JP5564363B2 - 偏波mimo−ofdm伝送方式の送信装置及び受信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、送信装置側においてOFDM信号を複数の送信アンテナから無線伝送し、受信装置で1本または複数本の受信アンテナを用いて受信する偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置に関するものである。
近年では、低遅延で高画質かつ機動性に優れるスタジオ用のハイビジョンワイヤレスカメラの要望が高まっている。このワイヤレス化により、多様な撮影方法が可能になる点、安全性が向上する点、番組セットの制約が少なくなる点などの効果が期待されている。例えば、スポーツ中継や音楽番組、ドラマ撮影などの撮影現場において、ワイヤレスカメラに対する需要は大きい。従来のケーブル接続のカメラと比較して、ワイヤレスカメラはカメラワークの向上だけでなく、設営準備の簡素化、撮影者自身を含む出演者や観客に対する安全性の向上など様々な効果を生み出すことができる。
そこで、ハイビジョンテレビ信号を低遅延かつ高い回線信頼性で無線伝送するワイヤレスカメラの実現を目的とした新しい無線伝送システムの開発が注目されており、複数の送受信アンテナを用いて同一周波数上で複数のOFDM信号の伝送を行う「MIMO(Multiple Input Multiple Output)−OFDM伝送方式」を用いることが検討されている。例えば、ミリ波の電波とMIMO―OFDM伝送技術を用いることで、様々なセットが配置されて厳しい電波伝搬環境のスタジオ内でも、映像の伝送が途切れないように、また複数台のカメラを同時に使用できるようにするために、スタジオ内を自由に動き回って撮影できる「ミリ波モバイルカメラ」の開発が注目されている。このMIMO−OFDM伝送方式は、同一周波数上に複数のOFDM信号を送信することにより空間分割多重伝送を実現し、伝送速度を送信アンテナ数倍に拡大すること、伝送品質の向上およびダイバーシィティ効果による所要CNRの向上を可能とする。
一方で、このMIMO−OFDM伝送方式は、同一周波数上で多重したOFDM信号を分離・復調するために、各送受信アンテナ間の伝搬路情報の相違性を利用する。そのため、屋外見通し環境などの反射波が少なく伝搬路同士の相関性が高い場合には、多重されたOFDM信号の分離・復調が難しくなるという問題がある。
そのため、見通し環境では、伝搬路同士の相関性を抑制するために偏波の異なる送受信アンテナを用いることで各伝搬路応答の相関性を抑え、復調性能を向上させることが広く検討されている。
例えば、図1に示すように、2本の送信アンテナ101−1,101−2を持つ1系統の送信装置10と2本の受信アンテナ201−1,201−2を持つ受信装置20との間でMIMO−OFDM伝送を行うワイヤレスカメラシステムが考えられる。伝送するOFDM信号形式は、ARIB STD−B43に従うOFDM信号を用いることができる。
このようなワイヤレスカメラシステムでは、2本の送信アンテナ101−1,101−2を持つ送信装置10の2本の受信アンテナ201−1,201−2を持つ受信装置20との間でMIMO−OFDM伝送を行う。また図1では、送信アンテナをjとし、受信アンテナをiとしたときの、送信アンテナjと受信アンテナiとの間の伝搬路応答をhijで示している。例えば、2本の送信アンテナ101−1,101−2と2本の受信アンテナ201−1,201−2との間では、伝搬路応答の相関が高い場合ということは、この各伝搬路応答(h11, h21, h12, h22)同士の相関が高いことを意味する。この場合の送信装置10は、自由に移動することができる移動端末とすることができ、2本の送信アンテナ101−1,101−2からは同一周波数で異なるOFDM信号が送信される。尚、同一周波数で送信装置10から送信されるOFDM信号にはパイロット信号がふくまれており、受信装置20は、受信装置20の受信部において混信状態で受信されるパイロット信号から各伝搬路を経由した伝搬路特性を抽出することができる(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−124125号公報
反射波の少ない見通し環境では、各送受信アンテナ間の伝搬路応答の相関性が高い。各伝搬路応答の相関性が高くなると、MIMO−OFDM伝送の伝送特性が大幅に劣化する。そのため、反射波の少ない見通し環境でMIMO−OFDM伝送を実現するためには、この各伝搬路間の伝搬路応答の相関性を低く抑える必要があり、送信アンテナ及び受信アンテナに直交偏波などを割り当てることで相関性を抑制する方法が広く知られている。しかし、異なる偏波を各OFDM信号に割り当てることで伝搬路応答間の相関性は抑制されるが、異なる偏波が割り当てられた送信アンテナ及び受信アンテナ間ではOFDM信号の受信電力が大幅に削減されて受信ダイバーシティ効果の減少につながり、MIMO−OFDM伝送特性が劣化する問題がある。
また、反射波の多い見通し外環境では、送信アンテナ及び受信アンテナ間の各伝搬路応答の相関性は自然に低い値をとり、この環境下で偏波を用いたMIMO−OFDM伝送を行うと、偏波の異なる送信アンテナ及び受信アンテナ間のOFDM信号伝送の受信電力が大幅に低下し、受信ダイバーシティ効果の減少につながる問題がある。
そこで、本発明の目的は、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを用いたMIMO−OFDM伝送方式にて、見通し環境などで直交偏波など異なる偏波を複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナの各々に割り当ててMIMO−OFDM伝送を行う際に、受信側で測定した交差偏波電力比を、送信側及び/又は受信側の各アンテナの交差偏波特性の調整に用いることで、各伝搬路の相関性を効率的に抑制するとともに、偏波を用いることにより発生する受信ダイバーシティ効果の減少を抑制し、MIMO−OFDM伝送特性の改善を行う、偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を提供することにある。
本発明に係る偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置は、受信装置側で交差偏波電力比(XPR:Cross Polarization Power Ratio)を演算し、求めた交差偏波電力比の結果を基に、送信装置又は受信装置にて、送信アンテナ間又は受信アンテナ間の交差偏波識別度(XPD:Cross Polarization Discrimination)を制御することによって、伝搬路間の相関性の上昇を抑制しながらも受信ダイバーシティの減少を最小限に抑え、見通し環境におけるMIMO−OFDM伝送の伝送劣化の防止を実現する。
