JP5854772B2 - 受信装置及び受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、受信装置に係り、特に、妨害、混信等の非希望波が重畳されたＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）変調方式の信号について安定した同期を行う受信装置に関する。

［従来の技術］
ＯＦＤＭ信号の復調には、受信シンボルの同期、受信シンボルの集合であるフレーム同期が必要である。

ＯＦＤＭ信号の同期には、一般的にＣＰ（Cyclic Prefix）信号の相関検出、特定のサブキャリアを同期専用に使用するなどがある。
特に、ＯＦＤＭ変調方式ではないが、スペクトラム拡散通信方式においてマッチドフィルタが用いられている。
その延長として、プリアンブル信号にユニークな符号を使用して、マッチドフィルタを使用する。

一般的なＣＰ信号の相関検出方式では、狭帯域信号が非希望波として入った場合に、非希望波信号と通常の信号との分離ができない。
また、特定のキャリアを同期専用にした場合、その帯域に非希望波が混入すると、同様の結果となってしまう。

また、スペクトラム拡散通信は、耐非希望波用として使用されるが、拡散利得が必要なため、情報速度を落とさざるえなく、通信帯域の有効利用に問題がある。
また、プリアンブル信号によるマッチドフィルタは、ユニークな符号を使用するため、特定の通信系（プリアンブル信号が分かっている相手）でないと使用できない。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２００８−１０９４５０号公報「ＯＦＤＭ通信方式のフレーム同期方法及び受信機」（京セラ株式会社）［特許文献１］がある。
特許文献１には、OFDM通信方式のフレーム同期方法において、無線基地局から送信されるOFDMシンボル毎に含まれる自己相関要素を利用してシンボル内の相関演算を実行し、OFDMシンボル毎の同期タイミングを得て、報知チャネルが含む固有シンボルに対する相関演算を実行して報知チャネルのタイミングを得て、該相関演算で得られた相関度の最も高いタイミングに基づき報知チャネルの復号を実行することが示されている。

特開２００８−１０９４５０号公報

このように、従来の受信装置では、ＣＰ相関検出方式の場合又は特定のサブキャリアを同期専用とした場合に、ＣＰ信号又は特定のサブキャリアに非希望波が混入すると分離ができなくなり、同期を安定して行うことができないという問題点があった。

また、従来の受信装置では、スペクトラム拡散通信のようにプリアンブル信号を用いるために通信帯域の有効利用を図ることができず、ユニークな符号を用いるため通信相手が限定されるという問題点があった。

更に、従来の、特定のサブキャリアを同期専用とする場合、プリアンブル信号を用いる場合は、情報伝送に直接必要でない信号を挿入するため、通信系のスループットに悪影響を及ぼし、つまり、情報伝送速度が下がるという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、非希望波が重畳されたＯＦＤＭ信号から同期を得るための区切り信号を抽出して同期を安定して行うことができる受信装置を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、フレーム同期を行う受信装置であって、受信信号を直交検波して得られた同相信号と直交信号を合成する結合部と、結合部で合成された信号から直流成分を除去する直流成分除去部と、直流成分が除去された信号からシンボルの基本成分を抽出する基本成分抽出部と、抽出されたシンボルの基本成分からゼロクロス点パルスを生成するゼロクロス検出部と、直流成分が除去された信号から全サブキャリアの包絡線成分について波形の不連続点を抽出して不連続点パルスを生成する不連続点抽出部と、抽出されたシンボルの基本成分で電力値が小さい部分のゼロクロス点パルスをマスクする除去部と、マスクされたゼロクロス点パルス部分を不連続点抽出部から出力される不連続点パルスで補間してフレーム同期の区切りとする補間部とを有することを特徴とする。

本発明は、フレーム同期を行う受信方法であって、受信信号を直交検波して得られた同相信号と直交信号を合成し、合成された信号から直流成分を除去し、直流成分が除去された信号からシンボルの基本成分を抽出し、抽出されたシンボルの基本成分からゼロクロス点パルスを生成し、直流成分が除去された信号から全サブキャリアの包絡線成分について波形の不連続点を抽出して不連続点パルスを生成し、抽出されたシンボルの基本成分で電力値が小さい部分のゼロクロス点パルスをマスクし、マスクされたゼロクロス点パルス部分を前記不連続点パルスで補間してフレーム同期の区切りとすることを特徴とする。

