JP2005269202A - 通信装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域な伝送路を用いて周波数ホッピングを行う通信装置において、全通信帯域に亘って平坦な周波数特性の信号を受信側が受信できるように、送信側において各送信周波数ごとに適切な送信電力制御を行うこと。
【解決手段】 ホッピングパターンを生成するホッピングパターン生成部（１０８）と、ホッピングパターン生成部（１０８）により生成されたホッピングパターンに従いホッピング周波数を生成する周波数シンセサイザ（１１０）と、上記ホッピングパターンに従うホッピング周波数の切り換えに同期して、ホッピング周波数に応じたレベルで拡散変調後の送信信号のレベル変換を行うレベル変換部（１０２）とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信装置および方法に関し、特に、周波数ホッピング通信を行う通信装置および方法に関する。

広帯域な伝送路を用いて広帯域信号を伝送する無線通信装置の場合、伝送する信号が広帯域であるがゆえに送信する信号を全帯域に亘ってその周波数特性が平坦な伝送信号として伝送する必要がある。

広帯域の信号を全帯域に亘ってその送信レベルの周波数特性を平坦にして送信するためには、無線通信装置の送信段における各構成要素の信号帯域内での周波数特性を平坦に保つ必要がある。例えば、送信ＲＦ、ＩＦ段の周波数変換器、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、増幅器など全ての送信段の構成要素において、周波数特性を平坦に保って広帯域な送信信号を処理しなければならない。

しかしながら、広帯域に亘って例えば送信段の増幅器などの周波数特性を平坦にすることには限界があり、ある程度の周波数特性を有してしまう。また、温度変化によっても増幅器などの周波数特性が変化する場合があるので、周波数特性を平坦にするべく何らかの補正が必要になってくる。

図６は、広帯域信号を伝送する際の増幅器の周波数特性を平坦に保ち、かつ送信電力を全帯域に亘って一定に保つための機能を有する従来の送信機の構成例を示す図である。

図６に示した送信機は、変調器５０１、周波数変換器５０２、局部発信器５０３、可変利得増幅器５０４、周波数特性を変更可能にする周波数特性補正部５０５、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５０６、アンテナ５０７、可変利得増幅器５０４の各々の利得に対応して周波数特性を補正するように周波数特性補正部５０５を制御する周波数特性制御部５１１、周波数特性制御部５１１が参照する補正テーブル５１２、可変利得増幅器５０４が所望の利得になるように制御する可変利得増幅器制御部５０８、可変利得制御部５０８が参照する補正テーブル５０９、及び出力指定部５１０を備えている。

出力指定部５１０が送信出力を指定すると、可変利得増幅器制御部５０８は、指定された出力レベル情報を基に、その出力レベルを実現するのに必要な利得制御信号を、補正テーブル５０９を参照して可変利得増幅器５０４へ出力する。補正テーブル５０９には、あらかじめ測定されるなどして用意された出力レベルと利得制御信号との対応関係が記述されている。

可変利得増幅器５０４の出力は利得の大小に依存した周波数特性をもつ。周波数特性制御部５１１は、この偏差を補正すべく、補正テーブル５１２を参照して出力の周波数特性を補正する補正信号を周波数特性補正部５０５に出力する。補正テーブル５１２には、あらかじめ測定するなどして用意された出力レベルとその出力レベルにおいて生じる周波数特性を打ち消すための補正信号の値との対応関係が記述されている。

図７は、Bluetooth等ＩＳＭバンドを利用した比較的使用周波数の広帯域な通信を行う無線通信装置の概略構成を示すブロック図である。これは、周波数ホッピングにより使用帯域全体を一つの送信機が占有するもので、通信開始時に、送受信間であらかじめホッピングパターンを決定することによりデータの送受信動作を行う。

破線で囲まれる領域Ａ内のブロックはＰＬＬを構成し、チャネル（Ｃｈ）切換信号によって発振周波数を変化させる。

６０１はローパスフィルタ（ＬＰＦ）で、送信データに所望の帯域制限をかけることにより、高調波成分を除去する。６０１のＬＰＦ出力は６０２の電圧制御発振器に供給され、電圧制御発振器６０２において、その入力に応じたＦＭ変調が施される。電圧制御発信器６０２の出力は分周器６０３に供給され、分周器６０３において所望の周波数に分周されて、位相比較器６０４に供給される。

