JP6270222B2

JP6270222B2 - 無線受信機と受信信号処理方法

Info

Publication number: JP6270222B2
Application number: JP2015053385A
Authority: JP
Inventors: 尚一大嶋; 賢一松永; 近藤　利彦; 利彦近藤; 森村　浩季; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: JP2016174280A

Description

本発明は、端末が送信する干渉・雑音を含む信号を受信する無線受信機と受信信号処理方法に関する。

従来の一般的な双方向無線通信のランダムアクセスのシーケンスにおいて、端末（送信機）が基地局（受信機）へ通信を行う場合、端末は基地局が送信している同期信号を受信した後に、ランダムアクセスのための信号を基地局へ送信する。端末は、基地局からの応答があった場合に、データ通信のためのシーケンスを開始し、応答がない場合は端末が送信電力を上げるなどの対処を行う（例えば、非特許文献１）。

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従来の双方向通信では、端末が基地局からの同期信号を受信した上で、定められた時間にアクセス要求を行っている。しかしながら単方向の無線通信では、どのタイミングで送信機が受信機へ信号を送るかは不定であり、受信機では受信した信号が送信機のものか、雑音等なのかを判別する必要がある。

図９に、パルスＯＯＫ（On Off Keying）信号を使用する単方向無線システムにおける干渉・雑音の識別方法の例を示す。パルスＯＯＫ信号とは、搬送波の有無によって信号を送信する信号である。

図９の横方向は時間であり、縦方向は搬送波を検波した検波出力電圧である。破線が干渉・雑音信号、実線が送信信号である。送信信号を検出するための閾値Ｂが予め設定されている。閾値Ｂよりも振幅が大きな信号は送信信号と判別される。しかし、干渉・雑音信号は、その振幅が時々刻々とランダムに変化するものであり、閾値Ａ〜Ｃに示すように閾値の取り方によって検出できる信号に差がでる。よって、予め設定した閾値で送信信号を判別する方法では、検出した信号の正当性が課題となる。

この発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、時々刻々と変化する干渉・雑音信号を含む受信信号から、所望信号を正確に判別できるようにした無線受信機と受信信号処理方法を提供することを目的とする。

本発明の無線受信機は、端末が送信する信号を受信する無線受信機であって、受信した信号を検波した検波出力電圧のサンプリングデータを出力する検波部と、前記サンプリングデータの平均値を雑音レベルとして推定する雑音推定部と、前記雑音レベルを用いて閾値を設定する閾値設定部と、前記閾値を用いて前記サンプリングデータを大小の２値の符号に変換する符合化部と、前記大小の大の符号を検出した当該大の符号のサンプリングデータ及び当該大の符号のサンプリングデータの前後の複数のサンプリングデータの最大値を検出する最大値検出部と、前記最大値を検出したサンプリングデータに対応する前記大の符合を起点として同期符号の検出を開始する同期符号検出部とを具備することを要旨とする。

また、本発明の受信信号処理方法は、端末が送信する信号を受信する無線受信機の受信信号処理方法であって、受信した信号を検波した検波出力電圧のサンプリングデータを出力する検波ステップと、前記サンプリングデータの平均値を雑音レベルとして推定する雑音推定ステップと、前記雑音レベルを用いて閾値を設定する閾値設定ステップと、前記閾値を用いて前記サンプリングデータを大小の２値の符号に変換する符合化ステップと、前記大小の大の符号を検出した当該大の符号のサンプリングデータ及び当該大の符号のサンプリングデータの前後の複数のサンプリングデータの最大値を検出する最大値検出ステップと、前記最大値を検出したサンプリングデータに対応する前記大の符合を起点として同期符号の検出を開始する同期符号検出ステップとを行うことを要旨とする。

