JP2008509577A - Receiver for use in wireless communication, and method and terminal using the receiver - Google Patents
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Abstract
同相成分及び直交成分を生成するための入力信号経路(101)、回路(113)及び同相成分と直交成分との間の振幅の不平衡を周期的に推定し、且つ振幅の相対的な調整を行って検出された不平衡を補償する推定器(204)を備える無線受信機であって、推定器(204)が、(i)同相成分I(t)のサンプルIiと直交成分Q(t)の対応するサンプルQiとをブロックに分割し、(ii)各ブロックに対してサンプルIiの自乗和に対応するブロック冪乗値Inを計算し、(iii)ブロック冪乗値In及びQnから振幅不平衡値An=(Qn/In)1/2を計算し、且つ(iv)一組のブロック振幅不平衡値に対して平均値を計算するように動作可能である無線受信機。The input signal path (101) for generating the in-phase component and the quadrature component, the circuit (113), and the amplitude imbalance between the in-phase component and the quadrature component are periodically estimated, and the relative adjustment of the amplitude is performed. A wireless receiver comprising an estimator (204) that compensates for the detected imbalance by performing an estimator (204) comprising: (i) a sample I i of the in- phase component I (t) and a quadrature component Q (t corresponding to the sample Q i is divided into blocks of), (ii) a block exponentiation value I n corresponding to the sum of the squares of the samples I i calculated for each block, (iii) block exponentiation value I n And a radio reception operable to calculate an amplitude unbalance value An = (Qn / In) 1/2 from Q n and (iv) calculate an average value for a set of block amplitude unbalance values Machine.
Description
本発明は無線通信で利用するための受信機並びにこの受信機を利用する方法及び端末に関する。特に、本発明は周波数変調(FM)RF(無線周波数)信号を、変調信号の解像度並びに同相(I)成分及び直交(Q)成分の利用によって復調することができる、直接変換受信機に関する。 The present invention relates to a receiver for use in wireless communication, and a method and a terminal using the receiver. In particular, the present invention relates to a direct conversion receiver capable of demodulating a frequency modulated (FM) RF (radio frequency) signal by utilizing the resolution of the modulated signal and the in-phase (I) and quadrature (Q) components.
受信信号のIおよびQ成分を検出するための直接変換方式を利用して構築される従来のFM無線には根本的な問題が存在する。後に説明するが、このような受信機にはI及びQ成分間の相対位相及び振幅に誤差が発生し得る。この誤差は時には「直交不平衡」と呼ばれ、その結果、出力音声信号の歪みを引き起こす。特に受信信号がレイリー減衰(Rayleigh fading: 本明細書では「減衰」と呼ぶ)の対象であり、且つ/又は信号対ノイズ比が低いような条件であるときに、歪みを利用者は許容できないであろう。従来技術によって直交不平衡問題に対する申し分のない解決策は提供されない。 There is a fundamental problem with conventional FM radio constructed using a direct conversion scheme for detecting the I and Q components of the received signal. As will be described later, in such a receiver, errors may occur in the relative phase and amplitude between the I and Q components. This error is sometimes referred to as “orthogonal imbalance” and, as a result, causes distortion of the output audio signal. Users cannot tolerate distortion, especially when the received signal is subject to Rayleigh fading (referred to herein as “attenuation”) and / or has a low signal-to-noise ratio. I will. The prior art does not provide a satisfactory solution to the orthogonal imbalance problem.
本発明は特に直交不平衡の振幅不平衡成分に関する。
米国特許第5705949号明細書により、I及びQ成分間の振幅又は利得誤差を取り除く手順が提案された。この手順には複雑な処理能力が要求され、減衰環境において申し分ないとはいえない。
The present invention particularly relates to orthogonal unbalanced amplitude unbalanced components.
US Pat. No. 5,705,949 proposed a procedure to remove amplitude or gain errors between the I and Q components. This procedure requires complex processing power and is not satisfactory in a damped environment.
