JP2005192200A - ダイバーシチスイッチ合成器、ダイバーシチスイッチ合成器を備えた受信器システム、およびワイドバンド受信器の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイドバンド無線受信用に適した、より詳細にはマルチキャリアシステムに適したアンテナダイバーシチ受信器を提供する。
【解決手段】ワイドバンド信号を受信するシステムにおいて用いられるダイバーシチスイッチ合成器が、受信信号を、それぞれの周波数帯域を搬送する別個のチャネルに分離するように構成される。異なるアンテナ間で各チャネルの入力をスイッチングするために、各チャネルにそれぞれのスイッチ手段が提供される。スイッチ制御が、好ましくはガード期間中に実行される、異なる設定に対する信号品質を比較する比較動作の結果に従って、スイッチ設定を決定する。
【選択図】図１

Description

［発明の背景］
［発明の分野］
本発明は、アンテナダイバーシチ受信器に関し、詳細にはワイドバンド無線受信用に適したアンテナダイバーシチ受信器に関し、より詳細にはマルチキャリアシステム用に適したアンテナダイバーシチ受信器に関する。

［従来技術の説明］
アンテナダイバーシチ受信器は、マルチパスフェージングにより引き起こされる信号品質劣化を克服するために複数のアンテナを使用する。それらのアンテナの出力が独立にフェージングを受けるようにアンテナを配置すると、アンテナからの信号が合成されて、より高い品質の信号が生成されることができる。なぜなら、いずれのアンテナ（ブランチ）も同時に深いフェージングを受けるということが起こりにくいからである。これにより、受信器は、より低い信号強度のエリアで使用されること、あるいは、通常のシステムカバレジエリア(system coverage area)内で、より高い信号品質および信頼性を提供することが可能となる。

ダイバーシチ合成器の一般的な形態としてスイッチ合成器がある。スイッチ合成器で必要とされる完全な受信器は１個だけである。受信器は、アンテナ間のスイッチングを行い、どのアンテナが最強の信号を供給するかを判断する。これを行うためのいくつかの方式が存在するが、それらはいずれも、ワイドバンドチャネルに対する好適な方策とはなっていないと考えられる。いずれの場合も、スイッチ合成は、選択合成ほどにはうまく機能しない。選択合成では、２個の受信器を利用し、両方のアンテナのパフォーマンスを同時に監視することができるようにするが、スイッチを用いて、一度にそれらのうちの１つのみからの信号を選択する。一方、最大比合成(maximal ratio combining)（ＭＲＣ）では、それぞれのアンテナからの信号にそれぞれ作用する複数の受信器を同時に使用し、信号処理を用いてそれらの受信器の出力を合成する。これにより、スイッチ合成または選択合成のいずれよりも良好なパフォーマンスが得られるが、それらよりもやや高価となる。

ワイドバンドフェージングチャネルにおいて、送信信号の帯域幅は、チャネルのコヒーレンス帯域幅よりも広い（正確な定義については、S. R. Saunders著「Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems」（John Wiley & Sons、ＩＳＢＮ ０４７１９８６０９７、１９９９年７月）を参照のこと）。このことは、受信信号帯域幅の異なる各部分が異なる程度にフェージングを受けるため、最適なアンテナの選択が不明確になるということを意味する。スイッチ合成器であれば、受信器フィルタのそれぞれのチャネル出力のベクトル和を実行することによって、全信号帯域幅上で利用可能な全パワーに基づいて判断を行うことができる。しかし、これにより得られるダイバーシチ利得は、遅延スプレッドが大きい場合、すなわち、マルチパスエコーに起因して、受信器に到達する信号に顕著な遅延バージョンが存在する場合には、ほんのわずかである。スイッチ合成の代わりに選択合成を用いても、結果はさほど良好になるわけではない。

いずれの基準に基づくにしても、単一のアンテナを選択し、これを全ＩＳＤＢ−Ｔ帯域幅の受信のために用いると、パフォーマンスが大幅に劣化する可能性がある。このようなことになる理由は、ほとんどの場合、信号帯域幅内のどこかに深いヌル(deep null)があるため、帯域幅内の一部のキャリアには優れたダイバーシチ利得があるかもしれないが、他のキャリアでは全くダイバーシチ利得が得られず、それらを合わせた結果として得られるダイバーシチ利得が実質的に、帯域幅全体での平均となるからである。

遅延スプレッドがこの大幅なパフォーマンス劣化を引き起こすことが示されているのを考えると、高価なＭＲＣシステムを用いずに、好ましくはただ１つの受信器のみを用いて、この問題を回避する合成技法があれば注目に値するであろう。

