JP4390771B2 - ディジタル無線周波数回路 - Google Patents

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Description

本発明は、直交周波数分割多重(OFDM)信号の処理に関する。
この部分の記載は、以下で述べる、且つ/または頭記の特許請求の範囲に記載する本発明の様々な態様に関係すると考えられる様々な態様の技術を読者に紹介するためのものである。以下の記述は、本発明の様々な態様のより深い理解を促す背景情報を読者に与えるのに役立つと考えられる。従って、以下の記述は、この観点から読むべきものであって、従来技術を承認するもの(admissions of prior art)として読むべきものではないことを理解されたい。
無線LAN(WLAN)は、建築物内や構内で有線LANの代わりに、または有線LANを拡張するために実施されるフレキシブルなデータ通信システムである。無線LANでは、電磁波を用いて、空気を介してデータを送受信するので、有線接続の必要が最小限に抑えられる。従って、無線LANは、データ接続性とユーザ移動性を併せ持ち、簡単な構成で、可動LANを可能にする。携帯端末(例えばノートブック・コンピュータ)を用いて実時間情報を送受信することによる生産性の向上の恩恵を既に受けている産業としては、ディジタル・ホーム・ネットワーキング産業、医療産業、小売業、製造業、倉庫業がある。
無線LANの製造業者は、無線LANを設計する際に、幅広い選択肢の中から伝送技術を選択することができる。いくつか例を挙げると、マルチキャリア・システム、スペクトラム拡散システム、狭帯域システム、および赤外線システムなどの技術がある。各システムにはそれぞれ利点および欠点があるが、特に1つのタイプのマルチキャリア伝送システムである直交周波数分割多重(OFDM)が、無線LAN通信に非常に有効であることが分かっている。
直交周波数分割多重(OFDM)は、チャネルを介して効率的にデータを伝送するためのロバストな技術である。この技術では、1つのチャネル帯域幅内で複数のサブキャリア周波数(サブキャリア)を使用して、データを伝送する。これらのサブキャリアは、サブキャリア周波数スペクトルを分離および隔離することによりインターキャリア干渉(ICI)を回避するためにチャネル帯域幅の一部が無駄になる恐れのある従来の周波数分割多重(FDM)に比べて、最適な帯域幅効率が得られるようになされている。対照的に、OFDMのサブキャリアの周波数スペクトルは、OFDMチャネル帯域幅内でかなり重複しているにもかかわらず、OFDMでは、各サブキャリアに変調されている情報の分解および復元が可能である。
直交周波数分割多重(OFDM)信号によるチャネルを介したデータの伝送には、その他にもいくつか従来の伝送技術に優る利点がある。そのような利点としては、マルチパス遅延拡散および周波数選択フェージングに対する耐性があること、スペクトルの利用効率がよいこと、サブチャネルの等化が簡単であること、および干渉特性が良好であることなどがある。
このような利点がある一方で、直交周波数分割多重(OFDM)データ転送にはいくつかの問題もある。OFDMシステムは、高速フーリエ変換(FFT)を介して多数のサンプルからなるベース・バンド・シンボルを生成する。このように構成されたベース・バンド・シンボルは、複素数(実数成分および虚数成分)であり、サンプリング周波数の半分に近い(ただし半分未満の)複雑な周波数成分を有する。ベース・バンド・サンプル・データ信号を変調し、その後にサンプリングしたデータの無線周波(RF)信号を復調することは、比較的複雑なプロセスである。
既知のディジタル変調方法は、サンプル・レート変換器(フィルタリング・プロセス)を用いて、実数成分および虚数成分を別々に、ベース・バンド・サンプリング・レートSから、所望のキャリアに変調されたベース・バンド信号を搬送するのに十分なサンプリング・レートSにアップサンプリングすることを含んでいる。所望のサンプル・データの複素キャリアは、サンプリング・レートSで生成することができる。ベース・バンド信号の実数部に複素キャリアの実数部(余弦)を乗算し、これをベース・バンド信号の虚数部と複素キャリアの虚数部(正弦)との積に加算して、実数サンプル・データRF信号を生成する。補償型ディジタル・アナログ(D/A)変換器は、この実数サンプル・データRF信号をアナログRF信号に変換する。