包括的には、本発明に係る偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置は、特に各伝搬路応答の相関性が高い環境において、異なる偏波の送信アンテナ間又は受信アンテナを用いてMIMO−OFDM伝送を行う際に、受信装置は、各伝搬路応答間の受信レベル比を交差偏波電力比(XPR)として計算する交差偏波電力比演算部を備えている。一方、送信装置は、前記交差偏波電力比演算部の結果をもとに、各送信アンテナ間の交差偏波識別度(XPD)を調整するXPD調整部を備える。これにより、伝搬路応答間の相関値を最適な値に調整すると共に受信ダイバーシティの減少を最低限に抑え、見通し環境においてもMIMO−OFDM伝送特性を改善することが可能となる。
また、反射波の少ない見通し外環境と反射波の多い見通し内環境の両方においてMIMO−OFDM伝送を行う場合においても、送信側または受信側の交差偏波特性を調整することでMIMO−OFDM伝送では理想とされる見通し外環境においても直交偏波による受信ダイバーシティ効果の減少を抑制し、伝送特性の劣化を防ぐことが可能となる。
即ち、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置は、複数の送信アンテナを用いて映像情報を伝送する偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置であって、映像情報を入力して符号化し、送信アンテナ数と同数の複素信号を生成するMIMO符号化部と、前記MIMO符号化部によって生成した複素信号のうち前記複数の送信アンテナ用に複数系統のOFDM信号を生成する系統ごとのOFDM信号生成部と、前記複数系統のOFDM信号の偏波を制御して電波を送信する系統ごとの偏波制御部と、受信側から交差偏波電力比の情報を受信する送り返し受信部と、受信した交差偏波電力比の情報に基づいて前記複数の送信アンテナにおける交差偏波識別度を調整するXPD調整部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置において、前記送信アンテナは、各系統に1本ずつ割り当てられた水平偏波送信アンテナ及び垂直偏波送信アンテナを備えるように構成され、前記XPD調整部は、前記送り返し受信部において受信側で演算した交差偏波電力比の情報を基に、受信側で最適な交差偏波電力比で送信系統数分のOFDM信号を受信できる各送信アンテナ間の交差偏波識別度を計算し、各送信系統に対して当該交差偏波識別度を満足するように各送信アンテナにおける水平成分・垂直成分へのOFDM信号の電力分配比率を決定し、前記偏波制御部に対して、電力を調整したOFDM信号を割り当てさせることを特徴とする。
また、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置において、前記送信アンテナは、系統ごとに水平偏波送信アンテナか、又は垂直偏波送信アンテナを備えるように構成され、前記XPD調整部は、前記送り返し受信部において受信側で演算した交差偏波電力比の情報を基に、受信側で最適な交差偏波電力比で送信系統数分のOFDM信号を受信できる各送信アンテナ間の交差偏波識別度を計算し、各送信系統に対して当該交差偏波識別度を満足するように各送信アンテナにおける水平成分・垂直成分へのOFDM信号の電力分配比率を決定し、前記偏波制御部に対して、前記垂直偏波送信アンテナを回転させるか、又は前記水平偏波送信アンテナを回転させるか、又は垂直偏波送信アンテナ及び水平偏波送信アンテナの双方を回転させ、各系統の送信アンテナの傾きを調整させることを特徴とする。
さらに、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置は、複数の受信アンテナを用いて映像情報を受信する偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置であって、水平偏波アンテナ及び垂直偏波アンテナを含む当該複数の受信アンテナを介して、送信側から複数系統のOFDM信号を受信して復調するとともに、受信アンテナを介して得られる信号から伝搬路応答を推定し、推定した伝搬路応答の情報をそれぞれ出力する受信系統ごとのOFDM信号復調部と、前記OFDM信号復調部から得られるOFDM信号の各データと各受信アンテナを介して得られる信号から推定した伝搬路応答の情報を入力して、MIMO分離を行ない、ダイバーシティ合成を施して映像情報を復号するMIMO復号部と、前記OFDM信号復調部から得られる伝搬路応答の情報から受信系統ごとに交差偏波電力比を演算し、送信側に送信させるXPR演算部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置において、前記算出した交差偏波電力比の情報を送信側に送信する送り返し送信部をさらに備え、送信側に受信した交差偏波電力比の情報に基づいて複数の送信アンテナにおける交差偏波識別度を調整させるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置において、前記受信アンテナは、系統ごとに水平偏波受信アンテナか、又は垂直偏波受信アンテナを備えるように構成され、前記算出した交差偏波電力比の情報を基に、所定の基準XPR記録部に予め記録した最適値の交差偏波電力比との差分値を求め、該差分値により前記垂直偏波受信アンテナを回転させるか、又は前記水平偏波受信アンテナを回転させるか、又は垂直偏波受信アンテナ及び水平偏波受信アンテナの双方を回転させ、前記系統ごとの受信アンテナの傾きを調整する偏波制御部をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明の偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置において、前記XPR演算部は、伝搬路応答の演算を行うとともに相関値を計算し、計算した相関値と所定の基準相関値記録部に記録された基準となる相関値との差分を求め、基準となる相関値より高い場合は交差偏波電力比を求める一方で、基準となる相関値よりも求めた相関値が低い場合はXPRの絶対値の最小値を出力するように切り替える切り替え機構を備えることを特徴とする。
