JP2011501522A - 粗いｆｆｔおよびサブバンド単位の合成を用いた複雑性の低いダイバーシティ - Google Patents

Abstract

無線ダイバーシティ受信機は、一部において、Ｎ個の信号処理パス、ビン単位の合成器、および逆変換モジュールを備える。各信号処理パスは、一部において、パスによって受信したＲＦ信号の周波数を低周波数に変換するミキサと、低周波数に変換された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、時間領域で表現されたデジタル信号を、Ｍ個のサブバンド信号を持つ、対応する周波数ドメイン信号へと変換する変換ブロックとを有する。ビン単位の合成器は、Ｎ個のパスの対応するサブバンド信号を合成する。逆変換ブロックは、ビン単位の合成器の出力を、対応する時間領域信号に変換する。
【選択図】図３

Description

関連出願

本出願は、２００７年１０月９日に出願した米国仮出願第６０／９７８，６４５号明細書による、米国特許法第３５条１１９（ｅ）に基づく優先権を主張するものであり、その内容の全体を参照により本出願に組み込む。本出願は、２００７年１０月１８日に出願した「複雑性の低いダイバーシティ受信機（Ｌｏｗ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）」なる名称の米国出願第１１／８７４，８５４号明細書に関連し、その内容の全体を参照により本出願に組み込む。

従来のアンテナダイバーシティシステムは、一般的に、システムに存在する各アンテナにつき１つの受信パスを用いる。図１は、３アンテナダイバーシティ受信パスを含む受信機１００を示す。受信機１００は、受信パス１２０、１４０、および１６０を含む。各受信パスは、集合してアナログフロントエンドを形成する低ノイズ増幅器、周波数変換モジュール、１以上のフィルタ、可変ゲイン増幅器およびベースバンドプロセッサを含む。例えば、図１が例示するように、受信パス（あるいはチャネルと呼ばれる）１２０は、アナログフロントエンド１２５およびベースバンドプロセッサ１２０を含む。アナログフロントエンドは、低ノイズ増幅器１０２、ミキサなどの周波数変換モジュール１０４、１以上のフィルタ１０６、１０８、および可変ゲイン増幅器１１０を含む。

図２のように、３アンテナダイバーシティ受信機１００は、それぞれ対応するベースバンドプロセッサに結合された３つの受信機を含む。各受信パス、例えば、受信パス１２０において、信号は、ＲＦアナログフロントエンド（例えば１２５）に入力される。ここでは、ベースバンド信号としてデジタル化される前に、信号が増幅、フィルタ、および低周波数変換される。ベースバンドプロセッサ１６５、１７５、および１８５のｉが１から３の整数である、出力信号ＣＳ_ｉは、合成器１９０によって合成され、数多く知られる従来のアルゴリズムのうちの１つを用いて信号の質を最適化する。既存のアルゴリズムには、例えば、単純なスイッチドダイバーシティアルゴリズム、各ダイバーシティチャネルからの信号の同相化および合計に基づいた最適な合成アルゴリズム、あるいは、同一チャネル干渉（ＣＣＩ、ｃｏ−ｃｈａｎｎｅｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を低減させるように信号を合成する干渉キャンセルアルゴリズムなどがある。ＣＣＩは、所望の信号の質を劣化させることが知られている。図１に示されたような完全なダイバーシティ受信機は、コンポーネント信号が個別に均一化されることを可能にする。つまり、各ダイバーシティ信号が合成器１９０によって合成される前に、周波数に依存する位相および振幅を各ダイバーシティ信号の周波数コンポーネントにわたって適用することができる。しかしながら、このようなダイバーシティシステムは、システムに設けられたアンテナ毎のベースバンド信号パスおよび完全な受信機を必要とする。

