JP2010022007A - 分配された二重化機能を備えた全二重送受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】改善されたコンパクトな全二重の無線送受信機を提供する。
【解決手段】ベースバンド回路及びアンテナに結合された二重無線送受信機は、受信チェーンと、送信チェーンと、デュプレクサを含む。前記送信チェーンは、受信周波数帯域における送信チェーンから由来する信号を、前記受信周波数帯域におけるデュプレクサのストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも大きいストップ帯域減衰によって減衰するフィルタ要素５２，５６を含む。同様にして、前記受信チェーンは、送信周波数帯域における信号を、前記送信周波数帯域におけるデュプレクサのストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも大きいストップ帯域減衰によって減衰するフィルタ要素６８，７２を含む。バイアス制御回路７４は、前記送信チェーンにおける無線信号に関連したパワーレベルを検知し、このパワーレベルに応答して前記受信チェーンにおける増幅器６６を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は概して無線通信装置に関し、特に、移動無線送受信機に関するものである。

小型で全二重の無線送受信機がセルラ電話などの多くの移動通信装置において使用されている。そのような送受信機は概して送信（Ｔｘ）チェーンと受信（Ｒｘ）チェーンとを含み、共通のアンテナを分け合っている。送受信機は、最大出力パワーで送信中のときであっても受信チェーンの最適なパフォーマンスを維持するために、慎重に設計されなければならない。Ｔｘ信号のＲｘチェーンへの漏洩はＲｘ飽和を引き起こし、Ｔｘチェーンからの広帯域雑音、とくにＲｘ周波数帯域の雑音の、Ｒｘチェーンへの漏洩は受信の感度を低減しやすいので、そのような漏洩を防止するための考慮が必要である。後者の要求は特に重要であり、セルラ電話のようにＴｘ及びＲｘ周波数帯域が互いに近くに配置されているときに特に実行するのが難しい。

図１は、セルラ技術において知られているように、全二重無線送受信機２０を模式的に示すブロック図である。この送受信機はＴｘチェーン４２とＲｘチェーン４４とを具備し、ともにデュプレクサ３０を介してアンテナ３２に結合されている。Ｔｘチェーンにおいて、ベースバンド送受信機回路２２によって発生された中間周波（ＩＦ）信号はアップコンバータ２４によって適切な無線周波数（ＲＦ）に変換される。このＲＦ信号はバンドパスフィルタ２６によってフィルタリングされ、パワー増幅器２８によって増幅され、送信のためにデュプレクサ３０によってアンテナ３２へと送られる。指定されたＲｘ帯域においてアンテナ３２によって受信された信号は、デュプレクサ３０を介して低雑音増幅器３４に送られる。増幅された信号はバンドパスフィルタ３５によってフィルタリングされ、ダウンコンバータ３６によってＩＦにダウンコンバートされ、処理のためにベースバンド受信機回路３８へと送られる。アップコンバータ２４及びダウンコンバータ３６はいずれも当業界で良く知られているようにローカルオシレータ回路４０によって駆動される。

デュプレクサ３０はＴｘフィルタリングとＲｘフィルタリングとを行う。Ｔｘフィルタリングは概して、特にＴｘチェーン４２からの、Ｒｘ周波数帯域における外部ソースからの信号を大きく減衰させるために、Ｒｘ帯域において約５０ｄＢのストップ帯域（stop-band）減衰を提供する。Ｒｘフィルタリングは同様にしてＴｘ帯域において約５０ｄＢのストップ帯域減衰を提供し、これによってＴｘ信号はＲｘチェーンに漏洩して飽和させることはない。そのようなデュプレクサがない場合には、送受信機２０は十分なＲｘパフォーマンスを提供できない。そのようなパフォーマンスを達成するために、デュプレクサ３０は概して多数の空洞共振器、誘電フィルタあるいはヘリカルフィルタを備えている。その結果、デュプレクサは概して送受信機２０において最も大きくかつ高価な部品となっている。このタイプの一般的なデュプレクサは、Ｓ１−Ａ９／ＮＮ１モデル（フィンランドのＬＫ−プロダクツＯｙにより製造され、約２０ドルで販売され、４０．５×２５．０×６．８ｍｍの寸法をもっている。

