JP2004096141A - デジタル無線受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル無線通信に用いられる受信機において、デジタル信号処理の負担や消費電力を抑制するためには、信号のサンプリング周波数をできるだけ低くする必要がある一方で、サンプリングに伴う信号の折り返しにより、妨害波の干渉を受け易くなる課題を解決する。
【解決手段】受信信号に含まれる妨害波の強度と希望波の強度を測定し、これに対応してＡＤ変換器のサンプリング周波数を適応的に変化させ、干渉の影響を受けない最小のサンプリング周波数を選択する手段を具備する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル無線受信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル無線受信機では、アナログ信号をサンプリングし、デジタル信号に変換するＡＤ変換器が用いられる。サンプリング方式は、変換対象となるアナログ信号の周波数とサンプリング周波数の関係から、以下の３つの形式に分類することが出来る。
【０００３】
（１）アナログ信号をベースバンド（基底帯域）にまで周波数変換してからサンプリングを行うベースバンドサンプリング方式、
（２）アナログ信号を比較的低い周波数に変換してから、その信号成分に含まれる最も高い周波数の２倍以上の周波数でサンプリングを行うＩＦオーバーサンプリング方式、
（３）アナログ信号を比較的高い周波数のまま、その信号成分に含まれる最も高い周波数の２倍以下の周波数でサンプリングを行うＩＦアンダーサンプリング方式である。
【０００４】
一般に、前記の（１），（２），（３）の順にアナログ処理の負担は軽減され、回路の構成が簡易になる。一方でデジタル処理の負担は増加するが、最近のデジタル信号処理素子の高性能化に伴い、ＩＦアンダーサンプリング方式がしばしば採用される傾向にある。
【０００５】
以下、ＩＦアンダーサンプリング方式について説明する。図３は説明のためにπ／４シフトＱＰＳＫ変調方式のデジタル受信機の一部を示したものである。ＩＦ信号入力端子１００には、帯域制限フィルタで不要成分が抑圧された後に、増幅器によって振幅を適正レベルに調整された信号が入力される。ＡＤ変換器１０１では、サンプリング周波数ｆｓ　で入力信号をサンプリングしデジタル信号への変換を行う。この信号は直交復調器１０２によってベースバンドに周波数変換され、同相成分、直交成分からなる複素信号となる。直交復調器１０２の出力には実信号を周波数変換する結果生じる不要成分が含まれているため、ＬＰＦ（低域通過型フィルタ）１０３によってこれを除去すると同時に波形整形が行われる。サンプラ１０４ではいわゆるシンボル点を抽出し、差動検波器１０５において一時刻前のシンボルとの位相差成分が算出される。判定器１０６ではこの位相差成分よりシンボル判定を行い、復号器１０７においてシンボルから対応するビット情報に変換を行ってビット出力端子１０８から復号値が出力される。
【０００６】
図４は、以上の構成による動作を周波数軸上で表現した図である。説明のため、入力される信号の周波数ｆ_ＩＦは４５０ｋＨｚ、ｆｓ　は２５６ｋＨｚとしている。（ａ）はＡＤ変換器の入力信号である。周波数４５０ｋＨｚに帯域ｆ_Ｂ（この図では１６ｋＨｚとしている）の信号がある。（ｂ）はＡＤ変換器の出力の周波数成分である。サンプリングによって、ｆｓ　ごとに繰り返される複数の帯域がすべて０からｆｓ　の範囲に重畳され、さらにｆｓ　／２を中心に折り返した形となる。すなわち、０ｋＨｚから２５６ｋＨｚ、２５６ｋＨｚから５１２ｋＨｚ、さらにそれ以上の帯域が０ｋＨｚから２５６ｋＨｚの帯域に重畳されて、さらに１２８ｋＨｚを中心に折り返された形となる。
【０００７】
この結果、ＡＤ変換器の出力は等価的に±６２ｋＨｚに０Ｈｚを中心に折り返した形となる（ｃ）。直交復調器ではこの内、−６２ｋＨｚの成分を０Ｈｚに移動するように周波数変換を行い（ｄ）、派生する１２４ｋＨｚの成分をＬＰＦによって除去して（ｅ）、所望の信号を得る。
【０００８】
図５は同様にｆｓ＝１９２ｋＨｚの場合を示したものである。この場合も、０ｋＨｚから１９２ｋＨｚ、１９２ｋＨｚから３８４ｋＨｚ、３８４ｋＨｚから５７６ｋＨｚ、さらにそれ以上の帯域がすべて０ｋＨｚから１９２ｋＨｚに重畳され、さらに９６ｋＨｚを中心に折り返された形となる。この結果、ＡＤ変換器の出力は等価的に±６６ｋＨｚに０Ｈｚを中心に折り返した形となる。
【０００９】
