JP4728455B1

JP4728455B1 - 受信装置及び受信方法

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Publication number: JP4728455B1
Application number: JP2011025044A
Authority: JP
Inventors: 恒太郎佐藤; 明孝苫米地; 大祐奥野; 和俊杉本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2031-02-08
Also published as: JP2012165254A

Abstract

【課題】復調した信号の角度成分におけるＳＮＲを改善し、受信性能を向上させる受信装置及び受信方法を提供する。
【解決手段】無線受信部１０２は、通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限され、送信装置から無線送信された信号を受信し、周波数検波器１０３は、無線受信部１０２から出力された信号に周波数検波を行う。受信フィルタ１０４は、周波数検波器１０３から出力された信号にｓｉｎｃ関数型スペクトルＤ（ｆ）を用いてフィルタリングし、ロールオフ率変換フィルタ１０５は、送信装置のロールオフ率よりも小さいロールオフ率が設定されており、設定されたロールオフ率を用いて、受信フィルタ１０４から出力された信号の帯域制限を行う。ビット変換部１０６は、ロールオフ率変換フィルタ１０５から出力された信号から２値データ列を生成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、角度変調された信号を受信する受信装置及び受信方法に関する。

０．技術の背景と課題
０．１．従来の装置構成
無線通信システムに用いられる変調方式の１つである定包絡ディジタル変調方式（例えば、４相ＰＳＫ変調）は、一般的な狭帯域ディジタル変調方式（π／４シフトＱＰＳＫ等）に比べ、周波数利用効率が低い（４相ＰＳＫ：１ｂｐｓ／Ｈｚ、π／４シフトＱＰＳＫ：２ｂｐｓ／Ｈｚ）代わりに、信号増幅時の消費電力が少ない等の特徴を有する。

図１は、定包絡ディジタル変調方式を用いた無線通信システムにおける従来の送信装置１０及び受信装置２０を示すブロック図である。図１に示すように、送信装置１０は、マッピング部１１と、帯域制限フィルタ１２と、周波数変調器１３と、無線部１４と、アンテナ１５と、を有する。

マッピング部１１は、ディジタル信号の伝送ビット列をｎビット毎に２^ｎ値の変調シンボルにマッピングしてそのマッピング値に対応する送信ベースバンド信号を帯域制限フィルタ１２に出力する。ＰＳＫ方式の場合、帯域制限フィルタ１２は、代表的には第３基準を満足するルートナイキストフィルタで構成され、マッピング部１１から出力されたディジタル信号に対して復調時の符号間干渉を抑えた帯域制限を行い、周波数変調器１３に出力する。周波数変調器１３は、帯域制限フィルタ１２から出力された信号を用いて、電圧制御発振器（ＶＣＯ）が発振する所定周波数の搬送波に周波数変調を掛け、変調されたアナログ信号を無線部１４に出力する。無線部１４は、周波数変調器１３から出力されたアナログ信号を無線周波数にアップコンバートし、Ｃ級増幅してアンテナ１５から無線送信する。

また、図１に示すように、受信装置２０は、アンテナ２１と、無線部２２と、ディスクリ検波器２３と、帯域制限フィルタ２４と、シンボル積分器２５と、ディジタル信号再生部２６と、を有する。

無線部２２は、アンテナ２１に受信された無線周波数の信号を増幅し、ダウンコンバートし、ディスクリ検波器２３に出力する。ディスクリ検波器２３は、無線部２２から出力された信号をパルスカウント方式等により周波数検波し、帯域制限フィルタ２４に出力する。帯域制限フィルタ２４は、代表的には送信側と同一特性のフィルタで構成され、ディスクリ検波器２３で検波された信号に対して帯域制限を行い、シンボル積分器２５に出力する。離散時間系では、シンボル積分器２５は、帯域制限フィルタ２４から出力されたサンプリング信号を１シンボル区間毎に加算処理を行い（ｍ倍オーバーサンプルの系ではｍ個を加算）、加算結果をディジタル信号再生部２６に出力する。ディジタル信号再生部２６は、シンボル積分器２５の加算結果に対して閾値判定を行うことによりｎビットのディジタル信号を得る。