本発明によれば、複数の送信アンテナおよび受信アンテナを用いたMIMO−OFDM伝送の復調方式に関して、屋外見通し環境などで直交偏波など異なる偏波を各送受信アンテナに割り当ててMIMO−OFDM伝送を行う場合において、受信側で測定した交差偏波電力比を送信側・受信側の各送信アンテナのXPDの調整に用いることで、各伝搬路の相関性を効率的に抑制すると共に、偏波を用いることにより発生する受信ダイバーシティ効果の減少を抑制し、MIMO−OFDM伝送特性の改善を行うことができる。
MIMO−OFDM伝送を行うワイヤレスカメラシステムを例示する図である。 反射波の少ない見通し環境において送信2系統・受信4系統のMIMO−OFDM伝送実験を行った結果を示す図である。 偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置の構成例を示す図である。 交差偏波電力比の値により、各伝搬路応答の相関の変化を示す図である。 交差偏波電力比の変化による誤り率の変化を示す図である。 本発明に係る実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を示すブロック図である。 本発明に係る実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置におけるXPR演算部の構成例を示す図である。 本発明に係る実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置におけるXPD調整部の構成例を示す図である。 本発明に係る実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置における偏波制御部の交差偏波識別度の調整法についての説明図である。 (a),(b)は、本発明に係る実施例2の偏波MIMO−OFDM伝送方式のアンテナの角度の調整法の様子を示している。 本発明に係る実施例3の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を示すブロック図である。 (a),(b)は、本発明に係る実施例3の偏波MIMO−OFDM伝送方式のアンテナの角度の調整法の様子を示している。 本発明に係る実施例4の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置のブロック図である。 本発明に係る実施例5の偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置におけるXPR演算部の別の構成例を示す図である。
以下、本発明に係る直交偏波を用いた偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置の実施例を説明する。各実施例において同様な構成要素には同一の参照番号を付して説明する。
まず、伝搬路応答同士の相関性と交差偏波電力比の関係について幾つかの実験を行っており、この実験に基づいて伝搬路応答間の相関性と交差偏波電力比の関係を明らかにし、その上で、本発明に係る直交偏波を用いた偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置では、送信側または受信側の交差偏波特性を調整する手段を設け、伝搬路間の相関性の上昇を抑制しながらも受信ダイバーシティの減少を最小限に抑え、見通し環境におけるMIMO−OFDM伝送の伝送劣化の防止を実現している。
一般的なMIMO−OFDM伝送方式では、伝搬路応答同士の相関性が高くなると、MIMO伝送特性が大幅に劣化することが知られている。図2は、屋外見通し環境において送信2系統・受信4系統のMIMO−OFDM伝送実験を行って測定した伝搬路の相関値に対する内符号後(軟判定ビタビ復号後)の誤り率の結果である。各伝搬路応答間の相関値を求める式は、例えば式(1)を用いて算出することができる。
ここでは、kは受信アンテナの番号、i及びjは送信アンテナの番号、mはパイロットキャリア番号を示している。図2から、伝搬路の相関値が高くなるとともに誤り率が劣化する点が増加し、特に相関値が0.8を超えたあたりで外符号誤り訂正の訂正能力の限界値である誤り率2.0×10−4以上となる誤りが急激に発生している。図2から、各伝搬路の相関値が大きくなると、急激にMIMO−OFDM伝送の伝送特性が劣化する場合があることがわかる。
そこで、見通し環境などの各伝搬路の相関性が高い場合、図3に示すように、異なる偏波(図3では直交偏波)を用いる偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置10及び受信装置20を構成することで伝搬路応答間の相関性を抑制することができることが広く知られている。図3では、送信アンテナTx及び受信アンテナRxに垂直偏波アンテナ、送信アンテナTx及び受信アンテナRxに水平偏波アンテナを割り当てた場合を示している。
このとき、垂直偏波の送信アンテナTxから送信されたOFDM信号は、垂直偏波の受信アンテナRxにより減衰されることなく受信され、水平偏波の送信アンテナTxから送信されたOFDM信号は垂直偏波の受信アンテナRxでは大きく減衰して受信される。この減衰量は、受信アンテナで受信したOFDM信号の偏波の直交性が保たれている程大きくなり、特に反射の少ない見通し環境では顕著となる。一方、水平偏波の送信アンテナTxから送信されたOFDM信号は垂直偏波の受信アンテナRxでは大きく減衰して受信され、水平偏波の受信アンテナRxでは受信アンテナではOFDM信号は減衰されることなく受信される。これにより、各伝搬路応答の相関性を低く抑えることが可能となり、水平偏波・垂直偏波の送信アンテナにおいて同一周波数上で送信されたOFDM信号同士のMIMO復調による信号分離が容易となることでMIMO−OFDM伝送特性が向上することになる。
しかし、特に反射波の少ない見通し環境では水平偏波・垂直偏波の直交性が受信アンテナにおいても維持されるため、例えば垂直偏波で送信されたOFDM信号は水平偏波の受信アンテナではほとんど受信されず、結果的に受信アンテナ1本でOFDM信号を受信することとなり、本来受信アンテナ2本で得られる受信ダイバーシティ効果が半減してしまい、伝送特性の劣化につながる。
そこで、送信2系統・受信4系統のMIMO−OFDM伝送における交差偏波電力比Δp4を各送受信アンテナ間の伝搬路応答の電力比から算出し(式(2))、この交差偏波電力比の値により、各伝搬路応答の相関の分布がどのように変化するかを実験の測定データを基に計算機シミュレーションにより求めた。図4は、交差偏波電力比の値により、各伝搬路応答の相関の関係を示す図である。式(2)において、kは受信アンテナ番号、伝搬路応答をhijは送信アンテナjと受信アンテナiの間の伝搬路応答を表す。
