(57)【要約】      （修正有）【課題】シンプルなハード構成で、無線通信機器に組み込まれているソフトウェアのみを書き換えることによって、複数の変調方式を切替ることを可能とするソフトウェア無線システムを実現する。【解決手段】ソフトウェア無線システムは、送信側にてデータを周波数変調信号、または位相変調信号として送信し、受信側にてバンドパスフィルタ（BPF）に通して伝送路雑音により生じた余分な周波数をカットし、リミタに通して伝送路雑音により生じた余分な振幅をカットし、周波数弁別器を通過し受信信号の周波数を振幅に変換しその瞬間の周波数に比例した出力を得て、ローパスフィルタ（LPF）に通して高周波成分を取り除く。LPF通過後の出力は、積分器にて一定のビット長ごとに積分され、判定器にてその積分結果を用いることによって、送信信号がどの変調方式で処理されたかを判定可能とする。【選択図】図２
2010136120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
FSK（Frequency Shift Keying）変調またはPSK（Phase Shift Keying）変調された送信データに対して、周波数弁別器、バンドパスフィルタ（BPF）、リミタ、ローパスフィルタ（LPF）、積分器、判定器で構成された通信端末を用いて、送信データがFSK（Frequency Shift Keying）変調で処理されたかを判定可能とするソフトウェア無線システム。
【請求項２】
FSK（Frequency Shift Keying）変調またはPSK（Phase Shift Keying）変調された送信データに対して、周波数弁別器、バンドパスフィルタ（BPF）、リミタ、ローパスフィルタ（LPF）、積分器、判定器で構成された通信端末を用いて、送信データがPSK（Phase Shift Keying）変調で処理されたかを判定可能とするソフトウェア無線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来ハードウェアにより実現していた無線通信機器の機能の一部を、ソフトウェアに置き換えることによって、内蔵ハードウェアを変更せず組み込みソフトウェアを書き換えることによって所望の機能を実現可能とするソフトウェア無線（ソフトウェアラジオ）技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信の実用化以来、多くの機能はハードウェアにより実現されてきたが、ハードウェアによりそうした機能を実現するためには、基本的には機能に対応した機構，電子回路が必要になり、端末サイズの肥大化に繋がっていた。さらに、コストの点でも同様の問題を抱えていた。しかし、従来のハードウェアに代わってソフトウェアによって実現できるならば、面倒な作業をすることなく、簡単に新たな機能を追加や変更することができるという利点がある。また、場合によっては、より小型かつ低コストとなることも予想される。このような情勢から昨今、従来は全てハードウェアにより実現していた無線通信機器の機能の一部を、ソフトウェアに置き換えたソフトウェア無線（ソフトウェアラジオ）技術の研究、開発が行われている。ユーザにとって、このソフトウェア無線技術が実装されることのメリットは、電子回路（ハードウェア）に変更を加えることなく、無線回線を介した無線ダウンロードにより、制御ソフトウェアを変更することによって、所望の機能を入手できることにある。また、この無線ダウンロードにより、従来の携帯端末を用いた移動通信サービスでは考えられなかった、様々な新しいサービスが期待できる。
【０００３】
ところで近年、多数の無線システムの間で連携を図りながら、無線通信システムの高度化を狙おうとするコグニティブ無線技術が注目を浴びている。コグニティブ無線の原点は、端末や基地局などの無線機に周辺の電波環境を認識、認知する機能を持たせることにある。認識、認知した電波環境に応じて、無線通信に利用する周波数や方式などを無線機が自ら選択して、周波数の利用効率を高めようとするのが狙いである。現在、コグニティブ無線の具体的な実現形態は明確になっていないが、研究者の間では核となるコンセプトが固まりつつある。それは、時間、周波数、空間の資源を複数の無線通信システムが適応的に利用できるようにするというものである。
【０００４】