本発明の第一態様に従って、添付した特許請求の範囲の請求項1に従う無線受信機が提供される。
本発明の第二態様に従って、添付した特許請求の範囲の請求項12に従う無線通信方法が提供される。
According to a first aspect of the present invention there is provided a radio receiver according to
According to a second aspect of the present invention there is provided a wireless communication method according to claim 12 of the appended claims.
本発明の第三態様に従って、添付した特許請求の範囲の請求項13に従う無線通信端末が提供される。
本発明の実施形態は、添付した図面を参照しながら例示するという方法によって記載される。
According to a third aspect of the present invention there is provided a wireless communication terminal according to claim 13 of the appended claims.
Embodiments of the invention are described by way of example with reference to the accompanying drawings.
図1は公知のRF直接変換FM受信機100を示しており、本発明により扱われる問題を説明している。入力FM信号x(t)は、入力経路101を介して供給され、分岐103,105を介して各々ミキサ107,109に供給される。局部発振器111は入力信号x(t)の搬送波周波数と同じ周波数の基準信号を生成する。基準信号の第一成分は直接ミキサ107に提供されて、入力信号x(t)に乗算される。基準信号の第二成分は位相シフタ113に提供され、位相シフタ113からの位相シフト後の出力がミキサ109に提供されて、入力信号x(t)に乗算される。ミキサ107及び109と組み合わされた位相シフタ113はミキサ107及び109に提供される基準信号の成分間に利得1で90度の位相シフトを与えることが意図されているが、実際には位相シフトは90度からわずかにずれ、利得は1からわずかにずれて与えられる。ミキサ107からの出力信号は低域通過フィルタ(LPF)115を通過して出力同相成分信号I(t)を生成し、且つミキサ109からの出力信号は低域通過フィルタ(LPF)117を通過して出力直交成分信号Q(t)を生成する。ミキサ109の出力に与えられる振幅の不平衡は不平衡ゲインAとしてブロック119で示される。
FIG. 1 shows a known RF direct
図1に示される構成を数学的に解析すると以下の通りになる。
入力信号は、
x(t)=cos(wt+φ(t)+γ)
と表される。但し、ωは入力RF信号x(t)のRF搬送波周波数であり、γは発信機の任意の位相、及びφ(t)は検出すべきx(t)の周波数変調である。
A mathematical analysis of the configuration shown in FIG.
The input signal is
x (t) = cos (wt + φ (t) + γ)
It is expressed. Where ω is the RF carrier frequency of the input RF signal x (t), γ is the arbitrary phase of the transmitter, and φ (t) is the frequency modulation of x (t) to be detected.
加えて、I(t)及びQ(t)がx(t)の同相及び直交成分であるとき、x(t)=I(t)+j*Q(t)である。 In addition, when I (t) and Q (t) are in-phase and quadrature components of x (t), x (t) = I (t) + j * Q (t).
記載される本発明の実施形態に従って、成分I(t)及びQ(t)は振幅不平衡Aを消去するような調整を推定及び適用するような方法で処理される。例えば、出願者が同時係属している英国特許出願第0411888.1号明細書に記載されているように、位相不平衡もまた推定され且つ消去される。調整された成分の結果は組み合わされて変調信号φ(t)を構成し、音声信号出力を提供する。 In accordance with the described embodiment of the invention, components I (t) and Q (t) are processed in such a way as to estimate and apply adjustments to cancel the amplitude imbalance A. For example, phase imbalance is also estimated and eliminated, as described in UK patent application No. 0411888.1, to which the applicant is co-pending. The results of the adjusted components are combined to form a modulated signal φ (t) and provide an audio signal output.
図2は、直接変換FM受信機で利用するための、本発明を実施するブロック概略図的な回路200である。図1の構成要素と同じ参照番号の構成要素はそのような構成要素と同じ機能を有しており、これ以上記載されない。 FIG. 2 is a block schematic circuit 200 embodying the present invention for use in a direct conversion FM receiver. Components having the same reference numbers as those in FIG. 1 have the same function as such components and will not be described further.
