JP4155585B2

JP4155585B2 - 変調装置、無線送信装置及び無線受信装置

Info

Publication number: JP4155585B2
Application number: JP2005053704A
Authority: JP
Inventors: 耕司秋田; 智哉堀口; 浩嗣小倉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: US7742517B2; US20060203759A1; JP2006238355A

Description

本発明は、符号分割多重方式を用いる変調装置、この変調装置を用いた無線送信装置及びこの無線送信装置から送信された信号を受信する無線受信装置に関する。

符号分割多重方式で変調された信号は、受信側において、複数のユーザの信号に分離できるとともに、複数のパスにも分離できる。このため、分離したパスの時間および位相を合わせて合成することにより等化処理を行うＲａｋｅ合成という手法がしばしば用いられる。このＲａｋｅ合成では、ハードウェア的な制約から、分離できるパス数に制限が出来てしまうため、これを超えるパス数が到来した場合には受信特性が劣化してしまうことが知られている。

一方、符号分割多重方式で変調された信号にＧＩ（ＧｕａｒｄＩｎｔｅｒｖａｌ：ガードインターバル）を付けて送信し、受信側ではこの信号をＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）により周波数軸の信号に変換し、周波数軸で等化をおこなう手法が知られている。この手法では、ＧＩの期間よりも短い遅延のパスを一度に合成できるため、到来するパス数が多いときにはＲａｋｅ合成よりも受信特性が良くなることが知られている（非特許文献１参照）。
ガーグ・ディープシカ、安達文幸，「ＤＳ−ＣＤＭＡにおけるチップインターリービングとＭＭＳＥ周波数等化の併用効果（Chip Interleaving for DS-CDMA with Frequency Domain Equalization in a frequency selective Rayleigh fading channel）」，信学技報，RCS2003-304，2004年3月，ｐ．７−１２

しかしながら、この周波数軸で等化する手法は、ＧＩを付けたことによりオーバヘッドが生じ、誤りが全く発生しなかった場合のスループットは減少してしまうというデメリットがある。このようなことから、パス数が多い時にはＧＩを付加して周波数領域での等化を行い、パス数が少ない時にはＧＩを付加せずＲａｋｅ合成（すなわち、時間軸領域での等化）を行うことが望ましい。しかし、符号分割多重方式により基地局装置で複数のユーザ用の信号を多重している場合にユーザ毎にＧＩの有り無しを混在してしまうと、符号の直交性がくずれてしまい特性が劣化してしまう。そのため、全てのユーザで合わせてＧＩの有り無しを切り替える必要がある。一方、全てのユーザ用の信号にＧＩを付加すると、Ｒａｋｅ合成を使って受信するユーザにとっては単にオーバヘッドが増加するだけになるのでスループットが劣化してしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、Ｒａｋｅ合成（時間軸領域での等化）を行う受信機と周波数領域での等化を行う受信機が混在する場合において、ユーザ毎にＧＩの有り無しを切り替えることなく、Ｒａｋｅ合成を行う受信機においてもスループットが落ちないようにした変調装置、この変調装置を用いた無線送信装置および無線受信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の変調装置は、情報ビットからなる複数個のシンボルでフレームを形成するビット列に、符号拡散を含む変調を施し、該フレームにガードインターバルを付加した信号を出力する変調装置において、前記ビット列のうち、前記ガードインターバルに対応するシンボルに対しては、第２のビットレートによる変調を行い、前記ガードインターバルに対応しないシンボルに対しては前記第２のビットレートより低い第１のビットレートによる変調を行うことを特徴とする。

また別の観点によれば本発明は、情報ビットからなる複数のシンボルでフレームを形成するビット列を一次変調した後、符号拡散による二次変調を施し、該フレームにガードインターバルを付加した信号を出力する変調装置において、前記ビット列のうち、前記ガードインターバルに対応するシンボルに対しては、第２のビットレートによる一次変調を行い、前記ガードインターバルに対応しないシンボルに対しては前記第２のビットレートより低い第１のビットレートによる一次変調を行うことを特徴とする。

