JP2008053895A - 無線受信機及びその利得制御方法 - Google Patents

Abstract

【目的】バースト的にデータを受信する場合であってもAD変換器の必要ビット数を減少することである。
【構成】ＲＦ受信１２部において無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、AD変換器１５ａ，１５ｂにおいて該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、ベースバンド処理部１６において該ディジタル信号を用いて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機において、平均干渉レベル測定部(SIR測定部)１７は受信信号の平均干渉レベルを測定し、アンプゲイン調整部１８は一定の二進数値が該測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、ゲイン可変アンプ１４ａ，１４ｂは該決定されたゲインで受信信号の受信レベルを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は無線信号を受信する無線受信機及びその利得制御方法に係わり、特に、無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、該ディジタル信号に基づいて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機及びその利得制御方法に関する。

無線受信機は、アンテナにより無線信号を受信し、該受信信号をベースバンド信号に変換した後、ディジタルに変換し、該ディジタル信号に復調処理、受信品質測定処理、チャネル推定／補償処理、誤り訂正復号処理などのベースバンド処理を施す。図７は従来の無線受信機の構成図である。無線信号はアンテナ１に受信されてＲＦ受信部２に入力する。ＲＦ受信部２は高周波増幅器２ａ、帯域制限するバンドパスフィルタ２ｂ、RF信号をベースバンド信号に周波数変換する周波数変換部２ｃを備えている。直交検波部３はベースバンドの受信信号に直交検波を施して互いに直交する２つの直交信号成分Ｉ，Ｑを出力し、ゲイン可変増幅器(アンプ)４ａ，４ｂはそれぞれ直交信号成分Ｉ，Ｑを増幅してＡＤ変換器５ａ，５ｂに入力し、ＡＤ変換器５ａ，５ｂは入力されたアナログ受信信号をディジタルに変換してベースバンド処理部６及び平均レベル測定部７に入力する。ベースバンド処理部６は前述の処理を行い、平均レベル測定部７はＩ²＋Ｑ²により電力を計算し、所定期間における平均値を出力する。アンプゲイン調整部８はベースバンド処理部への入力レベルが一定となるようにゲインを決定してアンプ４ａ，４ｂに入力する。平均レベル測定部７およびアンプゲイン調整部８は自動利得制御部(ＡＧＣ回路)９を構成する。
以上のように、従来のAGC(Automatic Gain Control)回路９はAD変換出力後の受信電力を測定してそれを基準にアンプ４ａ，４ｂのゲインを制御するのが一般的である。しかし、かかる構成ではパケット通信などで見られるバースト信号受信に対応することが困難である。ここでバースト信号受信には、適応変調制御やスケジューリング制御の結果としてバースト的に受信レベルが変化する信号受信も含まれるものとする。

図８は従来のＡＧＣ制御の説明図である。低着信時、着信信号の平均レベルは低くなり、該平均レベルはビット数で表現するとｂビットになる。かかる低着信時、受信平均レベルに対してaビット高いレベルを上限とすれば、低着信時のレンジ幅は（ａ＋ｂ）ビットとなる。一方、高着信時には着信信号の平均レベルが高くなり、該平均レベルはビット数で表現すると（ｂ＋ｃ）ビットになる。ｃビットは高着信時と低着信時における平均レベルの差である。高着信時、上限が受信平均レベルに対してaビット高いレベルとすれば、高着信時のレンジ幅は（ａ＋ｂ）ビットとなる。
従来のＡＧＣ制御ではAD変換後に平均受信レベルを測定し、該平均レベルをbビットに対応させるようにアンプのゲインを調整する。たとえばビット数ｂの全ビットがオール"１"の二進数が測定した平均レベルとなるようにアンプのゲインを調整する。このようにＡＧＣ制御すれば、高着信時および低着信時のレンジ幅が共に（ａ＋ｂ）ビットであるため、AD変換器５ａ，５ｂの出力ビット数は（ａ＋ｂ）ビットで十分となる。