本発明によれば、結合部が、受信信号を直交検波して得られた同相信号と直交信号を合成し、直流成分除去部が、結合部で合成された信号から直流成分を除去し、基本成分抽出部が、直流成分が除去された信号からシンボルの基本成分を抽出し、ゼロクロス検出部が、抽出されたシンボルの基本成分からゼロクロス点パルスを生成し、不連続点抽出部が、直流成分が除去された信号から全サブキャリアの包絡線成分について波形の不連続点を抽出して不連続点パルスを生成し、除去部が、抽出されたシンボルの基本成分で電力値が小さい部分のゼロクロス点パルスをマスクし、補間部が、マスクされたゼロクロス点パルス部分を不連続点抽出部から出力される不連続点パルスで補間してフレーム同期の区切りとする受信装置としているので、非希望波が重畳された信号から容易に同期を得ることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る受信装置の全体の構成ブロック図である。 本受信装置の特徴部分の回路図である。 Ｉ相、Ｑ相の合成信号を示す波形図である。 絶対値波形を示す図である。 微分波形を示す図である。 不連続点出力を示す図である。 ＢＰＦ出力の波形図である。 ゲート回路通過後のゼロクロス点パルスを示す図である。 全体のタイムチャートである。 論理和回路からの出力である変換点パルスを示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る受信装置は、ＯＦＤＭ変調方式における耐妨害、耐混信通信に対して、全サブキャリアの包絡線波形の連続点を抽出してフレームの区切りを抽出する第１の系統の構成と、シンボルの基本波成分のゼロクロス点からフレームの区切りを抽出する第２の系統の構成を備え、第２の系統でのフレームの区切りを第１の系統でのフレームの区切りで補間して、確実にフレームの区切りを変換点パルスで得るものであり、フレーム同期を安定して行うことができるものである。

［本受信装置：図１］
本発明の実施の形態に係る受信装置について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る受信装置の全体の構成ブロック図である。
本発明の実施の形態に係る受信装置（本受信装置）は、図１に示すように、結合部３と、ＤＣ除去部４と、ＡＦＣ補正・直交歪補償等処理部５と、フレーム区切り抽出処理部６と、フレーム同期部７と、ＣＰ除去部８と、直並列変換部９と、ＦＦＴ処理部１０と、補間処理部１１とを基本的に有している。

［本受信装置の各部］
本受信装置の各部について具体的に説明する。
結合部３は、ＯＦＤＭの受信信号を直交検波して得られた同相（Ｉ相）信号と直交（Ｑ相）信号を入力し、両信号を合成してベースバンド信号に変換し、ＤＣ除去部４に出力する。
ＤＣ除去部４は、結合部３から入力した信号から直流成分（ＤＣ成分）を除去し、ＡＦＣ補正・直交歪補償等処理部５とフレーム区切り抽出処理部６に出力する。

ＡＦＣ（Auto Frequency Control）補正・直交歪補償等処理部５は、周波数の自動調整及び補正の処理を行い、更に直交歪補償の処理を行う。ＡＦＣ補正・直交歪補償等処理は、通常の受信装置で一般的に用いられている技術である。

フレーム区切り抽出処理部６は、本実施の形態における特徴部分であり、ＤＣ除去部４から出力された信号からフレームの区切りとなる部分を抽出し、その区切りのタイミング信号をフレーム同期部７に出力する。
尚、フレーム区切り抽出処理部６の具体的な構成及び動作は後述する。

フレーム同期部７は、フレーム区切り抽出処理部６からのフレーム区切りタイミング信号に基づき、フレーム同期を確立し、同期確立後のタイミング信号をＣＰ除去部８に出力する。
また、フレーム同期部７は、フレーム同期確立に基づいて直並列制御信号を直並列変換部９に出力する。