また、本発明の無線送信装置は、上述した変調装置から出力される信号を無線信号に変換する無線部を具備することを特徴とする。

さらに、本発明は、情報ビットからなる複数個のシンボルでフレームを形成するビット列に、符号拡散を含む変調を施し、該フレームにガードインターバルを付加した信号を出力する変調装置から出力される信号を無線信号に変換する無線部を具備する無線送信装置から送信される信号を受信する無線受信装置において、受信した信号をベースバンドデジタル信号に変換する無線部と、前記無線部から出力された信号のガードインターバルに対応するシンボルを、フレームの先頭に加算したビット列を出力するガードインターバル加算装置と、前記ガードインターバル加算装置の出力のうち、前記第１のビットレートで変調された信号を第１のビットレートで復調し、前記第２のビットレートで変調された信号を第２のビットレートで復調する復調手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、ユーザ毎にガードインターバルの有り無しを切り替えることなく、Ｒａｋｅ合成を行う受信機においてスループットを低下させることがない。

発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、まず図２を用いて用語の説明をする。

「シンボル」とは変調を行う単位であり、１つのシンボルが複数の情報ビットを含んでいる。１シンボルあたりのビット数を変えるか、またはシンボルの長さを変えることにより、変調のビットレートを変えることが出来る。「フレーム」とは複数のシンボルのセットである。フレーム毎にガードインターバルを付加する。図２の例では、フレームは８つのシンボル（ｄ１・・・ｄ８）からなり、ガードインターバルとして１番目と２番目のシンボルがコピーされて付加されている。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１に本発明の変調装置の構成例を示す。

この変調装置１００は、送信する情報を示す情報ビットが入力され一時的に蓄積される情報ビット蓄積器１０１、情報ビット蓄積器１０１から出力される情報ビットを変調する変調器１０２ａと変調器１０２ｂ、変調された情報ビットにＧＩを付加するＧＩ付加器１０３、情報ビット蓄積器１０１からの出力を切り替えて変調器１０２ａまたは変調器１０２ｂに情報ビットを供給するスイッチ１０４、変調器１０２ａまたは変調器１０２ｂの出力をＧＩ付加器１０３に供給するスイッチ１０５、情報ビット蓄積器１０１・スイッチ１０４・スイッチ１０５のそれぞれを制御する制御器１０６より構成される。

各部の動作を説明する。

複数の情報ビットからなる情報ビット列は情報ビット蓄積器１０１に一旦蓄積される。

制御器１０６には、全ての情報ビット列を変調器１０２ａで変調する「方式１」と、ガードインターバルに対応するシンボルを変調器１０２ｂで変調し、残りのガードインターバルに対応しないシンボルを変調器１０２ａで変調する「方式２」のうち、どちらの方式で変調を行うかを示す情報（変調方式情報）が入力されている。

変調方式情報として、「方式１」を示す情報が入力されている場合、制御器１０６は、スイッチ１０４およびスイッチ１０５を変調器１０２ａ側に接続するよう制御信号を出す。さらに制御器１０６は、情報ビット蓄積器１０１から変調器１０２ａで変調されるビットレートに合わせて情報ビット列が出力されるように制御を行う。情報ビット蓄積器１０１から出力された情報ビット列（図３の（ａ）に示す）は、変調器１０２ａに入力され、変調が行われる。

変調器１０２ａでは、情報ビット列が一次変調され、さらに符号拡散による二次変調が行われる。変調された信号（図３の（ｂ）に示す）は、ＧＩ付加器１０３に入力される。ＧＩ付加器１０３では、フレーム長分だけ信号が入力されると、このフレームの先頭からＧＩ長分の信号をフレームの最後尾にコピーして付加する。こうしてＧＩを付加された信号（図３の（ｃ）に示す）が変調装置から出力される。このようにして行われる変調は、通常のガードインターバルを付加する変調と同じである。

