JP6229518B2 - 無線受信装置及び無線受信方法 - Google Patents

Description

本発明は無線受信装置及び無線受信方法に係り、特に多値のデジタル変調波を受信する無線受信装置及び無線受信方法に関する。

可搬型の移動体である無線通信端末は電池を動作電源とするため、特に大きな電力を必要とする無線通信を行う無線通信端末では、低消費電力化が求められている。そこで、デジタル変調された被変調波信号(デジタル変調波ともいう)を無線送受信する無線通信端末では、低消費電力化のため１シンボルの情報量を増加させて通信時間を低減するためにデータを多値化して、例えば多値のＦＳＫ(Frequency Shift Keying：周波数偏移変調)などの変調方式で変調されたデジタル変調波を送受信している(例えば、特許文献１参照)。

特開２００３−１５２８１４号公報

しかるに、従来の多値ＦＳＫの多値化数は４程度であり、多値化が十分ではない。また、送信情報量が少ない場合は最低２シンボルのＦＳＫ信号を送信することとなるが、この場合に信号対雑音比(Ｓ／Ｎ)が低い伝送路で無線送信された上記ＦＳＫ信号を正確に受信することは困難である。なぜなら、特に微弱無線規格を採用したセンサーネットワークを構成する信号強度が微弱な無線通信端末から無線送信された多値ＦＳＫ信号を受信する無線受信装置においては、Ｓ／Ｎが低い伝送路を介して受信した受信信号中に含まれるノイズ成分を、受信ＦＳＫ信号が単純な２シンボルの場合は、割り当てられた本来の２つの周波数のうち送信周波数でない他方の周波数として誤検出する可能性が極めて高いからである。

この問題は送受信する電文の通信時間を短縮することで無線通信端末の消費電力を低減するために、送信するＦＳＫ信号中に誤り検出符号を含まず、電文そのものだけを無線送信する無線通信システムに用いられる無線受信装置において特に影響が大きい。これはＦＳＫ信号のみならず、多値の位相偏移変調(ＰＳＫ：Phase Shift Keying)や多値の振幅偏移変調(ＡＳＫ：Amplitude Shift Keying)などの単一搬送波を用いた他のデジタル変調方式の多値デジタル変調波についても同様である。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、送信情報量が少ない場合でもノイズ成分の影響を受けることなく多値デジタル変調波を正確に受信復調する無線受信装置及び無線受信方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の無線受信装置は、多値デジタル変調波を無線受信する受信手段と、受信手段により受信された多値デジタル変調波に対して高速フーリエ変換を施し、連続する時系列スペクトラムを生成する変換手段と、時系列スペクトラムにおける多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、信号強度が第１の閾値以上の周波数成分を出力する第１の閾値判断手段と、時系列スペクトラムにおける多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、第１の閾値判断手段から第１の周波数成分に続いて第２の周波数成分が出力されたとき、それら第１及び第２の周波数成分の間の多値デジタル変調波に割り当てられた各周波数成分の信号強度を加算する加算手段と、加算手段により加算して得られた信号強度の加算値が第２の閾値以上であるか否かを判断する第２の閾値判断手段と、時系列スペクトラムの複数の周波数成分の復調データを生成する復調手段と、第２の閾値判断手段により信号強度の加算値が第２の閾値以上であると判断されたときは第１の周波数成分及び第２の周波数成分をそれぞれ復調手段へ出力させ、信号強度の加算値が第２の閾値未満であると判断されたときは復調手段へ何も出力しない出力手段とを備えることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明の無線受信方法は、多値デジタル変調波を無線受信する受信ステップと、受信ステップにより受信された多値デジタル変調波に対して高速フーリエ変換を施し、連続する時系列スペクトラムを生成する変換ステップと、時系列スペクトラムにおける多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、信号強度が第１の閾値以上の周波数成分を出力する第１の閾値判断ステップと、時系列スペクトラムにおける多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、第１の閾値判断ステップから第１の周波数成分に続いて第２の周波数成分が出力されたとき、それら第１及び第２の周波数成分の間の多値デジタル変調波に割り当てられた各周波数成分の信号強度を加算する加算ステップと、加算ステップにより加算して得られた信号強度の加算値が第２の閾値以上であるか否かを判断する第２の閾値判断ステップと、第２の閾値判断ステップにより信号強度の加算値が第２の閾値以上であると判断されたときのみ第１の周波数成分及び第２の周波数成分の復調データを生成する復調ステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、受信多値変調波のＳ／Ｎが低く、かつ、多値変調波のシンボル数が小さな場合であっても、受信多値変調波の信号成分とノイズとを区別して信号成分だけを正確に復調することができる。