低域通過フィルタ(LPF)115を通過した出力信号I(t)は接続201にサンプリングされ、且つ低域通過フィルタ(LPF)117を通過した出力信号Q(t)は接続203にサンプリングされる。接続201及び203によって取得されたサンプル信号各々はプロセッサ204への各入力として提供され、プロセッサ204によって、後に詳細に記載される振幅不平衡アルゴリズムが作用される。プロセッサ204からの出力信号は、1/Aの値を示す振幅不平衡を補正する信号である。この補正信号は接続202を介して振幅補正器205に提供され、振幅補正器205はQ(t)の振幅をファクタ1/Aだけ補正して検出された振幅不平衡Aを消去する。
The output signal I (t) that has passed through the low-pass filter (LPF) 115 is sampled at
I(t)及びQ(t)のサンプルを利用する位相調整処理回路(図示せず)により、I(t)及びQ(t)間の位相不平衡が、例えば出願者が同時係属している英国特許出願第0411888.1号明細書に記載されているように推定され、且つこの推定された位相不平衡の値と同じ又は反対の値に対応する位相シフト制御信号を生成する。この方法で推定される位相調整信号は位相シフタ207によって提供される。直交成分Q(t)に対応する信号は接続226を介して低域通過フィルタに提供され、位相シフタ207に提供される。位相シフタ207は、位相角調整を適用して検出された位相不平衡角αを補償する。Q(t)の位相が調整された値に対応する位相シフタ200からの出力はプロセッサ209に提供される。同相成分I(t)に対応する信号もまた接続224を介してプロセッサ209に入力として提供される。プロセッサ209は各々の入力から商Q(t)/I(t)の値を計算して、結果を表す信号をプロセッサ221に供給する。プロセッサ211は、プロセッサ209からの入力信号によって表される商パラメータの逆正接(arctg)の値を計算する。プロセッサ211からの出力信号211は更にプロセッサ213に提供されて、プロセッサ213ではプロセッサ213への入力信号の時刻tに関する微分が計算される。最後にプロセッサ213からの出力信号が音声出力215へ提供される。音声出力215には音声スピーカのような、トランデューサ(図示せず)が含まれ、トランデューサではプロセッサ213からの電気信号出力が、例えば音声情報のような、音声信号に変換される。
A phase adjustment processing circuit (not shown) using samples of I (t) and Q (t) causes phase imbalance between I (t) and Q (t), for example, the applicant is co-pending. A phase shift control signal is generated that is estimated as described in UK patent application No. 0411888.1 and that corresponds to a value that is the same as or opposite to the value of this estimated phase imbalance. The phase adjustment signal estimated in this way is provided by the
プロセッサ204によって処理される振幅不平衡アルゴリズムは以下の通りである。成分I(t)及びQ(t)のサンプルが毎秒2万サンプルの頻度で取られる。従って、各サンプルの時間長は1/2万=50μ秒である。サンプルは500ミリ秒のサンプリング間隔の間とられる。従って、サンプルの総数は500ミリ秒/50μ秒=10000サンプルである。サンプルはブロックに分割される。ブロックの大きさは、例えば受信信号強度又はS/N(信号対ノイズ比)など、作動条件に従って選択される。例えば、受信信号強度又は受信S/Nが閾値以上である場合、ブロックの大きさは第一値に設定され、受信信号強度又は受信S/Nが閾値よりも小さい場合、ブロックの大きさは、より大きな第二値に設定される。例えば、S/Nが15dBの閾値以上である場合、各ブロックは15サンプルとする。従って、サンプリング間隔には10000/15=666ブロックが存在する。S/Nが15dBの閾値未満である場合、各ブロックは100サンプルとする。従って、10000/100=100ブロックが存在する。アルゴリズムは減衰環境において小さなブロックの大きさを利用してより好適に実行される。
The amplitude imbalance algorithm processed by the
各ブロックのサンプルに対して、Iの冪乗の値(In=Σi∈{ブロックn}Ii 2)と、Qの冪乗の値(Qn=Σi∈{ブロックn}Qi 2)とが計算される。
各ブロックに対して、振幅不平衡値がIの冪乗とQの冪乗とから次の計算、An=(Qn/In)1/2を利用して計算される。従って、ブロック値AnはQの冪乗の値をIの冪乗で除算した値の平方根である。
For each block sample, the power of I (I n = Σ i∈ {block n} I i 2 ) and the power of Q (Q n = Σ i∈ {block n} Q i 2 ) is calculated.
