(57)【要約】      （修正有）【課題】データ長が奇数であり且つ左右対称性のある信号の離散フーリエ変換(DFT)演算処理の負荷を低減する演算処理装置を提供する。【解決手段】データ長N（Nは奇数）であって且つ(N-1)/2番目のビットデータを中心に左右対称性を有するデータ信号x(n)(n=0,…,N-1)を(N+1)/2ビット分シフトさせ、該シフトさせたデータ信号x’(n)を離散フーリエ変換演算し、離散フーリエ変換後のデータ信号X(k)(k=0,…,N-1)を求める。【選択図】図１
2010152768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ長N（Nは奇数）であって且つ(N-1)/2番目のビットデータを中心に左右対称性を有するデータ信号x(n)(n=0,…,N-1)を(N+1)/2ビット分シフトさせるシフト手段と、
前記シフト手段によりシフトさせたデータ信号x’(n)を離散フーリエ変換演算し、離散フーリエ変換後のデータ信号X(k) (k=0,…,N-1)を求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする演算処理装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記演算手段は、kを角度成分に含む余弦関数による回転因子を用いて離散フーリエ変換演算を行うことを特徴とする演算処理装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記演算手段は、離散フーリエ演算後のデータ信号X(k) (k=1,…,(N-1)/2)と離散フーリエ変換後のデータ信号X(N-k) (k=1,…,(N-1)/2)を同一の値として求め、いずれか一方のみを離散フーリエ変換演算により求めることを特徴とする演算処理装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記演算手段は、前記余弦関数の絶対値が＋１とならないkのうち、該絶対値が＋１に近い順に所定数のkに対応する余弦関数を＋１又は−１に近似することを特徴とする演算処理装置。
【請求項５】
データ長Nビット（Nは奇数）であって且つ(N-1)/2番目のビットデータを中心に左右対称性を有するデータ信号x(n)(n=0,…,n-1)を用いてランダムアクセスチャネルを送信する無線通信装置において、
前記データ信号x(n)を(N+1)/2ビット分シフトさせるシフト手段と、
該シフトさせたデータ信号x’(n)を離散フーリエ変換演算し、離散フーリエ変換後のデータ信号X(k) (k=0,…,N-1)を求める離散フーリエ変換演算手段と、
離散フーリエ変換演算後のデータ信号X(k)を位相回転させる演算を行う位相回転演算手段と、
を備えることを特徴とする無線通信装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記離散フーリエ変換演算手段は、kを角度成分に含む余弦関数による回転因子を用いて離散フーリエ変換演算を行うことを特徴とする無線通信装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記離散フーリエ変換演算手段は、離散フーリエ演算後のデータ信号X(k) (k=1,…,(N-1)/2)と離散フーリエ変換後のデータ信号X(N-k) (k=1,…,(N-1)/2)を同一の値として求め、いずれか一方のみを離散フーリエ変換演算により求めることを特徴とする無線通信装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記離散フーリエ変換演算手段は、前記余弦関数の絶対値が＋１とならないkのうち、該絶対値が＋１に近い順に所定数のkに対応する余弦関数を＋１又は−１に近似することを特徴とする無線通信装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか１つにおいて、
前記データ信号x(n)(n=0,…,n-1)はZadoff-Chu系列であって、ランダムアクセスチャネルは、LTE(Long Term Revolution)システムにおける物理ランダムアクセスチャネル (Physical Random Access Channel)であることを特徴とする無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、離散フーリエ変換演算処理装置及びそれに適用される無線通信装置に関する。例えば、データ長Nビット（Nは奇数）であって且つ(N-1)/2番目のビットデータを中心に左右対称性を有するデータ信号を離散フーリエ変換演算した送信信号を送信する無線通信装置の離散フーリエ変換演算処理装置に好適である。
【背景技術】
【０００２】
第3世代携帯電話方式を進化させた次世代移動通信方式であるLTE(Long Term Revolution)は、現在3GPP(3rd Generation Partnership Project)によりその標準化が進められている。3GPPでは、LTEは、現在下りリンク(Downlink)確立後、上りリンク(Uplink)確立のために、移動端末から無線基地局へのランダムアクセスチャネルとして、PRACH(Physical Random Access Channel：物理ランダムアクセスチャネル)を送信し、このPRACHに系列長=839のZadoff-Chu系列を用いることが規定されている（3GPP TS36.211 V8.4.0 5.7 Physical random access channel）。Zadoff-Chu系列は、データ長が奇数であり且つ左右対称性のある信号である。
