JP7547010B2 - 搬送波再生回路 - Google Patents

Description

この発明は、搬送波再生回路に関し、特に、デジタル無線伝送において搬送波・受信波を再生する技術に関する。

無線トラフィックの増大に伴う周波数利用の高効率化の要求からデジタル無線伝送においては高多値ＱＡＭ（ＱＡＭ：Ｑuadrature Ａmplitude Ｍodulation の略；直角位相振幅変調）方式による高速伝送の要求が高まっている。

高多値ＱＡＭ方式では、送信装置や受信装置において生じる搬送波の位相ノイズ（位相誤差）などによって、復調性能が劣化する場合がある。このため、位相ノイズと熱雑音の影響度に基づいて復調性能（具体的には、符号誤り率）を向上させる、という搬送波再生回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１－１０１１７７号公報

ところで、高多値化変調においては搬送波再生の位相誤差検出範囲が著しく狭くなり、位相ノイズ環境下で位相ジッタが増加する状況になると搬送波再生の補正精度が大幅に劣化する、という問題がある。

そこでこの発明は、シングルキャリア高多値ＱＡＭ無線システムにおいて、性能の劣化の原因となる搬送波の位相ノイズが付加された条件下でも高い復調性能を実現することが可能な、搬送波再生回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、入力される信号に対して搬送波再生処理を行う第１の搬送波再生ループと、前記第１の搬送波再生ループから出力される信号の周波数特性の劣化を補償する第２の等化器と、前記第２の等化器から出力される信号に対して搬送波再生処理を行う第２の搬送波再生ループと、を有し、前記第１の搬送波再生ループが当該第１の搬送波再生ループへと入力される信号の周波数特性の劣化を補償する第１の等化器を含み、前記第２の搬送波再生ループが等化器を含まず、前記第１の搬送波再生ループが第１のＬＰＦを含むとともに前記第２の搬送波再生ループが第２のＬＰＦを含み、前記第２のＬＰＦの帯域幅が前記第１のＬＰＦの帯域幅よりも広く設定される、ことを特徴とする搬送波再生回路である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の搬送波再生回路において、前段の搬送波再生ループから出力される信号の周波数特性の劣化を補償する等化器と、当該等化器から出力される信号に対して搬送波再生処理を行う搬送波再生ループであって等化器を含まない搬送波再生ループと、の組み合わせをさらに１つまたは複数有する、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、信号処理ループのなかに第１の等化器が組み込まれている第１の搬送波再生ループに加えて信号処理ループのなかに等化器が組み込まれていない第２の搬送波再生ループを有するようにしており、第２の搬送波再生ループは、信号処理ループのなかに等化器が組み込まれていないので、信号処理ループ内の遅延量が第１の搬送波再生ループと比べて小さいため、位相誤差の推定精度が向上し、延いては高い復調性能を実現することが可能となる。

また、請求項１に記載の発明によれば、第２の搬送波再生ループにおける第２のＬＰＦの帯域幅を第１の搬送波再生ループにおける第１のＬＰＦの帯域幅よりも広く設定するようにしているので、位相ノイズを補償できる帯域を広げることができ、延いては高い復調性能を一層確実に実現することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、位相ノイズを補償できる帯域を一層柔軟に（言い換えると、きめ細かく）設定することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る搬送波再生回路の概略構成を示す機能ブロック図である。 位相変動の補償前後の位相誤差を示す図である。（Ａ）は補償前の位相誤差を示す図である。（Ｂ）はこの発明に係る搬送波再生回路による補償後の位相誤差を示す図である。 位相変動の補償手法の違いによる符号誤り率の違いを示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る搬送波再生回路の概略構成を示す機能ブロック図である。

この搬送波再生回路は、デジタル無線伝送において搬送波・受信波を再生する機序であり、主として、第１の搬送波再生ループ１と、第２の等化器２と、第２の搬送波再生ループ３と、を有する。搬送波再生回路に関係する信号の変調方式として、ＱＡＭ（Ｑuadrature Ａmplitude Ｍodulation の略；直角位相振幅変調）方式を仮定する。