交差偏波電力比の値Δp4が大きいということは、受信装置20で受信した各偏波アンテナRx,Rxから受信したOFDM信号同士の直交性が大きいことを示す。この直交性の程度を示す交差偏波電力比の大きさが、伝搬路の相関性や伝送特性に大きな影響を与えることになる。図4は、送信2系統・受信4系統のMIMO−OFDM伝送システムを用いて、屋外見通し環境において伝送実験を行って測定した伝搬路応答の結果から、交差偏波電力比を変化させた場合の伝搬路応答の相関を式(1)より求めたものである。図4の測定では、送信アンテナ及び受信アンテナは全て垂直偏波とした。
図4から、交差偏波電力比が大きくなると、各伝搬路の相関値が全体的に減少することが分かる。また、図2で、MIMO−OFDM伝送特性が急激に劣化したときの伝搬路応答の相関値0.8を基準に考えると、交差偏波電力比を4dB以上に保てば、全ての伝搬路応答の相関値を0.8以下とできることが分かる。
また、交差偏波電力比の変化による誤り率の変化を図5に示す。交差偏波電力比が0dB〜6dBの間では、交差偏波電力比の増加に伴い誤り率特性が向上していることが分かる。これは、交差偏波電力比の増加により各伝搬路応答の相関が小さくなり、MIMO復調の信号分離性能が向上したためと考えられる。一方、交差偏波電力比が8dBを超えると、少しずつ誤り率特性が劣化している。これは、各伝搬路応答の相関が小さくなることによる信号分離性能の向上と比較して、交差偏波電力比の増加に伴って受信アンテナにおける異なる偏波の受信電力の減少による受信ダイバーシティ効果の減少の影響が大きくなったからである。このことから、受信アンテナにおける交差偏波電力比を4dB〜8dB程度に抑えることで、直交偏波を用いたMIMO−OFDM伝送の大幅な伝送特性の劣化を防ぐことができることが分かった。
以下、上記の実験結果を基に各伝搬路の相関性を効率的に抑制すると共に、偏波を用いることにより発生する受信ダイバーシティ効果の減少を抑制し、MIMO−OFDM伝送特性の改善を行う、本発明に係る偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置の各実施例を説明する。
図6は、本発明に係る実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を示すブロック図である。本実施例の偏波MIMO−OFDM伝送システムは、送信装置10及び受信装置20からなる。本実施例の送信装置10は、「ミリ波モバイルカメラ」に適用可能であり、映像情報を受信装置20にMIMO−OFDM伝送するように構成される。また、受信装置20は、「ミリ波モバイルカメラ」を制御可能な信号を送出することができ、例えばカメラ制御信号や送り返し映像といった送り返し信号を送信装置10に送信することができる。本実施例の偏波MIMO−OFDM伝送システムは、送信装置10から受信装置20に信号を伝送する系(以下、「本線系」と称する)として、2本ずつの送信アンテナTx,Tx及び受信アンテナRx,Rxを装備するとともに、受信装置20から送信装置10に信号を伝送する系(以下、「送り返し系」と称する)の伝送機能を持つものとする。この送り返し系に用いる伝送機能は、専用のアンテナ102,202を用いるものとして説明するが、有線にすることもできる。
送信装置10は、映像情報を入力して符号化し、送信アンテナ数と同数の複素信号を生成するMIMO符号化部110と、MIMO符号化部110によって生成した複素信号のうち送信アンテナTxで信号伝送する第1系統のOFDM信号を生成するOFDM信号生成部120と、MIMO符号化部110によって生成した複素信号のうち送信アンテナTxで信号伝送する第2系統のOFDM信号を生成するOFDM信号生成部130と、第1系統のOFDM信号の偏波を制御して送信アンテナTxで電波を送信する偏波制御部140と、第2系統のOFDM信号の偏波を制御して送信アンテナTxで電波を送信する偏波制御部150と、アンテナ102を介して受信装置20から交差偏波電力比の情報(Δp2_Rx,Δp2_Rx)を受信する送り返し受信部170と、受信した交差偏波電力比の情報に基づいて送信アンテナTx及び送信アンテナTxの交差偏波識別度(XPD)を調整するXPD調整部160とを備える。
この送信装置10では、2系統のOFDM信号を生成し、各系統に1本ずつ割り当てられた水平偏波送信アンテナ及び垂直偏波送信アンテナを備えるように構成することができる。例えば、送信アンテナTxで水平偏波送信アンテナと垂直偏波送信アンテナを装備し、送信アンテナTxで水平偏波送信アンテナと垂直偏波送信アンテナを装備する。
但し、本実施例では2系統の送信アンテナを装備するMIMO−OFDM伝送装置を例にとって説明しているが、送信アンテナ数を増加した場合においても本実施例は実現することが可能である。例えば、90度偏波関係となる水平偏波送信アンテナ及び垂直偏波送信アンテナとは別に、45度偏波関係となる送信アンテナを設けるようにして送信アンテナ数を増大させることができる。
MIMO符号化部110は、送信装置10側で撮影した映像情報に対して、エネルギー拡散、誤り訂正符号化及びインタリーブなどの符号化を行い、本例では2つに分離した複素信号を生成する。
OFDM信号生成部120,130は、それぞれ2つに分離された符号化を施された信号に対して、キャリア変調、フレーム構成、IFFT処理、GI信号付加などの処理を行ってOFDM信号を生成する。
XPD調整部160は、送り返し受信部170において受信装置20で演算した交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)を基に、受信側で最適な交差偏波電力比で送信系統数分(本例では2系統分)のOFDM信号を受信できる各送信アンテナ間の交差偏波識別度(XPD)を計算し、各送信系統に対して当該交差偏波識別度(XPD)を満足するように各送信アンテナにおける水平成分・垂直成分へのOFDM信号の電力分配比率を決定し、各偏波制御部140,150に出力する。
偏波制御部140,150は、XPD演算部160から出力された電力分配比率を基に、各系統の垂直偏波/水平偏波送信アンテナから出力するOFDM信号の交差偏波識別を調整して、各系統の送信アンテナTx,TxからOFDM信号を送信する。
