JP5567949B2 - 送信機、その送信機から電波を受信する受信機およびそれらを備えた無線通信システム - Google Patents

Description

この発明は、送信機、その送信機から電波を受信する受信機およびそれらを備えた無線通信システムに関するものである。

従来、デジタル無線通信方式における周波数利用効率を向上するための変調方式として、搬送波の同相成分および直交成分の信号振幅に対してそれぞれ多値変調を行なう直交振幅変調方式が知られている（非特許文献１）。

従来の直交振幅変調方式を用いる送信機は、アンテナと、ＤＡ変換器と、変調器とを備える。変調器は、搬送波の同相成分であるＩ信号と、搬送波の直交成分であるＱ信号とにより直交振幅変調を行ない、変調信号を出力する。ＤＡ変換器は、変調器から出力された変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。アンテナは、ＤＡ変換器から出力されたアナログ信号を垂直偏波または水平偏波で送信する。また、垂直偏波および水平偏波は、直交しているため、２台の送信機によって、垂直偏波および水平偏波を同時に送信することも可能である。

また、従来の直交振幅変調方式を用いた送信機からの電波を受信する受信機は、アンテナと、ＡＤ変換器と、復調器とを備える。

アンテナは、送信機が送信した偏波信号を受信し、受信信号を出力する。ＡＤ変換器は、アンテナから出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。復調器は、ＡＤ変換器から出力されたデジタル信号が示す信号点に最も近い信号点を信号点配置の中から判別し、Ｉ信号およびＱ信号を出力する。

堀川泉，荒木正治，"各種劣化要因のある多値変調方式の誤り率特性，"電子情報通信学会論文誌，Ｖｏｌ．Ｊ６３−Ｂ，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１１３２−１１３９，１９８０年１１月．

しかし、従来の直交振幅変調においては、送信電力を変えずに通信容量を増やすと信号点間距離が短くなるため、復調時のデータ判別の誤りが増えるという問題がある。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、復調時のデータ判別の誤りを軽減して通信容量を増加可能な変調方式を用いた送信機を提供することである。

また、この発明の別の目的は、復調時のデータ判別の誤りを軽減して通信容量を増加可能な変調方式を用いた送信機から送信された電波を受信する受信機を提供することである。

更に、この発明の別の目的は、復調時のデータ判別の誤りを軽減して通信容量を増加可能な変調方式を用いて無線通信を行なう無線通信システムを提供することである。

この発明の実施の形態によれば、送信機は、変調器と、第１から第３の変換器と、第１および第２の乗算器と、第１および第２のアンテナとを備える。Ｉ信号、Ｑ信号およびＰ信号は、データ信号であり、値の変化するタイミングは、同期しているものとする。変調器は、搬送波の同相成分であるＩ信号と搬送波の直交成分であるＱ信号とにより直交振幅変調を行なう。第１の変換器は、データ信号であるＰ信号が取り得る値の個数に応じて決定され、かつ、０度以上１８０度未満の範囲に存在する角度を決定し、その決定した角度の正弦と角度の余弦とを出力する。第１の乗算器は、変調器から出力された第１の変調信号に角度の正弦を乗算して第２の変調信号を出力する。第２の乗算器は、第１の変調信号に角度の余弦を乗算して第３の変調信号を出力する。第２の変換器は、第２の変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。第３の変換器は、第３の変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する。第１のアンテナは、第２の変換器から出力されたアナログ信号を垂直偏波によって送信する。第２のアンテナは、第３の変換器から出力されたアナログ信号を水平偏波によって送信する。

