JP3806876B2 - デジタル無線受信機 - Google Patents

Description

本発明は無線受信機に係わり、特にデジタル変調波を低周波数帯へ周波数変換した後、復調するデジタル無線受信機に関する。

従来のデジタル無線受信機の一例を図１０に示す。

従来のデジタル無線受信機では、受信したデジタル変調波をＩＦ周波数帯へ周波数変換した後に、復調器でデジタル信号に復調していた。

一般にデジタル無線通信では、時分割多重伝送や、符号圧縮、伸長化が行われている。符号圧縮、伸長化が行われる場合は、復調器のデジタル出力を符号復号器で復号するのが一般的である。

図１０において、複数のチャネルで構成されたＲＦ帯受信信号はアンテナ１を介してＲＦ帯バンドパスフィルタ２で帯域制限され、ＲＦ可変利得増幅器３に入力される。ＲＦ可変利得増幅器３で増幅されたＲＦ受信信号１７は、第１ミキサ４に入力され、第１局部発振器１０の局発周波数と混合され、第１ＩＦ帯へ周波数変換される。第１ＩＦ帯へ周波数変換された第１ＩＦ信号１８は、第１ＩＦ帯バンドパスフィルタ５で帯域制限され、第１ＩＦ帯増幅器１６で増幅された後、第２ミキサ６に入力される。その信号は、第２ミキサ６で第２局部発振器１１の局発周波数と混合され、第２ＩＦ信号１９へ周波数変換された後、復調器１２に入力される。復調器１２で、デジタル信号に復調された後、符号復号器１３に入力され、復号される。復号された受信データは、出力端子１５から出力される。

いま、アンテナ入力端子２１に、復調を希望する信号（以下希望波という）と、それらの３次相互変調歪信号が希望波に一致する妨害信号である２信号（以下相互変調妨害波という）とが入力されたとする。そのスペクトラムを図１１に示す。図において、ｆDは希望波の周波数、ｆUは相互変調妨害波の周波数である。図では点線で通過帯域と、減衰帯域を分けたが、２妨害信号はＲＦ帯バンドパスフィルタ２の通過帯域内となっている。

ここで相互変調妨害発生の仕組みを説明すると、希望周波数をｆ１、妨害波周波数をｆ２、ｆ３とし、ｆ１、ｆ２、ｆ３に次式の関係があるとする。

（数１）
ｆ１＜ｆ２＜ｆ３
ｆ３−ｆ２＝ｆ２−ｆ１＝ｄｆ
この時２妨害波による相互変調波のうち３次成分のみを取り出すと、３次成分ｆｉ１、ｆｉ２は次式のようになる。

（数２）
ｆｉ１＝２ｆ２−ｆ３＝ｆ２−ｄｆ＝ｆ１
ｆｉ２＝２ｆ３−ｆ２＝ｆ２＋ｄｆ
このように、ｆｉ１がｆ１と等しくなり、希望波に対し干渉し、受信感度を劣化させる。

無線通信では、周波数の有効利用のためにマルチチャネルアクセス方式が主流であり、上記のようにチャネル間隔周波数がｄｆとなり、ｆ１に対するｆ２、ｆ３がアンテナに入力される状況は発生する。従って、無線受信機にとって相互変調妨害に対する耐性は重要な事項である。

また、この相互変調妨害波２波による、３次歪の大半は第１ミキサ４で発生し、この時第１ミキサ４の出力（第１ＩＦ信号１８）のスペクトラムは図１２のようになり、これが受信感度を劣化させる。この相互変調妨害を改善するために、第１ＩＦレベル検出器２５、希望波レベル検出器７（この検出器をＲＳＳＩ（Receive Signal Strength Indicator）回路ともいう）、レベル判定器８、利得制御器９を用いてＲＦ可変利得増幅器３の利得を制御する。

以下にその動作を説明すると、まず、妨害のない状態での、希望波レベル検出器７の出力２０（以下ＲＳＳＩという）と、デジタル無線で受信感度を示すビット誤り率を図１３に示す。この状態では、第１ＩＦ信号１８のスペクトラムは図１５のようになり、第１ＩＦレベル検出器２５の検出結果は小である。レベル判定器８は検出結果が小である間は利得制御器９に対し利得切換え信号を出力しない。

