JP2000511009A - 変調搬送波のディジタル位相シフト変調方法および該方法を実施するためのシステム - Google Patents
変調搬送波のディジタル位相シフト変調方法および該方法を実施するためのシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、変調搬送波のディジタル位相シフト変調のための方法およびシステムに関する。この場合、1つの信号における伝送すべきディジタルの各シンボルごとに、振幅を一定に保持しながら離散的な位相シフトが実施される。行おうとする変調搬送波の位相シフトは、目下伝送すべきシンボルにも依存するし、事前に伝送された1つまたは複数のシンボルにも依存する。本発明による方法およびシステムは、たとえば無線伝送殊に移動無線に適用することができる。
Description
【発明の詳細な説明】
変調搬送波のディジタル位相シフト変調方法
および該方法を実施するためのシステム
本発明は、請求項1の上位概念に記載のディジタル
位相シフト変調のための方法およびこの方法を実施するためのシステムに関する
。
たとえばディジタル位相シフトキーイング(PSK=Phase Shift Keying)の
形式の位相シフトキーイング変調は公知である。ディジタル位相シフトキーイン
グ(PSK)は以下のような搬送波の変調である。すなわち、一定に保持された
変調搬送波の振幅および周波数において、離散信号のそのつどの識別状態に変調
搬送波の特定の位相位置が対応づけられる。ある位相位置から別の位相位置への
移行は、連続的な変化とすることもできるし、あるいは離散的な変化とすること
もできる。さらにMSK変調(最小偏移変調Minimum Shift Keying)も知られて
おり、これはCPFSK変調(位相連続FSK、Continuous Phase Frequency S
hift Keying)の特別な形態である。なお、CPFSK変調とは、各周波数間で
位相の連続的な移行を伴うFSK(周波数シフトキーイング)変調である。
また、MSK変調とは変調指数0.5のCPFSK変調のことであり、これは
直交した信号であって最小
の周波数偏移のときに耐障害性と所要帯域幅との間で妥協点が得られる。しかし
MSK変調のためには、ときには受け入れられない可能性のある広い伝送帯域幅
が必要とされるし、あるいは過度に低いデータ伝送レートになってしまい、これ
はたとえば公知のGMSK変調(Gaussian Minimum Shift Keying)の平滑化さ
れた変形によっても十分に改善できないことが多い。
GMSK変調は、たとえば移動無線システムにおいて用いられる。そのような
移動無線システムは、M.Mouly,M.-B.Pautetによる”The GSM System for Mobil
e Communications”1992のたとえばp.249-259によって知られているGSM移動
無線システムである。
本発明の課題は、改善されたディジタル位相シフト変調方法を提供することで
あって、その際、変調される搬送波の伝送帯域幅を公知のその種の変調方式より
も著しく僅かなもので済ますことができるようにし、さらにデータ伝送レートを
高めることができ、そうであってもSN比が改善されるように構成することであ
る。また、本発明による方法を実施するためのシステムも提供できるようにした
い。
本発明によればこの課題は、請求項1の上位概念に記載の方法において特徴部
分に記載の構成によって解決される。従属請求項には本発明による方法の有利な
実施形態が示されている。
請求項17には、本発明による方法を実施するため
のシステムが示されている。また、それ以下の請求項には、送信側ないし受信側
における本発明によるシステムの有利な実施形態が示されている。
次に、3つの表と1つの図面を参照しながら実施例に基づき本発明による方法
およびシステムについて説明する。
表1は、先行するシンボルを考慮したたとえば4値のシンボルによる位相シフ
トステップを示す。
表2は、公知のMSK変調の場合と本発明に従って構成されたMSK変調の場
合の位相シフトステップを示す。
表3は、最小距離をもつビット列を示す。
図面は、公知のMSK変調と本発明に従って動作する変形されたMSK変調と
を比較するための位相シフト経過を、ビットクロックを横軸として示す図である
。