ＣＰ除去部８は、フレーム同期部７からのフレーム同期確立後のタイミング信号に基づいてＣＰ信号部分を除去する。フレーム同期確立によってＣＰ信号の位置が特定されるので、その位置部分でＣＰ信号部分を除去するものである。

直並列変換部９は、フレーム同期部７から入力される直並列制御信号に従い、ＣＰ除去部８から出力されたＣＰ信号部分が除去された信号の直列・並列変換を行う。
ＦＦＴ処理部１０は、直並列変換部９で直列・並列変換された信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理し、補間処理部１１に出力する。
補間処理部１１は、ＦＦＴ処理部１０からの信号を入力し、補間処理を行って、ＯＦＤＭ信号の復調出力を得る。

［本受信装置の特徴部分：図２］
次に、本受信装置の特徴的な構成について図２を参照しながら説明する。図２は、本受信装置の特徴部分の回路図である。
本受信装置の特徴部分は、図２に示すように、結合器１０３と、ＬＰＦ（Low Pass Filter）１０４と、絶対値変換回路１０５と、微係数算出回路１０６と、閾値判定回路１０７と、立ち下がり検出器１０８と、遅延補正器１０９と、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１１０と、ゼロクロス検出器１１１と、電力値処理回路１１２と、閾値検出回路１１３と、ゲート回路１１４と、論理和回路１１５と、フレーム同期回路１１６とを備えている。

［本受信装置の特徴部分の各部］
本受信装置の特徴部分の各部について具体的に説明する。
結合器１０３は、受信信号を直交検波したＩ相信号、Ｑ相信号を入力し、合成してベースバンド信号に変換し、ＬＰＦ１０４に出力する。
ＬＰＦ１０４は、低周波帯域の信号を通過させ、絶対値変換回路１０５とＢＰＦ１１０に出力する。このＬＰＦ１０４のカットオフ周波数はシンボルレートより高く、ＯＦＤＭのサブキャリアの内、最低の周波数より低い周波数に設定する。
ＬＰＦ１０４を通過した信号は、全サブキャリア信号からシンボルの基本成分と全サブキャリアの包絡線の成分となる。

絶対値変換回路１０５は、ＬＰＦ１０４からの信号を入力し、絶対値（｜ｕ(t)｜）波形に変換して微係数算出回路１０６に出力する。
微係数算出回路１０６は、絶対値変換回路１０５から入力された絶対値波形から入力信号の微係数（ｄｕ(t)／ｄｔ）の波形（微分波形）を形成して閾値判定回路１０７に出力する。

閾値判定回路１０７は、微係数算出回路１０６からの微分波形について閾値を超えた信号を判定し、閾値を超えた信号を抽出して立ち下がり検出器１０８に出力する。
この閾値判定回路１０７は、変化点の小さい信号を除き、閾値を超えた、変化点の大きい信号を抽出するものである。

立ち下がり検出器１０８は、閾値判定回路１０７から出力された信号の立ち下がりを検出し、その立ち下がりを基準にパルスを生成して遅延補正器１０９に出力する。このパルスは、全サブキャリアの包絡線の不連続点出力となる。
遅延補正器１０９は、ＢＰＦ１１０〜ゲート回路１１４の処理時間を考慮して、立ち下がり検出器１０８からのパルス信号を遅延させる。
遅延補正器１０９における遅延により、検出信号とゲート回路１１４から出力される信号とが同期される。

ＢＰＦ（Band Pass Filter）１１０は、ＬＰＦ１０４からの信号を入力し、狭い帯域の周波数を通過させる帯域フィルタであり、通過させた帯域の周波数信号をゼロクロス検出器１１１と電力値処理回路１１２に出力する。
ＢＰＦ１１０の周波数通過帯域は、ＬＰＦ１０４の通過帯域の中でシンボルの基本波成分を通過させる帯域であり、ＢＰＦ１１０の中心周波数は、基本波成分の中心周波数となっている。
ＢＰＦ１１０は、ＬＰＦ１０４から信号を入力するようにしているが、結合器１０３から信号を入力するようにしてもよい。

