JP2006060721A - ソフトウェア無線機 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプリング装置において、複雑な演算によるレート変換を用いずに、アンチエイリアスのためのアナログフィルタを共通化する。
【解決手段】固定のカットオフ周波数ｆｃを持つアンチエイリアスフィルタ、クロック信号入力を有しサンプリング周波数が可変できるＡＤ変換器及びＤＡ変換器、クロック信号の周波数が可変できるＰＬＬ回路を用いて、信号帯域の整数倍かつカットオフ周波数の２倍以上にサンプリング周波数を設定してサンプリングする。
【選択図】図２

Description

本発明は異なる複数の通信規格の信号を送受信するソフトウェア無線機に関し、とくに複数の通信規格は異なる帯域を持つ信号である場合に適する。

異なる規格の無線システムが混在するなか、ソフトウェアプログラムの変更及びハードウェアのリコンフィグレーションによりシステム機能を変更し、共通のプラットフォームで複数の方式の無線システム機能を実現できる無線機を一般にソフトウェア無線機と呼んでいる。ソフトウェア無線機については様々な論文等で紹介されている。例えば、電子情報通信学会論文誌B,Vol.J84-B,No.7,pp1112-1119 (2001/7)にソフトウェア無線機の現状と将来について記載されている。

ソフトウェア無線機はソフトウェアプログラムの変更及びハードウェアのリコンフィグレーションによる汎用性を考慮すると、アナログ回路を出来るだけ減らし、デジタル回路あるいはプロセッサを用いたソフトウェアを中心に処理を行う構成にするのが望ましい。しかしながら、デジタル回路の動作速度、プロセッサの処理能力、ＡＤ変換器及びＤＡ変換器の変換速度に限界があること、価格や消費電力の点で問題があることから、無線機の全ての機能をデジタル回路及びプロセッサを用いたソフトウェアの処理で行うことは現実的ではない。

従って、ソフトウェア無線機はアナログ回路とデジタル回路の切り分けが非常に重要になり、アナログ信号とデジタル信号の変換を司るサンプリング部を無線機の構成上どこに配置するかが大事である。すなわち、サンプリング部をＲＦ帯域（高周波帯域）で行うか、あるいはＩＦ帯域(中間周波帯域)で行うか、あるいはＢＢ帯域（ベースバンド帯域）で行うかによって、アナログ回路規模、デジタル回路規模、サンプリング周波数、サンプリング精度が大きく異なる。
ここでサンプリング部とはアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ(Analog Digital)変換器、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ(Digital Analog)変換器、それに伴い必要となるアンチエイリアスフィルタにより構成される部分を言う。

ＲＦ帯域でサンプリングした場合はフルデジタル回路となり、ハードウェアのリコンフィグレーションが容易となり、いかなる規格の無線機システムにも容易に対応できる理想のソフトウェア無線機となる。しかしながら、十数GHzのサンプリング周波数となり、そのようなサンプリング周波数を持つＡＤ変換器あるいはＤＡ変換器は、価格及び消費電力から現実的ではない。また、サンプリング周波数のみならず量子化ビット幅も２０ビット程度必要である。

ＩＦ帯域でサンプリングした場合は、ＲＦ帯域でのサンプリングに比べてサンプリング周波数を低く抑えることができるが、一般ユーザが使用する携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線機では、価格及び消費電力からまだ現実的ではない。さらに、今後、無線ＬＡＮ等に見られるような高速データ通信が普及してくると予想されるが、高速データ通信では、広帯域なＢＢ帯域となるためＩＦ帯域を下げることは出来ない。

また、ＲＦ帯域あるいはＩＦ帯域でのサンプリングを想定し、ナイキストサンプリング周波数以下のサンプリング周波数で標本化を行うアンダーサンプリングもあるが、ＲＦ帯域あるいはＩＦ帯域でのサンプリングと同等のＡＤ変換器の入力帯域幅とサンプリングの周波数精度が必要となる。
ＢＢ帯域でのサンプリングは現状で一般的な構成であり、マルチモード無線機と呼ばれるソフトウェア無線機では、この形態をとっているものが多い。

ソフトウェア無線機では異なる規格の異なる帯域を持つ信号を送受信する必要があり、ＢＢ帯域でのサンプリングの場合は、複数の異なるサンプリング周波数でサンプルする必要が出てくる。
その際に、サンプリング周波数に見合ったアンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数に変えなければいけない。

アナログ入力信号の周波数に応じてサンプリング周波数とアンチエイリアスフィルタの帯域を可変させる従来例が特開平５−３０００１７に記載されている。
また、サンプリング周波数とアンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数を固定し、固定のサンプリング周波数でサンプリングされたサンプリングデータをデジタル信号処理によりレート変換するという従来例が特開２００３−１９８２５７に記載されている。

各通信規格の信号帯域に応じてアンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数を可変させようとした場合、カットオフ周波数が可変できるアナログフィルタが必要になる。スイッチドキャパシタフィルタと呼ばれるカットオフ周波数の可変できるアナログフィルタがあるが、カットオフ周波数の１００倍程度の速度を持つクロック信号が必要となる。また、超電導素子を用いるフィルタもカットオフ周波数を可変できるが、冷却装置が必要となり、小型の無線機には適さない。
また、複数のフィルタを用意し選択する方法も考えられるが、部品数増大による基板面積、価格の増大に繋がる。

デジタル信号処理によるレート変換は様々なレートの変換を考えた場合、膨大なデジタル信号処理が必要となり、回路規模あるいはプロセッサ演算能力の増大に繋がる。また、デジタル回路規模あるいはプロセッサ演算能力を削減する方法として、サンプリング周波数の近似値あるいはジッタを伴う簡易的なレート変換もあり得るが、それらの方法を用いた場合は信号の品質劣化を伴う。
サンプリング装置において、複雑な演算によるレート変換を用いずに、アンチエイリアスのためのアナログフィルタを共通化することが本発明の課題である。