次に、図１１、図１２で示したように相互変調妨害波がある場合は、第１ＩＦレベル検出器２５の検出結果は大であり、妨害を受けているのでビット誤り率は図１４のように、点線で示した妨害のない場合のビット誤り率に比べ劣化している。この時ＲＳＳＩが増加し、しきい値Ａを越えたら、レベル判定器８は利得制御器９に対し利得切換え信号を出力し、ＲＦ可変利得増幅器３の利得を下げる。これにより、第１ミキサ入力信号の希望波妨害比（以下Ｄ／Ｕ比という）は減少し、ビット誤り率はアンテナ入力レベルの増加に対し妨害のない場合の値に近づく。

誤り率を劣化させる３次相互変調歪レベルは、ミキサ入力点での信号レベルを１ｄＢ小さくすると３ｄＢ小さくなる関係があるから、ＲＦ可変利得増幅器３の利得を１ｄＢ下げる事により、３次相互変調歪レベルは３ｄＢ下がり、誤り率は大幅に改善できる。

このようにして、相互変調妨害による受信感度の劣化を軽減している。

前記従来技術は、３次相互変調歪を発生させる妨害波の入力がある場合に利得制御を行っているが、３次相互変調歪を発生させない入力信号がある場合にも利得制御を行うという問題がある。

つまり図１６に示したように、ｄｆ１≠ｄｆ２である２信号ｆUがアンテナ入力端子２１に入力された場合は、３次相互変調歪は希望波ｆDと一致しないので受信感度は劣化しない。しかしこの場合、図１７のように第１ミキサ出力でも２信号が存在し、第１ＩＦレベル検出器２５の検出結果は大となるので利得を下げてしまう。従って、図１８に示すように、ビット誤り率は改善できない。

このように利得制御の効果がない場合があるという問題がある。

前記問題点を解決するために、本発明のデジタル無線受信機は、アンテナで受信された第１の周波数の信号が入力されて制御信号により利得を可変できる可変利得増幅器と、上記可変利得増幅器より出力された信号を上記第１の周波数より低い第２の周波数の信号に変換する周波数変換器と、上記第２の周波数に変換後の信号のレベルを検出する受信信号強度検出器と、上記第２の周波数に変換後の信号をデジタルデータに復調して復号し、上記受信信号強度検出器で検出された信号のレベル及び復号された信号の誤り率の状況に応じて、上記可変利得増幅器の利得を制御する制御信号を出力する制御部と、を備え、上記制御部は、受信状態と休止状態を繰り返す場合、休止状態から受信状態に入るとき、前の受信状態における上記可変利得増幅器の利得を制御する情報を記憶しているようにしたものである。

以上説明したように、本発明によれば、相互変調妨害に対して強く、受信感度の高いデジタル無線受信機を低電力、小規模な構成で実現できる。

本発明によるデジタル無線受信機の第１の実施例のブロック構成図を図１に示す。

本実施例の受信機は、図１に示すように、図１０に示した従来の受信機における第１ＩＦレベル検出器２５を削除し、符号復号器１３とビット誤り率計算部１４と、ＩＦ信号レベルを検出する希望波レベル検出器７と、希望波レベル検出器７の出力と基準レベルとを比較しかつビット誤り率を基準ビット誤り率と比較するレベル判定器８と、レベル判定器８の出力に応じてＲＦ可変利得増幅器３の利得を制御する利得制御器９とを備えたものである。

符号復号器１３の一つの例としては、日本国内でのデジタル方式自動車電話の規格である、電波システム開発センター発行のＲＣＲ ＳＴＤ−２７Ｂに詳述されたものがある。

なお本実施例では、ビット誤り率計算機能は符号復号器１３が有するので、ビット誤り率計算部１４を符号復号器１３に内蔵させているが、内蔵せずに独立にしても良いことは言うまでもない。

次に上記各部の動作を説明する。レベル判定器８は、予め基準レベルおよび基準誤り率を記憶しておき、希望波レベル検出器７の出力と基準レベルとを比較し、かつビット誤り率計算部１４の出力と基準誤り率とを比較し、比較結果に応じてＲＦ可変利得増幅器３の利得を切り換えるための指示を利得制御器９へ出力する。利得制御器９はレベル判定器８からの指示を受けて、ＲＦ可変利得増幅器３の利得を切り換える。