したがって、単一受信器を用いる場合の低いコストを維持しながら、高い遅延スプレッドの環境で、従来の単一受信器合成器から利用可能であるよりもパフォーマンスを改善した、スイッチダイバーシチ合成器を提供することが望ましい。

［発明の概要］
本発明の諸態様は、添付の特許請求の範囲に記載の通りである。

本発明のもう１つの態様によれば、ワイドバンド信号を受信するシステムにおいて用いられるダイバーシチスイッチ合成器が、受信信号を、それぞれの周波数帯域を搬送する別個のチャネルに分離するように構成される。異なるアンテナ間で各チャネルの入力をスイッチングするために、各チャネルにそれぞれのスイッチ手段が提供される。スイッチ制御(switch control)が、異なる設定に対する信号品質を比較する比較動作の結果に従って、スイッチ設定を決定する。

本発明は、ガード期間と、それに続くシンボルの有効部分とを含むシンボルの形態で送信されるマルチキャリア信号に特に適用可能である。ここで、ガード期間は、有効部分の終端に対応する。この場合、品質推定は、好ましくはガード期間中に実行されるため、パフォーマンスを大幅に悪化させずにアンテナスイッチングを実施することができる。

本発明のさらにもう１つの態様によれば、ダイバーシチスイッチ合成器が、アンテナと受信器出力との間のパスを形成し、このパスは、受信信号のそれぞれの周波数帯域をそれぞれ搬送する少なくとも２個のチャネルを含む。各チャネルは、アンテナからのいずれの信号がチャネルを通じて供給されるかを選択するための、独立して動作可能なスイッチ手段を有する。受信器出力は、チャネルの合成出力に基づく。したがって、受信無線信号の周波数範囲全体にわたってパフォーマンスの向上を達成することができる。

合成器は、好ましくは、アンテナと受信器の間に配置され、それによりＲＦ信号を受信器に伝達する。別法として、合成器は、受信器内に、例えばＩＦセクション内に配置されることも可能である。ただしこの場合、合成器の前に、それぞれのチャネルごとに回路の別々のバージョンを備えなければならない。

遅延スプレッドに対する弾力性(resilience)が、一般的なチャネル条件を満たすのに十分となるまで、望むだけの数のチャネルに本手法を拡張することができる。最終的には、パフォーマンスを、あらゆるキャリアに対して個別にスイッチングが実行される場合のパフォーマンスに任意に近づけることができる。このレベルのダイバーシチ利得は約９〜１０ｄＢとなり得る。

以下、本発明を具現化する構成を、添付図面を参照して、例として説明する。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
図１に、本発明の基本的な実施形態が示されている。受信器システム２は、ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）信号用であり、アンテナセクション４、スイッチ合成セクション６および受信器回路８を含む。受信器回路８は、受信信号をベースバンドに変換する手段を含む。

アンテナセクション２において、２個のアンテナＡ１およびＡ２が、それらの出力が独立にフェージングを受けるように配置される。それらの出力は、スイッチ合成セクション６のスイッチブロック２０に結合される。ブロック２０は、２個のスイッチ２２および２４を備え、それぞれの出力を２個のスタガ同調フィルタ２６、２８のそれぞれに結合するように動作可能である。フィルタは、それぞれ受信信号帯域の各半分のみを選択するように構成される。フィルタ２６および２８の出力は合成器３０で合成され、その出力は受信器回路８に送出される。

スイッチ合成セクション６はスイッチロジック３２も含む。スイッチロジック３２は、受信器回路８からの信号に応答して、いずれのアンテナが各フィルタに経路設定されるべきかを選択する。これは、受信信号のガード期間中に検査される可能なスイッチ状態の比較に基づくことができる。したがって、セグメントの半分における一方のアンテナでの深いヌルは、それが他方のアンテナに存在しなければ、回避することができる。よってシステムは、従来の全帯域スイッチングのほぼ２倍の遅延スプレッドに対して弾力的となる。

図２は、より詳細にシステムを示している。２個のアンテナＡ１およびＡ２は、ほぼ独立のフェージング信号を生成するように配置される。信号は、スプリッタ４０および４２で分離され、電子制御されたスイッチ２２および２４に送られる。制御ユニット４４が、初期動作フェーズ中に、通常はシンボルガード間隔中に、順次、スイッチ２２および２４の４個の可能な状態のそれぞれを選択する。スイッチ２２からの出力信号は、ハイパスフィルタ２６でフィルタリングされ、ハイパスフィルタ２６はその入力信号帯域幅の上半分のみを出力する。一方、スイッチ２４はローパスフィルタ２８に接続され、ローパスフィルタ２８はその入力信号帯域幅の下半分のみを出力する。２個のフィルタ出力は合成器３０で加算され、その結果が、従来の受信器回路８への入力となる。受信器回路は、その出力において、ＯＦＤＭ信号の個別のキャリアを生成し、それらは通常、復調器４６で復調される。