しかし、高着信時と低着信時に平均レベルに差（最大cビットとする）がある。この差により、高着信時にバースト信号受信により着信信号の平均レベルが低くなった場合、あるいは低着信時にバースト信号受信により着信信号の平均レベルが高くなった場合、受信レベルが平均レベルであるｂビットから大きく変化し、これが大きな問題となる。以下、この問題について説明する。
高着信時においてバースト信号受信により着信信号の平均レベルが低くなった場合に対応するためには図９(Ａ)に示すように平均レベルを(ｂ＋ｃ)ビットに拡大しておく必要がある。すなわち、平均レベルを(ｂ＋ｃ)ビットとし、上限レベルを平均レベルよりａビット高いレベルとする必要がある。一方、低着信時にバースト信号受信により着信信号の平均レベルが高くなった場合に対応するためには図９(Ｂ)に示すように平均レベルをｂビットとし、上限レベルを該平均レベルより（ａ＋ｃ）ビット高いレベルに拡大しておく必要がある。
受信機は受信状態が高着信状態であるのか、低着信状態であるのか不明である。このため、上記の両方の状態に対応するために、すなわち歪なく受信信号レベルを表現するために、平均レベルが最大となる（ｂ＋ｃ）において上限レベルとして（ａ＋ｃ）ビット高いレベルを想定する必要が生じる。この結果、AD変換器５ａ，５ｂの出力ビット数としてトータルで（ａ＋ｃ）＋（ｂ＋ｃ）ビット、すなわち、（ａ＋ｂ＋２ｃ）という大きなビットが必要となる。

以上よりバースト信号受信を考慮すると、AD変換器の必要ビット数が大きくなる。AD変換器の必要ビット数が大きくなると演算速度が低下し、しかも、ハードウェア構成が大きくなる問題が生じる。また、AD変換器の最大ビット数には限度があり、（ａ＋ｂ＋２ｃ）が大きくなるとこのビット数を満足するAD変換器が存在しなくなる可能性がある。
従来より、ＡＧＣ回路は種々提案されているが（例えば特許文献１参照）、バースト信号受信する場合であってもAD変換器の必要ビット数を減少するものは提案されていない。
特開２０００６−１３５６１７号公報

以上からは、本発明の目的は、バースト信号受信する場合であってもAD変換器の必要ビット数を減少できるようにすることである。
本発明の別の目的は、バースト信号受信する場合であってもベースバンド処理部に入力するデータビット数を削減できるようにすることである。

本発明の第１の態様は無線信号を受信する無線受信機であり、受信信号をディジタルに変換するAD変換器、該ディジタル信号に基づいて所定の処理を行なう処理部、前記受信信号のレベルを制御するゲイン制御部を備え、前記ゲイン制御部は、受信信号の平均干渉レベルを測定する平均干渉レベル測定部、一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを調整するゲイン調整部、該調整されたゲインで受信信号レベルを制御する受信信号レベル制御部を備えている。
前記受信信号レベル制御部はアナログの受信信号を入力され、前記調整されたゲインで受信信号レベルを制御して前記AD変換器に入力するゲイン可変の増幅器である。あるいは、前記受信信号レベル制御部は前記AD変換器よりディジタルの受信信号を入力され、前記調整されたゲインを該受信信号に乗算する乗算器である。

本発明の第２の態様は、無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、該ディジタル信号に基づいて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機の利得制御方法であり、受信信号の平均干渉レベルを測定するステップ、一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルを示すようにゲインを決定するステップ、該決定されたゲインで受信信号の受信レベルを制御するステップを備えている。
上記利得制御方法は、更に前記レベル制御されたアナログの受信信号をAD変換してベースバンド処理部に入力するステップを有している。あるいは、上記利得制御方法は、更にアナログの受信信号をディジタルに変換するステップを備え、該ディジタルの受信信号に前記ゲインを乗算して受信信号の受信レベルを制御する。

