JP5574531B2 - 無線機 - Google Patents

Description

本発明は、無線機に関し、より詳しくは、自動利得制御を行う無線機に関する。

無線を使用したシステムには受信信号のレベルが変化した場合にその出力信号を一定にするための自動利得制御（ＡＧＣ）が行われる。
この自動利得制御は、一般に、出力信号を検波し、その信号のレベルの増減で高周波信号や中間周波信号用の増幅器などの利得を制御する。
近年普及しているディジタルの通信システムにおいても、同様の手法が用いられている。

しかしながら、ディジタル通信においては、クロックやキャリアの同期性能が通信自体の性能を大きく左右するため、受信信号は高速に立ち上がり、安定なレベルを保持することが必要で、特に、系の通信速度が速くなればなるほど、高速の利得制御が不可欠である。
また、近年、通信の高速化のために合成信号（ＯＦＤＭ信号）を用いることが多い。この合成信号はＰＡＰＲ（ピーク対平均電力比）が大きく、系の飽和特性は受信劣化を引き起こすことになる。
また、検出時間を早くすればピークでの検出になり、基準値（目標値）との比較の際、高いレベルでの制御となるため、その後の安定なレベルへの収束時間が長くなる。そのため、通常は積分器などによる平均化をおこなうが、結果として高速化が阻害されることになる。

自動利得制御に関する技術として、特許文献１に記載される技術が知られている。特許文献１に記載される技術にあっては、アナログＡＧＣ制御部とディジタルＡＧＣ制御部を備え、ディジタルＡＧＣ制御部が安定に動作するまではアナログＡＧＣ制御部を使用するようにしている。

特開２００８-１９３２５６

上記した特許文献１に記載される技術は、受信した信号の立ち上がり過渡期にアナログＡＧＣ制御部からディジタルＡＧＣ制御部に切り替えているに過ぎず、ＡＧＣの高速化を実現できるものではなかった。

本願発明は、上述の背景からなされたものであって、高速化と安定化を両立した自動利得制御（ＡＧＣ）を行う無線機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明に係る無線機にあっては、受信開始時において、受信した高周波信号のレベルに基づいた第１のＡＧＣを行う第１のＡＧＣ実行手段と、前記第１のＡＧＣを行った後、前記高周波信号を周波数変換したベースバンド信号のレベルに基づいた第２のＡＧＣを行う第２のＡＧＣ実行手段とを備えるように構成した。

本願発明に係る無線機にあっては、受信開始時において、受信した高周波信号のレベルに基づいた第１のＡＧＣを行う第１のＡＧＣ実行手段と、前記第１のＡＧＣを行った後、前記高周波信号を周波数変換したベースバンド信号のレベルに基づいた第２のＡＧＣを行う第２のＡＧＣ実行手段とを備えるように構成したので、バースト信号の受信開始時の過大入力による飽和と過渡応答を高速に回避することができると共に、その後の復調系の処理に最適なレベルを安定に保持することができる。

本願発明に係る無線機が使用される通信システムの一例を示す図である。 図１に示す無線機の受信部の構成を示すブロック図である。 図１に示す無線機で実行される処理を説明するタイムチャートである。 図１に示す無線機で実行される処理を示すフローチャートである。 図１に示す無線機の入力と出力の特性を示す図である。 図１に示す無線機の一部の機能を省いたときの入力と出力の特性を示す図である。

以下、本願発明の実施形態を説明する。
図１は、本願発明に係る無線機が使用される通信システムの一例を示す図である。
符号１，２，３，４は無線機であり、無線機１，２，３，４は送信と受信を行う送受信局である。図示の通信システムにおいて無線機１，２，３，４は、互いに通信の方向性はなく、互いが送信局あるいは受信局となって通信を行う。
通信方式としては、送りたい情報を持っている無線機が、この通信系で使用可能な周波数を他の無線機が使用中でないかを確認してから送信する、いわゆるＣＳＭＡ方式を用いる。また、無線機１，２，３，４によって送受される信号はバースト信号であると共に、ＯＦＤＭによる複数のサブキャリアの合成波である。