位相比較器６０４は更に、図示しない制御部からＣｈ切換信号を入力し、分周器６０３から入力した信号との位相比較を行い、その位相差に応じた出力信号をチャージポンプ６０５に供給する。チャージポンプ６０５は、入力された位相差信号に応じた信号を発生する。その信号は、ＬＰＦ６０６を介してＤＣ電圧に変換され、これにより電圧制御発信器６０２の周波数が制御されることになる。

分周器６０３の出力とＣｈ切換信号の周波数とが一致することによってＣｈ切換動作が終了し、Ｃｈ切換信号に見合った周波数が電圧制御発信器６０２から出力される。

電圧制御発信器６０２の出力は増幅器６０７および周波数変換器６１２にも供給される。増幅器６０７に供給された信号は、所望の信号レベルに増幅された後、送受切換器６０８に供給され、そして、アンテナ６０９を介して空中へと放射される。

また、アンテナ６０９から受信された入力信号は、送受切換器６０８を介して低雑音増幅器６１０に供給されて所望の信号に増幅され、周波数変換器６１２において電圧制御発信器６０２の出力と乗算されることにより周波数変換が行われ、数ＭＨｚ程度の低い周波数に変換される。周波数変換器６１２の出力には高調波成分が残るため、ＢＰＦ６１３によりその高調波成分が除去され、検波器６１４にて遅延検波等の検波動作を受けて受信データを出力する。

特開２０００−２７８０６３号公報

図６に示した送信機においては、可変利得増幅器５０４の周波数特性をあらかじめ記憶しておき、周波数特性補正部５０５によりその周波数特性を通信帯域に亘ってフラットにするための補正が行われる。

一方、図７に示した比較的広帯域な伝送路を使用するBluetooth機器などのホッピング制御を行う無線通信機器においても、高々１００ＭＨｚ程度の帯域の伝送路を無線通信に使用する場合など、通常伝送路の低域２．４ＧＨｚ、高域２．４８ＧＨｚにおいては、ホッピングチャネルの１ｃｈあたりの占有帯域幅は１ＭＨｚ程度であることもあって、使用帯域全帯域に亘る送信周波数に対する送信レベルの補正は行っていない。

しかしながら、通信帯域が更に広帯域になると、従来のような送信段の補正制御方法では使用周波数全帯域に亘っての周波数特性の補正には限界がある。

例えば、使用周波数帯域が数ＧＨｚ程度の無線伝送路を想定した場合、無線通信装置自体の送信段の通信帯域における周波数特性を平坦にすることも難しくなるが、伝送路自体にも非平坦な周波数特性が発生してしまう。

つまり、広帯域伝送路における最も低い周波数を使用した場合と最も高い周波数を使用した場合の、自由空間での伝搬損失の周波数特性を考慮する必要が出てくる。

一般に、自由空間では無線周波数の空間の伝搬損失はその送信ＲＦ信号の波長に依存する。例えば、低い周波数を３ＧＨｚ、高い周波数を１０ＧＨｚとすると、その伝搬損失の差は１０ｄＢ近くにもなる。

よって、送信側で送信電力を各々の周波数で一定にして送信しても、空間の遮蔽物体等の反射によるマルチパスによる信号レベルの低下を加味しない状態でも、自由空間の場合、受信側での低域周波数と高域周波数の受信レベルの差は１０ｄＢ近くになる。

ところで、一般に受信機はＡＧＣ機能を有している。このＡＧＣは、受信信号の急激なレベルの変化が発生した場合などに対処できるよう、できる限り広範囲のダイナミックレンジを有しているが、加えて、その受信信号の急激な変化に対して高速に追従できることも必要とされている。

上記のような受信側での低域周波数と高域周波数の受信レベルの差をＡＧＣによって吸収させようとすると、その動作としては、受信側での各受信周波数に対応したものが要求される。また、受信ダイナミックレンジを増大する必要も出てくる。このようなことから、受信ＡＧＣ制御を更に複雑なものにせざるをえなくなる。

さらに、広帯域な伝送路を複数のチャンネルに分割して、各チャンネルをホッピングして通信する広帯域なホッピング動作を行う無線通信機の場合、高速な周波数ホッピング動作に追従できなくなるという不都合が発生する。

本発明はこのような不都合に対処すべくなされたもので、広帯域な伝送路を用いて周波数ホッピングを行う通信装置において、全通信帯域に亘って平坦な周波数特性の信号を受信側が受信できるように、送信側において各送信周波数ごとに適切な送信電力制御を行うことを目的とする。