本発明によれば、受信信号の平均干渉レベルを測定し、一定の二進数値が該測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、該決定されたゲインで受信信号の受信レベルを制御するようにしたから、バースト信号受信する場合であってもAD変換器の必要ビット数を減少することができる。この結果、演算速度を向上でき、しかもベースバンド処理部での構成をシンプルにできる。
また、本発明によれば、アナログの受信信号をディジタルに変換し、該受信信号の平均干渉レベルを測定し、一定の二進数値が該測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、ディジタルの受信信号に該ゲインを乗算して受信信号の受信レベルを制御するようにしたから、ベースバンド処理部に入力するデータビット数を削減して、演算速度を向上でき、しかもベースバンド処理部での構成をシンプルにできる。

（Ａ）本発明の原理
低着信時の信号はそのアンテナ端におけるSIR(Signal to Interference Ratio)が０dB以下となるため、着信信号レベルはほぼ干渉レベルと等しいと考えることができる。そこで、図１に示すようにこの干渉レベルがｂビットに対応するように、すなわち、符号ビットを考慮して干渉レベル＝２^b-1となるようにゲイン可変増幅器のゲインを制御する。そして、ＡＤ変換器のビット数を(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットとする。ただし、低着信時と高着信時の平均レベルの差をｃビット、高着信時における上限レベルと平均レベルの差をａビットする。
このようにすれば、低着信時において干渉レベルｂから（ａ＋ｃ）ビット高いレベルを上限とすることができ、バースト信号受信により着信信号の平均レベルが高くなっても (ａ＋ｂ＋ｃ)ビットで十分に表現することができる。
一方、高着信時の平均レベルは図１より（平均干渉レベルｂ＋平均レベルの差ｃ）となり、ＡＤ変換器のビット数は(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットであるから、該平均レベルからａビット高いレベルを上限とすることができる。すなわち、高着信時に受信信号が平均レベル（ｂ＋ｃ）よりａビット高くなっても、ＡＤ変換器は(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットで該受信信号レベルを十分に表現することができる。
以上のように、干渉レベルがｂビットに対応するように、たとえばビット数bの全ビットがオール"１"の２進数値となるようにゲイン可変増幅器のゲインを制御し、かつ、ＡＤ変換器のビット数を(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットとすることにより、バースト信号受信する場合であっても(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットで受信信号レベルを十分に表現することができる。すなわち、従来、ＡＤ変換器の出力ビット数として(ａ＋ｂ＋２ｃ)ビット必要であったものを(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットに減少することができる。
また、従来の必要ビット数(ａ＋ｂ＋２ｃ)におけるｂは低着信時と高着信時とで等しいとして説明したが、実際は低着信時と高着信時とで異なり、必要ビット数は大きな方のｂに依存する。しかし、本発明では、ｂの値として低着信時における小さい方の値を採用でき必要ビット数を更に削減しつつ、バースト信号に対応できる効果がある。

（Ｂ）第１実施例
図２は第１実施例の無線受信機の要部構成図である。無線信号はアンテナ１１に受信されてＲＦ受信部１２に入力する。ＲＦ受信部１２は高周波増幅器１２ａ、帯域制限するバンドパスフィルタ１２ｂ、RF信号をベースバンド信号に周波数変換する周波数変換部１２ｃを備えている。直交検波部１３はベースバンドの受信信号に直交検波を施して互いに直交する２つの直交信号成分Ｉ，Ｑを出力し、ゲイン可変増幅器(アンプ)１４ａ，１４ｂはそれぞれ直交信号成分Ｉ，Ｑを増幅してＡＤ変換器１５ａ，１５ｂに入力し、ＡＤ変換器１５ａ，１５ｂは入力されたアナログ受信信号をディジタルに変換してベースバンド処理部１６に入力する。ベースバンド処理部１６は入力されたディジタル信号に復調処理、受信品質測定処理、チャネル推定／補償処理、誤り訂正復号処理などのベースバンド処理を施す。受信品質としては例えばＳＩＲを測定し、該測定結果に基づいて下り送信における変調方式や変調度などが決定される。
ベースバンド処理部１６のＳＩＲ測定部１７はディジタルの直交信号成分を用いてＳＩＲを測定すると共に、所定期間毎の信号レベルと干渉レベルの平均値を算出してSIRを計算すると共に、平均干渉レベルを出力する(後述する)。

