JP5718785B2 - 無線通信システム、無線受信機および無線送信機 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＦＤＭ無線技術に関し、特に、フラクショナル・サンプリングを用いたＯＦＤＭ無線技術に関する。

近年、ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式が広く用いられている。ＯＦＤＭ変調方式は、互いに直交関係にある複数のサブキャリア（副搬送波）を用いるマルチキャリア・デジタル変調方式の一種であり、高い周波数利用効率が達成できる。

ＯＦＤＭ変調方式において、ダイバーシチ効果を比較的容易に実装する方式として、フラクショナル・サンプリング（Fractional Sampling:ＦＳ。分数間隔サンプリング）が提案されている（非特許文献１）。ＦＳは、ナイキスト周波数よりも高いレートで受信信号をサンプリングし、並列にＤＦＴ処理することで、マルチパスを分解することができる。送信機で信号がアップサンプルされたとき、周波数軸上には所望帯域信号のイメージング成分が帯域外に発生する。この信号はベースバンドフィルタでフィルタリングされ所望の帯域の信号だけが送信されるが、フィルタの周波数応答によって隣接帯域の信号が残る。この帯域外残存信号がＦＳにダイバーシチを生む。すなわち、ＦＳによるダイバーシチ効果は隣接帯域のイメージング成分による周波数ダイバーシチと捉えられる。

ところで、ある無線通信システムに割り当てられているが利用されていない周波数（ホワイトスペース）を別の無線通信システムが利用するコグニティブ無線が検討されている。このような周波数が存在する理由は、その周波数を利用するシステムが地理的に離れて存在すること（例えば、ＴＶホワイトスペース周波数）や、ＩＳＭ帯のように複数のシステムが周波数を共用する前提であることなどが考えられる。

C. Tepedelenlioglu, R. Challagualla, "Low Complexity Multipath Diversity Through Fractional Sampling in OFDM," IEEE Trans. on Signal Processing, vol.52, no.11, Nov. 2004. B. Jabbari, R. Pickholtz, M. Norton, "Dynamic Spectrum Access and Management," IEEE Wireless Communications, issue 4, vol.17, pp.6-15, Oct. 2010. S. Geirhofer, Lang Tong, B. M. Sadler, "Cognitive Radios for Dynamic Spectrum Access in the Time Domain: Modeling and Exploiting White Space," IEEE Magazine on Communications, issue 5, vol. 45, pp. 66-72, May 2007.

非特許文献１の方式によりパスダイバーシチを実現するには、希望信号のイメージ成分を別のチャネルに一部もしくは全部送信する必要があり、他のシステムに対する干渉が発生してしまう。

本発明の目的は、他のシステムに対する干渉を抑制しつつ、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果が得られる方式を提供することにある。

本発明においては、目的のＯＦＤＭ信号（目的信号）と、そのイメージ信号を共に送信する際に、受信機側でフラクショナル・サンプリングによってダイバーシチ効果が得られるようなイメージ成分のみを選択して送受信することで、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果を実現しつつ、他のシステムに対する与干渉を抑制する。

より具体的には、本発明の一態様に係る無線通信システムは、
目的のＯＦＤＭ信号である目的信号と、該目的信号のイメージ信号を共に送信する無線送信機と、
受信信号から前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、受信した前記目的信号と前記イメージ信号をＧ倍（Ｇは２以上の整数）のオーバサンプリング速度でサンプリング処理してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、シンボル周期１／Ｆｓの１／Ｇの各位相においてデジタル変調シンボルをそれぞれ周波数領域のデジタル信号に変換するＧ個のフーリエ変換器と、前記フーリエ変換手段のデジタル信号出力に基づいて、送信された前記ＯＦＤＭ信号を復調する信号合成器と、を備える無線受信機と、
を含み、
前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
前記無線受信機は、
前記目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓ（ここで、ｍ＝Ｋ・Ｇ）であるイメージ信号が、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ここで、ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように受信信号を周波数変換する周波数変換器と、
受信信号と、前記周波数変換器によって周波数変換された前記受信信号とを合成する合成器と、
を有する。

目的信号との周波数間隔が（Ｋ・Ｇ）Ｆｓのイメージ信号は、目的信号とコヒーレントであり、したがってダイバーシチ効果が得られない。イメージ信号を、目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）の成分とすることで、パスダイバーシチ効果が得られる。なお、周波数間隔が（Ｋ・Ｇ）Ｆｓのイメージ信号を送信してＳ／Ｎを向上させても良いが、このようなイメージ信号を送信しないことで他のシステムに対する与干渉を抑制することができる。また、無線受信機側では、ダイバーシチ効果に寄与しない帯域をフィルタで除去することで、これらの帯域での雑音や被干渉による受信性能の劣化を避けることもできる。

目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓ（ｍ＝Ｋ・Ｇ）であるコヒーレントなイメージ信号はダイバーシチ効果に寄与しない。無線送信機からコヒーレントなイメージ信号が送信された場合に、受信機において周波数変換することで、ダイバーシチ効果が得られるようになる。したがって、無線受信機のＧ値が無線送信機にとって未知である場合でも、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果が得られる。

