JP5681531B2 - 自動利得制御装置および自動利得制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、受信信号の信号レベルに応じて受信機の利得を制御する自動利得制御装置に係り、特に信号の種類に関わらず、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを有効に使用することができ、良好な受信特性が得られる自動利得制御装置に関する。

［先行技術の説明：図３］
従来の自動利得制御装置について図３を用いて説明する。図３は、従来の自動利得制御装置の構成ブロック図である。
図３に示すように、従来の自動利得制御装置は、可変利得増幅器２１と、Ａ／Ｄ変換器２２と、平均電力検波回路２３と、利得制御回路２４とを備えている。
可変利得増幅器２１は、入力される受信信号を、利得制御回路２４によって制御される利得で増幅して出力する。
Ａ／Ｄ変換器２２は、アナログ信号をディジタル信号に変換する。
平均電力検波回路２３は、特定時間における受信信号の平均電力を検波して平均電力値を出力する。
利得制御回路２４は、平均電力検波回路２３で検波された平均電力値と、予め設定されたしきい値とを比較して、その結果に基づいて可変利得増幅器２１の利得を制御する。

図３に示した従来の自動利得制御装置の動作について説明する。
受信信号は、利得制御回路２１で信号レベルに応じた利得で増幅され、増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器２２でディジタル信号に変換され、平均電力検波回路２３で平均電力値が算出される。
そして、利得制御回路２４が、検出された平均電力値としきい値とを比較して、比較結果に基づいて、可変利得増幅器２１に対して利得の制御を行う。

このように、平均電力値に基づいて利得を制御する場合、Ａ／Ｄ変換器２２がオーバーフローしないように、予めピーク電力を見込んで利得制御を行う必要があった。
例えば、適応変調に対応するシステムでは、最もＰＡＰＲ（Peak to Average Power Ratio）の大きい変調方式に合わせて利得制御を行うようになっている。
尚、送信機では、ピーク信号をクリップして電源効率を向上させるリミッタ技術が用いられ、同じ変調方式でもＰＡＰＲが異なってくるが、システムの互換性を考慮すると、ＰＡＰＲの大きな送信機を考慮して利得制御しなければならない。

［別の従来の自動利得制御装置：図４］
次に、別の従来の自動利得制御装置について図４を用いて説明する。図４は、別の従来の自動利得制御装置の構成ブロック図である。
図４に示すように、別の従来の自動利得制御装置は、可変利得増幅器３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、ピーク電力検波回路３３と、利得制御回路３４とを備えている。
可変利得増幅器３１と、Ａ／Ｄ変換器３２は、図４に示したものと同様である。
ピーク電力検波回路３３は、Ａ／Ｄ変換器３２の出力を検波して、特定の監視期間（スパン）におけるピーク電力値を検出して、利得制御回路３４に出力する。
利得制御回路３４は、ピーク電力値が、Ａ／Ｄ変換器３２におけるフルスケール（飽和しない最大入力レベル）と一致するよう、可変利得増幅器３１の利得を制御する。

図４に示した別の従来の自動利得制御装置の動作について説明する。
受信信号は、利得制御回路３１で信号レベルに応じた利得で増幅され、増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器３２でディジタル信号に変換され、ピーク電力検波回路３３で特定期間のピーク電力値が検出される。
そして、利得制御回路３４が、検出されたピーク電力値がＡ／Ｄ変換器３２のフルスケールと一致するよう、可変利得増幅器３１の利得を制御する。

このように、特定の監視期間の信号レベルのピークを検出して利得を制御する場合、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジは有効に利用できるものの、瞬間的な信号レベルの増大に対応することはできず、瞬間的に大きい信号レベルの入力があるとオーバーフローしてしまう。

［関連技術］
自動利得制御に関する技術としては、特開２００２−７７１０１号公報（株式会社日立国際電気、特許文献１）がある。
特許文献１には、ＯＦＤＭ信号受信機において、受信信号の平均電力を算出し、平均電力を基準電圧と比較して、比較結果に基づいてＡＧＣの利得を制御することや、ＯＦＤＭ信号の有効シンボル期間の長さに基づいて、複数の基準電圧の内のいずれかを選択して切り替えることが記載されている。

