JP4329793B2 - 無線受信装置及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、周波数利用効率向上のため、複数偏波の信号を用いる無線通信システム及び該無線通信システムの無線受信装置に関する。

図２に示す様に、周波数利用効率向上のため、同一周波数の信号を複数の送受信アンテナで共有して送受信する無線通信システムが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。図２によると、無線通信システムは、送信局と受信局とを有し、送信局は、変調回路４０及び４１と、周波数変換回路４２及び４３と、送信アンテナ４４及び４５と、発振回路５６とを備え、受信局は、受信アンテナ４６及び４７と、周波数変換回路４８及び４９と、周波数誤差検出回路５０及び５１と、周波数誤差補償回路５２及び５３と、復調回路５４及び５５と、発振回路５７と、平均化回路５８と、干渉補償回路５９とを備えている。

続いて、上記無線通信システムの信号の流れについて説明する。送信局において、変調回路４０で変調された第１の送信信号は、周波数変調回路４２で周波数変換され、送信アンテナ４４から第１の送信無線信号として出力される。同様に、変調回路４１で変調された第２の送信信号は、周波数変調回路４３で周波数変換され、送信アンテナ４５から、第１の送信無線信号とは直交する偏波の第２の送信無線信号として出力される。ここで、周波数変換回路４２及び４３は、共に、発振回路５６の出力信号を周波数変換に使用している。

受信局において、受信アンテナ４６が受信する第１の受信無線信号は、周波数変換回路４８で第１の受信信号に周波数変換され、受信アンテナ４７が受信する第２の受信無線信号は、周波数変換回路４９で第２の受信信号に周波数変換される。送信局と同様に、周波数変換回路４８及び４９は、共に、発振回路５７の出力信号を周波数変換に使用している。

続いて、第１の受信信号の所望周波数からのずれ、つまり、周波数誤差が周波数誤差検出回路５０で検出され、第２の受信信号の周波数誤差が周波数誤差検出回路５１で検出される。ここで、送信局及び受信局では、それぞれ、単一の発振回路を参照して各信号の周波数変換を行うため、周波数誤差検出回路５０で検出される周波数誤差と周波数誤差検出回路５１で検出される周波数誤差は理想的には等しくなる。実際には、各信号が個別に雑音等の影響を受けており、これら個別に生じる影響を平滑化するため、周波数誤差検出回路５０及び５１が検出した周波数誤差は平均化回路５８で平滑化され、平均周波数誤差が、周波数誤差補償回路５２及び５３に出力される。

第１の受信信号に含まれる周波数誤差は、周波数誤差補償回路５２において、平均周波数誤差に基づき補償され、第２の受信信号に含まれる周波数誤差は、周波数誤差補償回路５３において、平均周波数誤差に基づき補償され、周波数誤差が補償された第１及び第２の受信信号が干渉補償回路５９に入力される。

干渉補償回路５９は、第１の受信信号に含まれる第１の送信信号と第２の送信信号を分離し、第２の受信信号に含まれる第１の送信信号と第２の送信信号を分離し、分離で得た各第１の送信信号を合成して第１の送信復元信号を出力し、同じく、分離で得た各第２の送信信号を合成して第２の送信復元信号を出力し、第１の送信復元信号は復調回路５４で、第２の送信復元信号は復調回路５５で復調処理が行われる。

淺井裕介、黒崎聰、杉山隆利、梅比良正弘、"ＳＤＭ−ＣＯＦＤＭシステムに適したＡＦＣ方式の提案"、信学技報、ＤＳＰ２００１−１４２、ＳＡＴ２００−１００、ＲＣＳ２００１−２００、ｐｐ．１２５−１３０、２００２年１月

図２の送信局を実現するために、独立した送信装置を２つ用いる場合を想定する。この場合のシステム構成を図３に示す。図２の構成においては、送信局の周波数変換回路４２及び４３は同一の発振回路５６を周波数変換処理に使用していたが、図３の構成においては、独立した送信装置を２つ用いるため、周波数変換回路４２が発振回路６０、周波数変換回路４３が発振回路６１と、異なる発振回路を周波数変換処理に使用することになる。