ゼロクロス検出器１１１は、ＢＰＦ１１０から入力された信号についてゼロ点を交差（クロス）する点を検出し、検出のタイミングでゼロクロス点パルスを生成してゲート回路１１４に出力する。

電力値処理回路１１２は、ＢＰＦ１１０から信号の電力を計算し、計算した電力値を閾値検出回路１１３に出力する。
閾値検出回路１１３は、電力値処理回路１１２から入力された電力値が特定のレベル（閾値）以上であるか否かを判定し、特定レベル以上の電力値を検出してパルスを生成し、ゲート回路１１４に出力する。

ゲート回路１１４は、ゼロクロス検出器１１１からのゼロクロス点パルスと閾値検出回路１１３からの特定レベル以上の電力値のパルスを入力し、論理積（ＡＮＤ）をとって、論理積のパルスを論理和回路１１５に出力する。
ゲート回路１１４は、ＢＰＦ１１０を通過した信号のゼロクロス点パルスの内、電力値が小さい信号を排除し、電力値が閾値以上のゼロクロス点パルスを抽出するものである。

論理和回路１１５は、遅延補正器１０９からのパルス信号とゲート回路１１４からのパルス信号を入力し、論理和（ＯＲ）をとって論理和のパルスを「変換点パルス」としてフレーム同期回路１１６に出力する。変換点パルスは、フレームの区切りを示す信号となる。
フレーム同期回路１１６は、論理和回路１１５からの論理和の信号を入力し、フレーム同期の処理を行う。

尚、請求項における、結合部は結合器１０３に、直流成分除去部はＬＰＦ１０４に、基本成分抽出部はＢＰＦ１１０に、ゼロクロス検出部はゼロクロス検出器１１１、ゲート回路１１４に相当している。
また、請求項における、不連続点抽出部は絶対値変換回路１０５、微係数算出回路１０６、閾値判定回路１０７、立ち下がり検出器１０８に相当している。
また、請求項における、除去部は電力値処理回路１１２、閾値検出回路１１３、ゲート回路１１４に、補間部は遅延補正器１０９、論理和回路１１５に相当している。

［本受信装置の動作：図３〜１０］
次に、図２に示した本受信装置における動作について図３〜１０を参照しながら説明する。図３は、Ｉ相、Ｑ相の合成信号を示す波形図であり、図４は、絶対値波形を示す図であり、図５は、微分波形を示す図であり、図６は、不連続点出力を示す図であり、図７は、ＢＰＦ出力の波形図であり、図８は、ゲート回路通過後のゼロクロス点パルスを示す図であり、図９は、全体のタイムチャートであり、図１０は、論理和回路からの出力である変換点パルスを示す図である。

［合成信号：図３］
本受信装置において、ＯＦＤＭ信号を直交復調したＩ相信号とＱ相信号が結合器１０３で合成され、ベースバンド信号に変換されて出力された信号（１）が図３に示すような信号となる。
そして、ＬＰＦ１０４で、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア成分（ＤＣ成分）を除去し、ＣＰが挿入されたシンボルの基本成分と全サブキャリアの包絡線成分を通過させて絶対値変換回路１０５とＢＰＦ１１０に出力する。
このＬＰＦ１０４では、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア成分に含まれる妨害信号を除去している。

絶対値変換回路１０５に出力された信号は、波形の不連続点を抽出してフレームの区切りを抽出する系統（第１の系統）の処理対象であり、ＢＰＦ１１０に出力された信号は、シンボルの基本波成分のゼロクロス点からフレームの区切りを抽出する系統（第２の系統）の処理対象である。

［絶対値波形：図４］
第１の系統における絶対値変換回路１０５では、ＬＰＦ１０４からの信号を入力し、絶対値波形に変換する。絶対値変換回路１０５から出力される波形が図４に示す絶対値波形（５）である。