周波数fのキャリアに対する第1の変調が既に行われているが、周波数fのキャリアが望ましい場合には、その後の手順として、従来は2通りの手順があった。第1の変調が行われた信号が複素数の形態である(余弦成分および正弦成分が加算されていない)場合には、この信号は、上述のようにベース・バンド信号として扱うことができる。(f−f)の複素キャリアを用いて第2の変調を行えば、所望の結果が得られることになる。第1の変調が行われた信号が実数の形態である場合には、最初に(通常はヒルベルト・フィルタリングを用いて)複素数の形態を再生し、その後は上記で述べた手順を行えばよい。
あるいは、第1の変調が行われた信号が実数の形態である場合には、第2の実変調((f−f)余弦)を実行し、生成された望ましくない像を除去してもよい。これを行った場合には、望ましくない像が生成される可能性がある。2つの変調モードをサポートすることの複雑さが軽減された方法および装置があることが望ましい。
開示の実施形態は、周波数スペクトルの所望の範囲内で信号を生成するディジタル無線周波数(RF)回路に関する。このRF回路は、第1の周波数および第1のサンプル・データ・クロック・レートを有する第1のサンプル・データ変調信号を生成する回路を含んでいる。アップサンプラ変調器は、前記第1のサンプル・データ変調信号を受信して、第2の周波数および第2のサンプル・データ・クロック・レートを有する第2のサンプル・データ変調信号を生成する。また、このRF回路は、前記第1のサンプル・データ変調信号および前記第2のサンプル・データ変調信号を受信して、何れのサンプル・データ変調信号が所定の動作環境にとって望ましい特徴を有するかに応じて、前記第1のサンプル・データ変調信号および前記第2のサンプル・データ変調信号の一方をさらなる処理のために送出する回路を含んでいてもよい。
(発明の概要)
以下、本発明の1つまたは複数の具体的な実施形態について説明する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、本明細書では、実際の実施態様のすべての特徴について説明してあるわけではない。任意の工学プロジェクトまたは設計プロジェクトなど、どのような実際の実施態様の開発においても、システム関連の制約およびビジネス関連の制約の順守など、実施態様ごとに様々である可能性がある開発者それぞれの目的を達成するために、当該実施態様に特有の数多くの決定がなされる可能性があることを理解されたい。さらに、このような開発努力は、複雑且つ時間がかかることもあるが、本開示の特典を有する当業者にとっては、通常通りの設計、製作および製造の作業となるであろうことを理解されたい。
図1は、本発明の実施形態による例示的な直交周波数分割多重(OFDM)トランシーバを示すブロック図である。このトランシーバは、その全体を参照番号10で示してある。トランシーバ10は、送信機部分12(破線で示す)、および受信機部分36(破線で示す)を含んでいる。
送信機部分12は、複素シンボル・ストリームを受信する直並列変換器14を含んでいる。直並列変換器14は、その出力を64ポイント逆フーリエ変換(IFFT)回路16に送出し、このIFFT回路16は、並列複素シンボル・ストリームを周波数ドメインから時間ドメインに変換する。IFFT回路16は、その出力を、並列直列変換回路18に送出する。並列直列変換回路18は、その後の信号伝送で使用されるサイクリック・プレフィックス(cyclic prefix)情報を生成する機能を備えていることもある。並列直列変換回路18は、実数信号成分および虚数信号成分をディジタル中間周波数(IF)変調部20に送出する。