本発明の無線受信装置の一実施の形態の全体ブロック図である。 図１中のアナログフロントエンドの一例のブロック図である。 図１中のデジタル処理モジュールの一実施形態の概略ブロック図である。 図１中のデジタル処理モジュールの一実施形態に詳細ブロック図である。 受信ＦＳＫ変調波の一例のフォーマットを示す図である。 本発明の特徴の説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本実施の形態の無線受信装置は、一例として３２２ＭＨｚ以下の周波数を用いて無線通信を行う、微弱電波規格を採用したセンサネットワークシステムで用いられる。このセンサネットワークシステムは、例えば可搬型の無線送信端末においてセンサから得た情報を多値ＦＳＫ変調して無線送信し、ネットワークを介して無線送信された多値ＦＳＫ変調波を本実施形態の無線受信装置により受信して復調するシステムである。このセンサネットワークシステムでは、無線送信端末は電池を動作電源とする可搬型であり、できるだけ消費電力を低減することが要求されるのに対し、無線受信装置は電池を動作電源としない非可搬型で消費電力の低減は無線送信端末にくらべて厳しく要求はされない。

なお、本実施の形態が適用される微弱電波規格は、例えば無線設備から３ｍの距離での電界強度が、３２２ＭＨｚ以下の周波数領域では５００μＶ/ｍ以下であり、３２２ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数領域では３５μＶ/ｍ以下であり、１１０ＧＨｚ〜１５０ＧＨｚの周波数領域では周波数が高くなるほど３５μＶ/ｍから５００μＶ/ｍまで直線的に増加する線分で示される電界強度以下の強度であり、１５０ＧＨｚ以上の周波数領域では５００μＶ/ｍ以下に規定された、無線局の免許不要な規格である。

図１は、本発明の無線受信装置の一実施の形態の全体ブロック図を示す。図１において、無線受信装置１０は、受信アンテナ１１で受信したＲＦ信号帯の多値ＦＳＫ変調波を高周波受信処理して受信ＦＳＫ変調波のデジタル信号を出力するアナログフロントエンド１２と、アナログフロントエンド１２から出力されたデジタル信号に基づいて、受信信号が多値ＦＳＫ変調波であるかノイズであるかを判定し、ＦＳＫ変調波と判定したデジタル信号を出力するデジタル処理モジュール１３と、デジタル処理モジュール１３から出力されたデジタル信号を処理して受信ＦＳＫ変調波の情報内容を解析する処理装置１４とから構成される。処理装置１４は、パーソナルコンピュータなどから構成されている。

本実施形態の無線受信装置１０は、デジタル処理モジュール１３の構成に特徴があり、アナログフロントエンド１２及び処理装置１４は公知の構成である。すなわち、アナログフロントエンド１２は図２のブロック図に示す一般的な構成とされている。図２において、アナログフロントエンド１２は、受信アンテナ１１で受信された受信信号中の不要周波数成分をフィルタ１２１により除去して、受信信号中の高周波帯の多値ＦＳＫ変調波のみを低雑音増幅器(ＬＮＡ)１２２で増幅してダウンコンバータ１２３へ供給して、所定の中間周波数(ＩＦ)帯の受信多値ＦＳＫ変調波に周波数変換する。次に、アナログフロントエンド１２は、ダウンコンバータ１２３から出力されたＩＦ帯の多値ＦＳＫ変調波をＩＦアンプ１２４で所要のレベルまで増幅した後、低域フィルタ(ＬＰＦ)１２５で不要周波数成分を除去し、信号周波数成分のみ取り出してＡＤ変換器(ＡＤＣ)１２６に供給してデジタル信号に変換させる。このようにして、アナログフロントエンド１２は、受信信号から受信多値ＦＳＫ変調波のデジタル信号を生成してデジタル処理モジュール１３へ出力する。