特開２００２−７７１０１号公報

しかしながら、平均電力に基づいて利得を制御する従来の自動利得制御装置では、予め受信信号のＰＡＰＲを見込んで、Ａ／Ｄ変換器がオーバーフローしない程度の利得を設定するため、受信信号のＰＡＰＲが見込んだＰＡＰＲよりも小さい場合には、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを十分に利用できず、Ａ／Ｄ変換器の雑音の影響が大きくなり、逆に、受信信号のＰＡＰＲが見込んだＰＡＰＲよりも大きい場合には、Ａ／Ｄ変換器がオーバーフローして、受信特性が劣化してしまうという問題点があった。

また、ピーク電力に基づいて利得を制御する従来の自動利得制御装置では、刻々と変化するピーク電力に追随して利得を制御するには、しきい値や制御周期を適切に設定する必要があるため、現実的にはかなり困難であり、Ａ／Ｄ変換器におけるオーバーフローが頻繁に発生してしまい、受信特性が劣化してしまうという問題点があった。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを有効に利用できると共に、オーバーフローの発生を抑えて、良好な受信特性が得られる自動利得制御装置を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、受信信号を信号レベルに応じた利得により増幅する自動利得制御装置であって、増幅された信号をアナログからディジタルに変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器からの信号を入力し、特定期間における受信信号の平均電力を検波する平均電力検波部と、Ａ／Ｄ変換器からの信号と平均電力検波部からの平均電力とを入力し、瞬時電力対平均電力値を算出する瞬時電力対平均電力算出回路と、Ａ／Ｄ変換器でオーバーフローしても受信誤りへの影響を無視できると予め判定された特定の確率を記憶しておき、一定期間に入力された複数の瞬時電力対平均電力値の確率密度に基づいて、特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値を求め、求められた特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値をＡ／Ｄ変換器のフルスケールから差し引いて閾値として決定する閾値算出部と、平均電力の値と決定された閾値とを比較して、比較結果に基づいて利得を特定する利得制御部と、入力される受信信号を特定された利得により増幅する可変利得増幅部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、受信信号を信号レベルに応じた利得により増幅する自動利得制御装置であって、増幅された信号をアナログからディジタルに変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器からの信号を入力し、特定期間における受信信号の平均電力を検波する平均電力検波部と、Ａ／Ｄ変換器からの信号と平均電力検波部からの平均電力とを入力し、瞬時電力対平均電力値を算出する瞬時電力対平均電力算出回路と、Ａ／Ｄ変換器でオーバーフローしても受信誤りへの影響を無視できると予め判定された特定の確率を記憶しておき、一定期間に入力された複数の瞬時電力対平均電力値の確率密度に基づいて、特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値を求め、求められた特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値をＡ／Ｄ変換器のフルスケールから差し引いて閾値として決定する閾値算出部と、平均電力の値と決定された閾値とを比較して、比較結果に基づいて利得を特定する利得制御部と、入力される受信信号を特定された利得により増幅する可変利得増幅部とを有する自動利得制御装置としているので、発生頻度が低く受信信号全体への影響が小さい瞬時電力信号は無視することでＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジをより有効に利用することができ、受信品質を向上させることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置の構成ブロック図である。 本システムおいて用いられる無線機の構成を示す構成ブロック図である。 従来の自動利得制御装置の構成ブロック図である。 別の従来の自動利得制御装置の構成ブロック図である。