また、この発明の実施の形態によれば、受信機は、上述した送信機によって送信された電波を受信して受信信号を復調する受信機であって、第１および第２のアンテナと、第１から第３の変換器と、復調器とを備える。第１のアンテナは、垂直偏波信号を受信する。第２のアンテナは、水平偏波信号を受信する。第１の変換器は、第１のアンテナから出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。第２の変換器は、第２のアンテナから出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。復調器は、第１の変換器から出力された第１の受信信号と第２の変換器から出力された第２の受信信号とに基づいて、垂直偏波信号と水平偏波信号とによって規定される偏波信号平面に配置され、かつ、各々がＩ信号、Ｑ信号および角度からなる複数の信号点のうち、第１および第２の受信信号が示す信号点に最も近い信号点を判別し、その判別した信号点を構成するＩ信号、Ｑ信号および角度を出力する。第３の変換器は、角度をデータ信号であるＰ信号に変換する。そして、Ｉ信号は、搬送波の同相成分であり、Ｑ信号は、搬送波の直交成分であり、角度は、送信機から送信された電波の面の水平偏波面からの角度である。

更に、この発明の実施の形態によれば、無線通信システムは、送信機と受信機とを備える。送信機は、上述した送信機からなる。受信機は、上述した受信機からなる。

この発明の実施の形態による送信機は、Ｉ信号とＱ信号とにより直交振幅変調された搬送波に、Ｐ信号により決定された値を乗算して垂直偏波信号および水平偏波信号を出力する。つまり、アンテナによって送信された垂直偏波信号および水平偏波信号の合成波は、Ｐ信号によって決定された角度だけ水平偏波面から回転した偏波信号として送信される。そして、受信機は、送信機から送信された合成波の受信信号を復調するとき、受信信号が示す信号点に最も近い信号点を判別してＩ信号、Ｑ信号およびＰ信号を同時に復調する。その結果、送信機がより多くのデータを送信しても、直交振幅変調のみの場合と比べ、信号点間距離が長くなるため、復調時のデータ判別の誤りを軽減できる。

この発明の実施の形態による送信機の構成図である。 この発明の実施の形態による受信機の構成図である。 偏波信号平面における信号点配置の概念図である。 この発明の実施の形態による無線通信システムの構成図である。 偏波信号平面における従来の信号点配置の概念図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による送信機の構成図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による送信機１０は、変調器１と、変換器２と、乗算器３，４と、ＤＡ変換器５，６と、アンテナ７，８とを備える。

変調器１は、搬送波の同相成分であるＩ信号と、搬送波の直交成分であるＱ信号とを受け、その受けたＩ信号およびＱ信号とにより直交振幅変調を行ない、変調信号ＭＤＬＳ１を乗算器３，４へ出力する。

変換器２は、データ信号であるＰ信号を受ける。Ｐ信号は、例えば、０，１，２，３の４値からなる。変換器２は、Ｐ信号を受けると、そのＰ信号が取り得る値の個数に応じて角度θ（０度≦θ＜１８０度）を決定し、その決定した角度θの正弦（＝ｓｉｎθ）および角度θの余弦（＝ｃｏｓθ）を演算する。そして、変換器２は、正弦（＝ｓｉｎθ）を乗算器３へ出力し、余弦（＝ｃｏｓθ）を乗算器４へ出力する。

この場合、Ｐ信号は、０，１，２，３の４値からなるので、変換器２は、１８０度を４で除算して角度差を４５度と決定する。従って、変換器２は、Ｐ信号の値をｐとすれば、ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（４５度×ｐ）を乗算器３へ出力し、ｃｏｓθ＝ｃｏｓ（４５度×ｐ）を乗算器４へ出力する。

乗算器３は、変調信号ＭＤＬＳ１にｓｉｎθを乗算して変調信号ＭＤＬＳ２をＤＡ変換器５へ出力する。

乗算器４は、変調信号ＭＤＬＳ１にｃｏｓθを乗算して変調信号ＭＤＬＳ３をＤＡ変換器６へ出力する。

ＤＡ変換器５は、変調信号ＭＤＬＳ２をデジタル信号からアナログ信号へ変換し、その変換したアナログ信号をアンテナ７へ出力する。

ＤＡ変換器６は、変調信号ＭＤＬＳ３をデジタル信号からアナログ信号へ変換し、その変換したアナログ信号をアンテナ８へ出力する。

アンテナ７は、ＤＡ変換器５から出力されたアナログ信号を垂直偏波で送信する。

アンテナ８は、ＤＡ変換器６から出力されたアナログ信号を水平偏波で送信する。

アンテナ７から送信された垂直偏波と、アンテナ８から送信された水平偏波との合成波の偏波面は、水平偏波面に対して０度、４５度、９０度および１３５度に順次変化する。

図２は、この発明の実施の形態による受信機の構成図である。図２を参照して、この発明の実施の形態による受信機２０は、アンテナ１１，１２と、ＡＤ変換器１３，１４と、復調器１５と、変換器１６とを備える。

