JPH0693674B2

JPH0693674B2 - 多値直交振幅変調のための空間ダイバーシチ受信方式

Info

Publication number: JPH0693674B2
Application number: JP1124131A
Authority: JP
Inventors: 政一三瓶; 輝巳須永
Original assignee: 郵政省通信総合研究所長
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1989-05-19
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPH02305135A

Description

【発明の詳細な説明】（１）産業上の利用分野本発明は、伝送路が激しく変動するフェージング回線に
おいて多値直交振幅変調方式を適用する場合の、フェー
ジング歪の補償と空間ダイバーシチ受信機能を有する受
信方式に関するものである。

（２）従来の技術ディジタル無線回線、特に陸上移動通信回線において
は、フェージングの影響により、受信波の振幅や位相
が、非常に速く変動する。

従来、このような回線においては、包絡線が20dB以上変
動することを考慮し、包絡線に情報を含まない、周波数
変調あるいは位相変調方式が採用されていた。

しかし、周波数の利用効率を更に高めるには、振幅にも
情報を含める多値直交振幅変調方式を適用する必要があ
る。但し、多値直交振幅変調方式においては、データが
変調信号の振幅及び位相に含まれることになるので、高
精度のフェージング歪補償が必要となる。

また、フェージングによる伝送品質の著しい劣化を更に
補償するためには、空間的に離れた２つ以上のアンテナ
を用いて各アンテナの信号を合成あるいは選択し、受信
波のレベル低下の確率を低減する空間ダイバーシチ受信
方式が有効であることが知られている。

従って、陸上移動通信において、周波数の有効利用を図
り、かつ高い伝送品質を実現するためには、高精度のフ
ェージングひずみの補償方式を適用した多値直交変調方
式と空間ダイバーシチ受信方式の併用が有効である。

空間ダイバーシチにおいて最も多く用いられる信号合成
方式は、選択合成方式である。

選択合成方式は、第１図に示すように、各ブランチ（ダ
イバーシチ受信時の各アンテナのこと）の信号の中で、
受信レベルの最も高いものを選択する方式である。この
方式を用いると、ダイバーシチを用いない場合と比べ
て、約6dBの利得が得られる。

一方、各アンテナの受信信号を選択するのでなく、第２
図に示すように、各ブランチの信号の位相を同相にした
後、合成後のS/Nが最大となるように各ブランチの信号
に重みをつけて合成する方式（最大比合成方式）を用い
ると、更に約1.5dBの利得が得られる。

また、最大比合成法における各ブランチの信号の重みを
等しくし、回路を簡略化した、等利得合成法もある。等
利得合成法式の特性は、選択合成法よりは良いが、最大
比合成法よりは悪くなる。

従って、ダイバーシチ受信を行った場合、最大比合成
が、最も特性が良い。

しかし、等利得合成法や最大比合成方式は、各ブランチ
の信号を同相にするための位相制御や信号に重み付けを
中間周波数帯（IF帯）で実現する必要があり、選択合成
法と比べてハードウェア規模がかなり大きくなる。その
反面、選択合成法と比較して最大1.5dBの利得しか得ら
れないことから、これまで、殆ど実用化されていない。

（３）発明が解決しようとする問題点多値直交振幅変調方式を、陸上移動通信のように、フェ
ージング変動の激しい無線通信回線において、適用し、
かつ、高い伝送品質を確保するためには、フェージング
による振幅・位相歪の補償と、最大比合成形を用いたダ
イバーシチ合成を、高い精度で実現する必要がある。ま
た、そのようなハードウェアを実用的なものとするため
には、ハードウェアは簡易である必要がある。

（４）問題を解決するための手段伝送路ひずみを補償しつつ、最大比合成形ダイバーシチ
を実現するためには、以下の１）〜３）の手順を踏む必
要がある。

１）アンテナにおいて、フェージングによる振幅・位相
変動を推定する。

２）１）で得られた位相変動の推定値を基に、各アンテ
ナの受信信号のフェージングによる位相ひずみを補償
し、各アンテナの信号の位相を同相にする。

３）１）で得られた、各アンテナのフェージングによる
振幅変動に比例した重み付けを行い、合成する。

４）合成後の判定しきい値を計算し、データを復号す
る。

そこで、本発明では、送受信部を以下の構成とする。

１）送信部では、伝送路歪測定用として、情報シンボル
Ｎ−１個毎（Ｎは自然数）に１回、既知のシンボルを送
信する。従って伝送帯域は同じ情報量を伝送する場合、
従来の方式と比べるとN/（Ｎ−１）倍となる。フレーム
シンボルを挿入した場合のフレーム構成を第３図に示
す。