０．２．定包絡ディジタル変調方式の特徴
図２は、定包絡ディジタル変調方式の４相ＰＳＫ変調のマッピング例を示すコンスタレーション図である。図２に示すように、４相ＰＳＫ変調では、時刻Ｔのシンボルを基準（位相０）として、次のシンボルの位相を、振幅は一定のまま、＋π／４、＋３π／４、−π／４、−３π／４のいずれかにシフトさせる。

定包絡ディジタル変調方式と狭帯域ディジタル変調方式とにおける１Ｗ送信時の消費電力の実測結果を比較すると、図３に示すように、狭帯域ディジタル変調方式ではＡＢ級増幅器（原理的には線形増幅には電力効率の低いＡ級増幅器が必要。ここでは、送信リニアライザ回路を搭載することにより、ＡＢ級増幅器の使用を可能とした。）で効率よく増幅しても約７．１Ｗの電力を消費する（送信効率１４％）のに対し、定包絡ディジタル変調方式ではＣ級増幅器が利用可能なため約２．１Ｗしか電力を消費しない（送信効率４８％）。

０．３．帯域制限について
次に、定包絡ディジタル変調方式による無線通信システムの送信装置および受信装置で行われる帯域制限処理について説明する。

定包絡ディジタル変調方式の帯域制限は、搬送波振幅を一定に保ったまま、変調位相信号（即ち、搬送波の角度成分）に対して行われる。更に、ＰＳＫ方式で変調器としてＶＣＯを使用する場合は、位相を時間で微分した周波数成分に対して帯域制限を行わなければならないため、ＶＣＯ出力で位相変調となった場合に符号間干渉を発生させないために、ナイキストの第３基準を適用する。これは、１シンボル区間を積分すると、ナイキストの第１基準（あるシンボルの符号識別点では、他のシンボルのインパルス応答が必ず０となる特性。一般的に、これをナイキスト条件と呼んでいる。）を満足する特性となるもので、前述したシンボル積分器出力で、符号間干渉が発生しないようにすることができる。

０．４．ナイキスト特性の配分について
無線伝送システムにおいて送受信での帯域制限特性の配分は、オーバーオールの特性をＨ(ｆ)とすると、送信装置側でＳＱＲＴ[Ｈ(ｆ)]（比率５０％）、受信装置側でもＳＱＲＴ[Ｈ(ｆ)]（比率５０％）とすることが一般的である。これは受信機の熱雑音の周波数特性がフラット（白色雑音）であった場合に、送信スペクトルと受信フィルタの形状が等しい場合にフィルタ出力のＳＮＲが最大となることによる。このような受信フィルタを整合フィルタと呼んでいる。定包絡ディジタル変調方式においても、ディスクリ検波後シンボル積分された熱雑音の周波数特性はフラットになるため、整合フィルタが使用される。なお、Ｈ(ｆ)はナイキストフィルタの場合、ＳＱＲＴ[Ｈ(ｆ)]は、ルートナイキストフィルタと呼ばれる。

特開２００２−１７１２１５号公報

しかしながら、復調方式として直交検波と周波数検波の何れも適用可能となることが要請されるシステム（ＡＰＣＯ−Ｐ２５など）では、送信装置でナイキストフィルタ（送信側で比率１００％）を用いることとなるため、受信装置に配分するフィルタが無くなってしまう（受信側で比率０％）。このため、受信装置において復調した信号の角度成分のＳＮＲを向上させることができないという問題がある。

本発明の目的は、復調した信号の角度成分におけるＳＮＲを改善し、受信性能を向上させる受信装置及び受信方法を提供することである。

本発明の受信装置は、通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限された位相変調波を受信する受信手段と、受信された前記位相変調波に周波数検波を行う周波数検波手段と、周波数検波された信号にｓｉｎｃ関数型スペクトルを用いたフィルタリングを行う第１フィルタリング手段と、前記送信装置における第１ロールオフ率より小さい第２ロールオフ率が設定され、前記第２ロールオフ率を用いて、前記第１フィルタリング手段によってフィルタリングされた信号にフィルタリングを行う第２フィルタリング手段と、を具備する構成を採る。

