JP4772462B2

JP4772462B2 - 受信機

Info

Publication number: JP4772462B2
Application number: JP2005326564A
Authority: JP
Inventors: 浩志富塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP2007135002A

Description

本発明は、無線通信システムを構成する受信機（受信側の通信装置）に関するものであり、特に、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）に基づいた適応アルゴリズムにより適応等化器のタップ係数を推定する受信機に関するものである。

移動体無線等の無線通信システムにおいては、マルチパス伝搬による選択性フェージング対策として適応等化器の適用が有効である。たとえば、既知系列を利用した適応等化器では、ＭＭＳＥに基づいたＳＭＩ（Sample Matrix Inversion），ＲＬＳ（Recursive Least-Squares），ＬＭＳ（Least Mean Square）等の適応アルゴリズムによりタップ係数を推定する（下記特許文献１参照）。また、上記とは異なるタップ係数推定方法として、たとえば、既知系列を利用しないＣＭＡ（Constant Modulus Algorithm）がある（下記非特許文献１参照）。

ここで、一例として、上記ＳＭＩアルゴリズムを次式（１）〜（４）に示す。ＳＭＩアルゴリズムは、理論式（１）を解くことでタップ係数を求める。

…（１）

…（２）

…（３）

…（４）

なお、Ｒは自己相関関数を表し、ｒは相互相関関数を表し、ｍはサンプリング時間を表し、Ｎはタップ数を表し、Ｘはタップ入力信号を表し、ｄは既知シンボルを表している。

逆行列演算に要する演算量はタップ数が増大するほど膨大となるため、相関行列の逆行列については、以下の逆行列公式（５）を利用して導出される式を利用して推定してもよい。

…（５）

また、ＬＭＳアルゴリズムを次式（６）、（７）に示す。なお、μはステップサイズを表す。

…（６）

…（７）

したがって、算出したタップ係数に基づいて、等化器出力は下記（８）式のように表すことができる。

…（８）

特開２００３−７８４６２号公報斉藤洋一著「ディジタル無線通信の変復調」電子情報通信学会出版初版第6刷発行、2002年6月1日、P176〜P188

しかしながら、上記従来の技術によれば、量子化を行って適応等化器のタップ係数推定演算を行った場合、タップ係数推定値に含まれる量子化誤差による影響が無視できず、大きな受信特性の劣化につながる可能性がある、という問題があった。また、量子化誤差の影響を抑えるべく、量子化ビット幅を十分に確保しようとすると回路規模が増大する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路規模を増大させることなく、適応等化器のタップ係数推定演算において、タップ係数推定値に含まれる量子化誤差を補償可能な受信機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる受信機は、適応等化器を備えた受信機であって、伝送路に追従させて適応等化器のタップ係数を推定する第１のタップ係数推定アルゴリズムと、当該第１のタップ係数推定アルゴリズムよりも量子化精度の高い第２のタップ係数推定アルゴリズムと、を含み、前記第１のタップ係数推定アルゴリズムにより推定されたタップ係数の量子化誤差を、前記第２のタップ係数推定アルゴリズムを用いて補償するタップ係数推定手段と、前記タップ係数推定手段において推定された量子化誤差補償後のタップ係数を用いて、受信信号の情報系列に対して等化処理を実行する適応等化手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、タップ係数の推定処理を２段に分けて実施し、前段では、たとえば、ＳＭＩアルゴリズムによりタップ係数を推定し、後段では、ＳＭＩアルゴリズムによりタップ係数を推定したときの量子化誤差を、たとえば、ＬＭＳアルゴリズムを用いて低減することとしたので、ＳＭＩアルゴリズムによるタップ係数推定の過程において発生する量子化誤差を補償することができ、その結果、誤り率の劣化を抑えることができる、という効果を奏する。また、ＳＭＩアルゴリズムの量子化誤差の許容範囲が広がるので、量子化ビット幅を通常より減らすことが可能となり、回路規模を削減することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる受信機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる受信機の構成例を示す図であり、この受信機は、受信信号蓄積メモリ部１，タップ係数推定部２，適応等化処理部３，既知系列発生部４，判定部５を備えている。

