JP3859538B2 - 伝送状態検出方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)変調方式のディジタル伝送装置における関する。
【0002】
【従来の技術】
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をもった直交周波数分割多重変調方式(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplex)が注目を浴びている。この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n本(nは数十〜数百)の搬送波にディジタル変調を施した伝送方式である。
これは、図7に示すように、多数のディジタル変調波を加算し、I軸、Q軸を直交変調して得られた変調信号を送信する。上記の搬送波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(DQPSK:Differential Quadrature Phase Shift Keying)が最もよく用いられるが、16値直交振幅変調(16QAM:16 Quadrature Amplitude Modulation)や64QAMなどの多値変調方式を用いることも可能である。
また、OFDMシンボルは図8に示すように、有効シンボル(例えば1024サンプル)と、有効シンボルの一部をコピーして巡回的に付加したガードインターバル(例えば128サンプル)から構成される。OFDM方式は、ガードインターバルを付加することにより、ガードインターバル期間内の遅延時間の遅延波(反射波)に対しては、その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している。
【0003】
次に、従来方式による一連の受信処理について説明する。 図9に受信装置の従来構成を示す。 IF/BB変換部1−1では、中間周波数(IF)帯域の受信信号S_IFを、IF帯域の信号からベースバンドの周波数帯域の信号に変換し、OFDMベースバンド信号を得る。A/D変換器1−2では、OFDMベースバンド信号をサンプリングクロックによりサンプリングし、受信サンプル値系列RDを得る。
次に、受信サンプル値系列RDから反射波の有無・混入状態(ゴースト状態)を映像化した遅延プロファイル(図12、図13参照)を算出する方法について説明する。
A/D変換器1−2からのRDは、復調部1−3とガード相関器1−4に入力される。 ガード相関器1−4では、RDと、RDを所定時間遅延した信号との相関演算をサンプル毎に行う。 ガード相関器1−4の出力がガード相関による遅延プロファイルDELAY_PF’である。
ガード相関器1−4の出力である相関値系列は、シンボルタイミング検出器1−5に入力される。 シンボルタイミング検出器1−5では、相関値系列から、シンボル遷移点等の特定の時点をサンプリングクロック単位で検出する。 検出方法は、例えば、相関値系列中の最大値を検出し、最大値位置からガードインターバル位置、即ちシンボル遷移点を検出する。
シンボルタイミング検出器1−5の出力であるシンボル遷移点信号はリセットパルスとしてシンボルカウンタ1−6に入力される。 シンボルカウンタ1−6では、シンボル期間をサンプリングクロック単位でカウントし、受信機全体のシンボル周期タイミングを司る。
【0004】
次にガード相関器1−4の詳細について説明する。 図10にガード相関器1−4の従来構成を示す。A/D変換器1−2の出力RDは相関演算器1−4−2、固定遅延回路1−4−1に入力され、固定遅延回路1−4−1の出力は相関演算器1−4−2に入力される。固定遅延回路1−4−1ではRDを有効シンボル期間分(例えば1024サンプル)だけ遅延する。
相関演算器1−4−2では、受信サンプル系列RD(τ)と、受信サンプル系列RD(τ)を所定時間遅延した信号RD(τ+valid)との相関演算をサンプル毎に行う。ここで、τ:サンプル時点、valid:有効シンボル期間である。
即ち、相関演算は、R(τ)とR(τ+valid)の共役複素数との積である。相関演算器1−4−2の出力は積分器1−4−3に入力され、ガードインターバル期間分の信号を加算積分する。
