JP3950310B2 - 広帯域受信器及び過負荷保護方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、広帯域周波数変換の受信器、即ち、ヘテロダイン無線周波数受信器に関し、特に、測定機器の一部である受信器を過負荷歪から保護する受信器及びその保護方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定機器の一部として使用されているヘテロダイン受信器は、しばしば、非常に高いダイナミック・レンジを必要とする。かかる受信器では、典型的には、周波数変換段が後段に接続された広帯域可変利得入力段を有しており、帯域制限された中間周波数信号を発生すると共に、一般的には、この中間周波数信号に作用するフィルタにより、望ましくない信号を除去し、関心信号（関心のある信号）に集中できるようにしている。この受信器のダイナミック・レンジは、関心信号と任意の干渉との間における振幅での分離により定義される。弱い信号強度では、ダイナミック・レンジが受信器の雑音指数で制限される。強い信号強度では、ダイナミック・レンジが受信器の３次妨害（third-order intercept:ＴＩＯ）で制限される。高ダイナミック・レンジが必要となると、周波数変換段の要求が厳しくなるが、これは、総ての帯域幅入力に存在する信号パワーに順応しなければならないためである。
【０００３】
測定機器の入力レンジは、典型的には、周波数スパンが数百メガヘルツから数ギガヘルツまでである。操作装置の試験に測定機器を用いると、これは、測定機器を任意の無線信号の環境にさらすことを意味する。これら無線信号の環境には、振幅変調（ＡＭ）及び周波数変調（ＦＭ）による放送無線、超短波（ＶＨＦ）及び極超短波（ＵＨＦ）によるＮＴＳＣ（ナショナル・テレビジョン・スタンダード・コミティ）テレビジョン放送、ＶＨＦ及びＵＨＦによる８−ＶＳＢ（残留側波帯）デジタル・テレビジョン放送、携帯用小型無線呼び出し器（ポケットベル）、最新移動電話システム（advanced mobile phone system:ＡＭＰＳ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、一般サービス移動（ＧＳＭ）セルラー無線信号、セルラー・デジタル・パケット・データ（ＣＤＰＤ）モデム・キャリアなどがある。各信号形式は、異なる変調技術と、異なるピーク対平均値比とを用いている。ピーク対平均値比の高い信号により、同じ総合パワーの連続波（ＣＷ）信号よりも低い平均パワー・レベルにて、受信器内に相互変調歪が生じる。
【０００４】
ダイナミック・レンジを最適化するには、受信器全体の信号レベルの注意深い設計と制御が要求される。これは、特に、周波数変換ミキサにても適用される。典型的には、受信器に対する利得を調整して、最終検波器における所望信号のレベルを制御する。この利得調整には、ＩＦ検波器での測定に対して、しばしば、帯域制限ＩＦ（中間周波数）信号を考慮するのみでよい。この結果は、狭いＩＦフィルタでの処理の前に、入力に供給された過度のパワーの広いスペクトラムを良好に制御できないことにより生じた相互変調歪が、関心信号の測定にエラーを生じさせる。
【０００５】
いかなるスペクトラム・アナライザも、この問題に直面する。従来の解決方法では、入力帯域幅が予め選択されたフィルタ処理を周波数副バンドに対して行って、第１ミキサに供給される全パワーを制限していた。この解決方法は、スイッチで選択する一連のフィルタか、単一の同調可能なフィルタのいずれかを必要とした。フィルタ処理を予め選択することは、使用する部品と、回路基板に必要な領域との観点から高価であった。スペクトラム・アナライザの熟練したユーザは、受信器が発生した相互変調の様子を表示から認識できるので、無線周波数（ＲＦ）に注意を向けることができる。スペクトラム形式以外のエラー電圧振幅（ＥＶＭ）又はＣＤＭＡ信号のコード領域パワーの如き形式で測定結果を表示する測定機器にとって、いかなる受信が発生する歪も異なり、不可能でなければ、その結果のみから見つけることができる。
【０００６】