【０００３】
そのため、移動端末は、系列長=839のZadoff-Chu系列を生成し、それを時間領域でリンク毎に決められるシフト量によるサイクリックシフト処理した後に、Zadoff-Chu系列の839点をDFT(Descrete Fourier Transform：離散フーリエ変換)処理する。なお、移動端末は、DFT処理された信号を、その後、PRACHをサブキャリアにマッピングするサブキャリアマッピング処理、周波数領域から時間領域に変換するIFFT(Inverse Fast Fourier Transform)処理、CP(Cyclic Prefix)を挿入するCP挿入処理してPRACHを生成し、無線基地局へ送信する。
【０００４】
ここで、Zadoff-Chu系列は以下の式で表される。
【０００５】
2010152768.tif 000003
また、Zadoff-Chu系列のDFT処理の演算処理は以下の式で表される。
【０００６】
2010152768.tif 000004
【非特許文献１】3GPP TS36.211 V8.4.0 5.7 Physical random access channel
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記(2)式から明らかなように、(2)式のDFT演算処理では、N(N-1)回の複素乗算を行うこととなる。複素乗算1回には4回の実数乗算を実行することとなり、総実数乗算回数は4N(N-1)回となる。PRACHの送信に系列長=839のZadoff-Chu系列を用いる場合、N=Nzc=839であるから、PRACH送信の際にDFT処理で実行される総実数乗算回数は、
総実数乗算回数 = 4 x 839 x (839-1) = 2,812,328回
となり、膨大な量の乗算をすることとなる。そのため、演算回路の規模が増大し、また、演算処理時間、消費電力の面で非常に負荷が大きい。
【０００８】
そこで、本開示の目的は、例えばZadoff-Chu系列のようなデータ長が奇数であり且つ左右対称性のある信号のDFT演算処理の負荷を低減することができるDFT演算処理装置及びそれを搭載する無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施例の一態様では、データ長N（Nは奇数）であって且つ(N-1)/2番目のビットデータを中心に左右対称性を有するデータ信号x(n)(n=0,…,N-1)を(N+1)/2ビット分シフトさせ、該シフトさせたデータ信号x’(n)を離散フーリエ変換(DFT)演算し、離散フーリエ変換後のデータ信号X(k) (k=0,…,N-1)を求める。
【発明の効果】
【００１０】
データ長N（Nは奇数）であって且つ(N-1)/2番目のビットデータを中心に左右対称性を有するデータ信号の離散フーリエ変換演算における実数乗算処理を大幅に削減することができる。また、処理時間の短縮（高速化）、消費電力の削減、回路規模の削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本開示の装置の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本開示の装置の技術的範囲を限定するものではない。
【００１２】
本実施の形態例では、LTE(Long Term Revolution)システムにおいて、PRACH(Physical Random Access Channel)を送信する無線通信装置である移動端末が、Zadoff-Chu系列をDFT演算処理する場合について例示する。
【００１３】
本実施の形態におけるDFT演算処理は、Zadoff-Chu系列の左右対称性を利用して演算処理量を削減する。本DFT演算処理の原理について以下に説明する。
【００１４】
（Ａ）(Nzc+1)/2点分の固定シフト量によるサイクリックシフト
図１は、本実施の形態におけるDFT演算処理の原理を説明する図であり、Zadoff-Chu系列の固定シフト量分のサイクリックシフトを示す図である。
【００１５】
(1)式より、Zadoff-Chu系列はx（(Nzc-1)/2）の点を中心に左右対称であることが分かる。
【００１６】
2010152768.tif 000005
すなわち、図１（ａ）に示すように、x(419)を中心に左右対称の値は同一の値となり、例えば、x(418)=x(420)であり、x(0)=x(838)である。x(419)のみ同一の値となるペアが存在しない。
【００１７】
これを(Nzc+1)/2点分前方にサイクリックシフトする。本来やろうとしているサイクリックシフトは無線基地局との間で確立されたリンクに応じて変動する任意のシフト量になるが、ここでは処理削減のため(Nzc+1)/2点分の固定のシフト量でサイクリックシフトを行う。本来のサイクリックシフトはDFT後に周波数領域で行うことにする。
【００１８】
2010152768.tif 000006
Nzc=839だから
2010152768.tif 000007
