JP4345896B2

JP4345896B2 - 無線受信装置とその復調方法

Info

Publication number: JP4345896B2
Application number: JP2006079124A
Authority: JP
Inventors: 真吾吉澤; 喜一宮永; 雅規平田
Original assignee: 株式会社半導体理工学研究センター
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: US7650131B2; US20070226289A1; JP2007258937A

Description

本発明は、例えば無線ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）を利用した無線受信装置とその復調方法に係り、特にディジタル信号処理デバイスの復調回路において電力消費を削減する技術に関する。

無線受信装置は、可搬性を重視する場合にはバッテリによって駆動される。このため、特にディジタル信号処理デバイスの復調回路における電力消費の削減が要望されている。

この要望を満たすべく、従来の技術として、特許文献１にその具体的な構成が示されている。この特許文献１に記載された無線受信装置では、ディジタル信号処理の演算ビット長を変更可能とし、ディジタル化された受信信号を指示された演算ビット長で復調する。そして、復調結果から通信路状況を推定し、その推定結果に基づいて所要通信品質を満たす最短の演算ビット長を求めて復調処理に指示するようにしている。

ところで、上記特許文献１に示される構成では、受信信号のプリアンブルからＣＮＲ（carrier to Noise Ratio：搬送波対雑音比）を測定し、事前シミュレーションから作成した所要品質を満たす条件下（ＡＷＧＮ（Additive White Gaussian Noise：加法的白色ガウス雑音）環境下）でのＣＮＲ対演算ビット長の分岐テーブルを用いて、ディジタル信号処理の演算ビット長を動的に変更することで、所要通信品質を満たす最短の演算ビット長を求めるようにしている。図７に、各ビット長におけるＡＷＧＮ環境下でのＣＮＲ対ＢＥＲ特性と設定品質（ＢＥＲ＝10^-3）を満たす最短ビット長の適用範囲を示す。また、図８に、図７に示したＣＮＲ対ＢＥＲ特性を下に作成したＣＮＲ対ビット長分岐テーブルを示す。

しかしながら、この方法は、伝搬環境が理想状態にあることを想定しており、実際の伝搬環境の変動について考慮されていない。このため、特にマルチパスフェージングが生じている環境では、実際の所要品質を満たすことのできるＣＮＲと演算ビット長との関係が事前に作成した分岐テーブルと一致しないために誤動作を引き起こし、ビット誤り特性を悪化させてしまうという問題が生じる。
特開２００２−０５１０１６公報

上記した従来の無線受信装置では、実際の伝搬環境の変動について考慮されていないため、マルチパスフェージングが生じている環境では、実際の所要品質を満たすことのできるＣＮＲと演算ビット長との関係が事前に作成した分岐テーブルと一致しなくなり、誤動作を引き起こしてビット誤り特性を悪化させてしまうという問題がある。

本発明は上記の問題を解決し、伝搬環境の変動に影響されることなく演算ビット長を適切に選択することができ、これによって復調処理の電力消費を効果的に低減することのできる無線受信装置とその復調方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためにこの発明に関わる無線受信装置は、以下のような特徴的構成を備える。

（１）ディジタル信号をパケット化し変調して無線により伝送するディジタル信号伝送システムに用いられ、パケット伝送されるディジタル信号を復調する復調演算の際に、所要通信品質を満たす最短の演算ビット長を選択的に設定する無線受信装置であって、前記演算ビット長による復調演算結果を入力して既知の理想結果との違いを表す測度であるＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）値を計算するＥＶＭ計算手段と、前記ＥＶＭ値を評価尺度に用いてビットエラーレートを推測し、このビットエラーレートが最適となる演算ビット長を選択する演算ビット長選択手段とを具備し、送信側でＥＶＭ計算用にパケットのプリアンブルに続くデータシンボルの先頭が既知のサーチシンボルに置き換えられているとき、前記ＥＶＭ計算手段は、前記サーチシンボルに基づいてＥＶＭ値を計算し、前記演算ビット長選択手段は、前記サーチシンボルに基づいて計算されたＥＶＭ値から直後のデータシンボルに適用するビット長と次のパケットのビット長を予め決められたルールにより決定し、前記選択された演算ビット長で前記復調演算を実行するようにしたことを特徴とする。