Ｚｈａｎｇ， Ｃ．Ｎ．， Ｌｉｎｇ，Ｃ．Ｃ．， "モバイル無線アプリケーションにおける複雑性の低いアンテナダイバーシティ受信機（Ｌｏｗ−ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ａｎｔｅｎｎａ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）" Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ページ６５〜６８には、複雑性が低いアンテナダイバーシティの技術が記載されている。著者らは、顕著なダイバーシティゲインを実現するべく、フロントエンドアナログ回路を用いてダイバーシティアンテナの信号を合成することの実行可能性を、重複する信号パスおよびモデムが必要な従来のダイバーシティ技術と比較して示している。当該論文に記載された技術は、モデムのうちの１つを排除することでハードウェアを節約する。また、各アンテナが同じ望ましいチャネルを受信していることから、ローカル発信器を二重に設ける必要がない。同様に、チャネル選択フィルタ、増幅器、およびデータ変換ハードウェアを共有することが可能である。

「複雑性の低いアンテナダイバーシティ（Ｌｏｗ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ａｎｔｅｎｎａ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）」なる名称で、その内容の全体を参照により本出願に組み込む、２００７年１０月１８日に出願した米国出願第１１／８７４，８５４号明細書および２００６年１０月１９日に出願した米国仮出願第６０／８６２，１９３号明細書の両出願は、図２のようにベースバンドおよび復号処理の前にダイバーシティ信号を合成するダイバーシティ合成受信機を開示している。

最大比合成（ＭＲＣ、ｍａｘｉｍｕｍ ｒａｔｉｏ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）技術、または単純な同相化技術のいずれかを用いて、様々なチャネルからの信号が合成される。各チャネルの位相およびＳＮ比の両方を計上する従来からのＭＲＣ技術においては、信号全体がシングルバンドとして扱われる。図２に示す従来からのシングルバンドのＭＲＣにおいては、各アンテナによって受信された信号は、対応するアナログフロントエンドＡＦ_ｉコンポーネントへ送られる。ここでのｉは、ダイバーシティチャネルのインデックスである。シングルバンドＭＲＣ技術の利点の一つとして、比較的低い複雑性でありながら顕著なダイバーシティゲインを実現することがある。しかしながら、受信した信号が通過する無線チャネルが、ＴＵ−６（６−ｐａｔｈ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｕｒｂａｎ ６）などの公知のチャネルモデルによって表現され得る、周波数選択的な減衰を有する場合、従来のシングルバンドＭＲＣ技術は、従来のダイバーシティ受信機ほどの大きなダイバーシティゲインを提供できない場合がある。例えば、８ｄＢのダイバーシティゲインを提供し得る従来のダイバーシティ受信機に比べ、シングルバンドＭＲＣを用いたツーブランチ（２−ｂｒａｎｃｈ）ダイバーシティシステムは、例えば、２．５ｄＢのダイバーシティゲインしか提供できない場合がある。従来のダイバーシティ受信機は、２つの完全な受信機を有し、シングルバンドＭＲＣの２倍のコスト、消費電力、およびサイズを有する。

本発明のある実施形態によると、無線ダイバーシティ受信機は、一部において、Ｎ個の信号処理パスと、ビン単位の合成器と、逆変換モジュールとを備える。各信号処理パスは、一部において、パスによって受信したＲＦ信号の周波数を低周波数に変換するミキサと、低周波数変換された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、時間領域で表現されたデジタル信号を、Ｍ個のサブバンド信号を有する周波数領域信号に変換する変換ブロックとを有する。ビン単位の合成器は、Ｎ個のパスの対応するサブバンド信号を合成する。逆変換ブロックは、ビン単位の合成器の出力を、対応する時間領域信号に変換する。

ある実施形態によると、各信号パスは、一部において、パスによって受信したＲＦ信号を増幅する増幅器をさらに有する。ある実施形態では、増幅器は低ノイズ増幅器である。ある実施形態では、各パスの変換ブロックは、フーリエ変換ブロックである。ある実施形態では、無線ダイバーシティ受信機は、逆変換ブロックに呼応するフィルタとフィルタに呼応する可変ゲイン段階とをさらに備える。