一方、変調方式情報として「方式２」を示す情報が入力されている場合、制御器１０６はまず、スイッチ１０４およびスイッチ１０５を変調器１０２ｂ側に制御し、情報ビット蓄積器１０１から変調器１０２ｂで変調されるビットレートに合わせて情報ビット列が出力されるように制御を行う。その後、変調器１０２ｂにおけるガードインターバル長に相当する情報ビット列（図４の（ａ）に示す）が情報ビット蓄積器１０１から出力された段階でスイッチ１０４を変調器１０２ａ側に切り替える。そして、ガードインターバル長分の変調された信号（図４の（ｂ）に示す）が変調器１０２ｂから出力された段階で、スイッチ１０５を変調器１０２ａ側に切り替える。同様にして、変調器１０２ａにおけるフレーム長からＧＩ長を除いた長さに相当する情報ビット列（図４の（ｃ）に示す）が情報ビット蓄積器１０１から出力された段階でスイッチ１０４を変調器１０２ｂ側に戻す。また、フレーム長分の変調された信号（図４の（ｂ）と（ｄ）に示す）が変調器１０２ａおよび２から出力された段階で、スイッチ１０５を変調器１０２ｂ側に戻す。制御器１０６ではこれらの動作を時間とともに繰り返す。ＧＩ付加器１０３では、フレーム長分だけ信号が入力されると、このフレームの先頭からＧＩ長分の信号をフレームの最後尾にコピーして付加する。こうしてＧＩを付加された信号（図４の（ｅ）に示す）が変調装置から出力される。

変調器１０２ｂにおいても変調器１０２ａにおける動作と同様に、情報ビット列が一次変調され、さらに符号拡散による二次変調が行われる。変調器１０２ｂにおける変調ビットレートは、変調器１０２ａでの変調ビットレートよりも高く設定する。こうすることにより、ガードインターバルを付加したことによるスループットの低下を少なくする、もしくは無くすことが出来る。さらに、このようにして構成された信号は、「方式１」で変調された信号と符号分割多重する事が出来る。

「方式１」が選択される場合というのは、受信側が周波数領域での等化を行う場合である。一方、「方式２」が選択される場合というのは、受信側でＲａｋｅ合成（時間軸領域での等化）を行う場合である。通信相手の装置が、どちらの方式で等化を行うかを予め把握しておき変調方式を切り替える。通信相手がどちらの方式で等化を行うかは、通信相手との間で最初に通信チャネル確立する際などに把握しておけばよい。

本発明によれば、方式１による変調信号（図３の（ｃ））と方式２による変調信号（図４の（ｅ））は、ＧＩ付加前の信号が互いに直行するように拡散符号が選択されていれば、ＧＩ付加後の信号も互いに直交する関係になっている。ここで拡散符号が直交するとは、符号の相関値が０もしくは相対的に小さい値になることを意味している。符号Ａと符号Bの相関値とは、拡散率に応じた長さだけ符号Ａと符号Ｂの複素共役を掛け合わせて加算した値を表す。

上述のように、送信側で互いに直交するように拡散符号が選択されているので、受信側では方式１による変調信号（図３の（ｃ））と方式２による変調信号（図４の（ｅ））を分離でき、周波数領域での等化を行う受信機では、方式１による変調信号（図３の（ｃ））のみ復調できる。逆に、Ｒａｋｅ合成（時間軸領域での等化）を行う受信機では、方式２による変調信号（図４の（ｅ））のみ復調できるようになる。つまり、ＧＩを付加して送信しても符号の直交性は崩されることがない。

さらに、変調器１０２ｂでの変調ビットレートを変調器１０２ａでの変調ビットレートの２倍にすると、ガードインターバルのオーバヘッドが無かった場合と同じスループットを実現することが出来る。この理由を、図２を使用して説明すると、ＧＩを付加しないで全てのシンボルに１ビットの情報を埋め込んだ場合、１０シンボルで１０ビットの情報を送信することができる。一方、従来のようにビットレートを変えずにＧＩを付加した場合、ＧＩには情報が含まれないため１０シンボルで８ビットの情報しか送信できない。これに対し、本方式のようにＧＩに対応するシンボルを２倍のビットレートで変調すると、今回の例ではｄ１とｄ２のシンボルにそれぞれ２ビットの情報が埋め込まれるため、ｄ１とｄ１２で２×２＝４ビット、ｄ３からｄ８で１×６＝６ビット、計１０ビットとなり、ＧＩを付加しなかった場合と同じ情報量を送信できることになる。

上述した第１の実施形態の変形例を、図５を用いて説明する。図１と同一部分には同一の参照符号を附し、詳しい説明は省略する。図１に示した構成における変調器１０２ａおよび変調器１０２ｂにおける二次変調を行う符号拡散手段（図５では「拡散器１０７」）を両変調器共通にし、これをＧＩ付加器１０３の直前に１つ置く。このようにすると拡散器を１つにすることができるため、構成を簡易にすることが出来る。

