JP5315655B2 - 無線通信システムおよび自動利得制御方法 - Google Patents

Description

本発明は，複数の受信アンテナを備えた無線通信システムにおける自動利得制御（ＡＧＣ：Automatic Gain Control）の技術に関するものであり，特に，受信アンテナの系ごとにその受信特性や利得制御値を監視し，受信アンテナの系ごとに自動利得制御に用いられる制御パラメータを適応的に変化させることにより，受信アンテナの系ごとに受信特性を改善することが可能な無線通信システムおよび自動利得制御方法に関するものである。

図５は，無線通信システムの構成例を示す図である。図５を用いて，従来の無線通信システムにおけるＡＧＣについて説明する。図５に示す無線通信システムは，受信アンテナ１１０，増幅器１２０，ＡＤＣ（Analog Digital Converter）部１３０，ＡＧＣ部１４０，増幅器制御部１５０，受信信号復調部１６０，共通制御部１７０を備える。

受信アンテナ１１０で受信されたデータは，Ａ／Ｄ変換された後のディジタル信号について，受信ベースバンド処理が行われる。このとき，増幅器１２０によって受信アナログ信号を増幅してＡ／Ｄ入力レベル（ＡＤＣ部１３０に入力される信号の電力レベル）の制御を行い，Ａ／Ｄ変換後のディジタル信号に対するＡ／Ｄ変換部（ＡＤＣ部１３０）の固有雑音比（ダイナミックレンジ）が一定のレベルを確保できるように保証する。Ａ／Ｄ変換後のディジタル信号は，受信信号復調部１６０によって復調される。

ＡＧＣ部１４０は，Ａ／Ｄ入力レベルを自動的に制御し，受信アナログ信号の変動に追従してダイナミックレンジを制御する。ＡＧＣ部１４０では，まず受信ディジタル信号を電力化した後，信号対雑音比を向上するための平均化処理を行い，受信の平均レベルを求め，制御したいＡ／Ｄ入力レベルとの差分をループフィルタにより積分してＡＧＣ制御値を求める。ＡＧＣ部１４０で求められたＡＧＣ制御値は，ＤＡＣ（Digital Analog Converter）機能を備えた増幅器制御部１５０によって変換され，変換された制御信号によってＡＤＣ部１３０前段の増幅器１２０が制御される。

複数の送受信アンテナにより空間多重を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）のような無線通信システムでは，受信アンテナ１１０の系ごとに独立したＡＧＣを行う。ただし，ＡＧＣ特性を決定するいくつかの制御パラメータに関しては，共通制御部１７０によって共通の設定が行われる。

なお，増幅器の利得制御に関する先行技術が記載された文献として，例えば特許文献１などがある。特許文献１には，複数受信部のＡＧＣ制御について，電源投入時や間欠受信時の場合を除いて受信が安定している期間を受信レベルの変化で判断し，安定している期間はある一つの受信系の制御値によってその他の受信系の増幅器にもＡＧＣ制御を行い，その期間は使わないＡＧＣ回路を停止することで消費電力を低減する技術が記載されている。個々の受信系におけるＡＧＣ回路自体はそれぞれ同じ制御条件（制御パラメータ）の下で動作をする構成であり，個々の受信系ハードのバラつきを吸収するために，安定時に選択されているＡＧＣ制御値に対してループ間の補正を行う。
特開２００１−２５１１５２号公報

上述したように，図５に示すような受信アンテナ１１０の系ごとに独立したＡＧＣを行う無線通信システムでも，ＡＧＣ特性を決定するいくつかの制御パラメータに関しては，すべてのＡＧＣ部１４０に共通の設定が行われている。

そのため，局地的にフェージング周波数が他の受信アンテナ１１０に比べて大きい受信アンテナ１１０が生じたり，受信レベルが他の受信アンテナ１１０に比べて大きい受信アンテナ１１０や小さい受信アンテナ１１０が生じたりした場合には，その受信アンテナ１１０の系についてダイナミックレンジが充分に確保できなかったり，Ａ／Ｄ入力レベルがクリッピングしてしまう可能性があり，受信特性の劣化要因となってしまうという問題があった。

本発明は，上記の問題点の解決を図り，複数の受信アンテナを備えた無線通信システムにおいて，受信アンテナの系ごとに受信特性を改善し，無線通信システム全体の受信特性を向上させる技術を提供することを目的とする。