図１に示す通信系において、無線機１，２，３，４は移動局であり、相互の距離は一定でない。したがって、距離による無線信号の減衰量も一定ではなく、各無線機１，２，３，４の入力レベル（受信レベル）は互いに異なり変化する。特に、通信相手となる無線機が航空機のように高速で広範囲を移動する局である場合は、減衰量の変化が更に大きくなる。
このような通信系においては送信信号および受信信号の立ち上がり、並びに、立ち上がりに続く受信信号レベルの安定化が、復調の性能に大きく影響する。
また、通信相手となる無線機が航空機のような高速な移動局の場合は、ドプラーシフトやフェージングピッチも早くなるため、高速で安定なレベル制御が必要となる。
本願発明は、このような通信系において、高速で安定なＡＧＣ（Auto Gain
Control：自動利得制御）を行って復調性能の向上を図っている。

図２は、図１に示す無線機１，２，３，４の受信部の構成を示すブロック図である。尚、各無線機１，２，３，４の受信部の構成は同一である。
図２に示すように、無線機１，２，３，４の受信部は、可変減衰器１０、ＲＦ部１１、直交復調部１２、Ａ／Ｄ変換器１３、ＤＣ除去部１４、ディジタルＡＧＣ部１５、直交歪補償部１６、復調系処理部１７、ＣＰ相関部１８、ＲＳＳＩ検出器１９、Ａ／Ｄ変換器２０、ＡＧＣ制御部２１、受信電力測定部２２、Ｄ／Ａ変換器２３を備える。

図示の如く、受信部のトップ（最前段）には可変減衰器１０が配置され、受信された高周波信号は、先ずこの可変減衰器１０でレベルの制御が行われる。
可変減衰器１０は、例えばピンダイオード等の組み合せによって構成される。可変減衰器１０は、その次段のＲＦ部１１が飽和しないよう、受信信号（高周波信号）を所定のレベル（後述する閾値Ｂ）に制御する。

可変減衰器１０の出力はＲＦ部１１に入力され、高周波増幅等の処理が行われた後、直交復調部１２に入力される。直交復調部１２は、直交変調されている受信信号（ＯＦＤＭ信号）を高周波信号からベースバンド信号に復調する。直交復調部１２の出力はＡ／Ｄ変換器１３でアナログ信号からディジタル信号に変換された後、ＤＣ除去部１４でＤＣ成分が除去される。

ＤＣ除去部１４の出力はディジタルＡＧＣ部１５に入力される。ディジタルＡＧＣ部１５は、例えばディジタル演算による乗算・除算器であり、受信信号（ベースバンド信号）を後の復調系処理に最適な所定のレベル（後述する目標値Ｃ）に制御する。
ディジタルＡＧＣ部１５の出力は、直交歪補償部１６で歪補償がなされた後、復調系処理部１７に入力され、その後ディジタルデータに復調される。また、ディジタルＡＧＣ部１５の出力はＣＰ相関部１８にも入力される。ＣＰ相関部１８は、相関ピークを検出することによってＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）信号を検出し、同期のタイミングを復調系処理部１７に出力する。

復調系処理部１７は、直交歪補償部１６から出力された信号に対し、ＣＰ相関部１８から得たタイミングで、直交復調以外の復調系処理（例えば等化処理）を行う。また、復調系処理部１７は、復調系処理に必要な回数を計数するカウンタ等を備える。
復調系処理部１７は、ＣＰ相関が正しく行われたか否か、即ち、同期が確立しているか否かを示す同期フラグと、復調系処理のカウンタの更新情報と、同期確立時のシンボル範囲を示すタイミングなどＡＧＣ制御に必要なタイミングをＡＧＣ制御部２１に出力する。また、シンボル範囲を示すタイミングは、受信電力測定部１６にも出力される。