［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置は、可変利得増幅器で増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換部でディジタル信号に変換し、平均電力検波回路が、当該ディジタル信号を用いて受信信号の平均電力を検波すると共に、瞬時電力対平均電力算出回路が、瞬時電力対平均電力の値を算出し、閾値算出回路が、入力された瞬時電力対平均電力の中で最大の値（ＰＡＰＲ）を求め、Ａ／Ｄ変換器のフルスケールからＰＡＰＲを差し引いて閾値として決定し、利得制御回路が、平均電力の値と決定された閾値とを比較して可変利得増幅器における利得を特定する自動利得制御装置としており、簡単な処理で、平均電力とピーク電力の両方に応じた利得制御を行うことができ、信号の種別にかかわらず、オーバーフローの発生を防ぎ、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを有効に使用することができ、受信品質を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置は、閾値算出回路が、瞬時電力対平均電力の確率密度から、予め設定された受信誤りへの影響を無視できる特定の確率となる瞬時電力対平均電力の値を求め、当該瞬時電力対平均電力の値をＡ／Ｄ変換器のフルスケールから差し引いた値を閾値として決定する自動利得制御装置としており、受信誤りに影響を与えない確率となる瞬時電力対平均電力の値を用いて閾値を算出でき、信号の種別にかかわらず、オーバーフローの発生を低減させ、より有効にＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを活用することができ、受信品質を向上させることができるものである。

［実施の形態に係る自動利得制御装置：図１］
本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置の構成ブロック図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置（本装置）は、可変利得増幅器１１と、Ａ／Ｄ変換器１２と、平均電力検波回路１３と、ピーク電力検波回路１４と、閾値算出回路１５と、利得制御回路１６とを備えている。

各構成部分について説明する。
可変利得増幅器１１は、入力される受信信号を、利得制御回路１４によって制御される利得で増幅して出力する。可変利得増幅器１１は、請求項における可変利得増幅部に相当する。
Ａ／Ｄ変換器１２は、増幅された受信信号であるアナログ信号をディジタル信号に変換する。

平均電力検波回路１３は、ディジタル信号から、特定期間における受信信号の平均電力値を検波して出力する。平均電力検波回路１３は、請求項における平均電力検波部に相当する。
瞬時電力対平均電力算出回路１４は、Ａ／Ｄ変換器１２からのディジタル信号と、平均電力検波回路からの平均電力値に基づいて、受信信号の瞬時電力対平均電力値を算出して随時出力する。瞬時電力対平均電力算出回路１４は、請求項における瞬時電力対平均電力算出部に相当する。

閾値算出回路１５は、本装置の特徴部分であり、利得制御回路１６における利得制御の基準となる平均電力の閾値を算出して利得制御回路１６に設定する。閾値算出回路１５については後で詳細に説明する。閾値算出回路１５は、請求項における閾値算出部に相当する。

利得制御回路１６は、設定された閾値と、平均電力検波回路１３から入力される平均電力値とを比較して、比較結果に基づいて可変利得増幅器１１の利得を決定して制御する。利得制御回路１６は、請求項における利得制御部に相当する。
上記構成のディジタル回路部分は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等で構成される。

［閾値算出回路１５］
本装置の特徴部分である閾値算出回路１５について説明する。
閾値算出回路１５は、瞬時電力対平均電力算出回路１４から入力される瞬時電力対平均電力値と、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケールとから閾値を算出して、利得制御回路１６の閾値を更新するものである。

具体的には、閾値算出回路１５は、例えば、一定時間に瞬時電力対平均電力算出回路１４から入力される瞬時電力対平均電力値を記憶しておく。
これにより、閾値算出回路１５は、一定時間内の複数（ｍ個）の瞬時電力対平均電力値（s1,s2,s3,...,sm）を得る。
閾値算出回路１５は、これらの複数の瞬時電力対平均電力値を用いて閾値を算出するが、ここで、２つの算出方法がある。

閾値算出回路１５における閾値算出方法について説明する。
［閾値算出方法（１）］
まず、第１の閾値算出方法について説明する。
閾値算出回路１５は、ｍ個の瞬時電力対平均電力値（s1,s2,s3,...,sm）の中から、最大の瞬時電力対平均電力値（ＰＡＰＲ）を求め、これをｙ（ｄＢ）とする。
また、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケールをｘ（ｄＢｍ）とする。
そして、閾値算出回路１５は、ｘ−ｙを算出して、ｘ−ｙ（ｄＢｍ）を閾値として決定し、利得制御回路１６に出力する。
このようにして第１の閾値算出方法が行われる。