この発明の無線受信機と受信信号処理方法とによれば、時々刻々と変化する干渉・雑音信号を含む受信号から、所望信号を正確に判別することができる。

第１実施形態の無線受信機１を含む無線受信システム９の構成例を示す図である。第１実施形態の無線受信機１の機能構成例を示す図である。無線受信機１の動作フローを示す図である。雑音推定部１２の動作を模式的に示す図である。最大値検出部１５の動作を模式的に示す図である。符合化部１４の動作を模式的に示す図である。第２実施形態の無線受信機２の機能構成例を示す図である。第２実施形態の無線受信機３の機能構成例を示す図である。パルスＯＯＫ信号を使用する単方向無線システムにおける干渉・雑音の識別方法の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔無線受信システム〕
図１に、本発明の第１実施形態の無線受信機１を含む無線受信システム９の構成例を示す。無線受信システム９は、信号を送信する複数の端末５ａ，５ｂ，…，５ｎと無線受信機１とを含む。端末の数は、１個であってもよい。端末５ａは、例えばリモコンである。端末５ａは、例えばパルスＯＯＫ信号を使用する単方向無線端末である。なお、端末５ａは、従来技術で構成される一般的なものである。

無線受信機１は、端末５ａの基地局であり、例えばスマートフォンでも良いし家庭内やオフイス内に設置される専用の無線受信機であってもよい。無線受信機１の機能構成に、受信信号が干渉・雑音信号であるか所望信号であるかを正確に判別するための特別な技術的特徴がある。以降の説明では、本発明の実施形態を示して無線受信機１の動作を詳しく説明する。

〔第１実施形態〕
図２に、本発明の第１実施形態の無線受信機１の機能構成例を示す。無線受信機１は、アンテナ１０と、検波部１１と、雑音推定部１２と、閾値設定部１３と、符合化部１４と、最大値検出部１５と、同期符号検出部１６と、復号部１７とを具備する。

アンテナ１０は、端末５ａが送信するパルスＯＯＫ信号を受信する。検波部１１は、アンテナ１０で受信した信号を検波した検波出力電圧を、離散値化したサンプリングデータとして出力する。検波部１１は、図示を省略しているアナログＲＦ部とＡ/Ｄ変換器とで構成される。アナログＲＦ部は、アンテナ１０が受信したパルスＯＯＫ信号の高周波信号を、搬送波が有るか無かを表す検波出力電圧に変換する。Ａ/Ｄ変換器は、連続値である検波出力電圧を、例えば１MHzのサンプリング周波数で離散値化したサンプリングデータに変換して出力する。

ここからは無線受信機１の動作フローを示す図３も参照する。雑音推定部１２は、検波部１１が出力するサンプリングデータの平均値を計算して当該平均値を雑音レベルとして推定する（ステップＳ１）。ステップＳ１は雑音推定ステップに相当する。なお、図３において、検波部１１がパルスＯＯＫ信号を検波する検波ステップの表記は省略している。

図４に、サンプリングデータを模式的に示して雑音推定部１２の動作を説明する。図４（ａ）の横軸は時間、縦軸は検波部１１が出力するサンプリングデータの振幅を表す。

このようにサンプリングデータは、時間間隔を空けた離散値である。サンプリングデータの時間間隔は、サンプリング周波数を例えば１MHzとすると１μ秒である。また、サンプリングデータの大きさ（振幅）は、Ａ/Ｄ変換器の分解能を例えば8bitとすると、0〜255の範囲で表される8bit長のディジタルデータである。

実線で表すサンプリングデータは、平均値の計算に用いられるデータである。破線は、平均値の計算に用いないサンプリングデータである。図４（ａ）に示す例では、Ｎ＝6個おきのサンプリングデータを、その平均値の計算に用いることを示している。

図４（ｂ）に、平均値を式で表現する。Ｎは、平均値の計算に用いるサンプリングデータを選択する間隔である。Ｎ＝1000の場合、サンプリング周波数が1MHzであると1m秒の間隔のサンプリングデータが選択される。

また、Ｍは、平均するサンプリングデータの数である。雑音レベルnoise[0]は、最初のサンプリングデータb[0]から99個目のサンプリングデータb[99000]までの振幅を合計してＭで除算した値である。