なお、この様な状況は、衛星通信では一般的である。通常の送受信装置はどちらか一方の偏波のみを使用することを前提として作りこまれているため、既存の装置を使用して偏波多重通信を実現する場合、送信局においては、図３に示す様に、独立した送信装置を２つ併用することとなる。

独立した送信装置を２つ用いる場合、周波数変換回路４２と周波数変換回路４３が異なる発振回路を周波数変換処理に使用するため、第１の送信無線信号と第２の送信無線信号の周波数も異なるものとなる。受信アンテナ４６が受信する第１の受信無線信号は、第１の送信無線信号と第２の送信無線信号が混在したものであり、よって、周波数変換回路４８における周波数変換後の第１の受信信号には、発振回路６０の周波数をｆ_ｔ１、発振回路６１の周波数をｆ_ｔ２、発振回路５７の周波数をｆ_ｒとすると、Δｆ_１＝ｆ_ｔ１−ｆ_ｒと、Δｆ_２＝ｆ_ｔ２−ｆ_ｒの、２つの周波数誤差を有する信号が混在することになる。同様に、周波数変換回路４９における周波数変換後の第２の受信信号にも、Δｆ_１＝ｆ_ｔ１−ｆ_ｒと、Δｆ_２＝ｆ_ｔ２−ｆ_ｒの、２つの周波数誤差を有する信号が混在することになる。周波数誤差検出回路５０及び５１は、２つの周波数誤差を含む信号からは、正しい周波数誤差を検出することができず、図３においては、周波数誤差検出回路５０は周波数誤差Δｆ_１´を、周波数誤差検出回路５１は周波数誤差Δｆ_２´を検出し、平均化回路５８は、周波数誤差Δｆ_１´と周波数誤差Δｆ_２´を平均化して、平均周波数誤差Δｆ_３を周波数誤差補償回路５２及び５３に出力する。

結果、周波数誤差補償回路５２及び５３は、平均周波数誤差Δｆ_３により周波数誤差の補償を行うため、周波数誤差補償回路５２が出力する信号には、Δｆ_４＝Δｆ_１−Δｆ_３と、Δｆ_５＝Δｆ_２−Δｆ_３の２つの異なる周波数誤差が含まれ、同様に、周波数誤差補償回路５３が出力する信号にも、Δｆ_４＝Δｆ_１−Δｆ_３と、Δｆ_５＝Δｆ_２−Δｆ_３の２つの異なる周波数誤差が含まれることになる。したがって、干渉補償回路５９は周波数誤差が残留した状態で伝搬路推定を行う必要がありその精度が劣化する。伝搬路推定精度の劣化に伴い、干渉補償精度も劣化し、最終的には復調される信号品質が劣化してしまうという問題がある。

したがって、本発明は、同一周波数帯の信号を異なる偏波により並列に伝送する無線システムにおいて、並列に伝送される無線信号の周波数が、互いに独立した発振回路の使用等により一致していない場合であっても、品質劣化を生じさせない無線受信装置及び無線通信システムを提供することを目的とする。