本発明は固定または各通信プロトコルに共通のカットオフ周波数ｆｃを持つアンチエイリアスフィルタ、クロック信号入力を有しサンプリング周波数が可変できるＡＤ変換器及びＤＡ変換器、クロック信号の周波数が可変できるＰＬＬ回路を用いて、信号帯域の整数倍かつカットオフ周波数の２倍以上にサンプリング周波数を設定してサンプリングすることを特徴とし、複数の異なる帯域を持つ通信規格の信号をマルチモードで通信可能とする。

本発明は異なる帯域を持つ複数の通信規格をマルチモードで通信する際に、カットオフ周波数が固定のアンチエイリアスフィルタ、ＤＡ変換器、ＡＤ変換器を共通に使用できるため、部品数の削減及び低価格化に繋がる効果がある。また、サンプリング周波数をほぼ等しい設定とすれば、ＲＦ部３０における各部品の帯域を共通とすることが可能となり、ＲＦ部回路設計の容易化、部品数の削減、低価格化に繋がる効果も持つ。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に本発明のサンプリング装置を採用したソフトウェア無線機を示す。ここではＢＢ帯域でのサンプリングを想定したマルチモード通信が可能なソフトウェア無線機を例にして説明する。
ソフトウェア無線機は、サンプリング部１０、アンテナ２０、ＲＦ部３０、ＢＢ部４０、制御部５０から構成される。

アンテナ２０で受信されたある特定の通信規格の受信信号はＲＦ部３０に入力される。ＲＦ部はデュプレクサ、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）、バンドパスフィルタ、ミキサ、ＩＱ復調器、ＨＰＡ（High Power Amplifier）、ＡＧＣ（Auto Gain Control）等から構成される。
アンテナ２０で受信された他局からの信号は、ＲＦ部２０により、ＴＸ／ＲＸ分離、帯域制限、低ノイズ増幅、周波数ダウンコンバート、利得調整、ＩＱ直交復調の処理が施され、ベースバンドアナログ受信信号６０となる。

ＲＦ部２０から出力されたベースバンドアナログ受信信号６０は、サンプリング部１０に入力される。
サンプリング部１０に入力されたベースバンドアナログ受信信号６０は、余分なスペクトルをサンプリングすることによるエイリアスを防ぐために、アンチエイリアスフィルタを用いて帯域制限を施す。アンチエイリアスフィルタはベッセルやバターワース特性を持つアナログフィルタにより構成される。

アンチエイリアスフィルタにより帯域制限が施されたベースバンドアナログ受信信号は、ＡＤ変換器に入力される。
ＡＤ変換器により、ベースバンドアナログ受信信号は標本化及び量子化が施されベースバンドデジタル受信信号６１となる。
サンプリング部１０から出力されたベースバンドデジタル受信信号６１は、ＢＢ部４０に入力される。

ＢＢ部４０に入力されたベースバンドデジタル受信信号６１は、検波、逆拡散、誤り訂正等のベースバンド信号処理が施され、受信データ６２となる。
ＢＢ部４０から出力された受信データ６２は制御部５０に入力される。

制御部５０に入力された受信データ６２は、プロトコル制御が施され、情報データ６６となり、上位レイヤに送られる。上位レイヤとは端末であればアプリケーションレイヤ、基地局であればネットワークに相当する。

一方、上位レイヤから送られてくる情報データ６６は制御部５０に入力される。
制御部５０に入力された情報データ６６は、同期に必要なプリアンブル等を付加し、ある所定のフォーマットに従ったフレームを構成した送信データ６５となる。
制御部５０から出力された送信データ６５は、ＢＢ部４０に入力される。

ＢＢ４０に入力された送信データ６５は、誤り訂正符号化、変調、拡散等のベースバンド信号処理が施され、ベースバンドデジタル送信信号６４となる。
ＢＢ部４０から出力されたベースバンドデジタル送信信号６４は、サンプリング部１０に入力される。

サンプリング部１０に入力されたベースバンドデジタル送信信号６４は、Ｄ/Ａ変換器に入力されデジタル/アナログ変換が施される。
デジタル/アナログ変換されたベースバンドアナログ送信信号は、余分なスペクトルの放出を防ぐために、アンチエイリアスフィルタを用いて帯域制限を施す。アンチエイリアスフィルタはベッセルやバターワース特性を持つアナログフィルタにより構成される。アンチエイリアスフィルタにより帯域制限が施され、ベースバンドアナログ送信信号６３となる。

サンプリング部１０から出力されたベースバンドアナログ送信信号６３は、ＲＦ部３０に入力される。
ＲＦ部３０に入力されたベースバンドアナログ送信信号６３は、ＩＱ直交変調、周波数アップコンバート、帯域制限、電力増幅の処理が施され、アンテナ２０から送出される。
なお、サンプリング部１０に必要な各パラメータは制御部５０からの制御信号６７により指示されるものとする。

次に本発明の特徴であるサンプリング部１０について詳細に説明する。
図２に本発明の特徴であるサンプリング部１０の構成を示す。
サンプリング部１０は、アンチエイリアスフィルタ１０１、１０２、１０９、１１０、ＡＤ(Analog Digital)変換器１０３、１０４、ＤＡ(Digital Analog)変換器１１１、１１２、ＦＩＲフィルタ（Finite Impulse Response）１０５、１０６、１１３、１１４、ＲＸレート変換部１０７、１０８、ＴＸレート変換部１１５、１１６、ＰＬＬ１１７、分周器１１８から構成される。アンチエイリアスフィルタは、サンプリングにおける折返し雑音を防ぐためにサンプリングに不要な信号を除去するアナログフィルタである。ＤA変換器はデジタル信号をアナログ信号に変換する機能を持つ。ＡＤ変換器はアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を持つ。ＦＩＲフィルタは、所望信号帯域以外の雑音を除去するデジタルフィルタである。ＲＸレート変換部は、受信データを間引きレートを下げる機能を持つ。ＴＸレート変換部は送信データにゼロを挿入しレートを上げる機能を持つ。分周器は、クロック信号を一定の周期で分周しクロック周波数を下げる機能を持つ。