なお、合成器への入力の前に、フィルタによって、周波数変換後の信号から変換後のイメージ信号以外の信号を除去することが好ましい。また、合成器への入力の前に、フィルタによって、受信信号から目的信号以外の信号を除去することが好ましい。合成器への入力前にこれらの信号を除去することは必須ではないが、こうすることで不必要な信号を除去可能となり、受信性能が向上する。

また、本発明の別の態様に係る無線通信システムは、
目的のＯＦＤＭ信号である目的信号と、該目的信号のイメージ信号とを共に送信する無線送信機と、
受信信号から前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、受信した前記目的信号と前記イメージ信号をＧ倍（Ｇは２以上の整数）のオーバサンプリング速度でサンプリング処理してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、シンボル周期１／Ｆｓの１／Ｇの各位相においてデジタル変調シンボルをそれぞれ周波数領域のデジタル信号に変換するＧ個のフーリエ変換器と、前記フーリエ変換器のデジタル信号出力に基づいて、送
信された前記ＯＦＤＭ信号を復調する信号合成器と、を備える無線受信機と、
を含む無線通信システムであって、
前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
前記無線送信機は、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア数のＭ・Ｇ倍（Ｍは整数）の逆フーリエ変換器によって前記目的信号と前記イメージ信号を生成するＯＦＤＭ変調器と、サンプリング周波数Ｍ・Ｇ・Ｆｓでサンプリング処理してアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、備える。
この構成によって、所望の周波数帯でイメージ信号を送信することが可能となる。
また、本発明において、
前記無線受信機は、Ｇ値を前記無線送信機に通知する通知手段を有し、
前記無線送信機は、前記無線受信機から通知されたＧ値に基づいて、イメージ信号を送信する周波数を、イメージ信号と目的信号の周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように決定する、
ことも好ましい。

ダイバーシチ効果が得られるイメージ信号の送信周波数は、無線受信機のＧ値（ブランチ数）に依存する。このように、無線受信機から無線送信機に対してＧ値を通知することで、無線送信機が無線受信機のＧ値をあらかじめ知っていない場合であっても、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果が得られる。なお、無線送信機は、イメージ信号を送信する周波数を別途、無線受信機に通知するようにすることも好ましい。

また、本発明において、
前記無線受信機は、前記無線送信機がイメージ信号を送信すべき周波数を通知する通知手段を有し、
前記無線送信機は、前記無線受信機から通知された周波数にてイメージ信号を送信する、
ことも好ましい。

ダイバーシチ効果が得られるイメージ信号の送信周波数は、無線受信機のＧ値に依存するので、イメージ信号を送信すべき周波数は無線受信機側でも算出可能である。したがって、イメージ信号の送信周波数を無線受信機側で決定し、無線送信機はその決定にしたがってイメージ信号を送信することによっても、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果が得られるようになる。

また、本発明において、
前記無線受信機は、再構成可能デバイスによって前記フーリエ変換器および前記Ａ／Ｄ変換器を構成し、Ｇ値が可変である、
とすることも好ましい。

ここで、再構成可能デバイスには、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＤ
ＳＰ（Digital Signal Processor）など、ソフトウェア（回路構成データやプログラム）によって再構成可能な回路が含まれる。無線受信機のＧ値（ブランチ数）を可変とすることで、無線受信機にかかる処理負荷に応じて受信処理に割り当てるリソース量を調整可能である。また、無線受信機が再構成を行ってＧ値を変更した場合には、上記のように変更後のＧ値を無線送信機に通知することが好ましい。

また、本発明において、
前記イメージ信号は少なくともＧ−１波あり、
前記目的信号と前記イメージ信号の周波数間隔ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ信号の周波数が選択される、
ようにすることも好ましい。

目的信号との周波数間隔をＧ・Ｆｓで割った剰余が等しいイメージ信号同士は互いにコヒーレントである。したがって、イメージ信号の周波数間隔ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ成分の周波数を選択することで、Ｇパスのダイバーシチ効果が得られる。

また、本発明において、前記無線送信機は、利用対象の周波数帯について、他の無線送信機から送信される電波が存在するか否かを判定する電波検出器を有し、前記目的信号と前記イメージ信号は他の無線送信機が利用していない周波数帯で送信する、ことも好まし
い。

ホワイトスペースを利用してイメージ信号を送信することで、他のシステムに対する与干渉を抑制することができる。

なお、本発明は、上記の各手段を有する無線通信システムとして捉えることもできる。また、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する無線通信システムにおける無線通信方法、またはこの方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。また、本発明は、上記無線通信システムを構成する無線受信機および無線送信機として捉えることもできる。

また、本発明の一態様としての無線受信機は、
受信信号から前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、
受信した前記目的信号と前記イメージ信号をＧ倍（Ｇは２以上の整数）のオーバサンプリング速度でサンプリング処理してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
シンボル周期１／Ｆｓの１／Ｇの各位相においてデジタル変調シンボルをそれぞれ周波数領域のデジタル信号に変換するフーリエ変換器と、
前記フーリエ変換手段のデジタル信号出力に基づいて、送信された前記ＯＦＤＭ信号を復調する信号合成器と、
を備える無線受信機であって、
前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
前記目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓ（ここで、ｍ＝Ｋ・Ｇ）であるイメージ信号が
、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ここで、ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように受信信号を周波数変換する周波数変換器と、
受信信号と、前記周波数変換器によって周波数変換された前記受信信号とを合成する合成器と、
を備える、ことを特徴とする。

