JP2007258794A - Ｏｆｄｍ受信機における雑音低減方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃ／Ｎの劣化した環境で、パイロットキャリアに混入した雑音により、算出したＯＦＤＭダイバーシチ合成比率に誤差が生じ、合成後のＣ／Ｎが劣化することを改善し、精度の高いダイバーシチ合成を実現することを目的とする。
【解決手段】離散パイロットを用いたＯＦＤＭ信号をダイバーシチ受信する装置において、受信信号をフーリエ変換し周波数軸信号から抽出したパイロットキャリアを時間方向に平均化し、雑音低減後のパイロットキャリアに基づく周波数軸の伝送路推定結果からダイバーシチ合成時の合成比率を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直交周波数分割多重方式（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下ＯＦＤＭと略す）変調方式で変調されたデータ伝送装置の受信装置に関する技術である。

近年、移動体向けディジタル伝送や、地上系ディジタルテレビジョン放送への応用に適した変調方式として、マルチパスフェージングやゴーストに強いという特徴のあるＯＦＤＭ方式が注目を浴びている。 ＯＦＤＭ方式は、マルチキャリア変調方式の一種であって、互いに直交する数十本〜数百本の搬送波(キャリア)にそれぞれディジタル変調を施した伝送方式である。

これらの各キャリアのI軸成分、Q軸成分には、各々に被変調信号として離散的な符号を割り当て、シンボル周期（数μsec〜msec）毎にその符号を更新する。キャリアのディジタル変調方式としては、4相差動位相偏移変調方式(Differential Quadrature Phase Shift Keying：以下ＤＱＰＳＫと略す)も用いられるが、16値直交振幅変調(１６ Quadrature Amplitude Modulation：以下１６ＱＡＭと略す)や６４ＱＡＭなどの多値変調方式が良く用いられている。

１６ＱＡＭや６４ＱＡＭの変調方式では、各キャリアの振幅及び位相に情報を持たせているため、復調時には受信キャリアの絶対振幅、及び絶対位相を正確に再生する必要がある。
そのため、振幅と位相が一定であるパイロットキャリアを数キャリア毎に配置して、受信機ではパイロットキャリアに基づいて伝送路特性を推定し、振幅、位相の等化を行う方式が用いられている。

図４、５はパイロットキャリアの配置方式の一例である。
図４はパイロットキャリアを同一キャリアに時間連続的に配置させた構成であり、連続パイロット（Continuous Pilot：以下ＣＰと略す）と称されている。また、図５はパイロットキャリアの配置をシンボル毎にずらして配置させた構成であり、離散パイロット(Scattered Pilot：以下ＳＰと略す)と称されている。

パイロットキャリアによる受信側での等化処理に関する説明は後述するが、図４に示すパイロット配置では高速の移動伝送のように変動の激しい伝送路に適しており、逆に図5に示すパイロット配置では、時間応答性は低くなるが、等化可能なマルチパスの遅延時間が長くなるという特徴がある。
また、伝送性能を向上させるため、パイロットキャリアの振幅は通常のデータキャリアよりも大きめに設定することが多い。例えば、データキャリアと比較して、4/3倍の振幅比に設定する。
これらのキャリアは互いに直交関係を保つように加算され、ＯＦＤＭ時間軸波形が生成される。 この加算処理は、各キャリアに対し逆フーリエ変換(Inverse Fast Fourie Transform：以下ＩＦＦＴと略す)処理を行うことで実現できる。

ＯＦＤＭ信号のシンボル構成は、図６に示すように、上記ＩＦＦＴ処理後の時間軸波形である有効シンボルと、有効シンボルの一部を複写して有効シンボルの前に付加したガードインターバルからＯＦＤＭシンボルが構成される。
ガードインターバルを付加することでにより、ガードインターバル期間内の遅延時間の遅延波に対しては、シンボル間干渉による劣化を避けることが出来るため、マルチパスフェージングに対して、強い耐性を有することができる。
上記処理により生成されたＯＦＤＭ信号は、高周波(ＲＦ)に周波数変換された後、送信される。