本発明によるディジタル位相シフト(ステップ)変調の場合、1つの信号にお
ける伝送すべき各シンボルごとに1つの離散的な位相シフトが変調波において実
行される。さらにこの位相シフトは、伝送すべき目下のシンボルと以前に伝送さ
れた1つまたは複数のシンボルにそのつど依存する。
有利には、そのような離散的な位相シフトに対しそれらの移行のところでフィ
ルタリングまたはパルス成形を行ってから、変調搬送波における本来の位相変調
が実行される。その際に有利には、ガウス曲線状または正弦波状の位相移行形態
が用いられる。そしてこの場合、変調搬送波の振幅は一定に保持される。
形態はガウス曲線状や正弦波状でもよいし指数関数に従ってあるいは線形に形
成してもよいが、そのような形態のほかに、位相の移行における勾配も選定でき
る。さらに、すべての位相の移行に対する移行時間を、それらが一定になるよう
選ぶことができる。また、位相移行の最大勾配を、それらが一定となるよう選定
することができる。この場合、目下の位相シフトに依存してそれぞれ異なる移行
時間が生じるが、同じ最大瞬時周波数である。
最も簡単な事例の場合、シンボルは伝送すべき個々のビットから成る。これに
対し、より上のクラスの変調については、2つあるいはそれ以上の伝送すべきビ
ットから成る。その際、時間的に先行するシンボルを考慮する度合いを様々に選
定することができ、有利には伝送条件(障害、チャネルコンディション)および
伝送要求(帯域幅、データレート)に応じて選定することができる。1つの実施
形態として、実施すべき位相シフトを付加的にデータ信号ストリーム中の目下の
シンボル位置に依存して行わせることができる。既述のパラメータの適切な選定
により、公知のディジタル位相シフト変調方式よりも著しく改善された方式を得
ることができる。このため、変調される搬送波の所要
帯域幅を抑えることによる改善やSN比の改善が、格別に重要となる。
この種の変調は、目下の位相シフトと位相値に関する表によって表すことがで
き、それによって実現することができる。そしてこれらは、伝送すべき信号のシ
ンボルについて時間的にすでに先行して伝送されたシンボルに依存して用いられ
るものである。表1には、4値のシンボルに関する実例が先行のシンボルの考慮
のもとで描かれている。この実例において採用されている事例の場合、位相シフ
トの表1には16個の値が含まれている。また、表1には、S0〜S3というシ
ンボルとP0〜P15という可能な位相シフトが書き込まれている。
2つ以上の先行のシンボルを考慮するような場合、可能な位相シフトの個数が
相応に増やされることになる。基本的に位相シフトは任意に選ぶことができるが
、特定の望ましい効果をあげるためには、ごく僅かの異なる位相シフトであれば
よく、あるいはそれらの位相シフトを簡単な規則に従わせることができる。
以下では、本発明に従って構成されたディジタル位相シフト変調方式の格別有
利な実施例について、公知のMSK変調と比較しながら説明する。公知のMSK
変調方式の場合、2つの位相シフト+90°および−90°が用いられ、以前の
シンボルは考慮されない。
個々の位相シフトは直線的にフィルタリングされ、つ
まりある位相状態から別の位相状態への移行は1つのビット期間内で行われる。
同じく公知のGMSK変調方式はこの変調から発したものであって、この場合に
はMSK変調の線形の移行部分がガウスフィルタリングされた移行部分に置き換
えられる。
表2には、公知のMSK変調における位相シフトと、本発明に従って構成され
たMSK変調方式(以下では変形MSK変調と称する)における位相シフトが、
ディジタル位相シフト変調をベースとして先行のビットを考慮しながら対比して
示されている。変形された変調の場合、変調波の所要帯域幅が著しく低減される
。
重要な相違点として図2に示されているのは、ここでは公知のMSK変調の場
合にすでにある+90°と−90°の2つの位相シフトのほかに、0°というさ
らに別の位相シフトが設けられていることである。
0°の位相シフトは、伝送すべき目下のビットと直前に送信されたビットとが
異なる場合に常に用いられ、すなわちビット列0−1または1−0が生じたとき
には常に用いられる。これに対し、順次連続する両方のビットが等しい場合には
、つまりビット列0−0または1−1が生じたときには、公知のMSK変調の場
合と同じ位相シフトが用いられる。