すなわち、本発明の一態様としての無線送信機は、
目的のＯＦＤＭ信号である目的信号と、該目的信号のイメージ信号を共に送信する無線送信機であり、
前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
ＯＦＤＭ信号のサブキャリア数のＭ・Ｇ倍（Ｍは整数）の逆フーリエ変換器によって前記目的信号と前記イメージ信号を生成するＯＦＤＭ変調器と、
サンプリング周波数Ｍ・Ｇ・Ｆｓでサンプリング処理してアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、
を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、他のシステムに対する干渉を抑制しつつ、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果が得られる。

第１の実施形態にかかる無線通信システムの機能ブロックを示す図である。 第１の実施形態における送受信フィルタの応答と送受信信号スペクトルを説明する図である。 「Ｎ番目の離隔帯域」と「目的信号とイメージ信号との周波数間隔」を説明する図である。 第１の実施形態における目的信号およびイメージ信号のスペクトルの別の例である。 第２の実施形態にかかる無線通信システムの機能ブロックを示す図である。 第２の実施形態における送受信フィルタの応答と送受信信号スペクトルを説明する図である。 第３の実施形態にかかる無線受信機の機能ブロックを示す図である。 第４の実施形態における制御信号の交換処理の流れを示す図である。 第６の実施形態における制御信号の交換処理の流れを示す図である。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態における無線通信システムのブロック図であり、図１Ａは無線送信機の機能ブロック図、図１Ｂは無線受信機の機能ブロック図である。本実施形態は、無線送信機１においてＤ／Ａ変換後のイメージ成分を利用して複数のチャネルに同一の信号成分を生成し、無線受信機２においてフラクショナル・サンプリングを用いてパスダイバーシチ効果を実現する。

無線送信機１は、ＯＦＤＭ変調器１１、Ｄ／Ａ変換器１２、送信フィルタ１３、アップコンバータ１４を含む。ＯＦＤＭ変調器１１では、逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を行って、ｋ番目のサブキャリアに相当する情報シンボルをs[k](k=0,...,N-1)として、

で表されるＯＦＤＭ信号を生成する。ここで、n (n = 0, 1, ..., N-1) は時間インデッ
クスである。ガードインターバルが挿入された後に、サンプリング周波数Ｆｓ＝２０ＭＨｚのＤ／Ａ変換器１２によってデジタル−アナログ変換される。図２Ａに示すように、２０ＭＨｚでＤ／Ａ変換されたＯＦＤＭ変調信号は周波数軸上で２０ＭＨｚごとに繰り返しそのイメージ成分が発生する。このようにイメージ成分が発生するが、送信フィルタ１３によって目的信号と必要なイメージ成分のみを通過させて、アップコンバータ１４によりアップコンバートして送信する。送信フィルタ１３の周波数特性ｐ_Ｔ（ｔ）を図２Ｂに示す。ここでは一例として、目的信号以外に、目的信号から３チャンネル離れたイメージ成分を１つ通過させるフィルタを採用している。どのようなイメージ成分を送信するかについては、後で詳しく説明する。

無線受信機２は、ダウンコンバータ２１、受信フィルタ２２、Ａ／Ｄ変換器２３、Ｇ個（Ｇは２以上の整数）のＯＦＤＭ復調器２４、雑音白色化フィルタ２５、信号合成器２６を含む。無線送信機１からの送信信号は、ダウンコンバータ２１によってダウンコンバートされ、受信フィルタ２２によってフィルタリングされる。受信フィルタ２２の周波数特性ｐ_Ｒ（ｔ）は図２Ｃに示すように、無線送信機１の送信フィルタ１３と同様であり送信される目的信号とイメージ信号とを取り込むような周波数特性を持つ。受信フィルタ後の
信号スペクトルは図２Ｄに示すとおりである。このフィルタリング後の受信信号は、

と表される。ここで、ｈ（ｔ）は送受信フィルタ入出力間のチャネルのインパルス応答であり、ｈ（ｔ）＝ｐ_Ｔ（ｔ）＊ｃ（ｔ）＊ｐ_Ｒ（ｔ）と表される。ｃ（ｔ）は送受信間のマルチパスチャネルのインパルス応答、記号＊は畳み込みを表す。また、Ｔｓはシンボル間隔（Ｔｓ＝１／Ｆｓ）、ｖ（ｔ）はフィルタリングされた加法性白色ガウス雑音である。

Ａ／Ｄ変換器２３は、帯域幅のＧ倍のレート、すなわちＧ・Ｆｓのサンプリング周波数で受信信号をＡ／Ｄ変換する。なお、ここでＧは２以上の整数であり、通常は２，４，８・・・をとる。変換されたデジタル信号は、Ｇサンプルごとに同一のＯＦＤＭ復調器２４に入力され、ガードインターバルが除去された後に離散フーリエ変換（ＤＦＴ）される。