ＦＲ部１１の出力はＲＳＳＩ検出器１９にも入力され、そこでＲＳＳＩ（受信電界強度）が検出される。ＲＳＳＩ検出器１９は、高周波信号、すなわち、ベースバンド信号に変換される前の受信信号を所定の周期（１シンボル長より十分に短い周期）でサンプリングし、受信レベルを検出する。ＲＳＳＩ検出器１９の検出結果は、Ａ／Ｄ変換器２０でアナログ信号からディジタル信号に変換された後、ＡＧＣ制御部２１に入力される。
また、ＤＣ除去部１４でＤＣ成分が除去された信号は受信電力測定部２２にも入力され、そこでベースバンド信号から実効電力が計算される。この計算には復調系処理部１７から供給されたシンボル範囲を示すタイミングに基づき、正しく１シンボル内の実効電力値が算出される。
受信電力測定部２２の算出結果は、ＡＧＣ制御部２１に入力される。
以降の説明では、ＲＳＳＩ検出器１９の検出結果を「ＲＳＳＩレベル」と呼び、受信電力測定部２２の算出結果を「電力レベル」と呼ぶ。

ＡＧＣ制御部２１は、Ａ／Ｄ変換器２０を介して入力されたＲＳＳＩレベルに基づき、可変減衰器１０の減衰量を求めると共に、ディジタルＡＧＣ部１５の利得制御量を求める。ＡＧＣ制御部２１は、ＲＳＳＩレベルに基づいて求めた上記減衰量に従い、Ｄ／Ａ変換器２３を介して可変減衰器１０を制御する。
また、ＡＧＣ制御部２１は、ＲＳＳＩレベルに基づいて求めた利得制御量に従い、ディジタルＡＧＣ部１５の利得も制御する。

また、ＡＧＣ制御部２１は、電力レベルに基づき、ディジタルＡＧＣ部１５の利得制御量を求め、この利得制御量に従ってディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御する。

また、ＡＧＣ制御部２１は、復調系処理部１７から供給された同期フラグに基づき、ＲＳＳＩレベルに基づいて動作するＡＧＣ（以下「初期ＡＧＣ」という）と、電力レベルに基づいて動作するＡＧＣ（以下「シンボルＡＧＣ」という）とを切り替える。この詳細については後述する。

続いて、図２で示した受信部で実行されるＡＧＣについて説明する。
図３に示すように、本発明のＡＧＣは、時間軸上において「初期ＡＧＣ」と「シンボルＡＧＣ」に区分される。時間的に先に実行される「初期ＡＧＣ」は、高速な引き込みを実現した処理であり、増幅器などの飽和や過渡応答の防止を行い、その後の変動（例えば、フェージング、距離減衰）に対しては比較的低速な「シンボルＡＧＣ」で、復調処理に必要な安定化を図ることができる。また、「シンボルＡＧＣ」は、シンボル単位での電力制御のため、シンボル内での連続性を保ち、復調処理には各パイロット信号を使用した等化処理も組み合わせることで、安定した復調処理を実現する。

「初期ＡＧＣ」は、ＲＳＳＩ検出器１９で検出したＲＳＳＩレベルに基づき、可変減衰器１０の減衰量とディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御する。
一方、「シンボルＡＧＣ」は、受信電力測定部１６で算出した電力レベルに基づきディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御する。

図３を参照してＡＧＣ動作について説明する。
図３において、符号Ａは受信信号の有効性を判断するための閾値であり、「最低入力値」と呼ぶ。
また、符号Ｂは、初期ＡＧＣにおいて可変減衰器１０とディジタルＡＧＣ部１５の動作の切り替えに使用する「閾値」である。
また、符号Ｃは、最終の「目標値」であって、ＲＳＳＩレベルや電力レベルと比較される基準値である。
尚、図３で示す受信レベルの波形は例示であり、図示のものよりも低い場合もあれば、高い場合もある。ただし、レベルの高低に関わらず、波形は同様な傾向を示す。

無線機１，２，３，４がバースト信号を受信し、ＲＳＳＩ検出器１９によって最低入力値Ａ以上の受信レベルが検出されると、初期ＡＧＣが開始される。
初期ＡＧＣにおいて、受信レベル（ＲＳＳＩレベル）が閾値Ｂ以下であるとき（即ち、受信レベルが図３のディジタルＡＧＣ制御範囲内のとき）は、ディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御することで、ディジタルＡＧＣ部１５の出力を目標値Ｃに制御する。この処理（利得制御量の算出）は、処理の高速化のためにシフト演算（２進数での乗算、除算）で行う。