一例としては、ある時刻において全く使用しない周波数帯を別の無線システムが利用する。あるいは、その地域で使われていない放送用途の周波数を無線LAN端末が自ら探し出して利用する。さらに、遠く離れた山間部と海岸部で同一の周波数帯を別の通信システムで利用する、などである。このコグニティブ無線を実現する際にも基盤技術の一つとなるのが、ソフトウェア無線技術といえる。本発明は、このソフトウェア無線技術に関する発明提案である。
【０００５】
図１（別紙）に典型的なソフトウェア無線システムの構成を示す（非特許文献１）。ソフトウェア無線システムでは、まずアナログ信号である無線信号をソフトウェアで処理するため、アナログ/ディジタル（A/D）変換器、ディジタル/アナログ（D/A）変換器が必要となる。そして、従来専用のアナログ回路やディジタル回路で構成されていた無線機を、たとえばマイクロプロセッサ（CPU）やディジタル信号処理プロセッサ（DSP）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）などのプログラマブルなディジタル回路を用いて構成し、無線機能をソフトウェアにより実現する。しかし、マイクロプロセッサやA/D変換器の性能には限界があり、無線機の全てがディジタル回路で構成されるわけではなく、アンテナを含む高周波（RF）部は従来どおりアナログ回路で構成され、周波数、送信電力、フィルタ特性など可変にできるマルチバンドRF回路が必要となる。また、送受信にはマルチバンドアンテナを必要とする。
【０００６】
CPUやDSPの能力は年々高まっているが、高演算能力と低消費電力の両立は達成されていない。ソフトウェア処理では、アーキテクチャが固定されているため、処理が多くなれば、より高速のクロック周波数のデバイスが必要となり、消費電力は格段に大きくなる。高演算容量のMPUやDSPを用いた場合、一般に消費電力がワット級と非常に大きくなり、現状ではバッテリー駆動する携帯端末への適用は困難となる。一方、FPGAでは必要なアプリケーションごとに機能を構築できるが、処理が多くなれば、大規模なデバイスが必要となり、また処理を分割して毎回回路を構築すると再構築時間も長くなるという問題もある。
【０００７】
以上、一般的なソフトウェア無線システムを実現するには、プログラマブルな信号処理デバイス、周波数を変更可能なマルチバンドRF回路、マルチバンドアンテナなどが必要となるが、所望の機能実現、システムの簡素、小型化や低コスト化を実現に向けて、各々のデバイスに対して課題が存在するのが現状である。先行文献としては、
【特許文献１】、
【特許文献２】、
【特許文献３】などが挙げられる。
【０００８】
ソフトウェア無線技術の適用分野としては、移動体通信、固定通信、衛星通信、無線LAN、軍事通信、放送、ITS、ホームネットワーク、家電、電波監視、計測、レーダ、リモートセンシングなど多岐にわたる。
【非特許文献１】中嶋 信生、無線技術とその応用４  新世代ワイヤレス技術、丸善、平成16年3月25日発行
【特許文献１】特開2007-295241 ソフトウェア無線システム
【特許文献２】特開2006-246151 ソフトウェア無線システム
【特許文献３】特開2005-208961 ソフトウェア無線システム
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在、多くの無線通信機器において状況や用途に応じて、様々なディジタル変復調方式が採用されている。送信メッセージが音声波形のようなアナログ波形の場合には、ナイキスト周波数で音声波形を標本化し、量子化、符号化して、符号”0”と”1”のディジタル符号系列に変換する。送信機では、このディジタル符号系列により搬送波を変調して通信路に送信する。このような変調方法をディジタル変調という。ここで、変調とはアナログ同様、送信信号を異なる周波数帯域に移動させることである。
【００１０】
ディジタル変調の分類方法が存在するが、ここでは線形変調と非線形変調という分類に着目する。変調操作において基底帯域（ベースバンド）信号を搬送波周波数帯域（バンドパス）信号へ移動する際に、スペクトル形状を保持する変調方式を線形変調といい、ASK（Amplitude Shift Keying）変調、PSK（Phase Shift Keying）変調などがある。一方、スペクトル形状が変化する変調方式を非線形変調といい、FSK（Frequency Shift Keying）などがある。