表2に基づいて比較された各変調方式の間には、以下のような相違点が存在す
る。この場合、まるっきり
0の列であったりまるっきり1の列については、これら両方の変調方式の間にい
かなる相違点もない。これに対し、0−1列の伝送にあたって、公知のMSK変
調の場合には位相シフトの極性符号が常に変化する。他方、変形MSK変調の場
合すなわち本発明による変調方式の場合、位相は変化しない。
つまり、公知のMSK変調では最高変調周波数つまりは被変調搬送波の最大周
波数帯域拡大が生じるとき、変形MSK変調方式では効果的に搬送波の変調がま
ったく行われないようになる。したがって本発明によるこのような変形MSK変
調を使用すれば、変調により占有される周波数スペクトル幅が著しく低減される
のである。
次に、変調信号のこのようなスペクトル幅低減を評価するため、両方の事例に
おける最高実効周波数について考察してみる。公知のMSK変調の場合、これは
ビット周波数の半分であってしかも三角波状に±45°の最大位相偏移で発生す
る。本発明による変形MSK変調の場合、最高変調周波数は0−0−1−1のビ
ット列において発生する。それゆえ、最高変調周波数はビット周波数の4分の1
にしかならない。この場合、最大位相偏移は同じく±45°である。しかもこの
変調は台形状の変調信号で行われ、このような信号には、比較のため引き合いに
出したMSK変調信号の三角波信号よりも著しく僅かな調波しか含まれていない
。
したがって本発明による変調により、所要変調帯域幅が格段に低減される。本
発明による変形MSK変調の場合、位相における方向変化は常に一定の位相で1
つの変調シフトにわたって行われる。このようなコーディングは、変調信号に対
するある種の前置フィルタ処理となる。たとえばGSM(Global System for Mo
bile Communication)移動無線システムにおいて用いられるGMSK変調は、ガ
ウスフィルタリング処理を行った公知のMSK変調に由来するものであるため、
上述の説明は本発明に従って変形されたGMSK変調についてもあてはまること
はいうまでもない。
図面には、ビットクロック経過を表す軸上に描かれた同じ伝送すべき信号に対
する2つの位相シフト経過特性の実例が示されている。この図からわかるとおり
、公知のMSK変調(図上方の経過特性)により得られた平均的な位相変調と、
本発明による変形MSK変調(図中央の経過特性)とは類似している。しかしそ
の相違点は、変形MSK変調において公知のMSK変調よりもゆっくりとした方
向変化が生じていることである。つまり本発明による変形MSK変調の場合、高
周波変調成分は公知のMSK変調よりも著しく抑えられている。この図面に示さ
れている両方の変調経過特性の場合、さらにガウスフィルタリングをかけた後に
は、被変調搬送波の実効位相においてGMSK変調の
場合よりも格段に滑らかな経過特性が得られ、その点において、低減された所要
スペクトル帯域幅が反映されている。
3つめの位相シフトを導入しても、位相において3つの可能な最終状態の生じ
る可能性があり、それによってユークリッド距離が狭まるにせよ、障害に関して
本発明による変形MSK変調の特性は劣化しない。実際には、常に2つの状態の
間でのみ区別すればよい。それというのも+90°から−90°へまたはその逆
へ、ダイレクトに変化することは決して起こり得ないからである。
さらにこの場合、変調規則によって、順次連続する位相シフトが互いに結合さ
れる。これにより、誤った単一判定の識別や補正が可能となる。つまり、トレリ
スデコーディングにより、この変調に対し単一ビットデコーディングよりも著し
く改善された特性が得られる。
公知のMSK変調と本発明による変形MSK変調に関して、表3ではトレリス
デコーディングに基づき最小距離の列が示されている。列の長さは本発明による
変形MSK変調の場合、公知のMSK変調の列の長さよりも1ビットだけ長い。
エラーが起こる場合には、それらは表3によれば両方の事例においてダブルエラ
ーとして隣り合うビットにおいて発生する。
したがって受信側における効率的な検出によって、
変調規則性をいっしよに考慮に入れなければならない。単一ビット判定に基づく
だけであると、ビットエラーの確率が高まってしまう。これに対し、最尤(”Ma
ximum-Likelihood”)検出をベースとすれば、本発明による変調方式によって信