図３は、デジタル処理モジュール１３の一実施形態の概略ブロック図、図４は、デジタル処理モジュール１３の一実施形態の詳細ブロック図を示す。図３に示すように、デジタル処理モジュール１３は、アナログフロントエンド１２から出力された受信デジタル信号が受信多値ＦＳＫ変調波の信号成分であるかノイズであるかを判定する信号判定部１３１と、信号判定部１３１により信号成分であると判定されたデジタル信号の復調を行い復調データを出力するデコード部１３２とから構成されている。信号判定部１３１は、例えばＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)やＰＬＤ(Programmable Logic Device)などの半導体集積回路で構成されている。また、デコード部１３２は、ＭＣＵ(Micro Controller Unit)などのコンピュータで構成されている。なお、ＦＳＫ変調波の多値化数は、無線受信装置１０の周波数分解能によって定まる値の１／２より少なく設定される。これは無線受信装置１０で隣り合う周波数に信号がきて周波数遷移時の信号が取得できなくならないようにするためである。

ここで、本実施形態の無線受信装置１０は、前述したようにデジタル処理モジュール１３の構成に特徴があり、その中でも図４のブロック図に示す信号判定部１３１の構成に特徴がある。図４に示すように、信号判定部１３１は、高速フーリエ変換器(ＦＦＴ：Fast Fourier Transform)１３１１、第１の閾値判断部１３１２、信号強度加算部１３１３、第２の閾値判断部１３１４、ゲート部１３１５から構成されている。ゲート部１３１５は出力がデコード部１３２を構成するデコーダ１３２１に入力される。

次に、図４の信号判定部１３１の動作について説明する。ＦＦＴ１３１１は、図５に示すように識別符号である４ビットのＩＤ２１と１０ビットのデータ２２とからなるフォーマットで送信された多値ＦＳＫ変調波を受信し、アナログフロントエンド１２によりデジタル化された受信信号を公知の高速フーリエ変換(ＦＦＴ)して、時系列の連続的なスペクトルを生成する。

第１の閾値判断部１３１２は、ＦＦＴ１３１１から供給される連続的なスペクトラムに基づいて、受信ＦＳＫ変調波の各周波数成分のうち第１の閾値(例えば５０)以上のスペクトル強度(以下信号強度ともいう)の周波数成分をゲート部１３１５へ出力するとともに、受信ＦＳＫ変調波の各周波数成分のうち第１の閾値以上の信号強度の周波数成分を信号強度加算器１３１３へ通知する。信号強度加算器１３１３は、ＦＦＴ１３１１から供給される連続的なスペクトルに基づいて、第１の閾値判断部１３１２から通知された信号強度の周波数成分の間の周波数成分の信号強度を加算する。

例えば、２５６値ＦＳＫ変調波を受信する場合、ＦＦＴ１３１１で得られる受信ＦＳＫ変調波のスペクトルの周波数成分が２５６値のデータに応じてＦ１〜Ｆ２５６まであり、それらの信号強度が図４に示すものである場合、第１の閾値判断部１３１２は周波数成分Ｆ２、Ｆ６の信号強度がそれぞれ「５０」以上の「１００」であるので、それらの周波数成分Ｆ２及びＦ６を出力するとともに、周波数成分Ｆ２及びＦ６を信号強度加算部１３１３へ通知する。信号強度加算部１３１３は、ＦＦＴ１３１１から供給される連続的なスペクトルに基づいて、第１の閾値判断部１３１２から通知された信号強度の周波数成分Ｆ２及びＦ６の間の周波数成分Ｆ３、Ｆ４及びＦ５の各信号強度「２５」を加算して「７５」の加算結果を得る。