一方、受信レベルが閾値Ｂを上回るとき（即ち、受信レベルが図３のＡＴＴ制御範囲内のとき）は、可変減衰器１０の減衰量を制御することで、可変減衰器１０の出力を閾値Ｂまで下げる。つまり、受信レベルが過大である場合は、受信部のトップに配置した可変減衰器１０により、それよりも後段の構成が飽和しないレベルまで速やかに引き下げる。

尚、初期ＡＧＣでの受信信号の立ち上がりのレベル判定を正確に行うため、バースト信号の先頭は、ＰＡＰＲが小さくなるような信号点配置のデータとすることで、ピークでの判定の悪影響を回避する。

また、初期ＡＧＣのＡＴＴ制御範囲においては、ＲＳＳＩレベルのサンプリング毎に、今回値と前回値の差分を計算し、受信レベルが安定したか否か（図において破線で示す箇所のようにレベルが収束したか）を判断する。受信レベルが安定したと判断できれば、可変減衰器１０の利得は固定する。

ＡＧＣ制御部２１は、上記初期ＡＧＣを実行中に同期が確立されたことを確認すると、初期ＡＧＣからシンボルＡＧＣに切り替える。シンボルＡＧＣでは、前述したように、受信電力測定部２２で算出された電力レベルを、その値が目標値ＣになるようにディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御する。尚、ここでの処理は、精度を上げるため、シフト演算ではなく、通常の演算を使用する。
このシンボルＡＧＣは、同期が外れるまで行われる。同期は概ね、受信レベルが最低入力値Ｃを下回れば外れる。

このように、バースト信号の先頭（受信開始時）については、ＲＳＳＩレベル（高周波信号なので回路的にも遅延のない箇所のレベル）に基づく初期ＡＧＣを行う。即ち、ＲＳＳＩレベルをサンプリング（シンボル周期より十分短い周期）してその値を基準値と比較し、その結果に基づき、可変減衰器１０を使用した制御（アナログＡＧＣ）を行うとともに、正確さより高速処理を優先させた演算で制御量を求めてディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御（ディジタルＡＧＣ）するようにした。
また、バースト信号の同期が確立した後は、電力レベル（ベースバンド信号のレベル）に基づくシンボル単位のシンボルＡＧＣ（ディジタルＡＧＣ）とした。
すなわち、時間軸上におけるＡＧＣの動作領域を２つに区分し、受信初期の動作領域では高速な初期ＡＧＣを行い、その後の動作領域では初期ＡＧＣよりは低速だが安定度の高いシンボルＡＧＣを行うようにした。

また、受信レベル軸上におけるＡＧＣの動作領域も２つに区分し、閾値Ｂを超える領域では可変減衰器１０によるレベル制御を行うことで、特に、受信部のトップで発生する過大入力による飽和を回避し、閾値Ｂ以下の領域ではディジタルＡＧＣ部１５の動作によるレベル制御を行うことで、ディジタルＡＧＣ部１５よりも後段の復調系処理に最適なレベルに制御するようにした。

次いで、図４のフローチャートを参照してＡＧＣ処理部２１の処理について説明する。
先ず、ＲＳＳＩ検出器１９で検出したＲＳＳＩレベルをＡ／Ｄ変換器１９を介して入力し、同時にベースバンド信号もＡ／Ｄ変換器１３を介して入力する（Ｓ１０）。
続いて、同期が確立しているか否か判断する（Ｓ１１）。この判断は、復調系処理部１７から供給された同期フラグに基づいて行う。

同期が確立していないときは、入力したＲＳＳＩレベルが最低入力値Ａ以上か否か判断する（Ｓ１２）。
ＲＳＳＩレベルが最低入力値Ａ以上であれば、続いて、初期ＡＧＣカウンタが更新されているか否か判断する（Ｓ１３）。初期ＡＧＣカウンタは、ＲＳＳＩ検出器１９のサンプリングタイミング毎に更新される。

初期ＡＧＣカウンタが更新されているときは、図３のＡＴＴ制御範囲における可変減衰器１０の減衰量を求める（Ｓ１４）。即ち、ＲＳＳＩレベルと閾値Ｂを比較し、可変減衰器１０の制御範囲であれば、閾値Ｂに一致するように減衰量を演算する。