本発明における無線受信装置によれば、
第１のユニークワードを含む第１の送信信号を周波数変換した第１の送信無線信号と、第２のユニークワードを含む第２の送信信号を、第１の送信信号の周波数変換に使用した発振手段とは異なる発振手段で周波数変換した、第１の送信無線信号と同一周波数帯であり、第１の送信無線信号とは異なる偏波の第２の送信無線信号とを受信する無線受信装置であって、第１の受信アンテナと、第２の受信アンテナと、第１の受信アンテナが受信する、第１の送信無線信号及び第２の送信無線信号が混在する第１の受信無線信号を周波数変換して、第１の受信信号を出力する第１の受信周波数変換手段と、第２の受信アンテナが受信する、第１の送信無線信号及び第２の送信無線信号が混在する第２の受信無線信号を、第１の受信周波数変換手段が使用するのと同一の発振手段を用いて周波数変換して、第２の受信信号を出力する第２の受信周波数変換手段と、第１及び第２の受信信号に含まれる第１の送信信号が受けた第１の周波数誤差と、第１及び第２の受信信号に含まれる第２の送信信号が受けた第２の周波数誤差とを検出する周波数誤差検出手段と、第１の周波数誤差に基づき第１の受信信号の周波数補正を行うことにより、第１の受信信号に含まれる第１の送信信号の周波数を補償する第１の周波数誤差補償手段と、第１の周波数誤差に基づき第２の受信信号の周波数補正を行うことにより、第２の受信信号に含まれる第１の送信信号の周波数を補償する第２の周波数誤差補償手段と、第２の周波数誤差に基づき第１の受信信号の周波数補正を行うことにより、第１の受信信号に含まれる第２の送信信号の周波数を補償する第３の周波数誤差補償手段と、第２の周波数誤差に基づき第２の受信信号の周波数補正を行うことにより、第２の受信信号に含まれる第２の送信信号の周波数を補償する第４の周波数誤差補償手段と、第１の周波数誤差補償手段の出力と第１のユニークワードとの相関、第２の周波数誤差補償手段の出力と第１のユニークワードとの相関、第３の周波数誤差補償手段の出力と第２のユニークワードとの相関、及び、第４の周波数誤差補償手段の出力と第２のユニークワードとの相関に基づき伝搬路行列を算出し、該伝搬路行列に基づき、第１の受信信号と第２の受信信号から第１の送信信号と第２の送信信号を復元する干渉補償手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の無線受信装置における他の実施形態よれば、
第１の送信信号及び第２の送信信号は、それぞれ、無信号である区間を含み、周波数誤差検出手段は、第１の送信信号が無信号でなく、かつ、第２の送信信号が無信号である区間における第１の受信信号及び／又は第２の受信信号から、第１の周波数誤差を検出し、第１の送信信号が無信号であり、かつ、第２の送信信号が無信号でない区間における第１の受信信号及び／又は第２の受信信号から、第２の周波数誤差を検出することも好ましい。

また、本発明の無線受信装置における他の実施形態よれば、
周波数誤差検出手段は、干渉補償手段が復元した信号に基づき第１の周波数誤差及び第２の周波数誤差を検出することも好ましい。

本発明における無線通信システムによれば、
前記無線受信装置と、無線送信装置とを有する無線通信システムであって、無線送信装置は、第１の送信信号を周波数変換する第１の送信周波数変換手段と、第２の送信信号を、第１の送信周波数変換手段とは異なる発振手段を用いて周波数変換する第２の送信周波数変換手段と、周波数変換後の第１の送信信号を、第１の送信無線信号として送信する第１の送信アンテナと、周波数変換後の第２の送信信号を、第１の送信無線信号と直交する偏波の第２の送信無線信号として送信する第２送信アンテナとを備えていることを特徴とする。

互いに直交する偏波の送信信号の周波数誤差を個別に推定し、推定した周波数誤差で、受信信号をそれぞれ補償することで、抽出したい伝搬路行列成分の要素については、周波数誤差を補償した状態で推定が可能となり、異なる周波数誤差が混在する受信信号から干渉を精度良く補償することができる。よって、既存の装置を組み合わせることで、安価にかつ速やかに両偏波を使用した高速通信が可能となる。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による無線通信システムの構成図であり、無線通信システムは、無線送信装置と無線受信装置を含んでいる。図１によると、無線送信装置は、変調回路１１及び１２と、周波数変換回路１３及び１４と、発振回路１５及び１６と、送信アンテナ１７及び１８とを備えている。