他の解決方法は、クワルコム・インコーポレイテッドに譲渡されたアメリカ合衆国特許第５９３０６９２号「干渉に対して受信器の耐性を増加させる方法及び装置」に記載されている。ここでは、受信信号のパワー・レベルを検出し、もし、このパワー・レベルが所定パワーしきい値と一致するか、又は超えていると、連続的又はステップ状に減衰を行って、低ノイズ増幅器の実効利得を低下させるか、又は、この低ノイズ増幅器をバイパスさせる。これは、対数検波器を用いてＲＦパワーの読みを低くするというピーク対平均値比の高い信号に対する問題解決を指向するものではない。すなわち、任意の電位干渉信号での変調形式に敏感である。また、これは、広帯域利得及び中間利得の両方を制御して、ダイナミック・レンジを最適化するものではない。さらに、ダイナミック・レンジを平衡させようとしているにもかかわらず、信号表示に歪生成物がある可能性の場合に、警告指示がない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、測定機器の受信器において、歪を生じる変調の形式にかかわらず、帯域外信号の問題を解決できる別のアプローチが望まれている。
【０００８】
したがって、本発明は、広帯域受信器を過負荷歪から保護するためにダイナミック・レンジを最適化すると共に、最適化できない場合には警告を発生する広帯域受信器及び過負荷保護方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）が後段に接続された周波数変換段（１８、２０）が後段に接続された広帯域可変利得入力増幅器（１４）を具えて、この広帯域可変入力増幅器に入力する入力無線周波数信号に応じた測定値を発生して、過負荷歪保護を行う広帯域受信器（１０）であって；広帯域可変利得入力増幅器（１４）から周波数変換段（１８）に供給される入力無線周波数信号のピーク・パワーを検出する検出手段（２６、２８）と；この検出手段（２６、２８）からのピーク・パワーを中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）からのパワーと比較し、広帯域可変利得入力増幅器（１４）並びに中間周波数増幅器（２２）用の利得制御信号を発生して、広帯域受信器（１０）のダイナミック・レンジを最適化すると共に、測定値に歪が現れるときを指示する手段（３０）とを具えている。
また、本発明は、中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）が後段に接続された周波数変換段（１８、２０）が後段に接続された広帯域可変利得入力増幅器（１４）を具えて、測定値を発生し、広帯域可変利得入力増幅器（１４）及び中間周波数増幅器（２２）の利得が制御器（３０）からの利得制御信号により制御される形式の広帯域受信器（１０）に対して過負荷歪保護を行う方法であって；広帯域可変利得入力増幅器（１４）からのパワー出力並びに中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）からのパワー出力を求め；広帯域可変利得入力増幅器（１４）からのパワー出力を中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）からのパワー出力と比較し；広帯域可変利得入力増幅器（１４）からのパワー出力が中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）からのパワー出力を特定量だけ超え、利得制御信号を更に調整する範囲がある場合に、広帯域受信器（１０）用のダイナミック・レンジが適切になるように利得制御信号を調整し；広帯域可変利得入力増幅器（１４）からのパワー出力が中間周波数増幅器（２２）及び検波器（２４）からのパワー出力を特定量だけ超え、利得制御信号を更に調整する範囲がない場合に、測定値内に歪の可能性があることを警告する。
【００１０】
本発明は、広帯域低ノイズ可変利得入力増幅器からの信号パワー出力を検出して、広帯域受信器を過負荷歪から保護する。なお、広帯域検波器は、ピーク検出器を含んでいる。広帯域受信器の出力端において、検出されたＲＦ信号パワー及びＩＦ信号パワーを制御器が処理して、可変利得入力増幅器及び中間周波数（ＩＦ）増幅器に適用される適切な利得を決定して、相互変調歪のない広ダイナミック・レンジを達成する。制御器は、可変利得入力増幅器の利得を設定して、入力ＲＦ信号の公称振幅を周波数利得段に供給すると共に、ＩＦ増幅器の利得を設定して、Ａ／Ｄ変換器用の全範囲を用いる最大振幅値を提供する。定期的に、制御器は、ＲＦ及びＩＦパワーのポーリング（サービス要求）を行って、これら２つのパワーを比較し、可変利得入力増幅器及びＩＦ増幅器の適切な利得を決定するか、又は、入力信号が大きくて出力測定内に歪があるならば、測定にエラーがある旨を示す。
