(57)【要約】      （修正有）【課題】高速動作が可能で回路量も少なく、より高い精度を実現するデジタルフィルタを提供する。【解決手段】デジタルフィルタは、ランタイム処理をテーブル参照のみによって高速動作させることができ、従来技術よりも少ないDACの有効ビット数によって、パワースペクトル密度の制約を満たすことが可能となる。ある基準シンボルから隣接する（次の）基準シンボルへと所定の数にわたって続いている、位相の正負の遷移の方向を表すシーケンス・パターンを与え、所定の周波数スペクトル（帯域）と所定の振幅（の範囲）との条件に適合する単数または複数の補間シンボルを、与えられたシーケンス・パターンを基準として見つけ出し、その見つけ出したシーケンス・パターンと、その見つけ出した単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶する。【選択図】図４
2011077645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号をデジタル的にフィルタリングする方法であって、
信号をサンプリングして、位相と振幅との異なるものから構成される複数の基準シンボルによって、離散的に表現するステップと、
前記離散的に表現された複数の基準シンボルの間を、さらに細かくサンプリングして、離散的な表現として想定される位相と振幅との異なるものから構成される複数の補間シンボルを用意するステップと、
ある基準シンボルから隣接する基準シンボルへと所定の数にわたって続いている、位相の正負の遷移の方向を表すシーケンス・パターンを与えるステップと、
所定の周波数スペクトルと所定の振幅との条件に適合する単数または複数の補間シンボルを、与えられたシーケンス・パターンを基準として見つけ出すステップと、
その見つけ出したシーケンス・パターンと、その見つけ出した単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶するステップと、
実際の信号を入力として受け取り、基準シンボルを基準にして、前記シーケンス・パターンに変換するステップと、
変換されたシーケンスのうちから、前記メモリに記憶されているシーケンス・パターンに一致しているものが含まれているかどうかをルックアップするステップと、
もしルックアップによって一致しているシーケンス・パターンがあれば、そのシーケンス・パターンを構成している単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを前記メモリから読み出し、実際の信号をデジタル的にフィルタリングされた信号として供給するステップとを有する、
前記方法。
【請求項２】
前記基準シンボルは、信号空間ダイアグラム(constellationdiagram)において、I-Q平面上のI軸の正負およびQ軸の正負において表現される４つ（２の1乗×２の1乗）のシンボルであり、ある基準シンボルから隣接する基準シンボルへの位相の正負の遷移が＋９０度、−９０度として表される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
シーケンス・パターンに対称性または周期性がある場合には、その対称性または周期性に基づいて、探索すべきシーケンス・パターンを削減する
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
信号をデジタル的にフィルタリングするためのルックアップテーブルの作成方法であって、
信号をサンプリングして、位相と振幅との異なるものから構成される複数の基準シンボルによって、離散的に表現するステップと、
前記離散的に表現された複数の基準シンボルの間を、さらに細かくサンプリングして、離散的な表現として想定される位相と振幅との異なるものから構成される複数の補間シンボルを用意するステップと、
ある基準シンボルから隣接する基準シンボルへと所定の数にわたって続いている、位相の正負の遷移の方向を表すシーケンス・パターンを与えるステップと、
所定の周波数スペクトルと所定の振幅との条件に適合する単数または複数の補間シンボルを、与えられたシーケンス・パターンを基準として見つけ出すステップと、
その見つけ出したシーケンス・パターンと、その見つけ出した単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶するステップとを有する、
前記方法。
【請求項５】
信号をデジタル的にフィルタリングする回路であって、
実際の信号を入力として受け取り、基準シンボルを基準にして、ある基準シンボルから隣接する基準シンボルへと所定の数にわたって続いている、位相の正負の遷移の方向を表すシーケンス・パターンに変換する、複数のラッチと、
複数のラッチに接続され、変換されたシーケンス・パターンのうちから、記憶しているシーケンス・パターンに一致しているものが含まれているかどうかをルックアップする、パターン検出器と、
パターン検出器に接続され、シーケンス・パターンと、単数または複数の補間シンボルとの対応を記憶している、ルックアップテーブルと、