ところで、ＯＦＤＭは移動体伝送に適しているとの理由から、マラソン中継や緊急報道などのテレビ中継を行うＦＰＵ（Field Pickup Unit）と称する映像無線伝送装置の伝送方式に用いられることがある。
移動体伝送では、その地形に応じて送信機から直接到来する主波の他に、建物等から反射して遅延時間を伴って到来する反射波が存在するマルチパス通信路が形成されることがある。

マルチパス環境下では、主波と反射波の位相が逆相付近になる周波数帯域では、信号が打ち消され振幅が小さくなってしまう周波数選択性フェージングと呼ばれる劣化が生じる。ＯＦＤＭではキャリア1本毎の帯域が狭いため、周波数選択性フェージングでレベルの低下したキャリアには伝送誤りが多発してしまう。
更に、移動体伝送においては、主波と反射波のレベルも時々刻々と変化するレイリーフェージング環境も発生することがある。レイリーフェージング環境下では全キャリアのレベルが低下してしまうことがあるため、レベルの低下したシンボルも伝送誤りが多発してしまう。

そのため、これらのフェージング劣化を軽減するためにスペース（空間）ダイバーシチ（以下ダイバーシチ）と呼ばれる受信処理方式を適用することがある。ダイバーシチとは、複数のアンテナを空間的に離して配置し、それぞれのアンテナで受信した信号を適切に合成、あるいは複数のアンテナの中から受信強度の大きい方を選択して受信処理することでフェージング劣化の影響を軽減することができる方式である。

ＯＦＤＭ方式のダイバーシチでは、サブキャリア単位に上記の切替え、合成処理を行うことで、マルチパス環境下であっても適切なダイバーシチを行うことができる。更に、ダイバーシチ方式の中でもダイバーシチ利得の優れている最大比合成方式がよく用いられており、この方式について以下に説明する。

図７は２系統のアンテナを有するダイバーシチ装置の構成を示した図である。
２系統のアンテナで受信した信号は、それぞれ周波数変換等の処理を経て、Ａ／Ｄ変換器１ａ、１ｂに入力されディジタル信号に変換される。得られたＡ／Ｄ変換器１ａ、１ｂの出力信号はＦＦＴ部２ａ、２ｂに入力され、ＦＦＴ部２ａ、２ｂでは、受信サンプル系列上に有効シンボル期間長の時間窓を設け、設けた時間窓内に含まれるサンプル信号に対してＦＦＴ演算処理を施し、時間軸信号から周波数軸信号へと変換する。

ＦＦＴ部２ａ、２ｂからの出力信号はパイロットキャリア抽出部３ａ、３ｂに入力され、受信周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出する。その後、内挿補間フィルタ部５ａ、５ｂにて抽出したパイロットキャリアに対して周波数方向に内挿補間を行うことで、パイロットキャリアの存在しないキャリアの伝送路特性を算出する。

係数算出部７では、ＦＦＴ部２ａ、２ｂからの出力信号に乗じる重み係数を内挿補間フィルタ部５ａ、５ｂからの伝送路特性に基づいて算出する。例えば、マルチパスフェージングでレベル低下したキャリアに対してはC/Nが劣化し、伝送誤りを引き起こし易いため、そのキャリアの重み（重要度）を低く設定する。理論的には、Mブランチの受信アンテナを有する最大比合成の最適重み係数ｗ_i(k)（_i：アンテナ番号，k：キャリア番号）は、送信機からi番目のアンテナまでの伝送路特性をｈ^* _i(k) （^*は複素数を示す）とすると、
_{・・・・・・・・・・（１）}
となり、これはC/Nを最大にする係数であることが知られている。

乗算器６ａ、６ｂでは、ＦＦＴ部２ａ、２ｂからの出力信号に対して、係数算出部７にて算出した重み係数ｗ_i(k)を乗じ、合成部８にて加算合成処理する。
乗算器６ａ、６ｂ及び合成部８の処理により、Ｃ／Ｎが最大になるように最適化され、尚且つ同時に振幅、位相も等化される。
合成後の信号は、復調部９に入力され、シンボル判定した後、情報符号を出力する。
上記に説明したダイバーシチの原理については、例えば非特許文献１に詳述されている。