同様に、２個目の雑音レベルnoise[1]は、100個目のサンプリングデータb[100000]から199個目のサンプリングデータb[199000]までの振幅を合計してＭで除算した値である。

なお、Ｎの値は、ベースバンド信号を正しく復号できるように、データ転送レートに対してサンプリング定理を満足するように周波数換算で２倍以上の周波数に相当する値に設定する。例えば、データ転送レートを250Kbps、サンプリング周波数を1MHzと仮定した場合のＮの値は２以上である。また、Ｍの値は、受信信号の影響を抑える目的で送信パケットサイズ以上の平均時間となるように設定してもよい。

閾値設定部１３は、雑音レベルnoise[・]を用いて閾値を設定する（ステップＳ２、図３）。ここで閾値とは、サンプリングデータを大小（１/０）の二値に変換するための値であり、例えば上記の0〜255の範囲の何れかの値に設定される。ステップ２は、閾値設定ステップに相当する。雑音レベルnoise [・]の「・」は任意の整数であり雑音レベルnoiseの数を表す。以降の同様の表記も同じ意味である。

図４（ｂ）に示す例では、雑音レベルnoise[・]の例えばＸ＝10倍が閾値thd[・]として設定される。閾値thd [0]〜閾値thd [3]に示すように、閾値thd[・]は、雑音レベルnoise[・]に応じて設定される。つまり、雑音レベルが小さければ閾値は小さな値に、雑音レベルが大きければ閾値は大きな値に設定される。

符合化部１４は、閾値設定部１３が設定した閾値を用いてサンプリングデータを大小の２値の符号に変換する（ステップＳ３）。サンプリングデータの振幅が閾値よりも大きい（以上）場合（ステップＳ３０のYES）、サンプリングデータは符号１に変換される。サンプリングデータの振幅が閾値より小さい（未満）の場合（ステップＳ３０のNO）、サンプリングデータは符号０に変換される。ステップＳ３は符合化ステップに相当する。

最大値検出部１５は、上記の大小の大の符号を検出した前後の複数のサンプリングデータの最大値を検出する（ステップＳ４）。ステップＳ４は最大値検出ステップに相当する。

図５を参照して最大値検出部１５の動作を説明する。図５の横軸と縦軸は、図３（ａ）と同じである。5個目のサンプリングデータｔ_５の振幅が閾値より大きいので、サンプリングデータｔ_５は、符合化部１４によって大の符号「１」に変換される。

最大値検出部１５は、符号「１」に変換されたサンプリングデータｔ_５の前後の例えばサンプリングデータｔ_４〜ｔ_６の範囲における最大値であるサンプリングデータｔ_５を検出する。前後の複数のサンプリングデータの数は、所望信号の１周期の半分未満になるように設定する。この例では、所望信号の１周期が4なので前後の数は1である。つまり、最大値を検出する対象の複数のサンプリングデータの数は、例えばデータ転送レートの１周期の時間をサンプリング周期で除した数の半分未満の数である。

また、この例では、符号「１」に変換されたサンプリングデータｔ_５が最大値を示すが、符号「１」に変換されたサンプリングデータが最大値に一致しない場合も有り得る。その場合は、サンプリングデータｔ_６やｔ_７が最大値として検出されてもよい。

同期符号検出部１６は、最大値検出部１５が最大値として検出したサンプリングデータに対応する符合「１」を起点としてデータ転送レートに対応する時間間隔で同期符号の検出を開始する（ステップＳ５）。ステップＳ５は同期符号検出ステップに相当する。同期符号とは、データの始まりに付加する区切り用の特殊ビット列のことであり、プリアンブル（preamble）とも称される。

図６を参照して同期符号検出部１６の動作を説明する。図６の横軸と縦軸は図５と同じである。

この例は、最大値検出部１５が最大値としてサンプリングデータｔ_５を選択した場合を示す。同期符号検出部１６は、サンプリングデータｔ_５に対応する符合「１」から、データ転送レートに対応する時間間隔で同期符号の検出を開始する。

