(57)【要約】  シンセサイザ２１から出力される直交復調器１４−１、１４−２に与えるローカル搬送波に、サブキャリアの帯域幅を単位として、サブキャリアの整数個分を周波数シフトするオフセットを乗算する。オフセットは、信号帯域のガードトーンに含まれる未使用のサブキャリアの数だけ０から順番に計数した値にサブキャリアの帯域幅を乗算した値とする。直交復調する際のローカル搬送波の周波数をオフセットでシフトすることにより、受信機の回路が有する周波数特性によってベースバンド信号のSNRの劣化が特定のサブキャリアの信号に恒常的に起きるのを防ぐ。特に、Pilot信号の劣化が恒常的におきることを防ぐことにより、信号の受信をより精度良く行うことが出来る。
2008111126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサブキャリアからなる信号を送受信するマルチキャリア通信の通信装置において、
復調のためのローカル搬送波を生成するローカル搬送波生成手段と、
サブキャリアの周波数間隔の定数倍の周波数オフセットをローカル搬送波に付加するオフセット付加手段と、
前記オフセットの定数を周期的に可変するオフセット可変手段と、
を備え、
周波数オフセットの付加されたローカル搬送波を用いて復調することを特徴とするマルチキャリア通信装置。
【請求項２】
前記オフセット可変手段は、
マルチキャリア信号の信号帯域の内、未使用のサブキャリアの数を最大値として、０から該最大値までのカウントアップを周期的に繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア通信装置。
【請求項３】
前記オフセット付加手段は、
ベースバンド信号のデジタル化に用いるクロック信号の周波数を、マルチキャリア信号の信号帯域内に含まれるサブキャリアの数で割ることにより、サブキャリアの周波数間隔を得、更に、これを定数倍することにより、周波数オフセットを生成することを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア通信装置。
【請求項４】
前記クロック信号の周波数は、マルチキャリア信号の信号帯域幅と同じ周波数であることを特徴とする請求項３に記載のマルチキャリア通信装置。
【請求項５】
前記オフセット付加手段は、
ローカル搬送波に、周波数オフセット分の周波数を有する周期波を乗算することによりローカル搬送波に周波数オフセットを与えることを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア通信装置。
【請求項６】
前記マルチキャリア通信においては、パイロット信号は、固定されたサブキャリアを用いて送信されることを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア通信装置。
【請求項７】
前記マルチキャリア通信においては、パイロット信号の送信に使われるサブキャリアは、時間の経過と共に異なるものとすることを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア通信装置。
【請求項８】
複数のサブキャリアからなる信号を送受信するマルチキャリア通信システムであって、
送信機は、
複数のサブキャリアからなる送信信号の搬送波に周波数オフセットを与える送信信号オフセット付加手段
を備え、
受信機は、
送信機からの信号を復調する復調手段と、
復調された信号を、周波数成分に変換し、各周波数成分に、送信機が与えた周波数オフセットを相殺するオフセットを与えて出力するオフセット相殺手段と、
を備える、
ことを特徴とするマルチキャリア通信システム。
【請求項９】
複数のサブキャリアからなる信号を送受信するマルチキャリア通信の通信方法において、
復調のためのローカル搬送波を生成し、
サブキャリアの周波数間隔の定数倍の周波数オフセットをローカル搬送波に付加し、
前記オフセットの定数を周期的に可変する、
ことを特徴とするマルチキャリア通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い通信帯域を用いるMulti-Carrier通信システムにおいて、設計での回避困難な通信機器固有の周波数特性による通信性能劣化の改善を図ったMulti-Carrier通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の搬送波を用いるMulti-Carrier通信では、送受信機にDC成分も含めた広い安定した周波数特性が要求される。更に、近年のシステムにおいては高いData Throughputを実現するために広い有効帯域、狭いSub-carrier間隔が求められている。このような要求を満足する為に、信号系に含まれるフィルター、RF素子などを安定した周波数特性で実現する必要がある。【０００３】