複数の受信アンテナを備え，受信アンテナの系ごとに，受信信号を増幅する増幅器と，増幅器の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と，Ａ／Ｄ変換部の出力から利得制御値を算出し，算出された利得制御値によって増幅器の利得を自動的に制御する自動利得制御部とを備えた無線通信システムにおいて，受信アンテナの系ごとに，その受信特性と利得制御値とを監視し，他の受信アンテナの系と比較して異常を示す受信アンテナの系が検出された場合に，異常を示す受信アンテナの系に属する自動利得制御部で利得制御値を算出するときの算出方法を定める条件を設定する制御パラメータを，適応的に変更する。

適応的に変更する制御パラメータとしては，例えば，受信信号の電力レベルを平均化するための平均化サンプル数や，受信信号の目標とする電力レベルを定める値，自動利得制御の追従特性を決定する重み係数，利得制御値を出力する周期などが考えられる。

このように，受信アンテナの系ごとに自動利得制御部で利得制御値を算出するために設定する制御パラメータを適応的に変更することにより，受信アンテナの系ごとの受信特性を改善することが可能となり，よって無線通信システム全体の受信特性を向上させることが可能となる。

本発明により，受信アンテナの系ごとに，状態変化に対して比較的反応の早いＡＧＣ制御が期待できるようになるため，局地的な状態変化に対する追従性がよくなり，無線通信システムの受信特性を向上させることが可能となる。

以下，本発明の実施の形態について，図を用いて説明する。

図１は，本発明の実施の形態による無線通信システムの構成例を示す図である。図１に示す無線通信システムは，受信アンテナ１０，増幅器２０，ＡＤＣ（Analog Digital Converter）部３０，ＡＧＣ（Automatic Gain Control）部４０，増幅器制御部５０，受信信号復調部６０，共通制御部７０を備える。図１に示す無線通信システムでは，受信アンテナ１０が複数備えられており，受信アンテナ１０の系ごとに，増幅器２０，ＡＤＣ部３０，ＡＧＣ部４０，増幅器制御部５０が用意されている。

受信アンテナ１０で受信された受信信号（アナログ）は，増幅器２０で増幅され，Ａ／Ｄ変換を行うＡＤＣ部３０でアナログ信号からディジタル信号に変換される。変換された受信信号（ディジタル）は，ＡＧＣ部４０や，受信信号復調部６０に出力される。

ＡＧＣ部４０は，ＡＤＣ部３０から出力された受信信号（ディジタル）から受信電力レベルを求め，各種制御パラメータを用いてＡＧＣ制御値を算出する。制御パラメータとは，ＡＧＣ制御値の算出方法を定めるための条件としてＡＧＣ部４０に設定されるパラメータをいう。算出されたＡＧＣ制御値は，増幅器制御部５０や，受信信号復調部６０に備えられた状態監視制御部６１に出力される。増幅器制御部５０は，ＤＡＣ（Digital Analog Converter）機能を備える。増幅器制御部５０は，ＤＡＣ機能によってＡＧＣ部４０から出力されたＡＧＣ制御値からアナログの制御用信号を生成し，その制御用信号によって増幅器２０の利得を制御する。

受信信号復調部６０は，ＡＤＣ部３０から出力された受信信号（ディジタル）を復調する。また，受信信号復調部６０は，状態監視制御部６１を備える。状態監視制御部６１は，各受信アンテナ１０の系の受信特性や，各ＡＧＣ部４０から出力されるＡＧＣ制御値を監視し，それぞれのＡＧＣ部４０に対して，適応的に各種制御パラメータを決定し，出力する。監視する受信特性としては，例えば，受信信号の電力レベルや，ＢＢ（Baseband）処理から得られる各種受信統計情報（ＢＥＲ（Bit Error Rate），ＳＩＲ（Signal to Interference power Ratio）等）などの受信信号の特性を示す情報が挙げられる。

共通制御部７０は，各ＡＧＣ部４０に対して共通に与える各種制御パラメータを共通制御信号として状態監視制御部６１に出力する。状態監視制御部６１が各ＡＧＣ部４０に出力する各種制御パラメータの初期値は，共通制御部７０から共通制御信号として出力された各種制御パラメータである。

図２は，本実施の形態によるＡＧＣ部の構成例を示す図である。図２に示すＡＧＣ部４０は，電力レベル測定部４１，電力レベル平均化部４２，誤差判定部４３，ループフィルタ部４４，出力変換部４５を備える。