そして、実施の形態１に係る搬送波再生回路は、入力される信号に対して搬送波再生処理を行う第１の搬送波再生ループ１と、第１の搬送波再生ループ１から出力される信号の周波数特性の劣化を補償する第２の等化器２と、第２の等化器２から出力される信号に対して搬送波再生処理を行う第２の搬送波再生ループ３と、を有し、第１の搬送波再生ループ１が当該第１の搬送波再生ループ１へと入力される信号の周波数特性の劣化を補償する第１の等化器１２を含み、第２の搬送波再生ループ３が等化器を含まない、ようにしている。

第１の搬送波再生ループ１は、第１の位相回転器１１、第１の等化器１２、第１の検出器１３、第１のＬＰＦ１４、第１のＮＣＯ１５、第２の位相回転器１６、および第１の遅延回路１７を含み、第１の位相回転器１１へと入力される信号に対して搬送波再生処理を行うための仕組みである。

第１の位相回転器１１は、入力される信号の位相を回転する回転器・乗算器であり、第１のＮＣＯ１５から出力される位相回転制御信号に基づいて、入力される信号の位相を回転する。

第１の位相回転器１１は、具体的には、送信側において直交変調されたＩＦ信号が入力される直交復調器（図示していない）によって直交復調されたうえでＡ／Ｄ変換器（図示していない）によってデジタル信号に変換された同相成分Ｉｃｈのベースバンド信号および直交成分Ｑｃｈのベースバンド信号の入力を受け、前記同相成分Ｉｃｈおよび直交成分Ｑｃｈのベースバンド信号のそれぞれに対して、第１のＮＣＯ１５から出力される位相回転制御信号としての正弦波および余弦波に基づいて位相回転を行う。なお、図においては、同相成分Ｉｃｈと直交成分Ｑｃｈとを１本の信号線によって示している。

第１の等化器１２は、第１の位相回転器１１から出力される信号（「位相回転信号」と呼ぶ）の周波数特性の劣化（伝搬路および無線装置内の回路で変動した周波数特性）を補償する適応等化器であり、つまり位相回転信号の線形歪やデータ誤りを解消する等化器である。第１の等化器１２は、具体的には例えば判定帰還型等化器や線形等化器によって構成され、判定指向アルゴリズムやＣＭＡアルゴリズムに基づいてタップ係数を更新する機能を備える。

第１の検出器１３は、第１の等化器１２による補償後の位相回転信号に含まれる位相誤差を検出して出力する位相誤差検出器である。位相誤差には、位相の回転方向（即ち、進み方向か遅れ方向か）と位相誤差量（即ち、回転量）とが含まれる。

第１の検出器１３による位相誤差の検出の仕法は、特定の手法には限定されないものの、例えば特開２００８－２４４９１８号公報に記載の手法や特開２０１９－２２０９４２号公報に記載の手法などが用いられ得る。

第１のＬＰＦ１４は、第１の検出器１３によって検出された位相誤差の高周波成分を、所定の帯域幅（言い換えると、カットオフ周波数）に応じて除去するフィルタであり、具体的にはローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌow Ｐass Ｆilter の略）によって構成される。

第１のＮＣＯ１５は、第１のＬＰＦ１４によって高周波成分が除去された位相誤差に基づいて位相回転制御信号を生成する機器であり、数値制御発振器（ＮＣＯ：Ｎumerically Ｃontrolled Ｏscillator の略）によって構成される。

第１のＮＣＯ１５は、具体的には、第１のＬＰＦ１４から出力される位相誤差に基づいて逆位相の正弦波および余弦波を生成して、生成した前記逆位相の正弦波および余弦波を位相回転制御信号として第１の位相回転器１１へと出力して該第１の位相回転器１１による位相回転を制御するとともに、前記逆位相の正弦波および余弦波を位相回転制御信号として第２の位相回転器１６へも出力する。

