JP3703495B2 - マルチチャネル情報信号をトランス・マルチプレクスする方法および装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、マルチチャネル・デジタル・トランシーバに関し、さらに詳しくは、濾波高速フーリエ・トランスマルチプレクサならびにマルチチャネル・デジタル・トランシーバにおいてマルチチャネル通信信号をトランス・マルチプレクスする方法に関する。
発明の背景
デジタル手法を利用して無線通信システムを構築することには多くの利点がある。特に、システム容量の向上，雑音の低減ならびにハードウェアおよび関連消費電力の節減がある。いくつかのデジタル無線通信システムが提唱されている。例えば、米国特許第５，３９６，４８９号では、デジタル技法を実施する無線通信システムのいくつかの実施例が図説されている。
マルチチャネル・トランシーバでは、マルチチャネル通信信号から個々の通信チャネルを復元するためにトランスマルチプレクサ(transmultiplexers)を利用することが知られている。デジタル受信機１００において具現されるこのようなトランス・マルチプレキシング装置(transmultiplexing device)を第１図に示す。図示のように、マルチチャネル無線周波数（ＲＦ）信号はアンテナ１０２において受信され、帯域通過濾波１０４され、ダウンコンバート１０６され、ＩＦ濾波１０８され、ベースバンドにダウンコンバート１１０され、濾波１１２され、デジタル化１１４される。デジタル化されたマルチチャネル信号は、補間多相フィルタ段(interpolating polyphase filter stage)１１８と、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）段１２０とを含むトランスマルチプレクサ１１６に送られる。トランスマルチプレクサ１１６の出力は、デジタル化マルチチャネル信号から分離されるＮ本の通信チャネルである。逆に動作させると、第１図に示す構造は、アンテナからマルチチャネルＲＦ信号として送信するためにＮ本のチャネルを処理すべく動作することが容易に理解される。
しかし、一般にトランスマルチプレクサは高サンプル・レートの出力を生成できず、入力および出力サンプル・レートがチャネル数に等しい係数だけ異なる場合に最良に動作する。また、トランスマルチプレクサは、特殊なフィルタ構造を採用する可能性が少ない。トランスマルチプレクサは、対称性を利用できないという点で制限され、一般に乗算器なしに構築できない。さらに、典型的なトランスマルチプレクサは、チャネル数の１０倍以上という多数のフィルタ・タップを必要とし、そのため大量のメモリを必要とする。従って、トランスマルチプレクサは性能が制限され、演算的にもメモリ的にも非効率的である。
従って、デジタル・トランシーバで用いられる高性能で効率的なトランス多重化装置および方法が必要とされる。このような装置および方法は本発明によって提供され、当業者であれば本発明の多くの利点および特徴は以下の詳細な説明および添付の図面から容易に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来のマルチチャネル・デジタル受信機のブロック図である。
第２図は、本発明の好適な実施例によるマルチチャネル・トランシーバのブロック図である。
第３図は、第２図のトランシーバで用いられる濾液高速フーリエ変換（ＦＦＦＴ：filtered fast Fourier transform）の好適な実施のブロック図である。
第４図は、第３図のＦＦＦＴの動作を示す信号図である。
第５図は、本発明により用いられる好適なフィルタ構造のブロック図である。
第６図は、本発明により用いられるフィルタ構造の別の好適な実施のブロック図である。
第７図は、本発明の好適な実施例によるＦＦＦＴの演算性能を示すチャートである。
好適な実施例の詳細な説明
第２図を参照して、マルチチャネル・デジタル・トランシーバ２００は、通信ネットワーク２５０に結合される。トランシーバ２００は、セルラ無線電話通信システム，ケーブル・テレビジョン（ＣＡＴＶ）電話システムなどほぼ任意のマルチチャネル通信システムにおいて有利に利用できることが理解される。トランシーバ２００は、受信経路において、受信アンテナ２０２，ＲＦ帯域通過フィルタ２０４，ＲＦ／中間周波数（ＩＦ）ミキサ(RF-to-IF mixer)２０６，ＩＦ帯域通過フィルタ２０８，ＩＦ／ベースバンド・ミキサ２１０，アンチエリアス・フィルタ(anti-alias filter)２１２，アナログ／デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）２１４および濾波高速フーリエ・トランスマルチプレクサ（ＦＦＦＴ：filtered fast Fourier transmultiplexer）２１６を含む。送信経路において、トランシーバ２００は、逆ＦＦＦＴ２１８，デジタル／アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）２２０，アンチエリアス・フィルタ２２２，ベースバンド／ＩＦミキサ２２４，ＩＦ帯域通過フィルタ２２６，ＩＦ／ＲＦフィルタ２２８，ＲＦ帯域通過フィルタおよび増幅器２３０ならびに送信アンテナ２３２を含む。