この利得切り換えの動作は、例えば、ＲＦ可変利得増幅器３の構成として、高利得増幅器と低利得増幅器とを備え、これらの増幅器を選択的に切り換え可能な構成としておき、希望波レベル検出器７で検出したレベルが、予め設定した基準レベルＡ（以下しきい値Ａ）よりも小さいときにはＲＦ可変利得増幅器３は高利得の増幅器を用い、希望波レベルが基準レベルＡを越え、かつビット誤り率が基準ビット誤り率Ｂ（以下しきい値Ｂ）より大きいときには低利得増幅器に切り換わるように制御される。但し、以下に説明するように、相互変調妨害波の有無やアンテナ入力レベルの増減に応じて、利得切換制御を異ならせるようにする。なお、以下説明では、ＲＦ可変利得増幅器３の構成例として、高利得増幅器と低利得増幅器とによる構成を例にあげているが、可変減衰器と線形増幅器とを用いて構成してもよい。

まず相互変調妨害波がない場合を考える。図２に示すようにアンテナ入力レベルが増加してゆく場合、始めは希望波レベルはしきい値Ａ以下であり、ビット誤り率はしきい値Ｂより悪い。アンテナ入力レベルが増加すると、ビット誤り率はしきい値Ｂより良くなる。さらにアンテナ入力レベルが増加すると、希望波レベルはしきい値Ａより大きくなる。この変化では、レベル判定器８は利得切り換え信号を出力せず、初期の高い利得のままである。

次にアンテナ入力レベルが減少してゆく場合、今の説明とは逆になり、始めは希望波レベルはしきい値Ａ以上であり、ビット誤り率はしきい値Ｂより良い。利得は高くなっている。図３のようにアンテナ入力レベルが減少すると、希望波レベルはしきい値Ａより小さくなる。さらにアンテナ入力レベルが減少すると、ビット誤り率はしきい値Ｂより悪くなる。さらにアンテナ入力レベルが減少すると、希望波レベルはしきい値Ｃより小さくなる。この変化では、レベル判定器８は利得切り換え信号を出力せず、初期の高い利得のままである。上記のように希望波レベルのしきい値にＡとＣとを設けている理由は後述する。

次に相互変調妨害波がある場合を考える。まず希望波および妨害波が共に増加し、アンテナ入力レベルが増加してゆく場合を考えると、図４に示すように始めは希望波レベルはしきい値Ａ以下であり、ビット誤り率はしきい値Ｂより悪い。アンテナ入力レベルが増加すると、希望波レベルはしきい値Ａより大きくなる。この変化の時、レベル判定器８は利得切り換え信号を出力し、利得制御器９はＲＦ可変利得増幅器３の利得を下げる。この制御により第１ミキサ４の入力レべルは下がり、第１ミキサ４の出力信号に含まれる３次相互変調歪信号が小さくなり、ビット誤り率は、相互変調妨害のない誤り率（図中の点線の誤り率）に近づく。

さらにアンテナ入力レベルが増加すると、ビット誤り率はしきい値Ｂより良くなる。このように、利得切り換えにより、ビット誤り率を改善できる。

次にアンテナ入力レベルが減少してゆく場合、今の説明と逆になり、図５のようにアンテナ入力レベルが減少すると、ビツト誤り率はしきい値Ｂより悪くなる。さらに減少すると、希望波レベルはしきい値Ａより小さくなるが、ここで利得切り換えはしない。希望波レベルがしきい値Ｃより小さくなったときに、レベル判定器８は利得切り換え信号を出力し、利得制御器９がＲＦ可変利得増幅器３の利得を上げる。ここで、しきい値Ａより小さいしきい値Ｃで切り換えていることにより、相互変調妨害を軽減している領域を長く保つことができ、さらにアンテナ入力レベルの、しきい値Ａ点付近での変動に対し、利得を頻繁に切り換えることによる復調系への悪影響を軽減できる。

以上の動作を図６、図７を用いて整理する。希望波レベルとビット誤り率の組合せを表したのが図６であり、希望波レベルが“小”であり、ビット誤り率が“悪い”状態を“小悪”のように表現し、それらの変化を番号１〜８と定義する。図７はＲＦ可変利得増幅器３の利得が、変化１〜８によって、どう遷移するかを示したものである。例えば高い利得の状態にある時、“小悪”から“大悪”への変化５によって利得は低い状態になる。これは前述の、相互変調妨害があり、アンテナ入力レベルが増加してゆく場合（図４の特性）に対応する。