キャリア出力は、結果として得られた信号の品質を推定するために、品質推定器４８に送られる。推定は通常、軟判定(soft decision)情報等を用いて行われる。信号品質を推定する種々の既知の方法がある。例えば、キャリアコンステレーションに対する正しい位置からのキャリア出力の距離を測定することができる。品質推定のために必ずしもすべてのキャリアを使用する必要はない。ただし、使用されるキャリアは、信号の周波数スペクトル全体に広がっているべきである。パイロットキャリアの実際の値を、故障のない(clean)無雑音システムでパイロットキャリアがとるべき既知の値と比較することによって、パイロットキャリアに基づいて品質推定を行うことが可能である。別法として、限定された個数のサンプルに基づくスペクトル推定を用いることも可能である。

４つの可能なスイッチ状態に対する品質推定値はメモリユニット５０に記憶される。６個のコンパレータからなるバンク５２が、４個すべての品質推定値の２個ずつの比較を行う。コンパレータは、４個の論理ＡＮＤゲートおよび関連するＮＯＴ演算からなるバンク５４に接続され、このバンクが４個の品質推定値のうち最大のものを選択する。その結果が、制御ユニット４４内の４個のスイッチ状態の１つを選択し、ブランチの最高品質の組合せに対応するようにスイッチ状態を設定する。品質推定を十分迅速に達成することができるかどうかは、使用されるプロセスに左右されるが、達成することができる場合、スイッチ状態は、好ましくは現在のシンボルの期間中に、より好ましくはシンボルの有効部分の開始前に、設定される。状態は、プロセス全体が繰り返される前の適当な時間（通常、１シンボルの継続時間）保持される。現在のシンボルの値について品質推定の時間が長くかかりすぎる場合には、スイッチ状態が、代わりに（まず、次の品質推定値を取得するために次のガード間隔中に状態を変更した後で）次のシンボルの有効部分に対して設定されることも可能である。プロセスを規則的に繰り返す必要はない。その代わりに、プロセスは、品質の悪化が検出されることによってトリガされることが可能である。

図２に示される受信器回路８は、ＲＦチューナ８２を含む。ＲＦチューナ８２は、アンテナからスイッチ２２および２４ならびにフィルタ２６および２８を通じて信号を受け取る。チューナ８２の出力は、ダウンコンバータ・ＩＦ増幅器８４に送出される。ダウンコンバータ・ＩＦ増幅器８４は、その出力を、ＩＦ−ベースバンドコンバータ８６に供給する。コンバータ８６からのベースバンド信号は、ＦＦＴ・チャネル推定ブロック８８に送られる。ＦＦＴ・チャネル推定ブロック８８は、受信器回路出力のＯＦＤＭキャリア信号を生成する。ベースバンド信号は、シンボル同期回路９０およびサンプルクロック・周波数同期回路９２にも送出される。シンボル同期回路９０は、ＦＦＴ・チャネル推定ブロック８８の動作を同期させ、サンプルクロック・周波数同期回路９２は、ダウンコンバータ・ＩＦ増幅器８４およびＩＦ−ベースバンドコンバータ８６の動作を同期させる。

これは、図２のシステムで使用可能ないくつかの異なるタイプの受信器回路の単なる一例にすぎない。代替構成として、フィルタ特性を適宜変更しコンバータ８６の前の回路を重複させれば、スイッチ２２および２４ならびにフィルタ２６および２８は、代わりに受信器回路８内に、例えばダウンコンバータ・ＩＦ増幅器８４とＩＦ−ベースバンドコンバータ８６の間に提供することも可能である。

基本的手法の別の発展形態を図３に示す。この実施形態は、図１のものと概ね類似しており、同じ整数は同じ参照番号を有する。しかし、図３の実施形態では、アンテナブランチは、重み付き合成器６０で一定の重みを持って合成されて、別のブランチを形成している。これは、固定ビームステアリング(beam-steering)ネットワークとみなすことができ、いずれかのアンテナ単独の場合よりも、帯域のいくつかの部分におけるフェージングが少なくなる。これもまた、多重合成ネットワークおよび多重サブバンドフィルタに拡張することができる。十分な合成ネットワークおよびサブバンドフィルタを備えた極限では、この手法は、あらゆるキャリアで最大比ダイバーシチ合成を実行したのと同じパフォーマンスを達成することが可能となる。したがってこの手法は、以前の場合よりも小さな余分のパフォーマンス利得を生成するのみである。