第１の閾値算出方法では、最大の瞬時電力対平均電力値（ＰＡＰＲ）をそのまま用いた簡単な処理で、ＰＡＰＲに対応するピーク電力が入力されてもオーバーフローしないよう利得制御の閾値を設定することができ、Ａ／Ｄ変換器１２のオーバーフローを防ぎ、ダイナミックレンジを有効に利用して、雑音の影響を抑え、良好な信号対雑音比を得ることができるものである。

［閾値算出方法（２）］
次に、第２の閾値算出方法について説明する。
第２の方法は、確率を考慮して、無視できるほど発生頻度の低い瞬時電力を無視し、Ａ／Ｄ変換器１２のダイナミックレンジをより有効に利用するものである。

まず、閾値算出回路１５は、一定時間内に入力されたｍ個の瞬時電力対平均電力値（s1,s2,s3,...,sm）を大きさの順に並べ替える。
そして、並べ替えた瞬時電力対平均電力値に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１２でオーバーフローしても受信誤りへの影響を無視できると予め判定された特定の確率α％に相当する瞬時電力対平均電力値を求める。特定の確率の値は、予め閾値算出回路１５に記憶されている。

例えば、瞬時電力対平均電力値を降順に並べた場合、確率α％に相当する瞬時電力対平均電力値はｍ×α／１００番目に大きいデータであり、これをｙ（ｄB）とする。
この処理は、瞬時電力対平均電力値の確率密度関数において、無視できる程度の特定の確率となる瞬時電力対平均電力値を求めるものである。

そして、閾値算出回路１５は、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケール（ｘｄＢｍ）からα％の発生確率に相当する瞬時電力対平均電力を差し引いて、ｘ−ｙ（ｄＢｍ）を閾値として決定し、利得制御回路１６に出力する。

瞬時電力対平均電力の確率密度関数は、ＣＣＤＦ（Complementary Cumulative Distribution Function；相補累積分布関数）曲線と呼ばれるものであり、横軸を瞬時電力対平均電力（ｄＢ）、縦軸を瞬時電力対平均電力が当該瞬時電力対平均電力以上となる確率（％）とするグラフである。この確率密度関数を求め、当該関数を用いてα％となる瞬時電力対平均電力値を算出してもよいが、前述の通り、確率密度関数における特定の確率（α％）に対応する瞬時電力対平均電力の値は、簡単な処理で求めることが可能である。

また、特定の確率値は、仮にＡ／Ｄ変換器１２のオーバーフローにより受信できなかったとしても受信誤りにほとんど影響を与えないとみなせる確率であり、この確率値をα％とする。αの値は、システムに応じて異なり、シミュレーション等によって予め求められて閾値算出回路１５に記憶されている。
つまり、瞬時電力対平均電力値の大きい方からα％の信号は、極めて頻度が低いため、オーバーフローによって受信できなかったとしても全体の受信信号に対する影響は無視し得るものであり、それを除いた最大の瞬時電力対平均電力値を用いて閾値を算出するものである。

第２の閾値算出方法では、複数の瞬時電力対平均電力値の確率密度に基づいて、予め設定された受信誤りに影響を与えないとみなせる確率となる瞬時電力対平均電力値を求めて、当該瞬時電力対平均電力値をＡ／Ｄ変換器のフルスケールから差し引いた値を閾値としているので、オーバーフローが発生しても受信誤りに影響がないほど発生頻度が小さい瞬時電力は無視することにより、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジをより有効に利用することができ、雑音の影響を抑え、良好な信号対雑音比を得ることができるものである。

［閾値算出回路１５における第２の方法の処理：図２］
次に、閾値算出回路１５における第２の方法の処理について図２を用いて説明する。図２は、閾値算出部における第２の方法の処理を示すフローチャートである。
図２に示すように、閾値算出回路１５は、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケール（ｄＢｍ）をｘとし（１００）、平均電力検波回路１３からの特定期間についての平均電力値と、ピーク電力検波回路１４から当該特定期間に随時入力されるピーク電力値とを入力する（１０２）。