米国特許４７９２９３９号は、ここに参照として組み込まれているが、移動電話のための全二重無線通信送受信機を開示している。

送受信機におけるデュプレクサ及びフィルタは空洞要素の代わりに表面音響波（ＳＡＷ）フィルタからできている。すべての回路は単一の金属基板上にマウントされ、金属ケーシングによってモジュール内に密閉されている。発明者によれば、本モジュールは先の設計の送受信機よりもはるかにコンパクトにできる。しかしながら、本特許はＳＡＷを基盤とするデュプレクサのストップ帯域パフォーマンス及び雑音特性をいかなる方法によっても記載していない。特に、それは、フルパフォーマンスデュプレクサに対するＳＡＷを基盤としたデュプレクサの欠点により発生するものと思われるＴｘ信号の漏洩及び余剰雑音のＲｘチェーンへの漏洩の問題を解決していない。

本発明の目的は、改善されたコンパクトな全二重の無線送受信機を提供することである。

また、本発明のさらなる目的は、製造コスト及びサイズを小さくすることができる全二重無線送受信機を提供することにある。

本発明の好ましい実施形態において、全二重の無線送受信機は、Ｒｘチェーンにまで貫通するＴｘチェーンからのＴｘ信号及び雑音を減衰するべく送受信機のＴｘ及びＲｘチェーン内に配置された小型でコストの低いフィルタ要素を具備する。Ｔｘ及びＲｘチェーンは、好ましくは同様の低コストフィルタ要素からできたデュプレクサによってアンテナに結合されている。Ｔｘ及びＲｘチェーンにおけるフィルタ要素の全体のストップ帯域減衰は、デュプレクサのストップ帯域減衰にほぼ等しいかあるいはそれよりも大きくなっている。この点において、本発明は、要求されたストップ帯域減衰のほとんどあるいはすべてがデュプレクサによって提供される従来の送受信機とは異なっている。この結果、本発明に従った送受信機は、フルパフォーマンスのデュプレクサを用いた通常の送受信機よりも実質的により小型でかつより安価に製造することができる。

好ましくは、Ｔｘ及びＲｘチェーンに配置され、デュプレクサを製造するのに使用されるフィルタ要素は、小型の表面音響波（ＳＡＷ）フィルタである。さらに好ましくは、Ｔｘ及びＲｘチェーンはともに、通常の送受信機のような単一の高ゲイン段ではなく、比較的低いゲインの多段増幅段から構成される。ＳＡＷフィルタは要求されたストップ帯域減衰を提供するために多段間に挿入される。より好ましくは、Ｒｘチェーンにおける増幅段の少なくとも１つのバイアスは、Ｔｘパワーが高いときであってもＲｘゲインの圧縮を避けるために、Ｔｘ出力パワーに応答して制御される。

本発明の好ましい実施形態に従って、ベースバンド回路及びアンテナに結合された全二重無線送受信機が提供され、
受信周波数帯域における無線信号を受信して処理し、この処理された信号を前記ベースバンド回路に送る受信チェーンであって、１つ又はそれ以上の増幅器と１つ又はそれ以上のフィルタ要素とを具備する受信チェーンと、
送信周波数帯域における送信のための無線信号を生成する送信チェーンであって、第1のストップ帯域減衰によって前記受信周波数帯域における送信チェーンから由来する信号を減衰する、１つ又はそれ以上の増幅器と１つ又はそれ以上のフィルタ要素を具備する送信チェーンと、
前記送信チェーンと前記受信チェーンとを前記アンテナに結合し、前記第1のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも小さい第2のストップ帯域減衰によって前記受信周波数帯域における送信チェーンから由来する信号を減衰するデュプレクサと、
を具備する。

好ましくは、前記受信及び送信チェーンにおける前記デュプレクサ及び１つ又はそれ以上のフィルタ要素は表面音響波装置を含む。好ましくは、前記送信チェーンにおける１つ又はそれ以上の増幅器は、少なくとも２つの増幅器と、それらの間に配置されたフィルタ要素の少なくとも１つとを具備する。