ＲＦ部３０から出力されるベースバンドアナログ受信信号６０は、サンプリング部１０に入力される。サンプリング部１０に入力されるベースバンドアナログ信号６０は、ＲＸＩ信号とＲＸＱ信号に分けられ、アンチエイリアスフィルタ１０１、１０２にそれぞれ入力される。
なお、アンチエイリアスフィルタ１０１と１０２、ＡＤ変換器１０３と１０４、ＦＩＲフィルタ１０５と１０６、レート変換部１０７と１０８は、それぞれ同じ構成のものであり、ＲＸＩ信号とＲＸＱ信号は同じ処理を施される。

アンチエイリアスフィルタ１０１、１０２のカットオフ周波数は次のように決める。いま、ソフトウェア無線機においてマルチモードで通信を可能とする通信規格を４種類とし、それぞれ通信規格Ａ、通信規格Ｂ、通信規格Ｃ、通信規格Ｄとする。従って、ここでは４種類の通信規格を適宜切り替えて通信を可能とするソフトウェア無線機を想定する。

通信規格Ａのシンボルレート（ＣＤＭＡ通信方式であればチップレート）ｆｂａを３．８４Ｍｂｐｓ、通信規格Ｂのシンボルレートｆｂｂを１１Ｍｂｐｓ、通信規格Ｃのシンボルレートｆｂｃを１６．３８４Ｍｂｐｓ、通信規格Ｄのシンボルレートｆｂｄを２０Ｍｂｐｓとする。なお、各通信システムにおける信号帯域は、一般に上記シンボルレートの１／２である。

サンプリングの方法は、サンプリング周波数と信号周波数帯域の関係によりナイキストサンプリング、オーバサンプリング、アンダーサンプリングに分類される。
ナイキストサンプリングとは、所望信号における最大周波数の２倍の周波数（ナイキスト周波数と呼ぶ）で標本化を行うサンプリング方法である。すなわち、ナイキスト周波数は所望信号を復元できる最低周波数である。この場合、アンチエイリアスフィルタは、ナイキスト周波数の１/２の周波数で急峻に減衰する特性をもつアナログフィルタが必要になる。
オーバサンプリングとは、ナイキスト周波数を超える周波数で標本化を行うサンプリング方法である。この場合、アンチエイリアスフィルタは、ナイキストサンプリングに比べて緩やかな減衰特性を持つアナログフィルタでよい。

アンダーサンプリングとは、ナイキスト周波数に満たない周波数で標本化を行うサンプリング方法である。入力信号が折り返されることを利用し、周波数変換と標本化を同時に行う方法である。この場合、アンチアイリアスフィルタは、ＲＦ帯域でのバンドパスフィルタが必要になる。また、広帯域な入力帯域幅を持つＡＤ変換器や、高精度なクロック発振器も必要になる。
従来のサンプリング装置では、一般に、急峻な減衰特性を持つアンチエイリアスフィルタを必要としないオーバサンプリングが用いられ、ナイキスト周波数の４倍程度のサンプリング周波数でオーバサンプリングする装置が多い。

例えば、ナイキスト周波数の４倍の周波数でオーバサンプリングする場合、サンプリング周波数は通信規格Ａ（例えば、Ｗ−ＣＤＭＡ方式）であれば３．８４Ｍｂｐｓの４倍で１５．３６ＭＨｚ、通信規格Ｂ（例えば、無線ＬＡＮ ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ）であれば１１Ｍｂｐｓの４倍で４４ＭＨｚ、通信規格Ｃ（例えば、ＣＤＭ衛星音声放送）であれば１６．３８４Ｍｂｐｓの４倍で６５．５３６ＭＨｚ、通信規格Ｄ（例えば、無線ＬＡＮ ＩＥＥＥ８０２．１１ａ）であれば２０Ｍｂｐｓの４倍で８０ＭＨｚとなる。なお、ここではサンプリング周波数とナイキスト周波数は等しくなる。

図３に各通信規格のサンプリング周波数の様子を示す。これらのすべての通信規格を１つの無線機で送受信する場合は、従来技術によれば、各通信規格すなわち各サンプリング周波数を発振する発振器及び各サンプリング周波数に見合ったアンチアイリアスフィルタを用意する必要がある。

図４に各サンプリング周波数とアンチエイリアスフィルタの関係を示す。図４の横軸は周波数で、縦軸は振幅を示す。アンチアイリアスフィルタのカットオフ周波数は、所望信号の最高周波数以上、かつサンプリング周波数の１/２以下でなければいけない。サンプリング通信規格Ａのサンプリング周波数３．８４ＭＨｚに対するアンチエイリアスフィルタはカットオフ周波数ｆｃ１の減衰特性を持つフィルタ（１）、通信規格Ｂのサンプリング周波数１５．３６ＭＨｚに対するアンチエイリアスフィルタはカットオフ周波数ｆｃ２の減衰特性を持つフィルタ（２）、通信規格Ｃのサンプリング周波数４０ＭＨｚに対するアンチエイリアスフィルタはカットオフ周波数ｆｃ３の特性を持つフィルタ（３）、通信規格Ｄのサンプリング周波数４４ＭＨｚに対するアンチエイリアスフィルタはカットオフ周波数ｆｃ４の特性を持つフィルタ（４）が必要になる。

従って、４種類の通信規格をマルチモードですべて通信可能とするためには、これら（１）〜（４）の減衰特性を持つアナログフィルタを４種類搭載して選択する、あるいはカットオフ周波数を可変できるフィルタを搭載する必要があった。４個搭載する場合には部品数増大、コスト増大に繋がる。
本実施例では次のようにサンプリング周波数とアンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数を設定する。

通信規格Ａのサンプリング周波数をｆｓａ、通信規格Ｂのサンプリング周波数をｆｓｂ、通信規格Ｃのサンプリング周波数をｆｓｃ、通信規格Ｄのサンプリング周波数をｆｓｄとする。
４種類の通信規格のなかで、通信規格におけるシンボルレート及び性能上のオーバサンプリング数を考慮し、最も高いサンプリング周波数に成り得るサンプリング周波数をｆｓｄとする。
通信規格Ｄのサンプリング周波数ｆｓｄをシンボルレートｆｂｄの４倍と設定した場合、

