JP4335121B2

JP4335121B2 - キャリア位相同期回路

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Publication number: JP4335121B2
Application number: JP2004327488A
Authority: JP
Inventors: 陽介秋元; 裕史白戸
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: JP2006140682A

Description

本発明は、振幅位相変調方式または位相変調方式において、受信機でのキャリア同期誤差に起因するビット誤り率（ＢＥＲ：Bit Error Rate) 特性の劣化を軽減するキャリア位相同期回路に関する。

ディジタル通信において、直交する２つの振幅変調信号により情報を表現するＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation)方式は、限られた帯域幅で効率よくデータを転送することができる。ＱＡＭ方式では、位相方向だけでなく同相・直交成分の振幅レベルに情報を重畳して伝送することにより、１シンボル当たりのビット数の増加が可能であり、高速通信が要求されているＣＡＴＶやＦＷＡ（Fixed Wireless Access)などの分野で利用されている。

ＱＡＭ方式では、送信機側のローカル発振器と周波数・位相同期のとれた信号を受信機側で再生し、同期検波を用いた復調を行うことによりベースバンド帯の同相・直交信号を得る。このとき、送受ローカル信号の位相同期（以下、「キャリア位相同期」という）が不十分であると、復調信号の配置は所定の位置から回転して得られる。例えば、16ＱＡＭにおいて15度の位相回転が生じている場合、図３に示すような信号点の配置になる。位相誤差がある場合にこのような位相回転が生じると、受信信号から閾値までの距離（識別余裕）が低下し、ＢＥＲ特性の劣化が生じる。

キャリア位相同期の誤差によるＢＥＲ特性の劣化は、変調多値数の増加とともに顕著になる。具体的には、図４に示す16ＱＡＭと図５に示す64ＱＡＭにおいて、最も外側の信号点とそれに隣接する信号点の位相を比較すると、16ＱＡＭでは信号点４０１と４０２の位相差が26.6度であるのに対して、64ＱＡＭでは信号点５０１と５０２の位相差が 9.5度まで減少する。このため、振幅の多値化の度合いを大きくするほど、キャリア位相同期を高精度に行う必要がある。

ところで、キャリア位相同期の精度を劣化させる要因として、送受信機における局部発振周波数のゆらぎ（位相雑音）がある。位相雑音φ(t) が重畳した受信信号ｒ(t) は、同相・直交成分の変調信号ｉ(t),ｑ(i) 、角周波数ω、時刻ｔ、白色雑音ｎ(t) を用いて、ｒ(t) ＝ｉ(t)cos(ωt＋φ(t))−ｑ(t)sin(ωt＋φ(t))＋ｎ(t) …(1)
により与えられる。例えば、64ＱＡＭの受信信号は、図６のように位相雑音の影響により元の信号点が位相方向に広がった形になる。通常、位相雑音φ(t) の帯域は数十〜数百ｋHz程度であり、シンボルレートが数ＭHz以上の高速通信では緩やかな位相の変化として影響が現れる。

位相雑音が含まれた受信信号のキャリア位相同期には、自動位相制御（ＡＰＣ：Automatic Phase Control)回路の適用が有効である。ＡＰＣ回路では、位相補償後の受信信号とそのシンボル判定後の信号点から、位相差を逐次的に算出・補正することによりキャリア位相誤差の補償を実現している。ただし、ＡＰＣ回路では、シンボルレートに対して緩やかに変動するキャリア位相を安定かつ高精度に補償可能であるが、位相変動が速くなるにつれてＡＰＣ回路のキャリア位相補償の精度は低下する。そのため、位相雑音の周波数帯域によっては、ＡＰＣ回路だけでは十分な位相同期が実現できない問題点があった。

これに対して、ＡＰＣ回路と併用することで位相雑音を軽減する手法が提案されている（非特許文献１）。従来は図９に示すように、熱雑音に対するシンボル判定誤りの特性が最良となるように、同相・直交平面上において信号点の閾値９０１を直線で表していた。提案されている手法は、信号点の閾値９０１を、熱雑音と位相雑音の両面から最良となるように決定される曲線９０２に置き換えたものである。ここで、閾値を表す線は、振幅が大きくなるほど位相方向に識別余裕を大きくとるように広がったものとなる。これにより、受信機側のみの変更で熱雑音と位相雑音の環境下におけるシンボル判定を最適にすることが可能であり、ＢＥＲ特性を改善することができる。