最も好ましくは、前記送信チェーンは、
前記ベースバンド回路に結合されたアップコンバータからの信号を受信してフィルタリングする第1のフィルタと、
前記第1のフィルタからの信号を受信して増幅するドライバ増幅器と、
前記ドライバ増幅器からの信号を受信してフィルタリングする第2のフィルタと、
前記第2のフィルタからの信号を受信して増幅し、この増幅された信号が前記デュプレクサに送られるパワー増幅器と、
を具備する。

好ましくは、前記パワー増幅器は２０ｄＢに略等しいかあるいはそれよりも小さいゲインを有する。

好ましくは、前記送受信機は、送信のための前記無線信号に関連したパワーレベルを検知し、このパワーレベルに応答して前記受信チェーンにおける増幅器の少なくとも１つを調整するバイアス制御回路を具備する。

さらに好ましくは、前記デュプレクサは前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を第3のストップ帯域減衰で減衰するものであり、前記受信チェーンは前記送信周波数帯域における信号を、前記第3のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも大きい第4のストップ帯域減衰で減衰する。

本発明の好ましい実施形態に従って、ベースバンド回路及びアンテナに結合された全二重無線送受信機が提供され、
送信周波数帯域における送信のための無線信号を生成する送信チェーンと、
受信周波数帯域における無線信号を受信して処理し、この処理された信号を前記ベースバンド回路に送る受信チェーンであって、前記送信周波数帯域における信号を第1のストップ帯域減衰によって減衰する、１つ又はそれ以上の増幅器と１つ又はそれ以上のフィルタ要素を具備する受信チェーンと、
前記送信チェーンと前記受信チェーンとを前記アンテナに結合し、前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を、前記第1のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも小さい第2のストップ帯域減衰によって減衰するデュプレクサと、
を具備する。

好ましくは、前記受信チェーンにおける１つ又はそれ以上の増幅器は、少なくとも２つの増幅器と、それらの間に配置されたフィルタ要素の少なくとも１つを具備する。

最も好ましくは、前記受信チェーンは、
前記デュプレクサから送られた信号を受信して増幅する第1の低雑音増幅器と、
前記第1の低雑音増幅器からの信号を受信してフィルタリングする第1のフィルタと、
前記第1のフィルタからの信号を受信して増幅する第2の低雑音増幅器と、
前記第2の低雑音増幅器からの信号を受信してフィルタリングする第2のフィルタと、
を含む。

好ましい実施形態において、前記第1の低雑音増幅器は１０ｄＢに略等しいかあるいはそれよりも小さいゲインを有する。

本発明の好ましい実施形態に従って、全二重モードにおける無線信号を送信及び受信するための方法が提供され、
受信チェーンを用いて受信周波数帯域における無線信号を受信して処理し、
送信チェーンでの送信周波数帯域における送信のための無線信号を生成して送信し、
前記送信チェーンにおける信号をフィルタリングして、当該送信チェーンから由来する受信周波数帯域における信号を第１のストップ帯域減衰によって減衰させ、
デュプレクサを使用して前記送信チェーンと前記受信チェーンとをアンテナに結合して、前記第１のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも小さい第２のストップ帯域減衰によって、前記受信周波数帯域における前記送信チェーンから由来する信号を減衰する。

好ましくは、前記無線信号を受信して処理することは、前記送信チェーンにおける信号に関連したパワーレベルを検知し、このパワーレベルに応答して前記処理を制御することを含む。ここで、前記処理を制御することは、前記受信チェーンにおける増幅器のバイアスを調整することを具備する。

好ましくは、前記デュプレクサは、前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を、第３のストップ帯域減衰によって減衰し、前記受信チェーンにおける信号を受信して処理することは、前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を、前記第３のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも大きい第４のストップ帯域減衰によって減衰することを具備する。

