JP5415796B2 - 無線中継装置 - Google Patents

Description

この発明は、受信した希望波を増幅して中継する無線中継方法およびその装置に関し、特に狭帯域信号システムにおいて同一周波数中継を実現する無線中継方法およびその装置に関するものである。

限られた周波数資源を有効に利用するため、例えば地上デジタルテレビ放送では、中継局も親局と同じ周波数で放送する単一周波数ネットワーク
（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ ：ＳＦＮ）が使用されている。しかしＳＦＮにおいては、中継局の送信アンテナから発射された電波が親局波を受信するアンテナに回り込み、信号の劣化や最悪の場合には発振を引き起こす恐れがあるため、この回り込み対策が重要な課題となっており、該回り込み信号を消去するための回り込みキャンセラが開発されている。

前記回り込み対策としては一般に、回り込み波によって発生する周波数特性、もしくは時系列上の信号の乱れを観測し、トランスバーサルフィルタ（ＦＩＲフィルタ）を用いて回り込み波の逆位相信号を生成し、該逆位相信号を受信信号に加算することで回り込み波を打ち消す手法が実施されている。

使用信号の周波数帯域が広帯域である場合の周波数特性を観測する手法の一実施例として、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に示されている従来の回り込みキャンセラを図３に示す。図３は、基地局からの信号を受信し、同一周波数で再送信する同一周波数中継装置のブロック図であり、広帯域な直交周波数分割多重（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＯＦＤＭ）信号を扱う地上デジタルテレビ放送に使用されている。

図３に示す中継装置は、基地局からの信号を受信アンテナ３０１で受信し、送信アンテナ３１２から再送信した信号が再び３０１に到達することで発生してしまう回り込み波を、回り込みキャンセラの構成要素である３０３、３０４、３０５、３０６、３０７、３０８、３０９、３１０、３１４によって消去する。

受信信号をＦＦＴ３０５により周波数領域のデータに変換し、電力スペクトル算出部３０６で電力スペクトルを算出し、逆数化部３１４で電力スペクトルの逆数を算出することでマルチパスなどの影響を持った伝搬路特性を推定し、逆フーリエ変換装置３０７によって時間領域のインパルス応答値に変換し、タップ係数更新部３０８によってインパルス応答値を用いてタップ係数値を計算し、それをＦＩＲフィルタ３０９のタップ係数として設定し、受信信号をこのＦＩＲフィルタに入力することで回り込み波の逆位相信号を生成し、加算部３０４にて受信信号から回り込み信号のみを消去するというものである。

以上示した従来例は、対象信号が広帯域であることを利用したものである。

前述のように、受信信号が広帯域であることを利用した回り込み消去方式は、地上デジタルテレビ放送などの広帯域信号を利用した放送および通信システムにおいて限定的に使用されていたのであるが、通信システムとして、防災行政無線など、より一般的な狭帯域信号を扱うシステムにおいても、周波数有効利用のためにＳＦＮを実現することへの要望が高まっている。

広帯域信号の場合、回り込み波の特性は図２に示すように、リプル波形のスペクトルとなって現れるため、周波数領域での処理により、そのリプル波形から回り込み伝搬路の特性を推定することが出来た。しかるに希望波の帯域幅が数十ｋＨｚ程度しかないような狭帯域信号の場合は、白色雑音のように帯域を広く要する信号は含まれないため、回り込み伝搬路の特性を示すリプル波形が十分に得られず、回り込み波の推定は不可能であった。

また、狭帯域信号において回り込み波の推定が困難であった別の理由としては、広帯域信号の場合、回り込み波の特性は、図４に示すように相関処理において回り込み波の遅延時間に一致した時刻にインパルスとなって現れ、そのインパルスから回り込み伝搬路の特性を推定することが出来たが、希望波の帯域幅が数十ｋＨｚ程度の狭帯域信号の場合は、急峻な相関波形を得られないということもあった。

特開２００１−２８５６２号公報 特開２００２−２７１２９５号公報 特開２００２−２９０３７０号公報 特開２００４−８０６６８号公報 特開２００５−０８６３７７号公報