いずれの場合にも、両方のアンテナからの信号に同時にアクセスするためには、２個の基本フロントエンド（それぞれスプリッタ、スイッチおよびフィルタを備える）が必要である。これは、受信器ＩＦでＭＲＣを実行するのに比べて必ずしも経済的でないかもしれないが、その選択は、種々のＲＦコンポーネントの相対コストによって決まるであろう。

主受信器出力を生成するために用いられる受信器回路を、品質推定値の測定値を取得するためにも用いることが考えられるが、これは本質的ではない。

提案したダイバーシチシステムは、任意個数のアンテナを用いたいかなるワイドバンド無線システムにも適用可能である。本システムは、消費電力、サイズおよびコストが特に重要であるユーザ端末での応用に特に関連性がある。一方、基地局は通常、ブランチごとに１個の受信器回路を使用するダイバーシチ合成器を実施するであろう。

適用可能な具体的システムとしては以下のものがある。
・ＩＳＤＢ−Ｔ
・ＤＡＢ
・ＤＶＢ
・ＵＭＴＳ
・ｃｄｍａ２０００

本発明の第１の実施形態による受信器システムを模式的に示す。 図１の受信器システムのさらに詳細なブロック図である。 本発明の第２の実施形態の受信器システムを模式的に示す。

Claims (9)

1. 複数のアンテナと、前記アンテナからの信号をベースバンド出力に供給されるベースバンド信号に変換する受信器回路とを備える受信器システムのためのダイバーシチスイッチ合成器であって、
   各チャネルが受信信号のそれぞれの周波数帯域を搬送するように構成された、前記アンテナと前記ベースバンド出力の間の少なくとも２個の信号チャネルと、
   各信号チャネルに前記アンテナを選択的に結合するスイッチ手段と、
   それぞれの前記スイッチ手段の異なる設定に対して前記信号チャネルによって搬送される信号の品質を判定し、前記品質判定に応じて前記スイッチ手段の前記設定を制御するように動作可能なスイッチ制御手段と
   を備えるダイバーシチスイッチ合成器。
2. 各信号チャネルは、前記チャネルによって送信される前記周波数帯域を制限するフィルタを含む請求項１に記載のダイバーシチスイッチ合成器。
3. ガード期間を含む連続するシンボルの形態で信号を受信する受信器システムにおいて使用され、
   前記スイッチ制御手段は、それぞれの周波数帯域における送信信号の品質を判定するために前記ガード期間中に前記スイッチ設定を変更するように動作可能であり、
   その後、前記判定した品質に従って前記設定を制御するように動作可能である
   請求項１または２に記載のダイバーシチスイッチ合成器。
4. 前記スイッチ制御手段は、各ガード期間中に前記信号品質を判定することによって、現在のシンボルに対する前記スイッチ設定を制御するように動作可能である請求項３に記載のダイバーシチスイッチ合成器。
5. 各信号チャネルは、ＲＦ信号を搬送するように構成される請求項１〜４のいずれか一項に記載のダイバーシチスイッチ合成器。
6. 各信号チャネルは、ＩＦ信号を搬送するように構成される請求項１〜４のいずれか一項に記載のダイバーシチスイッチ合成器。
7. 複数のアンテナと、
   前記アンテナから受信される信号をベースバンド信号に変換する受信器回路と、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のダイバーシチスイッチ合成器と
   を備える受信器システム。
8. 複数のアンテナからの信号を合成する合成手段を備え、
   前記スイッチ手段は、前記アンテナおよび前記合成手段の出力をそれぞれの信号チャネルに選択的に結合するように構成される
   請求項７に記載の受信器システム。
9. 少なくとも２個のアンテナを有するワイドバンド受信器の動作方法であって、
   受信信号をそれぞれの周波数帯域に分離することと、
   各周波数帯域について、それぞれの前記アンテナから受信される信号の品質を判定することと、
   各周波数帯域について、最高の信号品質を提供する前記アンテナを独立に選択することと、
   それぞれの選択されたアンテナによって受信される前記分離された信号を合成し、前記合成信号を復調することと
   を含むワイドバンド受信器の動作方法。
   

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