例えばサンプリング周波数を１MHz、データ転送レートを250Kbpsと仮定すると、同期符号検出部１６は、サンプリングデータｔ_５に対応する符合「１」から、サンプリングデータの4個間隔で同期符号を検出する。つまり、データ転送レートが250 Kbpsであると、データは4μ秒の間隔で送信される。

ここで同期符号を例えば「１１０」と仮定すると、同期符号検出部１６は、サンプリングデータｔ_９の符号「１」とサンプリングデータｔ_１３の符号「０」とで、同期符号の「１１０」を検出する（ステップＳ６のYES）。

同期符号を検出した後、同期符号検出部１６は同期符号に続く固定パタンを識別する。固定パタンとは、例えば端末５ａを識別する識別子である。

同期符号と固定パタンとを受信した後、復号部１７は端末５ａから送信されて来るデータの復号処理を行う（ステップＳ７）。以上説明したステップＳ１〜Ｓ７の処理は、受信動作が終了するまで繰り返される（ステップＳ８のNO）。

以上説明したように、無線受信機１は、雑音レベルnoise[・]の大きさに対応させて閾値thd[・]を設定する。したがって、無線受信機１は、振幅が時々刻々とランダムに変化する干渉・雑音信号を含む受信信号の中から所望の信号を正確に判別することができる。

なお、端末５ａが１個の例で説明を行ったが、無線受信機１は複数の端末から送信されるパルスＯＯＫ信号を受信することが可能である。非同期で各端末から送信されるパルスＯＯＫ信号を、上記の識別子で識別することで端末毎に復号することが可能である。なお、複数の端末からのパルスＯＯＫ信号を、さらに受信し易くした無線受信機３については後述する。

〔第２実施形態〕
図７に、本発明の第２実施形態の無線受信機２の機能構成例を示す。本実施形態の無線受信機２は、端末５ａが送信する信号を、サンプリングデータの平均値に含めた場合に当該平均値を破棄して閾値を再設定するようにした無線受信機である。

無線受信機２は、無線受信機１（図２）に対して閾値設定部２０を具備する点で異なる。閾値設定部２０は、端末５ａが送信する信号を、サンプリングデータの平均値の計算に含めた場合、その平均値を破棄して前回の閾値を、閾値として再設定する。前回とは、１回前の閾値でもよいし、複数回前でもよい。また、初回の閾値であってもよい。つまり、端末５ａが送信する信号を含まない閾値であれば何でもよい。

端末５ａが送信するパルスＯＯＫ信号を多く含んだ値（パルスＯＯＫ信号＋干渉・雑音信号）に、閾値が設定されると、閾値が必要以上に大きな値に設定される。そこで、閾値設定部２０は、端末５ａが送信するパルスＯＯＫ信号を、サンプリングデータの平均値の計算に含めた場合、そのデータを破棄する。パルスＯＯＫ信号を含むか否かは、パルスＯＯＫ信号がデータ転送レートの間隔で生じるので、既知のデータ転送レートに基づいて容易に識別することができる。パルスＯＯＫ信号を閾値の計算に含まないようにすることで、閾値が必要以上に大きな値に設定されることを防止することができる。

なお、パルスＯＯＫ信号を、サンプリングデータの平均値の計算に含めた後は、例えば、雑音推定部１２のＮの選択対象のサンプリングデータをずらしてもよい。ずらすとは、例えばＮ＝1000の等間隔で次に選択するサンプリングデータが2000個目のサンプリングデータｔ₂₀₀₀で有った場合に、パルスＯＯＫ信号を検出した後は等間隔でない例えばサンプリングデータｔ₁₇₀₀に変更することである。サンプリングデータｔ₁₇₀₀以降は、例えばＮ＝1000の間隔で対象とするサンプリングデータを選択する。このように雑音レベルを推定する対象のサンプリングデータを変更することで、閾値が上記の理由で大きな値に設定されることを回避することができる。

