JP5173490B2

JP5173490B2 - 感度劣化推定システム及び感度劣化推定方法

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Publication number: JP5173490B2
Application number: JP2008047893A
Authority: JP
Inventors: 薫後藤; 泰松本; 智風間; 洋蔦ヶ谷
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: JP2009206904A

Description

本発明は、無線又は有線の受信機能或いは通信機能を有する電子機器において、電子機器全体又は電子機器を構成する一部の機器から放射される電磁雑音、或いは電子機器の設置環境において観測される電磁雑音により劣化する受信感度を推定する装置及び方法に関する。本発明は特に、直交周波数多重分割を用いて変調された高周波信号に代表されるマルチキャリア信号を取り扱う電子機器を対象とする。

例えばテレビ受像器や無線又は有線ＬＡＮ装置などの電子機器の開発設計の段階においては、電子機器自体から放射される電磁雑音や電子機器の設置環境において観測される電磁雑音により劣化する電子機器の受信感度を評価することが重要である。このような感度劣化を評価する基本的方法としては、（１）受信を希望する希望信号源、（２）電子機器、（３）電磁雑音源を用意し、希望信号に雑音を重畳して電子機器に入力し、該電子機器において正常な受信ができているかを確認することが一般的である。

ところで、電子機器は単体で実装される場合だけでなく、複数のメーカによって開発製造される場合も多い。このような場合、電子機器のうち受信部の開発段階から最終的な実装状態での受信感度を評価することは困難であった。

このような問題を解決するためには、電磁雑音源からの雑音から受診感度がどの程度劣化するかを推定できると好適である。このような推定技術に類似する技術としては、例えば非特許文献１乃至３に記載されているように、電磁雑音によるビット誤り率（ＢＥＲ：Bit Error Rate）を推定する方法が知られている。この推定方法では電磁雑音の振幅確率分布を測定し、該振幅確率分布に基づきＢＥＲを推定している。なお、振幅確率分布の測定装置としては例えば特許文献１に記載されたものが知られている。
特許第３１５６１５２号公報 K. Wiklundh, "Relation between the amplitude probability distribution of an interfering signal and its impact on digital radio receivers", IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, Vol.48, No.3, pp.537-544, Aug. 2006 Y.Matsumoto, "On the Relation Between the Amplitude Probability Distribution of a Noise and Bit Error Probability", IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, Vol.49, No.4, pp.940-941, Nov. 2007 堀，他３名，"デジタル無線通信機器における内部干渉雑音の評価法"，エレクトロニクス実装学会講演大会，２００６

しかし、実際の開発現場においてはＢＥＲも評価値として参考になるものの、むしろＢＥＲよりも基準値に対する受信感度の劣化度合を測定したいという要望があり上記推定技術では該要望を満たすには至らなかった。また、上記推定技術は単一の周波数帯域に搬送波が分布するシングルキャリア方式においてのみ適用可能な技術である。一方で近年、電波の効率的利用や通信の安定性の観点から通信方式として複数の分割された周波数帯域（以下、サブチャネルと称する。）の搬送波を用いるマルチキャリア方式が普及してきている。そしてマルチキャリア方式の電子機器において受信感度の劣化度合を得たいという要望があった。なお、マルチキャリア方式を実現する代表的な技術としては、ＩＳＤＢ−Ｔ（Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial）方式デジタルテレビやＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ規格の無線ＬＡＮなどで採用されているＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数多重分割）が挙げられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、マルチキャリア方式の電子機器における受信感度の劣化を推定する装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る感度劣化推定システムは、（１）被評価通信機器から放射される電磁雑音により該被評価通信機器の受信部における受信感度の劣化度合を算出する感度劣化推定システムであって、電磁雑音に係る入力信号を中間周波数に変換する周波数変換手段と、周波数変換手段の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、マルチキャリア信号に対応する複数のサブチャネルについてＡ／Ｄ変換手段の出力信号をそれぞれ各サブチャネルのみ濾波する互いに並列に設けられた複数の濾波手段と、各濾波手段ごとに設けられそれぞれ濾波手段の出力信号の包絡線検波を行う複数の包絡線検波手段と、各包絡線検波手段ごとに設けられそれぞれ包絡線検波手段の出力信号の振幅確率分布を測定する複数の振幅確率分布測定手段と、各振幅確率分布測定手段で測定された振幅確率分布に基づき全サブチャネルに亘るビット誤り率（ＢＥＲ）を算出するＢＥＲ算出手段と、ＢＥＲ算出手段で算出したＢＥＲに基づき基準感度に対する相対的な感度の劣化度合を算出する感度劣化算出手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、マルチキャリア信号において使用される各サブチャネルごとに振幅確率分布が測定され、さらに各振幅確率分布に基づき全サブチャネルに亘るＢＥＲが算出され、該ＢＥＲに基づき基準感度に対する相対的な感度の劣化度合が算出される。