次に、単一アンテナを用いた場合のＯＦＤＭ受信機の処理について説明する。図８はＯＦＤＭ受信機の構成を示した図である。アンテナで受信した信号は、Ａ／Ｄ変換器１ａによりディジタル信号に変換され、ＦＦＴ部２ａにてＦＦＴ演算処理を施し、時間軸信号から周波数軸信号へと変換する。
ＦＦＴ部２ａからの出力信号はパイロットキャリア抽出部３ａに入力され、パイロットキャリアを抽出し、内挿補間フィルタ部５ａにてパイロットキャリアの存在しないキャリアの伝送路特性を算出する。
以上の処理は図７に示したＯＦＤＭダイバーシチ受信機と同様の処理である。

等化部２１にはＦＦＴ部２ａからの出力信号と内挿補間フィルタ部５ａにて算出した伝送路特性信号が入力され、ＦＦＴ部２ａからの出力信号に大して式（２）に示す係数を乗じることにより振幅、位相の等化を行う。
_{・・・・・・・・・・（２）}
等化部２１の出力信号は、復調部９に入力され、シンボル判定した後、情報符号を出力する。

以上、説明した処理によりＯＦＤＭ信号をＯＦＤＭダイバーシチ受信機あるいはＯＦＤＭ受信機にて受信処理を完遂することができる。
映像情報メディア学会技術報告，Vol.23,No.35,PP13〜18(1999) 特開２００４−１１２１５５号公報

従来技術におけるダイバーシチ処理では、各ブランチのＣ／Ｎが劣化すると、データキャリアと同様にパイロットキャリアにも雑音が混入してしまう。上記に説明したように、ＯＦＤＭのダイバーシチでは、パイロットキャリアから算出した伝送路特性h_i(k)に基づいた重み係数ｗ_i(k)を用いている。しかしながら、本来リファレンス信号であるべきパイロットキャリアに雑音が混入したことにより、精度の良い伝送路特性の推定が困難になってしまう。その結果、重み係数にも雑音による誤差が生じてしまい、式（１）に示す理想的な合成を行うことができず、合成後のＣ／Ｎも劣化してしまうという欠点が挙げられる。

また、単一アンテナによるＯＦＤＭ受信機での等化処理においても、伝送路特性h_i(k)に基づいた等化処理を行うため、パイロットキャリアに雑音が混入している場合には、等化精度が劣化し、最終的に符号誤り率に劣化に繋がるという欠点も挙げられる。この劣化量は、ＣＰ間隔を８キャリア、ＣＰの振幅比を４／３とした場合、約２．５ｄＢのＣ／Ｎ劣化となる。

本発明では上記課題を解決するため、振幅、及び位相が既知であるパイロットキャリアを少なくとも周波数方向に分散的に配置したＯＦＤＭ変調方式で変調された信号を受信するＯＦＤＭ受信装置において、第一に、当該変調波をＭ（Ｍは２以上の整数）ブランチのアンテナでダイバーシチ受信する手段と、当該受信信号をフーリエ変換し、周波数軸に変換する手段と、当該周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出し、抽出したパイロットキャリアの時間方向にフィルタを施しパイロットキャリアの雑音を低減する手段と、雑音低減後のパイロットキャリアに基づいて周波数軸の伝送路推定を行い、周波数軸伝送路推定結果に基づいてダイバーシチ合成時の合成比率を算出する手段を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信装置を提供する。

また、第二に、当該変調信号を受信し、受信信号をフーリエ変換し、周波数軸に変換する手段と、当該周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出し、抽出したパイロットキャリアの時間方向にフィルタを施しパイロットキャリアの雑音を低減する手段と、雑音低減後のパイロットキャリアに基づいて周波数軸の伝送路推定を行い、周波数軸伝送路推定結果に基づいて振幅、位相の等化処理を行う手段を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信装置を提供する。

更に、第三に、当該変調信号を受信し、受信信号をフーリエ変換し、周波数軸に変換する手段と、当該周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出し、抽出したパイロットキャリアの時間方向にフェージング周波数を通過帯域としたフィルタを施しパイロットキャリアの雑音を低減する手段と、雑音低減後のパイロットキャリアに基づいて周波数軸の伝送路推定を行い、周波数軸伝送路推定結果を時間軸の伝送路特性に変換することにより遅延プロファイルを算出する手段を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信装置を提供する。