となる。
次に通信規格Ａ、通信規格Ｂ、通信規格Ｃのサンプリング周波数を次のように設定する。

式(5)を満足するｆｓａ、式(6)を満足するｆｓｂ、式(7)を満足するｆｓｃを設定する。ここで、ｍａ、ｍｂ、ｍｃは整数とする。
式(5)、式(6)、式(7)は必要条件とし、更には、回路の消費電力の過度の増大や、回路の処理量の増大を防ぐためにも下記条件を付け加えることが望ましい。

一方、アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数は次のように設定する。
通信規格Ａのベースバンド信号帯域をｆｍａ（約１．９２ＭＨｚ）、通信規格Ｂのベースバンド信号帯域をｆｍｂ（約５．５ＭＨｚ）、通信規格Ｃのベースバンド信号帯域をｆｍｃ（約８．１９２ＭＨ）、通信規格Ｄのベースバンド信号帯域をｆｍｄ（約１０ＭＨｚ）とした場合、アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数fcは次のように設定する。

アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数fcを、ベースバンド信号帯域ｆｍａ、ｆｍｂ、ｆｍｃ、ｆｍｄのなかで最も広い周波数帯域以上で、かつサンプリング周波数ｆｓａ、ｆｓｂ、ｆｓｃ、ｆｓｄのなかで最も低い周波数の１/２以下とする。
上記、本発明の特徴を通信規格Ａ、通信規格Ｂ、通信規格Ｃ、通信規格Ｄにあてはめると、各サンプリング周波数は下記のように設定できる。

図５に本実施例における各サンプリング周波数の様子を示す。
また、アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数ｆｃ５は、

となる。
アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数ｆｃを左辺、すなわちベースバンド信号帯域ｆｍａ、ｆｍｂ、ｆｍｃ、ｆｍｄのなかで最も広い周波数帯域に近づけた場合、アンチエイリアスフィルタは低次の緩やかな減衰特性を持つアナログフィルタでよいメリットがあるが、ベースバンド信号帯域を広くとれないデメリットがある。カットオフ周波数ｆｃを右辺、すなわちサンプリング周波数ｆｓａ、ｆｓｂ、ｆｓｃ、ｆｓｄのなかで最も低い周波数の１/２に近づけた場合、ベースバンド信号帯域を広くとれるメリットがあるが、アンチエイリアスフィルタは高次の急峻な減衰特性を持つアナログフィルタが必要になるデメリットがある。

図６にアンチエイリアスフィルタの一例を示す。
アンチエイリアスフィルタは図６に示すカットオフ周波数ｆｃ５である（５）のような特性を持つフィルタを各通信規格で共通に使用でき、異なる減衰特性を持つ４種類のフィルタを搭載して選択する、あるいはカットオフ周波数を可変できるフィルタを搭載しなければいけない、という問題が解決される。

次に各通信規格のサンプリング周波数ｆｓａ、ｆｓｂ、ｆｓｃ、ｆｓｄにおけるクロック信号の発生方法について説明する。
各サンプリング周波数ｆｓａ、ｆｓｂ、ｆｓｃ、ｆｓｄはＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を用いて発生させる。

図７にＰＬＬ回路１１７の構成を示す。本発明においてＰＬＬ回路は、各通信プロトコルごとに適切なサンプリング部１０に必要な各種のクロック信号を生成する役割を果たす。ＰＬＬ回路１１７は、リファレンス分周器（分周比はＲＥＦＤＩＶ）１１７ａ、位相比較器（ＰＣ）１１７ｂ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１７ｃ、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１１７ｄ、ＶＣＯ分周器（分周比はＶＣＯＤＩＶ）１１７ｅ、水晶発振器（ＸＣＯ）１１７ｆから構成される。

水晶発振器１１７ｆから出力されるリファレンスクロックは、リファレンス分周器１１７ａに入力され、所定の分周率で分周される。
リファレンス分周器１１７ａの出力信号は、位相比較器１１７ｂに入力され、ＶＣＯ分周器１１７ｅの出力信号との位相比較が為される。
位相比較器１１７ｂから出力される位相比較信号はＬＰＦ１１７ｃに入力され、所定の伝達特性により高域信号が除去され、ＶＣＯ１１７ｄに対する電圧制御信号となる。

ＬＰＦ１１７ｃから出力される電圧制御信号は、ＶＣＯ１１７ｄに入力され、電圧制御信号に見合った周波数を発振して、サンプリングクロックとして出力する。
なお、リファレンス分周器１１７ａの分周比（ＲＥＦＤＩＶ）及びＶＣＯ分周器１１７ｅの分周比（ＶＣＯＤＩＶ）、は制御部から送信される制御信号６７により各構成要素に通知される。

図８に水晶発信器１１７ｆの発振周波数を８ＭＨｚとしたときに、各通信規格のサンプリング周波数ｆｓａ、ｆｓｂ、ｆｓｃ、ｆｓｄに対するクロック信号を発生させる一例を示す。
水晶発信器１１７ｆの発振周波数ＲＥＦが８ＭＨｚ、リファレンス分周器の分周比ＶＣＯＤＩＶとＶＣＯ分周器の分周比ＲＥＦＤＩＶを可変することによりＰＬＬ出力のＣＬＫ１の周波数を変化させられる。
式(17)にＣＬＫ１の周波数ｆｓを示す。

すなわち、ＰＬＬは部品や回路の制限が無ければ有理数で表現できるいかなる周波数も生成することが可能である。
しかしながら、ＶＣＯの周波数可変範囲の制限、リファレンス分周器やＶＣＯ分周器における分周比の制限、水晶発信器精度等から式(8)(9)(10)に示す制限を考慮して、各サンプリングクロックの周波数を設定することが望ましい。
なお、一般にＶＣＯの周波数可変範囲は、部品価格や周波数安定度の面から、中心周波数から±５％の可変範囲とするのが良い。図８をみると、規格Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおいて８４ＭＨｚを中心周波数として±４ＭＨｚすなわち±５％の範囲に収まっていることが分かる。