ディジタルIF変調部20は、サンプル・レート変換器22を含んでいる。サンプル・レート変換器は、そのサンプル・データ入力(例えば第1のサンプル・レート=20MSps)を、それより高い第2のサンプル・レートにアップサンプリングする。原理的には、この第2のサンプル・レートは、適当なダウンストリーム調節(down stream accommodation)により選択される任意の値にすることができる。具体的なアップサンプリング比を2つ挙げると、4倍(×4)のアップサンプリング、および8倍(×8)のアップサンプリングが挙げられる。それぞれ対応するサンプル・レート変換後のサンプル・レートは、80MSps(20MSps×4)、および160MSps(20MSps×8)である。4倍(×4)のアップサンプリングが行われた場合には、80MSps(4×20MSps)のレートの60MHz余弦/正弦キャリアのサンプル・データは、80MSpsのレートの20MHz余弦/正弦のサンプルと同じである。サンプル・レート変換器22の実数成分出力は、乗算器24に送出され、乗算器24は、この実数成分に、サンプル・データの20MHz余弦信号(×4サンプリングの場合)またはサンプル・データの60MHz余弦信号(×8サンプリングの場合)を乗算する。サンプル・レート変換器22の虚数成分出力は、乗算器26に送出され、乗算器26は、この虚数成分に、反転20MHz正弦信号(×4サンプリングの場合)または非反転60MHz正弦信号(×8サンプリングの場合)を乗算する。正弦キャリアの符号は、サポートされるサンプリングされたスペクトル(例えば80MSpsで20MHz)の奇数回のナイキスト折り返し(Nyquist folds)により通常起きるスペクトル反転を補償して、ナイキスト折り返し周波数(Nyquist folding frequency)(80MSps/2)だけ離間した周波数セグメンテーションの第2の「パネル(panel)」から20MHzに反転により折り返されるほぼ所望のキャリア(約60MHz)の像にするものである。
乗算器24および26の出力は、加算回路28に送出される。加算回路28の出力は、x/sinx回路30に送出され、x/sinx回路30は、所望のD/A後の60MHz像を補償する。x/sinx回路30の出力は、D/A変換器32に送出される。D/A変換器32の出力は、信号を送信する送信機に送出される。
本発明の例示的な実施形態では、D/A前のサンプル・データのRF信号キャリアは、D/Aクロック・レートを4で割った値に等しい周波数を有する。D/A後のアナログRF信号キャリアは、D/Aクロック・レートの3/4である。クロック・レートの4分の1およびクロック・レートの5/4(以上)の像は、アナログ・フィルタリングにより除去される。所望のRF信号として別の像を選択するには、sin変調器の適当な符号を選択すればよい。D/Aフィルタの応答により利得は像ごとに異なり、これをダウンストリーム・アナログ処理により調整しなければならない。
受信機部分36は、送信されたRF・OFDM信号を受信する受信機38を含んでいる。受信された信号は、ディジタルIF復調部40に送出され、さらに処理される。ディジタルIF復調部40は、受信信号を実数成分および虚数成分に分割するアナログ・ディジタル(A/D)変換器42を含んでいる。実数成分は乗算器44に送出され、乗算器44は、この実数成分に20MHz余弦信号を乗算し、その結果をデシメート(decimate)有限インパルス応答フィルタ(FIR)48に送出する。A/D変換器42の出力の虚数成分は、乗算器46に送出され、乗算器46は、この虚数成分に反転20MHz正弦信号を乗算し、その結果をデシメートFIRフィルタ50に送出する。
従来のディジタル復調プロセスは、変調を保存するのに十分なサンプル・レートで実数信号をA/D変換するものである。本発明の実施形態によれば、60MHz中間周波数(IF)信号は、狭いアパーチャを有するサンプル・ホールド回路を用いて、毎秒8000万サンプル(80MSps)のレートでサンプリングされる。ホールドされたサンプルは、8ビットの整数にA/D変換される。60MHz・IF・A/D前の信号は、スペクトルの折り返しによりA/D後の20MHz・IF信号として現れる。この実数信号に、RFキャリアの周波数と一致する複素指数、または図1に示す例示的な実施形態の場合には、折り返したRFキャリアを乗算する。これにより、アンチエリアス・フィルタリングが行われ、OFDM・FFTレートにサブサンプリングされた、オーバサンプリングされた複素ベース・バンド信号が生成される。