受信モード動作時、マルチチャネル通信信号はアンテナ２０２にて受信され、受信経路に沿ってＦＦＦＴ２１６まで処理され、ＦＦＦＴ２１６はマルチチャネル通信信号内に含まれるチャネルをダウンコンバートすべく動作して、Ｎ本の通信チャネルのブロックを生成し、これは通信システム２５０に結合される。同様に送信時には、Ｎ本の通信チャネルのブロックは通信システム２５０から逆ＦＦＦＴ２１８に送られ、逆ＦＦＦＴ２１８は個別の通信チャネルをマルチチャネル通信信号にアップコンバートすべく動作し、このマルチチャネル通信信号は送信経路に沿って処理され、最終的に送信アンテナ２３０から放射される。
第３図を参照して、ＦＦＦＴ２１６の好適な実施を示し、ただし、同様な、ＦＦＦＴ２１６とは逆の構造は逆ＦＦＦＴ２１８の好適な実施であることが理解される。ＦＦＦＴ２１６構造は、各分岐でフィルタを含むように修正された、Cooley-TukeyＦＦＴ構造の時間的なデシメーションに類似する。第３図に示すように、ＦＦＦＴ２１６は、入力マルチチャネル通信信号を複数のフィルタ３０６〜３１２を有する第１フィルタ段３０４に整流し、また複数のフィルタ３１６〜３２２を有する第２フィルタ段３１４に遅延素子３０３を介して整流するコミュテータ(commutator)３０２を含む。好適な実施では、フィルタ３０６〜３１２および３１６〜３２２は実質的に同じであるが、これらのフィルタは異なる種類または係数でもよいことを理解されたい。フィルタ段３０４，３１４からの出力は、それぞれ加算器３２６〜３３２および３３６〜３４２を有する加算段３２４，３３４において相互加算(cross summed)される。加算演算として示されるが、加算符号の前にある「−」は減算を表すものとする。加算段３３４の加算器３３６〜３４２の出力は時変係数によってさらにスケーリングされる。好適な実施例では、加算器３３６〜３４２の出力は：
Ｗⁿ（−１）^k （１）
によってスケーリングされ、ここでＷは

であり、ｋは瞬間サンプルであり、ｎは分岐の数であり、ｃはチャネル数である。
加算段３２４，３３４の出力には、コミュテータ３４４，３４６がある。コミュテータ３４４は、加算段３２４の出力を、フィルタ３５０，３５２を有する第３フィルタ段３４８に整流し、またフィルタ３５６，３５８を有する第４フィルタ段３５４に遅延素子３４５を介して整流する。同様に、コミュテータ３４６は、加算段３３４のスケーリングされた出力を、フィルタ３６２，３６４を有するフィルタ段３６０に整流し、またフィルタ３６８，３７０を有するフィルタ段３６６の遅延素子３４７を介して整流する。フィルタ段３４８，３５４の出力は、加算器３７４，３７６を有する加算段３７２と、加算器３８０，３８２を有する加算段３７８とにおいて相互加算される。同様に、フィルタ段３６０，３６６の出力は、加算器３８６，３８８を有する加算段３８４と、加算器３９２，３９４を有する加算段３９０とにおいて相互加算される。加算段３７８，３９０の出力は、時変係数によってさらにスケーリングされる。
加算段３７２，３７８，３８４，３９０の出力には、コミュテータ３９６，３９８，４００，４０２がある。コミュテータ３９６，３９８，４００，４０２は、上記のコミュテータと同様に動作し、加算段３７２，３７８，３８４，３９０の出力をフィルタ４０４，４０８，４１２，４１６に整流し、また遅延素子３９７，３９９，４０１，４０３を介してフィルタ４０６，４１０，４１４，４１８にそれぞれ整流する。次に、フィルタ４０４〜４１８の出力は、加算器４２０〜４３４によって相互加算され、加算器４２２，４２６，４３０，４３４の出力は値（−１）^kによってスケーリングされる。
ＦＦＦＴ２１６の動作は、第３図および第４図を参照し、各入力にミキサを有する一連のくし形フィルタとみなすことによって最もよく理解される。マルチチャネル入力信号４５０はページ（第４図）の左側から入り、２つの経路４５２，４５４に分離される。経路４５２はフィルタ（すなわち、フィルタ段３０４）に直接かけられ、経路４５４は濾波され（すなわち、フィルタ段３１４）、混合されて、スペクトラムは１チャネルだけ移動する。フィルタは各経路４５２，４５４上で一つおきにチャネルを削除し、各経路上に４つの減衰されていない信号を残す。次に、経路４５２，４５４は、４つの経路４５６〜４６２に分離され、これらの経路は同様に濾波され、あるいは濾波・混合されて、４つの経路４５６〜４６２に各分岐毎に２つのチャネルを残す。最後に、経路４５６〜４６２は、８つの経路に分離され、これらも適宜濾波され、あるいは濾波・混合される。これにより、８つの経路４６４〜４７８に経路毎に１つのチャネルを残す。よって、８つのチャネルを含むマルチチャネル信号は、各信号毎に１つのチャネルを有する８つの信号に分離され、これらの信号すべてが入力サンプル・レートであり、ベースバンドにて所望のチャネルを有する。