本発明は、回り込み伝搬路の特性を十分に示す波形を得られないことや、急峻な相関波形を得られないことといった、防災無線等において用いられる狭帯域信号による送受信を行う際の回り込みキャンセラの課題を解決し、広帯域通信と同様にＳＦＮを高精度で実現することを目的とするものである。

第一のアンテナに到来した受信波の帯域を含んだ広帯域に占有帯域を有する特定の信号が前記受信波に重畳されて第二のアンテナから再送信された再送信波の成分の内、前記第二のアンテナから前記第一のアンテナに回り込んだ回り込み波に含まれる特定の成分に基づいて、前記第二のアンテナから前記第一のアンテナに至る回り込み伝搬路の補償に供されるフィルタの濾波特性を設定する回り込み信号除去装置であって、前記受信波が狭帯域信号であり、かつ制御手段は、前記回り込み波の周波数スペクトルの周波数軸上における逆数の列の逆フーリエ変換によって得られるインパルス応答に、前記濾波特性を設定する。

本発明によれば、推定用信号のスペクトルに現れる回り込み伝搬路の特性を示すリプルを削除しないため、精度の高いＦＩＲフィルタのタップ係数を得ることができ、回り込み波の消去が可能となる。

また、推定用信号の送信電力が必要最低限で済むので、希望狭帯域信号の信号電力対雑音電力比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ：Ｓ／Ｎ）の劣化を抑制することが可能となる。

また、希望狭帯域信号が単一か複数かに関係なく希望狭帯域信号を検出すること、あるいは希望狭帯域信号の中心周波数（搬送波周波数）の情報をあらかじめ保持しておく必要がないため、一律の処理で済み、簡単な回路で実現できる。

実施例のシステムブロック図 回り込みによるリプル状のスペクトル波形 従来の回り込みキャンセル装置 回り込みによるインパルス状の相関値 回り込み推定部における逆数化による希望狭帯域信号の減衰 回り込み推定部における希望狭帯域信号の消去 白色性広帯域雑音電力が小さい場合の希望狭帯域信号の消去 白色性広帯域雑音電力が小さい場合の逆数化による希望狭帯域信号の消去 希望狭帯域信号が複数ある場合の逆数化による希望狭帯域信号の消去

本発明の実施例について図１を参照し説明する。本実施例は、受信アンテナから取り込まれた希望狭帯域信号に、スペクトルが平坦で広帯域な推定用信号を重畳し、希望狭帯域信号と推定用信号を同時に送信アンテナから再送信して受信アンテナに回り込ませ、回り込み推定部においては希望狭帯域信号を抑圧し、推定用信号と推定用信号の回り込み信号からなるスペクトルを時間平均し、さらに逆フーリエ変換すれば、伝搬路のインパルス応答によって、回り込み特性を表現できることを利用している。

まず、中継動作開始時の動作を述べる。最初に、選択スイッチ１０４は広帯域受信バンドパスフィルタ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）１０２を、選択スイッチ１１９は広帯域送信ＢＰＦ１１７をそれぞれ選択しておく。

受信アンテナ１０１で受信した信号は、１０４によって選択された広帯域受信ＢＰＦ１０２に入力される。広帯域受信ＢＰＦ１０２は複数の希望狭帯域信号の占有周波数帯域を含み、かつ、希望狭帯域信号の帯域幅より広い通過帯域を有することにより、希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号、および推定用信号の回り込み信号を１０４以降に通過させる。

例えば一例として、防災無線では、希望狭帯域信号の帯域幅が２５ｋＨｚ程度で、送信チャネルおよび受信チャネルに割り当てられている帯域幅がそれぞれ６ＭＨｚなので、１０２の通過帯域幅は６ＭＨｚ程度に設定する。

広帯域受信ＢＰＦ１０２によってバンドパス処理された信号に、推定用信号重畳部１０５にて推定用信号を重畳する。推定用信号とはスペクトルが平坦で広帯域な信号すなわち白色性広帯域雑音のことであり、スイッチ１０７をオンにし推定用信号発生器１０６を用いて擬似的に作成しても良いが、受信機が本来持っている熱雑音を利用するほうが白色性が高いので好ましい。