一般的にフィルターなどでの周波数歪みを抑制する措置を施すと、消費電力が増加する。また、DC付近での1/fノイズを抑制するにはSiGeなどの単価の高い半導体プロセスを用いた素子の製造が必要となり、システムとしてのコストを増大させる。【０００４】
図１に従来技術によるMulti-Carrier通信用の受信機を示す。
アンテナ１０にて受信される搬送波帯域受信信号は、送受信切り替えスイッチ１１、搬送波帯域用バンドパスフィルター１２、ローノイズアンプ１３を通り、Quadrature Demodulator（直交復調器）１４−１、１４−２において、局部発振器１９の出力をSynthesizer２１より周波数調整して生成され、移相器２２によって０°位相波と９０°位相波とされたローカル搬送波と乗算され、周波数変換される。また、局部発振器１９の出力は、PLL(Phase Locked Loop)２０により、周波数調整されたクロック信号として生成され、ADコンバータ１７−１、１７−２に与えられる。クロック信号は、ADコンバータ１７−１、１７−２において、サンプリング信号として使用される。クロック信号の周波数は、ベースバンド信号の帯域の２倍の周波数を使用する。その後、ローパスフィルタ１５−１、１５−２を通り、ベースバンド帯域信号が抽出される。その関係は以下の式にて表現される。なお、カッコつきのアルファベットは、その部分を通過する信号を意味する。
・アンテナ１０にて受信される搬送波帯域受信信号（（Ａ）の部分の信号）【０００５】
【数１】
2008111126.tif 000003
・Synthesizer２１にて生成されるローカル搬送波【０００６】
【数２】
2008111126.tif 000004
・Quadrature Demodulator１４−１、１４−２にて周波数変換された受信信号【０００７】
【数３】
2008111126.tif 000005
・ローパスフィルタ１５−１、１５−２通過後のベースバンド帯域信号【０００８】
【数４】
2008111126.tif 000006
ベースバンド帯域へ変換されたMulti-Carrier信号はVariable Gain Amplifier（可変利得増幅器）１６−１、１６−２を通過し、ADコンバータ１７−１、１７−２にてサンプリングされ、FFT部１８にてSub-carrier毎の情報へ変換される。図１右のd(0)〜d(N-1)：{d(n)=an+jbn}は、Sub-carrier毎の受信信号であり、Nは使用するSub-carrierの本数であり、FFTサイズと同一である。【０００９】
図２に、アンテナ１０にて受信されるMulti-Carrier通信受信信号のスペクトラムを示す。
各Sub-carrierは、搬送波周波数fc[Hz]を中心にfo[Hz]の周波数間隔で配置され、N本のSub-carrierを用いる場合、Multi-Carrier信号全体の周波数帯域はNfo[Hz]である。図２のd(0)〜d(N-1)は、図１のそれと対応しており、Sub-carrier毎のSymbolを示す。d(0)、d(N-1)はGuard Toneと呼ぶ未使用のSub-carrierであり、隣接チャンネル妨害抑止の為に設けてある。なお、ここでは、Guard ToneのSub-carrier数は、両側で２つであるが、実際のシステムでは、全Sub-carrier数の２／１０程度の数のSub-carrier数のGuard Toneを用いる。たとえば、１００本のSub-carrierがある場合には、信号帯域の両側で、合計２０本のSub-carrierを未使用とする。【００１０】
図２においては、d(2)、d(N/2-1)、d(N-3)などはPilot Symbolと呼ぶ、同期検波用の既知基準信号である。Pilot Symbolは、搬送波周波数fc[Hz]と同一の周波数のSub-carrierは通常使用しない。というのは、搬送波周波数fcは、ベースバンド信号に落とされた場合、DC成分となるが、DC成分の部分には、1/fノイズがのるため、SNRが小さくなってしまい、Pilot Symbolがあったとしても、信号誤りが発生しやすいからである。【００１１】
図３は、通信機中に周波数特性があった場合の受信信号のスペクトラムである。
図3に示した例はベースバンドに周波数変換した後のDC付近に存在する1/fノイズによる影響である。1/fノイズの発生箇所は図１に示すQuadrature Demodulator１４−１、１４−２などである。この他にも特定の周波数付近で、その信号パワーが劣化する周波数特性などが存在する場合がある。図３に示す場合では、d(N/2-1)、d(N/2+1)のSymbolが1/fノイズの影響で劣化している。【００１２】