［微分波形：図５］
そして、微係数算出回路１０６は、絶対値波形（２）を入力して微分し、微分波形を閾値判定回路１０７に出力する。微係数算出回路１０６から出力される波形が図５に示す微分波形（３）である。
微分波形は、閾値判定回路１０７で閾値判定して閾値を超えた信号を抽出して立ち下がり検出器１０８に出力する。

［不連続点出力：図６］
立ち下がり検出器１０８では、閾値判定回路１０７からの信号について立ち下がり検出を行い、不連続点のパルスを出力する。立ち下がり検出器１０８から出力される不連続点パルスが図６に示す不連続点出力（４）である。
そして、不連続点出力は、遅延補正器１０９で、第２の系統の処理時間を考慮して遅延させ、ゲート回路１１４からの出力と同期するようタイミング調整が為される。

［ＢＰＦ出力波形：図７］
また、第２の系統では、ＬＰＦ１０４からの信号をＢＰＦ１１０が更に帯域制限を行う。ＢＰＦ１１０の振幅特性は、信号に含まれる基本成分を抽出するものであるから、中心周波数がシンボルレートの基本周波数である。ＢＰＦ１１０から出力される波形が図７に示すＢＰＦ出力波形（５）である。

ＢＰＦ１１０の出力波形は、ゼロクロス検出器１１１でゼロクロスを検出することによりゼロクロス点パルスを生成し、ゲート回路１１４に出力する。
また、ＢＰＦ１１０の出力波形は、電力値処理回路１１２に入力され、電力値が計算され、電力値が閾値検出回路１１３に出力される。
閾値検出回路１１３では、電力値の閾値判定を行い、閾値を超えた電力値の場合はＨｉｇｈレベルを、閾値を超えない電力値の場合にはＬｏｗレベルの信号をゲート回路１１４に出力する。

［ゼロクロス点パルス：図８］
ゲート回路１１４では、閾値検出回路１１３からの信号がＨｉｇｈレベル（電力値が閾値を超えた場合）のときに、ゼロクロス検出器１１１からのゼロクロス点パルスを出力し、閾値検出回路１１３からの信号がＬｏｗレベル（電力値が閾値を超えない場合）のときに、ゼロクロス検出器１１１からのゼロクロス点パルスを出力しないようになっている。ゲート回路１１４から出力されるゼロクロス点パルスが図８に示すゲート通過後のゼロクロス点パルス（６）である。図８において、パルスが空白になっている部分は、閾値検出回路１１３からの信号がＬｏｗレベル（電力値が閾値を超えない場合）のときに相当する。

［全体のタイムチャート：図９］
以上説明内容を分かり易くするために、図９の全体のタイムチャートを用いて説明する。
図９に示すように、Ａの波形が絶対値波形であり、Ｂの波形が微分値波形であり、Ｃのパルスが不連続点出力であり、Ｄの波形がＢＰＦ出力波形であり、Ｅのパルスがゼロクロス点パルスである。

尚、Ｄの波形において、電力値が閾値より低い部分（ゲート回路で出力が禁止される部分）については点線枠でマスキングしてあり、その部分はＥのパルス出力が為されていない。
Ｅに示したゼロクロス点パルスが、ゲート回路１１４から出力されることになる。

［変換点パルス：図１０］
図９において、遅延補正器１０９を介して立ち下がり検出器１０８から出力されるＣの不連続点出力であるパルス（不連続点パルス）とゲート回路１１４から出力されたＥのゼロクロス点パルスが論理和回路１１５で論理和されると、図１０の変換点パルス（７）となる。

ここで、ゼロクロス点パルスにおいて電力値が小さくマスキングされた部分は、不連続点パルスで補間される。図１０では、ゼロクロス点パルスと不連続点パルスを区別するために、ゼロクロス点パルスをバーで表し、不連続点パルスを上向きの矢印で表している。

［実施の形態の効果］
本受信装置によれば、ＯＦＤＭ変調方式における耐妨害、耐混信通信に対して、全サブキャリアの包絡線波形の連続点を抽出してフレームの区切りを抽出する第１の系統の構成と、シンボルの基本波成分のゼロクロス点からフレームの区切りを抽出する第２の系統の構成を備えて、第２の系統でのフレームの区切りを第１の系統でのフレームの区切りで補間して、確実にフレームの区切りを変換点パルスで得ることができるので、フレーム同期を安定して行うことができる効果がある。