【００１１】
本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の説明から明らかになろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による過負荷歪保護機能を有する広帯域受信器のブロック図である。周波数変換広帯域受信器、即ち、ヘテロダイン広帯域受信器１０は、ＲＦ入力端子１２を有する。ＲＦ入力信号は、このＲＦ入力端子１２を介して広帯域可変利得入力増幅器１４に供給される。広帯域可変利得入力増幅器１４からの出力信号は、ロウパス・フィルタ１６を介してミキサ段１８に供給される。このＲＦ信号は、ミキサ段１８において局部発振器（ＬＯ）信号と混合されて、このＲＦ信号が周波数変換されて、中間周波数（ＩＦ）信号が発生する。このＩＦ信号は、狭帯域通過フィルタ２０に供給され、測定に関心のある信号を求める。フィルタ２０からのフィルタ処理されたＩＦ信号は、ＩＦ利得制御増幅器（中間周波数増幅器）２２に供給され、その出力信号は、ＩＦ検波器２４に供給される。ミキサ段１８が周波数変換段を構成する。ロウパス・フィルタ１６を除いて、上述の回路は、従来の周波数変換受信器、即ち、ヘテロダイン受信器である。ロウパス・フィルタ１６は、局部発振器におけるイメージ周波数と、ＩＦ信号に変換される中間周波数とを除去し、これらは、信号及び残留スプール（residual spurs：残留スプリアス）を重複させる。
【００１３】
広帯域増幅器１４からの出力信号は、広帯域対数検波器２６に供給される。この広帯域対数検波器２６からの出力信号は、ピーク検出器２８に供給され、広帯域ＲＦ入力パワーが測定される。これら広帯域対数検波器２６及びピーク検出器２８により、広帯域検出器（検出手段）を構成する。ピーク検出器２８からのＲＦパワーと、ＩＦ検波器２４からのＩＦ検波信号は、制御器３０に供給される。この制御器３０は、これら供給された入力に応じて、広帯域増幅器１４及びＩＦ増幅器２２用の利得制御信号を発生する。この広帯域検波技術は、ミキサ段１８に供給される受信器入力帯域幅における総合パワーをサンプリングする。後述の如く制御器３０により実現された処理アルゴリズムは、広帯域検出器２６、２８からのパワー測定値と、ＩＦ検波器２４からのパワー測定値とを比較する。この処理アルゴリズムを適切に機能させるために、広帯域検出器２６、２８は、測定する単一又は複数の信号形式に関わりなく、正確な総合平均パワーを測定しなければならない。典型的な電圧検出器は、総合平均パワーが同じであるが、ピーク平均値比が異なる信号に対して異なる電圧出力を発生する。この問題を解決するために、ピーク検出器２８は、広帯域対数検波器２６からの電圧出力をサンプリングするので、最終電圧出力は、図２に示すように、異なるピーク対平均値比の等価なパワー信号に対して同じになる。なお、図２は、パワーのピーク対平均値比が異なり、関心のある異なる信号を比較するためのパワー波形図である。
【００１４】
図３は、本発明による広帯域受信器用の過負荷歪保護の方法を説明する流れ図である。制御器３０は、広帯域検波器２６、２８からの出力信号を読み取り、広帯域可変利得入力増幅器１４に対する利得制御値を設定して（ステップ５２）、ＲＦ信号の公称振幅をミキサ段１８に供給する。同様に、制御器３０は、ＩＦ検波器２４からの出力信号を読み取り、ＩＦ増幅器２２用の利得制御値を設定して（ステップ５４）、ＩＦ信号用の最大振幅値を提供して、ＩＦ検波器におけるアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器の全範囲（フル・スケール）にこの最大振幅値を近づける。次に、周期的に、制御器３０は、ＩＦ検波器２４からのパワーをポーリングし（読出し）てＩＦパワーを計算し（ステップ５６）、広帯域検出器のパワーもポーリングして（ステップ５８）、これら２つのパワーを比較する（ステップ６０）。すなわち、ステップ６０で、広帯域パワーが、ＩＦパワーよりも所定数のｄＢｍ（ＸｄＢｍ）だけ大きいかを判断する。この比較結果が「ノー」の場合、ＩＦ信号の測定を実行する（ステップ６４）。