本発明の好適な態様の一例としては、（２）前記ＢＥＲ算出手段は各振幅確率分布測定手段で測定された振幅確率分布から算出したＢＥＲの算術平均値を全サブチャネルに亘る誤り訂正前のＢＥＲとして算出した後に、該誤り訂正前のＢＥＲに対して定常ガウス雑音など適当な雑音モデルによるＢＥＲ低減量を用いた近似した値を誤り訂正後のＢＥＲとして算出することを特徴とするものを提案する。本発明によれば、受信感度に直接対応する誤り訂正処理後のＢＥＲを用いて受信感度の劣化度合を算出するので、より実際に近い値を得ることができる。

また、本発明の好適な態様の一例としては、（３）前記濾波手段におけるサブチャネルの数及び帯域値、並びに、サブチャネルの数に対応した包絡線検波手段の数及び振幅確率分布測定手段の数を、評価対象となるマルチキャリア信号の構造に合わせて変更する設定値変更手段を備えたものを提案する。さらに、（４）前記ＢＥＲ算出手段及び感度劣化算出手段における設定値を変更する設定値変更手段を備えたものを提案する。本発明によれば、対象となるマルチキャリア信号の種々の規格に応じた適切な推定が可能となる。

また、本発明に係る感度劣化推定方法の一例は、（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の感度劣化推定システムを用い、サブチャネルの周波数及び帯域幅を、受信感度の劣化度合を評価する被評価通信機器のサブチャネルの周波数及び帯域幅と同一にすることにより受信感度の劣化度合あるいはＢＥＲを推定することを特徴とする。

また、本発明に係る感度劣化推定方法の他の例は、（６）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の感度劣化推定システムを用い、プローブもしくはアンテナで受信した電磁雑音を評価することを特徴とする。

また、本発明に係る感度劣化推定方法の他の例は、（７）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の感度劣化推定システムを用い、受信感度の劣化度合を評価する被評価通信機器自身から発生される電磁雑音を、前記被評価通信機器にその無線通信のために取り付けられたアンテナで受信し、評価することを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、マルチキャリア信号において使用される各サブチャネルごとに振幅確率分布が測定され、さらに各振幅確率分布に基づき全サブチャネルに亘るＢＥＲが算出され、該ＢＥＲに基づき基準感度に対する相対的な感度の劣化度合が算出される。したがって、マルチキャリア信号の受信装置が実装される各種電子機器の開発設計の際に有用である。

本発明の一実施の形態に係る感度劣化推定システムについて図面を参照して説明する。図１は感度劣化推定システムの一例の構成図である。図２は感度劣化推定システムの他の例の構成図である。

本実施の形態に係る感度劣化システムは、図１に示すように、電磁雑音の発生源である電子機器１を、外部からの電磁波の侵入を遮断するシールドボックス２内で動作させる。この電子機器１は、例えば単体のデジタルテレビの受像装置やデジタルテレビのチューナ装置本体などのマルチキャリア信号の受信部を備えた装置、或いは、例えばデジタルテレビのチューナ装置を接続して用いるコンピュータや携帯端末などのマルチキャリア信号の受信部と協働して動作する装置である。本発明に係る感度劣化推定システムは、これらの電子機器が自身の動作により放射する電磁雑音が、マルチキャリア信号の受信部における受信感度の劣化度合を算出するものである。

シールドボックス２内には電子機器１から放射される電磁雑音を検出するプローブ３が配置されている。プローブ３としては例えばダイポールアンテナが挙げられる。また、図２に示すように、電子機器１に実装される無線受信機自体のアンテナ１ｂを、電磁雑音を受信するためのアンテナとして用いることも有効である。

プローブ３により検出された電磁雑音は、スペクトラムアナライザ１００に入力される。本実施の形態においてスペクトラムアナライザ１００は、単に、感度劣化の評価対象である無線信号と同一周波数帯の電磁雑音を選択して所定の中間周波数（ＩＦ：Intermediate Frequency）に周波数変換する手段としてのみ使用するものとし、他の機能については利用しない。スペクトラムアナライザ１００は、図１に示すように、周波数混合型の周波数変換部１１０、具体的には発振器１１１及び混合器１１２とを備えている。さらにスペクトラムアナライザ１００は、中間周波数帯域の信号のみを通過させるＩＦフィルタ１２０を備えている。