受信装置20は、2本の受信アンテナRx,Rx(例えば1本は水平偏波アンテナ、もう1本は垂直偏波アンテナ)を介して当該2系統のOFDM信号を受信して復調するとともに、各偏波の受信アンテナを介して得られるパイロット信号から伝搬路応答を推定し、この推定した伝搬路応答の情報(h11, h21, h12, h22)をそれぞれ出力するOFDM信号復調部210,220と、OFDM信号復調部210,220から得られる各データと各偏波の受信アンテナを介して得られるパイロット信号から推定した伝搬路応答の情報(h11, h21, h12, h22)を入力して、MIMO復調を行ってから誤り訂正復号処理を施して映像情報を復号するMIMO復号部230と、OFDM信号復調部210,220から得られる伝搬路応答の情報(h11, h21, h12, h22)から受信系統ごとに交差偏波電力比(Δp2_Rx1およびΔp2_Rx2)を演算するXPR演算部240と、算出した交差偏波電力比の情報を、アンテナ202を介して送信装置10に送信する送り返し送信部250とを備える。
この受信装置20では、送信装置10から送信された2系統のOFDM信号が同一周波数上で混信した形でそれぞれの受信アンテナRx,Rxで受信される。この2系統のOFDM信号は、それぞれOFDM信号復調部210,220に入力されてガード相関によるシンボル同期、GI信号除去、FFT処理、フレーム分離などの処理が施された後、パイロット信号と特許文献1で示されるような方法によって各送受信アンテナ間の伝搬路応答(h11, h21, h12, h22)が求められる。MIMO復号部230は、このデータ信号と各送受信アンテナ間の伝搬路応答を用いてMIMO復号処理を施し、送信装置10から送信された元の映像信号を復元する。
XPR演算部240は、MIMO復号に用いるOFDM信号復調部210,220で求められた各送受信アンテナ間の伝搬路応答(h11, h21, h12, h22)から、異なる偏波間の伝搬路応答の電力比を、それぞれの受信系統ごとに交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)として演算する。この演算式は例えば式(3)及び式(4)式で示される。
この交差偏波電力比の値Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2の絶対値の値が大きいほど、受信装置20で受信した各偏波アンテナRx,Rxから受信したOFDM信号同士の直交性が大きいことを示している。したがって、前述したように、この直交性の程度を示すΔp2_Rx1及びΔp2_Rx2の絶対値の大きさが、伝搬路応答の相関性や伝送特性に大きな影響を与える。
図7は、受信装置20におけるXPR演算部240の構成例を示す図である。推定された伝搬路応答は、OFDM信号のキャリア数分だけ存在する。図7に示すXPR計算部2401は、各キャリアの伝搬路応答に対して式(2)の演算を行う。その後、データ処理部2402は、XPR計算部2401で求めたキャリア数分の交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)に対して平均化や中央値を算出して出力する。尚、データ処理部2402において、中央値や平均化などの処理を施さずに、XPR計算部2401で求めた複数の交差偏波電力比を全て出力するように構成してもよい。
XPR演算部240は、この推定した伝搬路応答から求めた交差偏波電力比を送り返し送信部250に送出し、送り返し送信部250によってカメラ制御信号や送り返し映像といった送り返し信号とともに送信装置10に送信させる。この送り返し信号の伝送は、本線系伝送のMIMO−OFDM伝送とは異なる周波数を用いた周波数分割多重伝送やMIMO多重伝送技術などを用いることができる。
図8は、送信装置10におけるXPD調整部160の構成例を示す図である。XPD調整部160は、送り返し受信部250から得られる受信装置20側で測定した交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)の絶対値と、基準XPR記録部1601に記録されている交差偏波電力比の基準値との差分値をそれぞれ算出する減算部1602と、求めた差分値がプラスであれば現在設定しているXPDの値を下げ、マイナスであれば現在設定しているXPDの値を上げるような、水平偏波間及び垂直偏波間の電力比(Δp_V,Δp_H)を算出する偏波間電力比演算部1603とを備える。この基準XPR記録部1601に記録されている交差偏波電力比の基準値は、実際のMIMO−OFDM伝送を行う伝搬環境にもよるが、前述したように、屋外見通し環境では約4dB〜8dBの値をとるようにするのが好適である。
図9は、送信装置10における偏波制御部140,150における交差偏波識別度の調整法についての説明図である。図9では、各系統のOFDM信号同士の水平偏波間及び垂直偏波間の電力比をΔp_VおよびΔp_Hとして調整して出力する場合を例に示す。この場合、送信系統1及び送信系統2におけるそれぞれの垂直偏波送信アンテナからは、送信系統1のOFDM信号と送信系統2のOFDM信号の電力比がΔp_Vだけ大きくなるようにOFDM信号を出力する。一方、送信系統1及び送信系統2におけるそれぞれの水平偏波送信アンテナからは、送信系統1のOFDM信号と送信系統2のOFDM信号の電力比がΔp_Hだけ小さくなるようにOFDM信号を出力する。このとき、同じ送信系統における異なる偏波の送信アンテナからは、電力比のみ異なる同じOFDM信号が送信されることになる。
従って、本発明に係る実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置によれば、直交偏波を用いた偏波MIMO−OFDM伝送においても、各伝搬路応答の相関を抑制するとともに受信ダイバーシティ効果の減少を制限することができ、従来の直交偏波を用いたMIMO−OFDM伝送方式よりも伝送性能を向上させることができる。
また、実施例1では、受信アンテナ2系統の場合について説明したが、より多くの受信アンテナを使用するMIMO−OFDM伝送においても、OFDM復調部で求めた偏波ごとの各伝搬路応答の比を基に交差偏波電力比の値を計算することで実現することができる。例えば、受信アンテナを♯1〜♯4の4本を用いた場合で、受信アンテナ♯1,♯3に垂直偏波を、受信アンテナ♯2,♯4に水平偏波を割り当てた場合の交差偏波電力比の演算式は式(2)で表すことができる。
次に、本発明に係る実施例2の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を説明する。