また、位相雑音の別な補償手法として、図１０に示す送信機２００と受信機２１０からなるシステムが提案されている（非特許文献２）。図１０において、送信機２００は、ローカル発振器２０１、中間周波数帯の信号の入力端子２０２、ミキサ２０３、バンドパスフィルタ２０４、アンプ２０５、アンテナ２０６により構成される。受信機２１０は、アンテナ２１１、アンプ２１２、バンドパスフィルタ２１３、ミキサ２１４、中間周波数帯の信号の出力端子２１５により構成される。送信機２００は送信側のローカル信号ａを変調信号ｂと同時に送信し、受信機２１０はローカル発振器を用いずに受信信号を二乗検波することでダウンコンバージョンを行うことを特徴としている。これにより、ローカル信号に含まれる位相雑音とまったく同じ位相雑音が含まれたリファレンス信号を用いた復調が可能となり、位相雑音を完全にキャンセルすることができる。
倉掛卓也他、位相雑音の影響を低減するＱＡＭシンボル判定法、2003年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、B-8-8 、2003年庄司洋三他、ミリ波自己ヘテロダイン通信システムの提案、電子情報通信学会技術研究報告、RCS2000-30、2000年

非特許文献１の方法では、白色雑音レベルと位相雑音レベルの相対値の変化により、最適な閾値が変化する。したがって、最適な設計をすることが困難であった。また、位相雑音に対する特性を高めるために閾値を歪ませることにより、熱雑音に対するＢＥＲ特性が劣化し、大きな改善効果が得られない問題点があった。

非特許文献２の方法では、送信側のローカル発振器の位相雑音情報を直接送信するため、ローカル信号（図１０のａ）を送るための周波数帯域が別途必要になる。したがって、周波数リソースが限られた領域には適用が困難であった。

本発明は、多値ＱＡＭ環境で位相雑音によって生じるＢＥＲ特性の劣化を、周波数リソースを有効に利用して効率よく改善することができるキャリア位相同期回路を提供することを目的とする。

第１の発明は、直交復調した受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第１の受信信号と、位相同期精度を表す第１の位相誤差信号を出力する第１のＡＰＣ回路と、第１のＡＰＣ回路とキャリア位相補償特性が異なり、直交復調した受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第２の受信信号と位相同期精度を表す第２の位相誤差信号を出力する第２のＡＰＣ回路と、第１の位相誤差信号および第２の位相誤差信号を入力し、その大小比較を行う比較回路と、比較回路における各位相誤差信号の比較結果に応じて、キャリア位相誤差を補償した第１の受信信号および第２の受信信号のうち、位相同期精度の高い方の受信信号を選択して出力する選択回路とを備える。

第１の発明は、キャリア位相補償特性の相関が低い２つのＡＰＣ回路を用い、位相同期精度の高い方のＡＰＣ回路出力を随時選択することを特徴とする。互いに独立なキャリア位相補償を行うＡＰＣ回路では、一方の同期状態が悪化してＢＥＲ特性が劣化している場合でも、他方は正常に同期がとれている可能性がある。このため、位相同期精度の高い方のＡＰＣ回路を選択することができ、キャリア位相に起因したビット誤りを回避でき、ＢＥＲ特性を改善することができる。

第２の発明は、送信側で誤り訂正用の冗長ビットを付加したディジタル信号を受信し、直交復調した受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第１の受信信号を出力する第１のＡＰＣ回路と、第１のＡＰＣ回路とキャリア位相補償特性が異なり、直交復調した受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第２の受信信号を出力する第２のＡＰＣ回路と、第１の受信信号のシンボル判定を行う第１のシンボル判定回路と、第２の受信信号のシンボル判定を行う第２のシンボル判定回路と、第１のシンボル判定回路でシンボル判定された受信信号の誤り訂正を行うとともに、受信信号の誤りの数が訂正可能な範囲内であったか否かを示す第１の誤り訂正可否信号を出力する第１の誤り訂正回路と、第２のシンボル判定回路でシンボル判定された受信信号の誤り訂正を行うとともに、受信信号の誤りの数が訂正可能な範囲内であったか否かを示す第２の誤り訂正可否信号を出力する第２の誤り訂正回路と、第１の誤り訂正可否信号および第２の誤り訂正可否信号を入力し、いずれか一方が誤り訂正可を示す場合にはその誤り訂正回路で誤り訂正された受信信号を選択する選択信号を出力し、両方とも誤り訂正可を示す場合または両方とも誤り訂正否を示す場合には第１の誤り訂正回路で誤り訂正された受信信号を選択する選択信号を出力する判定回路と、判定回路から出力される選択信号に応じて、第１の誤り訂正回路または第２の誤り訂正回路で誤り訂正された受信信号を選択して出力する選択回路とを備える。