ルックアップテーブルに接続され、もしパターン検出器によるルックアップによって、一致しているシーケンス・パターンがあれば、そのシーケンス・パターンを構成している単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを前記ルックアップテーブルから読み出し、実際の信号をデジタル的にフィルタリングされた信号として供給する、
回路。
【請求項６】
請求項１〜４の何れかに記載の方法の各ステップをコンピュータが実行可能なコードを含む、
プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高いキャリア周波数を用いてデータの送受信を行なうシステムにおいて、信号をデジタル的にフィルタリングすることによって規格条件等に適合したスペクトラムを得ること、より具体的には、高速かつ小規模な回路構成によって所望のパルスシェイピングを可能にすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
60GHz周波数帯（ミリ波）等の非常に高いキャリア周波数を用いてデータの送受信を行うシステムにおいて、そのベースバンドにおける信号の送受信も同様に、高い動作周波数で動作する。無線通信において通信に使用可能な周波数帯域は規格等で規定されており、送受信の際にその周波数スペクトルが規定の範囲に収まる必要がある。このように規定する背景には、電波資源の利用効率を向上するために、ベースバンドにおける信号の不要な側波帯を抑圧して、狭帯域化を図っているという事情などがある。
【０００３】
使用可能な周波数帯域幅は、用途や目的などに対応して細かく区分されている。例えば、IEEE 802.15.3cには、他のチャネルとの混信を防ぐために、送信機のパワースペクトル密度に関して制約が定められている。そのため、送信信号にフィルタをかけパルスシェイプを行い、規定の周波数スペクトルを満たすように変形して所望の送信信号を得ることが求められる。
【０００４】
図１は、パルスシェイプの様子を示す模式図である。図１の(a)は、パルスシェイプ（pulseshaping）の様子を時間軸上で表したものであり、図１の(b)はパルスシェイプによって周波数スペクトルを所望の成分となるように変形する様子を示している。信号をある周波数で（基準となる等間隔にわたって）サンプリングすることによって得られる。このパルスシェイプをシングルキャリアで1.728Gbpsの転送を行う場合を例とすると、（さらに細かく）その3倍の周波数でＤＡＣを駆動し出力波形を送信する。結果、このパルスシェイプは毎秒５Ｇサンプルを超える非常に高い動作周波数となり、実装の難しい部分となる。
【０００５】
パルスシェイプを行うフィルタ回路はraised cosine ＦＩＲ（FiniteImpulse Response）フィルタが一般的であり、ナイキスト条件を満たしシンボル間の干渉の無いフィルタを実現することができる。しかしこれは十分な精度を持った演算が可能な理想的な場合に限られることになる。実際の回路実装では、高い動作周波数が求められるため、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）の有効ビット(bit)数には制限があり、精度の高い値を用いることができない。
【０００６】
図２はDACの精度を4bitから8bitとした場合の周波数スペクトルを示す図である。ここで、横軸は周波数、縦軸はパワースペクトル密度、を示している。図中のうちで直線的に区画されている線は、規格で決められているパワースペクトルであり、この線を越えたスペクトル密度を持つ周波数成分があってはならない。図２より、4bitから6bitといった精度の低いDACを用いたraised cosine filter  では、規定される周波数スペクトルを満たすことができないことがわかる。図中では 8-bit のDACによってようやく規格を満たしているが、8bit の DAC は非常に高価であるため好ましくない。よって従来の raised cosine FIR フィルタとは異なる実装方式を用いて、より少ないDACのビット数でも規格を満たし動作するpulse shaping の方法とその実装方法が望まれる。デジタルフィルタについては、述べたようにDACのビット数が精度に影響する一方で、広帯域実現のために高速動作が必要となってくる。
【０００７】
その他、アナログフィルタという代替案が考えられるが、経年変化によって特性が変化してしまう。また、アナログフィルタには製造時の特性バラツキが存在し、さらには、動作環境（温度、電源電圧等）の変動によっても特性が大きく変動してしまい、正確なナイキストの実現及び維持が困難な面があり、再現性が低下するという技術的な問題がある。
【０００８】
特許文献１（特開平１１−１２２３１１号公報）は、ディジタル無線通信装置及びその調整方法動的なタップ数の決定について記載している。
【０００９】
特許文献２（特開２０００−４０９４２号公報）は、デジタルフィルタ  FIRフィルタの最適化について記載している。
【００１０】