(実施例2)
上述の実施例1では、送信装置10側の各送信系統に水平偏波・垂直偏波の送信アンテナを1本ずつ配置する構成例について説明した。実施例2では、送信装置10の各送信系統に異なる偏波の送信アンテナをそれぞれ1本ずつ配置し、各送信系統において偏波アンテナの傾きを調整することで、受信装置20側で最適な交差偏波電力比となる、交差偏波識別度に調整する構成例について述べる。従って、実施例2では、送信アンテナの構成と偏波制御部140,150の動作を除き、図6〜図8で示した構成と同様である。
つまり、本実施例の送信装置10では、系統ごとに水平偏波送信アンテナか、又は垂直偏波送信アンテナを備えるように構成され、例えば、2系統のOFDM信号を生成し、送信アンテナTxで水平偏波送信アンテナを構成し、送信アンテナTxで垂直偏波送信アンテナを構成する。
実施例2の送信アンテナの例として、例えば、ホーン長が長いほど指向性が強くなるアンテナ指向性の強いホーンアンテナがある。受信装置20側の構成及び動作は、実施例1と同様である。
送信装置10側では、実施例1と同様に、受信装置20側で計算した交差偏波電力比の値(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)を基に、XPD調整部160において送信アンテナ間の水平成分と垂直成分の電力比(Δp_V及びΔp_H)を算出する。ただし、実施例2では、偏波制御部140,150は、この電力比を基に、各送信アンテナであるホーンアンテナの角度θを調整する。角度θの調整の様子を図10に示す。図10(a)は調整前の様子を示し、図10(b)は調整後の様子を示している。
図10では、送信装置側の送信アンテナの交差偏波識別度を下げるために、垂直成分方向に向いていた垂直偏波送信アンテナを回転させることで、垂直成分を減少させると共に水平成分を増加させている。これは、偏波制御部140,150において、あらかじめ垂直偏波送信アンテナの指向特性を記録しておき、XPD調整部160で求めた垂直成分の電力比と水平成分の電力比を満たすようにこの2系統の送信アンテナの傾きを調整する。これにより、送信装置10側から出力されるOFDM信号の交差偏波識別度を調整することが可能となる。尚、垂直偏波送信アンテナを回転させるか、又は水平偏波送信アンテナを回転させるか、又は垂直偏波送信アンテナ及び水平偏波送信アンテナの双方を回転させ、各系統の送信アンテナの傾きを調整することができる。
したがって、本発明に係る実施例2の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置においても、直交偏波を用いた偏波MIMO−OFDM伝送における各伝搬路応答の相関を抑制するとともに受信ダイバーシティ効果の減少を制限することができ、従来の直交偏波を用いたMIMO−OFDM伝送方式よりも伝送性能を向上させることができる。
また、実施例2では2系統の送信アンテナを用いたMIMO−OFDM伝送を例にとって説明したが、3系統以上の送信アンテナを用いて、各系統から異なる信号を伝送するMIMO−OFDM伝送においても本技術を適用することができる。例えば、3系統の送信アンテナを用いる場合には、送信アンテナのアンテナパターンの指向性のピークが地面から垂直になる位置(垂直方向)に傾けた送信アンテナ1と、水平になる位置(水平方向)に傾けた送信アンテナ2に加え、垂直方向と水平方向の中間である垂直方向から例えば45°水平方向に傾けた送信アンテナ3を配置する。このとき、この3系統の送信アンテナの位置関係(アンテナの傾き)を変化させることによって、3系統のアンテナから各受信アンテナに伝搬する各伝搬路の相関値を制御することが可能となり、受信ダイバーシティ効果の減少を最小限にしながらも見通し環境においても伝送特性の向上が可能となる。
次に、本発明に係る実施例3の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を説明する。
(実施例3)
実施例1及び2では、送信装置10側において、受信装置20側で求めた交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)を基に、XPD調整部160で求めた送信アンテナの垂直成分及び水平成分の偏波比(Δp_V及びΔp_H)を基に交差偏波識別度を調整した。実施例3では、受信装置20側において、求めた交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)を基に受信アンテナの向きを変えることにより偏波を調整することで、交差偏波電力比を所望の値に変化させる態様である。
図11は、本発明に係る実施例3の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を示すブロック図である。本実施例の送信装置10は、映像情報を入力して符号化し、送信アンテナ数と同数の複素信号を生成するMIMO符号化部110と、MIMO符号化部110によって生成した複素信号のうち送信アンテナTxで信号伝送する第1系統のOFDM信号を生成するOFDM信号生成部120と、MIMO符号化部110によって生成した複素信号のうち送信アンテナTxで信号伝送する第2系統のOFDM信号を生成するOFDM信号生成部130とを備える。MIMO符号化部110及びOFDM信号生成部120,130の動作は、実施例1と同様である。
本実施例の受信装置20は、2本の受信アンテナRx,Rx(それぞれホーンアンテナを利用する)を介して当該2系統のOFDM信号を受信して復調するとともに、各偏波の受信アンテナを介して得られる信号から伝搬路応答を推定し、この推定した伝搬路応答の情報(h11, h21, h12, h22)をそれぞれ出力するOFDM信号復調部210,220と、OFDM信号復調部210,220から得られる各データと各偏波の受信アンテナを介して得られる信号から推定した伝搬路応答の情報(h11, h21, h12, h22)を入力して、MIMO分離を行った上でダイバーシティ合成を施して映像情報を復号するMIMO復号部230と、OFDM信号復調部210,220から得られる伝搬路応答の情報(h11, h21, h12, h22)から受信系統ごとに交差偏波電力比(Δp2_Rx1およびΔp2_Rx2)を演算するXPR演算部240とを備える点で実施例1と同様である。本実施例の受信装置20は、さらに、算出した交差偏波電力比の情報を基に、基準XPR記録部280に予め記録した最適な4dB〜8dB程度の交差偏波電力比との差分値を求め、該差分値により前記垂直偏波受信アンテナを回転させるか、又は前記水平偏波受信アンテナを回転させるか、又は垂直偏波受信アンテナ及び水平偏波受信アンテナの双方を回転させ、2本の受信アンテナRx,Rxの各々の指向性の向き(ホーナアンテナの傾き)を調整する偏波制御部260,270を備える点で相違する。