好ましくは、前記信号を受信して処理することは、少なくとも２つの増幅段における信号を増幅して前記増幅段間の信号をフィルタリングすることを具備する。

本発明は、好ましい実施形態の次の詳細な説明からより良く理解することができる。

セルラ技術において知られているように、全二重無線送受信機２０を模式的に示すブロック図である。 本発明の好ましい実施形態に従った無線送受信機を模式的に示すブロック図である。

図２は、本発明の好ましい実施形態に従った、無線送受信機５０を模式的に示すブロック図である。送受信機５０は、二重化回路４９によってアンテナ３２に結合された、Ｔｘチェーン４６及びＲｘチェーン４８を具備する。以下に述べるように、Ｔｘ及びＲｘチェーン及び二重化回路は、本実施形態の送受信機５０がはるかに大きくて製造するのにより高価な当業界でよく知られた送受信機と同等かあるいはそれよりも良好なパフォーマンスを達成するように、送受信機２０（図１）の対応する要素とは実質的に異なるものである。

送受信機５０は本実施形態ではＮＭＴ４５０セルラ帯域（Ｔｘ：４５０−４５５MHzであり、Ｒｘ：４６０−４６５ＭＨｚ）であるが、他のセルラ帯域あるいは実質的に任意の他の無線周波数帯域において動作するべく容易に適用可能である。簡単さのために、Ｔｘチェーンにおけるアイソレータなどの送受信機の標準的な要素は図２及び／あるいは以下の記載から削除されている。

図２に示すように、二重化回路４９は、選択的なマッチング回路をアンテナ３２に結合されたフィルタ６０及び６４を具備する。また、回路４９は、個々のマッチング要素ではなく、一体化されたユニットとして提供される。フィルタは好ましくは、スイス、ニューシャテルのＴＥＭＥＸ Ｓ．Ａ．Ｗ．（Ｓ．Ａ．）によって供給される高パワーＳＡＷフィルタなどの、当業界で既知のＳＡＷフィルタを具備する。これらのフィルタは５×５×１．３ｍｍでサイズであり、これにより、二重化回路４９は従来のデュプレクサ３０のサイズの略１／５ですむ。一方、他のタイプの適切な小型のフィルタ要素もまた使用可能である。二重化回路の仕様は以下の表１〜表４において記載されている。ここで、回路のストップ帯域減衰、すなわち、Ｔｘ信号及びＴｘチェーン４６によって生成されたＲｘ帯域における雑音がデュプレクサによって阻止される程度は、従来の送受信機において要求される５０ｄＢと比較してたった３０ｄＢのみである。

二重化回路４９によって提供された低いストップ帯域減衰を補償するために、Ｔｘチェーン４６はドライバ増幅器５４とパワー増幅器５８、加えて、段間の付加的フィルタ５２及び５６、好ましくはＳＡＷフィルタから構成される。２つの増幅段が使用されるので、両者は、従来の送受信機２０において使用される単一のパワー増幅器２８と比較して比較的低いゲインに設定される。ＳＡＷフィルタ５２及び５６はデュプレクサの減衰に加えてストップ帯域減衰のそれぞれにさらなる２５ｄＢを提供する。フィルタ５６は、それが低いゲインの増幅器５８によって増幅される前に、増幅器５４により広帯域雑音出力を減衰するので、デュプレクサに到達する広帯域雑音のレベルは、図１における送受信機２０のデザインに比較して実質的に低減される。その低いゲインのために、増幅器５８はさらに高ゲイン増幅器２８よりも低い最低雑音(noise floor)を有する。

Ｒｘチェーン４８は同様にして２つの段に分割され、各段は低ゲイン、低雑音増幅器６６，７０とフィルタ６８，７２（好ましくはＳＡＷフィルタ）を含む。そのような２つの段の使用は、Ｒｘゲインの選択性を増大させ、これによって、より少ない雑音がチェーンを介して受信回路３８に送られる。増幅器６６の低いゲインのために、二重化回路４９から増幅器へ漏洩するＴｘ信号はゆるやかにのみ増幅され、次に実質的に、好ましくはフィルタ６８及び７２の各々において２５ｄＢだけ減衰される。さらに、増幅器６６及び７０は送受信機２０におけるＬＮＡ３４と比較して比較的低いゲインレベルに設定されるので、Ｔｘチェーン４６がフルパワーで動作しているときであってもゲイン圧縮を防止することができる。