以上説明したように、本発明によるパイロットキャリア平均処理により、パイロットキャリアに混入した雑音を低減することができる。ダイバーシチ合成時の最大比合成比率は雑音を低減したパイロットキャリア信号に基づいて算出することで、理想的な合成比率とすることができる。従って、本発明によりＣ／Ｎの劣化した環境であっても、精度の高いダイバーシチ合成を実現することが可能となる。

以下、本発明によるディジタル伝送装置の受信装置について、図１に図示する第一の実施例の構成により詳細に説明する。また、以下の説明はパイロットキャリアとして図４に示したＣＰを用いる場合とする。
図１は図７の従来技術によるＯＦＤＭダイバーシチ受信機の構成に対して、パイロットキャリア抽出部３ａ、３ｂと内挿補間フィルタ５ａ、５ｂの間にパイロットキャリア平均部４ａ、４ｂを挿入した構成であり、その他の構成及び処理方式は図７と同様である。

パイロットキャリア平均部４ａ、４ｂでは、Ｎシンボル期間のパイロットキャリア信号を用いてパイロットキャリアに混入した雑音を低減することを目的とする。
パイロットキャリア平均部４ａ、４ｂの構成を図９に示す。パイロットキャリア抽出部３ａ、３ｂからのパイロットキャリア信号ｒ（ｔ，ｋ）を遅延部９１に入力する（ただし、ｔはシンボル番号、ｋはキャリア番号を示す）。遅延部９１ではパイロット信号ｒ（ｔ，ｋ）を１シンボル遅延させた信号ｒ（ｔ−１，ｋ）を出力する。遅延部９１の出力信号ｒ（ｔ−１，ｋ）は遅延部９２に入力すると共に乗算器９５に入力する。遅延部９２の動作は遅延部９１と同様の動作であり、２シンボル遅延させた信号ｒ（ｔ−２，ｋ）を出力する。同様に、遅延部９３、遅延部９４からは３シンボル遅延信号ｒ（ｔ−３，ｋ）とＮシンボル遅延信号ｒ（ｔ−Ｎ，ｋ）を出力する。

乗算器９５〜９９では遅延部９１〜９４からの各パイロットキャリア信号ｒ（ｔ，ｋ）、ｒ（ｔ−１，ｋ）、ｒ（ｔ−２，ｋ）、ｒ（ｔ−３，ｋ）、ｒ（ｔ−Ｎ，ｋ）に対して所定係数を乗算し、加算器９ａでは乗算後の結果を加算合成する。ここで、乗算器９５〜９９の被乗数は単純な移動平均である１／（Ｎ+１）としても良いが、それぞれ異なる係数としたフィルタを構成しても良い。
また、パイロットキャリア平均部４ａ、４ｂは図１０に示すようにフィードバック型のＩＩＲ（Infinite Inpulse Response）フィルタにより実現しても問題は無い。

図９と同様にパイロットキャリア抽出部３ａ、３ｂから抽出されたパイロットキャリア信号が入力され、パイロットキャリア信号は減衰器１０１でα倍される。加算器１０２には減衰器１０１の信号と減衰器１０３の信号が入力され加算される。加算後の信号は遅延部で１シンボル長の遅延を行い、遅延結果をパイロットキャリアの平均結果として出力すると共に、フィードバックして減衰器１０３に入力する。減衰器１０３では（１−α）倍した信号を加算器１０２に入力する。以上説明した図１０の処理は一次のＩＩＲ型フィルタと称され、低域通過フィルタの特性を有する。

図９のフィルタ係数、あるいは図１０の減衰器に係わる係数αの選定には種々の条件を考慮する必要があるが、特性を左右する大きな要因に時変動が挙げられる。例えば、移動伝送では移動速度と搬送波周波数により決定されるフェージング周波数ｆｄの周波数で時間変動が生じる。このような高速で変動するフェージング環境で、平均化のシンボル期間Ｎを大きく設定すると、高速で変動している伝送路特性と、その平均化結果の間に誤差が生じ、ダイバーシチ合成時に劣化が生じてしまう。従って、このフィルタ係数の選定には、使用するフェージング周波数を通過帯域としたフィルタを形成するような係数を選定することが望ましい。
具体的には、シンボル周期が約５６μｓｅｃ、フェージング周波数ｆｄが１３０Ｈｚ程度の運用を考えると、単純な移動平均ではＮ＝９程度を選定するのが望ましい。