また、１０５、１０６、１０７は省略し受信機内の信号経路においておのずから生じる熱雑音をそのまま推定用信号として利用しても良い。白色性広帯域雑音が重畳された信号はＡ／Ｄコンバータ１０８にてサンプリングされる。

全体としては、狭帯域信号を希望波とする伝送システムではあるが、希望狭帯域信号と同時に白色性広帯域雑音も送信アンテナ１２１から送信し、送信局からの希望狭帯域信号と共に、前記希望狭帯域信号と白色性広帯域雑音が重畳された信号の回り込み波も受信アンテナ１０１で受信する。白色性広帯域雑音はスペクトルを観測すると、回り込み波が存在しない時は平坦な周波数特性をもつが、回り込み波が存在すると周波数特性にリプルが生じる。このリプルを用いて回り込み伝搬路の推定を精度良く行う。

Ａ／Ｄコンバータ１０８でサンプリングされた信号を元に、ＦＦＴ１１０にてＦＦＴを行い、１１０の出力信号の実数部と虚数部の２乗和を算出する電力スペクトル算出部１１１で電力スペクトルを観測するが、推定用信号の回り込みによるリプルと希望狭帯域信号が混在しているため、そのままでは回り込み推定を精度良く行うことが出来ない。

そこで、１１１で算出された電力スペクトルについて、逆数化部１１２にて、図５に示すように、信号電力の逆数を計算することによって、回り込み推定に適さない希望狭帯域信号の大きなピークを示す周波数帯を減衰させることにより、白色性広帯域雑音および白色性広帯域雑音の回り込み信号によるリプルのみの信号に変形させ、さらに逆フーリエ変換器１１３にて時間信号に戻すことで伝搬路のインパルス応答を求めることができる。

前記計算の際、１１２の前段階の信号、あるいは１１２にてリプルのみの電力スペクトルに変形した信号を、任意時間幅に関して時間平均しても良い。時間平均をすることによって、伝搬路のインパルス応答を精度良く推定することが可能になる。

また、希望狭帯域信号と一緒に、白色性広帯域雑音の回り込みによるリプルも逆数化されるが、リプルを逆数化した方が高精度な回り込み推定が可能であるので好都合である。

ここで、逆数化部１１２の代わりに、図６に示すように、希望狭帯域信号の大きなピークを示す周波数帯を消去するという手段も考えられる。ただし、残ったリプルについては逆数化しなくても回り込み推定が可能であるが、逆数化した方が好ましい。

しかし、逆数化部１１２の代わりに希望狭帯域信号の大きなピークを示す周波数帯を消去する方法では、図７に示すように、白色性広帯域雑音のレベルが低い場合、希望狭帯域信号を確実に消去するには、リプルも広い範囲にわたって消去しなければならない。その場合、伝搬路のインパルス応答の推定精度が低下してしまう。

本発明のように、逆数化による手段を用いれば、図８に示すように、希望狭帯域信号に対して白色性広帯域雑音のレベルが低い場合でも、リプルを残すことが出来、伝搬路のインパルス応答の推定精度を低下させることがない。

逆に言えば、最小限の白色性広帯域雑音電力で精度良く伝搬路のインパルス応答を推定できる。

さらに、逆数化によれば、図９に示すように、希望狭帯域信号が複数の場合でも、リプルを残すことが出来、伝搬路のインパルス応答の推定精度を低下させることがない。

さらに、逆数化によれば、希望狭帯域信号が単一か複数かに関係なく、希望狭帯域信号を検出すること、あるいは希望狭帯域信号の中心周波数（搬送波周波数）の情報をあらかじめ保持しておく必要がないため、一律の処理で済み、簡単な回路で実現できる。

逆フーリエ変換器１１３にて求められたインパルス応答からタップ係数更新部１１４にてＦＩＲ１１５のタップ係数を更新し、１１５にて希望狭帯域信号と推定用信号の回り込み信号の逆位相信号を生成し、加算器１０９にてＡ／Ｄコンバータ１０８でサンプリングされた受信信号に加算し、推定用信号の回り込み信号を消去する。