２）受信部では、先ずシンボルタイミングとフレームタ
イミングを検出する。

３）フレームシンボルは既知信号なので、それを用い
て、各ブランチの、フレームタイミングにおける振幅及
び位相ひずみを測定する。

４）各ブランチにおいて、フレームタイミングにおける
振幅及び位相ひずみを内挿することにより、フレームシ
ンボル以外のシンボル（情報シンボル：情報が伝送され
ているシンボル）における振幅及び位相ひずみ推定す
る。

５）４）で推定された位相ひずみを基に、各ブランチの
受信信号の位相ひずみを補償し、同相にする。

６）各ブランチの信号に、４）で推定された振幅値に比
例する重み付けを行った後、合成する。

７）４）の情報を基に、データ判定のためのしきい値を
計算する。

８）６）、７）の結果を基に、送信されたシンボルを推
定し、その信号を復号することによってデータを再生す
る。

（５）作用第４図に、多値直交振幅変調方式の代表的例として、16
QAMの信号空間ダイヤグラム（複素ベースバンド信号の
信号点を複素平面上に示したもの）を示す。

16QAMは、第４図のように、複素平面上に等間隔に信号
を配置する方式である。また、Ｍ値QAMにおいて１つの
シンボルに含まれる情報量はＫ＝log₂（Ｍ）ビットであ
る。従って第４図の場合は、１つのシンボルに４ビット
の情報が含まれる。

送信部の構成を第５図に示す。まず、データをシリアル
／バラレル変換部（11）において、Ｋビットずつ区切っ
た後、ベースバンド信号生成部（12）において対応する
複素ベースバンド信号に変換する。

次に、フレーム同期挿入部（13）において伝送路歪測定
用として、情報シンボルＮ−１個毎に１回フレームシン
ボル（既知）を挿入する。

フレームシンボルによって伝送路歪を測定する場合、推
定精度を向上させるためには、フレームシンボルのS/N
を高くする必要がある。従ってフレームシンボルとして
は、最大振幅を与える点（第４図Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が適
当である。以下では、フレームシンボルとしてＡ点（３
＋ｊ・３）を用いるものとする。

その後、送信フィルタ部（14）において帯域制限し、直
交変調部（15）で変調し、増幅部（16）で電力増幅した
後、アンテナ部（17）より送信する。

以上の操作を行った16QAMの送信信号ｘ（ｔ）は、次式
のように記される。

ｘ（ｔ）＝a_I（ｔ）cos（ωｔ）‐a_Q（ｔ）sin（ωｔ）
（１）ここで、 a_I（ｔ）：送信ベースバンド信号の同相成分 a_Q（ｔ）：送信ベースバンド信号の直交成分 ω：搬送角周波数である。また、a_I（ｔ）、a_Q（ｔ）は、送信フィルタ部
（14）によって帯域制限された波形である。

ここで、受信部のブランチ数をＬとする。また、ダイバ
ーシチ受信部の構成を示す第６図においては、図面をわ
かりやすくするため、ブランチ数が２本の場合を示す。
なお、ブランチ数が３以上の場合には、第６図における
ブランチユニット（34）を増せば良い。

アンテナ部（21）において受信し、受信フィルタ部（2
2）において帯域外の雑音を除去した後、AGC（Automati
c Gain Controller）部（23）において適正なレベルに
増幅する。また、AFC（Automatic Frequency Controlle
r）部（24）において、準同期検波（搬送波を再生せ
ず、受信機の局部発振部（26）を用いて検波する方式）
時の、搬送周波数と局部発振周波数の差（オフセット周
波数）を補償する。

ｐ番目のブランチ（１≦ｐ≦Ｌ）におけるAFC部（24）
の出力信号y_P（ｔ）は、次式のようになる。

yp（ｔ）＝rp（ｔ）s_I（ｔ）cos（ωｔ＋θｐ（ｔ）） ‐rp（ｔ）s_Q（ｔ）sin（ωｔ＋θｐ（ｔ））（２）但し、 rp（ｔ）:p番目のブランチの振幅変動 θｐ（ｔ）:p番目のブランチの位相変動とする。また、s_I（ｔ）、s_Q（ｔ）は、受信フィルタ部
（12）によって帯域制限された後のベースバンド波形で
ある。