FIRフィルタ48および50の出力は、ファイン・ディジタル・ゲイン(fine digital gain)回路52に送出される。ファイン・ディジタル・ゲイン回路52の出力は、キャリア・デローテータ(derotator)54に送出され、キャリア・デローテータ54は、さらなる処理のために実数データ成分および虚数データ成分を送出する。この実数成分および虚数成分は、さらにフィードバック回路56にも提供され、フィードバック回路56は、プリアンブル検出、自動利得制御(AGC)計算、タイミング推定およびキャリア推定機能を行うことができる。フィードバック回路56の出力は、キャリア・デローテータ54およびファイン・ディジタル・ゲイン回路52に提供される。
図2は、シングル・イメージング・モード(図1に示す80MSpsの60MHz・IFモードに対応する)を利用するトランシーバにマルチ・イメージング・モード機能(160MSps 60MHz IF)を付加した、本発明の実施形態によるトランシーバ回路を示すブロック図である。このトランシーバ回路は、その全体を参照番号100で示してある。トランシーバ回路100は、ディジタルIF変調部20(図1)の機能およびディジタルIF復調部分40(図1)の機能を実行することができる。
トランシーバ回路100は、2つの異なるD/Aクロック・レートをサポートする。低クロック・レートは、ナイキスト折り返し周波数より高い周波数帯域で、IF信号を生成するために使用される。高クロック・レートは、低クロック・レートの場合と同じ周波数帯域であって、高くなったナイキスト折り返し周波数よりも低くない周波数帯域で、IF信号を生成するために使用される。D/Aおよび自己干渉の非線形効果ならびに電磁干渉(Electromagnetic Interference:EMI)効果に対する感受性は、2つのクロック・モードの間で異なる。
本発明では、2つのクロック・モードを使用するので、いくつかの利点を得ることができる。1つの利点は、回路を複製する必要なくクロック・レートの低い回路を使用することにより、消費電力を節約することができることである。別の利点は、EMI発生波が2つの動作モードで異なることである。これにより、所望のEMIプロフィルと最も相性のよい動作モードを選択する柔軟性が、システム設計者に与えられることになる。第3の利点は、低クロック・レート・モードのインチャネル(inchannel)IF信号および高クロック・レート・モードのインチャネルIF信号が、それらの信号レベルが異なるにもかかわらず、ダイナミック・レンジ(アナログ解像度)は同じであることである。
低クロック・レート信号ではチャネル内のD/A出力エネルギーの比率が低下し、不要な像を除去するために追加のアナログ・フィルタリングが必要であることは、当業者なら理解するであろう。低クロック・レート信号では、アナログIF信号が雑音制限を受けている場合には、追加のアナログ増幅が必要となることもある。
伝送前に、D/A変換器32の出力(例えばIF信号)は、IF信号をRF信号に変換する追加のアナログRF回路(図示せず)を通ることもできる。RF信号では、マルチパス、減衰、および隣接チャネル間の干渉といった障害が生じる。所定の製品の所望の仕様を満たすことは、この処理チェーンに関する。予測されるIF送信機の動作状態は、所定の適用分野に対して動作モードが1つだけ(低クロック・モードまたは高クロック・モード)必要となるようになっている。同じ製品においてデュアル・モード動作をいくつかのシナリオで使用して、予測される動作状態に応じて有利に計らうことも考えられる(例えば、マルチモードRF後処理。あるいは、特定のスペクトルのある領域が使用されていない場合には、追加の放送画像を許容する)。
A/D変換器42(図1)に対応することもあるA/D変換器102は、受信アナログOFDM・RF信号に対応することもある入力を受信する。A/D変換器102は、その出力を、80MSpsトランシーバ104に送出する。80MSpsトランシーバ104は、送信/受信選択信号およびエクステント選択信号を受信する。ディジタル・ベース・バンド直交周波数分割多重(OFDM)信号も、80MSpsトランシーバに送出される。80MSpsトランシーバ104は、そのディジタル復調器出力として、実数出力成分および虚数出力成分を送出する。