スペクトラムアナライザ１００により中間周波数にダウンコンバートされた電磁雑音は、振幅確率分布測定装置２００に入力される。振幅確率分布測定装置２００は、図１に示すように、入力信号をアナログ−デジタル変換するＡ／Ｄ変換部２１０と、Ａ／Ｄ変換された入力信号に対するデジタルフィルタ２２０と、フィルタリングされた信号に対して包絡線検波処理を行う包絡線検波部２３０と、包絡線信号から振幅確率分布を測定する振幅確率分布測定部２４０とを備えている。ここで、デジタルフィルタ２２０・包絡線検波部２３０・振幅確率分布測定部２４０は、マルチキャリア信号の各サブキャリア数Ｋだけ並列に設けられている。また、デジタルフィルタ２２０は、マルチキャリア信号の各サブキャリア帯域のみを通過させるよう設定されている。

振幅確率分布測定装置２００における各サブチャネルごとの振幅確率分布の測定結果は、コンピュータ３００に入力される。コンピュータ３００は、図１に示すように、振幅確率分布測定装置２００から入力された各サブチャネルごとの振幅確率分布からビット誤り率（ＢＥＲ）を算出するＢＥＲ算出部３１０と、ＢＥＲ算出部３１０で算出されたＢＥＲに基づき受信感度の劣化度合を算出する感度劣化算出部３２０と、感度劣化算出部３２０で算出された劣化度合を表示出力する表示部３３０と、各種データを記憶する記憶部３４０と、前記ＢＥＲ算出部３１０及び感度劣化算出部３２０並びに前記振幅確率分布測定装置２００の動作を制御する制御部３５０とを備えている。

記憶部３４０は、振幅確率分布測定装置２００から受信した各データ、ＢＥＲ算出部３１０で算出した各データ、感度劣化算出部３２０で算出した各データを記憶するほか、振幅確率分布測定装置２００・ＢＥＲ算出部３１０・感度劣化算出部３２０で使用される各種パラメータを記憶する。記憶部３４０に記憶されている各種パラメータは予め設定しておくほか、測定対象の変更など必要に応じて評価者により変更される。

制御部３５０は、記憶部３４０に記憶されている各種パラメータに基づき、振幅確率分布測定装置２００・ＢＥＲ算出部３１０・感度劣化算出部３２０の動作を制御する。具体的には、マルチキャリア信号の規格・仕様等に応じて、振幅確率分布測定装置２００において並列に設けられているデジタルフィルタ２２０・包絡線検波部２３０・振幅確率分布測定部２４０のセット数、及び、周波数帯域を設定する。また、ＢＥＲ算出部３１０・感度劣化算出部３２０に対してマルチキャリア信号の規格・仕様に関する各種パラメータを提供する。

次にＢＥＲ算出部３１０の動作について説明する。まず図３を参照して、本発明で想定している被干渉無線システムにおける受信機の機能構成について説明する。なお、被干渉無線システムにおける受信機とは、上述したように電磁雑音源である電子機器１自身である場合の他、電子機器１と協働して動作する電子機器の場合もある。受信機１０は、例えば図３に示すように周波数変換部１１、Ａ／Ｄ変換部１２、高速フーリエ変換部１３、周波数及び時間デインタリーブ部１４、デマッパー部１５、ビットインタリーブ部１６、ビタビデコーダ部１７、バイトインタリーブ部１８、ＲＳデコーダ部１９を備えている。ＢＥＲ算出部３１０は、まず誤り訂正前のビット誤り率Ｐ_(dec#in)を算出し、次いでＰ_(dec#in)から誤り訂正後のビット誤り率Ｐ_(dec#out)を算出する。各ビット誤り率Ｐ_(dec#in)及びＰ_(dec#out)の想定している信号位置は図３を参照されたい。

前記振幅確率分布測定装置２００の振幅確率分布測定部２４０において得られた各サブキャリアごとの確率振幅分布ＡＰＤ（ｘ）は、ｘの累積分布Ｆ（ｘ）の補関数として次式（１）で表される。

すなわち振幅確率分布は変数がある閾値を超える確率（＝超過確率）の分布を意味する。特に時系列雑音測定における振幅確率分布は、測定された信号レベルがある有る閾値を超える時間の総和と全測定時間の比によって得られる。ＢＥＲ算出部３１０は、次式（２）を用いて誤り訂正前のビット誤り率Ｐ_(dec#in)の近似値を算出する。

