸収するためのガードタイムという冗長区間を有している。本来は復調側ではガードタイムを除いた区間をＦＦＴウインドウとするのが理想であるが、通常は同期ずれ、フィルタなどの影響などを考慮して、ＯＦＤＭシンボルの中の適切な区間をＦＦＴウインドウとしている。本実施形態では、ＯＦＤＭシンボルのうちのガードタイムを除いた区間をＦＦＴウインドウとする。

次に、本実施形態のＯＦＤＭ受信装置を図５を参照して説明する。
復調部５１２は、同期処理によりＦＦＴウインドウのタイミングを知ることができる。したがって、復調部５１２は、復調部５１２のＦＦＴウインドウのタイミング情報を合成部３１５内の遅延部３０１〜３０４に通知すること（図示せず）によって、合成部３１５にＦＦＴウインドウ以外で位相回転量を切り替えさせることができる。

ＦＦＴウインドウ以外の区間は復調処理に用いられないので、この時間内に合成部３１５で変化させる位相回転量の切替えを行えれば復調処理に影響を与えずに済む。復調部５１２の同期処理によりＦＦＴウインドウであるタイミングが分かるので、復調部５１２のＦＦＴウインドウのタイミング情報を合成部３１５に通知する。合成部３１５はこの通知を受けてＦＦＴウインドウ以外で位相回転量を切り替える。

また、復調部１１２と同様に、復調部５１２は、同期処理、ＯＦＤＭ信号復調のためのＦＦＴ処理、歪み補正処理などを行う。また、復調部５１２は、合成部３１５から、各アンテナに対応する位相回転の変化量を受け取ることにより、位相回転量を考慮した歪み補正を行う。これにより、合成部３１５が受信途中で位相回転量を変えた場合でも位相回転量を考慮した歪み補正を行うことができる。

以上に説明した実施形態のＯＦＤＭ受信装置及びＯＦＤＭ受信方法によれば、このように位相回転量を切り替えるタイミングを復調に用いられない区間（本実施形態では、ガードタイム）に設定することにより、復調処理に負担を掛けることなくピーク振幅を低減することができる。

（第４の実施形態）
本実施形態のＯＦＤＭ受信装置は、比較部１１３を取り除き復調部を変更したことが第２の実施形態と異なり、その他の装置部分は第３の実施形態と同様である。第３の実施形態と同様な装置部分は説明を省略する。

本実施形態のＯＦＤＭ受信装置は、図６に示したように、復調部６１２から合成部３１５に２種類の情報が出力される。復調部６１２は、第３の実施形態で説明したタイミング情報を合成部３１５に通知すると共に、復調部６１２が予め設定しておいた閾値と比較し、閾値よりも大きい場合にはピーク振幅が大きいと判断する。すなわち、復調部６１２が比較部１１３が行っていた機能も行う。復調部６１２が予め設定しておいた閾値としては、例えば復調部６１２が本当に飽和してしまっている状態を検出するのであればＡＤ変換器のダイナミックレンジの最大値とする。しかし、通常は安全策をとり、少し小さめの値に設定する。
また、復調部１１２と同様に、復調部６１２は、同期処理、ＯＦＤＭ信号復調のためのＦＦＴ処理、歪み補正処理などを行う。また、復調部６１２は、合成部３１５から、各アンテナに対応する位相回転の変化量を受け取ることにより、位相回転量を考慮した歪み補正を行う。これにより、合成部３１５が受信途中で位相回転量を変えた場合でも位相回転量を考慮した歪み補正を行うことができる。

より詳細には、例えば、復調部６１２からタイミング情報を遅延部３０１〜３０４に出力し、合成部３１５にＦＦＴウインドウ以外で位相回転量を切り替えさせる。さらに、復調部６１２が予め設定しておいた閾値よりも大きい場合にはピーク振幅が大きいと判断し、合成部３１５の各アンテナに対応する位相回転量を決定する。復調部６１２は、各アンテナ１０１〜１０４に対応する信号ごとに位相回転量を決定する。

以上に説明した実施形態のＯＦＤＭ受信装置及びＯＦＤＭ受信方法によれば、比較部を新たに設けることなく復調部がピーク振幅値を求め、さらに復調部が位相回転量を切り替えるタイミングを復調に用いられない区間に設定することにより、復調処理に負担を掛けることなくピーク振幅を低減することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態にかかるＯＦＤＭ受信装置のブロック図。 図１の合成部のブロック図。 本発明の第２の実施形態での合成部のブロック図。 ＯＦＤＭ信号の構成を示す図。 本発明の第３の実施形態にかかるＯＦＤＭ受信装置のブロック図。 本発明の第４の実施形態にかかるＯＦＤＭ受信装置のブロック図。

符号の説明

１０１，１０２，１０３，１０４…アンテナ、１０５，１０６，１０７，１０８…周波数変換部、１０９，３１５…合成部、１１０…Ａ／Ｄ変換部、１１１…直交復調部、１１２，５１２，６１２…復調部、１１３…比較部、２０１，２０２，２０３，２０４，３０５，３０６，３０７，３０８，３０９，３１０，３１１，３１２…位相回転制御部、２０５，３１３，３１４…加算部、３０１，３０２，３０３，３０４…遅延部。

Claims (4)

1. 複数のアンテナ及び複数の周波数変換手段を使用してＯＦＤＭ信号を受信するＯＦＤＭ受信装置において、
   アンテナ及び当該アンテナから取得した信号の周波数を変換する周波数変換手段を含む受信手段を複数有する受信手段群と、
   前記複数の受信手段により受信された信号を加算する加算手段と、
   前記加算手段により加算された信号をディジタル信号に変換するディジタル変換手段と、
   前記加算手段により加算された信号の振幅値若しくは電力値を閾値と比較する比較手段と、
   前記受信手段と前記加算手段との間に配設され、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記複数の受信手段からの複数の出力信号の内、少なくともいずれか１つの位相を変更する位相変更手段を具備することを特徴とするＯＦＤＭ受信装置。
2. 前記比較手段は、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を含み、
   該Ａ／Ｄ変換手段の量子化ビット幅は、前記ディジタル変換手段の量子化ビット幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＯＦＤＭ受信装置。
3. 前記位相変更手段は、前記ＯＦＤＭ信号のガードタイム内で位相を変更することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＯＦＤＭ受信装置。
4. 複数のアンテナ及び複数の周波数変換手段を使用してＯＦＤＭ信号を受信するＯＦＤＭ受信方法において、
   アンテナ及び当該アンテナから取得した信号の周波数を変換する周波数変換手段を含む受信手段を複数有する受信手段群で、アンテナから取得した信号の周波数を変換し、
   前記複数の受信手段により受信された信号を加算し、
   前記加算された信号をディジタル信号に変換し、
   前記加算された信号の振幅値若しくは電力値を閾値と比較し、
   前記振幅値若しくは電力値と前記閾値との比較結果に基づいて、前記複数の受信手段からの複数の出力信号の内、少なくともいずれか１つの位相を変更することを特徴とするＯＦＤＭ受信方法。

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