次に、ＲＳＳＩレベルと目標値Ｃを比較し、ディジタルＡＧＣ部１５の出力を目標値Ｃにするために必要な利得制御量を演算する（Ｓ１５）。この演算処理は、サンプリング毎に行うため、高速化が必要であり、シフト演算にて行われる。

続いて、Ｓ１４で求めた減衰量に従い、可変減衰器１０を制御すると共に、Ｓ１５で求めた利得制御量に従い、ディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御する（Ｓ１６）。また、ＲＳＳＩレベルの変動（サンプリング値の差分）が一定範囲に収束していれば、そのときの減衰量、利得制御量に固定する。

尚、受信レベルが最低入力値Ａ未満である場合（Ｓ１２で否定）や、初期ＡＧＣカウンタが更新されていない場合（Ｓ１３で否定）は、Ｓ１４とＳ１５の処理をスキップし、前回の減衰量、利得制御量を用いる。

一方、同期が確立されている場合（Ｓ１１で肯定）は、シンボル同期カウンタが更新されているか否か判断する（Ｓ１７）。シンボル同期カウンタが更新されている場合、即ち、新たなシンボルが検出されている場合は、受信電力測定部２２の算出結果から、１シンボル単位の電力レベルを算出する（Ｓ１８）。これらの処理は、復調系処理部１７から供給された復調系処理のカウンタの更新情報や、同期確立時のシンボル範囲のタイミングを利用して行われる。

続いて、算出電力レベルと目標値Ｃを比較し（Ｓ１９）、利得制御量を演算する（Ｓ２０）。利得制御量を演算した後、適宜な伝達関数を有するループフィルタを通し（Ｓ２１）、Ｓ２２で演算した結果に従ってディジタルＡＧＣ部１５の利得を制御する（Ｓ１６）。
ここで、Ｓ１１で肯定されるとき、即ち、同期が確立されているときは、ＲＳＳＩレベルはＳ１２からＳ１６の処理で一定の範囲に収束している。従って、Ｓ２０で演算した利得制御量に基づいてディジタルＡＧＣ部１５の利得制御を行う場合は、可変減衰器１０の減衰量はＳ１４で演算した値に固定された状態である。
尚、シンボル同期カウンタが更新されていないとき（Ｓ１９で否定）は、以降の処理をスキップする。

図５に、本発明に係る無線機１，２，３，４の受信部における入力と出力の特性を示す。
図５（ａ）は入力レベルが−１０ｄＢｍのバースト信号を受信したときの特性であり、図５（ｂ）は入力レベルが−９０ｄＢｍのバースト信号を受信したときの特性である。
図示の如く、受信信号がバースト信号であるため信号区間と無信号区間が存在するが、受信部におけるＡＧＣの結果、出力はいずれも最終的な目標値である０ｄＢｍ（上記の目標値Ｃ）に制御されている。尚、シンボルＡＧＣの領域においては、シンボル内の変動はそのまま保持されている。

図６に、シンボルＡＧＣのみを実行したときの入力と出力の特性を示す。
初期ＡＧＣを行わない場合、無信号状態からバースト信号の先頭が立ち上がると、出力は一旦大きく持ち上がり（図に破線の丸で示す）、その後収束する。
尚、図示は省略するが、初期ＡＧＣのみを実行した場合は、応答が速いため、信号が立ち上がったときに出力が持ち上がることはないが、シンボル内もほぼ一定のレベルになるため、シンボル内の連続性が保持されない。

以上のように、本願発明に係る無線機１，２，３，４にあっては、受信開始時（バースト信号の立ち上がり時）において、受信した高周波信号のレベル（ＲＳＳＩレベル）に基づいた第１のＡＧＣ（初期ＡＧＣ）を行うと共に、第１のＡＧＣを行った後、高周波信号を周波数変換したベースバンド信号のレベル（電力レベル）に基づいた第２のＡＧＣ（シンボルＡＧＣ）を行うように構成した。
これにより、バースト信号の受信開始時の過大入力による飽和と過渡応答を高速に回避することができると共に、その後の復調系の処理に最適なレベルを安定に保持することができる。
また、高速の応答系（初期ＡＧＣ）と低速の応答系（シンボルＡＧＣ）を時間的に分離しているため、演算器（ＡＧＣ制御部２１）の省力化が可能である。