混合、すなわち、時変係数でのスケーリングは、好適には加算の次として示される。しかし、本発明の公正な範囲から逸脱せずに、場合によっては、混合は加算の前あるいは濾波の前に行ってもよいことが当業者に理解される。
ここで第５図を参照して、ＦＦＦＴで用いられる好適なフィルタ構造５００を示す。フィルタ５００は、好ましくは、Ｎをチャネル数の半分とすると、Ｎ回複製された入力スペクトラムの半分を減衰する複数の低域通過フィルタ５０２〜５０８を含むくし形フィルタ構造である。フィルタ５０２〜５０８は、コミュテータ５１０，５１２が各Ｎ番目のサンプルを配布する分岐を形成する。このことは、各フィルタ入力がＮだけデシメーションされることを意味する。同等な構造に、所望の応答のＮ個のレリカ(relicas)、すなわち、くしの歯、からなるスペクトラムを有するフィルタを具備する単一分岐において、フィルタがＮだけアップサンプリングされるような構造がある。フィルタ５００は、フィルタ次数を増加せずに、鋭いロールオフが得られるため有用である。
第６図を参照して、ＦＦＦＴ２１６の一部に適応された好適なフィルタ構造５００を示し、フィルタ構造５００およびＦＦＦＴ２１６と同様な要素は、参照番号の最後に（’）が付されている。入力コミュテータ５１０’は、入力マルチチャネル信号をＦｓ／（２Ｎ）の周波数（ただし、Ｎは分岐の数）を有する複素シヌソイド(complex sinusoid)と混合するミキサ６０２を含む。上記のように、各分岐は、Ｎだけデシメーションされた入力サンプルを含み、従って各分岐に関連するサンプルは：

で乗じられ、ここでｌは分岐インデックスであり、ｋは瞬間サンプルである。これは、各分岐が＋／−１倍の定数で乗じられることを意味する。好適な実施例では、乗算、すなわち、乗算器６０４〜６１０は説明したようにフィルタ出力に移動される。これにより、混合分岐および非混合分岐の両方について単一のくし形フィルタを有利に利用できる。
第７図は、従来のトランスマルチプレクサに対する本発明のＦＦＦＴの改善度、すなわち、演算の減少、を示す。さらに、ＦＦＦＴ２１６は、かなりのメモリ上の利点を有する。ＦＦＦＴ２１６のフィルタは有利にハードワイヤ化が可能で、フィルタ係数の保存を省くことができる。これとは対照的に、一般的なトランスマルチプレクサはＣＭ’_oフィルタ・タップの保存を必要とし、ここでＣはチャネル数であり、Ｍ’_oは、左端すなわち最も複雑なフィルタの出力サンプル当たりのシフト−加算における演算コストである。従って、分岐当たり１１個のタップを有する１０２４チャネルのトランスマルチプレクサは、約１１Ｋワード分のメモリを必要とする。
以上の説明から当業者に理解されるように、本発明は、独自の濾波高速フーリエ・トランスマルチプレクサ構造によりマルチチャネル・トランシーバで用いられる演算上およびメモリ上効率的な装置および方法を提供する。多くの追加機能および利点ならびに本発明の公正な範囲は、上記の説明および請求の範囲から容易に把握される。

Claims (9)

1. 第１サンプル・レートのマルチチャネル情報信号を、前記第１サンプル・レートの複数選択された通信チャネルにトランスマルチプレクスする方法であって：
   （ａ）前記情報信号を第１群のフィルタに整流し、前記情報信号の遅延されたサンプルを第２群のフィルタに整流する段階であって、前記第１群のフィルタの各フィルタは、前記第２群のフィルタのフィルタに対応する、段階；
   （ｂ）前記第１群のフィルタの各フィルタの出力を、前記第２群のフィルタの対応するフィルタからの出力と加算して、第１群の加算出力を形成する段階；
   （ｃ）前記第２群の複数のフィルタの各フィルタのスケーリングされた出力を、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力と加算して、第２群の加算出力を形成する段階；
   （ｄ）前記第２群の加算出力の各出力を時変値でスケーリングする段階；
   （ｅ）前記第１群の加算出力を整流して、前記第１サンプル・レートの第１出力信号を形成する段階；および
   （ｆ）スケーリングされた前記第２群の加算出力を整流して、前記第１サンプル・レートの第２出力信号を形成する段階；
   によって構成されることを特徴とする方法。