For each block, the amplitude imbalance value is calculated from the powers of I and Q using the following calculation, A n = (Q n / I n ) 1/2 . Therefore, the block value An is the square root of the value obtained by dividing the value of the power of Q by the power of I.
例えば1000ブロックの所与の一組のブロックにおけるブロック各々に対して、振幅不平衡値は最小のものから最大のものまで順番に並び替えられる。
並び替えられた組における上位45%の一部のブロック振幅不平衡値と、並び替えられた組における下位45%の一部のブロック振幅不平衡値とが破棄されて、破棄された一部の間の、一部の10%のブロック振幅不平衡値のみが残る。従って、例えば、一組が1000個のブロックである場合、450個の上位及び450個の下位のブロック振幅不平衡値が破棄され、100個のブロック振幅不平衡値が残されて、これらは更に処理される。
For example, for each block in a given set of 1000 blocks, the amplitude imbalance values are sorted in order from smallest to largest.
The upper 45% of some block amplitude imbalance values in the sorted set and the lower 45% of some block amplitude imbalance values in the sorted set are discarded, and some of the discarded In the meantime, only some of the 10% block amplitude imbalance values remain. Thus, for example, if a set is 1000 blocks, the 450 upper and 450 lower block amplitude imbalance values are discarded, leaving 100 block amplitude imbalance values, which are further It is processed.
Kが、例えば、上記例で推定された一組のブロック10パーセントである残りの一部のブロック数であるとき、残ったK個の不平衡結果から相乗平均値が以下の計算を利用して得られる。 When K is the number of remaining partial blocks, for example, 10% of the set of blocks estimated in the above example, the geometric mean value from the remaining K unbalanced results is calculated using the following calculation: can get.
1/Acorrに対応する信号はプロセッサ204によって提供されて、振幅補正器205に提供される。信号が受信されている期間中、受信FM変調信号上でアルゴリズムは連続的に且つ適応的に実行される。
A signal corresponding to 1 / A corr is provided by the
任意の受信音声信号に加えて関連する副音声信号を受信機200が受信したときに、プロセッサ204は動作する。しかし、必要に応じて、特定の入力信号を受信機200が受信したときのみ、アルゴリズムを選択的に処理してもよい。例えば、受信機はRF送信機が受信する公知のアナログFM信号で動作してもよい。これは、例えば工業標準TIA603に従う標準FM変調信号である。
The
上記したようにプロセッサ204によって処理されるサンプルのブロックへの分割は、減衰環境において受信する信号の処理にとって利益がある。ブロックへの分割が成されない場合、減衰が原因で補正されない結果を破棄する可能性は無い。減衰環境において、信号の包落線において高速変化が存在する。信号が非常に減衰しているとき、(これが適用されるときに処理される、ブロックに対する)商Q/Iに対する結果は、非常に大きい(Iが0に近い)か又は、非常に小さい(Qが非常に小さい)かであり得る。ブロックに分割し、並び替え、且つ大小の結果を破棄することにより、減衰による不正確な結果を振幅不平衡推定に含めないようにすることが可能になる。実際に、無線端末は常に減衰環境で動作する傾向にある。
As described above, the division of samples processed by
ブロックの大きさもまた重要である。急速に減衰する場合、ブロックの大きさを小さくすることが最適であり、S/N比が小さい場合、ブロックの大きさを大きくすることが最適である。受信機200によって、受信信号電力は公知のRSSI(受信信号強度表示装置)を利用して常に測定される。結果は推定器204に提供され、推定器204は提供された結果を利用して自動的にブロックの大きさを調整するように動作する。高受信電力に対してS/N比も高くなるように、受信信号電力と受信S/N比との間に関係があることが仮定される。受信電力の閾値は、受信電力値が閾値以上のときに小さなブロックの大きさが利用されるべきであるか又は受信電力値が閾値未満のときに大きなブロックの大きさが利用されるべきであるかを判定するために利用される。
The block size is also important. In the case of rapid decay, it is optimal to reduce the block size, and in the case where the S / N ratio is small, it is optimal to increase the block size. The received signal power is always measured by the receiver 200 using a known RSSI (Received Signal Strength Display Device). The result is provided to the
例えば上記の例のように10%の結果のみの選択された一部のブロック振幅不平衡結果を利用することにより、プロセッサ204により処理されるアルゴリズムの複雑さをかなり低減するという利点もまた生じ、従って、処理に必要な信号の量が低減される。これにより、受信機200が組み込まれる端末の電池の消費電力が低減される。
The advantage of significantly reducing the complexity of the algorithm processed by the
相加平均を取るよりも相乗平均を取るほうが有効であることが分かっている。なぜなら、相加平均は結果にバイアスを加えることが分かっており、振幅不平衡推定を不正確にするからである。このことについての説明は以下のとおりである。 It has been found that taking a geometric mean is more effective than taking an arithmetic mean. This is because the arithmetic mean is known to add a bias to the result and makes the amplitude imbalance estimation inaccurate. The explanation about this is as follows.