特許文献３（特表２００３−５３１５０７）は、移動通信システムのためのパルス成形装置  一般的なパルス形成方式、FIRおよびその一実現方法としてのLUTの使用例について記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１２２３１１号公報
【特許文献２】特開２０００−４０９４２号公報
【特許文献３】特表２００３−５３１５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
高速動作が可能で回路量も少なく、より高い精度を実現するデジタルフィルタ（パルスシェイプ）が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
信号をデジタル的にフィルタリングする本発明の方法では、
信号をサンプリングして、位相と振幅との異なるものから構成される複数の基準シンボルによって、離散的に表現し、
前記離散的に表現された複数の基準シンボルの間を、さらに細かくサンプリングして、離散的な表現として想定される位相と振幅との異なるものから構成される複数の補間シンボルを用意し、
ある基準シンボルから隣接する基準シンボルへと所定の数にわたって続いている、位相の正負の遷移の方向を表すシーケンス・パターンを与え、
所定の周波数スペクトルと所定の振幅との条件に適合する単数または複数の補間シンボルを、与えられたシーケンス・パターンを基準として見つけ出し、
その見つけ出したシーケンス・パターンと、その見つけ出した単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶し、
実際の信号を入力として受け取り、基準シンボルを基準にして、前記シーケンス・パターンに変換し、
変換されたシーケンスのうちから、前記メモリに記憶されているシーケンス・パターンに一致しているものが含まれているかどうかをルックアップし、
もしルックアップによって一致しているシーケンス・パターンがあれば、そのシーケンス・パターンを構成している単数または複数の補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを前記メモリから読み出し、実際の信号をデジタル的にフィルタリングされた信号として供給する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のデジタルフィルタに従えば、ランタイム処理をテーブル参照のみによって高速動作させることができ、従来技術よりも少ないDACの有効ビット数によって、パワースペクトル密度の制約を満たすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、パルスシェイプの様子を示す模式図である。
【図２】図２はDACの精度を4bitから8bitとした場合の周波数スペクトルを示す図である。
【図３】図３は、規格上のスペクトルの規定を満たすような３倍の補間を行った パルスシェイプの軌跡（trajectory）を図示したものである。
【図４】図４は、シーケンス・パターンを分類した図である。
【図５】図５は、過去の６つのシンボルから補間シンボルを求めるために、想定される入力シンボルの組み合わせすべてを網羅する全組み合わせを示す図である。
【図６】図６は、Pattern-0の対称性を示す模式図である。
【図７】図７は、シーケンス・パターンと補間シンボルとの対応を示す図である。
【図８】図８は、実際のランダムな入力信号に本発明の手法を適用して得られたスペクトルを示す図である。
【図９】図９は、本発明の手法を適用した回路構成を実現した図である。
【図１０】図１０は、本発明の回路構成で実際に論理回路を実装し、回路量の評価を行った結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[パルスシェイプの背景]
送信の際に用いられるシンボルは、変調方式によりさまざまな定義がなされるが、信号空間ダイアグラム（constellation
diagram） と呼ばれるI, Q-平面状での点の位置に対し送信する情報のシンボルが関係付けられる。この図が表わす複素平面は、横軸が実軸(re)であり、縦軸が虚軸(im)であり、同時にI,Q両軸の0点を中心軸として信号の振幅と位相を示しており、0点からの距離が振幅を表わし、0点からの角度が位相を表わす。つまり中心から等距離にあるシンボル同士は信号波形の振幅が等しいが角度が異なるので位相は違っている。このように、平面中におけるシンボルの位置から、位相の値、振幅の値、が定まる。
【００１７】
ここで、変調方式としてpi/2-shift BPSKを例にすると、送信される情報は、I, Q-平面の(1, 0), (0, 1), (-1, 0), (0, -1)に４つのシンポルを定義する。送信機は、送信したいシンボルに応じてI, Q平面状の各点に相当する信号を送信する。本発明の一実施形態においては、これら４つのシンボルが「基準シンボル」として利用される。
【００１８】