上記した課題は、本発明の通信装置および方法によって解決される。例えば本発明の一側面は、周波数ホッピング通信を行う通信装置に係り、送信に使用するホッピング周波数における空間伝搬損失特性に応じて送信電力を制御することを特徴とする。

また、本発明の別の側面に係る通信装置は、周波数ホッピング通信を行う通信装置に係り、ホッピングパターンを生成するホッピングパターン生成部と、前記ホッピングパターン生成部により生成されたホッピングパターンに従い送信に使用するホッピング周波数を生成する周波数シンセサイザと、前記周波数シンセサイザにおけるホッピング周波数の切り換えに同期して、送信に使用されるホッピング周波数に応じたレベルで前記拡散変調された送信信号のレベル変換を行うレベル変換部とを有し、送信信号のレベル変換は、送信に使用するホッピング周波数に対応する空間伝搬損失特性に基づいて行うことを特徴とする。

本発明の更に別の側面は、周波数ホッピング通信を行う通信方法に係り、送信に使用するホッピング周波数における空間伝搬損失特性にに応じて送信電力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、広帯域な伝送路を用いて周波数ホッピング通信を行う場合に、全通信帯域に亘って平坦な周波数特性の信号を受信側が受信できるように、送信側において各送信周波数ごとに適切な送信電力制御が行われる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態における通信装置の構成を示すブロック図である。この通信装置は、拡散変調（例えば直接拡散方式による）により得られた広帯域信号を更に周波数ホッピングしてスペクトラム拡散通信を行うものである。

まず、送信部の構成について説明する。

図中１００は拡散変調器で、拡散符号発生器１０３で発生された拡散符号を用いて送信信号を拡散変調する。拡散符号発生器１０３は例えばＭ系列の擬似ランダム符号でチップレートを５００Ｍｃｈｉｐ／ｓ程度のものを発生し、これにより拡散変調器１００は送信データを信号帯域５００ＭＨｚ程度の広帯域信号に変換する。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０１は、拡散変調器１００により広帯域に拡散された送信信号の高調波成分を除去して、送信電力制御手段としてのレベル変換器１０２にその信号を供給する。

レベル変換器１０２は、ＬＰＦ１０１より入力した送信信号のレベルを、送信電力の制御量として制御するもので、レベル切換信号生成部１０６からのレベル切換信号によって送信信号のレベルを可変する。

制御部１１３に設けられているレベル変換データ記憶部１０５にはあらかじめ、ホッピング周波数とレベル変換データとの対応関係を記述したレベル変換データテーブルが記憶されている。レベル変換データテーブルの具体例については後述する。制御部１１３は、送信周波数の切り替わりのタイミングで、レベル変換データ記憶部１０５におけるレベル変換データテーブルを参照して、そのホッピング周波数に対応するレベル変換データを取り出して、レベル切換信号生成部１０６に送出する。レベル切換信号生成部１０６は、入力されたレベル変換データに対応するレベル切換信号をレベル変換器１０２に供給する。上記したとおり、レベル変換器１０２はそのレベル切換信号に応じて広帯域送信信号のレベルを変換する。このレベル変換の動作は周波数の切換のタイミングに同期して実行される。

レベル変換された広帯域送信信号は周波数変換器１０４に供給される。この周波数変換器１０４には周波数シンセサイザ１１０の出力も供給される。周波数変換器１０４では、広帯域送信信号と周波数シンセサイザ１１０からの信号とを乗算することによって広帯域送信信号の周波数変換が行われ、広帯域送信信号が周波数シンセサイザ１１０の信号に応じた周波数にアップコンバートされる。ここで、周波数シンセサイザ１１０は、周波数設定信号によりその発振周波数が設定される。周波数設定信号は、制御部１１３に設けられたホッピングパターンを生成するホッピングパターン生成部１０８から出力される周波数情報を基に周波数設定信号生成部１０９により出力される。

周波数変換器１０４により周波数変換された広帯域送信信号は、後段の増幅器１０７に供給され所定のレベルに増幅され、送受切換スイッチ１１１を介して後段のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１２に供給され、ここで不要波成分が除去された後、アンテナ１１２を介して空中に放射される。

次に、受信部の構成について説明する。

アンテナ１１３に入力された受信信号は、ＢＰＦ１１２と送受切換スイッチ１１１を介してＬＮＡ等の可変増幅器１１４に供給され所定のレベルに増幅されたうえで周波数変換器１１５に供給される。