最大Ｔｘ出力パワーでのゲイン圧縮をさらに防止するために、選択的バイアス制御回路７４が、高出力パワーを検知して増幅器６６のバイアスを増大するべく結合される。このような方法におけるバイアス制御の使用は、二重化回路４９におけるフィルタ６４の低いストップ帯域阻止をさらに補償する。Ｔｘパワーが公称のレベルであるとき、あるいは送受信機５０が受信のみを行っており送信を行っていないならば、回路７４はパワー消費を低減するために増幅器のバイアスを低減する。

次の表は送受信機５０の構成要素の関連する仕様を示している。

表１は、各要素ごとのＴｘチェーンのゲインと雑音（ｄＢ）を示している。また、表２は、各要素ごとのＲｘ帯域応答とＴｘチェーンの雑音（ｄＢ）を示している。

ＳＡＷフィルタ52及び５６の高Ｒｘ帯域阻止により、Ｔｘチェーン４６及び二重化回路４９の全Ｒｘ帯域阻止は１２６ｄＢである。Ｒｘ帯域におけるＴｘチェーンの出力雑音指数は、カスケードゲイン及びカスケード雑音指数を用いると、最低熱雑音よりも約３ｄＢ上まわるのみである。

表３は、要素ごとのＲｘチェーン及び雑音（ｄＢ）を示している。また、表４は、要素ごとのＴｘ帯域応答とＲｘチェーンの雑音（ｄＢ）を示している。

表内の値は、概して約１０ｄＢのＲｘカスケード雑音指数をもつフルパフォーマンスデュプレクサに基づいて、送受信機２０などの従来の送受信機の値と有利に比較される。

すなわち、送受信機５０は従来の送受信機２０よりも多数の構成要素を含むが、送受信機５０で使用される小型で低コストの構成要素は、より小型の全体寸法及びはるかに低いコストの送受信機をもたらす。上記した特定の回路設計及び構成要素の選択さらに上記表に示された値は単に例示的なものであることをここにことわっておく。本発明の範囲は請求の範囲のみによって制限される。

Claims (17)