以上の２つの例では、どちらもベースバンドに周波数変換された所望の信号（以下、希望波という）を得ることが可能である。ところが、周辺の周波数に使用中のチャネル（以下、妨害波という）がある場合には考慮すべき課題が生じる。例えば図６に示すように、希望波の他にその周波数の前後±２５ｋＨｚおよび±５０ｋＨｚに妨害波成分がある場合、ｆｓ　＝２５６ｋＨｚの場合にはこれらが互いに重なり合うことはないが、ｆｓ　＝１２８ｋＨｚの場合には＋５０ｋＨｚの妨害波が希望波の帯域に干渉することになり、感度劣化の原因となる。通常のアンダーサンプリング方式の場合には、希望波の帯域内にその他の成分が折り返して干渉することのないように、帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）を設け、この出力をＡ／Ｄ変換器に入力する。このＢＰＦに要求される特性は、サンプリング周波数ｆｓ　に依存するが、一般的に、ｆｓ　が低くなるほど通過帯域を狭くする必要があることは、図６からも推察できる。
【００１０】
一般に、サンプリングの周波数が低いほど、ＡＤ変換器やその制御回路、あるいはデジタル信号処理の負担が軽減され、消費電力が抑えられるため、ｆｓ　は可能な限り低いことが望ましい。一方で周辺チャネルに信号が存在する場合には、それらの成分が希望波に折り返されないような高いサンプリング周波数を用いる必要が生じる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、消費電力や回路規模の点からサンプリング周波数は低い方が望ましい一方で、妨害波の存在によっては制限が生じる。通常の設計では、最悪の場合を想定し、妨害波の干渉を受けないようなサンプリング周波数が固定的に設定される。しかしながら、無線システムが運用される地理的条件、運用時間、あるいはシステムの構成条件などによっては妨害波の影響が比較的小さい場合もあることを考慮すると、必要以上にサンプリング周波数を高く設定している場合があることになる。このことは、特に携帯型無線端末にとっては電池の持続時間に影響する。本発明の目的は、この点を克服して受信機の消費電力を抑えることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の適応サンプリング受信機は、受信信号に含まれる妨害波の強度と希望波の強度を測定し、これに対応してＡＤ変換器のサンプリング周波数を適応的に変化させ、干渉の影響を受けない最小のサンプリング周波数を選択する手段を有するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明によるデジタル受信機の構成である。変調方式はπ／４シフトＱＰＳＫを仮定している。図中、符号１００はＩＦ信号入力端子、１０１はＡＤ変換器、１０２は直交変換器、１０３は低域通過型フィルタ（ＬＰＦ）、１０４はサンプラ、１０５は差動検波器、１０６は判定器、１０７は復号器、１０８は復号出力端子、１０９は誤差検出、１１０はサンプリング周波数制御器である。
【００１４】
図１において、入力されるＩＦ信号は、ＡＤ変換器１０１でサンプリングされてデジタル変換されるが、そのサンプル周波数ｆｓ　はサンプリング周波数制御器１１０によって制御される。直交変換器１０２では入力されるデジタル信号を復調周波数ｆＭＯＤで直交周波数変換し、同相成分、直交成分を出力する。この出力には復調周波数ｆＭＯＤの２倍の成分が含まれているため、ＬＰＦ１０３によりこれを除去する。ＬＰＦ１０３の最適な特性は、サンプリング周波数やシンボル周波数に依存するため、サンプリング周波数制御器１１０がＬＰＦ１０３の特性を制御する。サンプラ１０４では、入力されるサンプル系列から周期ＮＳ毎に信号を取り出す。ここでＮＳはｆｓ　／ｆｂ　（ｆｂ　はシンボル周波数）で与えられる自然数であり、サンプリング周波数制御器１１０により定められる。サンプラ１０４の出力は差動検波器１０５を経て、判定器１０６でシンボル判定され、判定値が復号器１０７に送られる。復号器１０７では入力されるシンボル判定値に対応するビット系列が出力され、復号出力端子１０８から出力される。判定器１０６の入力及び出力信号は、誤差検出器１０９に送られここで入力値に含まれる誤差の統計的処理が行われてその結果がサンプリング周波数制御器１１０に送られる。サンプリング周波数制御器１１０では、入力される誤差情報を基準として、適切なサンプリング周波数を決定する。また、この決定したサンプリング周波数に対応して、ＡＤ変換器１０１にはサンプリング周波数ｆｓ　、直交変換器１０２では対応する復調周波数ｆＭＯＤ、ＬＰＦ１０３には対応する特性を指定する情報あるいはフィルタ係数、サンプラ１０４には間引き数（信号点を抽出する周期ＮＳ）が送られる。
【００１５】
次に、具体的な例を用いて制御方法について説明する。シンボル周波数ｆＢは１６ｋＨｚを仮定する。また選択可能なサンプリング周波数ｆＳは２５６ｋＨｚ、１９２ｋＨｚの２通りとする。この周波数はそれぞれシンボル周波数の１６倍、１２倍に相当する。この二つの場合のＡＤ変換器によるサンプリングからＬＰＦの出力までの周波数軸上の波形は前記図４と図５のようになる。ｆｓ　＝２５６ｋＨｚの場合、誤差検出器１０９により検出される誤差がある閾値を超えたときにはｆｓ　＝１９２ｋＨｚとし、逆にｆＳ＝１９２ｋＨｚの場合、検出される誤差が前記閾値、あるいはそれよりも低く設定された閾値を下回ったときにはｆｓ　＝２５６ｋＨｚとする。本方式は、妨害波ではなく雑音の影響で誤差が大きくなる場合にもｆＳ＝２５６ｋＨｚを維持する可能性があるが、検出・選択方式が簡便であり、雑音が低い環境では低いサンプリング周波数を選択する効果が期待できる。