パルスシェイプによる補間は、これら複数の基準シンボルの間の信号の軌跡（trajectory）を制御して、所望のスペクトルを得るために行われる。
【００１９】
図３は、規格上のスペクトルの規定を満たすような３倍の補間を行った パルスシェイプの軌跡（trajectory）を図示したものである。本来情報として送信される基準シンボルは (1,0) (-1,0)(0,1) (0,-1) であり。それぞれの点から次のシンポルへ変化する際に、２つの補間点が「補間シンボル」として挿入され、結果３倍の周波数での出力となっている。
【００２０】
なお、この変調において、(1,0)から(0,1)といった、対角への遷移はpi/2-shift BPSKでは定義されない。毎シンボルごとにpi/2（すなわち90度）の回転をするBPSKであるため、実際は、ある基準シンボルから隣接する（次の）基準シンボルへと移動可能なシンボルは、 +90度回転もしくは-90度回転した点である。
【００２１】
図３からわかるように、シンボル間の遷移の軌跡（trajectory）が複数存在する。これは、２つの基準シンボルから一意に補間点が決まるわけではなく、実際は過去の複数のシンボルの軌跡も含めて補間点を決定しないと、周波数スペクトルの条件が満たされないことを意味している。最適な補間点を求める過程で有限の過去の履歴からの計算が行われることとなり、これによって計算上得られる最適な補間点が求められるが、実際にその補間点を用いて送信を行った場合の周波数スペクトルと、計算上の周波数スペクトルの間には誤差が生じる。また、補間点の位置の表現が離散的になった場合、周波数スペクトルにも量子化誤差が生じる。これらは数理的に解析して最適な周波数スペクトルを見つける方法は困難であり、かわりにヒューリスティックな（コンピュータ発見的な）手法によって、事前学習として見つけ出すことが求められる。一方で、一旦最適な補間点をヒューリスティックな方法で見つけ出してしまえば、その結果をメモリの記憶枠を用意して保持し、そのメモリに記憶された結果を用いて補間を行えばよく、実際に使用する環境で再度最適な補間点を求める必要は無い。
【００２２】
例として過去の６つの基準シンボル（のシンボル群）から補間点を求めるという態様を説明することにする。なお、本発明の技術的思想は、この６つの基準シンボルでなければ適用できないというものでもなく、所定の数にわたって続いているパターンであってもよい。また、補間については、基準となる等間隔にわたってのサンプリングよりもさらに細かく等間隔にわたってサンプリングすればよいのであって、３倍の補間によるパルスシェイプに限ったものでもないことも言うまでもない。
【００２３】
[特徴的なシーケンス・パターンの抽出]
本発明では、パルスシェイプを行う際に過去のシンボル群から補間点を求める。その特徴として、過去の６つの基準シンボルを特徴的なシーケンス・パターンで分類し、そのシーケンス・パターンの補間点（単数または複数の補間シンボル）を用いて補間する。特徴的なシーケンス・パターンは、シーケンス・パターン内部の周期性を検討して決定して与えればよい。具体例を図４に示しながら説明する。
【００２４】
図４は、シーケンス・パターンを分類した図である。図４の図中に示された +, - の記号は、ある基準シンボルから隣接する（次の）基準シンボルへと移る際の位相の正負を表しており、+ は ＋90度を、− は −90度をあらわす。例としてpattern-0 は、シンボルの遷移が常に同じ方向のシーケンス・パターンで、一定方向に回転する。別の例としてPattern-2-2 は、記号で示されたとおり、2回の+ の後に、2回の- であるような遷移である。これらのシーケンス・パターンはすべてある周期性を有することが特徴となる。
【００２５】
このようなシーケンス・パターンを、実際の入力信号について想定される入力シンボルの組み合わせすべてを網羅するようになるまで、シーケンス・パターンを追加して与える。過去６シンボルから補間シンボルを求めるための全組み合わせは、図４の８つのシーケンス・パターンとなる。
【００２６】
図５は、過去の６つのシンボルから補間シンボルを求めるために、想定される入力シンボルの組み合わせすべてを網羅する全組み合わせを示す図である。なお、シーケンス・パターンの定義は、この８種類（Pattern-0 〜 ）が最適と言うわけではなく、この組み合わせに限定されるものではない。当業者であれば、これに類する態様を容易に採用することができよう。
【００２７】
そして、各シーケンス・パターンごとにスペクトルの分析を行い、所望のスペクトルを満たすような（無線に規格などの条件に適合するような）補間シンボル（ここでは２シンボルと数が複数であるが、単数の場合もあり得る）をこれらの各シーケンス・パターン毎に計算して見つけ出す。これは、事前学習のシミュレーションということもできるであろう。
【００２８】