号の所要スペクトル幅を著しく低減することができ、ひいては伝送チャネル帯域
幅の低減あるいは同じ伝送チャネル帯域幅であればデータレートの上昇が可能と
なる。
単に比較的簡単に示すことができるという理由で、これまで実例としてMSK
変調を採用してきたが、上述の事情はたとえばGSM移動無線システムにおいて
使用されるGMSK変調についてもまったく同様にあてはまる。移動無線システ
ムは実践においては必ずスペクトル的に制限されているので、効率的な変調とい
う点について格別な意義が与えられる。したがってGMSK変調にとっては、こ
の変調において付加的なスペクトルフィルタリングが行われることから、スペク
トル効率に対し妥当な要求が課されたときにしか有効に利用できないMSK変調
よりも、いっそう大きな意義がある。
あるシステムにおける本発明による位相シフト変調方式の実装は、送信側につ
いてはこれまでに知られているシステムの場合と同じようにして行うことができ
る。この目的で好適であるのは、位相経過特性または2つの直交成分すなわちI
成分とQ成分の経過特性を
、テーブル内に格納することである。そしてこのテーブルに対するアドレスは、
それまでに送信されたビットと、ビットクロックの倍数で動かされるカウンタの
出力により形成される。これにより細かい位相経過が決定される。この場合、基
本位相は、一般に先行の位相シフトから導出され、それに加えられる。
本発明による既述の変形MSK変調または変形GMSK変調は、ディジタル位
相シフト変調に関する比較的簡単な事例である。それというのも、これらの場合
には先行のビットだけが考慮されるからである。本発明による位相シフト変調方
式を用いることで、実例として示したように、所要スペクトル帯域幅を低減し、
かつ最小列の長さを大きくすることができる。本発明による位相シフト変調方式
を使用することは、GSM移動無線システムなどの移動無線システムにおいてき
わめて有利なことである。
無線システムにとって殊に、本発明による方式に従って動作するいっそう上の
クラスの変調は重要であり、この場合、高レートの信号伝送を可能にする目的で
、搬送波を介して伝送すべき信号のシンボルは、2つまたはそれ以上のビットに
よって形成される。
移動無線システムを実現するための本発明によるシステムの1つの実施形態に
よれば、移動無線システムにおけるいわゆる”フルレート(full-rate)”チャ
ネルのためには、1/2レートの畳み込み符号化を用
いた16kbit/sの伝送データレートが提案され、いわゆる”ハーフレート
(half-rate)チャネルのためには8kbit/sのデータレートが提案される
。これと関連して、これまで導入されてきたGSMシステムよりも、畳み込み符
号の拘束長(constraint length)を大きく設定することが提案される。
本発明に従って形成された位相シフト変調および上述の実施形態によって、1
4.4および16kbit/sのレートによるデータ伝送が可能となり、このこ
とは、これまでGSMにおいて最大で達成可能であった9.6kbit/sとい
うレートに対し格段に改善されていることを示している。”ハーフレート”チャ
ネルを介した音声伝送に関して8kbit/sということで、現在のGSM移動
無線システムにおける部分的に保護された6.5kbit/sよりも著しく改善
された品質を実現できる。
最後に挙げたことが重要であるのは、8kbit/sのデータレートと10m
sのフレーム時間による”ハーフレート”の音声符号化の導入に対する需要が多
いためであり、このようにすれば実効ネットワーク容量がほぼ2倍になる。しか
もこのようにすることで、これまでGSMシステムにおいて生じていた約90m
sという遅延時間をそのような音声符号化装置によって短く抑えることができる
ようになる。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】平成10年4月8日(1998.4.8)
【補正内容】
の周波数偏移のときに耐障害性と所要帯域幅との間で妥協点が得られる。しかし
MSK変調のためには、ときには受け入れられない可能性のある広い伝送帯域幅
が必要とされるし、あるいは過度に低いデータ伝送レートになってしまい、これ
はたとえば公知のGMSK変調(Gaussian Minimum Shift Keying)の平滑化さ
れた変形によっても十分に改善できないことが多い。