また、この発明に係わる無線受信装置の復調方法は、以下のような特徴的構成を備える。

（２）ディジタル信号をパケット化し変調して無線により伝送するディジタル信号伝送システムに用いられる無線受信装置の復調方法であって、前記パケット化されて伝送されるディジタル信号を指定の演算ビット長で復調する復調処理過程と、前記復調処理過程の復調演算結果を入力して既知の理想結果との違いを表す測度であるＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）値を計算するＥＶＭ計算過程と、前記ＥＶＭ値を評価尺度に用いてビットエラーレートを推測し、このビットエラーレートが最適となる演算ビット長を選択する演算ビット長選択過程と、前記選択された演算ビット長を前記復調処理過程に指定する演算ビット長指定過程とを具備し、送信側でＥＶＭ計算用にパケットのプリアンブルに続くデータシンボルの先頭が既知のサーチシンボルに置き換えられているとき、前記ＥＶＭ計算過程は、前記サーチシンボルに基づいてＥＶＭ値を計算し、前記演算ビット長選択過程は、前記サーチシンボルに基づいて計算されたＥＶＭ値から直後のデータシンボルに適用するビット長と次のパケットのビット長を予め決められたルールにより決定することを特徴とする。

すなわち、本発明に係る無線受信装置及びその復調方法では、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）を演算ビット長選択の評価尺度に用いることにより、マルチパスフェージングによって伝搬環境が変動する場合でもビット長を適切に選択可能とする。そして、ビット長変更時の復調性能の情報をビット長選択の指標としてフィードバックするようにして、精度の高いビット長の変更を可能とする。

要するにこの発明によれば、伝搬環境の変動に影響されることなく演算ビット長を適切に選択することができ、これによって復調処理の電力消費を効果的に低減することのできる無線受信装置とその復調方法を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１はIEEE802.11a/g規格に代表されるＱＰＳＫ−ＯＦＤＭ（Quadrature Phase Shift Keying - Orthogonal Frequency Division Multiplex：４位相偏移変調−直交周波数分割多重）方式による無線ＬＡＮ受信装置に本発明を適用した場合の構成を示すブロック図である。図１において、受信アンテナ１１で受けたＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）信号はＲＦモジュール１２で増幅され、直交検波によりベースバンドＯＦＤＭ信号に変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１３でディジタル信号に変換されてＯＦＤＭ復調器１４に入力される。

このＯＦＤＭ復調器１４は、復調部１４１、チャネル推定部１４２、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）計算部１４３、ビット長選択部１４４を備える。

上記復調部１４１は、ＯＦＤＭ復調器１４に入力されたベースバンドＯＦＤＭ信号をローパスフィルタ１４Ａに入力して不要な周波数成分を除去した後、ＦＦＴ回路１４Ｂで高速フーリエ変換を施してサブキャリア毎に分波し、チャネル等化回路１４Ｃでチャネル毎に伝搬路の振幅・位相特性を逆算して元の伝送信号に戻す。

上記チャネル推定部（演算ビット長固定）１４２は、ＦＦＴ演算結果について、予め決められた周波数幅で規定チャネルを推定するもので、この推定結果はチャネル等化回路１４Ｃに送られ、チャネル区分処理に供される。

上記ＥＶＭ計算部１４３は、復調部１４１で復調された伝送信号について演算ビット長選択の評価尺度となるＥＶＭ値を計算するもので（詳細は後述する）、ここで計算されたＥＶＭ値はビット長選択部１４４に送られる。

このビット長選択部１４４は、ＥＶＭ値を評価尺度に用いてＢＥＲを推測し、このＢＥＲが最適となる演算ビット長を選択するもので、ここで選択された演算ビット長は上記復調部１４１のローパスフィルタ１４Ａ、ＦＦＴ回路１４Ｂ及びチャネル等化回路１４Ｃに対して指定される。

上記構成において、以下にその処理内容を説明する。

まず、本発明に係る無線ＬＡＮ受信装置では、演算ビット長の選択にＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）の評価尺度を使用する。ＥＶＭは次式で表される。

ここで、ｚ(k)はＥＶＭ計算シンボルから生成されるチャネル等化後のＱＰＳＫ復調信号（Ｉ，Ｑ成分を持つ複素数）、Ｒ(k)は既知の理想信号（Ｉ，Ｑ成分を持つ複素数）、ＭはＯＦＤＭサブキャリア数を示している。尚、この計算式は、伝送信号がＱＰＳＫ信号の場合に限らず、ＱＡＭ信号の場合でも同様である。