上記により、第１の位相回転器１１において、ＩＦ信号の搬送波周波数と直交復調に用いられるローカル周波数との差分の周波数成分が取り除かれて搬送波周波数同期がとられる。

第２の位相回転器１６は、入力される信号の位相を回転する回転器・乗算器であり、第１のＮＣＯ１５から出力される位相回転制御信号に基づいて、入力される信号の位相を回転する。

第２の位相回転器１６は、具体的には、第１の等化器１２によって周波数特性の劣化が補償されたうえで（即ち、線形歪などが解消されたうえで）第１の検出器１３によって検出された位相誤差に基づいて第１のＮＣＯ１５から出力される位相回転制御信号としての正弦波および余弦波に基づいて、第１の遅延回路１７から出力される信号の位相回転を行う。

第１の遅延回路１７は、第１の位相回転器１１へと入力される信号（具体的には、同相成分Ｉｃｈのベースバンド信号および直交成分Ｑｃｈのベースバンド信号）を主に第１の位相回転器１１から第１のＮＣＯ１５までの処理時間の合計に相当する時間だけ遅延させた信号を生成して第２の位相回転器１６に対して出力する。

上記のように、第１の搬送波再生ループ１は、信号処理ループのなかに第１の等化器１２が組み込まれることにより、周波数特性の劣化を補償した後（即ち、線形歪などが解消された後）に推定した位相誤差に基づいて入力信号の位相ノイズのキャンセル処理が施される。これにより、マイクロ波無線システムはマルチパスフェージング環境下での無線伝送が前提となるため、フェージングによる受信信号の位相回転やレベル変動によって搬送波の位相ノイズの推定精度が著しく低下する場合があるのに対し、信号処理ループのなかに等化器が組み込まれることで、フェージング環境下における搬送波の位相ノイズの推定精度が向上し、延いては高い搬送波再生性能／復調性能が実現される。

第２の等化器２は、第２の位相回転器１６から出力される信号の周波数特性の劣化を補償する等化器である。第２の等化器２は、具体的には例えば判定帰還型等化器や線形等化器によって構成され、判定指向アルゴリズムやＣＭＡアルゴリズムに基づいてタップ係数を更新する機能を備える。

第２の搬送波再生ループ３は、第３の位相回転器３１、第２の検出器３２、第２のＬＰＦ３３、第２のＮＣＯ３４、第４の位相回転器３５、および第２の遅延回路３６を含み、第３の位相回転器３１へと入力される信号に対して搬送波再生処理を行うための仕組みである。

第３の位相回転器３１は、入力される信号の位相を回転する回転器・乗算器であり、第２のＮＣＯ３４から出力される位相回転制御信号に基づいて、入力される信号の位相を回転する。

第３の位相回転器３１は、具体的には、第２の等化器２から出力される同相成分Ｉｃｈの信号および直交成分Ｑｃｈの信号の入力を受け、前記同相成分Ｉｃｈおよび直交成分Ｑｃｈの信号のそれぞれに対して、第２のＮＣＯ３４から出力される位相回転制御信号としての正弦波および余弦波に基づいて位相回転を行う。

第２の検出器３２は、第３の位相回転器３１から出力される信号に含まれる位相誤差を検出して出力する位相誤差検出器である。位相誤差には、位相の回転方向（即ち、進み方向か遅れ方向か）と位相誤差量（即ち、回転量）とが含まれる。

第２のＬＰＦ３３は、第２の検出器３２によって検出された位相誤差の高周波成分を、所定の帯域幅（言い換えると、カットオフ周波数）に応じて除去するフィルタであり、具体的にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）によって構成される。