第２の発明は、第１の発明におけるＡＰＣ回路の位相同期精度を表す手段として、誤り訂正回路を用いることを特徴とする。誤り訂正回路は、生じた誤りを訂正する機能と、生じた誤りの訂正はできないものの検出ができる機能をもつ。これにより、誤り訂正回路から出力される誤り訂正可否信号は、ＡＰＣ回路における位相同期状態を表す指標とすることができる。本発明では、これを利用して位相同期精度の高い方のＡＰＣ回路を選択する。

第１の発明および第２の発明において、第１のＡＰＣ回路は、位相変動に対する追従特性の高いキャリア位相補償特性を有する構成であり、第２のＡＰＣ回路は、位相変動に対する追従特性の低いキャリア位相補償特性を有する構成とする。

ＡＰＣ回路は、補償可能な位相誤差の帯域を追従パラメータにより設定可能である。追従パラメータが大きいＡＰＣ回路は変動の速い位相変化に強く、追従パラメータが小さいＡＰＣ回路は変動の緩やかな位相変化に強い。これを利用することにより、２つのＡＰＣ回路のキャリア位相補償特性の相関を小さくすることができる。

本発明は、キャリア位相補償特性の相関が小さい２つのＡＰＣ回路を用い、位相同期精度の高い方のＡＰＣ回路を選択することにより、位相雑音に起因するビット誤りを軽減できる。これにより、位相雑音の特性が必ずしもよくない安価な発振器を用いることが可能となり、ディジタル通信システムのコスト低減を図ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明のキャリア位相同期回路の第１の実施形態を示す。図において、キャリア周波数オフセットが補償された受信信号は、キャリア位相補償特性が互いに異なる２つのＡＰＣ回路１０１，１０２に入力される。ＡＰＣ回路１０１，１０２は、キャリア位相誤差を補償した受信信号と、位相同期精度を表す位相誤差信号を出力する。比較回路１０７は、ＡＰＣ回路１０１，１０２からそれぞれ出力される位相誤差信号を入力し、その大小比較を行う。選択回路１０８は、ＡＰＣ回路１０１，１０２から出力されるキャリア位相誤差を補償した受信信号を入力し、比較回路１０７における各位相誤差信号の比較結果に応じて、位相同期精度の高い方の受信信号を選択して出力する。

ＡＰＣ回路１０１，１０２は、キャリア位相と残留したキャリア周波数オフセットに起因する位相変動、および位相雑音による位相変動を推定して補償する。ここでは、ＬＭＳ（Least Mean Square)アルゴリズムの適用を想定し、その場合のＡＰＣ回路の動作について図７を参照して説明する。また、本実施形態では、64ＱＡＭが適用されるものとする。

ＡＰＣ回路に入力された受信信号７０１は、その時点での位相推定値７０２だけ位相を補償し、受信信号７０３となる。この位相補償後の受信信号７０３は、最も近い64ＱＡＭの信号７０４に判定され、これを基準信号として受信信号７０３との位相誤差７０５を算出する。これに追従特性を示すステップサイズパラメータを乗算し、位相の推定値を更新する。この作業を逐次繰り返すことにより位相補償が実現される。ただし、シンボル同期が確立して正しくシンボル判定が行われる前はＡＰＣ回路は正しく動作しないため、初期引き込み段階ではシンボル判定後の基準信号７０４の代わりに既知信号を用いることとする。また、ＡＰＣ回路１０１，１０２のステップサイズパラメータは互いに異なり、キャリア位相補償特性が互いに独立になっている。

以上の手順により、ＡＰＣ回路１０１，１０２はそれぞれキャリア位相誤差を補償した受信信号を出力するとともに、位相補償後の受信信号７０３と基準信号７０４の差である位相誤差信号を出力する。比較回路１０７は、ＡＰＣ回路１０１，１０２からそれぞれ出力される位相誤差信号の大小比較を行い、位相同期精度の高い方を示す信号を選択する選択信号を出力する。選択回路１０８は、比較回路１０７から出力される選択信号に応じて、ＡＰＣ回路１０１，１０２から出力される受信信号のうち位相同期精度の高い方の受信信号を選択して出力する。これにより、キャリア位相同期精度の高いＡＰＣ回路を随時選択することができ、ＢＥＲ特性を改善することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明のキャリア位相同期回路の第２の実施形態を示す。図において、キャリア周波数オフセットが補償された受信信号は、キャリア位相補償特性が互いに異なる２つのＡＰＣ回路１０１，１０２に入力される。ＡＰＣ回路１０１，１０２はキャリア位相誤差を補償した受信信号を出力し、シンボル判定回路１０３，１０４で64ＱＡＭにおける信号点のうち最も近いシンボルに判定される。シンボル判定された受信信号は、それぞれ誤り訂正回路１０５，１０６に入力される。誤り訂正回路１０５，１０６では、シンボル判定された受信信号の誤り訂正を行うとともに、誤り訂正の可否を示す誤り訂正可否信号を出力する。判定回路１０９は、誤り訂正回路１０５，１０６からそれぞれ出力される誤り訂正可否信号を入力し、比較する。選択回路１０８は、誤り訂正回路１０５，１０６から出力される受信信号を入力し、判定回路１０９における各誤り訂正可否信号の判定結果に応じて、位相同期精度の高い方の受信信号を選択して出力する。