受信信号蓄積メモリ部１は、バースト受信信号を蓄積しておくメモリである。タップ係数推定部２は、伝送路に応じて適応的に等化器のタップ係数を推定する。ここでは、少なくとも２つ以上のタップ係数推定アルゴリズムを用いてタップ係数を推定する。たとえば、伝送路に追従させてタップ推定を行うことを目的としたタップ係数推定アルゴリズム１１と、量子化誤差の低減を目的とした上記タップ係数推定アルゴリズム１１よりも量子化精度の高いタップ係数推定アルゴリズム１２と、を用いてタップ係数を決定する。タップ係数推定アルゴリズム１１により推定されたタップ係数の量子化誤差を、タップ係数推定アルゴリズム１２を用いて補正することにより、高精度なタップ係数を推定する。このとき、既知系列を使用するアルゴリズムを用いる場合には、既知系列を発生させる回路または既知系列をメモリに記憶させる回路を有する既知系列発生部４が必要となる。そして、適応等化処理部３が、タップ係数推定部２において推定されたタップ係数に基づいて、前述した式（８）の等化処理を行い、判定部５が、等化処理後の信号に対してシンボル判定を行う。

つづいて、上記本実施の形態における受信機の処理を、図２を用いて具体的に説明する。まず、タップ係数推定部２１は、ＳＭＩアルゴリズム（上記タップ係数推定アルゴリズム１１に相当）による、バースト内に挿入された既知系列（同期ワード等）を利用したタップ係数推定処理を行う。一方で、量子化誤差補償部２２は、タップ係数推定部２１において推定されたタップ係数を初期値とし、ＬＭＳアルゴリズム（上記タップ係数推定アルゴリズム１２に相当）による、既知系列を利用したタップ係数推定処理を行う。そして、上記適応等化処理部３に相当するトランスバーサルフィルタ２３が、上記量子化誤差補償部２２において推定されたタップ係数を用いて等化処理を行い、判定部５が、等化後の出力信号に対してシンボル判定を行う。なお、既知系列発生部４は、送信バースト内に含まれる既知系列と同一の系列を発生する。また、タップ係数推定部２１においては、上記ＳＭＩアルゴリズムを採用する場合を一例として説明するが、これに限らず、たとえば、ＲＬＳアルゴリズムを採用することとしてもよい。

つづいて、適応等化処理の一例として、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）／ＴＤＤ（Time Division Duplex）、同期検波方式を採用し、かつ１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調を行う無線通信システムに備えられる線形等化器の動作を、図３を用いて説明する。ここで、線形等化器は、マルチパス伝搬に伴う符号間干渉（ＩＳＩ：Intersymbl Interference）を抑圧するために備えられる。また、バースト信号には、図４に示すように、同期ワードが挿入され、同期ワードの挿入位置は一例として中心に挿入することとする。図４は、ＴＤＭＡフレームフォーマットの一例を示す図である。

まず、送信機側から変調信号（上記１６ＱＡＭ変調）が送信された場合、伝送路を介して受信機側において受信した信号は、所定のＲＦ処理およびＡ／Ｄ変換が行われた後、さらに、受信フィルタ、同期処理（フレーム同期、周波数同期、クロック同期等）および周波数オフセット補正等が行われる。そして、上記処理により生成されたバースト受信信号（図３に示すオーバーサンプル受信信号に相当）が受信信号蓄積メモリ部１に記憶される（ステップＳ１）。タップ係数推定部２１、量子化誤差補償部２２およびトランスバーサルフィルタ２３は、受信信号蓄積メモリ部１に記憶された受信信号を取得する。