伝送路の周波数選択性フェージングも含め、Data Sub-carrierに対しては周波数Inter-leaverなどの有効な対策が存在する。周波数Inter-leaverでは、１つの系列のデータシンボルを送信する場合、固定した周波数のSub-carrierを用いるのではなく、各シンボルを送信する場合、異なる周波数のSub-carrierを用いる。しかし、Pilot Symbolを送信する場合に特定の周波数を割り当てるContinuous Pilot Sub-carrierを用いる同期検波方式では、Pilotに対し高いSNRが求められる一方、有効な対策がない。また、Pilot Symbolを時間的に異なる周波数を割り当てて送るScattered Pilot Sub-carrierを用いる場合でも、Pilot Symbolの周波数の変化範囲にわたって周波数特性による劣化が発生する場合には、同様の問題を生じる。
【発明の開示】
【００１３】
本発明の課題は、パイロット信号を誤りが少なく受信できるマルチキャリア通信装置を提供することである。
本発明のマルチキャリア通信装置は、複数のサブキャリアからなる信号を送受信するマルチキャリア通信の通信装置において、復調のためのローカル搬送波を生成するローカル搬送波生成手段と、サブキャリアの周波数間隔の定数倍の周波数オフセットをローカル搬送波に付加するオフセット付加手段と、前記オフセットの定数を周期的に可変するオフセット可変手段とを備え、周波数オフセットの付加されたローカル搬送波を用いて復調することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、受信装置内で、素子の周波数特性により、得られたベースバンド信号の特定の周波数成分のSNRが劣化していたとしても、復調の際にローカル搬送波にオフセットを与え、このオフセットを可変することで、特定の周波数成分が恒常的に周波数特性によるSNRの劣化を受けないようにすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来技術によるMulti-Carrier通信用の受信機を示す図である。
【図２】アンテナ１０にて受信されるMulti-Carrier通信受信信号のスペクトラムを示す図である。
【図３】通信機中に周波数特性があった場合の受信信号のスペクトラムである。
【図４】本発明の実施形態に従ったMulti-Carrier受信機の第１の構成例である。
【図５】本発明の実施形態のこの処理を行うことによる受信信号のスペクトラム変化を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に従ったMulti-Carrier受信機の第２の構成例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態においては、回路特性によりDC（周波数０）も含めた特定の周波数でSNRが劣化する場合、MixerなどでのDown Convertに用いるローカル搬送波の周波数を、OFDM Symbol毎に周期的にMulti-Carrier周波数間隔の整数倍で変化させることで、周波数変換後のベースバンド信号の帯域をシフトさせる。帯域がシフトされることにより、SNR劣化が発生している周波数にあった信号の周波数が、他のSNR劣化が起こっていない周波数に変わることになる。これにより劣化影響の特定Sub-carrierへの集中を防ぐことができる。【００１７】
通常のMulti Carrier通信システムでは、割り当てられた周波数帯域の両端をGuard Toneとして使用しない。例えばWiMAXシステムの仕様では、11.2MHzの帯域のうち、有効な帯域は11.2MHz×(841/1024)=9.19MHzである。この場合、帯域の両端でSub-carrier 91本分995KHzの未使用帯域が存在する。【００１８】
よって、ローカル搬送波周波数に、最大でGuard Tone帯域幅分のオフセットを付加することはシステム上困難ではない。ただし、それによりベースバンドでのSub-carrier配置がズレてしまう。そのズレはMulti-Carrier周波数間隔の整数倍であるため、本発明の実施形態では、そのズレをSub-carrier Indexを補正することにより相殺し、あたかも固定ローカル周波数で受信しているよう見せる。【００１９】
図４は、本発明の実施形態に従ったMulti-Carrier受信機の第１の構成例である。