本実施形態では、誤り訂正符号にリードソロモン符号を用いるものとする。送信側でリードソロモン符号に符号化された64ＱＡＭの信号は、受信後にキャリア周波数オフセットが補償され、ＡＰＣ回路１０１，１０２に入力される。ＡＰＣ回路１０１，１０２は、キャリア位相と残留したキャリア周波数オフセットに起因する位相変動、および位相雑音による位相変動を推定して補償する。ここでは、第１の実施形態と同様に、ステップサイズパラメータの異なるＬＭＳアルゴリズムを適用し、位相補償後の受信信号を出力する。

シンボル判定回路１０３，１０４でシンボル判定された受信信号は、誤り訂正回路１０５，１０６で誤り訂正される。このとき、誤り訂正回路１０５，１０６は、受信信号に含まれる誤りの数が訂正可能な範囲内か否かを示す誤り訂正可否信号を出力する。誤り訂正可否信号は、シンボル判定された受信信号に誤りがない場合またはすべての誤りが訂正可能であった場合に「１」、そうでない場合に「０」となる。誤り訂正が正しく行われたか否かは、誤りパターンを表すベクトルであるシンドロームを計算することにより判定する。受信信号をＹ、検査行列をＨとすると、シンドロームＳは、
Ｓ＝ＹＨ^t …(2)
により算出される。ただし、添え字ｔは行列の転置を表す。誤り訂正後の受信信号に対して式(2) を適用すると、誤り訂正後の受信信号に誤りが生じていない場合はシンドロームが０ベクトルとなるため、誤りが訂正されたか否かを判定することができる。

判定回路１０９は、誤り訂正回路１０５，１０６から出力される誤り訂正可否信号の判定結果により、キャリア位相補償の精度を比較する。ここでは、ＡＰＣ回路１０１をマスタとし、ＡＰＣ回路１０２をスレーブとする場合の動作について説明する。まず、誤り訂正回路１０５から出力される誤り訂正可否信号を判定し、ＡＰＣ回路１０１から出力される受信信号に誤りがない場合、または誤り訂正が可能であった場合には、誤り訂正回路１０５から出力される受信信号を選択する信号を出力する。一方、ＡＰＣ回路１０１で誤り訂正不能な誤りが生じていた場合には、誤り訂正回路１０６から出力される誤り訂正可否信号を判定する。このとき、ＡＰＣ回路１０２から出力される受信信号に誤りがない場合、または誤り訂正が可能であった場合には、誤り訂正回路１０６から出力される受信信号を選択する信号を出力する。また、双方で誤り訂正不能な誤りが生じていた場合には、マスタであるＡＰＣ１０１に対応する誤り訂正回路１０５から出力される受信信号を選択する信号を出力する。選択回路１０８は、判定回路１０９から出力される選択信号に応じて、誤り訂正回路１０５，１０６から出力される受信信号の一方を選択して出力する。

このような選択処理を行うことにより、最悪でもＡＰＣ回路１０１を単体で用いた場合と同等のＢＥＲ特性が得られる。また、ＡＰＣ回路１０１と１０２のビット誤りが独立に起これば、位相同期精度の高い方の受信信号を選択することができるので、ＢＥＲ特性を改善することができる。

図８は、本発明のキャリア位相同期回路を64ＱＡＭに適用した場合のＢＥＲ特性を示す。ここでは、ＡＰＣ回路１０１，１０２にＶＬＭＳ(Variable-gain Least Mean Squares)アルゴリズムを適用しており、それぞれのステップサイズパラメータを0.15、0.05としている。比較のため、ＡＰＣ回路１０１，１０２を単体で用いた場合のＢＥＲ特性を併せて示す。これによると、誤り訂正が効果的になるＣＮＲの高い領域において、単体のＡＰＣ回路を用いた場合より、本実施形態のように位相同期精度の高い方の受信信号を選択する方の特性がよくなることがわかる。たとえば、ＢＥＲが10^-3の点に注目すると、ＣＮＲを 0.5ｄＢ改善した場合と同等の効果を実現することができる。