本発明の受信装置は、通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限された周波数変調波を受信する受信手段と、受信された前記周波数変調波に周波数検波を行う周波数検波手段と、前記送信装置における第１ロールオフ率より小さい第２ロールオフ率が設定され、前記第２ロールオフ率を用いて、前記周波数検波手段の出力信号にフィルタリングを行うフィルタリング手段と、を具備する構成を採る。

本発明の受信方法は、通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限された位相変調波を受信する受信工程と、受信された前記位相変調波に周波数検波を行う周波数検波工程と、周波数検波された信号にｓｉｎｃ関数型スペクトルを用いたフィルタリングを行う第１フィルタリング工程と、前記送信装置における第１ロールオフ率より小さい第２ロールオフ率を用いて、前記第１フィルタリング工程においてフィルタリングされた信号にフィルタリングを行う第２フィルタリング工程と、を具備するようにした。

本発明によれば、復調した信号の角度成分におけるＳＮＲを改善し、受信性能を向上させることができる。

定包絡ディジタル変調方式を用いた無線通信システムにおける従来の送信装置及び受信装置を示すブロック図定包絡ディジタル変調方式の４相ＰＳＫ変調のマッピング例を示すコンスタレーション図定包絡ディジタル変調方式と狭帯域ディジタル変調方式とにおける１Ｗ送信時の消費電力を示す図本発明の一実施の形態に係る受信装置の構成を示すブロック図ロールオフ率変換フィルタを実現するＦＩＲフィルタの構成を示す図ＦＩＲフィルタのタップ係数を示す図ロールオフ率変換により雑音電力を低減する様子を示す図ＢＥＲ特性を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（一実施の形態）
図４は、本発明の一実施の形態に係る受信装置１００の構成を示すブロック図である。以下、図４を用いて受信装置１００の構成について説明する。

図４において、無線受信部１０２は、通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限され、送信装置から無線送信された信号をアンテナ１０１を介して受信し、受信した信号にＡ／Ｄ変換、ダウンコンバート、直交検波処理などの無線受信処理を施し、これにより得られたＩＱ信号（受信０−ＩＦ（Intermediate Frequency）信号）を周波数検波器１０３に出力する。

周波数検波器１０３は、無線受信部１０２から出力されたＩＱ信号（受信０−ＩＦ信号）に周波数検波を行い、周波数の変位を電圧の変位に変換することにより、原変調信号を復調する。周波数検波器１０３は、周波数検波によって得られた信号を受信フィルタ１０４に出力する。

受信フィルタ１０４は、周波数検波器１０３から出力された信号にｓｉｎｃ関数型スペクトルＤ（ｆ）を用いてフィルタリングし、フィルタリングした信号をロールオフ率変換フィルタ１０５に出力する。

ロールオフ率変換フィルタ１０５は、送信装置のロールオフ率よりも小さいロールオフ率が設定されており、設定されたロールオフ率を用いて、受信フィルタ１０４から出力された信号の帯域制限（フィルタリング）を行い、帯域制限した信号をビット変換部１０６に出力する。ロールオフ率変換フィルタ１０５は、図５に示すように、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタによって実現することができる。

ビット変換部１０６は、ロールオフ率変換フィルタ１０５から出力された４値のシンボルを２ビットに変換し、２値データ列を生成して出力する。

ここで、送信装置における第１ロールオフ率をα_１、ロールオフ率α_１でナイキスト特性が１００％のフィルタの周波数特性をＨ_α１、ロールオフ率変換フィルタで変換される第２ロールオフ率をα_２、ロールオフ率α_２でナイキスト特性が１００％のフィルタの周波数特性をＨ_α２としたとき、ロールオフ率変換フィルタの周波数特性Ｈ_Ｃｏｎｖを以下の式（１）に示す。