80MSpsトランシーバ104は、第1のサンプル・データ変調信号105を80MSps・x/sin(x)有限インパルス応答(FIR)フィルタ106および1/2アップサンプラ(1−to−2 up−sampler)変調器108に送出する。図2に示す実施形態では1/2アップサンプラを示しているが、その他の比率を有するアップサンプラを使用することもできることを、当業者なら理解するであろう。1/2アップサンプラ変調器108は、第2のサンプル・データ変調信号109を160MSpのx/sin(x)FIRフィルタ110に送出する。80MSpsのx/sin(x)有限インパルス応答(FIR)フィルタ106および160MSpsのx/sin(x)FIRフィルタ110の出力は、別個の入力として乗算器112に送出される。乗算器を図2に示すが、複数の入力を受信してそれらの入力の1つを出力として選択する任意の回路により乗算器112の機能を実施することもできることを、当業者なら理解するであろう。
乗算器112は、トランシーバのD/A変換が80MSpsで行われたか、または160MSpsで行われたかを判定する制御入力を受信する。制御信号は、80MSpsトランシーバ104にも送出される。乗算器112の出力は、D/A変換器32(図1)に相当することもあるD/A変換器114に送出される。
80MSpsトランシーバ104では、実数80MSps出力(20MHzキャリア)は、80MSpsのD/Aクロックで使用されるときには、60MHz信号を生成することになる。D/Aクロックが160MSpsである場合には、80MSps送信機の出力を160MSpsにアップサンプルすることができ、20MHzキャリアの直交周波数分割多重(OFDM)信号は、60MHzキャリアのOFDM信号に変換される。
図3は、本発明の実施形態によるアップサンプラ変調器を示すブロック図である。図3では、アップサンプラ変調器の全体を、参照番号200で示してある。アップサンプラ変調器200は、1/2アップサンプラ変調器108(図2)に相当することがある。アップサンプラ変調器200は、トランシーバ(80MSpsトランシーバ104(図2)など)のOFDM20MHzのIF出力を得、これをアップサンプリングおよび変調して、160MSpsのOFDM60MHzのIF信号にする。
アップサンプラ変調器200への入力は、FIRフィルタ202およびFIRフィルタ204に対して並列に送出される。FIRフィルタ202および204の出力が、2/1乗算器206への入力として送出される。2/1乗算器206の出力は、遅延線208に送出される。FIRフィルタ202および204のタップ係数は、それぞれ以下のように表すことができる。
FIRフィルタ202:
Figure 0004390771
FIRフィルタ204:
Figure 0004390771
160MSpsのナイキスト折り返し周波数は80MHzであり、これはサンプリング・データ・ドメインの実数シーケンスexp(jpin)=cos(pin)に対応する。この変調は、アップサンプラ変調器に組み込むことができ、また、どのようなスプリアス像も生成しない。
z平面内で、ベース・バンド直交周波数分割多重(OFDM)信号の実数成分と複素キャリアの実数成分の積は、第1のキャリア周波数の実数信号に相当する。この信号が×2アップサンプリングされると、その結果は、第2の実数キャリアの実数成分と再サンプリングされた第1の変調信号の実数成分の積に相当する。その結果は、2つのキャリアの差のディジタルRF信号に相当する。
本発明には様々な変形を加えることができ、また代替の形態を有することもできるが、例示を目的として、様々な実施形態を図面に示し、本明細書で詳細に説明した。ただし、本発明が、開示した特定の形態に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、頭記の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨および範囲内となるすべての変形物、均等物および代替物をカバーするものである。
