JP5086193B2 - デジタル無線の受信装置 - Google Patents
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Description
これらのデジタル無線システムでは、OFDMA(直交周波数分割多元接続、Orthogonal Frequency Division Multiple Access)と呼ばれる変調方式を用いることがある。
OFDMAでは、信号をキャリア群(サブチャンネル、論理チャンネル)に分割して送信する。このキャリア群は、周波数が互いに直交する複数のOFDMAシンボルと呼ばれる信号と、サブキャリア(物理チャンネル)の信号から構成される。
さらに、OFDMAでは、複数のユーザがサブキャリアを共有し、各ユーザにとって最も伝送効率のよいサブキャリアを割り当てる仕組みを備えているという特徴がある。
これらの特徴により、OFDMAを用いると、TDD(時分割二重化、時分割複信、Time Division Duplex)のような、効率的な全二重通信を行うことができる。
TDDは、別名をピンポン伝送ともいい、高速に送信と受信とを切り換える。その際に、キャリア信号をOn/Off(出力/未出力)した短い信号であるバースト信号を、時間的に重ならないように交換するという特徴がある。
まず、デジタル無線システムの他の送信機によりOFDMAで変調された電波を受信する受信部11の処理について説明する。
受信部11は、アナログの電波信号を受信して増幅する無線部100と、この増幅された信号をデジタル信号化して処理する部分とから構成されている。
アンテナ101は、OFDMA変調された無線信号を受信する。
BPF102(Band Pass Filter、帯域制限フィルタ)は、受信された無線信号から帯域外信号を減衰する。
LNA103(低雑音増幅器、Low Noise Amplifier)は、BPF102が出力した信号の信号レベルを、できるだけノイズを付加しないように所定レベル上げる。
周波数変換部104は、LNA103が受信した無線周波数(RF)を局部発振信号(LO)によって低い中間周波数(IF)に変換する。
IF−BPF105(IF帯フィルタ)は、周波数変換部104によって生成された信号から、高調波等の不要信号を減衰する。
IF−AMP106(IF帯増幅器)は、IF−BPF105の出力信号のレベルを、A/Dコンバータの入力レベルが適切になるように利得制御を行って調整する。
A/Dコンバータ107は、アナログ・デジタルコンバータであり、無線部100からのアナログ信号の出力を受けてデジタル信号に変換する。
直交検波部108−1〜108−nは、A/Dコンバータ107から出力されたデジタル信号を、直交する各位相成分であるI相成分とQ相成分にキャリア毎に分離する。
帯域制限フィルタ109−1〜109−n(ベースバンドフィルタ)は、無線通信システムの所定帯域を抽出するために、前記直交検波部108−1〜108−nの出力の帯域制限を行って出力する。
以上により、OFDMA変調されたデジタル無線通信の受信を実現することができる。
ダイナミックレンジを拡大する技術として、利得制御の技術が用いられている。この従来の利得制御の技術の1種としては、例えば、AGC(Automatic Gain Controler)がある。AGCは、アナログ技術やデジタル技術により受信系のパスの利得を受信レベルに応じて、適宜最適なゲインを設定する事により、ダイナミックレンジの拡張及び最適化を実現する技術である。
デジタル無線の受信装置においては、このフレームを効率的に送受信するために、受信した電波をデジタル化した上で、フレーム単位のダイナミックレンジを引き上げることが求められている。
このため、単純なAGCでは効果があまり得られずに、逆に弊害を生じることが多い。
従来技術1においては、受信信号の各フレームのスロットの開始時点において、1つ前のフレームのスロットの受信レベルを平均化し、この平均値に基づいて自動利得制御回路の利得を制御するリニア復調方法が記載されている。この自動利得制御により、デジタル無線の受信機において、安定してフレームを受信できる。
また変調方式がOFDM/OFDMAの場合、シンボル間の長さ(シンボル長)はサブキャリア周波数の節に相当するので、利得制御の周期の設定によっては、受信特性に影響を与えるという問題があった。
本発明のデジタル無線の受信装置は、デジタル無線の受信装置のべ一スバンドフィルタ出力の利得制御を行う利得制御手段において、ベースバンドフィルタ出力値の瞬時電力を演算する電力演算手段と、前記電力演算手段の出力値を平均化する平均化手段と、前記平均化手段の出力値と出力ターゲットレベルにより利得制御量を演算する利得演算手段と、前記利得演算手段の出力値と所定の閾値を比較して閾値より小さい場合に出力値を出力する比較手段と、前記比較手段の出力値の最小値を保持する最小値保持手段と、前記最小値保持手段の出力値とベースバンドフィルタ出力を乗算する乗算手段とを備えることを特徴とする。
〔制御構成〕
図1を参照して、本発明の実施の形態に係るデジタル無線の受信装置Xの構成の1例について説明する。