〔第３実施形態〕
図８に、本発明の第３実施形態の無線受信機３の機能構成例を示す。本実施形態の無線受信機３は、複数の端末５ａ〜５ｎからのパルスＯＯＫ信号を、より受信し易くした無線受信機である。

無線受信機３は、無線受信機１（図２）と無線受信機２（図７）に対して同期検出部３０と第２同期符号検出部３１とを具備する点で異なる。同期検出部３０は、最大値を検出したサンプリングデータに対応する大小の大の符号の位置が、端末が信号を送信するデータ転送レートに合致する位置であるか否かを検出する。

第２同期符号検出部３１は、大の符号の位置が検出済みのデータ転送レートと非同期である場合に、当該大の符号を起点として同期符号の検出を開始する。同期符号検出部１６が、例えば端末５ａのパルスＯＯＫ信号を受信して同期符号の検出を行っていると仮定する。

その状態において、端末ｂからパルスＯＯＫ信号を受信すると、端末ａとｂとは非同期でパルスＯＯＫ信号を送信して来るので、端末ｂのサンプリングデータの大の符号の位置は端末ａの大の符号と異なるタイミングで生じる。同期検出部３０が、端末ａと非同期のサンプリングデータを検出すると、第２同期符号検出部３１は、非同期の当該大の符号を起点として同期符号の検出を開始する。

このように第２同期符号検出部３１を具備して同期符号を検出する処理を、同期符号検出部１６と第２同期符号検出部３１とで分担することで、複数の端末からのパルスＯＯＫ信号から同期符号を検出する処理を、処理し易くすることができる。

なお、無線受信機３を、同期符号検出部１６と第２同期符号検出部３１の２個の例で説明したが、第２同期符号検出部３１の数を更に増やしてもよい。端末のｎ個の数に対応させて同じ数の第ｎ同期符号検出部を具備するようにしてもよい。

このように無線受信機３は、複数の同期符号検出部を具備するので複数の端末からのパルスＯＯＫ信号の受信を容易にすることができる。複数の同期符号検出部を具備する場合でも、同期符号の後に受信する端末の識別子と復号データとを対応付けることで、１個の復号部１７で各々の端末のパルスＯＯＫ信号を復号することが可能である。

以上説明したように、第１実施形態の無線受信機１は、雑音レベルnoise[・]の大きさに対応させて閾値thd[・]を設定するので振幅が時々刻々とランダムに変化する干渉・雑音信号の中から所望の信号を正確に判別することができる。また、第２実施形態の無線受信機２は、雑音レベルと所望の受信信号を切り分ける閾値の値を再設定することで、より適切な閾値を設定することが可能である。

また、第３実施形態の無線受信機３は、複数の端末からのパルスＯＯＫ信号を受信し易くすることが可能である。なお、無線受信機３に、無線受信機２の閾値を再設定する考えを適用することも可能である。

また、データ転送レート等を決める基準周波数は、端末５ａと無線受信機１，２，３とで別々である。基準周波数はある規格で管理されているが、それぞれの周波数がバラつくためその誤差が無視できなくなる場合が生じる。そこで、同期符号検出部１６を、同期符号を検出する起点からデータ転送レートの分だけ離れた符号のサンプリングデータが最大値でない場合に、当該符号のサンプリングデータの前後の複数のサンプリングデータの最大値に対応する符合を、新たな起点として同期符号の検出を開始するように構成してもよい。このように同期符号検出部１６を構成することで、端末と無線受信機の基準周波数の誤差を吸収することが可能である。

また、閾値設定部２０は、同期符号の検出が出来た場合に、当該同期符号を検出したサンプリングデータの前後複数のサンプリングデータを用いて新たに閾値を再設定するようにしてもよい。例えば、閾値設定部２０において、同期符号を検出したサンプリングデータの前後複数のサンプリングデータの平均値を求め、その平均値を基準に閾値を再設定するようにしてもよい。