上記に示した相関演算処理は、次式(1)にて記述される。
C(τ)=|ΣRD(τ+k)×RD(τ+Valid+k)*| ・・・・・ (1)
但し、k=0〜(Guard−1) 、 *は共役複素数
C(τ) :τサンプル時点での相関演算値
RD(τ):τサンプル時点での複素受信信号
Valid :有効データサンプル数
Guard :ガードインターバルサンプル数
【0005】
そして、次のサンプリングクロック時点では、相関演算器1−4−2にて取り出す信号の位置を1サンプルずらして(式(1)においてτを1サンプルずらす)取り込み、同様に相関演算を行う。 この処理をサンプリングクロック毎に取り出す位置をずらしながら相関演算を行い、相関値系列を出力する。 この相関値系列が遅延プロファイルDELAY_PF’である。
マルチパスが存在しない場合の相関値系列は図11のようになる。 つまり、相関演算器1−4−2における相関演算が、ガードインターバル期間の信号を含んでいない場合、遅延しない信号と遅延した信号が無相関であるため、相関結果の値は小さくなり、0に近い値となる。しかし、ガードインターバル期間の信号を含み始めると、相関結果の値は比例的に大きくなり、ガードインターバル期間を正しく含んだときに相関結果の値は最大となる。更に、取り込み位置をずらすと相関結果の値は比例的に小さくなり、相関波形はほぼ三角波となる。
【0006】
次に、図9に示す復調部1−3について説明する。 復調部1−3ではFFT (Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)演算及び復調を行う。このFFT演算では、シンボルカウンタ1−6からのシンボル周期タイミングに基づいて、受信サンプル系列RD上にFFT時間窓を設ける。FFT時間窓は有効シンボル長の期間を有しており、FFT処理のサンプル数と一致する。FFT時間窓は、ガードインターバル期間内のマルチパスの影響を軽減するため、シンボル期間の終了時点に配置するのが望ましい。
ここで、受信信号にガードインターバル期間外のマルチパスが生じて、FFT時間窓が隣り合うシンボルの信号を含んだ位置となった場合、シンボル間干渉が発生してしまう。 OFDM信号によるシンボル間干渉は、ガウス雑音の混入、つまりC/Nの劣化となり、結果的に符号誤り率の劣化が生じてしまう。通常、ガードインターバル期間外のマルチパスであれば、遅延時間が大きいほど、またレベルが大きいほどC/Nの劣化が大きい。
このようにして、受信サンプル系列RDはFFT処理され、時間軸の信号から周波数軸の信号に変換される。 その後、各サブキャリア毎にDQPSKや16QAM等の変調方式に基づいて復調され、復調データDataが出力される。
【0007】
次に、OFDM伝送の使用条件について説明する。
OFDM伝送は、その方式上、移動体伝送等の劣悪な伝送路条件で用いられることが多い。 特に、マルチパス環境下では、送信装置から直接に受信装置まで伝搬される主波と、建物や山等に反射した様々な反射波が、それぞれの遅延時間を伴って伝搬され、受信部ではそれらの合成波が受信されることになる。
また、固定回線においては、一般的に送信部から受信部まで見通しのきく場所で回線設計が行われるため、レベルの大きな主波が安定して存在し、移動体伝送ほど劣悪な伝送路条件になることは少ない。 しかし、同一の周波数で中継伝送するSFN(Single Frequency Network)方式の場合、中継局と中継局の中間地点付近では、それぞれの中継局から伝搬した信号が、伝搬遅延時間差を伴って合成されて受信されることとなる。これらは先に受信部に到達した信号を主波、後に到達した信号を反射波としてみなしたマルチパス環境下であるといえる。
反射波の遅延時間がガードインターバル期間内であれば、FFT時間窓は隣り合うシンボルの信号を含まないため、シンボル間干渉は発生せずC/Nの劣化は生じない。しかし、反射波の遅延時間がガードインターバル期間外となった場合、FFT時間窓は隣り合うシンボルを含み、シンボル間干渉が発生し、C/Nの劣化となる。この時、反射波の遅延時間やレベルが大きいほど、C/Nの劣化も大きくなる。