アンプゲイン調整部１８は、一定の二進数値、例えば２^b-1が測定された平均干渉レベルとなるようにゲイン可変増幅器１４ａ，１４ｂのゲインを調整する。平均干渉レベルがIoのときゲインが１であるとすれば、測定した平均干渉レベルがIであれば、ゲイン調整部１８は次式
G=Io／I (１)
によりゲインGを計算し、ゲイン可変増幅器(アンプ)１４ａ，１４ｂに設定する。(１)式より、平均干渉レベルIがIoより大きくなるとゲインは１より小さくなり、平均干渉レベルがIoより小さくなるとゲインは１より大きくなる。
ゲイン可変増幅器(アンプ)１４ａ，１４ｂは設定されたゲインGに基づいてゲイン制御を行う。以上の自動利得制御により、平均干渉レベルがｂビットに対応するようにゲイン制御が行われる。
以上より、平均干渉レベルをｂビット、低着信時と高着信時の平均レベルの差をｃビット、高着信時における上限レベルと平均レベルの差をａビットで表現するとすれば、ＡＤ変換器１５ａ，１５ｂのビット数を(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットすることにより、歪なく受信信号レベルを表現することが可能になる。すなわち、低着信時には平均干渉レベルｂから（ａ＋ｃ）ビット高いレベルを上限とすることができ、バースト信号受信する場合であっても着信信号を(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットで十分に表現することができる。また、高着信時には、平均レベル（ｂ＋ｃ）よりａビット高い受信信号が入力してもＡＤ変換器は(ａ＋ｂ＋ｃ)ビットで該受信信号レベルを十分に表現することができる。

図３はSIR測定部１７の例として、CDMA通信を想定した場合のSIR測定法説明図である。送信側におけるパイロット信号のコンスタレーションは図３(A)に示すようにI-Q複素平面の所定位置に存在する。しかし、受信側では、チャネルや雑音の影響を受けて受信パイロット信号のコンスタレーションは図３(B)に示すように散らばる。受信パイロット信号の平均値が信号成分S、平均からのバラツキの大きさが干渉成分Iとなり、信号成分Sと干渉成分Iの比がSIRとなる。
そこで、第ｋスロットの第ｎパイロットシンボルに対するｍ番目のパスの逆拡散信号をr_m(n，k)として、Npシンボル分平均すると、平均値は次式

で表現される。ただし、mは１≦m≦M(Mはマルチパスのパス数)である。また、パイロット信号の平均電力は次式

で与えられる。パイロットの平均値と各パイロットの差の電力(干渉電力)を求めると次式

で与えられる。精度向上のため、干渉電力のスロット平均を次式

により求め、全パスそれぞれのSとIの比の平均を次式

により算出すれば第kスロットのSIRが求まる。なお、(２)式の平均干渉電力の平方根を取ることにより平均干渉レベルが求まる。
図４は第１実施例の変形例であり、図２の第１実施例と同一部分には同一符号を付している。異なる点は平均干渉レベル測定部１９を設け、該平均干渉レベル測定部１９が(２)式に従って平均干渉レベルを測定する点である。