【００１６】
より高い精度でサンプリング周波数を切り替える例を図２に示す。図中、符号１００から１１０は図１に示した要素と同じものである。符号１１１は包絡線検波器、符号１１２はＡＤ変換器、符号１１３は電力計算器、符号１１４は平均器、１１５は妨害波判定器である。ＬＰＦ１０３の出力は電力計算器１１４でその瞬時電力が計算され、これを平均器１１４で時間平均する。この出力をＰＢとおく。これは、希望波の帯域内の信号電力である。一方、ＩＦ入力信号端子１００から入力される信号は、検波器１１１によって包絡線検波され、この値をＡＤ変換器１１２でデジタル変換される。この値をＰＴとおく。これは自局の信号電力に妨害波の信号を電力が加算された値となる。希望波がない状態で、ＰＴ＝Ａ×ＰＢとなるような定数Ａを定めると、妨害波がある場合ＰＴ＞Ａ×ＰＢとなる。これは、妨害波が加えられることによってＰＴが増加する一方で、ＬＰＦの効果で妨害波の全部、あるいは一部が抑圧されるためである。この特性を利用して、サンプリング周波数を選択する。すなわち、ｆｓ　＝１９２ｋＨｚの場合、ＰＴ／（Ａ×ＰＢ）がある閾値を超えたときに妨害波が存在すると判断してｆｓ　＝２５６ｋＨｚとする。またｆｓ　＝２５６ｋＨｚの場合、ＰＴ／（Ａ×ＰＢ）がある閾値を下回ったときに妨害波が存在しないと判断してｆｓ　＝２５６ｋＨｚとする。
【００１７】
なお、サンプリング周波数を変化させると、その切り替え時において動作が不連続となり、受信が一時正常に動作しなくなるが、通常のデジタル無線ではフレームと呼ばれる固定周期のビットフォーマットで伝送が行われるため、フレームの境界において切り替え動作を行わせることによって影響を避けることが可能となる。また、前述の例では、サンプリング周波数の選択を二通りの中から行う方式について説明したが、選択可能なサンプリング周波数はさらに多くの場合がある。この場合も同様に動作させることによって、より細かな選択が可能となり、消費電力低減が期待できる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、妨害波の影響を受けない程度に低いサンプリング周波数を適応的に選択することにより、特に携帯型のデジタル無線受信機において最小限の消費電力での運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるデジタル無線受信機の構成の一例を示すブロック図。
【図２】本発明によるデジタル無線受信機の他の構成例を示すブロック図。
【図３】従来のデジタル受信機の構成例を示すブロック図。
【図４】アンダーサンプリング方式における周波数変換を説明する図（ｆｂ　＝２５６ｋＨｚ）。
【図５】アンダーサンプリング方式における周波数変換を説明する図（ｆｂ　＝１９２ｋＨｚ）。
【図６】従来技術における妨害波干渉を説明する図。
【符号の説明】
１００：ＩＦ信号入力端子、１０１：ＡＤ変換器、１０２：直交変換器、
１０３：ＬＰＦ、１０４：サンプラ、１０５：差動検波波、１０６：判定器　、１０７：復号器、１０８：復号出力端子、１０９：誤差検出器、
１１０：サンプリング周波数制御器、１１１：包絡線検波器、
１１２：ＡＤ変換器、１１３：電力算出器、１１４：平均器、
１１５：妨害波判定器。

Claims (3)

1. デジタル無線通信に用いる受信機において、
   アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器、直交復調器、低域通過型フィルタ（ＬＰＦ）、サンプラ、差動検波器、判定器、復号器を含むデジタル信号処理部を具備し、前記アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器のサンプリング周波数を適応的に変化させ、該サンプリング周波数に対応して前記直交復調器、低域通過型フィルタ、サンプラの動作を制御することを特徴とするデジタル無線受信機。
2. 請求項１に記載のデジタル無線受信機において、
   前記判定器の入力信号と出力信号から受信信号に含まれる誤差を算出する誤差検出器を設け、該誤差検出器の出力からサンプリング周波数を決定するように構成したことを特徴とするデジタル無線受信機。
3. 請求項１に記載のデジタル無線受信機において、
   入力信号に含まれる電力と、希望波に含まれる電力とを算出し、該二つの電力比から妨害波の存在を推定し、妨害波が存在すると推定される場合にサンプリング周波数を高く設定し、妨害波が存在しないと推定される場合にはサンプリング周波数を低く設定するように制御する手段を具備したことを特徴とするデジタル受信機。

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