ｖ（ｔ）は雑音をフィルタリングしたものであり、ボーレート１／Ｔｓでサンプリングすると雑音サンプル同士は互いに無相関なので白色雑音となる。しかし、ボーレートよりも高いレートでサンプリングすると、雑音サンプル同士が相関を持つ。したがって、雑音白色化フィルタ２５によって、雑音サンプルを白色化する。

信号合成器２６は、フラクショナル・サンプリングにより得られた複数の受信信号から信号雑音比（Ｓ／Ｎ）が最大となるように最大比合成（ＭＲＣ）を用いて受信信号を合成する。これにより、マルチパスチャネルにおいてパスダイバーシチが実現される。

さて、フラクショナル・サンプリングのオーバサンプル比（ブランチ数）Ｇとダイバーシチ効果のあるイメージ信号成分の周波数には関連がある。簡単のために雑音を無視すると、サンプリング定理からｇ番目のブランチでサンプルされた受信信号は一般的に以下のように表される。

ここで、ｘ（ｔ）は送受信フィルタを通過したベースバンド信号、Ｌはマルチパスの数、α_ｉ、τ_ｉはそれぞれｉ番目の遅延波の利得および遅延時間、δはディラックのδ関数である。この信号の周波数領域表現は、

となる。ここで、ｆｓ＝１／Ｔｓはサンプリング周波数、Ｘ（ｆ）はｘ（ｔ）の周波数領域表現である。

ここで、受信信号がフィルタリングによって中心帯域（ｑ＝０）およびある隔離した帯域（ｑ＝Ｑ：Ｑは整数）の２つの帯域に制限されると仮定する。また、帯域外に発生した信号は中心帯域のイメージ成分である（Ｙ（ｆ）＝Ｙ（ｆ＋ｑｆｓ））とすると、フラクショナル・サンプリングのブランチで受信される信号の周波数領域表現は、

となる。ここで、Ｑ＝Ｋ・Ｇ（Ｋは整数）の場合、この受信信号は、

となる。すなわち、Ｋ・Ｇ番目の離隔帯域を使用した場合、それぞれのブランチで同じ各パスの成分量を受信することになるので、ブランチ間でコヒーレントとなりダイバーシチ効果が得られないことが分かる。

なおここで、±Ｎ番目の離隔帯域は、目的信号の帯域をＦｓ［Ｈｚ］として、目的信号との周波数間隔（中心周波数間の間隔）が±Ｎ・Ｆｓ［Ｈｚ］のイメージ成分を意味する。図３は、「Ｎ番目の離隔帯域」と「目的信号とイメージ信号との周波数間隔」についての関係を説明する図である。

以上の考察を基に、送信フィルタ１３および受信フィルタ２２の適切な周波数特性について説明する。パスダイバーシチの効果が得られるためには、イメージ信号が目的信号からＮ番目の離隔帯域である場合に、Ｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｇはオーバサンプリング比、Ｋは任意の整数）である必要がある。言い換えると、イメージ信号は、目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇの整数）である必要がある。

たとえば、オーバサンプリング比（ブランチ数）としてＧ＝２を採用する場合には、図２Ｂに示すように−３番目の離隔帯域のイメージ成分、言い換えると目的信号との周波数間隔が−３×Ｆｓであるイメージ成分が目的信号と共に送信されるように送信フィルタを設計することが好ましい。こうすることで２パスダイバーシチの効果が得られる。

なお数式（５）を参照すると、イメージ信号として複数の離隔帯域を使用した場合、Ｇを法として合同な離隔帯域同士（ｎ_ｉ≡ｎ_ｊ ｍｏｄ Ｇを満たすｎ_ｉ番目とｎ_ｊ番目の離隔帯域同士）はコヒーレントとなることが分かる。オーバサンプリング比Ｇの場合に最大でＧパスのダイバーシチ効果が得られるが、そのためにはイメージ成分を目的信号と無相関とするだけでなく、Ｇ−１種類のインコヒーレントなイメージ成分を使用する必要がある。すなわち、イメージ成分は少なくともＧ−１波使用し、各イメージ成分がｎ番目の離隔帯域を使用するとした場合に、ｎをＧで割った剰余が１〜Ｇ−１の全てをとるようにイメージ成分の使用周波数を選択するとＧパスのダイバーシチ効果が得られる。別の表現をすると、イメージ成分と目的信号の周波数間隔をｎ・Ｆｓとしたときに、ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ成分の周波数を選択するとＧパスのダイバーシチ効果が得られる。もっとも、Ｇ＞２の場合には必ずしもこの条件を満たさなくても良く、Ｇ’（１＜Ｇ’＜Ｇ）パスのダイバーシチ効果を得るようにしても良い。

ここで、互いにコヒーレントなイメージ成分を用いてもかまわない。例えばオーバサンプリング比がＧ＝２のときに、図４に示すように、−３番目と３番目の離隔帯域のような互いにコヒーレントな２波のイメージ信号を送信しても良い。図２Ｂのようにイメージ成分を１波としたときには、目的信号と同等の信号レベルとしたときにダイバーシチ利得が最大となるが、図４のように２波を用いる場合はイメージ信号を目的信号に対して３ｄＢ
ダウンした信号レベルとしても２波パスダイバーシチの最大利得が得られる。このように、互いにコヒーレントな複数のイメージ成分を利用することで、利用する数に逆比例してイメージ信号の信号レベルを低減させることができる。したがって複数のイメージ成分を用いるときには信号の信号レベルを低減させて与干渉を与えにくくすることができる。同様に目的信号とコヒーレントなイメージ信号（Ｋ・Ｇ番目の離隔帯域）を用いることで、受信機でのＳ／Ｎを増大させても良い。