図２の説明に戻り、上記特性を持つアンチエイリアスフィルタ及び規格に応じて決定されるサンプリング周波数によりオーバサンプリングされたＡＤ変換器１０３、１０４の出力はＦＩＲフィルタ１０５、１０６にそれぞれ入力される。
ＦＩＲフィルタ１０５、１０６に入力されたオーバサンプリングベースバンドデジタル受信信号に対し、ＦＩＲフィルタの構成を持つデジタルフィルタにより、各通信規格におけるベースバンド信号帯域ｆｍａ、ｆｍｂ、ｆｍｃ、ｆｍｄをカットオフ周波数とする帯域制限を行う。また、必要であればロールオフの特性を持たせることもできる。ＦＩＲフィルタ１０５、１０６は、制御部５０からの指示６７により、各通信規格の信号帯域に見合った減衰特性を持つタップ係数に変更できる機能を持つ。

ＦＩＲフィルタ１０５、１０６の出力は、ＲＸレート変換部１０７、１０８にそれぞれ入力される。レート変換部では帯域制限されたオーバサンプリングベースバンドデジタル受信信号を、ベースバンド信号処理部４０で必要とされるオーバサンプリング数にレート変換する。一般に検波、逆拡散、復調を行うベースバンド信号処理部では、シンボルレートの１倍から４倍程度のオーバサンプリング数が必要とされる。

図９にＲＸレート変換部１０７、１０８において５倍オーバサンプリングから１倍オーバサンプリングにレート変換する通信規格Ｃを例に示す。これは、規格Ｃを例とするものである。規格Ｃの信号は、ＡＤ変換器において５倍のオーバサンプリングがなされている（数式１４）。ＢＢ部においてシンボルレートの信号を必要とする場合には、ＲＸレート変換部において１／５に間引く必要がある。

レート変換部１０７、１０８に入力されるサンプリングクロックをＣＬＫ１により５倍オーバサンプリングされたデータ系列をＲＸ１とする。また、１/ｍ分周器１１８によりＣＬＫ１を１/ｍに分周したクロック信号をＣＬＫ２とする。ここではｍ＝５（ｍｂ）とする。
５倍オーバサンプリングから１倍オーバサンプリングへのレート変換は、５倍オーバサンプリングされたデータ系列ＲＸ１を、ＣＬＫ２によりラッチすることにより、１倍オーバサンプリングのデータ系列ＲＸ２が得られる。図９を見て分かるようにＲＸ１のデータを等間隔で間引いてレート変換されていることが分かる。
なお、５倍オーバサンプリングから２倍オーバサンプリングへのような等間隔とならないレート変換については、図１０のような方法を用いると良い。

１/ｍ分周器１１８によりＣＬＫ１を１/５に分周したクロック信号ＣＬＫ２と、ＣＬＫ２の位相をずらした遅延クロック信号ＣＬＫ２’の論理和ＯＲをとったＣＬＫ２”を用いて、データ系列ＲＸ１をラッチすることにより、データ系列ＲＸ１の１、２、３、４、５、６・・・から、１、３、６とデータを間引いたデータ系列ＲＸ２が得られる。
上記方法により、２/５の比でレート変換も可能であるが、本発明を最大限に活かすのであれば、ＲＸレート変換部１０７、１０８においてオーバサンプリング数を１倍、すなわちシンボルレートまで下げることが望ましい。

また、レート変換する際にどの位相でデータをラッチするかは、ベースバンド信号処理部４０による検波結果あるいは、スペクトル拡散通信方式であれば逆拡散による相関値、制御部５０で検出されるフレーム誤り率（あるいはパケット誤り率）やビット誤り率等を監視しながら順次位相を変えて、最適なＣＬＫ２のタイミングを検出するとよい。

また、ＰＬＬ１１７におけるＸＣＯ１１７ｆを電圧制御発振器ＶＣＯに置き換えて、ＣＬＫ２の最適な位相を検出したのと同様に、ベースバンド信号処理部４０による検波結果あるいは、スペクトル拡散通信方式であれば逆拡散による相関値、制御部５０で検出されるフレーム誤り率（あるいはパケット誤り率）やビット誤り率等を監視しながらＶＣＯの制御電圧を制御して、最適なＣＬＫ１の周波数と位相を見つけ出すと更によい。

上記、レート変換部１０７、１０８においてレート変換されたベースバンドデジタル受信信号６１はＢＢ部４０に入力され、検波、逆拡散、誤り訂正等のベースバンド信号処理が施される。
なお、ＲＸＩ信号、ＲＸＱ信号におけるＦＩＲフィルタ１０５、１０６と、レート変換部１０７、１０８は処理の順番を入れ替えてもよい。
図２の構成はＦＩＲフィルタの減衰特性を重視した構成となっているが、ＡＤ変換後にレート変換を行い、レートを下げてからＦＩＲフィルタに入力すればＦＩＲフィルタの消費電力の低減化に繋がる。

次にＢＢ部４０から出力されたベースバンドデジタル送信信号６４は、サンプリング部１０に入力される。サンプリング部１０に入力されたベースバンドデジタル送信信号６４は、ＴＸＩ信号とＴＸＱ信号に分けられ、それぞれＴＸレート変換部１１５、１１６にそれぞれ入力される。
なお、ＴＸレート変換部１１５と１１６、ＦＩＲフィルタ１１３と１１４、ＤＡ変換器１１１と１１２、アンチエイリアスフィルタ１０９と１１０は、それぞれ同じ構成のものであり、ＴＸＩ信号とＴＸＱ信号は同じ処理を施される。

ＴＸレート変換部１１５、１１６では、各通信規格Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおけるシンボルレートｆｂａ、ｆｂｂ、ｆｂｃ、ｆｂｄのベースバンドデジタル送信信号６４を、前記、式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)を満足する式(12)(13)(14)(15)のレートに変換する。
図１１にＴＸレート変換においてシンボルレート（１倍オーバサンプリング）から５倍オーバサンプリングにレート変換する通信規格Ｃを例に示す。
レート変換部１１５、１１６に入力されるシンボルレートのベースバンドデジタル送信信号６４をＴＸ２とし、ＴＸ２はＣＬＫ２と同期したシンボルレートのデータ系列となる。シンボルレートから５倍オーバサンプリングへのレート変換は、図１１を見て分かるようにＣＬＫ１のタイミングで“０”を挿入することによりレート変換を行う。