第２のＬＰＦ３３の帯域幅は、第１のＬＰＦ１４の帯域幅よりも広く設定されることが好ましい。第２のＬＰＦ３３の帯域幅と第１のＬＰＦ１４の帯域幅との間の関係は、第２のＬＰＦ３３の帯域幅の方が第１のＬＰＦ１４の帯域幅よりも広い方が好ましいものの、特定の関係に限定されるものではなく、搬送波再生ループの処理が発散しないことが考慮されるなどしたうえで、適当な関係に適宜設定される。第２のＬＰＦ３３の帯域幅は、例えば、熱雑音が小さく発散し難いと考えられる場合には第１のＬＰＦ１４の帯域幅の１．５～２．０倍程度に設定されることが考えられ、熱雑音が大きく発散し易いと考えられる場合には第１のＬＰＦ１４の帯域幅の１．０～１．５倍程度に設定されることが考えられる。

第２のＮＣＯ３４は、第２のＬＰＦ３３によって高周波成分が除去された位相誤差に基づいて位相回転制御信号を生成する機器であり、数値制御発振器（ＮＣＯ）によって構成される。

第２のＮＣＯ３４は、具体的には、第２のＬＰＦ３３から出力される位相誤差に基づいて逆位相の正弦波および余弦波を生成して、生成した前記逆位相の正弦波および余弦波を位相回転制御信号として第３の位相回転器３１へと出力して該第３の位相回転器３１による位相回転を制御するとともに、前記逆位相の正弦波および余弦波を位相回転制御信号として第４の位相回転器３５へも出力する。

第４の位相回転器３５は、入力される信号の位相を回転する回転器・乗算器であり、第２のＮＣＯ３４から出力される位相回転制御信号に基づいて、入力される信号の位相を回転する。

第４の位相回転器３５は、具体的には、第２の等化器２によって周波数特性の劣化が補償されたうえで（即ち、線形歪などが解消されたうえで）第２の検出器３２によって検出された位相誤差に基づいて第２のＮＣＯ３４から出力される位相回転制御信号としての正弦波および余弦波に基づいて、第２の遅延回路３６から出力される信号の位相回転を行う。

第２の遅延回路３６は、第２の等化器２から出力されて第３の位相回転器３１へと入力される信号を主に第３の位相回転器３１から第２のＮＣＯ３４までの処理時間の合計に相当する時間だけ遅延させた信号を生成して第４の位相回転器３５に対して出力する。

上記のように、第２の搬送波再生ループ３は、信号処理ループのなかに等化器が組み込まれていないので、信号処理ループ内の遅延量が第１の搬送波再生ループ１と比べて小さいため、位相誤差の推定精度が向上する。さらに、第２の搬送波再生ループ３における第２のＬＰＦ３３の帯域幅を第１の搬送波再生ループ１における第１のＬＰＦ１４の帯域幅よりも広く設定することにより、位相ノイズを補償できる帯域を広げることが可能となる。すなわち、前段の第１の搬送波再生ループ１によって位相ノイズの第１段階の補償が既に行われているので、第２段階の補償としては、搬送波再生ループの処理を発散させないことに留意しても、第１のＬＰＦ１４の帯域幅よりも広く設定して位相ノイズを補償できる帯域を広げることが可能となる。

上記のような搬送波再生回路の作用効果の検証例として、位相変動の補償前後の位相誤差を図２に示す。図２に示す結果から、補償前（即ち、第１の位相回転器１１へと入力される信号）は同図（Ａ）に示すように位相誤差が大きく変動しているのに対し、この発明に係る搬送波再生回路による補償後は同図（Ｂ）に示すように残留位相誤差が大幅に少ないことが確認される。

上記のような搬送波再生回路の作用効果の他の検証例として、位相変動の補償手法の違いによる符号誤り率（ＢＥＲ：Ｂit Ｅrror Ｒate の略）の違いを図３に示す。図３では、４０９６ＱＡＭにおける従来手法の符号誤り率とこの発明に係る搬送波再生回路の符号誤り率とを示す。図３に示す結果から、従来手法に対して、この発明に係る搬送波再生回路の符号誤り率が改善していることが確認され、特に搬送波対雑音比（ＣＮＲ：Ｃarrer－to－Ｎoise Ｒatio の略）が大きい領域において符号誤り率が大きく改善していることが確認される。