受信装置20の受信アンテナRx,Rxは、それぞれホーンアンテナを利用することができる。受信装置20で受信したOFDM信号は、実施例1と同様、OFDM信号復調部210,220及びMIMO復号部230において元の映像情報に復号される。この復号に用いた、OFDM信号復調部210,220で推定した伝搬路応答から、XPR演算部240において、各受信系統での交差偏波電力比(Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2)を実施例1と同様に計算する。
減算部290−1,290−2は、XPR演算部240において計算した交差偏波電力比Δp2_Rx1及びΔp2_Rx2と、基準XPR記録部280に記録された最適な4dB〜8dB程度の交差偏波電力比との差分値を求め、これらの差分値をそれぞれ偏波制御部260,270に供給する。
偏波制御部260は、減算部290−1からの信号を基に受信アンテナRxの指向性の向き(ホーナアンテナの傾き)を調整し、偏波制御部270は、減算部290−2からの信号を基に受信アンテナRxの指向性の向き(ホーナアンテナの傾き)を調整する。2本の受信アンテナRx,Rxの各々の指向性の向き(ホーナアンテナの傾き)の調整は、実施例2と同様に、求めた差分値がマイナスの場合は偏波の直交性を高めるように、求めた差分値がプラスの場合は偏波の直交性を低くするようにホーンアンテナの傾きを調整する。また、この差分値の絶対値が大きくなる程、ホーンアンテナの傾きを大きく変化させる。
図12に、偏波制御部260,270による受信アンテナの指向性の調整法の例を示す。図12(a)は調整前の様子を示し、図12(b)は調整後の様子を示している。偏波制御部260,270においては、基準XPR記録部280に記録された各受信アンテナの指向性特性を基に算出した差分値に応じた偏波間電力比となるように受信アンテナRx,Rxの各々の傾きθ及びθを調整する。これにより、MIMO−OFDM伝送システムに送り返し系の伝送部が装備されていない場合においても、受信装置20側の受信アンテナRx,Rxの角度を調整するだけで、最適な交差偏波電力比でOFDM信号を受信することができる。また、本実施例では2系統の受信アンテナを装備する場合を例にとって説明したが、3系統以上の受信アンテナを装備する受信装置においても、それぞれの受信アンテナで交差偏波電力比を求め、それぞれの受信アンテナの偏波面の制御を行うことで、本技術を適用することができる。
したがって、本発明に係る実施例3の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置においても、直交偏波を用いた偏波MIMO−OFDM伝送における各伝搬路応答の相関を抑制するとともに受信ダイバーシティ効果の減少を制限することができ、従来の直交偏波を用いたMIMO−OFDM伝送方式よりも伝送性能を向上させることができる。
次に、本発明に係る実施例4の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を説明する。
(実施例4)
図13は、本発明に係る実施例4の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置のブロック図である。実施例4の偏波MIMO−OFDM伝送システムは、実施例1の送信装置10と、実施例3の受信装置20を組み合わせた例である。送信装置10と受信装置20の動作は、実施例1や実施例3と同様であり、送信側と受信側の双方で調整することにより、より細かい精度で偏波MIMO−OFDM伝送システムにおける伝搬路特性とに受信ダイバーシティ効果の調整が可能となる。
次に、本発明に係る実施例5の偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置及び受信装置を説明する。
(実施例5)
以上の実施例1〜4により、反射波の少ない屋外見通し環境における偏波を用いたMIMO−OFDM伝送において、送信装置10側の送信アンテナ又は受信装置20側の受信アンテナの偏波電力比に応じてOFDM信号を送信又は受信することで、受信ダイバーシティの減少を最小限に抑えながら各送受信アンテナ間の伝搬路の相関特性を抑制し、MIMO−OFDM伝送では理想的とされる反射波の多い見通し外環境におけるMIMO−OFDM伝送と比較して、伝送特性の劣化を最低限に抑えた伝送が可能となることを説明した。
図14は、実施例1〜4における偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置におけるXPR演算部の別の構成例を実施例5として示す図である。本実施例のXPR演算部240は、伝搬路相関演算部2410と、基準相関値記録部2411と、減算部2412と、XPR最小値出力部2413と、XPR計算部2414とを備える。
本実施例のXPR演算部240は、伝搬路相関演算部2410によって、式(1)に示した伝搬路応答の演算を行うとともに相関値を計算し、計算した相関値と基準相関値記録部2411に記録された基準となる相関値との差分を減算部2412によって求め、基準となる相関値より高い場合は実施例1〜4と同様に交差偏波電力比をXPR計算部2414によって求める一方で、基準となる相関値よりも伝搬路相関演算部2410で求めた相関値が低い場合は、XPR計算部2414からXPR最小値出力部2413へと切り替える切り替え機構を備える。XPR最小値出力部2413は、XPRの最小値(予め設定した十分に小さな交差偏波電力比の絶対値)を出力する。これは、各伝搬路の相関値をある一定以下にすることができれば、見通し環境におけるMIMO−OFDM伝送の伝送特性を改善することができるため、各伝搬路の相関値がある一定値以下であればXPRの値が必要以上に大きくならないようにするために行う。特に、見通し外環境などでは各伝搬路の相関値は元々低い値をとるため、直交偏波を利用することによる受信電力の低下の影響が大きくなる。そのため、各伝搬路の相関値が低い場合にはXPRの値が最小値となるようにアンテナの偏波面を調整する。例えば、全アンテナともに同じ垂直偏波面に合わせて送信するなどの方法でXPRの値が最小値となるよう調整可能である。