例えば、ブロック1に対してQ1=3及びI1=2、且つブロック2に対してQ1=2及びI1=3且つAは1であるとする。A1=3/2且つA2=2/3である。Aに対して相加平均を利用すると、0.5(3/2+2/3)=1.0833となり、間違った結果になる。しかし、Aに対して相乗平均を利用するとsqrt((3/2)*(2/3))=1(「sqrt」は平方根である)となり、正しい結果になる。
For example, assume that Q1 = 3 and I1 = 2 for
様々なプロセッサが図2に示される。当業者には明らかなように、これらのプロセッサは示されるように個別のプロセッサでも、例えばコンピュータ・ソフトウェアがプルグラムされたデジタル信号プロセッサのように、二つ以上のプロセッサの機能が一つのプロセッサに組み込まれたものでもよい。 Various processors are shown in FIG. As will be apparent to those skilled in the art, these processors may be separate processors as shown, or two or more processor functions may be incorporated into a single processor, such as a digital signal processor programmed with computer software. It may be the one.
(結果)
プロセッサ204によって作用するアルゴリズムがシミュレーション及び実際のアナログFM受信信号で試験された。実際の信号は図2を参照して記載されたように動作する直接変換受信機を利用して記録された。振幅不平衡(AmpIM)を%表示で測定した。Amp IM[%]=100eであり、eは以下で与えられる。
Q(t)=Asin(φ(t)+γ+a)=(1+e)sin(φ(t)+γ+a)
アルゴリズムを適用時の誤差に対する目標性能は最大でAmp IM=0.5%である。
(result)
The algorithm operated by the
Q (t) = Asin (φ (t) + γ + a) = (1 + e) sin (φ (t) + γ + a)
The target performance for the error when applying the algorithm is Amp IM = 0.5% at maximum.
450MHzでの減衰環境における様々な記録された実際の60dbmの信号に対して、Amp IMの誤差が測定され、結果は0.08%から最大0.45%の範囲に分布し、平均誤差は0.2%であった。同様にして、Amp IMの誤差は15dBから35dBの範囲の信号対ノイズ比(SNR)の様々なシミュレーション信号に対して推定され、誤差の範囲は0.08%(35dBのSNR)から0.2%(15dBのSNR)であった。 Amp IM error was measured for various recorded actual 60dbm signals in an attenuation environment at 450MHz, with results ranging from 0.08% up to 0.45%, with an average error of 0.2%. . Similarly, Amp IM errors are estimated for various simulation signals with a signal-to-noise ratio (SNR) ranging from 15 dB to 35 dB, with error ranges from 0.08% (35 dB SNR) to 0.2% (15 dB SNR).
対照として、公知の計算A=(ΣQ2/ΣI2)1/2を利用した振幅不平衡誤差を推定した。減衰信号環境では、公知の手順を利用して4%のAmp IMの平均誤差値を得た。
本発明が無線受信機で利用される場合、無線機のメモリが製造後に初期不平衡値対RF周波数の表を保存するように書き込まれる。無線機の動作中に、不平衡値(振幅及び位相)は時間変化する。従って、更新された不平衡値は上記実施形態のように利用中に収集され、音声出力信号の適切な品質を維持するための適切な補償を提供するために利用される。更新された不平衡情報はまた、無線機のメモリにも保存されて、元の保存された情報から置換される。
As a control, the amplitude imbalance error using the known calculation A = (ΣQ 2 / ΣI 2 ) 1/2 was estimated. In an attenuated signal environment, a 4% Amp IM average error value was obtained using known procedures.