上記のような搬送波再生回路によれば、信号処理ループのなかに第１の等化器１２が組み込まれている第１の搬送波再生ループ１に加えて信号処理ループのなかに等化器が組み込まれていない第２の搬送波再生ループ３を有するようにしており、第２の搬送波再生ループ３は、信号処理ループのなかに等化器が組み込まれていないので、信号処理ループ内の遅延量が第１の搬送波再生ループ１と比べて小さいため、位相誤差の推定精度が向上し、延いては高い復調性能を実現することが可能となる。

上記のような搬送波再生回路によれば、また、第２の搬送波再生ループ３における第２のＬＰＦ３３の帯域幅を第１の搬送波再生ループ１における第１のＬＰＦ１４の帯域幅よりも広く設定するようにしているので、位相ノイズを補償できる帯域を広げることができ、延いては高い復調性能を一層確実に実現することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

例えば、上記の実施の形態では第１の搬送波再生ループ１と第２の搬送波再生ループ３との２つの搬送波再生ループを有するようにしているが、３つ以上の搬送波再生ループを有するようにしてもよい。すなわち、前段の搬送波再生ループから出力される信号の周波数特性の劣化を補償する等化器と、当該等化器から出力される信号に対して搬送波再生処理を行う搬送波再生ループであって等化器を含まない搬送波再生ループと、の組み合わせをさらに１つまたは複数有するようにしてもよい。

また、この発明の要点は、等化器を含む搬送波再生ループ（上記の実施の形態では、第１の搬送波再生ループ１）と、搬送波再生ループに組み込まれていない等化器（上記の実施の形態では、第２の等化器２）と、等化器を含まない搬送波再生ループ（上記の実施の形態では、第２の搬送波再生ループ３）と、を有することであり、等化器を含む／含まないに関係のない範囲での搬送波再生ループ１，３それぞれの具体的な態様／構成や搬送波再生ループ１，３それぞれを構成する機器や回路の具体的な構成は、上記の実施の形態における態様・構成に限定されるものではなく、個々の搬送波再生回路の例えば使用目的や使用環境が考慮されるなどしたうえで必要とされる信号処理の内容に合わせて適当な機序が適宜選択され組み合わせられて構成されるようにしてよい。

１ 第１の搬送波再生ループ
１１ 第１の位相回転器
１２ 第１の等化器
１３ 第１の検出器
１４ 第１のＬＰＦ
１５ 第１のＮＣＯ
１６ 第２の位相回転器
１７ 第１の遅延回路
２ 第２の等化器
３ 第２の搬送波再生ループ
３１ 第３の位相回転器
３２ 第２の検出器
３３ 第２のＬＰＦ
３４ 第２のＮＣＯ
３５ 第４の位相回転器
３６ 第２の遅延回路

Claims (2)

1. 入力される信号に対して搬送波再生処理を行う第１の搬送波再生ループと、
   前記第１の搬送波再生ループから出力される信号の周波数特性の劣化を補償する第２の等化器と、
   前記第２の等化器から出力される信号に対して搬送波再生処理を行う第２の搬送波再生ループと、を有し、
   前記第１の搬送波再生ループが当該第１の搬送波再生ループへと入力される信号の周波数特性の劣化を補償する第１の等化器を含み、
   前記第２の搬送波再生ループが等化器を含まず、
   前記第１の搬送波再生ループが第１のＬＰＦを含むとともに前記第２の搬送波再生ループが第２のＬＰＦを含み、
   前記第２のＬＰＦの帯域幅が前記第１のＬＰＦの帯域幅よりも広く設定される、
   ことを特徴とする搬送波再生回路。
2. 前段の搬送波再生ループから出力される信号の周波数特性の劣化を補償する等化器と、当該等化器から出力される信号に対して搬送波再生処理を行う搬送波再生ループであって等化器を含まない搬送波再生ループと、の組み合わせをさらに１つまたは複数有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の搬送波再生回路。