本受信装置によれば、特殊なタイミング（プリアンブル信号時等）、ユニークワード（既知の信号等）による信号を使用せず、ＯＦＤＭ信号の全電力（全帯域信号）を利用するため、有効な検出が可能となる効果がある。

本受信装置によれば、同期のための特殊なタイミング、ユニークワード等を使用しないため、情報速度（通信速度）を落とすことがなく、安定な同期を行うことができる効果がある。

本受信装置によれば、通常のＯＦＤＭ信号の特性を利用するための耐妨害・耐混信通信と通常通信の切替を行う必要がない。
また、送信／受信のシステムで、妨害・混信の状態を監視し、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア等のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う場合でも、そのまま使用可能である。

また、本受信装置では、第１の系統でフレームの区切りを補間しているが、第２の系統で得られたフレームの区切りに基づき、第２の系統でのマスキング部分を補間してもよい。つまり、マスキング部分の前後におけるフレームの区切りからマスキング部分内のフレームの区切りを予想するものである。

更に、本受信装置では、信号波形の不連続点を検出して同期を得るものであるため、ＣＰ符号を含まない通信にも利用することができる。

本発明は、妨害、混信等が重畳されたＯＦＤＭ信号から同期を得るための区切り信号を抽出して同期を安定して行うことができる受信装置に好適である。

３...結合部、 ４...ＤＣ除去部、 ５...ＡＦＣ補正・直交歪補償等処理部、 ６...フレーム区切り抽出処理部、 ７...フレーム同期部、 ８...ＣＰ除去部、 ９...直並列変換部、 １０...ＦＦＴ処理部、 １１...補間処理部、 １０３...結合器、 １０４...ＬＰＦ（Low Pass Filter）、 １０５...絶対値変換回路、 １０６...微係数算出回路、 １０７...閾値判定回路、 １０８...立ち下がり検出器、 １０９...遅延補正器、 １１０...ＢＰＦ（Band Pass Filter）、 １１１...ゼロクロス検出器、 １１２...電力値処理回路、 １１３...閾値検出回路、 １１４...ゲート回路、 １１５...論理和回路、 １１６...フレーム同期回路

Claims (2)

1. フレーム同期を行う受信装置であって、
   受信信号を直交検波して得られた同相信号と直交信号を合成する結合部と、
   前記結合部で合成された信号から直流成分を除去する直流成分除去部と、
   前記直流成分が除去された信号からシンボルの基本成分を抽出する基本成分抽出部と、
   前記抽出されたシンボルの基本成分からゼロクロス点パルスを生成するゼロクロス検出部と、
   前記直流成分が除去された信号から全サブキャリアの包絡線成分について波形の不連続点を抽出して不連続点パルスを生成する不連続点抽出部と、
   前記抽出されたシンボルの基本成分で電力値が小さい部分のゼロクロス点パルスをマスクする除去部と、
   前記マスクされたゼロクロス点パルス部分を前記不連続点抽出部から出力される不連続点パルスで補間してフレーム同期の区切りとする補間部とを有することを特徴とする受信装置。
2. フレーム同期を行う受信方法であって、
   受信信号を直交検波して得られた同相信号と直交信号を合成し、
   前記合成された信号から直流成分を除去し、
   前記直流成分が除去された信号からシンボルの基本成分を抽出し、
   前記抽出されたシンボルの基本成分からゼロクロス点パルスを生成し、
   前記直流成分が除去された信号から全サブキャリアの包絡線成分について波形の不連続点を抽出して不連続点パルスを生成し、
   前記抽出されたシンボルの基本成分で電力値が小さい部分のゼロクロス点パルスをマスクし、
   前記マスクされたゼロクロス点パルス部分を前記不連続点パルスで補間してフレーム同期の区切りとすることを特徴とする受信方法。

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