つぎに、既知系列発生部４は、送信信号に挿入されている同期ワード（既知系列）と同一の系列（既知系列）を発生する（ステップＳ２）。

この状態で、タップ係数推定部２１は、受信信号中の既知系列部分と既知系列発生部４から送られてくる既知系列とを取得し（ステップＳ３）、受信信号（既知系列部分）同士の自己相関行列（上記式（２）参照）の逆行列と、上記受信信号中の既知系列部分と上記既知系列発生部４出力の既知系列との相関ベクトル（上記式（３）参照）と、を算出し、それらの結果を上記理論式（１）に代入してタップ係数を求める（ステップＳ４）。ただし、タップ係数推定部２１で求めたタップ係数は、量子化誤差を含んでいる。すなわち、この状態のタップ係数を用いて等化処理を行っても、多値ＱＡＭ変調の場合は特に信号点間距離が短いため、受信誤り率が劣化する可能性が大きい。そこで、本実施の形態においては、さらに、上記ステップＳ４にて求めたタップ係数と、上記と同様の既知系列と、を用いて量子化誤差補正を行う（ステップＳ５）。ここでは、上記で求めたタップ係数を量子化誤差補償部２２に入力して、そのタップ係数を初期値としたＬＭＳアルゴリズムによるタップ推定（上記式（６）、上記式（７）参照）を、上記と同様の同期ワードを利用して実行する。

なお、既知系列がタップ数に対して比較的短い場合には、同一の既知系列を繰り返し用いてＬＭＳによるタップ係数の更新を行うことで、より精度の高いタップ係数を得る。また、上記処理において使用する既知系列は、アルゴリズム単位に異なることとしてもよい。

このようにして算出されたタップ係数の量子化誤差は、ＬＭＳ処理時に発生する量子化誤差の範囲内まで抑圧されることになる。

つぎに、トランスバーサルフィルタ２３では、量子化誤差補償部２２において算出されたタップ係数を用いて、受信信号（情報系列）に対して等化処理（上記式（８）参照）を実施する（ステップＳ６）。そして、判定部５では、トランスバーサルフィルタ２３から出力された等化後の受信信号に対してシンボル判定を行う（ステップＳ７）。

以上のように、本実施の形態においては、タップ係数の推定処理を２段に分けて実施し、前段ではＳＭＩアルゴリズムによりタップ係数を推定し、後段では、ＳＭＩアルゴリズムによりタップ係数を推定したときの量子化誤差を、ＬＭＳアルゴリズムを用いて低減することとした。これにより、ＳＭＩアルゴリズムによるタップ係数推定の過程において発生する量子化誤差を補償することができ、その結果、誤り率の劣化を抑えることができる。また、ＳＭＩアルゴリズムの量子化誤差の許容範囲が広がるので、量子化ビット幅を通常より減らすことが可能となり、回路規模を削減することができる。さらに、ＬＭＳアルゴリズムのステップ係数を調節することにより、誤差補正精度と収束速度の調整を行うことも可能となる。

実施の形態２．
つづいて、実施の形態２では、実施の形態１において説明したＬＭＳアルゴリズムによる量子化誤差抑圧機能を、アダプティブアレーアンテナのウェイト推定に適用する。

図５は、実施の形態１の量子化誤差抑圧機能をアダプティブアレーアンテナのウェイト推定に適用した場合の受信機の構成を示す図であり、この受信機は、アンテナ素子３１−１〜３１−ｎ，受信信号蓄積メモリ部３２，乗算器３３−１〜３３−ｎ，ウェイト推定部３４，量子化誤差補償部３５，既知系列発生部３６，合成部３７，判定部３８を備えている。

受信信号蓄積メモリ部３２は、各アンテナ素子に対応したバースト受信信号を蓄積しておくメモリである。ウェイト推定部３４は、ＳＭＩアルゴリズムによる、バースト内に挿入された既知系列（同期ワード等）を利用したウェイト推定処理を行う。量子化誤差補償部３５は、ウェイト推定部３４において推定されたウェイトを初期値とし、ＬＭＳアルゴリズムによる、既知系列を利用したウェイト推定を行う。乗算器３３−１〜３３−ｎは、量子化誤差補償部３５において推定されたウェイトを用いてそれぞれ複素乗算を行い、合成部３７は、アンテナ素子数分の複素乗算結果を合成する。判定部３８は、合成後の信号に対してシンボル判定を行う。既知系列発生部３６は、送信信号に含まれる同期ワード（既知系列）とアンテナステアリングベクトルを付加した参照信号を発生する。