周波数変換回路１３は、変調回路１１で変調された第１の送信信号を発振回路１５が出力する周波数ｆ_ｔ１の信号に基づき周波数変換し、送信アンテナ１７は、周波数変換された第１の送信信号を第１の送信無線信号として出力する。同様に、周波数変換回路１４は、変調回路１２で変調された第２の送信信号を発振回路１６が出力する周波数ｆ_ｔ２の信号に基づき周波数変換し、送信アンテナ１８は、周波数変換された第２の送信信号を、第１の送信無線信号とは直交する偏波の第２の送信無線信号として出力する。周波数変換回路１３と、周波数変換回路１４とは、異なる発振回路を使用して周波数変換を行うため、第１の送信無線信号と第２の送信無線信号の周波数は、一般的には一致せず、ずれが生ずることになる。ここで、第１の送信信号としては、図４（ａ）に示すフォーマットを使用し、第２の送信信号としては、図４（ｂ）に示すフォーマットを使用する。

また、図１によると、本発明による無線受信装置は、受信アンテナ１９及び２０と、周波数変換回路２１及び２２と、受信周波数誤差検出回路２００と、周波数誤差補償回路２５、２６、２７及び２８と、干渉補償回路３００と、復調回路３３及び３４と、発振回路３５とを備えており、受信周波数誤差検出回路２００は周波数誤差検出回路２３及び２４を有し、干渉補償回路３００は、ユニークワードマッチトフィルタ２９、３０、３１及び３２と、ＭＭＳＥ回路３６とを有している。

周波数変換回路２１は受信アンテナ１９が受信した第１の受信無線信号を、発振回路３５が出力する周波数ｆ_ｒの信号に基づき周波数変換して第１の受信信号を出力し、周波数変換回路２２は受信アンテナ２０が受信した第２の受信無線信号を、発振回路３５が出力する周波数ｆ_ｒの信号に基づき周波数変換して第２の受信信号を出力する。偏波間干渉により、第１の受信信号及び第２の受信信号には、それぞれ第１の送信信号と第２の送信信号が混在するため、両信号にはΔｆ_１＝ｆ_ｔ１−ｆ_ｒと、Δｆ_２＝ｆ_ｔ２−ｆ_ｒの２つの異なる周波数誤差が含まれることになる。

しかしながら、図４（ａ）及び（ｂ）に示す様に、第１の送信信号の第１のプリアンブルの期間と、第２の送信信号の無信号区間を重ならせ、第２の送信信号の第２のプリアンブルの期間と、第１の送信信号の無信号区間を重ならせているため、無線受信装置においては、第１のプリアンブルと第２のプリアンブルを混在無く受信することができ、第１の受信信号及び第２の受信信号は、それぞれ、図４（ｃ）及び（ｄ）に示す様になる。周波数誤差検出回路２３は、第１の受信信号及び／又は第２の受信信号の第１のプリアンブルの期間から周波数誤差Δｆ_１を検出して周波数誤差補償回路２５及び２７に通知し、周波数誤差検出回路２４は、第１の受信信号及び／又は第２の受信信号の第２のプリアンブルの期間から周波数誤差Δｆ_２を検出して周波数誤差補償回路２６及び２８に通知する。

周波数誤差補償回路２５は、周波数誤差Δｆ_１に基づき第１の受信信号の周波数補正を行い、周波数誤差補償回路２７は、周波数誤差Δｆ_１に基づき第２の受信信号の周波数補正を行い、周波数誤差補償回路２５及び２７は、理想的には完全に周波数補償された第１の送信信号と、Δｆ_２−Δｆ_１の周波数誤差が残留する第２の送信信号の混在信号を出力する。同様に、周波数誤差補償回路２６は、周波数誤差Δｆ_２に基づき第１の受信信号の周波数補正を行い、周波数誤差補償回路２８は、周波数誤差Δｆ_２に基づき第２の受信信号の周波数補正を行い、周波数誤差補償回路２６及び２８は、Δｆ_１−Δｆ_２の周波数誤差が残留する第１の送信信号と、理想的には完全に周波数補償された第２の送信信号の混在信号を出力する。