【００１５】
ステップ６０での比較結果が「イエス」の場合、現在の広帯域利得設定とＩＦ利得設定とを比較する（ステップ６２）。そして、最大ＩＦ利得から現在のＩＦ利得を引いたものが特定のｄＢｍ（ＸｄＢｍ）よりも大きく、且つ、現在の広帯域利得から最小広帯域利得を引いたものが特定のｄＢｍ（ＸｄＢｍ）よりも大きいかを判断する（ステップ６６）。この判断結果が「ノー」の場合、表示又は測定が損なわれた旨の警報を出し（ステップ７０）、ＩＦ信号に対する測定を実効する（ステップ６４）。ステップ６６の結果が「イエス」の場合、ＩＦ利得を特定のｄＢｍだけ増加させ、広帯域利得を所定のｄＢｍだけ減少させて、広帯域増幅器及びＩＦ増幅器の各利得を再度最適化する（ステップ６８）。このＩＦパワーを再び計算し（ステップ５６）、広帯域パワーとＩＦパワーとの比較を再度行う（ステップ５８経由でのステップ６０）。
【００１６】
よって、本発明の広帯域受信器用の過負荷歪保護は、ピーク検出器を用いて受信器の入力端におけるフルバンドＲＦパワーを検出し、ＲＦパワーを出力ＩＦパワーと比較して、入力増幅器及びＩＦ増幅器を適切な利得に調整するか、又は、測定結果が歪んでいることを示すエラー指示を行う。
【００１７】
【発明の効果】
したがって、本発明によれば、測定機器の受信器において、歪を生じる変調の形式にかかわらず、帯域外信号の問題を解決できる。よって、広帯域受信器を過負荷歪から保護するためにダイナミック・レンジを最適化すると共に、最適化できない場合には警告を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による過負荷歪保護機能を有する広帯域受信器のブロック図である。
【図２】パワーのピーク対平均値比が異なり、関心のある異なる信号を比較するためのパワー波形図である。
【図３】本発明による広帯域受信器用の過負荷歪保護の方法を説明する流れ図である。
【符号の説明】
１０ 周波数変換（ヘテロダイン）広帯域受信器
１２ ＲＦ入力端子
１４ 広帯域可変利得入力増幅器
１６ ロウパス・フィルタ
１８ ミキサ段
２０ 狭帯域通過フィルタ
２２ ＩＦ利得制御増幅器（中間周波数増幅器）
２４ ＩＦ検波器
２６ 広帯域対数検波器
２８ ピーク検出器
３０ 制御器

Claims (2)

1. 中間周波数増幅器及び検波器が後段に接続された周波数変換段が後段に接続された広帯域可変利得入力増幅器を具えて、該広帯域可変利得入力増幅器に入力する入力無線周波数信号に応じた測定値を発生して、過負荷歪保護を行う広帯域受信器であって、
   上記広帯域可変利得入力増幅器から上記周波数変換段に供給される入力無線周波数信号のピーク・パワーを検出する検出手段と、
   該検出手段からのピーク・パワーを上記中間周波数増幅器及び検波器からのパワーと比較し、上記広帯域可変利得入力増幅器及び上記中間周波数増幅器の利得制御信号を発生して、上記広帯域受信器のダイナミック・レンジを最適化すると共に、上記測定値に歪が現れるときに指示を出す手段と
   を具えた広帯域受信器。
2. 中間周波数増幅器及び検波器が後段に接続された周波数変換段が後段に接続された広帯域可変利得入力増幅器を具えて、測定値を発生し、上記広帯域可変利得入力増幅器及び上記中間周波数増幅器の利得が制御器からの利得制御信号により制御される形式の広帯域受信器に対して過負荷歪保護を行う方法であって、
   上記広帯域可変利得入力増幅器からのパワー出力並びに上記中間周波数増幅器及び検波器からのパワー出力を求め、
   上記広帯域可変利得入力増幅器からのパワー出力を上記中間周波数増幅器及び検波器からのパワー出力と比較し、
   上記広帯域可変利得入力増幅器からのパワー出力が上記中間周波数増幅器及び検波器からのパワー出力を特定量だけ超え、上記利得制御信号を更に調整する範囲がある場合に、上記広帯域受信器用のダイナミック・レンジが適切になるように利得制御信号を調整し、
   上記広帯域可変利得入力増幅器からのパワー出力が上記中間周波数増幅器及び検波器からのパワー出力を特定量だけ超え、上記利得制御信号を更に調整する範囲がない場合に、上記測定値内に歪の可能性があることを警告する
   ことを特徴とする過負荷保護方法。

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