GMSK変調は、たとえば移動無線システムにおいて用いられる。そのような
移動無線システムは、M.Mouly,M.-B.Pautetによる”The GSM System for Mobil
e Communications”1992のたとえばp.249-259によって知られているGSM移動
無線システムである。
また、BIC J.C.,Duponteil D.,Imbeaux,J.C.,”Elements of Digital Comm
unication”, 1991, John Wiley & Sons,Chichester,GBのたとえばp.69‐73,
およびProakis John G.,”Digital communications”,1989,McGraw-Hill,New
York,USのたとえばp.164‐174からも、多くの変調形式が公知である。
本発明の課題は、改善されたディジタル位相シフト変調方法を提供することで
あって、その際、変調される搬送波の伝送帯域幅を公知のその種の変調方式より
も著しく僅かなもので済ますことができるようにし、さらにデータ伝送レートを
高めることができ、そうであってもSN比が改善されるように構成することであ
る。また、本発明による方法を実施するためのシステ
ムも提供できるようにしたい。
本発明によればこの課題は、請求項1の上位概念に記載の方法において特徴部
分に記載の構成によって解決される。従属請求項には本発明による方法の有利な
実施形態が示されている。
請求項17には、本発明による方法を実施するため
請求の範囲
17. 1つの信号における伝送すべきディジタルの各シンボルごとに、振幅を一
定に保持して離散的な位相シフトが実行される、変調搬送波のディジタル位相シ
フト変調システムにおいて、
送信側には変調搬送波の変調のために位相シフト変調器が設けられており、
該変調器は、1つの信号における伝送すべきディジタルの各シンボルごとに、振
幅を一定に保持して離散的な位相シフトを行い、該位相シフトは、目下伝送すべ
きシンボルにも直前に伝送された1つまたは複数のシンボルにも依存しているこ
とを特徴とするシステム。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.1つの信号における伝送すべきディジタルの各シンボルごとに、振幅を一定 に保持して離散的な位相シフトが実行される、変調搬送波のディジタル位相シフ ト変調方法において、 行おうとする変調搬送波の位相シフトを、伝送すべき目下のシンボルにも、 それよりも前に伝送された1つまたは複数のシンボルにも依存させることを特徴 とする、変調搬送波のディジタル位相シフト変調方法。 2.離散的な位相シフトに対しそれらの移行部分についてフィルタリングまたは パルス成形を実行してから、変調搬送波に対する本来の位相変調を行う、請求項 1記載の方法。 3.変調搬送波の位相移行部分はガウス状または正弦波状のフィルタリング波形 である、請求項2記載の方法。 4.変調搬送波の位相移行部分におけるフィルタリング波形は指数関数に相応す る、請求項2記載の方法。 5.変調搬送波の位相移行部分は線形のフィルタリング波形である、請求項2記 載の方法。 6.変調搬送波の位相移行部分において所定の勾配を選定する、請求項2〜5の いずれか1項記載の方法 。 7.変調搬送波のすべての位相移行部分について移行時間は一定である、請求項 2〜5のいずれか1項記載の方法。 8.変調搬送波の位相移行部分における最大勾配は一定である、請求項2〜5の いずれか1項記載の方法。 9.事前に伝送されたシンボルを考慮する度合いを選定可能である、請求項1〜 8のいずれか1項記載の方法。 10.位相シフトは付加的にデータストリーム中の目下のシンボル位置に依存する 、請求項1〜9のいずれか1項記載の方法。 11.位相シフトのパラメータと移行部分のパラメータを、被変調搬送波の所要帯 域幅が低減されるように選定する、請求項1〜10のいずれか1項記載の方法。 12.位相シフトのパラメータと移行部分のパラメータを、SN比が改善されるよ うに選定する、請求項1〜10のいずれか1項記載の方法。 13.伝送すべきシンボルのためにすでに伝送されたシンボルに依存して用いられ る目下の位相シフトと位相値を、テーブル形式で表現する、請求項1〜12のい ずれか1項記載の方法。 14.