加算器１０９で回り込み信号が消去された希望狭帯域信号と推定用信号は、Ｄ／Ａコンバータ１１６にてアナログ信号に戻され、選択スイッチ１１９によって選択された広帯域受信ＢＰＦ１０２と同様の通過帯域を有する広帯域送信ＢＰＦ１１７にて不要な周波数成分がカットされ、増幅器１２０で増幅され、送信アンテナ１２１から送信される。

以上が、中継開始時の収束処理（安定化処理）の動作である。収束処理では、システムに割り当てられた帯域幅全体に及ぶ広帯域で回り込み推定に有効な推定用信号を用いることによりＦＩＲ１１５のタップ係数を素早く収束させることが出来る。すなわち回り込み消去を素早く安定させることが出来る。

しかるに、回り込み推定用に広帯域信号を別途用いる手段による回り込みキャンセラは、回り込み信号が極めて大きい場合、つまり希望波信号対非希望波信号電力比（Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｕｎｄｅｓｉｒｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ：Ｄ／Ｕ）が低い場合は、希望狭帯域信号に対して広帯域で大きなパワーを持った回り込み信号を受信し、加算器１０９において回り込み信号が消去されるまでは、常に信号経路内に回り込み信号も存在するため、Ａ／Ｄ変換器１０８における希望狭帯域信号のＳ／Ｎが頭打ちになる恐れがある。

そこで、中継開始後、ＦＩＲ部１１５のタップ係数が収束したならば、希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号のみで、Ａ／Ｄ変換器１０８のダイナミックレンジを最大に使う定常処理に移行する。その手順を以下に述べる。

中継開始時から常に、回り込み消去誤差測定部１２３は、逆フーリエ変換器１１３の出力であるインパルス応答の電力により回り込み消去誤差を測定する。回りこみ消去誤差があらかじめ定めた値以下に連続して留まるようになったら、すなわち回り込み消去量が一定値で安定したら、１２３はスイッチ切換信号を出力する。１２３からのスイッチ切換信号によって選択スイッチ１０４は、希望狭帯域信号の占有周波数帯域幅に一致した通過帯域を有するくし型受信ＢＰＦ１０３を選択する。１０３を選択することで希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号のみを１０４以降に通過させる。

希望狭帯域信号と希望狭帯域信号の回り込み信号のみでＡ／Ｄ変換器１０８のダイナミックレンジを最大に使うことが出来るため、希望狭帯域信号のＳ／Ｎが向上する。

さらに、回り込み消去誤差測定部１２３からのスイッチ切換信号によって、選択スイッチ１１９は、くし型受信ＢＰＦ１０３と同様の通過帯域を有するくし型送信ＢＰＦ１１８を選択する。希望信号帯域外の送信を抑制し通信品質を向上できる。

さらに回り込み伝搬路特性が安定している場合には、スイッチ１０７をオフにし、タップ係数更新部１１４の動作を停止しても良い。これにより希望狭帯域信号のＳ／Ｎをいっそう高めることが出来る。