周波数変換器１１５には周波数シンセサイザ１１０の出力も供給され、これにより可変増幅器１１４から供給された受信信号は周波数変換動作を受け、所定の周波数にダウンコンバートされる。

ダウンコンバートされた受信信号は、ＢＰＦ１１６において不要高調波成分が除去された後、ベースバンド（ＢＢ）復調器１１７に供給され、ベースバンド信号に復調される。

ＢＢ復調器１１７で復調されたベースバンド信号はデータ復調器１１８に供給され、復調動作を受け、受信データが復調される。

一方、ＢＢ復調器１１７の出力ベースバンド信号は検波器１１９にも供給され、包絡線検波され後段のＬＰＦ１２０に供給されることにより積分され、ＤＣ電圧となって比較器１２１に供給される。

比較器１２１では、あらかじめ設定された基準電圧とＬＰＦ１２０の出力電圧とを比較し、そのレベル差に対応した出力電圧を生成する。

比較器１２１の出力電圧は後段の保持器１２２に供給され、そこで一定時間入力電圧が保持される。可変増幅器１１４は、この保持器１２２からの出力に応じてゲイン調整を行い、これにより受信信号をその受信レベルに応じて適切なレベルに制御する。

本実施形態における通信装置の構成は概ね上記のとおりであるが、ここで、レベル変換データ記憶部１０５に記憶されるテーブルの構造例について説明する。

図２Ａは、広帯域伝送路における周波数に対する空間伝搬損失の関係を示す図である。横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は空間伝搬損失（ｄＢ）を示している。図示のように、送信すべきＲＦ周波数が高くなるにつれて、空間伝搬損失は増大するという性質がある。そのため、送信機において送信する周波数の低域の周波数（例えば３ＧＨｚ近傍）と高域の周波数（例えば１０ＧＨｚ近傍）では、ある一定距離において各周波数の受信信号レベルの差は、自由空間を想定すれば１０ｄＢ程度になる。

そこで実施形態では、送信周波数が低くなるほど減衰レベルを高くし、送信周波数が高くなるほど減衰レベルを低くする。具体的には、図２Ｂに示すように、図２Ａの周波数−空間伝搬損失の関係の逆特性となるように減衰レベルを設定するのが好ましい。そして、レベル変換データ記憶部１０５に記憶されるレベル変換データテーブルを、この図２Ｂの送信周波数−減衰レベルの特性に基づいて作成する。レベル変換データテーブルには、送信周波数に対応するホッピング周波数の中心周波数が記述されるとともに、それぞれのホッピング周波数に対応して、送信電力の制御量としての減衰レベルがレベル変換データとして記述される。

図５は、図２Ｂの送信周波数−減衰レベルの特性に基づいて作成されたレベル変換データテーブルの構造例を示す図である。制御部１１３は、このような構造のテーブルを参照することで、ホッピング周波数に対応するレベル変換データとしての減衰レベルを容易に決定することができる。この例のレベル変換データテーブルは図２Ｂの送信周波数−減衰レベルの特性に基づいて作成されたものであるから、制御部１１３は、ホッピングパターン生成部１０８からのホッピング周波数情報を受け、そのホッピング周波数が高いほど減衰レベルの低いレベル変換データをレベル切換信号生成部１０６に送出し、ホッピング周波数が低いほど減衰レベルの高いレベル変換データをレベル切換信号生成部１０６に送出することになる。

図４は、制御部１１３による送信電力制御の手順を示すフローチャートである。

まずＳ４０１で、送信周波数の切換タイミングか否かを判定する。ここで、送信周波数の切換タイミングであると判定した場合は、Ｓ４０２に進み、送信周波数を識別する。具体的には例えば、ホッピング周波数の中心周波数を送信周波数として識別する。

次にＳ４０３で、レベル変換データ記憶部１０５に格納されているレベル変換データテーブルを参照して、送信周波数に対応したレベル変換データを取り込み、Ｓ４０４にて、送信すべき周波数の周波数設定信号を周波数設定信号生成部１０９に送出する。ここで送出した周波数設定信号により、周波数シンセサイザ１１０は周波数切換動作を開始することになる。Ｓ４０５では、周波数切換が完了したか否かを判定する。