また、本願発明に係る無線機１，２，３，４にあっては、高周波信号のレベルを制御することによって過入力による飽和を防止する第１のレベル制御手段（可変減衰器１０）と、第１のレベル制御手段の動作レベルよりも低いレベルにおいてベースバンド信号のレベルを制御する第２のレベル制御手段（ディジタルＡＧＣ部１５）とを備え、第１のＡＧＣは、第１のレベル制御手段と第２のレベル制御手段を使用して行うＡＧＣであり、第２のＡＧＣは、第２のレベル制御手段を使用して行うＡＧＣであるように構成した。
これにより、バースト信号の受信開始時の過大入力による飽和と過渡応答を高速に回避することができると共に、その後の復調系の処理に最適なレベルを安定に保持することができる。

また、本願発明に係る無線機１，２，３，４にあっては、バースト信号の同期を確立する同期手段（ＣＰ相関部１８、復調系処理部１７）を備え、同期手段によって同期が確立されたときに第１のＡＧＣから第２のＡＧＣに切り替えると共に、第２のＡＧＣはシンボル単位でレベル制御を行うＡＧＣである
これにより、シンボル内での連続性を保持することができる。

また、本願発明に係る無線機１，２，３，４にあっては、バースト信号の先頭にＰＡＰＲが小さくなる信号を配置するようにしたことから、ピーク検出に起因する誤検出によって過渡応答が生じるのを抑制することができる。
また、直交復調後にＡＧＣを行う場合はＩ信号とＱ信号の２系統の利得を制御する必要があるが、第１のレベル制御手段（可変減衰器１０）によって高周波信号に対してＡＧＣを行うため、Ｉ／Ｑの利得バランスを考慮する必要がなくなり、処理を簡素化することができる。

１，２，３，４・・・無線機、１０・・・可変減衰器、１１・・・ＲＦ部、１２・・・直交復調部、１３・・・Ａ／Ｄ変換器、１４・・・ＤＣ除去部、１５・・・ディジタルＡＧＣ部、１６・・・直交歪補償部、１７・・・復調系処理部、１８・・・ＣＰ相関部、１９・・・ＲＳＳＩ検出器、２０・・・Ａ／Ｄ変換器、２１・・・ＡＧＣ制御部、２２・・・受信電力測定部、２３・・・Ｄ／Ａ変換器

Claims (3)

1. 高速で広範囲を移動する局が互いに通信の方向性はなく、互いが送信局あるいは受信局となって通信を行う無線機の通信システムにおける受信したバースト信号のレベルをＡＧＣによって制御する無線機において、
   受信開始時において、受信した高周波信号のレベルに基づいたシフト演算でのディジタルＡＧＣとピンダイオードの組み合せによって構成される可変減衰器のアナログＡＧＣとの第１のＡＧＣを行う第１のＡＧＣ実行手段と、
   前記第１のＡＧＣを行った後、前記高周波信号を周波数変換したベースバンド信号のレベルに基づいたシンボル単位のディジタルＡＧＣとの第２のＡＧＣを行う第２のＡＧＣ実行手段と、
   を備えることを特徴とする無線機。
2. 前記高周波信号のレベルを制御することによって過入力による飽和を防止し、サンプリング毎に今回値と前回値の差分を計算し受信レベルが安定したか否かを判断する第１のレベル制御手段と、
   前記第１のレベル制御手段の動作レベルよりも低いレベルにおいて前記ベースバンド信号のレベルを制御する第２のレベル制御手段と、
   を備え、
   前記第１のＡＧＣは、前記第１のレベル制御手段と前記第２のレベル制御手段を使用して行うＡＧＣであり、
   前記第２のＡＧＣは、前記第２のレベル制御手段を使用して行うＡＧＣである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線機。
3. 前記バースト信号の同期を確立する同期手段を備え、
   前記同期手段によって同期が確立されたときに前記第１のＡＧＣから前記第２のＡＧＣに切り替えると共に、前記第２のＡＧＣはシンボル単位でレベル制御を行うＡＧＣであることを特徴とする請求項１または２に記載の無線機。