ここで、各パラメータは、
ＡＰＤｋ（ｘ）：ｋ番目のサブキャリアの振幅確率分布
Ｋ：サブキャリア数（情報伝送に使用されているサブキャリア数）
Ａ_k：ｋ番目のサブキャリアの実効値振幅
ｍ_k：ｋ番目のサブキャリアの１シンボルあたりに送信されるビット数
β_k：ｋ番目のサブキャリアにおける正規化最小シンボル間距離の１／２
と定義される。

なお、前記式（２）における仮定事項は、
１）被干渉無線通信システムにおける復調は同期検波により、かつ、復調器は完全同期の状態にある
２）振幅確率分布測定装置２００の内部雑音電力密度は被干渉無線通信システムの受信機のそれと等しい
３）振幅確率分布測定装置２００の測定周波数は被干渉無線通信システムにおける各サブキャリア周波数に等しい
４）振幅確率分布測定装置２００の測定帯域幅は被干渉無線通信システムにおける整合フィルタ帯域幅（サブチャネル帯域幅）に等しい
となっている。なお、上記式（２）は各サブキャリアにおけるビット誤り率の算術平均であると考えられる。

次いで、ＢＥＲ算出部３１０は、次式（３）に示すように、訂正前のビット誤り率Ｐ_(dec#in)に対して関数ｆを適用し、誤り訂正後のビット誤り率Ｐ_(dec#out)を算出する。なお、図４にＢＥＲ算出部３１０により算出された訂正前のビット誤り率Ｐ_(dec#in)及び誤り訂正後のビット誤り率Ｐ_(dec#out)のグラフの一例を示す。横軸はビットあたりの信号レベル、縦軸はビット誤り率である。

ここで関数ｆは受信機に入力される雑音の性質に依存するが、適当な雑音モデルを仮定して近似値を求める。例えば代表的な例としては、定常ガウス雑音に対するＢＥＲ低減量を算出する近似式は各種誤り訂正方式に対してよく知られている。あるいは、下記文献では受信機ガウス雑音に重畳した周期性干渉雑音に対するＢＥＲの推定例が報告されている。K. Gotoh, Y. Matsumoto, and S. Ishigami, "Performance evaluation of multicarrier wireless systems affected by a disturbance using amplitude probability distribution", in Proc. EMC Europe Workshop, Paris, June, 2007。

感度劣化算出部３２０は、ＢＥＲ算出部３１０により算出された誤り訂正後のビット誤り率Ｐ_(dec#out)に基づき、被干渉無線システムの受信機における受信感度の劣化度合を算出する。具体的には、図５に示すように、電磁干渉の無い、すなわち受信機熱雑音のみの状態における被干渉無線システムの受信機におけるビット誤り率Ｐ₀を予め測定又は計算により求めておき、さらに該ビット誤り率Ｐ₀から該受信機における最小受信レベルＥ_minの時のビット誤り率Ｐ_minを求めておきそれぞれ記憶部３４０に予め記憶しておく。ここで、最小受信レベルＥ_minとは、適切な受信データが得られるために必要な受信レベルの最小値を意味し、例えばデジタルテレビであれば動画像復調に必要な受信レベルである。感度劣化算出部３２０は、図５に示すように、ＢＥＲ算出部３１０により算出された誤り訂正後のビット誤り率Ｐ_(dec#out)において、前記ビット誤り率Ｐ_minに対応する受信レベルＥ_xを求め、該受信レベルＥ_xと前記最小受信レベルＥ_minとの差を受信感度の劣化度合として算出する。なお、受信感度の劣化度合の単位は、受信レベルＥ_xや最小受信レベルＥ_minと同じであり、［ｄＢ］を用いると好適である。

表示部３３０は、感度劣化算出部３２０で算出された劣化度合を例えば「感度劣化は３ｄＢです。」などのように評価者が直感的に理解できるような形式で表示出力する。また、表示部３３０は、必要に応じて図４及び図５に示すグラフや該グラフに係る数値、また振幅確率分布測定装置２００の出力結果及びそれをグラフ化したもの等を表示するようにすると好適である。

このように本実施の形態に係る受信感度劣化推定システムによれば、基準感度に対する相対的な感度の劣化度合が算出・表示されるので、各種電子機器の開発設計の際に有用である。また、本実施の形態に係る受信感度劣化推定システムでは、記憶部３４０に記憶されているマルチキャリア信号に関する各種パラメータを更新することにより、種々のマルチキャリア信号に容易に対応できる。特に、本実施の形態では、サブキャリア数・サブキャリア周波数帯域に応じて、振幅確率分布測定装置２００において並列に設けられているデジタルフィルタ２２０・包絡線検波部２３０・振幅確率分布測定部２４０のセット数、及び、周波数帯域を設定可能なので、利便性の高いものとなる。