【００１１】
従来の無線通信機器は、通信方式つまり変復調方式ごとに専用のハードウェア（通信処理用回路）を要するため、１つの端末で搭載されている通信方式は基本的に１つであった。携帯電話を例にとると、次世代機種への移行や国際ローミングなど新規格が登場すると、それまでの設備や端末が流用できない場合が通例であった。
【００１２】
そこで、汎用的なハードウェアに対して、そこに組み込まれているソフトウェアのみを変更することによって、従来ハードウェアが担っていた処理をソフトウェアに置き換えることができれば、ハードウェア端末を変えることなく、所望の機能を入手することができる。例えば、新しい通信方式が登場しても、ハードウェア端末に変更されたソフトウェアだけを組み込めば、使用可能となる。また、端末の小型化、システムの簡素化や低コスト化なども期待できる。このようなソフトウェア無線システムを実現することは利点が多い。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記で述べた問題点に対して、ソフトウェア無線システムの機能として、一つのハードウェアで複数の変調方式を切替える方法に着目する。具体的には、線形変調である位相変調（PSK）と非線形変調である周波数変調（FSK）の変調方式の自動判別を可能とする。
【００１４】
用いるデバイスは、従来一般的なソフトウェア無線器に用いられるデバイスを使わず、主要部品として周波数弁別器を利用したシンプルなソフトウェア無線システムを発明提案する。周波数弁別器とは、入力信号の瞬時周波数に比例した出力電圧を得る回路であり、受信信号の周波数を振幅に変換するのに利用する。
【００１５】
発明提案するシステム構成を図２に示す。送信側では、データを周波数変調信号、または位相変調信号として送信する。
【００１６】
受信側では、以下の処理を行う。送信側からデータを周波数変調信号、または位相変調信号を受取り、バンドパスフィルタ（BPF）に通して伝送路雑音により生じた余分な周波数をカットし、リミタに通して伝送路雑音により生じた余分な振幅をカットする。
【００１７】
周波数弁別器を通過し、受信信号の周波数を振幅に変換する。結果、その瞬間の周波数に比例した出力を得て、ローパスフィルタ（LPF）に通して、高周波成分を取り除く。さらに積分器にて、データを一定のビット長ごとに積分し、判定器にて、積分して得た結果を用いてどの変調方式であるか判定する。
【００１８】
周波数変調信号を受信したと判定した場合は、その復調処理を行い、位相変調信号を受信したと判定した場合は、その復調処理を行わない。以上より、送信信号が位相変調（PSK）と周波数変調（FSK）のどちらの変調方式で処理されたかが判定可能となる。変調方式が決まれば復調方式は自ずと決定できるので、結果的に１つの端末で複数の通信方式を切り替えることが可能となる。
【００１９】
周波数弁別器の構成を図３に示す。周波数弁別器内部では受信信号を２つに分割し、各々のフィルタ（フィルタL、フィルタH）に通す。これらのフィルタは、異なる通過帯域を持ったバンドパスフィルタ（BPF）であり、周波数特性を図４に示す。フィルタLでは周波数ｆL付近の低い周波数が通され、フィルタHでは周波数ｆH付近の高い周波数が通される。各々のフィルタを通った信号に対して、出力の絶対値の差を求め、それを出力とする。従って、周波数弁別器全体としての周波数特性は、図５のようになる。各々のフィルタのｆLとｆHが直線になっているため、入力信号の周波数と周波数弁別器の出力が比例関係になることが読み取れる。
【００２０】
発明提案する周波数弁別器を用いた、受信信号の変調方式の自動判別方法について述べる。受信側に入力された周波数変調信号を図６に、位相変調信号を図８に示す。周波数弁別器を通過した周波数変調信号を図７に、位相変調信号を図９に示す。図７から周波数変調信号の場合は、高周波成分と低周波成分が振幅として取り出されているため、各サンプル値が大きい。
【００２１】
一方、図９から位相変調信号の場合は、周波数弁別器特性の中間周波数f0 が周波数成分として取り出されるため、各サンプル値が小さい。そこで、一定のビット長ごとに積分器で積分を行う。
【００２２】