本発明を利用することができる例示的な直交周波数分割多重(OFDM)トランシーバを示すブロック図である。 本発明の実施形態によるトランシーバ回路を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるアップサンプラ変調器を示すブロック図である。

Claims (12)

  1. 周波数スペクトルの所望の範囲内で信号を生成するディジタル無線周波数(RF)回路であって、
    第1の周波数および第1のサンプル・データ・クロック・レートを有する第1のサンプル・データ変調信号を生成する回路と、
    前記第1のサンプル・データ変調信号を受信して、第2の周波数びび第2のサンプル・データ・クロック・レートを有する第2のサンプル・データ変調信号を生成するアップサンプラ変調器と、
    前記第1のサンプル・データ変調信号び前記第2のサンプル・データ変調信号を受信して、該第1及び第2のサンプル・データ変調信号のうち、本請求項に係るディジタル無線周波数回路の特性に基づいて選択された一方をさらなる処理のために送出する回路と
    を含むことを特徴とするディジタル無線周波数回路。
  2. 前記第1のサンプル・データ変調信号を受信する、第1のフィルタリング特性を有する第1のフィルタと、前記第2のサンプル・データ変調信号を受信する、第2のフィルタリング特性を有する第2のフィルタとを含む、請求項1に記載のディジタル無線周波数回路。
  3. 前記第1のフィルタおよび前記第2のフィルタの少なくとも一方が、有限インパルス応答(FIR)フィルタを含む、請求項2に記載のディジタル無線周波数回路。
  4. 前記第1の周波数が、前記第1のサンプル・データ変調信号の元となるディジタル・データ・ストリームの周波数の2分の1未満である、請求項1に記載のディジタル無線周波数回路。
  5. 前記第1のフィルタの出力および前記第2のフィルタの出力が、前記第1のサンプル・データ変調信号および前記第2のサンプル・データ変調信号を受信する前記回路に送出される、請求項2に記載のディジタル無線周波数回路。
  6. 前記第1のフィルタおよび前記第2のフィルタが、それぞれ有限インパルス応答(FIR)フィルタを含む、請求項5に記載のディジタル無線周波数回路。
  7. 前記第1のフィルタが、80MSpsのFIRフィルタを含み、前記第2のフィルタが、160MSpsのFIRフィルタを含む、請求項6に記載のディジタル無線周波数回路。
  8. 直交周波数分割多重(OFDM)トランシーバの一部分を構成する、請求項1に記載のディジタル無線周波数回路。
  9. ディジタル無線周波数回路において信号を処理する方法であって、
    第1の周波数び第1のサンプル・データ・クロック・レートを有する第1のサンプル・データ変調信号を生成するステップと、
    前記第1のサンプル・データ変調信号をアップサンプリングして、第2の周波数び第2のサンプル・データ・クロック・レートを有する第2のサンプル・データ変調信号を生成するステップと、
    前記第1のサンプル・データ変調信号び前記第2のサンプル・データ変調信号の何れか一方を選択するステップと、
    該第1及び第2のサンプル・データ変調信号のうち、前記ディジタル無線周波数回路の特性に基づいて選択された前記一方をさらなる処理のために送出するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
  10. 異なるフィルタリング特性を用いて、前記第1のサンプル・データ変調信号および前記第2のサンプル・データ変調信号をフィルタリングするステップを含む、請求項9に記載の方法。
  11. 異なるフィルタリング特性を有する有限インパルス応答フィルタ(FIR)を用いて、前記第1のサンプル・データ変調信号および前記第2のサンプル・データ変調信号をフィルタリングするステップを含む、請求項9に記載の方法。
  12. 前記動作を前記順序で実行する、請求項9に記載の方法。
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