ユニークワードマッチトフィルタ２９は、第１のユニークワードに対するマッチトフィルタ処理を行い、周波数誤差補償回路２５で周波数補償された第１の受信信号に含まれる第１の送信信号の割合を意味する伝搬路行列成分ｈ_１１を抽出し、ユニークワードマッチトフィルタ３１は、第１のユニークワードに対するマッチトフィルタ処理を行い、周波数誤差補償回路２７で周波数補償された第２の受信信号に含まれる第１の送信信号の割合を意味する伝搬路行列成分ｈ_２１を抽出する。同様に、ユニークワードマッチトフィルタ３０は、第２のユニークワードに対するマッチトフィルタ処理を行い、周波数誤差補償回路２６で周波数補償された第１の受信信号に含まれる第２の送信信号の割合を意味する伝搬路行列成分ｈ_１２を抽出し、ユニークワードマッチトフィルタ３２は、第２のユニークワードに対するマッチトフィルタ処理を行い、周波数誤差補償回路２８で周波数補償された第２の受信信号に含まれる第２の送信信号の割合を意味する伝搬路行列成分ｈ_２２を抽出する。なお、第１のユニークワードと第２のユニーワードには相互の相関が低くなる様な値が選択される。

ユニークワードに対するマッチトフィルタ処理とは、ユニークワードと入力信号との相関を取る処理であり、入力信号中の、対象とするユニークワードが含まれている期間に極めて高い相関値が出力され、それ以外の期間では低い相関値が出力される。したがって、この高い相関値の振幅位相を検出し、閾値判定することで伝搬路行列を抽出することができる。従来技術においては、周波数誤差が補償されない段階でマッチトフィルタ処理を行うため、伝搬路行列を正しく検出できないことが干渉補償特性の劣化要因であったが、本発明においては、各マッチトフィルタの対象とするユニークワードを含む側の送信信号は、理想的には周波数誤差が完全に補償されているため、正しい伝搬路行列を検出することができる。

ＭＭＳＥ回路３６は、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）処理により、更なる干渉補償を行う場合に設け、最終的に干渉補償回路３００は、伝搬路行列に基づき、第１の受信信号及び第２の受信信号から、第１の送信信号を復元した第１の送信復元信号と、第２の送信信号を復元した第２の送信復元信号を出力し、復調回路３３は第１の送信復元信号の復調処理を、復調回路３４は第２の送信復元信号の復調処理を行う。上述した様に、本発明においては、周波数誤差の影響を排除した状態で伝搬路推定を行うので干渉を精度良く補償することができ、よって、復調回路３３及び３４において信号が正しく復調される。

なお、周波数誤差検出のためには、必ずしも図４に示すような送信信号を用いる必要はない。例えば、図５に示す様に、干渉補償回路３００が出力する第１の送信復元信号と、第２の送信復元信号をフィードバックして受信周波数誤差検出回路２００に供給すれば、第１の送信復元信号からΔｆ_１を、第２の送信復元信号からΔｆ_２を検出できる。また、マルチキャリ受信機を設けて各キャリアの周波数誤差を検出し、マルチキャリア受信機が、それぞれの無線受信装置の周波数誤差補償回路２５、２６、２７及び２８に周波数誤差を通知する構成であっても良い。

本発明による無線通信システムの構成図である。 同一周波数の信号を複数の送受信アンテナで共有して送受信する無線通信システムの従来技術による構成図である。 従来技術による問題点を説明する図である。 信号のフォーマットを示す図である。 本発明による無線受信装置の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１１、１２、４０、４１ 変調回路
１３、１４、２１、２２、４２、４３、４８、４９ 周波数変換回路
１５、１６、３５、５６、５７ 発振回路
１７、１８、４４、４５ 送信アンテナ
１９、２０、４６、４７ 受信アンテナ
２３、２４、５０、５１ 周波数誤差検出回路
２５、２６、２７、２８、５２、５３ 周波数誤差補償回路
２９、３０、３１、３２ ユニークワードマッチトフィルタ
３３、３４、５４、５５ 復調回路
３６ ＭＭＳＥ回路
５８ 平均化回路
５９ 干渉補償回路
２００ 受信周波数誤差検出回路
３００ 干渉補償回路

Claims (4)