When the present invention is utilized in a radio receiver, the radio memory is written to store a table of initial unbalance values versus RF frequencies after manufacture. During operation of the radio, the unbalance values (amplitude and phase) change over time. Thus, the updated unbalance value is collected during use as in the above embodiment and used to provide appropriate compensation to maintain the proper quality of the audio output signal. The updated unbalance information is also stored in the radio memory and replaced with the original stored information.
(まとめ)
まとめとして、直接変換受信機において振幅不平衡を補償するのに適する方法の改良が、この方法を利用して動作する受信機と共に提供された。
(Summary)
In summary, improvements to methods suitable for compensating amplitude imbalance in direct conversion receivers have been provided with receivers operating using this method.
方法は、受信信号がノイズ及び/又は減衰にさらされる条件において必要な不平衡補償を推定するための重要な改良を与える。
初期振幅不平衡値対RF周波数の参照表が例えば受信機が利用される移動局のメモリなど、受信機に関連したメモリに書き込まれる。このことは、例えば、移動局の動作プログラムとデータとを保存する、いわゆるコードプラグである。
The method provides an important improvement for estimating the necessary unbalance compensation in conditions where the received signal is subject to noise and / or attenuation.
A look-up table of initial amplitude imbalance values versus RF frequencies is written to a memory associated with the receiver, such as the memory of the mobile station where the receiver is utilized. This is, for example, a so-called code plug that stores an operation program and data of a mobile station.
受信機の利用中に、周波数の関数としての振幅不平衡は緩やかに時間変化する。プロセッサ204によって収集された情報はメモリに保存された情報を更新するために利用される。
During receiver utilization, the amplitude imbalance as a function of frequency changes slowly over time. Information collected by
本発明により、直接変換モードのFMアナログ信号で動作する受信機を有する無線端末の音声性能が改善される。
尚、国際出願の英文明細書中にJISコードで表記できない箇所があったため、この翻訳文では代替表記を使用した。具体的には、Σi∈{ブロックn}は、
The present invention improves the voice performance of a wireless terminal having a receiver operating with FM analog signals in direct conversion mode.
In addition, because there were places that could not be expressed in JIS code in the English specification of the international application, alternative notation was used in this translation. Specifically, Σ i ∈ {block n}
Claims (10)
(i) 前記同相成分I(t)のサンプルIiと前記直交成分Q(t)の対応するサンプルQiとをブロックに分割し、
(ii) 各ブロックに対して、前記サンプルIiの自乗和に対応するブロック冪乗値Inと前記サンプルQiの自乗和に対応するブロック冪乗値Qnとを計算し、
(iii) ブロック冪乗値In及びQnからブロック振幅不平衡値An=Qn/Inを計算し、
(iv) 一組の前記ブロック振幅不平衡値に対して平均値を計算する、
ように動作可能である受信機。 A radio receiver for receiving and demodulating an RF signal after frequency modulation by a direct conversion procedure, and generating an input signal path for supplying an RF input received signal, and an in-phase component and a quadrature component of the received signal And an estimator that periodically estimates an imbalance in amplitude between the in-phase component and the quadrature component and compensates for the detected imbalance by performing relative adjustment of the amplitude; And the estimator is
(i) dividing the sample I i of the in- phase component I (t) and the corresponding sample Q i of the quadrature component Q (t) into blocks;
(ii) for each block, it calculates the said sample I i block exponentiation value Q n corresponding to the sum of the squares of the corresponding block exponentiation value I n to the square sum the sample Q i of
(iii) Calculate block amplitude imbalance value A n = Q n / I n from block power values I n and Q n ,
(iv) calculating an average value for a set of said block amplitude imbalance values;
Receiver that is operable.
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