ゲート部１３１５は通常はゲート「開」状態にあり、第１の閾値判断部１３１２から出力された周波数成分をデコード部１３２へ出力させるが、第２の閾値判断部１３１４が、信号強度加算部１３１３から供給される加算結果が第２の閾値未満であると判断したときは、第２の閾値判断部１３１４によりゲート「閉」状態に制御されて、第１の閾値判断部１３１２から出力された周波数成分のデコード部１３２への出力を遮断する。従って、図４の例では信号強度加算器１３１３の加算結果が「７５」であるので、第２の閾値判断部１３１４は、第１の閾値判断部１３１２から出力された周波数成分Ｆ２とＦ６をそれぞれデコード部１３２へ出力させて復調させる。しかし、信号強度加算器１３１３の加算結果が図４の例と異なり「５０」未満であるときは、周波数成分Ｆ２及びＦ６はノイズであると判断し、デコード部１３２へ出力せず、デコード部１３２は何もしないため、誤検出成分の復調を未然に防止することができる。

上記の動作は次の理由に基づくものである。無線受信装置１０にて受信された２５６値ＦＳＫ変調波が例えば周波数成分Ｆ２及びＦ６の２値からなるとき、図６に示すように、時刻ｔ１でＦ２からＦ６へ遷移した場合、ＦＦＴ１３１１は所定値以上の信号強度の本来の受信周波数成分Ｆ２と所定値以上の信号強度の本来の受信周波数成分Ｆ６を出力する。

ここで、受信多値ＦＳＫ変調波のＳ／Ｎが低い場合は、受信信号中にノイズが重畳しており、そのノイズには周波数遷移はなく、周波数スペクトル中の信号強度の高い周波数成分がランダムにかつ瞬間的にしか発生しない。つまり、ノイズの場合、ランダムに周波数スペクトルが強い瞬間が存在する。このため、ノイズの場合は周波数成分Ｆ２が検出されている状態において、時刻ｔ１でたまたま周波数成分Ｆ６と同じ周波数のノイズが検出されたとしても、周波数成分Ｆ２とＦ６との間の遷移中の周波数成分Ｆ３〜Ｆ５の信号強度の加算値は第２の閾値以上とはならない。一方、信号成分(電文)の場合は、周波数成分Ｆ２とＦ６との間の遷移中のＦＳＫ変調波として割り当てられた周波数成分Ｆ３〜Ｆ５はそれぞれ小レベルであるが継続的に存在する。

従って、第２の閾値判断部１３１４により、信号強度が所定値以上の２つの受信周波数成分の間のＦＳＫ変調に割り当てられた各周波数成分の信号強度を信号強度加算部１３１３により加算した場合、ノイズのときはその加算結果が第２の閾値未満であるのに対し、信号成分(電文)のときはその加算結果が第２の閾値以上となる。これにより、受信多値ＦＳＫ変調波のＳ／Ｎが低く、かつ、２５６値ＦＳＫ変調波のシンボル数が「２」(使用チャンネル数２)のような小さな場合であっても、時刻ｔ１の周波数遷移がノイズによるものか、信号成分(電文)によるものかを信号強度加算部１３１３の加算結果により正確に区別することができる。従って、本実施形態の無線受信装置１０によれば、受信２５６値ＦＳＫ変調波のＳ／Ｎが低く、かつ、２５６値ＦＳＫ変調波のシンボル数が「２」のような小さな場合であっても、受信多値ＦＳＫ変調波を正確に復調することができる。

なお、本実施形態では、上記のように多値ＦＳＫ変調波に割り当てられた各周波数成分のうち送信された周波数成分以外の周波数遷移時の周波数成分を取得する必要があるので、隣り合う周波数成分で送信されると周波数遷移時の周波数を取得することができない。このため、受信側では送信側の２倍の周波数分解能を持っている必要があり、受信側で識別できる複数の周波数チャンネルの半分を使用して送信する必要がある。例えば、図４のように２５６値ＦＳＫ変調波を受信する場合は、送信側は例えばＦ２、Ｆ４、Ｆ６、Ｆ８、・・・Ｆ２５６の１つおきの各周波数に割り当てられた１２８個の周波数チャンネルのみを使用して送信する。

すなわち、周波数受信装置は２５６値ＦＳＫ変調波を受信する構成である場合、送信データはそのうち一つおきの１２８個の周波数チャンネルを使用して送信されるので、送信する周波数チャンネルは７ビットで識別できる。よって、送信データは７ビットで伝送される。従って、送信される１回の２５６値ＦＳＫ変調波の送信フォーマットは図５に示したようにＩＤ２１及びデータ２２からなる計１４ビットであるが、これにより各７ビットの２つのデータを送信する(ＩＤもデータとして用いる)。