本発明の別の実施形態によると、信号処理パスをＮ個有する無線受信機における信号処理方法は、一部において、各パスで受信したＲＦ信号を低周波数変換する段階と、低周波数変換されたアナログＲＦ信号を対応するデジタル信号に変換する段階と、時間領域で表現された各デジタル信号を、Ｍ個のサブバンド信号を持つ対応する周波数信号に変換する段階と、各パスの複数のサブバンド信号を合成する段階と、合成されたサブバンド信号を対応する時間領域信号に変換する逆変換を実行する段階とを備える。

ある実施形態では、方法は、一部において、各パスで受信したＲＦ信号を増幅する段階をさらに有する。ある実施形態では、各パスにおける増幅は、低ノイズ増幅器によって実行される。ある実施形態では、方法は、一部において、時間領域で表現された各デジタル信号を、フーリエ変換モジュールを用いて、対応する周波数領域信号に変換する段階をさらに備える。方法は、逆変換を実行することで生成された時間領域信号をフィルタする段階と、フィルタ差レア他信号を増幅する増幅段階のゲインを変化させる段階とをさらに備える。

従来技術で既知である、ダイバーシティ受信機のブロック図である。

従来技術で既知である、複雑性の低いダイバーシティ受信機のブロック図である。

本発明のある例示的な実施形態による、複雑性の低いダイバーシティ受信機のブロック図である。

本発明のある例示的な実施形態による、第１の構成で用いられる複雑性の低いダイバーシティ受信機を具体化したラジオモデムを示す。

本発明のある例示的な実施形態による、第２の構成で用いられる複雑性の低いダイバーシティ受信機を具体化したラジオモデムを示す。

本発明のある実施形態によると、複雑性の低いダイバーシティ受信機は、単純かつコストの低い方法であり、比較的狭いコヒーレンス帯域幅のチャネルにおいて優れた性能を有する。本発明によると、複雑性の低いダイバーシティ受信機の性能は、ダイバーシティの各ブランチについて完全かつ全ての受信パスを用いる、従来のダイバーシティ受信機の性能に匹敵する。

本発明のある実施形態によると、受信バンドは増幅され、低周波数に変換され、デジタルシグナルに変換された後に、例えば、複雑なダイバーシティパスのそれぞれに設けられた高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュールなどを用いていくつかのサブバンドに分割される。ある実施形態では、同相化を用いて様々なサブバンドの位相の差を補ってよい。別の実施形態では、サブバンド同士の間の位相およびＳＮ比の両方の差を補うべく最大比合成（ＭＲＣ）を用いてよい。サブバンドは、それぞれのＳＮ比によってスケールされ、各サブバンドのＭＲＣの適用を可能にする。この結果得られる複素信号は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）モジュールへ送られ、時間領域の出力信号を生成する。

図３は、本発明のある例示的な実施形態による、３アンテナダイバーシティ受信機３００のブロック図である。受信機３００は、パス３４０、３４５、および３５０の３つのパス（チャネル）を備えることが示されているが、本発明によるダイバーシティ受信機のパスの数はいくつであってもよい。パス３４０は、増幅器３０２_１、周波数変換モジュール３０４_１、およびＡＤ変換器３０６_１を備える。パス３４５は、増幅器３０_２２、周波数変換モジュール３０４_２、およびＡＤ変換器３０６_２を備える。パス３５０は、増幅器３０２_３、周波数変換モジュール３０４_３、およびＡＤ変換器３０６_３を備える。

インデックスｉの範囲が１から３である、各増幅器３０２_ｉは、対応するアンテナ３３０_ｉから受信した入力信号を増幅する。ある実施形態では、各増幅器３０２_ｉは、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）であってよい。別の実施形態では、各増幅器３０２_ｉは、可変ゲイン増幅器であってよい。増幅器３０２_ｉは、単段または多段増幅器であってよい。

増幅器３０２_ｉの出力信号は、対応する周波数変換モジュール３０４_ｉに送られる。図２の例示的な実施形態では、周波数変換モジュール１２および２２はミキサである。各ミキサ３０４_ｉは、ローカル発振器３４８が生成した発振信号を用いて、受信した信号を低周波数変換する。ミキサ３０４_ｉによって周波数が低周波数変換された信号は、ＡＤ変換器３０６_ｉによってデジタル信号に変換される。ＦＦＴモジュール３０８_ｉは、以下に詳述する２^ｍポイントを用いて、デジタル化された時間領域信号を周波数領域信号に変換する。