つづいて、上記受信機の動作を図６に従って説明する。アダプティブアレーアンテナは、複数アンテナ素子を利用してビームの指向性を適応的に変化させることに特徴がある。基本的な動作原理としては、受信機側では、所望波方向にメインビームを向けて十分取り込みつつ、ヌルを干渉波に向け除去する。一方で、送信機側では、所望ユーザ方向にメインビームを向けて十分なアレー利得を得るとともに、所望ユーザ以外の他ユーザにはヌルを向けて他ユーザへの干渉を防ぐ。すなわち、アダプティブアレーアンテナは、複数のアレーアンテナを用いて適応的に指向性を変化させ、所望波にビームを向け、干渉波にヌルを向けることにより、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ：Signal to Interference-plus-Noise Ratio）の向上を図っている。

まず、送信機側から変調信号（たとえば、１６ＱＡＭ変調）が送信された場合、伝送路を介して受信機において各アンテナ素子で受信した信号は、所定のＲＦ処理およびＡ／Ｄ変換が行われた後、さらに、受信フィルタ、同期処理（フレーム同期、周波数同期、クロック同期等）および周波数オフセット補正等が行われる。そして、上記処理により生成されたバースト受信信号（図６に示すアレイ毎のオーバーサンプル受信信号に相当）が受信信号蓄積メモリ部３２に記憶される（ステップＳ１１）。ウェイト推定部３４、量子化誤差補償部３５および乗算器３３−１〜３３−ｎは、受信信号蓄積メモリ部３２に記憶された受信信号を取得する。

つぎに、既知系列発生部３６は、送信信号に挿入されている同期ワード（既知系列）と同一の系列（既知系列）を発生する（ステップＳ１２）。さらに、発生した既知系列に対して、アンテナ素子毎にステアリングベクトル（アンテナ間の位相差）を付加した参照信号を生成する（ステップＳ１３）。

この状態で、ウェイト推定部３４は、受信信号中の既知系列部分と既知系列発生部３６から送られてくる参照信号（既知系列を含む）とを取得し（ステップＳ１４）、これらに基づいて、ＳＭＩアルゴリズムによるウェイト推定処理を行う（ステップＳ１５）。さらに、ここで推定されたウェイトは、量子化誤差を含んでいるので、本実施の形態においては、量子化誤差補償部３５が、上記と同様の既知系列を用いてＬＭＳアルゴリズムを適用し、上記ステップＳ１５にて推定されたウェイトを更新（量子化誤差補正）する（ステップＳ１６）。

つぎに、乗算器３３−１〜３３−ｎが、量子化誤差補償部３５の処理で量子化誤差が十分に抑圧されたウェイトと各受信信号とを乗算し、さらに、合成部３７が、アンテナ素子数分の上記乗算結果を合成する（ステップＳ１７）。そして、判定部３８では、合成部３７から出力された受信信号に対してシンボル判定を行う（ステップＳ１８）。なお、合成後の信号は、マルチパス遅延波および多ユーザによる干渉波が空間的に分離されているので、判定部３８の判定により、高い確率で良好な受信品質を得ることができる。

以上のように、本実施の形態においては、ウェイト推定処理を２段に分けて実施し、前段ではＳＭＩアルゴリズムによりウェイトを推定し、後段では、前述した実施の形態１と同様に、ＬＭＳアルゴリズムを用いて量子化誤差を低減することとした。これにより、ＳＭＩアルゴリズムによるウェイト推定の過程において発生する量子化誤差を補償することができ、その結果、誤り率の劣化を抑えることができる。