図４において、図１と同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。図１の従来の受信機に対し、Divider２６、乗算器２７、Counter２５が追加され、Sub-carrier周波数の整数倍a（すなわちオフセット）（図中、Synthesizer２１の出力であるローカル搬送波）に乗算されている(オフセット乗算後の信号は、（Ｊ）の信号）。ここで、aはOFDM Symbol毎に周期的変化をするオフセット制御信号であり、Counter２５の出力として得ることが出来る。たとえば、Sub-carrier９１本分の未使用部分がある場合には、Counter２５は、aの値を、たとえば、０から９１まで周期的にカウントアップするなどの処理を行う。ここで、PLL２０（cos（２πＮｆ０ｔ））の出力周波数Ｎｆ０が（図中（Ｈ）の信号）、ADコンバータ１７−１、１７−２に使用される。すなわち、信号帯域の中心周波数から帯域の端の周波数までの２倍の周波数となっており、信号帯域全体の帯域幅と同じ周波数（Ｎｆ０）となっている。一方、これをSub-carrier数Ｎで割ると、１つのSub-carrierの帯域幅に相当する周波数となる（ｆ０）。更に、これをa倍すると、オフセットが、Sub-carrierをa個分ずらすものとなる（ａｆ０）。したがって、PLL２０の出力周波数をa/N倍するということは、Sub-carrierをa個分ずらす周波数オフセット（ａｆ０）を生成していることになる。したがって、I=cos（２πａｆ０ｔ）が得られ、これとSynthesizer２１のcos（２πｆｃｔ）を乗算すると、数７のＪの信号が得られる。【００２０】
本発明の実施形態のこの処理を行うことによる受信信号のスペクトラム変化を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す。両図において、横軸は周波数、縦軸は、SNRを示す。図５（Ａ）及び（Ｂ）では、Guard Toneは、信号帯域の両側にSub-carrier１つ分ずつ設けられている様子を示している（d(0)とd(N-1)の部分）。また、図５（Ａ）では、帯域のシフトをしていないので、DC部分に1/fノイズがのっており、SNRが小さくなって（Device周波数特性が沈み込んでいる部分）、d(N/2-1)にあるPilot信号の１つのSNRも小さくなっている。本発明の実施形態では、図５（Ｂ）に示されるように、ローカル搬送波の周波数をaｆ０（ここでは、a＝１）だけシフトして、ベースバンドの帯域をシフトするので、全体の信号帯域がｆ０だけ移動し、d(N/2-1)にあるPilot信号のSNRの劣化がなくなっている。一方、信号帯域がずれた分だけ、信号の劣化部分がd(N/2+1)のSub-Carrierの信号に近くなり、d(N/2+1)の信号のSNRが小さくなり、劣化が生じている。図５（Ｂ）の場合は、そのままを維持すれば、Pilot信号の劣化は免れるが、実際には、他の部分にある周波数特性の存在により、ローカル搬送波をシフトした状態で、新たにSNRが悪くなるPilot信号が現れる可能性がある。したがって、本発明の実施形態では、ローカル搬送波のシフト量を順次可変すると共に、ローカル搬送波をシフトした状態とシフトしていない状態を周期的に繰り返すようにする。図５（Ｂ）の場合は、ａ＝１であるので、シフト量を周期的に繰り返すとは、シフト量が０の場合とｆ０の場合を交互に繰り返すこととなる。したがって、図５（Ａ）のようにローカル搬送波がシフトされておらず、d(N/2-1)のPilot信号が劣化している状態と、図５（Ｂ）のようにローカル搬送波のｆ０だけシフトされている状態を繰り返すことになる。また、以下に、各信号の関係を式で示す。なお、図１と同様に、カッコつきアルファベットは、その部分を通過する信号を意味する。
・PLL２０出力【００２１】
【数５】
2008111126.tif 000007
・Divider２６出力【００２２】
【数６】
2008111126.tif 000008
・乗算器２７出力【００２３】
【数７】
2008111126.tif 000009
・オフセット付きローカル搬送波【００２４】
【数８】
2008111126.tif 000010
・Quadrature Demodulator１４−１、１４−２にて周波数変換された受信信号【００２５】
【数９】
2008111126.tif 000011
・ローパスフィルタ１５−１、１５−２後のベースバンド帯域信号【００２６】
【数１０】
2008111126.tif 000012
図５の例では、Sub-carrierオフセットaの最大値は片側Guard Tone数=1となる。結果aは0→1→0→1→…という値をOFDM Symbol毎に周期的に繰り返す事となる。図５中のa=1の場合における、ローパスフィルタ１５−１、１５−２後のベースバンド帯域信号は以下の式で表される。
・ローパスフィルタ１５−１、１５−２後のベースバンド帯域信号【００２７】
【数１１】
2008111126.tif 000013