そのため、ガードインターバル期間外の反射波の遅延時間やレベルを監視することは、OFDM伝送において非常に重要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このようなマルチパス環境下での伝送状態を観測する手段として、前述の遅延プロファイルがある。しかし、従来の技術において、ガードインターバル期間外のマルチパスが存在する時に、ガード相関による遅延プロファイルを観測しようとした場合、相関値出力は受信信号の振幅の2乗に比例したレベルとなるため、おおよそD/U=10dB以上の小さな反射波は相関出力の雑音フロアと同レベル程度となる。そのためレベルの大きな反射波しか表示されず、ガードインターバル期間外のD/U=10dB以上の反射波によるシンボル間干渉が起こっても認識できないという欠点が生じている。
この場合の相関波形の例を図12、図13に示す。この例では、ガードインターバルは128サンプルとした。 図12の例は、主波と、D/U=10dBで遅延時間が150サンプル(ガードインターバル期間外)の反射波が存在する場合である。この時、シンボル間干渉によりC/N=約27dBとなる。 ここで、C/Nにおいて、FFT時間窓に含まれる信号のうち、Cは主波と反射波の同じデータを含むシンボルの信号、Nは反射波による隣り合うシンボル(混入した雑音)の信号である。また、図13は主波と、D/U=5dBで遅延時間が300サンプル(ガードインターバル期間外)の反射波が存在する場合である。この時、シンボル間干渉によりC/N=約14dBとなる。
また、遅延時間の近い複数の反射波による相関波形は1つの三角波形に見え、それらの反射波の状態を分離して観測できないという欠点が生じている。 この場合の一例を図14に示す。図14は、主波と反射波のレベル差が5dB、遅延時間差が30サンプルの2つの反射波が存在する場合の相関波形である。この図からわかるように、2つの反射波があると認識することは困難である。
そこで本発明では、主波と反射波を急峻な相関ピークにより、各波を分離した遅延プロファイルとして算出することにより、反射波の存在をマルチパスD/U=20dB程度まで明確に示すことを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、ガードインターバルを含んだOFDM信号を受信する受信機において、受信サンプル信号から検出したガードインターバル信号を上記受信サンプル信号上で時間をずらしながら相関演算を行い、該相関演算結果から伝送路における伝送状態を検出するようにしたものである。
また、ガードインターバルを含んだOFDM信号を受信する受信機において、受信サンプル信号における任意の所定期間の信号を、該受信サンプル信号上で時間をずらしながら相関演算を行い、該相関演算結果から伝送路における伝送状態を検出するようにしたものである。
また、上記受信サンプル信号から検出したガードインターバル信号の内、反射波を含まない部分のガードインターバル信号を上記受信サンプル信号上で時間をずらしながら相関演算を行い、該相関演算結果から受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を検出するようにしたものである。
また、キャリア同期成立を前提に、相関演算における絶対値演算を単に実数部を取り出すことで、相関演算結果から受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を検出するようにしたものである。
また、検出した受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を映像表示するようにしたものである。
その結果、得られた相関波形は従来のガード相関による相関波形よりも急峻な相関ピークとなる遅延プロファイルであり、ガードインターバル期間外の反射波の観測が可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図1に、本発明の受信装置の構成の一実施例を示し、詳細に説明する。
ここで、図9に示す従来技術との相違点を述べる。 従来構成ではガード相関器1−4の出力を遅延プロファイル出力DELAY_PF’としていたが、本発明では走査相関器1−7Aを設け、走査相関器1−7Aの出力を遅延プロファイル出力DELAY_PFとした点である。