次に、図６を用いて第１の実施形態の別の変形例を説明する。図１と同一部分には同一の参照符号を附し、詳しい説明は省略する。図１に示した構成における変調器１０２ａと変調器１０２ｂにおける一次変調を共通（図６では「変調器１０２１」）にし、二次変調を行う符号拡散手段を「方式１」用（「拡散器１０７ａ」）と「方式２」用（「拡散器１０７ｂ」）に分けて構成する。その際、「方式２」用の拡散器１０７ｂの拡散率を、「方式１」用の拡散器１０７ａの拡散率より大きくすることで、等価的に図１における変調器１０２ｂにおける変調ビットレートを、変調器１０２ａでの変調ビットレートよりも高く設定したのと同じになる。一次変調の部分を共通構成とすることで、構成を簡易にすることが出来る。

図７は、図１に示した変調装置を無線機（無線送信装置）に適用した例を示す。第１の実施の形態で説明した変調装置で変調された信号は、無線部１１０によって高周波の無線信号に変換される。この無線信号はアンテナにより電波として送信される。

図８は、図１に示した変調装置を例えば無線ＬＡＮやセルラーの無線基地局装置に適用したものである。無線基地局装置２００は複数の変調装置（２０１−１〜２０１−Ｎ：Ｎは自然数）を持ち、これらはそれぞれ通信相手のユーザに対応している。情報ビット生成器２０２では、送信の対象となるユーザ毎に情報ビット列が生成され、対応する変調装置に情報ビット列が入力される。方式切り替え器２０３では、送信の対象となるユーザ毎に適した方式を選択し（すなわち、前述の「方式１」，「方式２」の選択）、これを対応する変調装置（２０１−１〜２０１−Ｎ）に変調方式情報を入力する。各変調装置では、入力された情報ビット列を方式切り替え器２０３で選択された方式を使って変調された信号を作り、これを加算器２０４に出力する。ただしこのとき、各変調装置から出力される信号のフレームの境界を同期させる。加算器２０４では入力された信号をすべて加算し、これを無線部２０５に出力する。無線部２０５では入力された信号を無線信号に変換し、アンテナにより電波として送信する。

方式切り替え器２０３における方式の選択は、ユーザ（通信相手）からの要求に従って選択してもよい。こうすることにより、ユーザの状態または要求に従って方式を変えることができるため、ユーザ毎に適切な通信を行うことができる。

図９は、本発明の無線受信装置の構成例である。図９の無線受信装置３００は、図７に示した無線送信装置の逆の手順を行う。

アンテナから入力された信号は無線部３０１によりベースバンドデジタル信号に変換される。ＧＩ合成器３０２では、ガードインターバルと、フレームの先頭を合成する。図１０、図１１はその様子を示す模式図である。図１０は前述した「方式１」によって変調された信号が入力された場合を示し、図１１は前述した「方式２」によって変調された信号が入力された場合を示す。図１０（ａ），図１１（ａ）に示す変調された信号は、ＧＩ合成器３０２においてガードインターバルと、フレームの先頭が合成される。ガードインターバルはフレームの先頭をフレームの最後にコピーして付加したものであるため、合成することによりＳＮＲ（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）が改善されたものになる。ＧＩを合成した信号（図１０（ｂ），図１１（ｂ）で示す）は復調器に入力される。このとき、方式によりスイッチの動作が異なり、これを制御器３０３が制御する。以下では方式ごとに説明する。

「方式１」の場合は、スイッチ３０４およびスイッチ３０５の両方はつねに復調器３０６ａ側に接続される。

一方、「方式２」が選ばれた場合、制御器３０３はまず、スイッチ３０４およびスイッチ３０５を復調器３０６ｂ側に接続する。その後、ガードインターバル長分の信号（図１１（ｂ）における「ＧＩ長分の信号」）が復調器３０６ｂに入力された段階でスイッチ３０４を復調器３０６ａ側に切り替える。また、ガードインターバル長分の復調された信号が復調器３０６ｂから出力された段階で、スイッチ３０５を復調器３０６ａ側に切り替える。同様にしてフレーム長からＧＩ長を除いた長さ分の信号が復調器３０６ａに入力された段階でスイッチ３０４を復調器３０６ｂ側に戻す。また、フレーム長分の復調された信号が復調器３０６ａおよび３０６ｂから出力された段階で、スイッチ３０５を復調器３０６ｂ側に戻す。制御器３０３ではこれらの動作を時間とともに繰り返す。