また、イメージ信号を送信する周波数帯域は、他の無線局によって利用されていない周波数帯（ホワイトスペース）を利用すると良い。すなわち、無線送信機が、利用対象の周波数帯について、他の無線送信機から送信される電波が存在するか否かを判定する電波検出器を有するように構成し、他の無線送信機が利用していない周波数帯でイメージ信号を送信することが好ましい。

以上のように、本実施形態に依れば、ホワイトスペースなどを利用して目的信号のイメージ信号を送信することで、フラクショナル・サンプリングを用いたＯＦＤＭ受信機でダイバーシチが実現できる。さらに、ダイバーシチ効果が得られないようなイメージ信号を送信しないことで、無線送信機としては不必要な与干渉を避けることができるという利点がある。また、無線受信機としてはダイバーシチ効果に寄与しない周波数帯をフィルタで除去することで、これらの周波数帯での被干渉や環境雑音による受信性能の低下を避けることができるという利点がある。

また、本実施形態では送信機側でＤＦＴ回路を増大させたりＤ／Ａ変換器の高速化させたりする必要がないので、送信機の低コスト化および低消費電力化が可能である。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態における無線通信システムのブロック図である。本実施形態は、無線送信機３においてサブキャリアのＭ・Ｇ（Ｇはオーバサンプリング比、Ｍは整数）倍のサイズの逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を利用して複数のチャネルに同一の信号成分を生成し、無線受信機４においてフラクショナル・サンプリングを用いてパスダイバーシチ効果を実現する。

無線送信機３は、ＯＦＤＭ変調器３１、Ｄ／Ａ変換器３２、送信フィルタ３３、アップコンバータ３４を含む。ＯＦＤＭ変調器３１では、上述のようにサブキャリアのＭ・Ｇ倍のサイズのＩＤＦＴを利用して、図６Ａに示すようにＯＦＤＭ変調信号（目的信号）とそのイメージ信号を周波数軸上でＭ・Ｇ−１チャネル離れて配置する。

このＯＦＤＭ変調信号とそのイメージ信号は、ガードインターバルが挿入された後に、サンプリング周波数Ｍ・Ｇ・Ｆｓ（例えば、Ｆｓ＝２０ＭＨｚ）のＤ／Ａ変換器３２によってデジタル−アナログ変換される。このＤ／Ａ変換により図６Ａの繰り返し成分が発生するが、図６ＢのようにＯＦＤＭ変調器３１が出力するＯＦＤＭ変調信号とイメージ信号のみを通過させる周波数特性を有する送信フィルタ３３によって、目的信号とＭＧ−１チャネル離れたイメージ信号のみをフィルタリングする。フィルタされた信号はアップコンバータ３４によりアップコンバートされて送信される。

無線受信機４は、ダウンコンバータ４１、受信フィルタ４２、Ａ／Ｄ変換器４３、Ｇ個のＯＦＤＭ復調器４４、雑音白色化フィルタ４５、信号合成器４６を含む。無線受信機４の構成および動作は第１の実施形態とほぼ同様のため、主に異なる点について説明する。本実施形態においては、受信フィルタ４２は図６Ｃに示すように、無線送信機３から送信される目的信号とイメージ信号を取り込むような周波数特性を持つ。

無線送信器３におけるイメージ信号の周波数選択については、第１の実施形態と同様である。すなわち、イメージ信号は目的信号からＮ番目の離隔帯域（Ｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは整数）を満たす整数）とする。言い換えると、イメージ信号は、目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇの整数）とする。

より好ましくは、イメージ成分をＧ−１波利用し、各イメージ成分がｎ番目の離隔帯域を使用するとした場合に、ｎをＧで割った剰余が１〜Ｇ−１の全てをとるようにイメージ成分の使用周波数を選択する。こうすることでＧパスのダイバーシチ効果が得られる。 別の表現をすると、イメージ成分と目的信号の周波数間隔をｎ・Ｆｓとしたときに、ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ成分の周波数を選択してＧパスのダイバーシチ効果を得ることが好ましい。

（第３の実施形態）
上記の説明では、無線送信機は、無線受信機のブランチ数Ｇをあらかじめ知っていて、どの周波数にてイメージ信号を送信すればダイバーシチ効果が得られるかを知っていることを前提としていた。本実施形態では、無線送信機が、イメージ信号をどの周波数にて送信すべきかをあらかじめ知らない場合でも、ダイバーシチ効果が得られるようにする。本実施形態では、無線受信機側で、イメージ信号の周波数を周波数変換することで、ダイバーシチ効果が得られない周波数でイメージ信号が送信された場合でも、ダイバーシチ効果が得られるようにする。