(4)式に従って、420点分のサイクリックシフトを行うと、420点分のサイクリックシフト後の系列x’(n)は、図１（ｂ）に示すように、x’(1)〜x’(838)の範囲でx’(419)とx’(420)を境に左右対称となる（(5)式参照）。すなわち、x’(419)= x’(420)（x’(419)は元のx(838)であり、x’(420)は元のx(0)に相当）、x’(1)= x’(838) （x’(1)は元のx(420)であり、x’(838)は元のx(418)に相当）となる。ただし、x’(0)だけは対称なデータが存在しない（x’(0)は元のx(419)に相当するため）。
【００１９】
2010152768.tif 000008
（Ｂ）(Nzc+1)/2点分の固定シフト量によるサイクリックシフトのDFT演算処理
(Nzc+1)/2点分の固定シフト量によるサイクリックシフト後の系列x’(n)をDFTする。(2)式よりDFT後の信号X(k)は、
2010152768.tif 000009
となる。
【００２０】
ここで、回転因子の項をみると
2010152768.tif 000010
である。
【００２１】
(5)式と(7)式より、(6)式は以下のように変形できる。
【００２２】
2010152768.tif 000011
k=0のときcosの項は1になる。
また、
2010152768.tif 000012
であるから、
2010152768.tif 000013
2010152768.tif 000014
となり、DFTの処理量を大幅に削減することができる。
【００２３】
上記(10)式に基づいてDFT演算処理を行うと、係数は２倍となるが、複素乗算行われず、さらに、k=419と半減することから、実数乗算回数は
2010152768.tif 000015
となる。したがって、従来の方法と比較して演算処理量が削減される。
【００２４】
（ｃ）cosθの近似
(10)式のcosの()内の項(2πnk/839)の値が0あるいはπ近辺の場合、cos(2πnk/839)は±1に非常に近くなる。このような場合はcos(2πnk/839)を±1で近似してしまう。±1で近似すると、ハードウェアの処理としてはスルー(+1)か符号反転(-1)ですむことになり、さらに乗算回数を削減することができる。ただし、信号の品質劣化を防ぐため、近似を行う範囲を制限することが好ましい。
【００２５】
図２は、cosθの近似と信号の劣化との関係を示す図である。(10)式のcosの項は、
cos(2πm/839), m=1,2,・・419
の419通りの値をとり得る。
【００２６】
mが1に近いときcos(2πm/839)は+1に非常に近くなり、mが419に近いときcos(2πm/839)は-1に非常に近くなる。この場合は±1で近似してもほとんど信号は劣化しない。しかしmが1あるいは419から離れるにつれて、±1で近似した時の信号の劣化は大きくなる。
【００２７】
図２では、横軸に±1に近似したcosθの数（cosθの絶対値（|cosθ|）が+1に近い方から近似していく）、縦軸に信号の劣化をEVM(Error Vector Magnitude)で表している。図２より、近似による劣化がEVM=1.0％まで許容すれば、419通りのcosθのうち絶対値±1に近い方から70個程が±1で近似することができる。この場合、乗算処理は70/419x100=16.7%程削減できることとなる。
【００２８】
さらに、劣化を14%まで許容すれば、約210個のcosθを±1で近似することができ、乗算処理は210/419x100=50.1%程度（約半分）まで削減できることとなる。
【００２９】
以上の近似を用いたDFT演算処理を実行する無線通信装置のPRACH送信部の構成について説明する。
【００３０】
図３は、本実施の形態における無線通信装置の概略構成例を示す。無線通信装置は、ベースバンド処理部１及び無線送信部２を備え、ベースバンド処理部１は、送信信号のデジタル変調などのベースバンド処理を行い、PRACH送信部はベースバンド処理部１の機能である。無線送信部２は、デジタル信号をアナログ信号に変換し、アンテナ３から無線信号として送信する。
【００３１】
図４は、本実施の形態における無線通信装置のPRACH送信部のブロック構成図である。PRACH送信部は、系列長=839のZadoff-Chu系列を生成するZadoff-Chu系列生成部１０、時間領域で420点固定のシフト量でサイクリックシフトを行う固定サイクリックシフト部２０、上述した近似を用いたDFT演算を行うDFT演算部３０、周波数領域でのサイクリックシフトを行う位相回転部４０、PRACHをサブキャリアにマッピングするサブキャリアマッピング部５０、周波数領域から時間領域に変換するIFFT部６０、CP(Cyclic Prefix)を挿入するCP挿入部７０を備える。
【００３２】
Zadoff-Chu系列生成部１０により生成されたZadoff-Chu系列は、時間領域でリンク毎に決められる個別のシフト量によりサイクリックシフトする必要があるが、本実施の形態では、420点固定のシフト量でサイクリックシフトを行い、その後DFT演算を行い、周波数領域に変換される。時間領域におけるサイクリックシフトは、周波数領域における位相回転に相当するため、本実施の形態では、位相回転部４０が、本来、時間領域で行われるリンク毎の個別シフト量によるサイクリックシフトに対応する処理として、位相回転処理を行う。
【００３３】