1. ベースバンド回路及びアンテナに結合された二重無線送受信機であって、
   受信周波数帯域における無線信号を受信して処理し、この処理された信号を前記ベースバンド回路に送る受信チェーンであって、１つ又はそれ以上の増幅器と１つ又はそれ以上のフィルタ要素とを具備する受信チェーンと、
   送信周波数帯域における送信のための無線信号を生成する送信チェーンであって、第1のストップ帯域減衰によって前記受信周波数帯域における送信チェーンから由来する信号を減衰する、１つ又はそれ以上の増幅器と１つ又はそれ以上のフィルタ要素を具備する送信チェーンと、
   前記送信チェーンと前記受信チェーンとを前記アンテナに結合し、前記第1のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも小さい第２のストップ帯域減衰によって前記受信周波数帯域における送信チェーンから由来する信号を減衰するデュプレクサと、
   を具備する二重無線送受信機。
2. 前記受信及び送信チェーンにおける前記デュプレクサ及び１つ又はそれ以上のフィルタ要素は表面音響波装置を具備する請求の範囲第1項に記載の送受信機。
3. 前記送信チェーンにおける１つ又はそれ以上の増幅器は、少なくとも２つの増幅器と、それらの間に配置されたフィルタ要素の少なくとも１つとを具備する請求の範囲第1項に記載の送受信機。
4. 前記送信チェーンは、
   前記ベースバンド回路に結合されたアップコンバータからの信号を受信してフィルタリングする第1のフィルタと、
   前記第1のフィルタからの信号を受信して増幅するドライバ増幅器と、
   前記ドライバ増幅器からの信号を受信してフィルタリングする第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタからの信号を受信して増幅し、この増幅された信号を前記デュプレクサに送るパワー増幅器と、
   を具備する請求の範囲第３項に記載の送受信機。
5. 前記パワー増幅器が２０ｄＢに略等しいかあるいはそれよりも小さいゲインを有する請求の範囲第４項に記載の送受信機。
6. 送信のための前記無線信号に関連したパワーレベルを検知し、このパワーレベルに応答して前記受信チェーンにおける増幅器の少なくとも１つを調整するバイアス制御回路を具備する請求の範囲第１項に記載の送受信機。
7. 前記デュプレクサは前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を第３のストップ帯域減衰で減衰するものであり、前記受信チェーンは前記送信周波数帯域における信号を、前記第３のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも大きい第４のストップ帯域減衰で減衰する請求の範囲第１項に記載の送受信機。
8. ベースバンド回路及びアンテナに結合された二重無線送受信機であって、
   送信周波数帯域における送信のための無線信号を生成する送信チェーンと、
   受信周波数帯域における無線信号を受信して処理し、この処理された信号を前記ベースバンド回路に送る受信チェーンであって、前記送信周波数帯域における信号を第1のストップ帯域減衰によって減衰する、１つ又はそれ以上の増幅器と１つ又はそれ以上のフィルタ要素を具備する受信チェーンと、
   前記送信チェーンと前記受信チェーンとを前記アンテナに結合し、前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を、前記第1のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも小さい第2のストップ帯域減衰によって減衰するデュプレクサと、
   を具備する二重無線送受信機。
9. 前記受信チェーンにおける１つ又はそれ以上の増幅器は、少なくとも２つの増幅器と、それらの間に配置されたフィルタ要素の少なくとも１つを具備する請求の範囲第８項に記載の送受信機。
10. 前記受信チェーンは、
    前記デュプレクサから送られた信号を受信して増幅する第1の低雑音増幅器と、
    前記第1の低雑音増幅器からの信号を受信してフィルタリングする第1のフィルタと、
    前記第1のフィルタからの信号を受信して増幅する第２の低雑音増幅器と、
    前記第２の低雑音増幅器からの信号を受信してフィルタリングする第２のフィルタと、
    を具備する請求の範囲第９項に記載の送受信機。
11. 前記第1の低雑音増幅器は１０ｄＢに略等しいかあるいはそれよりも小さいゲインを有する請求の範囲第１０項に記載の送受信機。
12. 送信のための前記無線信号に関連したパワーレベルを検知し、このパワーレベルに応答して前記受信チェーンにおける前記増幅器の少なくとも１つを調整するバイアス回路を具備する請求の範囲第８項に記載の送受信機。
13. 全二重モードにおける無線信号を送信及び受信するための方法であって、
    受信チェーンを用いて受信周波数帯域における無線信号を受信して処理し、
    送信チェーンでの送信周波数帯域における送信のための無線信号を生成して送信し、
    前記送信チェーンにおける信号をフィルタリングして、当該送信チェーンから由来する受信周波数帯域における信号を第１のストップ帯域減衰によって減衰させ、
    デュプレクサを使用して前記送信チェーンと前記受信チェーンとをアンテナに結合して、前記第１のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも小さい第２のストップ帯域減衰によって、前記受信周波数帯域における前記送信チェーンから由来する信号を減衰する方法。
14. 前記無線信号を受信して処理することは、前記送信チェーンにおける信号に関連したパワーレベルを検知し、このパワーレベルに応答して前記処理を制御することを具備する請求の範囲第１３項に記載の方法。
15. 前記処理を制御することは、前記受信チェーンにおける増幅器のバイアスを調整することを具備する請求の範囲第１４項に記載の方法。
16. 前記デュプレクサは、前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を、第３のストップ帯域減衰によって減衰し、前記受信チェーンにおける信号を受信して処理することは、前記送信周波数帯域における前記受信チェーンに入る信号を、前記第３のストップ帯域減衰に略等しいかあるいはそれよりも大きい第４のストップ帯域減衰によって減衰することを具備する請求の範囲第１３項に記載の方法。
17. 前記信号を受信して処理することは、少なくとも２つの増幅段における信号を増幅して前記増幅段間の信号をフィルタリングすることを具備する請求の範囲第１６項に記載の方法。

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