I-Branchベースバンド帯域受信信号を表す(式2-1)、Q-Branchベースバンド帯域受信信号を表す(式2-2)はそれぞれ、オフセットを加えない場合の信号を表す(式1-1)、(式1-2)に対応する。オフセットの有無の違いは、各Sub-carrier毎のSymbol情報：Ａｎ、θｎが２πｎｆ０ｔの周波数成分として抽出されるか、或いは、２π（n-1）ｆ０ｔ（ここで、a=1としている）の周波数成分として抽出されるかの違いである。これは、FFT処理後の周波数成分出力d(0)〜d(N-1)：{d(n)=an+jbn}：に対し、+1のオフセットを加える事：d(0+1)=d(1)〜d(N-1+1)=d(N)により補正出来る。+1のオフセットを加えた事により、周波数成分がd(0)からではなくd(1)からしか抽出出来なくなるが、d(0)はそもそもGuard Toneとして未使用である為、問題は無い。【００２８】
図５中のa=1の場合、処理を加える前にはSNR劣化の影響を受けていたPilot Sub-carrier{d(N/2-1)}は影響を受けなくなり、代わりにData Sub-carrier{d(N/2+1)}が劣化の影響を受けるが従来技術の周波数インターリービングと誤り訂正の効果でSNR劣化の影響は分散される。【００２９】
図６は、本発明の実施形態に従ったMulti-Carrier受信機の第２の構成例である。
図６において、図４と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
前述の図４の例ではオフセット付きローカル搬送波を得る為に、Synthesizer２１の出力にDivider２６の出力を乗算しているが、Synthesizer２１の出力周波数そのものを制御しオフセットを付加する方法もある。図４に対し、Divider２６及び乗算器２７が削除され、代わりに、Synthesizer２１に対し、オフセット制御信号：aの入力が追加されている。ここで、Counter２５がSynthesizer２１に与える値aは、前述した値と同じである。そして、Synthesizer２１は、このaと、予めSynthesizer２１内に設定されるSub-carrier帯域幅（間隔）を乗算し、ローカル搬送波にオフセットを乗算する。この場合、以下に示すオフセット付きローカル搬送波は、Synthesizer２１の出力として得ることが出来る。
・オフセット付きローカル搬送波【００３０】
【数１２】
2008111126.tif 000014
以上の本発明の実施形態によれば、周波数軸上の位置を変えられないPilot Sub-carrierへの、通信機固有の周波数特性による劣化の影響を、周期的に付加するローカル搬送波に対するオフセットにより軽減させることができる。このとき、特定の周波数に配置されるPilot Sub-carrierが劣化影響を受ける確率は付加するオフセットの周期に依存する。【００３１】
したがって、SiGeなどの特殊なプロセスを用いず、消費電力を抑えたあまり良好でない周波数特性をもつ素子を利用しつつ、通信システムとして以下に示すSNRの改善を行うことが出来る。【００３２】
以下に、本発明の実施形態によってどの程度のSNRの改善が得られるかについて説明する。
従来の周波数特性と各Sub-carrierのCNRｎ（Carrier to Noise Ratio）の関係は、以下の式で与えられることが知られている。【００３３】
【数１３】
2008111126.tif 000015
本発明の実施形態によるCNRの改善後は、以下の式で与えられる。【００３４】
【数１４】
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ここで、SNRｆがｂ分の１となっているが、これは、Pilot信号の周波数がシフトされると、劣化が発生しなくなるので、オフセットの繰り返し周期の内の１回のみSNRの劣化が発生することになることから、ｂ回のオフセットの変化の内、１回がSNRが劣化するので、SNRはｂ分の１になるという知見から得られている。【００３５】
なお、上記実施形態では、ローカル搬送波に周波数オフセットを与える構成を受信機側に設ける構成について述べたが、送信機側で、送信信号の搬送波に直接周波数オフセットを与え、受信機側で、これを復調してもよい。この場合、復調後のベースバンド信号は、周波数オフセットがのった状態で得られるので、FFT処理後に、抽出された周波数成分に、送信側でのオフセットを相殺するようなオフセットを与えて処理するようにする。このオフセットの相殺方法は、図５の説明で説明した方法と同じ方法でよい。
【図１】
2008111126.tif 000017
【図２】
2008111126.tif 000018
【図３】
2008111126.tif 000019
【図４】
2008111126.tif 000020
【図５】
2008111126.tif 000021
【図６】
2008111126.tif 000022
【国際調査報告】
2008111126.tif 000023
2008111126.tif 000024
2008111126.tif 000025
2008111126.tif 000026