本発明のキャリア位相同期回路の第１の実施形態を示す図。本発明のキャリア位相同期回路の第２の実施形態を示す図。 16ＱＡＭの信号点配置に15度の位相誤差が生じた状態を示す図。 16ＱＡＭの信号点配置を示す図。 64ＱＡＭの信号点配置を示す図。位相雑音を含む64ＱＡＭの信号点配置を模式的に示す図。ＬＭＳアルゴリズムによるキャリア位相補償の仕組みを模式的に示す図。本発明のキャリア位相同期回路を64ＱＡＭに適用した場合のＢＥＲ特性を示す図。従来法における64ＱＡＭの閾値を示す図。従来法における送受信機の構成例を示す図。

符号の説明

１０１，１０２自動位相制御（ＡＰＣ）回路
１０３，１０４シンボル判定回路
１０５，１０６誤り訂正回路
１０７比較回路
１０８選択回路
１０９判定回路
２００送信機
２０１ローカル発振器
２０２中間周波数帯の信号の入力端子
２０３，２１４ミキサ
２０４，２１３バンドパスフィルタ
２０５，２１２アンプ
２０６，２１１アンテナ
２１０受信機
２１５中間周波数帯の信号の出力端子
４０１，４０２ 16ＱＡＭの信号点
５０１，５０２ 64ＱＡＭの信号点
７０１ＡＰＣ回路における位相補償前の受信信号
７０２ＬＭＳアルゴリズムによるキャリア位相の推定値
７０３ＬＭＳアルゴリズムによりキャリア位相補償された受信信号
７０４シンボル判定した信号点
７０５残留するキャリア位相

Claims

直交復調した受信信号のキャリア位相誤差を補償するキャリア位相同期回路において、前記受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第１の受信信号と、位相同期精度を表す第１の位相誤差信号を出力する第１の自動位相制御回路と、
前記第１の自動位相制御回路とキャリア位相補償特性が異なり、前記受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第２の受信信号と位相同期精度を表す第２の位相誤差信号を出力する第２の自動位相制御回路と、
前記第１の位相誤差信号および前記第２の位相誤差信号を入力し、その大小比較を行う比較回路と、
前記比較回路における各位相誤差信号の比較結果に応じて、キャリア位相誤差を補償した前記第１の受信信号および前記第２の受信信号のうち、位相同期精度の高い方の受信信号を選択して出力する選択回路と
を備えたことを特徴とするキャリア位相同期回路。
送信側で誤り訂正用の冗長ビットを付加したディジタル信号を受信し、直交復調した受信信号のキャリア位相誤差を補償するキャリア位相同期回路において、
前記受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第１の受信信号を出力する第１の自動位相制御回路と、
前記第１の自動位相制御回路とキャリア位相補償特性が異なり、前記受信信号を入力し、キャリア位相誤差を推定・補償した第２の受信信号を出力する第２の自動位相制御回路と、
前記第１の受信信号のシンボル判定を行う第１のシンボル判定回路と、
前記第２の受信信号のシンボル判定を行う第２のシンボル判定回路と、
前記第１のシンボル判定回路でシンボル判定された受信信号の誤り訂正を行うとともに、受信信号の誤りの数が訂正可能な範囲内であったか否かを示す第１の誤り訂正可否信号を出力する第１の誤り訂正回路と、
前記第２のシンボル判定回路でシンボル判定された受信信号の誤り訂正を行うとともに、受信信号の誤りの数が訂正可能な範囲内であったか否かを示す第２の誤り訂正可否信号を出力する第２の誤り訂正回路と、
前記第１の誤り訂正可否信号および前記第２の誤り訂正可否信号を入力し、いずれか一方が誤り訂正可を示す場合にはその誤り訂正回路で誤り訂正された受信信号を選択する選択信号を出力し、両方とも誤り訂正可を示す場合または両方とも誤り訂正否を示す場合には第１の誤り訂正回路で誤り訂正された受信信号を選択する選択信号を出力する判定回路と、
前記判定回路から出力される選択信号に応じて、前記第１の誤り訂正回路または前記第２の誤り訂正回路で誤り訂正された受信信号を選択して出力する選択回路と
を備えたことを特徴とするキャリア位相同期回路。
請求項１または請求項２に記載のキャリア位相同期回路において、
前記第１の自動位相制御回路は、位相変動に対する追従特性の高いキャリア位相補償特性を有する構成であり、
前記第２の自動位相制御回路は、位相変動に対する追従特性の低いキャリア位相補償特性を有する構成である
ことを特徴とするキャリア位相同期回路。