以上の説明では、アンテナ入力レベルの増加にはしきい値Ａを、減少にはしきい値Ｃを用い、いわゆるヒステリシス特性を持たせたが、さらにＡ＜Ｄなるしきい値ＤおよびＣ＜Ｅ＜Ｄなるしきい値Ｅを用い、２段階のヒステリシス特性を持たせても、本発明の一実施例である事をつけ加えておく。

次に図８を用いて、前述したレベル判定器８に設定する基準レベル及び基準ビット誤り率を自由に設定する事ができるようにした、第２の実施例について説明する。回路規模の面からは、基準レベル及び基準ビット誤り率は固定値として、レベル判定器８内に予め設定しておく事が有効であるが、レベル判定ならびに利得制御の汎用性を考慮すると、目的に応じて入出力特性を外部信号によって変更できることも有効である。

図８は、入力端子２３を介して外部信号によって書き込み可能な記憶回路２２を追加したデジタル無線受信機のブロック構成図である。記憶回路２２は書き込み可能な構成とし、レベル判定器８で用いる基準レベル及び基準ビット誤り率を予め記憶しておくため、外部に接続されたキーボード等から外部入力端子２３を介して記憶情報を書き込むようにする。レベル判定器８は、記憶回路２２に記憶された基準レベルと希望波レベル検出器７の出力とを比較し、かつ記憶回路２２に記憶された基準ビット誤り率とビット誤り率計算部１４のビット誤り率とを比較して、利得制御器９に利得切換え信号を出力する。その結果、状況に応じて利得制御を変更する事が可能となる。なお記憶回路２２の特徴として、他の回路の電源を切断しても記憶情報を保持できることが望ましい。

また記憶回路の一部を読み出し専用記憶回路で構成し、その読み出し専用記憶回路に基本情報（この情報を一般にデフォルト値と言う）を記憶しておき、外部信号によって書き込み可能な記憶回路に情報を入力しない限り、読み出し専用記憶回路に記憶されている基本情報を、基準レベル及び基準ビット誤り率として利得制御を行う事も可能である。

次に前述した受信機が間欠受信を行う場合について説明する。

間欠受信は予め設定した時間周期に従い、受信状態と休止状態を繰り返す受信方式である。休止状態には一般に、制御部分を除き受信部の電源は切断する。従って特別の機能を追加しない限り、一旦停止状態に入ると前述したＲＦ可変利得増幅器の利得は初期状態に戻る。

比較的短い周期で間欠受信する場合、希望波レベルが急激に変動する事は少ない。そのため、受信状態から一旦停止状態に入り、再び受信状態に入った時、前の受信状態におけるのと近い希望波レベルである可能性が高い。従って、前の受信状態における利得制御状態に関する情報を次の受信状態まで記憶する事によって、次の受信状態に入った時に速やかに利得制御を行う事もできる。

図９はこのような間欠受信を行う受信機の実施例である第３の実施例のブロック構成を示す図である。図８の記憶回路２２とは異なる記憶回路２４は、書き込み可能でかつ無線受信部の電源を切断しても記憶情報を保持できる記憶回路である。レベル判定器８の出力情報を記憶回路２４に記憶する。利得制御器９は記憶回路２４に記憶されている情報に応じてＲＦ可変利得増幅器３の利得を切り換える。

休止状態に入ると、記憶回路２４を除く回路の電源は切断され、この時記憶回路２４に記憶された利得制御情報（例えば“高い”か“低い”という情報）は保持される。次の受信状態に入ると、利得制御器９は記憶回路２４に記憶されている利得制御情報を用い、前の受信状態と同一にＲＦ変換利得増幅器３の利得を切り換える。