以上のように、中継開始時の収束処理では白色性広帯域雑音を用いることにより素早くＦＩＲ部１１５のタップ係数を収束させ、定常状態では、くし型受信ＢＰＦ１０３およびくし型送信ＢＰＦ１１８で帯域制限することにより、希望信号品質を維持する。このように、状態によって受信ＢＰＦと送信ＢＰＦを変更することによって、高い収束性と信号品質を小さな回路規模で実現できる。
以下に、出願当初における本願明細書の段落００１３〜００１８の記述を転記する。
前記のように回り込み推定を高精度で行うために本発明は、
第１のアンテナが受信した中継の対象となる送信局からの信号を第２のアンテナから出力することによって発生する、第１のアンテナへの回り込み信号を除去するためにＦＩＲフィルタを用いる回り込み信号除去装置において、
スペクトルが平坦であり且つ前記送信局からの変調信号の帯域幅に対して充分に広帯域な推定用信号を前記第1のアンテナが受信した信号に重畳する推定用信号重畳部と、
前記推定用信号重畳部の出力信号のフーリエスペクトルを計算するＦＦＴ部と、
前記フーリエスペクトルの電力値を算出する電力スペクトル算出部と、
前記電力スペクトル算出部の計算結果の逆数を計算する逆数化部と、
前記逆数化部の出力を時間領域の信号に戻すための逆フーリエ変換部を備え、
前記逆フーリエ変換部の出力を前記ＦＩＲフィルタに入力し、該ＦＩＲフィルタのタップ係数を更新することを特徴とする回り込み信号除去装置とする。
本発明では、このように、伝搬路推定に適しているリプルの逆数を求める逆数化部と推定用信号重畳部を併用することによって、推定用信号のスペクトルに現れる回り込み伝搬路の特性を示すリプルを削除することなく、大きな信号電力を持つ回り込み伝搬路の推定に適さない希望狭帯域信号のみを抑圧すると同時に、推定用信号のスペクトルに現れたリプルを回り込み推定に適した逆数化されたリプルに変形できるため、伝搬路のインパルス応答を高精度に推定することができる。
なお、希望狭帯域信号とは、映像信号や音声信号といった、送信者が受信者に向けて送信したい信号を含んだ変調信号のことを言う。
また、本発明は、前記ＦＦＴ部の出力として、任意時間幅における該ＦＦＴ部の各次数の出力値の平均値を用いることを特徴とする回り込み信号除去装置とする。
また、本発明は、前記逆数化部の出力として、任意時間幅における該逆数化部の出力値の平均値を用いることを特徴とする回り込み信号除去装置とする。
前記のようにＦＦＴ部や逆数化部の出力の時間平均値を用いることにより、さらに伝搬路のインパルス応答を高精度に推定することが可能になる。

１０１…受信アンテナ、 １０２…広帯域受信バンドパスフィルタ、
１０３…くし型受信バンドパスフィルタ、 １０４…選択スイッチ、
１０５…推定用信号重畳部、 １０６…推定用信号発生器、 １０７…スイッチ、
１０８…Ａ／Ｄコンバータ、 １０９…加算器、
１１０…ＦＦＴ、 １１１…電力スペクトル算出器、
１１２…逆数化部、 １１３…逆フーリエ変換器、
１１４…タップ係数更新器、 １１５…ＦＩＲフィルタ、
１１６…Ｄ／Ａコンバータ、 １１７…広帯域送信バンドパスフィルタ、
１１８…くし型送信バンドパスフィルタ、 １１９…選択スイッチ、
１２０…可変増幅器、 １２１…送信アンテナ、
１２２…回り込み信号、 １２３…回り込み消去誤差測定部、
３０１…受信アンテナ、 ３０２…受信バンドパスフィルタ、
３０３…Ａ／Ｄコンバータ、 ３０４…加算器、 ３０５…ＦＦＴ、
３０６…電力スペクトル算出器、 ３０７…逆フーリエ変換器、
３０８…タップ係数更新器、 ３０９…ＦＩＲフィルタ、
３１０…Ｄ／Ａコンバータ、 ３１１…送信バンドパスフィルタ、
３１２…送信アンテナ、 ３１３…回り込み信号、
３１４…逆数化部。

Claims (1)

1. 第一のアンテナに到来した受信波の帯域を含んだ広帯域に占有帯域を有する特定の信号が前記受信波に重畳されて第二のアンテナから再送信された再送信波の成分の内、前記第二のアンテナから前記第一のアンテナに回り込んだ回り込み波に含まれる特定の成分に基づいて、前記第二のアンテナから前記第一のアンテナに至る回り込み伝搬路の補償に供されるフィルタの濾波特性を設定する回り込み信号除去装置であって、
   前記回り込み波の周波数スペクトルの周波数軸上における逆数の列の逆フーリエ変換によって得られるインパルス応答に、前記濾波特性を設定する制御手段を備え、
   前記受信波は、狭帯域信号である
   ことを特徴とする回り込み信号除去装置。