ＡＤＣ３０６_ｉが供給する信号ＡＳ_ｉの帯域は、ＢＷであると仮定する。特定の無線チャネルでは、周波数選択性がコヒーレンス帯域ＣＢＷを有する。これは、チャネルがフラットチャネルであると近似できる周波数帯域である。ＣＢＷは、チャネルの遅延拡散に反比例する。つまり、チャネルのインパルス応答から遅延拡散を抽出することが可能である。ＢＷ／ＣＢＷの比を四捨五入することで定義される変数Ｋは、２^ｍ＞＝Ｋとなる最小のｍを選択することでＦＦＴ３０８０_ｉに必要なポイントの数の目安を提供する。

対応のＦＦＴモジュール３０８ｉのビン（またはサブバンド）出力信号ＦＳ_ｉは、同相化の後に合成されてよく、あるいは、サブバンドＭＲＣと呼ばれるＭＲＣを用いて合成されてもよい。各サブバンドのＳＮ比は、ＭＲＣを実装する、多数の従来からの技術のうちの一つを用いて推定されてよい。例えば、アナログフロントエンドで利用可能なゲイン情報と合成された、相対的なサブバンドの振幅を用いて、サブバンド単位の信号強度情報を提供してよい。結果の信号ＣＳ１は、ＩＦＦＴモジュール３１２によって時間領域に再び変換される。ＩＦＦＴモジュール３１０の出力は、ローパスフィルタ３１４、３１６によってフィルタされ、可変ゲイン段階３１６によって増幅される。可変ゲイン段階３１６の出力は、モデム３１８に送られる。

図３のように、ビン単位の合成器３１０は、ＦＦＴモジュール３０８_１、３０８_２、および３０８_３の出力信号を合成し、信号ＣＳを生成する。つまり、合成された信号ＣＳは、信号ＣＳを周波数領域から時間領域へ変換することで信号ＤＳを生成するＩＦＦＴ３１０に送られる。ＦＦＴモジュール３０８_ｉで用いられるポイントの数である、変数ｍは、受信している信号変調の種類とは無関係に選択されてよい。例えば、ＯＦＤＭシステムは４０９６個のサブバンドを有し、復調においては４０９６−ポイントＦＦＴを必要とする。本発明によると、極めて小さなＦＦＴモジュールをダイバーシティ処理の実行に用いることから、複雑性および消費電力が顕著に低減される。本発明は、非ＯＦＤＭ信号（例えば、シングルキャリアまたはＣＤＭＡ信号）にも同様に用いられてよく、比較的同程度の効果を有する。

ダイバーシティースキームは、シングルバンドＭＲＣダイバーシティ技術と同様に、モデムの変更やモデムからの特別な制御を要することなく用いられ得る。そのようなものとして、本発明の実施形態は、スタンドアロンのフロントエンド、あるいはラジオの追加でダイバーシティが増大可能な、ラジオモデムで実装されてよい。一部の例示的な実施形態を図４Ａおよび４Ｂに示す。

図４Ａは、本発明のある実施形態による、複雑性の低いダイバーシティ受信機を具体化するラジオモデムＲＭ_１を示す。未使用とある入力端子Ｉ_２は、図３のＡＤＣ３０６_ｉによって受信あるいは生成される信号に類似の、アナログまたはデジタル同相（Ｉ）および直交（Ｑ）複素ベースバンド入力が可能な、デジタルあるいはアナログ入力であってよい。図４Ｂのデュアルダイバーシティ構成では、ＲＭ１の入力端子Ｉ２に送られるアナログまたはデジタルの複素Ｉ／Ｑ出力信号ＤＳ_２をラジオＲ_１が提供する。