従って、本実施例のXPR演算部240は、基準となる相関値よりも伝搬路相関演算部2410で求めた相関値が低い場合、その絶対値が十分に小さな交差偏波電力比の値を出力させることで直交性をわざと低く調整し、伝搬路相関特性が低い反射波の多い見通し外環境でのMIMO−OFDM伝送の伝送特性を向上させることが可能となる。この場合、実施例1の偏波MIMO−OFDM伝送システムの場合には、各送信系統に装備した垂直偏波及び水平偏波アンテナからは等電力でOFDM信号が出力されるように調整し、実施例2〜4の偏波MIMO−OFDM伝送システムの場合には、偏波アンテナの角度を水平成分及び垂直成分が同じになるように調整する。
本実施例によれば、反射波の多い見通し外環境では偏波を用いたMIMO−OFDM伝送特性は偏波による受信ダイバーシティ効果の減少により一般的に劣化するが、本実施例で示した動作により偏波利用による受信ダイバーシティ効果の減少を最小限に抑え、MIMO−OFDM伝送特性の劣化を抑えることが可能となる。
本発明によれば、受信ダイバーシティ効果を考慮した偏波調整が可能となるので、偏波を用いたMIMO−OFDM伝送方式の用途に有用である。
10 送信装置
20 受信装置
101−1,101−2 送信アンテナ
102 アンテナ
110 MIMO符号化部
120 OFDM信号生成部
130 OFDM信号生成部
140 偏波制御部
150 偏波制御部
160 XPD調整部
170 送り返し受信部
201−1,201−2 受信アンテナ
202 アンテナ
210,220 OFDM信号復調部
230 MIMO復号部
240 XPR演算部
250 送り返し送信部
260,270 偏波制御部
280 基準XPR記録部
290−1,290−2 減算部
2401 XPR計算部
2402 データ処理部
1601 基準XPR記録部
1602 減算部
1603 偏波間電力比演算部
2410 伝搬路相関演算部
2411 基準相関値記録部
2412 減算部
2413 XPR最小値出力部
2414 XPR計算部



Claims (7)

  1. 複数の送信アンテナを用いて映像情報を伝送する偏波MIMO−OFDM伝送方式の送信装置であって、
    映像情報を入力して符号化し、送信アンテナ数と同数の複素信号を生成するMIMO符号化部と、
    前記MIMO符号化部によって生成した複素信号のうち前記複数の送信アンテナ用に複数系統のOFDM信号を生成する系統ごとのOFDM信号生成部と、
    前記複数系統のOFDM信号の偏波を制御して電波を送信する系統ごとの偏波制御部と、
    受信側から交差偏波電力比の情報を受信する送り返し受信部と、
    受信した交差偏波電力比の情報に基づいて前記複数の送信アンテナにおける交差偏波識別度を調整するXPD調整部と、
    を備えることを特徴とする送信装置。
  2. 前記送信アンテナは、各系統に1本ずつ割り当てられた水平偏波送信アンテナ及び垂直偏波送信アンテナを備えるように構成され、
    前記XPD調整部は、前記送り返し受信部において受信側で演算した交差偏波電力比の情報を基に、受信側で最適な交差偏波電力比で送信系統数分のOFDM信号を受信できる各送信アンテナ間の交差偏波識別度を計算し、各送信系統に対して当該交差偏波識別度を満足するように各送信アンテナにおける水平成分・垂直成分へのOFDM信号の電力分配比率を決定し、前記偏波制御部に対して、電力を調整したOFDM信号を割り当てさせることを特徴とする、請求項1に記載の送信装置。
  3. 前記送信アンテナは、系統ごとに水平偏波送信アンテナか、又は垂直偏波送信アンテナを備えるように構成され、
    前記XPD調整部は、前記送り返し受信部において受信側で演算した交差偏波電力比の情報を基に、受信側で最適な交差偏波電力比で送信系統数分のOFDM信号を受信できる各送信アンテナ間の交差偏波識別度を計算し、各送信系統に対して当該交差偏波識別度を満足するように各送信アンテナにおける水平成分・垂直成分へのOFDM信号の電力分配比率を決定し、前記偏波制御部に対して、前記垂直偏波送信アンテナを回転させるか、又は前記水平偏波送信アンテナを回転させるか、又は垂直偏波送信アンテナ及び水平偏波送信アンテナの双方を回転させ、各系統の送信アンテナの傾きを調整させることを特徴とする、請求項1に記載の送信装置。
  4. 複数の受信アンテナを用いて映像情報を受信する偏波MIMO−OFDM伝送方式の受信装置であって、
    水平偏波アンテナ及び垂直偏波アンテナを含む当該複数の受信アンテナを介して、送信側から複数系統のOFDM信号を受信して復調するとともに、受信アンテナを介して得られる信号から伝搬路応答を推定し、推定した伝搬路応答の情報をそれぞれ出力する受信系統ごとのOFDM信号復調部と、
    前記OFDM信号復調部から得られるOFDM信号の各データと受信アンテナを介して得られる信号から推定した伝搬路応答の情報を入力して、MIMO分離を行ない、ダイバーシティ合成を施して映像情報を復号するMIMO復号部と、
    前記OFDM信号復調部から得られる伝搬路応答の情報から受信系統ごとに交差偏波電力比を演算し、送信側に送信させるXPR演算部と、
    を備えることを特徴とする受信装置。
  5. 前記算出した交差偏波電力比の情報を送信側に送信する送り返し送信部をさらに備え、
    送信側に受信した交差偏波電力比の情報に基づいて複数の送信アンテナにおける交差偏波識別度を調整させるようにしたことを特徴とする、請求項4に記載の受信装置。
  6. 前記受信アンテナは、系統ごとに水平偏波受信アンテナか、又は垂直偏波受信アンテナを備えるように構成され、
    前記算出した交差偏波電力比の情報を基に、所定の基準XPR記録部に予め記録した最適値の交差偏波電力比との差分値を求め、該差分値により前記垂直偏波受信アンテナを回転させるか、又は前記水平偏波受信アンテナを回転させるか、又は垂直偏波受信アンテナ及び水平偏波受信アンテナの双方を回転させ、前記系統ごとの受信アンテナの傾きを調整する偏波制御部をさらに備えることを特徴とする、請求項4に記載の受信装置。
  7. 前記XPR演算部は、
    伝搬路応答の演算を行うとともに相関値を計算し、計算した相関値と所定の基準相関値記録部に記録された基準となる相関値との差分を求め、基準となる相関値より高い場合は交差偏波電力比を求める一方で、基準となる相関値よりも求めた相関値が低い場合は所定のXPR最小値を出力するよう切り替える切り替え機構を備えることを特徴とする、請求項4〜6のいずれか一項に記載の受信装置。
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