2. 前記第２群の加算出力の各出力を時変値でスケーリングする前記段階は、前記第２群の加算出力の各出力を複素指数でスケーリングすることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記情報信号を第１群のフィルタに整流する前記段階は、前記第１出力信号を第３群のフィルタに整流し、また前記情報信号の遅延されたサンプルを第２群のフィルタに整流する前記段階は、前記第１出力信号の遅延されたサンプルを第４群のフィルタに整流することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記第２群のフィルタの各フィルタのスケーリングされた出力を、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力と加算して、第２群の加算出力を形成する前記段階は、前記第２群のフィルタの各フィルタの出力を、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力から減算することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 第１サンプル・レートのマルチチャネル情報信号を、前記第１サンプル・レートの複数の選択された通信チャネルにトランスマルチプレクスする装置であって：
   （ａ）前記情報信号を第１群のフィルタに整流し、前記情報信号の遅延されたサンプルを第２群のフィルタに整流する手段であって、前記第１群のフィルタの各フィルタは、前記第２群のフィルタのあるフィルタに対応する、手段；
   （ｂ）前記第１群のフィルタの各フィルタの出力を、前記第２群のフィルタの対応するフィルタからの出力と加算して、第１群の加算出力を形成する手段；
   （ｃ）前記第２群のフィルタの各フィルタのスケーリングされた出力を、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力と加算して、第２群の加算出力を形成する手段；
   （ｄ）前記第２群の加算出力の各出力を時変値でスケーリングする手段；
   （ｅ）前記第１群の加算出力を整流して、前記第１サンプル・レートの第１出力信号を形成する手段；
   （ｆ）スケーリングされた前記第２群の加算出力を整流して、前記第１サンプル・レートの第２出力信号を形成する手段；
   によって構成されることを特徴とする装置。
6. 前記第１群のフィルタは、複数の実質的に同一のフィルタからなることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記情報信号を第１群のフィルタに整流する手段は、前記第１出力信号を第３群のフィルタに整流すべく動作可能であり、また前記情報信号の遅延されたサンプルを第２群のフィルタに整流する手段は、前記第１出力信号の遅延されたサンプルを第４群のフィルタに整流すべく動作可能であることを特徴とする請求項５記載の装置。
8. 前記第２群のフィルタの各フィルタのスケーリングされた出力を、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力と加算して、第２群の加算出力を形成する前記手段は、前記第２群のフィルタの各フィルタの出力を、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力から減算すべく動作可能であることを特徴とする請求項５記載の装置。
9. 濾波高速フーリエ・トランスマルチプレクサであって：
   入力と、第１出力と、第２出力とを有するコミュテータであって、前記第１出力は、マルチチャネル情報信号のサンプルを第１群のフィルタの入力に選択的に結合し、前記第２出力は、前記マルチチャネル情報信号の遅延されたサンプルを第２群のフィルタの入力に選択的に結合し、前記第１群および第２群のフィルタのそれぞれは出力を有する、コミュテータ；
   それぞれが前記第１群のフィルタのうちの一つのフィルタの出力と、前記第２群のフィルタの対応するフィルタの出力とに結合された第１群の合成器であって、各第１群の合成器が出力を有する、第１群の合成器；
   それぞれが前記第２群のフィルタのうちの一つのフィルタの出力と、前記第１群のフィルタの対応するフィルタの出力とに結合された第２群の合成器であって、各第２群の合成器が出力を有する、第２群の合成器；
   それぞれが前記第２群の合成器のうちの一つの合成器の出力に結合された入力と、出力とを有する複数のスケーラ；
   前記第１群のフィルタの出力を前記サンプル・レートの第１出力信号に整流する第２コミュテータ；および
   前記複数のスケーラの出力を前記サンプル・レートの第２出力信号に整流する第３コミュテータ；
   によって構成されることを特徴とする濾波高速フーリエ・トランスマルチプレクサ。

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