すなわち、ＥＶＭは理想波形と計測波形との違いを表す測度であり、復調出力のＩ，Ｑ成分を持つ受信信号ベクトルと既知の理想信号ベクトル間の距離で与えられる。図２と図３に、それぞれマルチパスフェージング環境下（遅延スプレッド５０ｎｓ、１８波独立レイリーフェージングモデル）でのＱＰＳＫ−ＯＦＤＭ方式受信装置からパケット毎に測定したビット長（＝６，７，８）におけるＣＮＲ対ＢＥＲ特性とＥＶＭ対ＢＥＲ特性を示す。ＣＮＲ対ＢＥＲ特性は、図２に示されるように、ビット長毎にばらつきがある。これに対して、ＥＶＭ対ＢＥＲ特性は、図３に示されるように、ビット長毎のばらつきが少なく、ほぼ１対１の関係で与えられ、ビット長が異なる場合でも良好な特性を持つ。したがって、ＥＶＭを評価尺度に用いることで、信頼性の高いＢＥＲの推測を行うことができる。

先に述べたように、特許文献１に記載される従来の無線受信装置では、通信路状況推定にＣＮＲを用いているため、マルチパスフェージング環境下で推定結果に大きな誤差が生じてしまい、ビット長変更の誤動作を引き起こしてビット誤り特性を悪化させてしまうという問題がある。これに対し、図１のＥＶＭを評価尺度に用いた無線ＬＡＮ受信装置では、ＥＶＭは可変ビット長の演算部（１４Ａ〜１４Ｃ）を持つ復調部１４１の出力信号をもとにして計算され、通信路の雑音成分の他にマルチパス干渉や受信装置のビット長変更に伴う演算誤差を含めて評価している。このように、実際の受信装置の復調性能をもとにＥＶＭが計算されるので、高精度なビット長変更が可能である。

無線ＬＡＮで用いられるパケット伝送ＯＦＤＭ方式について、ＥＶＭを評価尺度に用いたビット長変更方法の概要を図４に示す。ここに示す方法では、送信側でパケットのデータシンボルの先頭をＥＶＭ計算用に既知のサーチシンボルに置き換えて送信する。図４において、Ｗmax, Ｗ(t), Ｗs(t)は、それぞれ受信装置の演算部（１４Ａ〜１４Ｃ）に適用するプリアンブル、サーチシンボル、データシンボルのビット長である。受信側では、入力パケットのサーチシンボルＷ(t)からＥＶＭを計算し、直後のデータシンボルに適用するビット長Ｗs(t)と次のパケットのビット長を設定するＷ(t+1)を予め決められた探索ルールにより決定する。

図５にＥＶＭ評価尺度を用いたビット長変更ルールの一例を示す。この例では、設定品質がＢＥＲ＝10^-3となるようにビット長を増減させるルールとなっている。ＥＶＭの分岐値は、図３に示したＥＶＭ対ＢＥＲ特性を元に作成されており、この値を変えることで設定品質を変更することが可能である。また、Ｗs(t)はパケット内で測定したＥＶＭ測定結果を反映させているので、パケットごとに通信特性が急峻に変動する場合でも追従してビット長を変更することが可能である。

特許文献１に示される技術をパケットモードＯＦＤＭに適用した場合には、パケット全体に対して単一のビット長を適用することになり、ビット長をダイナミックに変更することはできない。これに対して、上記構成による受信装置では、パケット内部のプリアンブル、サーチシンボル、データシンボルの３つに対し、互いに独立してビット長を選択的に適用することができる。このことから、前回受信したパケットと現在受信しているパケットに対する通信路状況が大きく異なる場合でも、本装置の場合はサーチシンボル受信時に受信装置の復調性能を測定することで即座に対応することができる。

以上、図１に示すハードウェア構成について説明したが、ＯＦＤＭ復調器１４において、全部または一部をソフトウェアで実現することも可能である。図６に、上記のビット長変更方法をソフトウェアで実現する場合の具体的な処理の流れを示す。

図６において、初期条件としてＷ＝Ｗmaxが与えられる。まず、パケット入力を判断し（ステップＳ１１）、パケット入力があった場合には、プリアンブル受信開始後にビット長Ｗmaxを判別し（ステップＳ１２）、プリアンブルに続くサーチシンボルを判別してそのビット長Ｗ(t)を取得し（ステップＳ１３）、（１）式によるＥＶＭ計算を行う（ステップＳ１４）。続いて、ＥＶＭ計算結果に基づいて、サーチシンボルに続くデータシンボルに対するビット長Ｗs(t)と次のパケットのサーチシンボルに対するビット長Ｗ(t+1)を決定する（ステップＳ１５）。このようにして決定されたビット長Ｗs(t)によりデータシンボルを判別して演算処理する（ステップＳ１６）。以下、ステップＳ１１以降を繰り返し処理する。このように処理を進めることにより、ハードウェアの場合と同等の処理をソフトウェアで実現することが可能となる。