電力レベル測定部４１は，ＡＤＣ部３０から出力された受信信号（ディジタル）から，受信信号の電力レベルである受信電力レベルを算出する。

電力レベル平均化部４２は，Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio ）の向上のために，任意の区間，任意の周期で積分を行い，電力レベル測定部４１で得られた受信電力レベルを平均化する。

Ｐ_ave ＝（Σ_N Ｐ_in）／Ｎ …式（１）
ここで，Ｐ_ave は平均受信電力レベル，Ｐ_inは任意の周期的でサンプリングされた受信電力レベル，Ｎは受信電力レベルの積分回数（積分区間）である。式（１）からも分かるように，受信電力レベルの積分回数Ｎとは，受信電力レベルを平均化するための平均化サンプル数である。受信電力レベルの積分回数Ｎは，状態監視制御部６１により制御パラメータとして与えられる。

誤差判定部４３は，任意のＡ／Ｄ入力レベルを目標とした基準値と，電力レベル平均化部４２で得られた平均受信電力レベルＰ_ave との差分を算出する。Ａ／Ｄ入力レベルは，ＡＤＣ部３０に入力される信号の電力レベルである。

ΔＰ＝ｆ（Ｐ_AD）−Ｐ_ave …式（２）
ここで，ΔＰは差分，Ｐ_ADはＡ／Ｄ入力レベルの目標値，ｆ（）はＡ／Ｄ入力レベルの目標値Ｐ_ADから基準値を求めるための関数である。Ａ／Ｄ入力レベルの目標値Ｐ_AD，またはＡ／Ｄ入力レベルを目標とする基準値ｆ（Ｐ_AD）は，受信信号の目標とする電力レベルを定める値である。状態監視制御部６１により制御パラメータとして与える場合には，ＡＧＣ部４０の仕様によって，Ａ／Ｄ入力レベルの目標値Ｐ_AD，またはＡ／Ｄ入力レベルを目標とする基準値ｆ（Ｐ_AD）のどちらの形式で与えるようにしてもよい。

ループフィルタ部４４は，誤差判定部４３で得られた差分ΔＰについて重み係数を乗算し，完全積分器により積分を行う。重み係数は，ＡＧＣの引き込みや，追従特性を決定するループ帯域である。

Ｃ（ｔ）＝｛α・ΔＰ（ｔ）＋Ｃ（ｔ−１）｝／２ …式（３）
ここで，Ｃ（ｔ）は任意の時刻ｔでの出力値であり，αは重み係数である。重み係数αは，状態監視制御部６１により制御パラメータとして与えられる。

出力変換部４５は，ループフィルタ部４４からの出力値Ｃ（ｔ）に対して任意の変換処理を行い，任意の制御周期でＡＧＣ制御値を出力する。ＡＧＣ制御値を出力する制御周期は，状態監視制御部６１により制御パラメータとして与えられる。

なお，ここで説明したＡＧＣ部４０の動作例はあくまで一例であり，ＡＧＣ部４０の設計によって，ＡＧＣ制御値の算出方法や，算出式，状態監視制御部６１によって与えられる各種制御パラメータは異なるものとなる。

図３は，本実施の形態による状態監視制御部の構成例を示す図である。図３に示す状態監視制御部６１は，データ処理部６２，判定処理部６３，制御パラメータレジスタ部６４を備える。

データ処理部６２は，前値比較部６５，アンテナ間比較部６６，状態監視部６７を備える。データ処理部６２は，受信アンテナ１０の系ごとに，受信電力レベル，ＡＧＣ制御値，ＢＢ処理から得られる各種受信統計情報などの監視情報を取得する。前値比較部６５は，得られた各種監視情報について，その前値との比較を行う。アンテナ間比較部６６は，得られた各種監視情報について，他の受信アンテナ１０の系の情報との比較を行う。状態監視部６７は，得られた各種監視情報について，その変化量等を含めて異常な値を示しているかなどの状態の監視を行う。前値比較部６５，アンテナ間比較部６６により得られた比較結果や，状態監視部６７により得られた状態は，判定処理部６３に出力される。