なお、本実施の形態の無線受信装置が使用される微弱無線規格を採用した無線センサネットワークシステムでは、送信側の無線センサ端末は、多くの場合送信データ量が少なく、遅くとも数ミリ秒で終了するため、同じ帯域を用いている他の無線センサ端末での電波の衝突が起こりにくい。また、微弱無線規格は電波強度のみが規定されており、占有する周波数帯域には制限が無く、電波法で問題となることはない。

なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、例えば多値化数は２５８に限定されるものではなく、また多値ＰＳＫや多値ＡＳＫなどの単一搬送波を用いた他のデジタル変調方式の多値デジタル変調波を無線受信する無線受信装置にも適用することができる。

１０ 無線受信装置
１１ 受信アンテナ
１２ アナログフロントエンド
１３ デジタル処理モジュール
１４ 処理装置
１３１ 信号判定部
１３２ デコード部
１３１１ 高速フーリエ変換器(ＦＦＴ：Fast Fourier Transform)
１３１２ 第１の閾値判断部
１３１３ 信号強度加算部
１３１４ 第２の閾値判断部
１３１５ ゲート部
１３２１ デコーダ

Claims (4)

1. 多値デジタル変調波を無線受信する受信手段と、
   前記受信手段により受信された前記多値デジタル変調波に対して高速フーリエ変換を施し、連続する時系列スペクトラムを生成する変換手段と、
   前記時系列スペクトラムにおける前記多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、信号強度が第１の閾値以上の周波数成分を出力する第１の閾値判断手段と、
   前記時系列スペクトラムにおける前記多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、前記第１の閾値判断手段から第１の周波数成分に続いて第２の周波数成分が出力されたとき、それら第１及び第２の周波数成分の間の前記多値デジタル変調波に割り当てられた各周波数成分の信号強度を加算する加算手段と、
   前記加算手段により加算して得られた信号強度の加算値が第２の閾値以上であるか否かを判断する第２の閾値判断手段と、
   前記時系列スペクトラムの複数の周波数成分の復調データを生成する復調手段と、
   前記第２の閾値判断手段により信号強度の加算値が前記第２の閾値以上であると判断されたときは前記第１の周波数成分及び前記第２の周波数成分をそれぞれ前記復調手段へ出力させ、前記信号強度の加算値が前記第２の閾値未満であると判断されたときは前記復調手段へ何も出力しない出力手段と
   を備えることを特徴とする無線受信装置。
2. 前記受信手段は、搬送波周波数として割り当てられた複数の周波数のうち１つおきの周波数で送信データを伝送する多値ＦＳＫ変調波を前記多値デジタル変調波として受信することを特徴とする請求項１記載の無線受信装置。
3. 多値デジタル変調波を無線受信する受信ステップと、
   前記受信ステップにより受信された前記多値デジタル変調波に対して高速フーリエ変換を施し、連続する時系列スペクトラムを生成する変換ステップと、
   前記時系列スペクトラムにおける前記多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、信号強度が第１の閾値以上の周波数成分を出力する第１の閾値判断ステップと、
   前記時系列スペクトラムにおける前記多値デジタル変調波に割り当てられた複数の周波数成分のうち、前記第１の閾値判断ステップから第１の周波数成分に続いて第２の周波数成分が出力されたとき、それら第１及び第２の周波数成分の間の前記多値デジタル変調波に割り当てられた各周波数成分の信号強度を加算する加算ステップと、
   前記加算ステップにより加算して得られた信号強度の加算値が第２の閾値以上であるか否かを判断する第２の閾値判断ステップと、
   前記第２の閾値判断ステップにより信号強度の加算値が前記第２の閾値以上であると判断されたときのみ前記第１の周波数成分及び前記第２の周波数成分の復調データを生成する復調ステップと
   を含むことを特徴とする無線受信方法。
4. 前記受信ステップは、搬送波周波数として割り当てられた複数の周波数のうち１つおきの周波数で送信データを伝送する多値ＦＳＫ変調波を前記多値デジタル変調波として受信することを特徴とする請求項３記載の無線受信方法。

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