その後、準同期検波部（25）で直交検波を行い、受信複
素ベースバンド信号up（ｔ）を得る。

ｐ番目のブランチの受信複素ベースバンド信号up（ｔ）
は、 up（ｔ）＝up_I（ｔ）＋ｊ・up_Q（ｔ）＝rp（ｔ）exp（ｊ・θｐ（ｔ））（s_I（ｔ）
＋ｊ・s_Q（ｔ））＝cp（ｔ）（s_I（ｔ）＋ｊ・s_Q（ｔ））（３）となる。但し、cp（ｔ）は、ｐ番目のブランチのフェー
ジング歪であり、 cp（ｔ）＝cp_I（ｔ）＋ｊ・cp_Q（ｔ）＝rp（ｔ）exp（ｊ・θｐ（ｔ））（４）である。従って、up（ｔ）には、送信シンボルと共にフ
ェージング歪が含まれることになる。

次に、up（ｔ）（１≦ｐ≦Ｌ）を用いて、クロック再生
部（27）においてクロックを、またフレーム検出部（2
8）においてフレームタイミングを再生する。

クロックタイミングは、複素ベースバンド信号からの他
に、受信波の包絡線から得ることも可能である。

フレームシンボルは、最大振幅を持つ信号点なので、up
（ｔ）には、周期的に最大振幅のものが含まれている。
従ってそのタイミングを検出することにより、フレーム
シンボルのタイミングが検出できる。

また、クロック及びフレームタイミングは、各ブランチ
の受信複素ベースバンド信号up（ｔ）すべてを利用して
再生するほか、任意のブランチを選択し、再生すること
もできる。

伝送路歪推定部（29）では、フレームタイミングにおけ
る受信ベースバンド信号から各ブランチの伝送路歪を推
定する。その方法は次の通りである。

まず、ｑ番目のフレームシンボルの受信タイミングを、
tq＝qNTsとする。ここで、Tsは、１シンボル長である。
その時、ｐ番目のブランチの受信複素ベースバンド信号
up（tq）は、（３）式より up（tq）＝up_I（tq）＋ｊ・up_Q（tq）＝（３＋ｊ・３）cp（tq）（５）となる。従ってｔ＝tqにおけるcp（ｔ）のと求まる。

一方は、cp（ｔ）をNTs（sec）間隔でサンプリングしたこと
に相当する。従って、フレームシンボルの挿入間隔NTs
（sec）をcp（ｔ）のナイキスト間隔以下に設定し、内
挿法を用いることにより、情報シンボルにおけるcp
（ｔ）の推定値を求めることができる。

内挿の方法としては、Newtonの公式、Gaussの公式等い
くつかある。ここで、例として、２次をGaussの補間公
式を用いた方法を述べる。

ｔ＝NTs、2NTs、3NTsをフレームシンボルの受信タイミ
ングとした時のｐ番目のブランチの伝送路歪を、それぞ
れ、cp₁、cp₂、cp₃とする。また、フレームシンボルの
挿入間隔は、cp（ｔ）の帯域で決まるナイキスト間隔よ
り十分小さいとする。

その場合、2NTs≦ｔ≦3NTsにおけるcp（ｔ）は、以下の
ように２次関数で内挿することができる。

伝送路変動がシンボルレートに対して非常に遅いときに
は、フレームシンボルをまず平滑化し、S/Nを向上させ
た後内挿することも可能である。

その後、まず、up（ｔ）にを乗積し、位相ひずみが補償された信号を得る。また、これにより、各ブランチの信号は同相と
なる。

次に、合成部において、次式に従い、vp（ｔ）にを乗積することにより、ダイバーシチ合成された信号ｚ
（ｔ）を得る。

また、合成部では、合成部出力を判定し、復号するため
の判定しきい値Ｈ（ｔ）を計算する。

データ判定方法としては２通り考えられる。

［方式１］を計算し、振幅ひずみを完全に補償した後、しきい値をＨ（ｔ）＝０、±２、±２・ｊ（13）とし、判定する方式。

［方式２］ z₁（ｔ）＝ｚ（ｔ）（14）として、ｚ（ｔ）の振幅ひずみは補償せず、判定しきい
値を、とし、判定する方式。

方式１、方式２は、全く等価な方式であるので、システ
ムに応じて適宜選択すれば良い。

以上の合成及び判定しきい値の計算は、合成部（31）に
おいて行う。

その後、z₁（ｔ）及び判定しきい値Ｈ（ｔ）を復号部
（32）へ転送し、送信シンボルを再生し、そのシンボル
に含まれるＫビットの情報を再生する。

パラレル／シリアル変換部（33）では、再生されたｋビ
ットの情報をシリアル情報に変換し、再生データとして
出力する。

以上の受信部構成において、フェージング歪補償、ダイ
バーシチ合成を行う伝送路歪推定部（29）、位相補償部
（30）、フレーム検出部（28）、合成部（31）は、DSP
（Digital Signal Processor）を用いて構成することが
可能であり、その場合、ハードウェアは非常に簡易とな
る。また、この方式は、他の多値数のQAMへもそのまま
適用できる。