中間周波数(IF)帯域に変換されたS_IFは、IF/BB変換器1−1に接続される。IF/BB変換器1−1の出力はA/D変換器1−2に接続される。A/D変換器1−2の出力RDは復調部1−3、ガード相関器1−4、走査相関器1−7Aに接続される。復調部1−3の出力は復調データDataとして出力される。ガード相関器1−4の出力はシンボルタイミング検出器1−5に接続される。シンボルタイミング検出器1−5の出力はシンボルカウンタ1−6に接続される。シンボルカウンタ1−6の出力は復調部1−3、走査相関器1−7Aに接続される。走査相関器1−7Aの出力が遅延プロファイルDELAY_PFである。
【0011】
従来処理との相違点は、走査相関器1−7Aによる処理が付加された点であり、走査相関器1−7Aの処理について図2で説明する。
図2に、走査相関器1−7Aの構成の一実施例を示す。 A/D変換器1−2の出力RDは、ガード保持回路1−7A−1、信号保持回路1−7A−2に接続される。ガード保持回路1−7A−1、信号保持回路1−7A−2の出力は相関演算器1−7−3に接続される。相関演算器1−7−3の出力は積分器1−7−4に接続される。積分器1−7−4の出力は絶対値器1−7−5に接続される。絶対値器1−7−5の出力はノイズ除去器1−7−6に接続される。ノイズ除去器1−7−6の出力は遅延プロファイルDELAY_PFである。
ここでガード保持回路1−7A−1は、SRAM(Synchronous Random Access Memory)やFIFO(First In First Out)メモリ等の記憶手段を用いて受信サンプル値系列RDからガード期間部分のサンプル信号を記憶する。ガード信号を取り込むタイミングは、シンボルカウンタ1−6からのシンボル同期パルスSSTのタイミングに基づく。また、この信号の取り込み処理はシンボル(SSTタイミング)毎に行う。
【0012】
信号保持回路1−7A−2は、シンボル後半部分のガード期間部分のサンプル信号を少なくとも含む受信サンプル値系列RD(例えば、シンボル後半部分のガード期間部分と、その前後のガード期間部分)を、SRAM等の記憶手段に記憶する。
相関演算器1−7−3では、ガード保持回路1−7A−1の出力であるガード信号と、信号保持回路1−7A−2の出力信号を複素数で相関演算する。これらの信号のサンプル時点を1サンプルずらし相関演算を行い、ガードサンプル数分の演算を行う。
各サンプル時点毎の相関演算結果は積分器1−7−4に入力され、実数成分、虚数成分それぞれガードサンプル数分の相関演算結果を加算積分する。この加算積分結果は、絶対値器1−7−5にて絶対値化を行い、走査ずれ量0時点の相関値を得る。
【0013】
次に、信号保持回路1−7A−2の出力信号を1サンプルずらし、同様にガード保持回路1−7A−1のガード信号と相関演算を行い、積分し、絶対値化して走査ずれ量1時点の相関値を得る。以後、ずれ量を変えながら相関値系列を作成出力する。ここで得られた相関値系列はガード相関器1−4にて得られた相関値系列と区別するために走査相関値系列と定義する。
走査相関値系列はガード信号Gとサンプル値Sの成分が一致したときに相関値が大きくなる。ガード信号Gは有効シンボル長後にほぼ同一の成分となるため、図12に示すように大きな相関値を得る。また、ピーク位置から1サンプルでもずれた場合には、GとSは無相関な信号となり、相関値も小さく、0に近い値となるため、急峻な相関ピークを得ることが出来る。
ガード信号Gとサンプル信号Sとがほぼ同一成分になる時には、GとSの相関値は大きくなる。 しかし、OFDM信号の振幅分布は、ガウス分布に近い分布形態であるため、相関演算で得られた相関値レベルは、シンボル毎にばらついてしまう。
そこで、この相関値をノイズ除去器1−7−6に入力し、ノイズ除去を行う。ノイズ除去器1−7−6では、複数組の走査相関値系列を時間方向に加算して、ノイズ成分を低減した信号を出力する。ノイズを除去することで、ガード信号Gとサンプル信号Sとがほぼ同一成分である時には、相関値平均は平均的に所定のレベルとなる。
【0014】
図3に、他の走査相関器1−7Bの構成を示す。 A/D変換器1−2の出力RDは、信号保持回路1−7B−1、信号保持回路1−7B−2に接続される。信号保持回路1−7B−1、信号保持回路1−7B−2の出力は、相関演算器1−7−3に接続される。
相関演算器1−7−3以降の構成は、図2に示す走査相関器1−7Aと同様である。