本発明を具体化するダイバーシティ受信機の利点の一つとして、追加の複雑性が比較的小さい単一の集積回路を、比例してシステムの複雑性を増加させることなく、単一アンテナシステムと、ラジオＲ１の追加によって複数アンテナのダイバーシティシステムとの両方に、使用可能なことがある。ラジオＲ１は、単一アンテナアプリケーションおよびダイバーシティアプリケーションの両方に用いてよい。ＦＦＴポイントの数を定義する変数Ｍは、無線チャネルの帯域ＣＢＷの値に応じて選択されてよい。

一部の実施形態では、ＦＦＴ以外の変換技術が用いられて良い。例えば、一部の実施形態では、アダマール変換が用いられてよい。一部の実施形態では、柔軟性のある実装がＱＭＦなどのフィルタバンクを用いてもよい。

本発明は数々の利点を提供する。本発明によるダイバーシティ受信機は、複雑性を増加させることなく、従来のダイバーシティ受信機に近い性能利益を提供する。本発明を具体化するシステムの性能は、その複雑性とスケーラブルに相殺されてよい。さらに、本発明によるダイバーシティ受信機は、ＯＦＤＭに基づかない規格を含む、あらゆる規格においてのダイバーシティの実現に用いられてよい。

本発明の上述の実施形態は、例示的であって限定するものではない。様々な代替および等価物が可能である。発明は、ダイバーシティ受信機に配されたサブバンドの数、または受信機の様々な箇所における信号強度の判断に用いられるセンサの数によって限定されない。発明は、本開示を配し得る集積回路の種類によって限定されない。また、本発明は、本開示の製造に用いられ得る、例えばＣＭＯＳ、バイポーラ、またはＢＩＣＭＯＳなどのいかなる特定の種類のプロセス技術にも限定されない。その他の追加、削除、または変更は、本開示によって自明であり、これらは添付の特許請求の範囲の範疇に含まれる。

Claims (12)

1. Ｎ個の信号処理パスと、
   前記Ｎ個のパスの対応するサブバンド信号を合成するビン単位の合成器と
   前記ビン単位の合成器の出力を、対応する時間領域信号に変換する逆変換ブロックと
   を備え、
   各信号処理パスは、
   受信したＲＦ信号の周波数を低周波数に変換するミキサと、
   低周波数に変換された前記信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
   時間領域で表現された前記デジタル信号を、Ｍ個のサブバンド信号を含む、対応する周波数領域信号に変換する変換ブロックと
   を有する
   無線受信機。
2. 前記各信号パスは、受信した前記ＲＦ信号を増幅する増幅器をさらに有する請求項１に記載の無線受信機。
3. 前記増幅器は、低ノイズ増幅器である請求項２に記載の無線受信機。
4. 前記各パスの前記変換ブロックは、フーリエ変換器である請求項２に記載の無線受信機。
5. 前記逆変換ブロックに呼応するフィルタをさらに備える請求項２に記載の無線受信機。
6. 前記フィルタに呼応する可変ゲイン段をさらに備える請求項５に記載の無線受信機。
7. Ｎ個の信号処理パスを有する受信機における信号処理方法であって、
   各パスで受信したＲＦ信号を低周波数変換する段階と、
   低周波数変換されたＲＦ信号を対応するデジタル信号に変換する段階と、
   時間領域で表現された各デジタル信号を、Ｍ個のサブバンド信号を有する、対応する周波数領域信号に変換する段階と、
   前記各パスの複数のサブバンド信号を合成する段階と、
   合成された前記サブバンド信号を対応する時間領域信号に変換するべく逆変換を実行する段階と
   を備える方法。
8. 各パスで受信した前記ＲＦ信号を増幅する段階をさらに備える請求項７に記載の方法。
9. 前記増幅器は、低ノイズ増幅器である請求項８に記載の方法。
10. フーリエ変換モジュールを用いて、時間領域で表現された各デジタル信号を対応する周波数領域信号に変換する段階をさらに備える請求項７に記載の方法。
11. 前記逆変換を実行する段階で生成された前記時間領域信号をフィルタする段階をさらに備える請求項８に記載の方法。
12. 前記フィルタされた信号を増幅させる増幅段のゲインを変化させる段階をさらに備える請求項１１に記載の方法。

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