1. 第１のユニークワードを含む第１の送信信号を周波数変換した第１の送信無線信号と、
   第２のユニークワードを含む第２の送信信号を、前記第１の送信信号の周波数変換に使用した発振手段とは異なる発振手段で周波数変換した、前記第１の送信無線信号と同一周波数帯であり、前記第１の送信無線信号とは異なる偏波の第２の送信無線信号とを受信する無線受信装置であって、
   第１の受信アンテナと、
   第２の受信アンテナと、
   第１の受信アンテナが受信する、前記第１の送信無線信号及び前記第２の送信無線信号が混在する第１の受信無線信号を周波数変換して、第１の受信信号を出力する第１の受信周波数変換手段と、
   第２の受信アンテナが受信する、前記第１の送信無線信号及び前記第２の送信無線信号が混在する第２の受信無線信号を、第１の受信周波数変換手段が使用するのと同一の発振手段を用いて周波数変換して、第２の受信信号を出力する第２の受信周波数変換手段と、
   前記第１及び第２の受信信号に含まれる前記第１の送信信号が受けた第１の周波数誤差と、前記第１及び第２の受信信号に含まれる前記第２の送信信号が受けた第２の周波数誤差とを検出する周波数誤差検出手段と、
   前記第１の周波数誤差に基づき前記第１の受信信号の周波数補正を行うことにより、前記第１の受信信号に含まれる前記第１の送信信号の周波数を補償する第１の周波数誤差補償手段と、
   前記第１の周波数誤差に基づき前記第２の受信信号の周波数補正を行うことにより、前記第２の受信信号に含まれる前記第１の送信信号の周波数を補償する第２の周波数誤差補償手段と、
   前記第２の周波数誤差に基づき前記第１の受信信号の周波数補正を行うことにより、前記第１の受信信号に含まれる前記第２の送信信号の周波数を補償する第３の周波数誤差補償手段と、
   前記第２の周波数誤差に基づき前記第２の受信信号の周波数補正を行うことにより、前記第２の受信信号に含まれる前記第２の送信信号の周波数を補償する第４の周波数誤差補償手段と、
   前記第１の周波数誤差補償手段の出力と前記第１のユニークワードとの相関、前記第２の周波数誤差補償手段の出力と前記第１のユニークワードとの相関、前記第３の周波数誤差補償手段の出力と前記第２のユニークワードとの相関、及び、前記第４の周波数誤差補償手段の出力と前記第２のユニークワードとの相関に基づき伝搬路行列を算出し、該伝搬路行列に基づき、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号から前記第１の送信信号と前記第２の送信信号を復元する干渉補償手段と、
   を備えていることを特徴とする無線受信装置。
2. 前記第１の送信信号及び前記第２の送信信号は、それぞれ、無信号である区間を含み、
   前記周波数誤差検出手段は、
   前記第１の送信信号が無信号でなく、かつ、前記第２の送信信号が無信号である区間における前記第１の受信信号及び／又は前記第２の受信信号から、前記第１の周波数誤差を検出し、
   前記第１の送信信号が無信号であり、かつ、前記第２の送信信号が無信号でない区間における前記第１の受信信号及び／又は前記第２の受信信号から、前記第２の周波数誤差を検出することを特徴とする請求項１に記載の無線受信装置。
3. 前記周波数誤差検出手段は、前記干渉補償手段が復元した信号に基づき前記第１の周波数誤差及び前記第２の周波数誤差を検出することを特徴とする請求項１に記載の無線受信装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の無線受信装置と、無線送信装置とを有する無線通信システムであって、
   無線送信装置は、
   第１の送信信号を周波数変換する第１の送信周波数変換手段と、
   第２の送信信号を、第１の送信周波数変換手段とは異なる発振手段を用いて周波数変換する第２の送信周波数変換手段と、
   周波数変換後の第１の送信信号を、第１の送信無線信号として送信する第１の送信アンテナと、
   周波数変換後の第２の送信信号を、第１の送信無線信号と直交する偏波の第２の送信無線信号として送信する第２送信アンテナと、
   を備えていることを特徴とする無線通信システム。

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