図１０に誤り率（SNR）に対する各ビット長の積分値を表したものである。図１０から、誤り率（SNR）が低い部分では、周波数変調信号、位相変調信号は雑音の影響により一定値に収束するが、誤り率（SNR）が高い部分では、周波数成分の振幅の影響が顕著に現われる。この事実を利用して、判別器にて周波数変調信号と位相変調信号の収束付近に閾値をとり、信号の判定を行う。
【発明の効果】
【００２３】
従来、２つの変調方式（FSKとPSK）を実装するには、各々のハードウェアを用意しなければならなかった。本発明提案では、周波数弁別器を利用した変調方式（FSKとPSK）の自動判別を可能とするソフトウェア無線システムを提案し、一つのハードウェアでその中のソフトウェアを書き換えることで同等の機能を実現できる。機能の拡張をソフトウェア変更によって実現可能なため、製造、量産の面で従来のハードウェアによる方法より有利である。また、従来の一般的なソフトウェア無線システムよりシンプルなハード構成でソフトウェア無線を実現可能としており、小型化、低消費電力化などの特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施例として、計算機シミュレーションを行い、発明方式の有効性、最良の形態について検証する。シミュレーション方法について述べる。まず、送信側で情報ビットとして0と1のランダムな数値を発生させ、それを周波数変調（FSK）または位相変調（PSK）を行う。その際、受信側で用いる周波数弁別器のバンドパスフィルタ（BPF）の周波数通過帯域は既知とするので、送信側の位相変調（PSK）の中心周波数はf0とする。周波数変調（FSK）は、高周波数ｆHと低周波数ｆLとの変調指数が0.3となるように周波数を定める。
各々の変調信号における１ビットあたりのサンプリング数は200個とする。判別の際に判定器にかける一定のビット長は10ビットとする。つまり、10ビットの情報信号を判定器に通し、受信信号の材料とする。通信路では、加法性白色雑音（AWGN）通信路を想定し、ガウス雑音を付加する。
【００２５】
上記のシミュレーション方法に基づいたシミュレーション結果について述べる。周波数変調信号、位相変調信号の判定誤り率を計算機シミュレーションによって測定結果を図１２に示す。誤り率（SNR）が高い部分では、変調信号の判別性能が良く、誤り率（SNR）が低い部分では、変調信号の判別が困難になっている。しかし、システム全体の変調信号の判別能力は、実用上問題がないと判断でき、発明方式の有効性が示せた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術における一般的なソフトウェア無線システムのシステム構成図である。
【図２】発明したソフトウェア無線システムのシステム構成図である。
【図３】発明したソフトウェア無線システムに用いた周波数弁別器の構成図である。
【図４】発明したソフトウェア無線システムの周波数特性を示す図である。
【図５】発明したソフトウェア無線システムに用いた周波数弁別器の周波数特性を示す図である。
【図６】発明したソフトウェア無線システムのシステムに入力された周波数変調信号である。
【図７】発明したソフトウェア無線システムのシステムにおいて、周波数弁別器から出力された周波数変調信号である。
【図８】発明したソフトウェア無線システムのシステムに入力された位相変調信号である。
【図９】発明したソフトウェア無線システムのシステムにおいて、周波数弁別器から出力された位相変調信号である。
【図１０】発明したソフトウェア無線システムのシステムにおいて、誤り率（SNR）に対する各ビット長の積分値を表した図である。
【図１１】発明したソフトウェア無線システムのシステムに対して、周波数変調信号、位相変調信号の判定誤り率を計算機シミュレーションによって測定した図である。
【図１】
2010136120.tif 000003
【図２】
2010136120.tif 000004
【図３】
2010136120.tif 000005
【図４】
2010136120.tif 000006
【図５】
2010136120.tif 000007
【図６】
2010136120.tif 000008
【図７】
2010136120.tif 000009
【図８】
2010136120.tif 000010
【図９】
2010136120.tif 000011
【図１０】
2010136120.tif 000012
【図１１】
2010136120.tif 000013