DFT処理後の信号は、420点固定のシフト量のサイクリックシフト処理を含んでいるので、位相回転部４０は、リンク毎の個別シフト量から420点固定のシフト量を差し引いたサイクリックシフト量を位相回転量に換算し、換算した位相回転量に基づいて位相回転処理を実行する。
【００３４】
周波数領域での位相回転は以下の式(11)で表される。
【００３５】
2010152768.tif 000016
ここで、
α：個別のシフト量
この処理には839回の複素乗算を実行することになるので、実数乗算回数は4 x 839 = 3,356回となる。時間領域でのサイクリックシフトを周波数領域の位相回転にすることで、乗算処理が増えてしまうが、その増加量は、DFTでの乗算回数削減量（約280万回→約35万回）に比べれば極めて小さいものであり、トータルとしての乗算回数は大幅に削減される。
【００３６】
図５は、PRACH送信部における固定サイクリックシフト部２０、DFT演算部３０、位相回転部４０の回路構成例を示す図である。固定サイクリックシフト部２０は、Zadoff-Chu系列生成部１０で生成されたZadoff-Chu系列（ZC系列と略する場合がある）の839点のデータ（I信号及びQ信号）を格納するZC系列格納メモリ２１の読み出し順序を420アドレス分シフトさせることで実現される。
【００３７】
DFT演算部３０は、上記(10)式の演算を実行するための、それぞれI信号及Q信号に対応する２つの乗算回路３１、積算回路３２、２倍回路（１ビットシフト回路）３３を備える。なお、x(0)は、回転因子cosθ=+1なので、乗算は不要である。また、上述したように、回転因子cosθを±1で近似する場合も乗算は不要となる。DFT演算処理されたデータ（I信号及びQ信号）は、DFT結果格納メモリ３４に格納される。
【００３８】
図６は、DFT演算部３０の演算処理フローチャートである。初期値として、k=0、n=1を設定する（S100、S102）。ZC系列格納メモリ２１からアドレス=nのデータを読み込む（S104）。S106において、k=0の場合は、乗算は行わない。k=0でない場合は、乗算回路３１により、回転因子乗算処理が行われ(S108)、続いて、積算回路３２により、前回までの積算値との積算処理が行われる（S110）。nを+1ずつカウントアップし(S114)、S104〜S110までの処理はn=419まで繰り返される（S112）。
【００３９】
n=419となると、１ビットシフト回路３３により積算された積算値を２倍するための１ビットシフト処理が行われ(S116)、さらに、DFT結果格納メモリ３４のアドレス:0(n=0)の値（x’(0)=x(419)に相当）を加算し、(10)式のX(k)の値を求める。
【００４０】
式(10)より、X(k)=X(839-k)であるので、求められたX(k)は、ZC系列結果格納メモリのアドレスk、839-kの両方に格納される（S120）。なお、X(0)は、アドレス:0にのみ書き込まれる。
【００４１】
S118で求められた積算値X(k)はクリアされ（S122）、kを+1ずつカウントアップし(S126)、S102〜S122までの処理はk=419まで繰り返される（S124）。
【００４２】
位相回転部４０は、DFT結果格納メモリ３４に格納された839点のデータ（I信号及びQ信号）を読み出し、上記式(11)の演算を実行するための複素乗算回路４１を備え、位相回転処理されたデータ(I信号及びQ信号)は、位相回転結果格納メモリ４２に格納され、サブキャリアマッピング部５０に送られる。
【００４３】
本実施の形態例では、Zadoff-Chu系列を用いる信号のDFT演算処理について例示したが、Zadoff-Chu系列に限られず、データ長が奇数であり且つ左右対称性の有する信号に、本実施の形態のDFT演算処理は適用可能である。
【００４４】
また、本実施の形態例では、LTEシステムの無線通信装置で実施されるDFT演算処理について例示したが、適用される装置はこれに限られず、データ長が奇数であり且つ左右対称性の有する信号をDFT演算処理する他の装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態におけるDFT演算処理の原理を説明する図である。
【図２】cosθの近似と信号の劣化との関係を示す図である。
【図３】本実施の形態における無線通信装置の概略構成例を示す図である。
【図４】本実施の形態における無線通信装置のPRACH送信部のブロック構成図である。
【図５】PRACH送信部における固定サイクリックシフト部２０、DFT演算部３０、位相回転部４０の回路構成例を示す図である。
【図６】DFT演算部３０の演算処理フローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０：Zadoff-Chu系列生成部、２０：固定サイクリックシフト部、２１：ZC系列格納メモリ、３０： DFT演算部、３１：乗算回路、３２：積算回路、３３：１ビットシフト回路、３４：DFT結果格納メモリ、４０：位相回転部、４１：位相回転結果格納メモリ、５０：サブキャリアマッピング部、６０：IFFT部、７０： CP挿入部
【図１】
2010152768.tif 000017
【図３】
2010152768.tif 000018
【図４】
2010152768.tif 000019
【図５】
2010152768.tif 000020
【図６】
2010152768.tif 000021
【図２】
2010152768.tif 000022