ここで、選択した各シーケンス・パターンは、周期的な特徴をもつシーケンス・パターンであり、その周期的特徴を用いることで補間シンボルを求めることが容易になる。通常、ランダムな軌跡を対象として、最適な補間シンボルを見つけ出すのは計算量的に非常に困難であり、補間シンボルがI, Q軸上でnビットの値として表現されるとすると、あるシンボル間の2つの補間シンボルの組み合わせだけであっても(2のn乗) × (2のn乗)通りあることになり、これを、過去6シンボルの組み合わせすべてについて考慮するとなると、((2のn乗)×(2のn乗))の6乗 = 2の12乗 通りとなってしまう。もし仮に8ビットの DAC を想定するなら、その組み合わせは 2の96乗通りとなってしまい、非現実的である。
【００２９】
しかし、周期性を持つシーケンス・パターンの補間シンボルを見つけ出すということであれば、探索空間は非常に少なくすることができる。具体的には、次に、pattern-0 の例で説明する。
【００３０】
図６は、Pattern-0の対称性を示す模式図である。この
pattern-0は同一方向に回転するシーケンス・パターンであるため、90度の回転に関し対称性があり、また、基準シンボル間の補間シンボル２つに関しても、45度の線に対して対称性がある。以上から、この pattern-0 に対する補間シンボルの探索空間は、唯一一つの補間シンボルを定めるだけですべての補間シンボルが決定するため、2のn乗 通りとなる。仮に8ビットの DAC を想定するならば、2の8乗
通りにすぎず、探索はずっと現実的である。
【００３１】
同様に、他の7つのシーケンス・パターンに関しても対称性があり、各シーケンス・パターンに対する補間シンボルは計算可能な探査空間に収まる。
【００３２】
実際に、この8つのシーケンス・パターンそれぞれに関して補間シンボルを求め、図５のように、すべての過去6シンボルの組み合わせシーケンス・パターンに対応する補間シンボルを求めると、図７の様に表現可能となる。すなわち、入力として過去6シンボルの動き、出力としてその6シンボルから決まる3倍の補間シンボルの対応を示す表を完成することができる。すなわち、見つけ出したシーケンス・パターンと、その見つけ出した（単数または複数の）補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値とを、ルックアップテーブル（LUT）としてメモリに記憶しておけばよい。
【００３３】
図７は、シーケンス・パターンと補間シンボルとの対応を示す図である。実際の送信回路の動作は、図７の対応表を用いる。まず、実際の信号を入力として受け取って、基準シンボルを基準にして、シーケンス・パターン（送信シンボル）に変換する。実際にはランダムな動きである送信シンボルに対して、補間シンボルを決定してゆくという作業になる。
【００３４】
図８は、実際のランダムな入力信号に本発明の手法を適用して得られたスペクトルを示す図である。図８の直線的に区画された線に最も沿っている線が、本手法を用いた場合のスペクトルであり、図からわかるように本発明の手法に従えば、通常の raised cosine FIR フィルタでは適合できないスペクトルを、5bit
DAC という制限下であってもスペクトルを適合可能となっている。
【００３５】
[回路構成]
本発明の手法では、まず、いくつかの特徴的なシーケンス・パターンの補間シンボルのみを計算して記憶しておく。そして、実際の動作環境でのランダムな入力シンボルに対する補間シンボルは、その入力シーケンス・パターンがどの特徴的なシーケンス・パターンに該当するかをルックアップして調べ、その後、もしルックアップによって一致しているシーケンス・パターンがあれば、その（特徴的な）シーケンス・パターンの補間シンボルを求めるという手順を経ればよい。
【００３６】
図９は、本発明の手法を適用した回路構成を実現した図である。図９の上部に存在するラッチは、入力シンボルの過去の履歴を求めるためのものである。Pattern Detect ブロックは、過去の入力シンボルの情報から、それがどの特徴的なシーケンス・パターンに属するかを検出する回路である。  どのシーケンス・パターンとなるかが検出された後、そのシーケンス・パターンの補間シンボルを求めるのが interpolation table （ルックアップテーブル）であり、interpolation
table には、特徴的なシーケンス・パターンに対応する補間シンボルの情報（補間シンボルに対応している位相の値と振幅の値）のみが記録されていればよい。
【００３７】
図１０は、本発明の回路構成で実際に論理回路を実装し、回路量の評価を行った結果を示す図である。図１０の上部は、通常のraised cosine FIR filter の場合の回路量であり、下部は本手法を用いて実装した場合の回路量である。この図から明らかなように、本手法は通常のフィルタより 3〜6倍も小さな回路量で実現可能となる。
【００３８】
また、信号をデジタル的にフィルタリング（パルスシェイプ）する方法については、全体としてまたは部分的に分けたものとして、コンピュータが実行可能なコードを含む、コンピュータプログラムとして供給することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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