アンテナ１１は、垂直偏波信号を受信し、その受信信号をＡＤ変換器１３へ出力する。

アンテナ１２は、水平偏波信号を受信し、その受信信号をＡＤ変換器１４へ出力する。

ＡＤ変換器１３は、アンテナ１１から出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して受信信号ＲＳＧ１を復調器１５へ出力する。

ＡＤ変換器１４は、アンテナ１２から出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して受信信号ＲＳＧ２を復調器１５へ出力する。

復調器１５は、後述する方法によって受信信号ＲＳＧ１，ＲＳＧ２からＩ信号およびＱ信号を復調し、外部へ出力するとともに、受信偏波の水平偏波面に対する角度を変換器１６へ出力する。

変換器１６は、角度をＰ信号に変換し、その変換したＰ信号を外部へ出力する。

図３は、偏波信号平面における信号点配置の概念図である。図３を参照して、垂直偏波信号Ｖおよび水平偏波信号Ｈは、直交する。そして、垂直偏波信号Ｖおよび水平偏波信号Ｈの各々は、Ｉ信号およびＱ信号からなる複素信号である。

垂直偏波信号Ｖおよび水平偏波信号Ｈの合成信号は、水平偏波信号Ｈを角度θだけ回転したものとなる。角度θは、上述したように４値のデータ信号であるＰ信号から決定される。また、角度θが０度のときの平均電力をＳとすれば、垂直偏波信号Ｖおよび水平偏波信号Ｈの合成信号の平均電力は、Ｓとなる。

従って、各信号点は、Ｉ信号の１シンボルと、Ｑ信号の１シンボルと、Ｐ信号の１シンボルとによって決定される。

そして、Ｈ軸３０上の信号点は、Ｐ信号の“０”に対応し、直線３１上の信号点は、Ｐ信号の“１”に対応し、直線３２上の信号点は、Ｐ信号の“２”に対応し、直線３３上の信号点は、Ｐ信号の“３”に対応する。また、信号点の総数は、１６個であり、伝送ビット数は、ｌｏｇ_２（１６）＝４ビットとなる。

受信機２０の復調器１５は、２つの受信信号ＲＳＧ１，ＲＳＧ２を受けると、その受けた２つの受信信号ＲＳＧ１，ＲＳＧ２によって示される信号点に最も近い信号点を図３に示す複数の信号点の中から判別する。

そして、復調器１５は、その判別した信号点を構成するＩ信号、Ｑ信号および角度を受信信号ＲＳＧ１，ＲＳＧ２の復調信号として出力する。

このように、復調器１５は、受信信号ＲＳＧ１，ＲＳＧ２に基づいて、同時に、Ｉ信号、Ｑ信号およびＰ信号（角度）を復調する。

図４は、この発明の実施の形態による無線通信システムの構成図である。図４を参照して、この発明の実施の形態による無線通信システム１００は、送信機１０と、受信機２０とを備える。

送信機１０は、上述した方法によって、Ｉ信号、Ｑ信号およびＰ信号により変調された信号を垂直偏波信号および水平偏波信号として送信する。

受信機２０は、送信機１０から送信された電波の垂直偏波と水平偏波とを受信し、その受信した垂直偏波の受信信号と、その受信した水平偏波の受信信号とによって示される信号点に最も近い信号点を判別してＩ信号、Ｑ信号およびＰ信号を同時に復調する。