レート変換部１１５、１１６の出力は、ＦＩＲフィルタ１１３、１１４に入力される。
ＦＩＲフィルタ１１３、１１４に入力されたレート変換後のデータ系列に対し、ＦＩＲフィルタの構成を持つデジタルフィルタにより、各通信規格におけるベースバンド信号帯域のｆｍａ、ｆｍｂ、ｆｍｃ、ｆｍｄに見合ったカットオフ周波数による帯域制限を行う。また、必要であればロールオフの特性を持たせることもできる。ＦＩＲフィルタ１１３、１１４は、制御部５０からの指示により、各通信規格の信号帯域に見合った減衰特性を持つタップ係数に変更できる機能を持つ。

ＦＩＲフィルタ１１３、１１４の出力は、ＤＡ変換器１１１、１１２にそれぞれ入力される。ＤＡ変換器１１１、１１２では、ＣＬＫ１を用いてＦＩＲフィルタ１１３、１１４により帯域制限されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。
ＤＡ変換器１１１、１１２の出力は、アンチエイリアスフィルタ１０９、１１０にそれぞれ入力される。アンチエイリアスフィルタは図６に示す（５）のような特性を持つフィルタを各通信規格で共通で使用できる。

アンチエイリアスフィルタ１０９、１１０の出力ＴＸＩ、ＴＸＱは、ベースバンドアナログ送信信号６３としてＲＦ部３０に入力される。
なお、ＴＸＩ信号、ＴＸＱ信号におけるレート変換部１１５、１１６、ＦＩＲフィルタ１１３、１１４は処理の順番を入れ替えてもよい。
図２の構成はＦＩＲフィルタの減衰特性を重視した構成となっているが、レート変換の前にＦＩＲフィルタに入力すればＦＩＲフィルタの消費電力の低減化に繋がる。

次に図１と図１２を用いて制御部５０の動作を説明する。図１において、制御部５０はサンプリング部１０に必要な各パラメータを制御信号６７により各構成要素に通知し、異なる帯域の信号をサンプリングする。
図１２に制御部５０に記憶するパラメータを示す。制御部では、サンプリング部１０に必要な各種のクロック信号を生成するＰＬＬ回路に設定するパラメータとして、各通信プロトコル用に用いるＶＣＯ分周器の分周比ＶＣＯＤＩＶ、リファレンス分周器の分周比ＲＥＦＤＩＶ、及びＦＩＲフィルタのタップ係数（図１２では各通信規格毎に１６タップ）、受信レート変換器での間引き率・送信レート変換器での補間率であるｍを異なる通信規格数だけメモリに記憶しておく。制御部５０に記憶された各パラメータは制御情報６７として、ソフトウェア無線機が送受信する際の通信規格を変更する際にサンプリング部１０に通知される。

一般にソフトウェア無線機では、ユーザが在圏するエリアで通信可能な通信規格の電波をサーチして、最も電波状態の優れた通信規格、あるいは最も低価格で通信できる通信規格を選択して通信を開始することが多い。本発明をこれに当てはめた場合、制御部５０は通信規格Aのサンプリングに必要なクロック信号を生成するためにＶＣＯ分周器の分周比ＶＣＯＤＩＶ＿A、リファレンス分周器の分周比ＲＥＦＤＩＶ＿Aをサンプリング部１０に通知する。次に通信規格Aの信号をフィルタリングするためにＦＩＲフィルタのタップ係数ＴＡＰ＿Ａ[0]からＴＡＰ＿Ａ[Ｆ]を通知する。次に受信レート変換に必要な間引き率及び送信レート変換に必要な補間率ｍ＿Ａを通知する。

以上の通知及びサンプリング部１０における各構成要素の設定が終わり次第、受信を開始して、ＢＢ部４０から出力される受信データ６２に含まれるヘッダー情報あるいはＣＲＣ検出結果を用いて通信規格Ａの受信状態の良否を判断する。通信規格Ａの受信状態の良否判断が終わり次第、同じように通信規格Ｂ、通信規格Ｃ、通信規格Ｄについて受信状態の良否判断を行う。すべての受信状態の良否を判断した結果から、最も受信状態の優れた通信規格、あるいは最も低価格で通信できる通信規格、あるいはユーザが受信状態が良のものから任意に選択し、再度、選択された通信規格の各パラメータを再設定することにより通信を開始する。

実際は、受信する通信規格を変更する際には、サンプリング部１０以外にもＲＦ部３０に必要なキャリア周波数を可変させるためのシンセサイザ設定データ、ＢＢ部４０に必要な変復調の設定パラメータ等も通知しなければいけないが、本発明の主旨からは外れるのでここでは説明を割愛する。
本実施の形態では、異なる通信規格を4種類で説明したが、それ以外の通信規格でももちろん構わない。

更に本発明を実施するための最良の形態として、ベースバンド帯域でのサンプリングを例にして説明を行ったが、ＩＦ帯域でのサンプリングにも適用できることは言うまでもない。図２のＡＤ変換器１０３、１０４と、ＦＩＲ１０５、１０６との間にデジタル直交復調器を挿入し、ＤＡ変換器１１１、１１２と、ＦＩＲ１１３、１１４との間にデジタル直交変調器を挿入することにより可能となる。ＩＦ帯域でのサンプリングの場合には、ＡＤ変換器１０３、１０４と、受信のアンチエイリアスフィルタ１０１、１０２と、ＤＡ変換器１１１、１１２と送信のアンチエイリアスフィルタ１０９、１１０は、それぞれ1個づつに減らすことが可能である。