このように本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１：無線受信機
２：無線受信機
３：無線受信機
５ａ〜５ｎ：端末
１０：アンテナ
１１：検波部
１２：雑音推定部
１３：閾値設定部
１４：符合化部
１５：最大値検出部
１６：同期符号検出部
１７：復号部
２０：閾値設定部
３０：同期検出部
３１：第２同期符号検出部

Claims

端末が送信する信号を受信する無線受信機であって、
受信した信号を検波した検波出力電圧のサンプリングデータを出力する検波部と、
前記サンプリングデータの平均値を雑音レベルとして推定する雑音推定部と、
前記雑音レベルを用いて閾値を設定する閾値設定部と、
前記閾値を用いて前記サンプリングデータを大小の２値の符号に変換する符合化部と、
前記大小の大の符号を検出した当該大の符号のサンプリングデータ及び当該大の符号のサンプリングデータの前後の複数のサンプリングデータの最大値を検出する最大値検出部と、
前記最大値を検出したサンプリングデータに対応する前記大の符合を起点として同期符
号の検出を開始する同期符号検出部と
を具備することを特徴とする無線受信機。
請求項１に記載した無線受信機において、
前記雑音推定部は、Ｎ個間隔の前記サンプリングデータをＭ個加算した平均値を計算して前記雑音レベルを推定し、
前記閾値設定部は、前記平均値のＸ倍を前記閾値として設定することを特徴とする無線受信機。
請求項１又は２に記載した無線受信機において、
前記最大値検出部が、前記最大値を検出する対象の前記複数のサンプリングデータの数は、データ転送レートの１周期の時間をサンプリング周期で除した数の半分未満の数であることを特徴とする無線受信機。
請求項１乃至３の何れかに記載した無線受信機において、
前記同期符号検出部は、
前記起点の符号と、前記端末が前記信号を送信するデータ転送レートの分だけ離れた間隔の複数の前記符号とから同期符号を検出することを特徴とする無線受信機。
請求項１乃至４の何れかに記載した無線受信機において、
前記閾値設定部は、
前記端末が送信する信号を、前記サンプリングデータの前記平均値に含めた場合に当該平均値を破棄して、前回の閾値に再設定することを特徴とする無線受信機。
請求項１乃至５の何れかに記載した無線受信機において、
前記同期符号検出部は、
前記起点からデータ転送レートの分だけ離れた前記符号の前記サンプリングデータが前記最大値でない場合に、当該符号のサンプリングデータの前後の前記複数のサンプリングデータの最大値に対応する符合を、新たな起点として同期符号の検出を開始することを特徴とする無線受信機。
請求項１乃至６の何れかに記載した無線受信機において、
前記無線受信機は、
前記最大値を検出した前記サンプリングデータに対応する前記大の符合の位置が、前記端末が前記信号を送信するデータ転送レートに同期するか否かを検出する同期検出部と、
前記大の符号の位置が、前記データ転送レートと非同期で有る場合、当該大の符号を前記起点として同期符号の検出を開始する第２同期符号検出部とを具備することを特徴とする無線受信機。
端末が送信する信号を受信する無線受信機の受信信号処理方法であって、
受信した信号を検波した検波出力電圧のサンプリングデータを出力する検波ステップと、
前記サンプリングデータの平均値を雑音レベルとして推定する雑音推定ステップと、
前記雑音レベルを用いて閾値を設定する閾値設定ステップと、
前記閾値を用いて前記サンプリングデータを大小の２値の符号に変換する符合化ステップと、
前記大小の大の符号を検出した当該大の符号のサンプリングデータ及び当該大の符号のサンプリングデータの前後の複数のサンプリングデータの最大値を検出する最大値検出ステップと、
前記最大値を検出したサンプリングデータに対応する前記大の符合を起点として同期符
号の検出を開始する同期符号検出ステップと
を行うことを特徴とする受信信号処理方法。