図５は、偏波信号平面における従来の信号点配置の概念図である。図５を参照して、従来の信号点配置においては、信号点は、Ｖ軸３４上およびＨ軸３５に存在する。そして、Ｖ軸３４上の信号とＨ軸３５上の信号は、互いに独立しており、Ｖ軸３４上の信号点の総数は、４個であり、伝送ビット数は、ｌｏｇ_２（４）＝２ビットであり、Ｈ軸３５上の信号点の総数は、４個であり、伝送ビット数は、ｌｏｇ_２（４）＝２ビットである。従って、合計の伝送ビット数は、４ビットである。また、垂直偏波信号Ｖの平均電力をＳとし、水平偏波信号Ｈの平均電力をＳとすれば、垂直偏波信号Ｖおよび水平偏波信号Ｈの合成信号の平均電力は、２Ｓである。

上述したように、この発明の実施の形態による変調を行なった場合、垂直偏波と水平偏波との合計平均電力は、従来に比べて０．５倍になる。

その結果、送信機１０が従来と同一の送信電力で送信すれば、従来と比べ信号点間距離が長くなるため、受信機２０は、復調時のデータ判別の誤りを軽減できる。

上記においては、Ｐ信号は、４値のデータ信号からなると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、Ｐ信号は、ｎ（ｎは２以上の整数）値以上のデータ信号からなっていればよい。

この場合、Ｐ信号の値をｐ＝（０，１，・・・，ｎ−１）とすれば、角度θは、１８０度×ｐ／ｎによって決定される。そして、乗算器３は、変調信号ＭＤＬＳ１に正弦（ｓｉｎθ）を乗算し、乗算器４は、変調信号ＭＤＬＳ１に余弦（ｃｏｓθ）を乗算する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、デジタル変調を行なって無線通信を行なう送信機、受信機および無線通信システムに適用される。

１ 変調器、２，１６ 変換器、３，４ 乗算器、５，６ ＤＡ変換器、７，８，１１，１２ アンテナ、１０ 送信機、１３，１４ ＡＤ変換器、１５ 復調器、２０ 受信機、１００ 無線通信システム。

Claims (3)

1. 搬送波の同相成分であるＩ信号と前記搬送波の直交成分であるＱ信号とにより直交振幅変調を行なう変調器と、
   データ信号であるＰ信号が取り得る値の個数に応じて決定され、かつ、０度以上１８０度未満の範囲に存在する角度を決定し、その決定した角度の正弦と前記角度の余弦とを出力する第１の変換器と、
   前記変調器から出力された第１の変調信号に前記角度の正弦を乗算して第２の変調信号を出力する第１の乗算器と、
   前記第１の変調信号に前記角度の余弦を乗算して第３の変調信号を出力する第２の乗算器と、
   前記第２の変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する第２の変換器と、
   前記第３の変調信号をデジタル信号からアナログ信号に変換する第３の変換器と、
   前記第２の変換器から出力されたアナログ信号を垂直偏波によって送信する第１のアンテナと、
   前記第３の変換器から出力されたアナログ信号を水平偏波によって送信する第２のアンテナとを備える送信機。
2. 請求項１に記載された送信機によって送信された電波を受信して受信信号を復調する受信機であって、
   垂直偏波信号を受信する第１のアンテナと、
   水平偏波信号を受信する第２のアンテナと、
   前記第１のアンテナから出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第１の変換器と、
   前記第２のアンテナから出力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第２の変換器と、
   前記第１の変換器から出力された第１の受信信号と前記第２の変換器から出力された第２の受信信号とに基づいて、前記垂直偏波信号と前記水平偏波信号とによって規定される偏波信号平面に配置され、かつ、各々がＩ信号、Ｑ信号および角度からなる複数の信号点のうち、前記第１および第２の受信信号が示す信号点に最も近い信号点を判別し、その判別した信号点を構成するＩ信号、Ｑ信号および角度を出力する復調器と、
   前記角度をデータ信号であるＰ信号に変換する第３の変換器とを備え、
   前記Ｉ信号は、搬送波の同相成分であり、
   前記Ｑ信号は、前記搬送波の直交成分であり、
   前記角度は、前記送信機から送信された電波の面の水平偏波面からの角度である、受信機。
3. 請求項１に記載された送信機と、
   請求項２に記載された受信機とを備える無線通信システム。

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