以上説明したパイロットキャリア平均部４ａ、４ｂによりパイロットキャリアに混入した雑音成分を低減させることができる。
パイロットキャリア平均部４ａ、４ｂからの出力信号は内挿補間フィルタ５ａ、５ｂに入力され、周波数方向の補間を行う。

それぞれのブランチでパイロットキャリアの雑音低減、即ち、推定伝送路特性の雑音低減を行った信号は係数算出部７に入力され、式（１）で説明した合成係数を算出し、最大比合成を行うことで、Ｃ／Ｎの劣化した環境であっても、精度の良いダイバーシチ合成を行うことができる。

また、図１１に示すように、パイロットキャリア平均部４ａ、４ｂと内挿補間フィルタ５ａ、５ｂの順序は逆であっても差し支えは無い。

次に、本発明によるディジタル伝送装置の受信装置について、図２に図示する第二の実施形態により詳細に説明する。
図２は本発明を用いた単一ブランチでのＯＦＤＭ受信機の構成を示した図である。第二の実施例においても、図２は図８の構成に対して、パイロットキャリア抽出部３ａと内挿補間フィルタ５ａの間にパイロットキャリア平均部４ａを挿入した構成であり、その他の構成及び処理方式は図８と同様である。

Ａ／Ｄ変換器１ａ、ＦＦＴ部２ａを経由した周波数軸の信号から、パイロットキャリア抽出部３ａにてパイロットキャリアを抽出する。抽出したパイロットキャリアはパイロット平均部４ａに入力され、第一の実施例で説明したように、パイロットキャリアに混入している雑音の低減化を図る。こうして、雑音が低減されたパイロットキャリアを用いて、内挿補間フィルタ部５ａにて周波数方向に補間を行い、伝送路特性の推定を行う。
内挿補間フィルタ部５ａからの推定伝送路特性信号は等化部２１に入力され等化部２１では、ＦＦＴ部２ａからの信号と式（２）に示す推定伝送路特性信号に基づいて算出された係数との乗算を行い、振幅、位相の等化を行う。
等化後の信号は復調部２１でシンボル判定され、情報符号を出力する。

また、第一の実施例同様に図１２に示すように、パイロットキャリア平均部４ａと内挿補間フィルタ部５ａの順序は逆であっても差し支えは無い。

以上説明したように、パイロットキャリアの雑音を低減することにより、等化処理時に雑音により生じる等化誤差を低減させることができる。
この改善度は、例えば、ＣＰ間隔を８キャリア、ＣＰの振幅比を４／３、平均回数Ｎ＝９とした場合、約１．６ｄＢのＣ／Ｎ改善効果がある。

最後に、本発明によるディジタル伝送装置の受信装置について、図３に図示する第三の実施形態により詳細に説明する。

Ａ／Ｄ変換器１ａ、ＦＦＴ部２ａを経由した周波数軸の信号から、パイロットキャリア抽出部３ａにてパイロットキャリアを抽出する。抽出したパイロットキャリアはパイロット平均部４ａに入力され、第一の実施例で説明したように、パイロットキャリアに混入している雑音の低減化を図る。こうして、雑音が低減されたパイロットキャリアを用いて、内挿補間フィルタ部５ａにて周波数方向に補間を行い、伝送路特性の推定を行う。

ＩＦＦＴ部３１では内挿補間フィルタ部５ａにて得られた周波数軸の伝送路特性を逆フーリエ変換することにより、時間軸の伝送路特性に変換する。時間軸の伝送路特性とは、即ち伝送路の複素インパルス応答を表す遅延プロファイルのことを示している。