判定処理部６３は，データ処理部６２から得られた受信アンテナ１０の系ごとの各比較結果や状態から，単独で異常を示す受信アンテナ１０の系があるか，または他の受信アンテナ１０の系と比較して異常を示す受信アンテナの系があるか等を判定し，ＡＧＣ部４０ごとに適当な制御パラメータを決定する。単独で異常を示す受信アンテナ１０の系があるか，または他の受信アンテナ１０と比較して異常を示す受信アンテナの系があるか等の判定は，例えば，監視する統計値や比較差分の閾値などの基準をあらかじめ設定して判定を行うようにすればよい。

無線通信システムの初期起動時など，システムを初期状態とする場合には，共通制御部７０から共通制御信号として得られた制御パラメータを，各ＡＧＣ部４０に出力する。判定の結果，特に異常がないと判定された受信アンテナ１０の系については，前値の制御パラメータを該当ＡＧＣ部４０に出力する。判定の結果，異常があると判定された受信アンテナ１０の系については，必要な制御パラメータを適応的に変更するため，制御パラメータレジスタ部６４からの制御パラメータの読み出し処理を行う。制御パラメータレジスタ部６４から読み出された制御パラメータは，該当するＡＧＣ部４０に出力される。

制御パラメータレジスタ部６４は，判定処理部６３からの読出し処理に対応する制御パラメータを，判定処理部６３に出力する。本実施の形態での制御パラメータは，ＡＧＣ部４０ごとに与えられる積分回数，Ａ／Ｄ入力レベルの目標値（またはＡ／Ｄ入力レベルを目標とした基準値），重み係数，制御周期などのパラメータである。なお，どのようなパラメータが適応的に可変である制御パラメータとなるかは，ＡＧＣ部４０の設計，すなわちＡＧＣ制御値の算出方法による。

例えば，データ処理部６２の処理結果として，他の受信アンテナ１０の系と比較して，ＡＧＣ制御値が短時間で大きな変動を繰り返しているような受信アンテナ１０の系が検出された場合について考える。

このとき，判定処理部６３は，該当するＡＧＣ部４０で算出されるＡＧＣ制御値の安定化のため，例えば上記の式（１）において，平均受信電力レベルを算出するための受信電力レベルの積分回数Ｎを増やすことによってより長い区間で平均受信電力レベルを算出するように，該当ＡＧＣ部４０に出力する積分回数Ｎの制御パラメータを決定する。短期間でＡＧＣ制御値の変動が大きくても，ある程度長い期間で見るとＡＧＣ制御値の変動が安定する可能性がある。

判定処理部６３は，必要な積分回数Ｎの制御パラメータを制御パラメータレジスタ部６４から読み出し，読み出された積分回数Ｎの制御パラメータで前値の積分回数Ｎの制御パラメータを置き換えて，該当するＡＧＣ部４０に出力する。これにより，他の受信アンテナ１０の系と比較してＡＧＣ制御値が短時間で変動を繰り返すような受信アンテナ１０の系の安定化を図ることができる。

図４は，本実施の形態の状態監視制御部による状態監視制御処理フローチャートである。図４のフローチャートに示す状態監視制御処理は，状態監視制御部６１により，受信アンテナ１０の系ごとに実行される処理である。

状態監視制御部６１は，無線通信システムの初期起動時など，システムを初期状態とする場合には（ステップＳ１０），共通制御部７０から共通制御信号として与えられる各種制御パラメータの初期値を読み出し（ステップＳ１１），ＡＧＣ部４０に対して制御パラメータ（初期値）を出力する（ステップＳ１７）。

状態監視制御部６１は，無線通信システムの通常稼動中に，受信電力レベル，ＡＧＣ制御値，ＢＢ処理から得られる各種受信統計情報などの監視情報を取得し（ステップＳ１２），その前値との比較，他の受信アンテナ１０の系の値との比較，状態の監視などを行う（ステップＳ１３）。

前値比較／アンテナ間比較の比較結果や，状態監視によって得られた状態が，所定の基準を満たしていれば（ステップＳ１４），各種制御パラメータについて前値を保持し（ステップＳ１５），ＡＧＣ部４０に対して制御パラメータ（前値）を出力する（ステップＳ１７）。

前値比較／アンテナ間比較の比較結果や，状態監視によって得られた状態が，所定の基準を満たしていなければ（ステップＳ１４），変更が必要な制御パラメータを制御パラメータレジスタ部６４から読み出し（ステップＳ１６），ＡＧＣ部４０に対して制御パラメータ（レジスタ読み出し値）を出力する（ステップＳ１７）。