図７は、本実施形態にかかる無線受信機の機能ブロックを示す図である。なお、無線送信機は、上記の実施形態のいずれかを用いればよいので、ここでは説明を省略する。

本実施形態にかかる無線受信機と、第１および第２の実施形態にかかる無線受信機の違いは、ダウンコンバータ２１の前段に、アンテナからの受信信号を周波数変換する周波数変換器２７と、周波数変換後の信号に対するフィルタ２８と、周波数変換後の信号とアンテナからの受信信号を合成する合成器２９とが設けられている点である。ダウンコンバータ２１以降の構成については、第１および第２の実施形態と同様である。

既に述べたように、目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓ（ｍ＝Ｋ・Ｇ、Ｇはブランチ数、Ｋは任意の整数、Ｆｓはサンプリング周波数）のイメージ信号からはダイバーシチ効果が得られない。そこで、周波数変換器２７によって、目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓのイメージ信号を、目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように周波数変換する。上記の条件を満たす周波数変換であれば周波数変換器２７の構成はどのようなものであっても良い。例えば、入力信号を±Ｆｓだけ周波数変換しても良いし、±Ｇ／２・Ｆｓ（Ｇが偶数の時）や±（Ｇ±１）／２・Ｆｓ（Ｇが奇数の時）だけ周波数変換しても良い。

フィルタ２８は、受信信号に含まれるイメージ信号の周波数成分を除去するフィルタである。すなわち、周波数変換後のイメージ信号以外を除去する。フィルタ２８は必須ではないが、不要な信号成分を除去することで受信性能を向上できる。また、アンテナから合成器２９に直接入力するパスにおいても、目的信号以外を除去するフィルタを設けることも好ましい。

このようにイメージ信号の周波数を変換することで、ダイバーシチ効果を得ることができるようになる。本実施形態によれば、無線送信機は任意の周波数でイメージ信号を送信できるようになるので、無線受信機のブランチ数（Ｇの値）をあらかじめ知らなくても良いという利点がある。また、複数の無線受信機を対象に一斉放送を行う場合に、各無線受信機のブランチ数が異なる場合であっても、受信機側で対処を行うためダイバーシチ効果
を得ることができる。

（第４の実施形態）
上記第３の実施形態では、イメージ信号の送信周波数は変化させずに、無線受信機側でイメージ信号の周波数変換を行うことでダイバーシチ効果を得るようにした。本実施形態では、無線受信機の構成（ブランチ数Ｇ）に応じて、無線送信機がイメージ信号の送信周波数を調整する。

本実施形態にかかる無線受信機は、無線送信機能も有する。すなわち、第１の実施形態（図１）または第３の実施形態（図７）の構成に加えて、送信手段を備える。この送信手段は、通信相手に無線受信機のブランチ数（Ｇ値）を通知するために用いられる。この通知（以下、Ｇ値通知メッセージという）は、任意のチャネルにて送られて良い。

本実施形態にかかる無線送信機は、受信機側からのＧ値通知メッセージを受信する受信手段と、受信したＧ値に基づいてイメージ信号を送信する周波数を決定する手段を有する。無線送信機は、Ｇ値通知メッセージによって通知されたＧ値から、イメージ信号を送る周波数はｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）とすべきであることが分かる。そして、この条件を満たす周波数の中から、他の無線局によって利用されていない周波数を検出して利用する。

以下、送受信間での制御信号の交換処理について、図８を参照しながら説明する。

まず、無線送信機は、あらかじめ定められた周波数にイメージ信号を重畳させて無線受信機へ目的信号を送信する。無線受信機側では、受信された信号の品質評価を実施し、信号品質が良好ではない場合、Ｇ値通知メッセージによってブランチ数（Ｇ値）を無線送信機に通知する。

Ｇ値通知メッセージを受信した無線送信機は、通知されたＧ値に基づいて、イメージ信号を送信する周波数を決定する。そして、決定されたイメージ信号の送信周波数を、イメージ周波数情報メッセージによって無線受信機に通知する。以下のデータ伝送の際には、決定された送信周波数でイメージ信号を重畳させて目的信号を送信する。

このようにすることで、無線受信機のＧ値に応じた適切な周波数においてイメージ信号が送信されるため、フラクショナル・サンプリングによるダイバーシチ効果が実現できる。

なお、上記の説明ではＧ値通知メッセージを送るタイミングを、受信信号の品質が良好ではない時としたが、これは必須ではなく、どのようなタイミングで送ってもかまわない。例えば、通信を開始する際にＧ値通知メッセージを送信することが考えられる。

（第５の実施形態）
上記第４の実施形態では、無線受信機がＧ値を無線送信機に通知し、無線送信機がイメージ信号の送信周波数を決定していた。本実施形態では、無線受信機側で、Ｇ値に応じた適切なイメージ信号送信周波数を決定して、無線送信機へ通知する。

無線受信機は、無線受信機から受信された信号の品質が良好ではない場合は、自らのブランチ数（Ｇ値）に基づいて、ｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）の周波数の中から、他の無線局によって利用されていない周波数を決定する。そして、決定された周波数を無線送信機側へ通知する。無線送信機側は、通知された周波数にイメージ信号を重畳させて目的信号を送信する。