また、図２のＲＸレート変換部１０７、１０８、ＴＸレート変換部１１５、１１６のレート変換率ｍを、複数のレート変換率に分けても構わない。例えば、ｍ＝ｉ×ｊ×ｋとし、レート変換率ｉ、ｊ、ｋの3種類のレート変換部を配置しても構わない。とくにＩＦ帯域でのサンプリングを想定した場合、直交変調器及び直交復調器の入力端、出力端に配置すると各部位で、消費電力を抑えた適切なレートで処理が行うことが可能となる。
さらに本発明を実施するための最良の形態として、レート変換部のレート変換方法は送信系では０挿入処理、受信系では間引き処理にて説明を行ったが、比較的演算が容易なＣＩＣ(Cascaded Integrator Comb)フィルタ等を用いて、送信系、受信系ともにレート変換を行っても構わない。

また、送受信を可能とするソフトウェア無線機として説明を行ったが、受信専用、送信専用のソフトウェア無線機であっても構わない。
なお、本発明はソフトウェア無線機に限らず、異なる帯域を持つ複数の信号をアナログ/デジタル変換するサンプリング装置、例えば、有線通信や光、磁気、光磁気等の記録装置等にも適用できる。

本発明のソフトウェア無線機の構成図である。 本発明のサンプリング部１０の構成図である。 従来のサンプリング周波数の様子である。 従来のアンチエイリアスフィルタの特性である。 本発明のサンプリング周波数の様子である。 本発明のアンチエイリアスフィルタの特性である。 本発明のＰＬＬ回路１１７の構成図である。 本発明のＰＬＬ回路１１７の定数の一例である。 ＲＸレート変換部１０７、１０８におけるタイミングチャートの一例。 ＲＸレート変換部１０７、１０８におけるタイミングチャートの一例。 ＴＸレート変換部１１５、１１６におけるタイミングチャートの一例。 制御部に記憶するパラメータの一例。

符号の説明

１０…サンプリング部、２０…アンテナ、３０…ＲＦ部、４０…ＢＢ部、５０…制御部、６０…ベースバンドアナログ受信信号、６１…ベースバンドデジタル受信信号、６２…受信データ、６３…ベースバンドアナログ送信信号、６４…ベースバンドデジタル送信信号、６５…送信データ、６６…情報データ、６７…ＰＬＬ制御信号、１０１、１０２、１０９、１１０…アンチエイリアスフィルタ、１０３、１０４…アナログ/デジタル変換器、１１１、１１２…デジタル/アナログ変換器、１０５、１０６、１１３、１１４…ＦＩＲフィルタ、１０７、１０８…ＲＸレート変換部、１１５、１１６…ＴＸレート変換部、１１７…ＰＬＬ、１１８…１/ｍ分周器、１１７ａ…リファレンス分周器（ＲＥＦＤＩＶ）、１１７ｂ…位相比較器（ＰＣ）、１１７ｃ…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１１７ｄ…電圧制御発信器（ＶＣＯ）、１１７ｅ…ＶＣＯ分周器（ＶＣＯＤＩＶ）、１１７ｆ…水晶発信器（ＸＣＯ）。

Claims (18)