なお、上記実施の形態１および実施の形態２では、量子化誤差補償のためのＬＭＳアルゴリズムにおいて、ＳＭＩアルゴリズムによる推定処理と同一の同期ワードを使用していたが、必ずしも同じである必要はない。たとえば、量子化誤差補償のためのＬＭＳアルゴリズムにおいては、データ部分の判定値を同期ワードと置き換えて処理を行うことも可能である。また、本発明は、量子化誤差を簡易な方法で抑圧するものであり、使用するアルゴリズムや通信方式等が限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかる受信機は、無線通信システムを構成する通信装置として有用であり、特に、適応等化器を備えた通信装置として適している。

本発明にかかる受信機の構成例を示す図である。実施の形態１の受信機の具体例を示す図である。受信機の処理を示すフローチャートである。ＴＤＭＡフレームフォーマットの一例を示す図である。実施の形態１の量子化誤差抑圧機能をアダプティブアレーアンテナのウェイト推定に適用した場合の受信機の構成例を示す図である。受信機の処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１，３２受信信号蓄積メモリ部
２タップ係数推定部
３適応等化処理部
４，３６既知系列発生部
５，３８判定部
１１，１２タップ係数推定アルゴリズム
２１タップ係数推定部
２２，３５量子化誤差補償部
２３トランスバーサルフィルタ
３１−１〜３１−ｎアンテナ素子
３３−１〜３３−ｎ乗算器
３４ウェイト推定部
３７合成部

Claims

重み係数を乗じた複数の受信信号に基づいて不要波を除去した受信信号を生成する受信機において、
全受信信号について、第１の重み係数推定アルゴリズムにより前記複数の受信信号に基づいて重み係数を推定する第１の重み係数推定手段と、
全受信信号について、前記第１の重み係数推定手段により推定された重み係数を初期値として、前記第１の重み係数推定アルゴリズムより受信信号の量子化により生じる演算誤差が少ない第２の重み係数推定アルゴリズムにより前記複数の受信信号に基づいて重み係数を推定する第２の重み係数推定手段と、
前記第２の重み係数推定手段により推定された重み係数と前記複数の受信信号とに基づいて前記不要波を除去した受信信号を生成する適応等化手段と、
を備えることを特徴とする受信機。
前記重み係数をタップ係数とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の受信機。
さらに、送信信号に含まれている既知の系列と同一の系列（既知系列）を発生させる既知系列発生手段、
を備え、
前記第１の重み係数推定手段および前記第２の重み係数推定手段が既知系列を利用したタップ係数推定処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の受信機。
前記第１および第２のタップ係数推定アルゴリズムにおいて、同一の既知系列を利用することを特徴とする請求項３に記載の受信機。
前記第１および第２のタップ係数推定アルゴリズムにおいて、それぞれ異なる既知系列を利用することを特徴とする請求項３に記載の受信機。
前記第１の重み係数推定手段は、
前記第１の重み係数推定アルゴリズムとして、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）に基づいたＳＭＩ（Sample Matrix Inversion）アルゴリズムを採用することを特徴とする請求項３、４または５に記載の受信機。
前記第１の重み係数推定手段は、
前記第１のタップ係数推定アルゴリズムとして、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）に基づいたＲＬＳ（Recursive Least-Squares）アルゴリズムを採用することを特徴とする請求項３、４または５に記載の受信機。
前記第２の重み係数推定手段は、
前記第２の重み係数推定アルゴリズムとして、ＭＭＳＥに基づいたＬＭＳ（Least Mean Square）アルゴリズムを採用することを特徴とする請求項６または７に記載の受信機。
前記第２の重み係数推定手段は、
同一の既知系列を繰り返し用いて、前記第２のタップ係数推定アルゴリズムによるタップ係数の更新処理を行うことを特徴とする請求項３〜８のいずれか一つに記載の受信機。
アダプティブアレーアンテナ、
をさらに備え、
前記重み係数を前記アダプティブアレーアンテナのアンテナウエイトとする、
ことを特徴とする請求項１に記載の受信機。