なお、式（10）を、とすると、選択合成法が実現できる。また、とすると、等利得合成が実現できる。この場合も、デー
タ判定法としては、最大比合成法の場合と同様の２種類
の考え方が、適用可能である。

（６）発明の効果本発明を用いると、簡易なハードウェア構成で多値直交
振幅変調方式の最大比合成形ダイバーシチ受信機を構成
することが可能である。

第７図は、本発明を適用した場合の16QAMの誤り率特性
である。但し、最大ドップラー周波数（fd）は80Hzであ
る。また、最大比合成法（Max.Ratio）の他に、選択合
成法（Selection）、等利得合成法（Eq.Gain）、及びダ
ーバーシチを用いない場合の特性（Without Div.）も示
してある。

誤り率（BER:Bit Error Rate）が10^-2の点において比較
すると、選択合成法、等利得合成法、最大比合成法の特
性は、ダイバーシチがない場合と比べて、それぞれ、6d
B、6.9dB、7.5dBの利得があることがわかる。これらの
利得は理論値にほぼ一致している。また、第７図は、fd
＝80Hzの場合の特性であるが、他の値の場合もほぼ同じ
特性となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、選択合成形ダイバーシチ受信機の構成図、第
２図は、最大比合成形ダイバーシチ受信機の構成図、第
３図は、送信時のフレーム構成図、第４図は、16QAMの
信号空間ダイヤグラム、第５図は、送信部の構成図、第
６図は、受信部の構成図、第７図は、本発明を適用した
16QAMの誤り率特性である。１……アンテナ部、２……受信機、３……受信レベル比
較部、４……切換部、５……受信レベル検出部、６……
位相検出部、７……位相調整部、８……利得調整部、９
……合成部、11……シリアル／パラレル変換部、12……
ベースバンド信号生成部、13……フレームシンボル挿入
部、14……送信フィルタ部、15……直交変調部、16……
増幅部、17……アンテナ部、21……アンテナ部、22……
受信フィルタ部、23……AGC部、24……AFC部、25……準
同期検波部、26……局部発振部、27……クロック再生
部、28……フレーム検出部、29……伝送路歪推定部、30
……位相補償部、31……合成部、32……復号部、33……
パラレル／シリアル変換部、34……ブランチユニット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多値直交振幅変調方式で送受信を行うため
の空間ダイバーシチ受信方式において、シリアル／パラレル変換部、ベースバンド信号生成部、
送信フィルタ部、直交変調部、増幅部、アンテナ部を持
つ送信部に、フェージング歪を受信側で測定するための
フレームシンボルを、情報シンボルに挿入するフレーム
シンボル挿入部を付加し、受信部はアンテナ部、受信フィルタ部、AGC部、AFC部、
準同期検波部により、受信ベースバンド信号を検出する
準同期検波形復調部に、フレームタイミングにおける受
信ベースバンド信号からフェージング歪を測定し、測定
されたフェージング歪の時系列を内挿することによっ
て、フェージング歪を推定するフェージング歪推定部
と、フェージング歪推定部において得られる位相歪成分を用
いることによって、フェージングによる位相変動を補償
し、かつ、各ブランチユニット出力の信号を同相にす
る、位相補償部を備えたブランチユニットと、準同期検波のための局部発振部と、受信ベースバンド信号からタイミング信号とフレームタ
イミングを再生する、クロック再生部及びフレーム検出
部と、各ブランチのフェージング歪推定部において得られた振
幅情報をもとに、各ブランチにおいて位相歪が補償され
た信号に重みづけをして合成すると共に、データ判定の
ための判定しきい値情報を生成する合成部と、合成部出力をもとにデータを判定する復号部と、パラレル／シリアル変換部において、復号されたパラレ
ルデータをシリアルデータにするパラレル／シリアル変
換部とを備え、多値直交振幅変調方式においてフェージング歪補償と最
大比合成形空間ダイバーシチ合成を一体化することを特
徴とする、多値直交振幅変調のための空間ダイバーシチ
受信方式。