図2に示した走査相関器1−7Aでは、ガードインターバル部分を用いたが、図3に示す走査相関器1−7Bでは、ガードインターバル部分に限らず受信サンプル値系列RDの任意の部分を用いることが可能である。つまりガードインターバル部分を検出する必要がなく、その回路を省略することができる。
信号保持回路1−7B−1,1−7B−2は、同時に、RDの任意の所定期間分の信号を、SRAM等の記憶手段に記憶する。 相関演算器1−7−3では、信号保持回路1−7B−1,1−7B−2の出力を複素数で相関演算する。
これ以降の処理は、図2で説明した動作と同様である。ノイズを除去後、信号保持回路1−7B−1,1−7B−2から読み出された信号が、ほぼ同一成分である時には、相関値平均は平均的に所定のレベルとなる。
【0015】
図4に、図2、図3に示す構成を用いた本発明の走査相関値系列による相関波形DELAY_PFの一例を示す。この場合、受信信号は主波と複数の反射波を含んでいる。各反射波のD/Uと遅延時間は、反射波▲1▼がD/U=5dBで遅延時間30サンプル、反射波▲2▼がD/U=15dBで遅延時間80サンプル、反射波▲3▼がD/U=20dBで遅延時間165サンプルであり、遅延時間が大きくなるにつれ指数的にD/Uが小さくなるような反射波である。図11に示した従来のガード相関波形と比べて、急峻な相関ピークが出力されていることがわかる。また、D/U=20dBの反射波もはっきりと認識できる。
図5に、他の走査相関器1−7Cの構成の一例を示す。 A/D変換器1−2の出力RDはガード保持回路1−7C−1、信号保持回路1−7C−2、マルチパス検出器1−7C−7に接続される。マルチパス検出器1−7C−7の出力はガード保持回路1−7C−1に接続される。 相関演算器1−7−3以降の接続は図2に示す走査相関器1−7Aと同様である。
【0016】
図2の構成では、主波の他にガードインターバル期間内の反射波が1波以上、且つ、反射波の合計が2波以上存在する時、反射波の遅延時間・レベルによっては相関結果において存在しないはずの反射波位置に相関ピークが出力される場合がある。 これは、図2におけるガード保持器1−7A−1に記憶されたガード信号と、信号保持器1−7A−2に記憶されたサンプル信号の反射波成分同士が一致することによる相関ピークである。 実際に存在する反射波の位置に、相関ピークが出力されるのは、主波成分と反射波成分が一致する時である。
そこで、このような状況が存在する場合は、図5に示す構成を用いることで存在しないはずの反射波位置には相関ピークは出力されない。
図2に示した走査相関器A1−7Aでは、ガード保持回路1−7A−1は、受信サンプル値系列RDからガード期間分を記憶するのに対し、図5に示す走査相関器1−7Cでは、ガード保持回路1−7C−1はガード期間の一部のみを記憶すれば良い。但し、反射波成分を含まない部分を記憶する必要がある。
そのため、マルチパス検出器1−7C−7において、ガード期間内に存在する反射波の内、遅延時間が最も小さいものを検出する。その遅延時間情報を用いてガード期間内の反射波が存在しないタイミングを出力し、ガード保持回路1−7C−1はそのタイミングに基づいて、RDから反射波が存在しないガード期間の一部のサンプル信号のみを記憶する。
信号保持回路1−7C−2は、シンボル後半部分のガード期間部分の、ガード保持回路1−7C−1に記憶された部分と同成分のサンプル信号を少なくとも含むRDを、SRAM等の記憶手段に記憶する。
相関演算器1−7−3以降の処理は図2で説明した動作と同様である。但し、図2の構成に比べ相関演算に用いるサンプル数が少ないためS/Nが劣化する。そのため、ノイズ除去器1−7−6では、相関値に対しシンボル方向により多くフィルタリングを行い、ノイズ成分を除去した信号を出力する。 したがって、ノイズを除去後、信号保持回路1−7C−1から読み出された信号が、ほぼ同一成分である時には、相関値平均は平均的にある所定のレベルとなる。
【0017】
図6に、他の走査相関器1−7Dの構成の一例を示す。 図2との相違点は、図2の絶対値器1−7−5を実数部取り出し器1−7−5’とした点である。
図2に示した走査相関器1−7Aでは積分器1−7−4の出力を絶対値器1−7−5において絶対値化したが、図6の構成では実数部取り出し器1−7−5’とすることで、より簡単なハード構成にすることができる。