1. 異なる信号帯域を有する信号で通信を行う複数の通信プロトコル対応の無線通信装置であって、
   無線信号の送受信を行う無線部と、信号処理部と、前記無線部と前記信号処理部との間に接続され、前記無線部から入力され前記信号処理部に出力される受信信号のA/D変換および前記信号処理部から入力され前記無線部に出力される送信信号のD/A変換を行うサンプリング部と、前記サンプリング部の制御を行う制御部とを有し、
   前記サンプリング部は、前記複数の通信プロトコルの信号帯域を有する信号に対して同一のカットオフ周波数でフィルタリングを行うアンチエイリアスフィルタと、前記各通信プロトコルごとに適切なサンプリング周波数でA/D変換を行うA/D変換器およびD/A変換を行うD/A変換器と、受信レート変換器と、送信レート変換器と、前記制御部からの通知に基づいて前記A/D変換器、前記受信レート変換器、前記D/A変換器、および前記送信レート変換器にクロックを供給するクロック供給部とを有することを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１記載の無線通信装置であって、
   前記アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数は前記複数の通信プロトコルのうち最大の信号帯域以上に設定され、
   前記A/D変換器および前記D/A変換器は前記カットオフ周波数の２倍以上のサンプリング周波数で送信信号および受信信号のサンプリングを行い、
   前記受信レート変換器は、前記各通信プロトコルの信号帯域と前記サンプリング周波数との関係に基づいて決定される間引き率でA/D変換器の出力信号を間引きした信号を前記信号処理部に出力し、
   前記送信レート変換器は、前記各通信プロトコルの信号帯域と前記サンプリング周波数との関係に基づいて決定される補間割合で前記信号処理部から入力される送信信号を補間して前記D/A変換器への入力信号を補間し、
   前記クロック供給部は、前記サンプリング周波数に適合する第１のクロックを前記A/D変換器および前記D/A変換器に供給し、前記間引き率および補間割合に適合する第２のクロックを前記受信レート変換器および前記送信レート変換器に供給することを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項２記載の無線通信装置であって、
   前記サンプリング周波数は、前記各通信プロトコルごとにその信号帯域の整数倍に設定されることを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項１記載の無線通信装置であって、前記クロック供給部はPLL回路と分周器とを有し、制御部から通知される、前記各通信プロトコルに適合するＶＣＯ分周器の分周比VCODIVおよびリファレンス分周器の分周比REFDIV、分周比ｍに基づいて前記PLL回路および分周器を動作させることにより前記A/D変換器、前記受信レート変換器、前記D/A変換器、および前記送信レート変換器に各通信プロトコルに適合するクロックを供給することを特徴とする無線通信装置。
5. 請求項１記載の無線通信装置であって、前記制御部は、予め前記各通信プロトコルに対応する、前記サンプリング部に通知する各変数を含む制御情報を記憶しておき、使用される通信プロトコルに対応する制御情報を前記サンプリング部に出力することを特徴とする無線通信装置。
6. 請求項１記載の無線通信装置であって、前記制御部は、複数の通信プロトコルに対応するパラメータを順次、前記サンプリング部に通知して該複数の通信プロトコルで受信を行い、各通信プロトコルの受信状態に基づいて使用する通信プロトコルを決定することを特徴とする無線通信装置。
7. 異なる信号帯域を有する信号で通信を行う複数の通信プロトコル対応の無線通信装置における無線通信制御方法であって、
   前記無線通信装置は、無線信号の送受信を行う無線部と、該無線部に接続されるサンプリング部と、該サンプリング部に接続される信号処理部と、前記サンプリング部の制御を行う制御部とを有し、
   前記サンプリング部は、前記無線部から入力される前記各通信プロトコルの受信信号に対して、アンチエイリアスフィルタを用いて同一のカットオフ周波数によりフィルタリングを行い、
   前記制御部から前記各通信プロトコルについての制御情報の入力を受け、該制御情報に基づいて前記各通信プロトコルごとに適切なサンプリング周波数で受信信号のA/D変換を行い、前記制御情報に基づく間引き率で前記サンプリングされた受信信号の間引きを行う受信レート変換を行い、前記受信レート変換を行った受信信号を前記信号処理部に出力することを特徴とする無線通信制御方法。
8. 請求項７記載の無線通信制御方法であって、
   前記アンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数は前記複数の通信プロトコルのうち最大の信号帯域以上に設定され、
   A/D変換器において前記カットオフ周波数の２倍以上のサンプリング周波数で送信信号のサンプリングしてA/D変換を行い、
   受信レート変換器において、前記各通信プロトコルの信号帯域と前記サンプリング周波数との関係に基づいて決定される間引き率でA/D変換器の出力信号を間引きした信号を前記信号処理部に出力し、
   前記A/D変換器は、クロック供給部から前記サンプリング周波数に適合する第１のクロックの供給を受けて動作し、前記受信レート変換器は、前記クロック供給部から、前記間引き率に適合する第２のクロックの供給を受けて動作することを特徴とする無線通信制御方法。
9. 請求項８記載の無線通信制御方法であって、
   前記サンプリング周波数は、前記各通信プロトコルごとにその信号帯域の整数倍に設定されることを特徴とする無線通信制御方法。
10. 請求項７記載の無線通信制御方法であって、前記クロック供給部はPLL回路と分周器とを有し、制御部から通知される、前記各通信プロトコルに適合するＶＣＯ分周器の分周比VCODIVおよびリファレンス分周器の分周比REFDIV、分周比ｍに基づいて前記PLL回路および分周器を動作させることにより前記A/D変換器、前記受信レート変換器、前記D/A変換器、および前記送信レート変換器に各通信プロトコルに適合するクロックを供給することを特徴とする無線通信制御方法。
11. 請求項７記載の無線通信制御方法であって、前記制御部は、予め前記各通信プロトコルに対応する、前記サンプリング部に通知する各変数を含む制御情報を記憶しておき、使用される通信プロトコルに対応する制御情報を前記サンプリング部に出力することを特徴とする無線通信制御方法。
12. 請求項７記載の無線通信制御方法であって、前記制御部は、複数の通信プロトコルに対応するパラメータを順次、前記サンプリング部に通知して該複数の通信プロトコルで受信を行い、各通信プロトコルの受信状態に基づいて使用する通信プロトコルを決定することを特徴とする無線通信制御方法。
13. 請求項７記載の無線通信制御方法であって、
    前記サンプリング部は、前記信号処理部から入力される送信信号を上記間引き率に対応する割合で補間し、該補間された送信信号を上記A/D変換と同様に決定される周期でD/A変換し、上記受信信号のアンチエイリアスフィルタと同様のカットオフ周波数によりフィルタリングして上記無線部に出力し、上記無線部から送信信号を送信することを特徴とする無線通信制御方法。
14. 異なる信号帯域を有する信号で通信を行う複数の通信プロトコル対応の無線通信装置の無線信号の送受信を行う無線部と、送受信信号のデジタル信号処理を行う信号処理部と、制御部とに接続されるサンプリング装置であって、
    前記複数の通信プロトコルの信号帯域を有する信号に対して同一のカットオフ周波数でフィルタリングを行う第１のアンチエイリアスフィルタと、前記各通信プロトコルごとに適切なサンプリング周波数でA/D変換を行うA/D変換器と、前記A/D変換された受信信号を前記各無線プロトコルの信号帯域と前記サンプリング周波数との関係に基づいてレート変換を行う受信レート変換器とを有することを特徴とするサンプリング装置。
15. 請求項１４記載のサンプリング装置であって、
    前記第１のアンチエイリアスフィルタのカットオフ周波数は前記複数の通信プロトコルのうち最大の信号帯域以上に設定され、
    前記A/D変換器は前記カットオフ周波数の２倍以上のサンプリング周波数で送信信号のサンプリングを行い、
    前記受信レート変換器は、前記各通信プロトコルの信号帯域と前記サンプリング周波数との関係に基づいて決定される間引き率でA/D変換器の出力信号を間引きした信号を前記信号処理部に出力し、
    前記A/D変換器は、クロック供給部から前記サンプリング周波数に適合する第１のクロックの供給を受けて動作し、前記受信レート変換器は、前記クロック供給部から、前記間引き率に適合する第２のクロックの供給を受けて動作することを特徴とするサンプリング装置。
16. 請求項１４記載のサンプリング装置であって、
    前記サンプリング周波数は、前記各通信プロトコルごとにその信号帯域の整数倍に設定されることを特徴とするサンプリング装置。
17. 請求項１４記載のサンプリング装置であって、前記制御部から、予め前記各通信プロトコルに対応して記憶される、前記サンプリング部に通知する各変数を含む制御情報の通知を受け、該制御情報に基づいて前記A/D変換器のサンプリング周波数及び前記受信レート変換器の間引き率を制御することを特徴とするサンプリング装置。
18. 請求項１４記載のサンプリング装置であって、前記信号処理部から入力される送信信号を上記間引き率に対応する割合で補間する送信レート変換部と、該補間された送信信号を上記A/D変換と同様に決定される周期でD/A変換するD/A変換器と、該D/A変換された送信信号を上記第１のアンチエイリアスフィルタと同様のカットオフ周波数によりフィルタリングして上記無線部に出力する第２のアンチエイリアスフィルタとを有することを特徴とするサンプリング装置。

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