次に、ロールオフ率変換フィルタ１０５の周波数特性Ｈ_{α’Ｃｏｎｖ}を以下の式（２）に示す。

式（２）において、ｆは周波数、ｆ_Ｂはナイキスト周波数、α’はα_１＝１．０としたときのα_２をそれぞれ示す。

このようなロールオフ率変換フィルタの周波数特性から、α’を０．５８とした場合におけるＦＩＲフィルタのタップ係数を求めると、図６に示すようになる。ここでは、オーバーサンプル数２の場合を示している。

次に、ロールオフ率変換による雑音電力の低減について図７を用いて説明する。図７において、横軸は規格化周波数を、縦軸はフーリエスペクトルを示す。

図７（ａ）は、ナイキスト特性とロールオフ率変換を示しており、太い実線がロールオフ率α＝１のナイキスト特性を、細い実線がロールオフ率α＝０．５のナイキスト特性を、点線がロールオフ率変換を示している。また、図７（ｂ）は、実線が信号入力を示し、点線が雑音入力を示す。また、図７（ｃ）は、実線が信号出力を示し、点線が雑音出力を示す。図７（ｂ）に示す信号入力及び雑音入力をロールオフ率変換フィルタに通すことにより、図７（ｃ）に示す信号出力及び雑音出力となる。図７（ｂ）及び図７（ｃ）から分かるように、雑音を減少させることができる。

また、ＢＥＲ特性は、図８に示すようになり、ロールオフ率変換フィルタがない場合のＢＥＲ特性（点線）よりロールオフ率変換フィルタがある場合におけるＢＥＲ特性（実線）が向上していることが分かる。例えば、ＢＥＲが１．Ｅ−０２ではおよそ１ｄＢほど改善している。

このように、本実施の形態によれば、送信装置側に比率１００％で配分されたナイキストフィルタを用いる場合であっても、送信装置で用いたロールオフ率より小さいロールオフ率が設定されたロールオフ率変換フィルタを受信装置に用いることにより、復調した信号の角度成分におけるＳＮＲを改善し、受信性能を向上させることができる。

本発明にかかる受信装置及び受信方法は、移動通信システム等に適用できる。

１０１アンテナ
１０２無線受信部
１０３周波数検波器
１０４受信フィルタ
１０５ロールオフ率変換フィルタ
１０６ビット変換部

Claims

通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限された位相変調波を受信する受信手段と、
受信された前記位相変調波に周波数検波を行う周波数検波手段と、
周波数検波された信号にｓｉｎｃ関数型スペクトルを用いたフィルタリングを行う第１フィルタリング手段と、
前記送信装置における第１ロールオフ率より小さい第２ロールオフ率が設定され、前記第２ロールオフ率を用いて、前記第１フィルタリング手段によってフィルタリングされた信号にフィルタリングを行う第２フィルタリング手段と、
を具備する受信装置。
前記第２フィルタリング手段は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタである請求項１に記載の受信装置。
通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限された周波数変調波を受信する受信手段と、
受信された前記周波数変調波に周波数検波を行う周波数検波手段と、
前記送信装置における第１ロールオフ率より小さい第２ロールオフ率が設定され、前記第２ロールオフ率を用いて、前記周波数検波手段の出力信号にフィルタリングを行うフィルタリング手段と、
を具備する受信装置。
通信相手の送信装置においてナイキスト特性が１００％のフィルタによって帯域制限された位相変調波を受信する受信工程と、
受信された前記位相変調波に周波数検波を行う周波数検波工程と、
周波数検波された信号にｓｉｎｃ関数型スペクトルを用いたフィルタリングを行う第１フィルタリング工程と、
前記送信装置における第１ロールオフ率より小さい第２ロールオフ率を用いて、前記第１フィルタリング工程においてフィルタリングされた信号にフィルタリングを行う第２フィルタリング工程と、
を具備する受信方法。