一方レベル判定器８は記憶回路２４に記憶されている利得制御状態を参照し、ＲＦ可変利得増幅器３の利得がどの状態にあるか判断して、レベル判定に用いる基準レベル及び基準ビット誤り率を選択する。
上記の実施例により、ＩＦ信号の大小とビット誤り率の良否との両方によってＲＦ可変利得増幅器の利得を制御するので、相互変調妨害を発生させる妨害波が入力されたときに、ビット誤り率の低下を防止でき、さらに相互変調妨害を発生させない入力信号があるときには利得制御を行わないことで、ビット誤り率を良好なまま保持できる。
なお、具体的な効果としては次のようなものがある。第１に、受信ビット誤り率そのものを判定値として用いるため、相互変調妨害が発生している事を確実に検知でき、受信感度を良好に保持することができる。
また第２に、レベル判定器における基準レベル及び基準ビット誤り率を外部信号によって設定できるため、希望波に対する入出力特性に関する自由度が高くなる。これにより、受信機に組み込んだ場合、あるいはＩＣ化した場合の汎用性を広くできる。本発明を間欠受信機に適用すると、前の受信状態における利得制御情報を記憶する事により、休止状態を経て次の受信状態に入った時、記憶情報を用いて速やかに必要な利得制御状態にする事ができる。これにより、受信状態に入った時の利得制御に関する立ち上り時間が短縮される。

本発明によるデジタル無線受信機の第１の実施例のブロック構成図である。 本発明によるデジタル無線受信機における入出力特性を示す第１の図である。 本発明によるデジタル無線受信機における入出力特性を示す第２の図である。 本発明によるデジタル無線受信機における入出力特性を示す第３の図である。 本発明によるデジタル無線受信機における入出力特性を示す第４の図である。 本発明によるデジタル無線受信機での、判定条件の変化を説明するための図である。 本発明によるデジタル無線受信機での、ＲＦ可変利得増幅器の利得の状態遷移図である。 本発明によるデジタル無線受信機の第２の実施例のブロック構成図である。 本発明によるデジタル無線受信機の第３の実施例のブロック構成図である。 従来のデジタル無線受信機のブロック構成図である。 従来のデジタル無線受信機での、ＲＦ可変利得増幅器のスペクトラムを示す第１の図である。 従来のデジタル無線受信機での、第１ミキサ出力のスペクトラムを示す第１の図である。 従来のデジタル無線受信機における入出力特性を示す第１の図である。 従来のデジタル無線受信機における入出力特性を示す第２の図である。 従来のデジタル無線受信機での、第１ミキサ出力のスペクトラムを示す第２の図である。 従来のデジタル無線受信機での、ＲＦ可変利得増幅器のスペクトラムを示す第２の図である。 従来のデジタル無線受信機での、第１ミキサ出力のスペクトラムを示す第３の図である。 従来のデジタル無線受信機における入出力特性を示す第３の図である。

符号の説明

１…アンテナ ２…ＲＦ帯バンドパスフィルタ
３…ＲＦ可変利得増幅器 ４…第１ミキサ
５…第１ＩＦ帯バンドパスフィルタ
６…第２ミキサ ７…希望波レベル検出器
８…レベル判定器 ９…利得制御器
１０…第１局部発振器 １１…第２局部発振器
１２…復調器 １３…符号復号器
１４…ビット誤り率計算部 １５…出力端子
１６…第１ＩＦ帯増幅器 １７…ＲＦ受信信号
１８…第１ＩＦ信号 １９…第２ＩＦ信号
２０…ＲＳＳＩ ２１…アンテナ入力端子
２２…記憶回路 ２３…外部入力端子
２４…記憶回路 ２５…第１ＩＦレベル検出器

Claims (1)

1. アンテナで受信された第１の周波数の信号が入力されて制御信号により利得を可変できる可変利得増幅器と、
   上記可変利得増幅器より出力された信号を上記第１の周波数より低い第２の周波数の信号に変換する周波数変換器と、
   上記第２の周波数に変換後の信号のレベルを検出する受信信号強度検出器と、
   上記第２の周波数に変換後の信号をデジタルデータに復調して復号し、上記受信信号強度検出器で検出された信号のレベル及び復号された信号の誤り率の状況に応じて、上記可変利得増幅器の利得を制御する制御信号を出力する制御部と、
   を備え、
   上記制御部は、受信状態と休止状態を繰り返す場合、休止状態から受信状態に入るとき、前の受信状態における上記可変利得増幅器の利得を制御する情報を記憶していることを特徴とするデジタル無線受信機。
   

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