パイロットキャリア信号の平均化を行わない場合、Ｃ／Ｎの劣化した環境では、パイロットキャリアに混入した雑音の影響により遅延プロファイル信号の精度も劣化してしまう。例えば、Ｄ／Ｕの大きな（レベルの小さい）反射波が混入している環境の場合、該反射波は雑音に埋もれてしまい、検出することが困難となってしまう。従って、本発明によるパイロットキャリアの平均化処理を行うことで、Ｃ／Ｎの劣化した環境であっても、高精度な遅延プロファイルを生成することができる。

本発明の第一の実施例による構成を示すブロック図 本発明の第二の実施例による構成を示すブロック図 本発明の第三の実施例による構成を示すブロック図 ＣＰのキャリア配置を示す模式図 ＳＰのキャリア配置を示す模式図 ＯＦＤＭ信号のシンボル構成を示す模式図 従来技術によるＯＦＤＭダイバーシチ受信機の構成を示すブロック図 従来技術によるＯＦＤＭ受信機の構成を示すブロック図 パイロットキャリア平均部４ａ、４ｂの構成を示すブロック図 ＩＩＲフィルタを用いたパイロットキャリア平均部４ａ、４ｂの構成を示すブロック図 本発明の第一の実施例における他の構成を示すブロック図 本発明の第二の実施例における他の構成を示すブロック図

符号の説明

１ａ：Ａ／Ｄ変換器、２ａ：ＦＦＴ部、３ａ：パイロットキャリア抽出部、４ａパイロットキャリア平均部、５ａ：内挿補間フィルタ部、６ａ：乗算器、７：係数算出部、８：合成部、９：復調部、１ｂ：Ａ／Ｄ変換器、２ｂ：ＦＦＴ部、３ｂ：パイロットキャリア抽出部、４ｂパイロットキャリア平均部、５ｂ：内挿補間フィルタ部、６ｂ：乗算器、２１：等化部、３１：ＩＦＦＴ部、９１〜９４：遅延部、９５〜９９：乗算器、９ａ：加算器、１０１：減衰器、１０２：加算器、１０３：減衰器、１０４：遅延部

Claims (3)

1. 振幅、及び位相が既知であるパイロットキャリアを少なくとも周波数方向に分散的に配置したＯＦＤＭ変調方式で変調された信号を受信するＯＦＤＭ受信装置において、当該変調波をＭ（Ｍは２以上の整数）ブランチのアンテナでダイバーシチ受信する手段と、当該受信信号をフーリエ変換し、周波数軸に変換する手段と、当該周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出し、抽出したパイロットキャリアに対して時間方向にフィルタを施しパイロットキャリアの雑音を低減する手段と、雑音低減後のパイロットキャリアに基づいて周波数軸の伝送路推定を行い、周波数軸伝送路推定結果に基づいてダイバーシチ合成時の合成比率を算出する手段を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信装置。
2. 振幅、及び位相が既知であるパイロットキャリアを少なくとも周波数方向に分散的に配置したＯＦＤＭ変調方式で変調された信号を受信するＯＦＤＭ受信装置において、当該変調信号を受信し、受信信号をフーリエ変換し、周波数軸に変換する手段と、当該周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出し、抽出したパイロットキャリアに対して時間方向にフィルタを施しパイロットキャリアの雑音を低減する手段と、雑音低減後のパイロットキャリアに基づいて周波数軸の伝送路推定を行い、周波数軸伝送路推定結果に基づいて振幅、位相の等化処理を行う手段を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信装置。
3. 振幅、及び位相が既知であるパイロットキャリアを少なくとも周波数方向に分散的に配置したＯＦＤＭ変調方式で変調された信号を受信するＯＦＤＭ受信装置において、当該変調信号を受信し、受信信号をフーリエ変換し、周波数軸に変換する手段と、当該周波数軸信号からパイロットキャリアを抽出し、抽出したパイロットキャリアの時間方向にフェージング周波数を通過帯域としたフィルタを施しパイロットキャリアの雑音を低減する手段と、雑音低減後のパイロットキャリアに基づいて周波数軸の伝送路推定を行い、周波数軸伝送路推定結果を時間軸の伝送路特性に変換することにより遅延プロファイルを算出する手段を備えたことを特徴とするＯＦＤＭ受信装置。