受信部10においては、アンテナ101から、帯域制限フィルタ109−1〜109−nまでの構成は、従来のデジタル無線の受信装置Yとほぼ同様に構成することができる。ここでは、同一の符号の構成部位は、同様の機能を備えることを示す。
無線部100の機能においては、BPF102は、アンテナ101によって受信された帯域外信号を減衰する。LNA103は、BPF102の出力にノイズを付加しないように所望の信号レベルに引き上げる。周波数変換部104は、前記LNA103の無線周波数(RF)を局部発振信号(LO)によって低い中間周波数に変換する。IF−BPF105はLNA103の周波数変換によって生成された不要の周波数成分の信号を減衰する。IF−AMP106は、前記IF−BPF出力に対して、A/Dコンバータの入力レベルが適切なレンジに収まるように信号レベルを制御する。
また、A/Dコンバータ107は前記IF−AMP106が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換する。
直交検波部108−1〜108−nは前記A/Dコンバータ出力をキャリア毎に中心周波数0MHzのI相成分とQ相成分(IQデータ)に分離する。また、帯域制限フィルタ109−1〜109−n(ベースバンドフィルタ)は、キャリア毎に分離されてI相成分とQ相成分に分離された各直交検波部108−1〜108−nの出力の帯域制限を行う。
電力演算部111−1(電力演算手段)は、前記帯域制限フィルタ109−1が出力したIQデータより、瞬時電力の算出を行う。
平均化部112−1(平均化手段)は、電力演算部111−1が出力した瞬時電力を平均化する。
利得演算部113−1は、平均化部112−1の出力とターゲット値により利得を演算し、最小値保持部114−1に出力する。
このステップでは、例えば、IQデータに含まれる各OFDMAシンボルとOFDMAシンボルの間の区間(シンボル区間)のデジタルデータを積算したものを瞬時電力として算出する。
このステップでは、電力算出部111−1が算出した各シンボル区間の瞬時電力を、平均化する。具体的な演算としては、瞬時電力の値をデジタルデータを積算した回数で除算することで、平均化された値を求めることができる。より高速に演算を行うために、回数が2の階乗の整数値をとる場合は、ビットシフトを使用してもよい。
図2を参照すると、利得演算部113−1は、対数変換部1131−1と、減算部1132−1とから構成されており、それぞれの部位を用いて演算を行う。以下で、図4(a)〜(b)を参照して、この演算について詳しく説明する。
次に、図4(b)を参照すると、減算部1132−1は、ターゲットレベル(出力ターゲットレベル)と各平均値レベルとの減算を行う。ここで、ターゲットレベルとは、所定の対数値(単位:dB)であり、どのレベルまで利得を上げる(ゲインする)かの目標を示す値である。
すなわち、ターゲットレベルと各平均値レベルとの間で、
減算出力 = ターゲットレベル − 平均値レベル(平均化出力P)
とするような演算を行って、出力値を得る。
この出力値を減算出力と呼ぶ。つまり、dB単位である減算出力が利得演算部113−1の出力となる。また、平均化出力Pが最大値のときに、減算出力は最小値(Gain_dB_min)となる。
図4(b)と(c)とを参照すると、比較部1141−1(比較手段)は利得演算部113−1の減算出力と利得制御閾値(所定の閾値、最小検出閾値)とを比較し.利得演算部出力が利得制御閾値以下又はより小さければ、比較部出力として出力する。その際の比較部出力の出力値の単位はdBである。
ここで、利得制御閾値は、ROMやフラッシュメモリ等に記憶された所定の閾値であり、この値より低い場合のみ最小値の候補として取り出すためのものである。また、この利得制御閾値を用いることにより、デジタル無線の受信装置において、シンボル長の長さにかかわらず、適切な利得制御量を設定できる。
図4(c)と(d)とを参照すると、利得演算部113−1と最小値保持部114−1に関して時間軸と制御レベルの関係を示している。
上述のように、保持部1142−1は、保持している比較部出力値の最小値の値を、真値変換部1143−1に出力する。
Yesの場合、真値変換部1143−1は、処理をステップS106に進める。
Noの場合、真値変換部1143−1は、最小値の値を受け取って保持するものの、前の無線フレームでの利得制御量の値を出力する。
すなわち、dB単位の利得制御量の値を真値に変換した際に得られるレベルを、そのフレームの利得制御量とする。
具体的には、真値変換部1143−1は、無線フレームが更新された際に、保持された最小値を基にして利得制御量の値を更新して出力する。出力の際には、上述のように真値に変換して出力する。
また、保持部1142−1の保持する最小値は、利得制御閾値に設定し直される。
具体的には、乗算部115−1は、帯域制限フィルタ109−1の出力と、最小値保持部114−1の出力とを乗算する。すなわち、これが利得制御となる。
乗算部115−1は、この乗算した信号をベ一スバンド信号処理部150−1へ出力する。
以上により、利得制御処理を終了する。