「方式２」でガードインターバルに対応するシンボル（図１１（ｂ）における「ＧＩ長分の信号」）のビットレートが高くなっている。ビットレートが高い分だけ同じ誤り率を達成するために必要なＳＮＲも同様に高くなる。このような構成を採ることにより、ガードインターバルに対応するシンボルのＳＮＲを改善することができるため、Ｒａｋｅ合成を行う受信機においてもスループットが落ちないことになる。

以上、本発明の実施例を詳細に説明したが、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。

本発明の変調装置の第１の実施例の構成例を示す図。ガードインターバル、フレームとシンボルを説明するための図。第１の実施例における方式１の動作を説明するための図。第１の実施例における方式２の動作を説明するための図。第１の実施例の変形例を示す図第１の実施例の別の構成例を示す図本発明の無線通信装置の構成例を示す図本発明の無線通信装置を無線基地局に応用した例を示す図。本発明の無線受信装置の構成例を示す図。本発明の無線受信装置の動作を説明するための図。本発明の無線受信装置の他の動作を説明するための図。

符号の説明

１００・・・変調装置、
１０１・・・情報ビット蓄積器
１０２ａ，１０２ｂ・・・変調器
１０３・・・ＧＩ付加器
１０４，１０５・・・スイッチ
１０６・・・制御器

Claims

情報ビットからなる複数個のシンボルでフレームを形成するビット列に、符号拡散を含む変調を施し、該フレームにガードインターバルを付加した信号を出力する変調装置において、
前記ビット列のうち、前記ガードインターバルに対応するシンボルに対しては、第２のビットレートによる変調を行い、前記ガードインターバルに対応しないシンボルに対しては前記第２のビットレートより低い第１のビットレートによる変調を行うことを特徴とする変調装置。
情報ビットからなる複数のシンボルでフレームを形成するビット列を一次変調した後、符号拡散による二次変調を施し、該フレームにガードインターバルを付加した信号を出力する変調装置において、
前記ビット列のうち、前記ガードインターバルに対応するシンボルに対しては、第２のビットレートによる一次変調を行い、前記ガードインターバルに対応しないシンボルに対しては前記第２のビットレートより低い第１のビットレートによる一次変調を行うことを特徴とする変調装置。
前記第２のビットレートは、第１のビットレートの２倍であることを特徴とする請求項１または２記載の変調装置。
請求項１または２の変調装置から出力される信号を無線信号に変換する無線部を具備することを特徴とする無線送信装置。
請求項１または２の変調装置を複数具備し、各変調装置における一次変調のビットレートを通信相手毎に個別に制御する方式切り替え手段と、前記複数の変調装置から出力される信号を加算する加算器と、加算器から出力される信号を無線信号に変換する無線部を具備することを特徴とする無線送信装置。
前記方式切り替え手段は、通信相手からの要求に応じて、対応する前記変調装置の一次変調のビットレートを制御することを特徴とする請求項５記載の無線送信装置。
情報ビットからなる複数個のシンボルでフレームを形成するビット列に、符号拡散を含む変調を施し、該フレームにガードインターバルを付加した信号を出力する変調装置から出力される信号を無線信号に変換する無線部を具備する無線送信装置から送信される信号を受信する無線受信装置において、
受信した信号をベースバンドデジタル信号に変換する無線部と、
前記無線部から出力された信号のガードインターバルに対応するシンボルを、フレームの先頭に加算したビット列を出力するガードインターバル加算装置と、
前記ガードインターバル加算装置で出力されるビット列のうち、
前記ガードインターバルに対応するシンボルに対しては、第２のビットレートで復調し、前記ガードインターバルに対応しないシンボルに対しては前記第２のビットレートより低い第１のビットレートで復調する復調手段とを具備することを特徴とする無線受信装置。