本実施形態によっても、第４の実施形態と同様の効果が得られる。

（第６の実施形態）
本実施形態では、無線受信機を再構成可能な回路（リコンフィギュラブル回路）によって各機能部を構成する。再構成可能な回路には、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＤＳＰ（Digital Signal Processer）などを採用可能である。各機能部は、ソフ
トウェア（回路構成データやプログラム）の実行モジュールによって処理機能が実現されており、ソフトウェアの実行モジュールの変更によって再構成が可能である。

例えば、本実施形態にかかる無線受信機では、第３の実施形態（図７）に示される、Ａ／Ｄ変換器２３やＯＦＤＭ復調器２４の数（Ｇ値）や処理内容、受信フィルタ２２や、雑音白色化フィルタ２５、信号合成器２６、周波数変換器２７、フィルタ２８などの処理内容を、再構成可能とする。

本実施形態にかかる無線受信機では、内部処理の負荷に応じてＧ値を任意に変更可能とする。すなわち、処理負荷が小さい時には大きめのＧ値を採用し、処理負荷が大きい場合には小さめのＧ値となるように無線受信機を再構成可能とする。これによって、その時点での処理負荷に応じて最適なＧ値を選択して装置を構成することができる。

本実施形態においても、第４の実施形態と同様にＧ値を無線送信機側に送信することが好ましい。本実施形態における制御信号の交換処理について、図９を参照しながら説明する。無線受信機から受信された信号の品質が良好ではない場合は、自らのブランチ数（Ｇ値）に基づいて、ｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）の周波数の中から、他の無線局によって利用されていない周波数を決定する。そして、決定された周波数を無線送信機側へ通知する。なお、ここでは受信信号の品質が良好ではない場合にＧ値通知メッセージを通知する場合を説明したが、処理負荷の変更などの理由により無線受信機を再構成してＧ値を変更した場合にもＧ値通知メッセージを送信することが好ましい。

Ｇ値通知メッセージは、通知されたＧ値に基づいて、イメージ信号を送信する周波数を決定する。そして、イメージ周波数情報メッセージによって、どの周波数でイメージ信号を送信するかを無線受信機に通知する。

無線受信機は、イメージ周波数情報メッセージによって通知された周波数でイメージ信号を受信できるように、周波数変換器２７、フィルタ２８、受信フィルタ２２などの再構成を行う。

本実施形態によれば、無線受信機の処理負荷に応じて適切なＧ値を採用することができる。例えば、画像信号処理などに計算資源を多く割り当てる必要がある場合にはＧ値を小さくし、逆に計算資源に余裕がある場合にはＧ値を大きくするといったことができる。

１，３ 無線送信機
１１，３１ ＯＦＤＭ変調器
１２，３２ Ｄ／Ａ変換器
１３，３３ 送信フィルタ
１４，３４ アップコンバータ
２，４ 無線受信機
２１，４１ ダウンコンバータ
２２，４２ 受信フィルタ
２３，４３ Ａ／Ｄ変換器
２４，４４ ＯＦＤＭ復調器
２５，４５ 雑音白色化フィルタ
２６，４６ 信号合成器
２７ 周波数変換器
２８ フィルタ
２９ 合成器

Claims (18)