(Ｃ)第２実施例
図５は第２実施例の無線受信機の構成図であり、ディジタル受信信号にゲインを乗算してベースバンド処理部へ入力する構成を有している。
図５の第２実施例において図２の第１実施例と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、(１)AD変換器１５ａ，１５ｂはゲイン制御する前の直交検波出力信号をディジタルに変換している点、(２)ゲイン可変増幅器に替えてディジタルの乗算器２１ａ、２１ｂを設けている点、（３）乗算器２１ａ，２１ｂはAD変換器１５ａ、１５ｂの出力信号にゲイン調整部１８で計算したゲインＧを乗算して受信信号の受信レベルを制御してベースバンド処理部１６に入力する点である。ゲイン調整部１８は第１実施例と同様に、一定の二進数値、例えば２^b-1が測定された平均干渉レベルとなるようにゲインＧを決定して乗算器２１ａ，２１ｂに入力する。
第２実施例によれば、直交検波出力信号をディジタルに変換し、該受信信号の平均干渉レベルを測定し、一定の二進数値が該測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、ディジタルの受信信号に該ゲインを乗算して受信信号の受信レベルを制御するようにしたから、AD変換器の出力ビット数を削減できないが、ベースバンド処理部に入力するデータビット数を削減して、演算速度を向上でき、しかもベースバンド処理部での構成をシンプルにできる。

(D)第３実施例
第１、第２実施例は無線受信信号をベースバンド信号に周波数変換してからAD変換した例であるが、高周波信号、あるいは中間周波信号の段階でAD変換し、しかる後、ベースバンド信号に変換し、自動利得制御を行うように構成することもできる。このようにすればAD変換器は１台で済む利点がある。
図６はかかる第３実施例の無線受信機の構成図であり、図５の第２実施例と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、(1)第１の周波数変換部１２ｃで中間周波信号に周波数変換している点、(2)該中間周波信号をAD変換器１２eでアナログからディジタルにAD変換している点、(3)第２の周波数変換部１２ｆでディジタル処理により中間周波信号をベースバンド信号に周波数変換している点、（4）直交検波部１３がディジタル的に直交検波処理を行なって直交成分I，Qをディジタル乗算器２１a，２１ｂに入力してい
る点である。なお、ゲイン調整部１８は第１実施例と同様に、一定の二進数値、例えば２^b-1が測定された平均干渉レベルとなるようにゲインＧを決定して乗算器２１ａ，２１ｂに入力する。
(付記)
(付記１）
無線信号を受信する無線受信機において、
受信信号をディジタルに変換するAD変換器、
該ディジタル信号に基づいて所定の処理を行なう処理部、
前記受信信号のレベルを制御するゲイン制御部、
を備え、前記ゲイン制御部は、
受信信号の平均干渉レベルを測定する平均干渉レベル測定部、
一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを調整するゲイン調整部、
該調整されたゲインで受信信号レベルを制御する受信信号レベル制御部、
を備えたことを特徴とする無線受信機。
(付記２）
前記受信信号レベル制御部はアナログの受信信号を入力され、前記調整されたゲインで受信信号レベルを制御して前記AD変換器に入力するゲイン可変の増幅器である、
ことを特徴とする付記１記載の無線受信機。
(付記３）
前記ベースバンドの受信信号に直交検波を施して互いに直交する２つの直交信号成分を出力する直交検波部を備え、
前記AD変換器は各直交信号成分をディジタル変換し、前記平均干渉レベル測定部は該ディジタルの直交信号成分を用いて所定期間毎の干渉レベルの平均値を算出して出力し、前記受信信号レベル制御部は前記直交検波部から出力する２つの直交信号成分のレベルを前記ゲインに基づいて制御して前記ＡＤ変換器に入力する、
ことを特徴とする付記１または２記載の無線受信機。
(付記４）
前記受信信号レベル制御部は前記AD変換器よりディジタルの受信信号を入力され、前記調整されたゲインを該受信信号に乗算する乗算器である、
ことを特徴とする付記１記載の無線受信機。
(付記５）
前記ベースバンドの受信信号に直交検波を施して互いに直交する２つの直交信号成分を出力する直交検波部を備え、
前記AD変換器は各直交信号成分をディジタル変換し、前記平均干渉レベル測定部は該ディジタルの直交信号成分を用いて所定期間毎の干渉レベルの平均値を算出して出力し、前記乗算器は前記AD変換器から出力する２つの直交信号成分に前記ゲインを乗算して出力することを特徴とする付記４記載の無線受信機。
(付記６）
無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、該ディジタル信号に基づいて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機の利得制御方法において、
受信信号の平均干渉レベルを測定し、
一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、
該決定されたゲインで受信信号の受信レベルを制御する、
ことを特徴とする利得制御方法。
(付記７）
前記レベル制御されたアナログの受信信号をAD変換してベースバンド処理部に入力することを特徴とする付記６記記載の利得制御方法。
(付記８）
無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、該ディジタル信号に基づいて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機の利得制御方法において、
ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、
該受信信号の平均干渉レベルを測定し、
一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、
前記ディジタルの受信信号に前記ゲインを乗算して受信信号の受信レベルを制御する、
ことを特徴とする利得制御方法。