Ｓ４０５で周波数切換が完了したと判断した場合には、Ｓ４０６に進み、Ｓ４０３で取り込んだレベル変換データをレベル切換信号生成部１０６に送出する。これにより、上記したとおり、レベル切換信号生成部１０６は、入力したレベル変換データに対応するレベル切換信号をレベル変換器１０２に供給し、レベル変換器１０２はそのレベル切換信号に応じて広帯域送信信号のレベルを変換することになる。

図３Ａは、本実施形態における通信装置が図５のレベル変換データテーブルを適用して送信制御を行った結果を示す図で、送信の際に使用したホッピング周波数の各々に対する相対送信電力を示している。一方、図３Ｂは、図３Ａのようにして送信された信号を受信したときの、その受信信号の周波数とその相対受信電力を示している。このように、空間伝搬損失を考慮して作成されたレベル変換データテーブルに基づいて送信電力を制御したことによって、各周波数でレベルがほぼ一定にされた信号が受信されるようになる。

以上説明した実施形態によれば、送信側であらかじめ送信周波数の自由空間における伝搬損失を考慮して送信電力を制御するため、受信側においては通信帯域全体に亘って受信信号レベルの変動幅を抑えることができる。これにより、受信側でのダイナミックレンジの増大を招くことなく、また受信ＡＧＣ制御を複雑にすることなく、高速な周波数ホッピング動作に追従することが可能となる。

本発明においては、送信信号の送信レベルをホッピングする送信周波数の伝搬損失を考慮して空間伝搬損失の大きい周波数と空間伝搬損失の少ない周波数とで送信電力に差をつけて送信するため、通信相手の受信信号のレベルの変動をマルチパスによるレベルの変動、遮蔽物によるレベルの変動など不可避な受信レベル変動のみに抑えることができる。よって、空間伝搬損失の周波数特性による追加的な受信レベルの変動を抑えることができ、受信ＡＧＣ動作の追従時間を増大させることなく高速なＡＧＣ動作を実現できる。

なお、上述した実施形態においては、送信信号の信号レベルの変更をＩＦ周波数帯のレベル変換器で行っているが、送信信号のレベルの変更をＲＦ段の増幅器のゲインを変更するように構成してもよいし、あるいは、ＲＦ段にレベル変換器を挿入してＲＦ信号の送信レベルを変更するように構成してもよい。

実施形態における通信装置の構成を示すブロック図である。 周波数−空間伝搬損失の関係を示す図である。 実施形態における送信周波数−減衰レベルの関係を示す図である。 実施形態におけるホッピング周波数と相対送信電力との関係の一例を示す図である。 実施形態における通信装置が図５のレベル変換データテーブルを適用して送信制御を行った結果を示す図である。 実施形態における通信装置による送信電力制御の手順を示すフローチャートである。 実施形態におけるレベル変換データテーブルの構造例を示す図である。 従来の周波数特性補正を行う送信機の構成例を示すブロック図である。 従来の周波数ホッピングを行う送受信機の構成例を示すブロック図である。

Claims (5)

1. 周波数ホッピング通信を行う通信装置であって、
   送信に使用するホッピング周波数を設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定されたホッピング周波数に応じた空間伝搬損失特性に応じて送信電力を制御する送信電力制御手段と、
   を有することを特徴とする通信装置。
2. ホッピング周波数と送信電力の制御量との対応関係を周波数に応じた空間伝搬損失特性に基づいて記憶する記憶手段を更に有し、
   前記電力制御手段は、前記対応関係に基づいて、前記設定手段により設定されたホッピング周波数に応じた送信電力の制御量を決定することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記通信装置は、拡散符号により送信信号を拡散変調し、その拡散変調された信号を更に周波数ホッピングすることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
4. 周波数ホッピング通信を行う通信装置であって、
   ホッピングパターンを生成するホッピングパターン生成部と、
   前記ホッピングパターン生成部により生成されたホッピングパターンに従い送信に使用するホッピング周波数を生成する周波数シンセサイザと、
   前記周波数シンセサイザにおけるホッピング周波数の切り換えに同期して、送信に使用されるホッピング周波数に応じたレベルで送信信号のレベル変換を行うレベル変換部と、
   を有し、前記レベル変換は、送信に使用されるホッピング周波数に対応する空間伝搬損失特性に基づいて行われることを特徴とする通信装置。
5. 周波数ホッピング通信を行う通信方法であって、
   送信に使用するホッピング周波数を設定する設定ステップと、
   前記設定ステップで設定されたホッピング周波数に応じた空間伝搬損失特性に応じて送信電力を制御する送信電力制御ステップと、
   を有することを特徴とする通信方法。

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