以上，本発明の実施の形態について説明したが，本発明はこのような実施の形態に限られるものではない。例えば，本実施の形態では，特に具体的な制御パラメータの例として，積分回数，Ａ／Ｄ入力レベルの目標値（またはＡ／Ｄ入力レベルを目標とした基準値），重み係数，制御周期などを挙げているが，上述したように，どのようなパラメータが適応的に可変である制御パラメータとなるかは，ＡＧＣ制御値の算出方法による。

本発明の実施の形態による無線通信システムの構成例を示す図である。 本実施の形態によるＡＧＣ部の構成例を示す図である。 本実施の形態による状態監視制御部の構成例を示す図である。 本実施の形態の状態監視制御部による状態監視制御処理フローチャートである。 無線通信システムの構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 受信アンテナ
２０ 増幅器
３０ ＡＤＣ部
４０ ＡＧＣ部
４１ 電力レベル測定部
４２ 電力レベル平均化部
４３ 誤差判定部
４４ ループフィルタ部
４５ 出力変換部
５０ 増幅器制御部
６０ 受信信号復調部
６１ 状態監視制御部
６２ データ処理部
６３ 判定処理部
６４ 制御パラメータレジスタ部
６５ 前値比較部
６６ アンテナ間比較部
６７ 状態監視部
７０ 共通制御部

Claims (6)

1. 複数の受信アンテナを備え，受信アンテナの系ごとに，受信信号を増幅する増幅器と，前記増幅器の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と，前記Ａ／Ｄ変換部の出力から利得制御値を算出し，算出された利得制御値によって前記増幅器の利得を自動的に制御する自動利得制御部とを備えた無線通信システムであって，
   前記受信アンテナの系ごとに，その受信特性と前記利得制御値とを監視し，他の受信アンテナの系と比較して異常を示す受信アンテナの系が検出された場合に，前記異常を示す受信アンテナの系に属する前記自動利得制御部で前記利得制御値を算出するときの算出方法を定める条件を設定する制御パラメータを，適応的に変更する状態監視制御部を備える
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載された無線通信システムにおいて，
   前記自動利得制御部は，前記Ａ／Ｄ変換部においてディジタル変換された受信信号から電力レベルを求め，前記制御パラメータによって設定される平均化サンプル数分，前記電力レベルを加算平均し，その平均電力レベルをもとに利得制御値を算出するものであり，
   前記状態監視制御部により適応的に変更される制御パラメータに，前記受信信号の電力レベルを平均化するための平均化サンプル数が含まれる
   ことを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１または請求項２に記載された無線通信システムにおいて，
   前記自動利得制御部は，受信信号の目標とする電力レベルと前記Ａ／Ｄ変換部においてディジタル変換された受信信号の電力レベルから求められた平均電力レベルとの差分をもとに利得制御値を算出するものであり，
   前記状態監視制御部により適応的に変更される制御パラメータに，前記受信信号の目標とする電力レベルを定める値が含まれる
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載された無線通信システムにおいて，
   前記自動利得制御部は，自動利得制御の追従特性を決定する重み係数に従って利得制御値を算出するものであり，
   前記状態監視制御部により適応的に変更される制御パラメータに，前記自動利得制御の追従特性を決定する重み係数が含まれる
   ことを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載された無線通信システムにおいて，
   前記自動利得制御部は，前記制御パラメータによって設定される周期ごとに利得制御値を算出するものであり，
   前記状態監視制御部により適応的に変更される制御パラメータに，前記利得制御値を出力する周期が含まれる
   ことを特徴とする無線通信システム。
6. 複数の受信アンテナを備え，受信アンテナの系ごとに，受信信号を増幅する増幅器と，前記増幅器の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と，前記Ａ／Ｄ変換部の出力から利得制御値を算出し，算出された利得制御値によって前記増幅器の利得を自動的に制御する自動利得制御部とを備えた無線通信システムによる自動利得制御方法であって，
   前記受信アンテナの系ごとに，その受信特性と前記利得制御値とを監視する過程と，
   前記監視する過程により，他の受信アンテナの系と比較して異常を示す受信アンテナの系が検出された場合に，前記異常を示す受信アンテナの系に属する前記自動利得制御部で前記利得制御値を算出するときの算出方法を定める条件を設定する制御パラメータを，適応的に変更する過程とを有する
   ことを特徴とする自動利得制御方法。

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