本発明の原理説明図である。 第１実施例の無線受信機の要部構成図である。 SIR測定部のSIR測定法説明図である。 第１実施例の変形例である。 第２実施例の無線受信機の構成図である。 第３実施例の無線受信機の構成図である。 従来の無線受信機の構成図である。 従来のＡＧＣ制御の説明図である。 従来のＡＧＣ制御の問題点説明図である。

符号の説明

１１ アンテナ
１２ ＲＦ受信部
１２ｃ 周波数変換部
１３ 直交検波部
１４ａ、１４ｂ ゲイン可変増幅器(アンプ)
１５ａ，１５ｂ ＡＤ変換器
１６ ベースバンド処理部
１７ ＳＩＲ測定部
１８ アンプゲイン調整部

Claims (5)

1. 無線信号を受信する無線受信機において、
   受信信号をディジタルに変換するAD変換器、
   該ディジタル信号に基づいて所定の処理を行なう処理部、
   前記受信信号のレベルを制御するゲイン制御部、
   を備え、前記ゲイン制御部は、
   受信信号の平均干渉レベルを測定する平均干渉レベル測定部、
   一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを調整するゲイン調整部、
   該調整されたゲインで受信信号レベルを制御する受信信号レベル制御部、
   を備えたことを特徴とする無線受信機。
2. 前記受信信号レベル制御部はアナログの受信信号を入力され、前記調整されたゲインで受信信号レベルを制御して前記AD変換器に入力するゲイン可変の増幅器である、
   ことを特徴とする請求項１記載の無線受信機。
3. 前記ベースバンドの受信信号に直交検波を施して互いに直交する２つの直交信号成分を出力する直交検波部を備え、
   前記AD変換器は各直交信号成分をディジタル変換し、前記平均干渉レベル測定部は該ディジタルの直交信号成分を用いて所定期間毎の干渉レベルの平均値を算出して出力し、前記受信信号レベル制御部は前記直交検波部から出力する２つの直交信号成分のレベルを前記ゲインに基づいて制御して前記ＡＤ変換器に入力する、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の無線受信機。
4. 無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、該ディジタル信号に基づいて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機の利得制御方法において、
   受信信号の平均干渉レベルを測定し、
   一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、
   該決定されたゲインで受信信号の受信レベルを制御する、
   ことを特徴とする利得制御方法。
5. 無線受信信号をベースバンドの受信信号に変換し、該ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、該ディジタル信号に基づいて所定のベースバンド処理を行なう無線受信機の利得制御方法において、
   ベースバンドの受信信号をディジタルに変換し、
   該受信信号の平均干渉レベルを測定し、
   一定の二進数値が前記測定された平均干渉レベルとなるようにゲインを決定し、
   前記ディジタルの受信信号に前記ゲインを乗算して受信信号の受信レベルを制御する、
   ことを特徴とする利得制御方法。

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