まず、従来技術1の利得制御を用いたリニア変調方法では、(1)送受信で同じ周波数帯を使用するTDDシステムにて適用する場合、受信データにOn/Off状態があるため、適切にゲイン制御を施すことができなかった。(2)また、OFDM/OFDMAの変調方式では、シンボル長がサブキャリア周波数の節に相当するので、制御周期の設定で受信特性に影響を与えていた。
これら(1)(2)の理由により、従来技術1のデジタル無線の受信装置は、OFDMA(TDD)変調方式に対応することができなかった。
すなわち、無線フレーム周期内で、適切なゲイン制御量を算出し、効率的に利得制御を行う事により、従来のOFDM/OFDMAのようなデジタル無線システムのみならず、TDDのように同じ周波数帯で送受信を行うような無線システムにおいても、ダイナミックレンジ性能が優れた受信機を提供することができる。
特に、本発明の実施の形態に係るデジタル無線の受信装置においては、デジタル信号処理部において利得制御を効率的に行うことができるという効果が得られる。
このため、ベースバンド信号のインターフェイスのビット数を大きく低減することができる。よって、回路や装置のコストを低下させることができるという効果が得られる。
比較例1では、入力レベル−37(dBm)以上で受信データのエラーが観測され、入力レベル−92.9(dBm)以下で受信データビットのエラーが観測される。
実施例1では、無線信号入力レベル(RF Input Level)が−37(dBm)以上であっても利得制御が施されるので、エラーは観測されない。そして、無線信号入力レベル(RF Input Level)が−93.9(dBm)以下で受信データのエラーが観測されている。つまり、1(dB)程度感度点を改善できる。
比較例1と実施例1を比べると、実施例1は、比較例1に比べてCINR値の低下を抑している事が確認できる。すなわち、実施例1は、対雑音性能が従来より高まっている。
比較例1と実施例1を比べると、無線信号入力レベル(RF Input Level)とRSSIとの関係において、実施例1は比較例1と比べてRSSI値のレベルを無線信号入力レベル(RF Input Level)が小さいときには下げ、無線信号入力レベル(RF Input Level)が大きいときにも一定の値に保つことができることが分かる。これにより、比較例1と比べて受信レベルの変動に対応できることが分かる。
これらの結果から、実施例1は、比較例1よりもダイナミックレンジが高いといえる。
さらに、実施の形態に係る知徳制御処理においては、真値変換部1143−1が、利得制御量と最小値を保持するように記載したが、保持部1142−1が保持するように構成してもよい。この場合、上述の真値変換部1143−1の処理は、主に、保持部1142−1により出力された利得制御量を、真値に変換することになる。
100 無線部
101 アンテナ
102 BPF
103 LNA
104 周波数変換部
105 IF−BPF
106 IF−AMP
107 A/Dコンバータ(ADC)
108−1〜108−n 直交検波部
109−1〜109−n 帯域制限フィルタ
110−1〜110−n 利得制御部
111−1〜111−n 電力演算部
112−1〜112−n 平均化部
113−1〜113−n 利得演算部
1131−1〜1131−n 対数変換部
1132−1〜1132−n 減算部
114−1〜114−n 最小値保持部
1141−1〜1141−n 比較部
1142−1〜1142−n 保持部
1143−1〜1143−n 真値変換部
115−1〜115−n 乗算部
150−1〜150−n べ一スバンド信号処理部
X、Y デジタル無線の受信装置
Claims (2)
- デジタル無線の受信装置のべ一スバンドフィルタ出力の利得制御を行う利得制御手段において、
ベースバンドフィルタ出力値の瞬時電力を演算する電力演算手段と、
前記電力演算手段の出力値を平均化する平均化手段と、
前記平均化手段の出力値と出力ターゲットレベルにより利得制御量を演算する利得演算手段と、
前記利得演算手段の出力値と所定の閾値を比較して閾値以下の場合に出力値を出力する比較手段と、
前記比較手段の出力値の最小値を保持する最小値保持手段と、
前記最小値保持手段の出力値とベースバンドフィルタ出力を乗算する乗算手段と.
を備えることを特徴とするデジタル無線の受信装置。 - デジタル無線の受信装置のべ一スバンドフィルタ出力の利得制御を行う利得制御手段において、
ベースバンドフィルタ出力値の瞬時電力を演算する電力演算手段と、
前記電力演算手段の出力値を平均化する平均化手段と、
前記平均化手段の出力値と出力ターゲットレベルにより利得制御量を演算する利得演算手段と、
前記利得演算手段の出力値と所定の閾値を比較して閾値より小さい場合に出力値を出力する比較手段と、
前記比較手段の出力値の最小値を保持する最小値保持手段と、
前記最小値保持手段の出力値とベースバンドフィルタ出力を乗算する乗算手段と.
を備えることを特徴とするデジタル無線の受信装置。
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