以上本発明の一実施の形態について詳述したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、電子機器１からの電磁雑音を検出するためにプローブ３を設けたが、図２に示すように、電子機器１がアンテナを備えている場合にはこれを利用するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、受信感度劣化推定システムを構築するために、スペクトラムアナライザ１００・振幅確率分布測定装置２００・コンピュータ３００という３つの装置に各種機能部を分散させて実装していたが、これらの実装形態は不問である。例えば、振幅確率分布測定装置２００に、スペクトラムアナライザ１００内の周波数変換部１１０及びＩＦフィルタ１２０を実装するようにしてもよい。

本発明は伝送媒体においてマルチキャリア信号を用いた放送／通信の分野において利用可能であり、その伝送媒体は無線・有線は問わない。デジタルテレビの単体受像器、コンピュータや携帯ゲーム端末、カーナビゲーション機器などに装着して用いられるデジタルテレビの受像器、無線ＬＡＮ装置、電力線通信装置などにおける受信感度の劣化度合を推定するのに好適である。この受信感度の劣化度合を基に、通信機器に影響を及ぼす雑音の大きさを評価することができる。

感度劣化推定システムの一例を示す構成図。感度劣化推定システムの他の例を示す構成図。被干渉無線システムにおける受信機の機能構成図誤り訂正前後におけるビット誤り率のグラフ受信感度の劣化度合を算出する原理を説明するグラフ

符号の説明

１…電子機器、２…シールドボックス、３…プローブ、１００…スペクトラムアナライザ、１１０…周波数変換部、１２０…ＩＦフィルタ、２００…振幅確率分布測定装置、２１０…Ａ／Ｄ変換部、２２０…デジタルフィルタ、２３０…包絡線検波部、２４０…振幅確率分布測定部、３００…コンピュータ、３１０…ＢＥＲ算出部、３２０…感度劣化算出部、３３０…表示部、３４０…記憶部、３５０…制御部

Claims

被評価通信機器から放射される電磁雑音により該被評価通信機器の受信部における受信感度の劣化度合を算出する感度劣化推定システムであって、
電磁雑音に係る入力信号を中間周波数に変換する周波数変換手段と、
周波数変換手段の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
複数の分割された周波数帯域（以下、「サブチャネル」と称する。）についてＡ／Ｄ変換手段の出力信号をそれぞれ各サブチャネルのみ濾波する互いに並列に設けられた複数の濾波手段と、
各濾波手段ごとに設けられそれぞれ濾波手段の出力信号の包絡線検波を行う複数の包絡線検波手段と、
各包絡線検波手段ごとに設けられそれぞれ包絡線検波手段の出力信号の振幅確率分布を測定する複数の振幅確率分布測定手段と、
各振幅確率分布測定手段で測定された振幅確率分布に基づき全サブチャネルに亘るビット誤り率（ＢＥＲ）を算出するＢＥＲ算出手段と、
ＢＥＲ算出手段で算出したＢＥＲに基づき基準感度に対する相対的な感度の劣化度合を算出する感度劣化算出手段とを備えた
ことを特徴とする感度劣化推定システム。
前記ＢＥＲ算出手段は各振幅確率分布測定手段で測定された振幅確率分布から算出したＢＥＲの算術平均値を全サブチャネルに亘る誤り訂正前のＢＥＲとして算出した後に、該誤り訂正前のＢＥＲに対して適当な雑音モデルを仮定したＢＥＲ低減量を用いた近似により誤り訂正後のＢＥＲを算出する
ことを特徴とする請求項１記載の感度劣化推定システム。
前記濾波手段におけるサブチャネルの数及び帯域値、並びに、サブチャネルの数に対応した包絡線検波手段の数及び振幅確率分布測定手段の数を変更する設定値変更手段を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の感度劣化推定システム。
前記ＢＥＲ算出手段及び感度劣化算出手段における設定値を変更する設定値変更手段を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の感度劣化推定システム。
請求項１〜４のいずれかに記載の感度劣化推定システムを用い、サブチャネルの周波数及び帯域幅を、受信感度の劣化度合を評価する被評価通信機器のサブチャネルの周波数及び帯域幅と同一にすることにより受信感度の劣化度合あるいはＢＥＲを推定する
ことを特徴とする感度劣化推定方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の感度劣化推定システムを用い、プローブもしくはアンテナで受信した電磁雑音を評価する
ことを特徴とする感度劣化推定方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の感度劣化推定システムを用い、受信感度の劣化度合を評価する被評価通信機器自身から発生される電磁雑音を、前記被評価通信機器にその無線通信のために取り付けられたアンテナで受信し、評価する
ことを特徴とする感度劣化推定方法。