尚、この発明は、上記各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。例えば、上記実施形態では、本発明をＱＰＳＫ−ＯＦＤＭ方式の無線ＬＡＮ受信装置に適用する場合について説明したが、例えば連続モードＯＦＤＭ方式を採用するディジタルテレビ放送受信装置にも適用可能である。また、伝送方式として、ＢＰＳＫ−ＯＦＤＭ、１６ＱＡＭ−ＯＦＤＭ、６４ＱＡＭ−ＯＦＤＭ等にも同様に適用可能である。さらに、ＯＦＤＭ方式に限らず、例えばＣＤＭ（Code Division Multiplex：符号分割多重）、ＴＤＭ（Time Division Multiplex：時分割多重）方式であっても同様に実施可能である。その他、上記各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、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

ＱＰＳＫ−ＯＦＤＭ方式による無線ＬＡＮ受信装置に本発明を適用した場合の構成を示すブロック図。マルチパスフェージング環境下でＱＰＳＫ−ＯＦＤＭ方式受信装置からパケット毎に測定したＣＮＲ対ＢＥＲ特性を示す図。マルチパスフェージング環境下でＱＰＳＫ−ＯＦＤＭ方式受信装置からパケット毎に測定したＥＶＭ対ＢＥＲ特性を示す図。無線ＬＡＮで用いられるパケット伝送ＯＦＤＭ方式について、ＥＶＭを評価尺度に用いたビット長変更方法の概要を示す概念図。ＥＶＭ評価尺度を用いたビット長変更ルールの一例を示す図。ビット長変更方法をソフトウェアで実現する場合の具体的な処理の流れを示すフローチャート。従来技術の説明として、ＡＷＧＮ環境下でのＣＮＲ対ＢＥＲ特性と設定品質（ＢＥＲ＝10^-3）を満たす最短ビット長の適用範囲を示す図。図７に示したＣＮＲ対ＢＥＲ特性を下に作成したＣＮＲ対ビット長分岐テーブルを示す図。

符号の説明

１１…受信アンテナ、１２…ＲＦモジュール、１３…Ａ／Ｄコンバータ、１４…ＯＦＤＭ復調器、１４１…復調部、１４２…チャネル推定部、１４３…ＥＶＭ計算部、１４４…ビット長選択部、１４Ａ…ローパスフィルタ、１４Ｂ…ＦＦＴ回路、１４Ｃ…チャネル等化回路。

Claims

ディジタル信号をパケット化し変調して無線により伝送するディジタル信号伝送システムに用いられ、パケット伝送されるディジタル信号を復調する復調演算の際に、所要通信品質を満たす最短の演算ビット長を選択的に設定する無線受信装置であって、
前記演算ビット長による復調演算結果を入力して既知の理想結果との違いを表す測度であるＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）値を計算するＥＶＭ計算手段と、
前記ＥＶＭ値を評価尺度に用いてビットエラーレートを推測し、このビットエラーレートが最適となる演算ビット長を選択する演算ビット長選択手段とを具備し、
送信側でＥＶＭ計算用にパケットのプリアンブルに続くデータシンボルの先頭が既知のサーチシンボルに置き換えられているとき、
前記ＥＶＭ計算手段は、前記サーチシンボルに基づいてＥＶＭ値を計算し、
前記演算ビット長選択手段は、前記サーチシンボルに基づいて計算されたＥＶＭ値から直後のデータシンボルに適用するビット長と次のパケットのビット長を予め決められたルールにより決定し、
前記選択された演算ビット長で前記復調演算を実行するようにしたことを特徴とする無線受信装置。
ディジタル信号をパケット化し変調して無線により伝送するディジタル信号伝送システムに用いられる無線受信装置の復調方法であって、
前記パケット化されて伝送されるディジタル信号を指定の演算ビット長で復調する復調処理過程と、
前記復調処理過程の復調演算結果を入力して既知の理想結果との違いを表す測度であるＥＶＭ（Error Vector Magnitude：変調精度）値を計算するＥＶＭ計算過程と、
前記ＥＶＭ値を評価尺度に用いてビットエラーレートを推測し、このビットエラーレートが最適となる演算ビット長を選択する演算ビット長選択過程と、
前記選択された演算ビット長を前記復調処理過程に指定する演算ビット長指定過程とを具備し、
送信側でＥＶＭ計算用にパケットのプリアンブルに続くデータシンボルの先頭が既知のサーチシンボルに置き換えられているとき、
前記ＥＶＭ計算過程は、前記サーチシンボルに基づいてＥＶＭ値を計算し、
前記演算ビット長選択過程は、前記サーチシンボルに基づいて計算されたＥＶＭ値から直後のデータシンボルに適用するビット長と次のパケットのビット長を予め決められたルールにより決定することを特徴とする無線受信装置の復調方法。