但し、図1に示す受信装置1のIF/BB変換器1−1において、中間周波数(IF)帯域の受信信号S_IFを、IF帯域の信号からベースバンドの周波数帯域の信号に変換する際の周波数誤差がないことが前提となる。
【0018】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガードインターバル期間外のマルチパスを観測可能なディジタル伝送装置を実現でき、より正確な遅延プロファイルにより、マルチパスの状態を観測できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の受信装置の一実施例の構成を示すブロック図
【図2】本発明の走査相関器1−7Aの構成を示すブロック図
【図3】本発明の走査相関器1−7Bの他の構成を示すブロック図
【図4】本発明の走査相関器1−7Aの相関結果DELAY_PFの一例を示す図
【図5】本発明の走査相関器1−7Cの他の構成を示すブロック図
【図6】本発明の走査相関器1−7Dの他の構成を示すブロック図
【図7】OFDM変調信号を示す波形図
【図8】OFDM信号のシンボル波形図
【図9】従来の受信装置の構成を示すブロック図
【図10】従来のガード相関器1−4の構成を示すブロック図
【図11】従来のガード相関器1−4の相関結果DELAY_PF’の一例を示す図
【図12】従来のガード相関器1−4の相関結果DELAY_PF’の他例を示す図
【図13】従来のガード相関器1−4の相関結果DELAY_PF’の他例を示す図
【図14】従来のガード相関器1−4の相関結果DELAY_PF’の他例を示す図
【符号の説明】
1:受信装置、1−1:IF/BB変換器、1−2:A/D変換器、1−3:復調部、1−4:ガード相関器、1−5:シンボルタイミング検出器、1−6:シンボルカウンタ、1−7A,1−7B,1−7C:走査相関器、1−7A−1,1―7C−1:ガード保持回路、1−7A−2,1−7B−1,1−7B−2,1−7C−2:信号保持回路、1−7−3:相関演算器、1−7−4:積分器、1−7−5:絶対値器、1−7−5’:実数取り出し部、1−7−6:ノイズ除去器、1−7C−7:マルチパス検出器。
Claims (4)
- ガードインターバルを含んだOFDM信号を受信する受信機において、シンボルタイミングに基づき、受信サンプル信号から少なくともガードインターバル信号を含む所定期間の信号をシンボル毎に検出し、該検出した所定期間の信号を上記受信サンプル信号上で時間をずらしながら上記受信サンプル信号と相関演算を行い、該相関演算結果から受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を検出することを特徴とする伝送状態検出方法。
- ガードインターバルを含んだOFDM信号を受信する受信機において、シンボルタイミングに基づき、受信サンプル信号における所定期間の信号をシンボル毎に検出し、該検出した所定期間の信号を上記受信サンプル信号上で時間をずらしながら上記受信サンプル信号と相関演算を行い、該相関演算結果から受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を検出することを特徴とする伝送状態検出方法。
- 請求項1乃至2において、上記相関演算出力を絶対値化し、時間方向に加算してノイズ成分を低減することで、絶対値化、ノイズ成分低減された相関演算結果から受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を検出し、検出した受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を映像表示することを特徴とする伝送状態検出方法。
- 請求項1乃至3において、キャリア同期成立を前提に、相関演算における絶対値演算に替えて実数成分を取り出す処理とし、該得られた相関演算結果から受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を検出し、検出した受信サンプル信号上の主波及び反射波位置を映像表示することを特徴とする伝送状態検出方法。
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