シンボルが1つのビット(0または1)から成り 、位相シフトの形成にあたり目下のビットと該ビットの直前の先行ビットだけを 考慮して適用される、請求項1〜13のいずれか1項記載の方法において、 目下伝送すべきビットと直前に伝送されたビットとが異なる(=ビット列0 −1または1−0)ときにだけ、0°の位相シフトを用い、 目下伝送すべきビットと直前に伝送されたビットとが論理状態0(=ビット 列0−0)を有するときにだけ、−90°の位相シフトを用い、 目下伝送すべきビットと直前に伝送されたビットとが論理状態1(ビット列 1−1)を有するときだけ、+90°の位相シフトを用いる(変形MSK変調) ことを特徴とする方法。 15.シンボルが1つのビット(0または1)から成り、位相シフトの形成にあた り目下のビットと該ビットの直前の先行ビットだけを考慮して適用される、請求 項1〜13のいずれか1項記載の方法において、 目下伝送すべきビットと直前に伝送されたビットとが異なる(=ビット列0 −1または1−0)ときにだけ、0°の位相シフトを用い、 目下伝送すべきビットと直前に伝送されたビットとが論理状態0(=ビット 列0−0)を有するときにだけ、+90°の位相シフトを用い、 目下伝送すべきビットと直前に伝送されたビットとが論理状態1(ビット列 1−1)を有するときだけ、−90°の位相シフトを用いることを特徴とする方 法。 16.受信側における検出にあたり、変調規則性により与えられる順次連続する位 相シフトの結合に基づき、誤った単一ビット判定を識別して補正する、請求項1 〜15のいずれか1項記載の方法。 17.請求項1記載の方法を実施するためのシステムにおいて、 送信側には変調搬送波の変調のために位相シフト変調器が設けられており、 該変調器は、1つの信号における伝送すべきディジタルの各シンボルごとに、振 幅を一定に保持して離散的な位相シフトを行い、該位相シフトは、目下伝送すべ きシンボルにも直前に伝送された1つまたは複数のシンボルにも依存しているこ とを特徴とするシステム。 18.前記位相シフト変調器において、離散的な位相シフトに対しそれらの移行部 分についてフィルタリングまたはパルス成形が行われてから、変調搬送波の本来 の位相変調が行われる、請求項17記載のシステム。 19.送信側では、位相シフトまたは2つの直交成分(I成分およびQ成分)の経 過特性がテーブルに格納されており、該テーブルのためのアドレスは、以前 に送信されたビットと、ビットクロックの倍数で動かされるカウンタの出力によ り形成され、それにより1つの位相の細かい経過が決定され、基本位相はそれま での位相シフトから導出され、それらに加算される、請求項17または18記載 のシステム。 20.受信側には検出装置が設けられており、該検出装置においてシンボル検出の ため、最尤(”Maximum-Likelihood”)検出をベースとして単一ビット判定に加 えて、まえもって与えられた変調規則性が利用される、請求項17〜19のいず れか1項記載のシステム。 21.移動無線システムとして構成されている、請求項17〜20のいずれか1項 記載のシステム。 22.GSM移動無線システムまたはGSMと類似の移動無線システムとして構成 されている、請求項21記載のシステム。 23.フィルタリングはガウス波形状、正弦波状、線形または指数関数に従って構 成されており、あるいはパルス成形にあたって変調搬送波における位相移行部分 の所定の勾配が選定される、請求項18〜22のいずれか1項記載のシステム。 24.変調搬送波における位相移行部分の最大勾配が一定のものとして選ばれる、 請求項23記載のシステム。 25.受信側の検出にあたり、変調規則性により与えら れた順次連続する位相シフトの結合に基づき、誤った単一ビット判定が識別され て補正される、請求項18〜25のいずれか1項記載のシステム。 26.いわゆる”フルレート”チャネルのために、1/2のレートの畳み込み符号 化を用いて16kbit/sのデータレートが設定されており、いわゆる”ハー フレート”チャネルのために8kbit/sのデータレートが設定されている、 請求項18〜25のいずれか1項記載のシステム。 27.いわゆる畳み込み符号の拘束長がGSM移動無線システムよりも大きく設定 されている、請求項18〜26のいずれか1項記載のシステム。
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