1. 目的のＯＦＤＭ信号である目的信号と、該目的信号のイメージ信号とを共に送信する無線送信機と、
   受信信号から前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、受信した前記目的信号と前記イメージ信号をＧ倍（Ｇは２以上の整数）のオーバサンプリング速度でサンプリング処理してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、シンボル周期１／Ｆｓの１／Ｇの各位相においてデジタル変調シンボルをそれぞれ周波数領域のデジタル信号に変換するＧ個のフーリエ変換器と、前記フーリエ変換器のデジタル信号出力に基づいて、送信された前記ＯＦＤＭ信号を復調する信号合成器と、を備える無線受信機と、
   を含む無線通信システムであって、
   前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
   前記無線受信機は、
   前記目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓ（ここで、ｍ＝Ｋ・Ｇ）であるイメージ信号が、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ここで、ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように受信信号を周波数変換する周波数変換器と、
   受信信号と、前記周波数変換器によって周波数変換された前記受信信号とを合成する合成器と、
   を有する、無線通信システム。
2. 目的のＯＦＤＭ信号である目的信号と、該目的信号のイメージ信号とを共に送信する無線送信機と、
   受信信号から前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、受信した前記目的信号と前記イメージ信号をＧ倍（Ｇは２以上の整数）のオーバサンプリング速度でサンプリング処理してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、シンボル周期１／Ｆｓの１／Ｇの各位相においてデジタル変調シンボルをそれぞれ周波数領域のデジタル信号に変換するＧ個のフーリエ変換器と、前記フーリエ変換器のデジタル信号出力に基づいて、送信された前記ＯＦＤＭ信号を復調する信号合成器と、を備える無線受信機と、
   を含む無線通信システムであって、
   前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
   前記無線送信機は、ＯＦＤＭ信号のサブキャリア数のＭ・Ｇ倍（Ｍは整数）の逆フーリエ変換器によって前記目的信号と前記イメージ信号を生成するＯＦＤＭ変調器と、サンプリング周波数Ｍ・Ｇ・Ｆｓでサンプリング処理してアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、を備える、
   無線通信システム。
3. 前記無線受信機は、Ｇ値を前記無線送信機に通知する通知手段を有し、
   前記無線送信機は、前記無線受信機から通知されたＧ値に基づいて、イメージ信号を送信する周波数を、イメージ信号と目的信号の周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように決定する、
   請求項１または２に記載の無線通信システム。
4. 前記無線受信機は、前記無線送信機がイメージ信号を送信すべき周波数を通知する通知手段を有し、
   前記無線送信機は、前記無線受信機から通知された周波数にてイメージ信号を送信する、
   請求項１または２に記載の無線通信システム。
5. 前記無線受信機は、再構成可能デバイスによって前記フーリエ変換器および前記Ａ／Ｄ変換器を構成し、Ｇ値が可変である、
   請求項１〜４のいずれかに記載の無線通信システム。
6. 前記イメージ信号は少なくともＧ−１波あり、
   前記目的信号と前記イメージ信号の周波数間隔ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ信号の周波数が選択される、
   請求項１〜５のいずれかに記載の無線通信システム。
7. 前記無線送信機は、利用対象の周波数帯について、他の無線送信機から送信される電波が存在するか否かを判定する電波検出器を有し、前記目的信号と前記イメージ信号は他の無線送信機が利用していない周波数帯で送信する、
   請求項１〜６のいずれかに記載の無線通信システム。
8. 受信信号から目的のＯＦＤＭ信号である目的信号およびそのイメージ信号以外の信号を除去するフィルタと、
   受信した前記目的信号と前記イメージ信号をＧ倍（Ｇは２以上の整数）のオーバサンプリング速度でサンプリング処理してデジタル信号に変換するＧ個のＡ／Ｄ変換器と、
   シンボル周期１／Ｆｓの１／Ｇの各位相においてデジタル変調シンボルをそれぞれ周波数領域のデジタル信号に変換するフーリエ変換器と、
   前記フーリエ変換手段のデジタル信号出力に基づいて、送信された前記ＯＦＤＭ信号を復調する信号合成器と、
   を備える無線受信機であって、
   前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数）を満たす整数であり、
   前記目的信号との周波数間隔がｍ・Ｆｓ（ここで、ｍ＝Ｋ・Ｇ）であるイメージ信号が、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ここで、ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように受信信号を周波数変換する周波数変換器と、
   受信信号と、前記周波数変換器によって周波数変換された前記受信信号とを合成する合成器と、
   を備える、無線受信機。
9. Ｇ値を通信相手に通知する通知手段を有する、
   請求項８に記載の無線受信機。
10. 通信相手がイメージ信号を送信すべき周波数を通知する通知手段を有する、
    請求項８に記載の無線受信機。
11. 再構成可能デバイスによって前記フーリエ変換器および前記Ａ／Ｄ変換器を構成し、Ｇ値が可変である、
    請求項８〜１０のいずれかに記載の無線受信機。
12. 前記イメージ成分はＧ−１波あり、
    前記目的信号と前記イメージ成分の周波数間隔ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ成分の周波数が選択される、
    請求項８〜１１のいずれかに記載の無線受信機。
13. 目的のＯＦＤＭ信号である目的信号と、該目的信号のイメージ信号を共に送信する無線送信機であり、
    前記イメージ信号は、前記目的信号との周波数間隔がｎ・Ｆｓであり、ｎはｎ≠Ｋ・Ｇ（Ｋは任意の整数、Ｇは２以上の整数）を満たす整数であり、
    ＯＦＤＭ信号のサブキャリア数のＭ・Ｇ倍（Ｍは整数）の逆フーリエ変換器によって前記目的信号と前記イメージ信号を生成するＯＦＤＭ変調器と、
    サンプリング周波数Ｍ・Ｇ・Ｆｓでサンプリング処理してアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
    前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、
    を備える、無線送信機。
14. 通信相手から通知されたＧ値に基づいて、イメージ信号を送信する周波数を、イメージ信号と目的信号の周波数間隔がｎ・Ｆｓ（ｎ≠Ｋ・Ｇ）となるように決定する、
    請求項１３に記載の無線送信機。
15. 通信相手から通知されたイメージ信号の送信周波数にて、イメージ信号を送信する、
    請求項１３または１４に記載の無線送信機。
16. 前記イメージ成分はＧ−１波あり、
    前記目的信号と前記イメージ成分の周波数間隔ｎ・ＦｓをＧ・Ｆｓで割った剰余がＦｓ〜（Ｇ−１）・Ｆｓの全てをとるようにイメージ成分の周波数が選択される、
    請求項１３〜１５のいずれかに記載の無線送信機。
17. 利用対象の周波数帯について、他の無線送信機から送信される電波が存在するか否かを判定する電波検出器を有し、
    前記目的信号と前記イメージ信号は他の無線送信機が利用していない周波数帯で送信する、
    請求項１３〜１６のいずれか記載の無線送信機。
18. ＯＦＤＭ信号のサブキャリア数の逆フーリエ変換器によって前記目的信号を生成するＯＦＤＭ変調器と、
    前記目的信号をサンプリング周波数Ｆｓでサンプリング処理してアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
    前記目的信号と前記イメージ信号以外を除去するフィルタと、
    を備える、請求項１３〜１７のいずれかに記載の無線送信機。
    

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