閾値算出回路１５は、入力されたｍ個の瞬時電力対平均電力値を降順に並び替え（１０４）、確率α％に相当するｍ×α／１００番目に大きい瞬時電力対平均電力値を読み取って、当該瞬時電力対平均電力値をｙ（ｄB）とする（１０６）。この処理は、瞬時電力対平均電力値の確率密度に基づいて、α％となる瞬時電力対平均電力値を求める処理に相当する。

そして、閾値算出回路１５は、ｘ−ｙ（ｄＢｍ）を算出して、これを閾値として利得制御回路１６に設定する（１０８）。
このようにして、閾値算出回路１５における処理が行われるものである。
尚、処理１０４の代わりに、閾値算出回路１５は、入力されたｍ個の瞬時電力対平均電力値に基づいて確率密度関数を求め、当該確率密度関数に基づいて確率α％となる瞬時電力対平均電力値を求めてもよい。

［利得制御回路１６］
次に、利得制御回路１６における利得制御について説明する。
利得制御回路１６は、平均電力検波回路１３からの平均電力値と、設定された閾値とを比較して、可変利得増幅器１１の利得を制御する。
具体的には、利得制御回路１６は、受信信号の平均電力値をＰ（ｄＢｍ）とした場合に、Ｐ−（ｘ−ｙ）の値が正であれば、利得が大きすぎるとして、利得をＰ−（ｘ−ｙ）（ｄＢ）だけ小さくするよう制御する。
負の場合には、利得制御回路１６は通常、利得の制御は行わないが、システムによっては利得を大きくする制御を行うようにしてもよい。

また、実際には、利得を小さくするときの閾値と、大きくするときの閾値とにヒステリシスを持たせて、動作が不安定になるのを防ぐことが望ましい。例えば、利得を大きくする場合の閾値は、閾値算出回路１５から設定された標準の閾値とし、小さくする場合の閾値はそれより小さい値にすることが考えられる。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置によれば、可変利得増幅器１１で増幅された受信信号を、Ａ／Ｄ変換器１２でディジタル信号に変換し、平均電力検波回路１３が、当該ディジタル信号を用いて特定期間の平均電力値を検波すると共に、瞬時電力対平均電力算出回路１４が、瞬時電力対平均電力値を算出し、閾値算出回路１５が、瞬時電力対平均電力算出回路１４から一定期間に入力された瞬時電力対平均電力値の中で最大の瞬時電力対平均電力値（ＰＡＰＲ）（ｙ（ｄＢ））を、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケール（ｘ（ｄＢｍ））から差し引いた値（ｘ−ｙ（ｄＢｍ））を閾値として利得制御回路１６に設定し、利得制御回路１６が、平均電力検波回路１３からの平均電力値と設定された閾値とを比較して可変利得増幅器１１における利得を制御する自動利得制御装置としており、簡単な処理で、平均電力とピーク電力の両方に応じた利得制御を行うことができ、信号の種別にかかわらず、オーバーフローの発生を低減して、Ａ／Ｄ変換器１２のダイナミックレンジを有効に使用することができ、雑音の影響を低減し、受信品質を向上させることができる効果がある。

また、本発明の実施の形態に係る自動利得制御装置によれば、閾値算出回路１５が、予め受信誤りにほとんど影響を与えないとみなせる確率（α％）を記憶しておき、一定期間に入力されたｍ個の瞬時電力対平均電力値を降順に並び替え、ｍ×α／１００番目に大きい瞬時電力対平均電力値（ｙ（ｄＢ））を読み取って、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケール（ｘ（ｄＢｍ））から差し引いた値（ｘ−ｙ（ｄＢｍ））を閾値として利得制御回路１６に設定し、利得制御回路１６が、平均電力検波回路１３からの平均電力値と設定された閾値とを比較して可変利得増幅器１１における利得を制御する自動利得制御装置としており、オーバーフローが発生しても受信誤りに影響がないほど発生頻度が小さい瞬時電力信号は無視することにより、Ａ／Ｄ変換器１２のダイナミックレンジをより有効に利用することができ、雑音の影響を低減し、受信品質を向上させることができる効果がある。

また、本実施の形態では、平均電力検波回路１３、瞬時電力対平均電力算出回路１４、閾値算出回路１５、利得制御回路１６をディジタル回路で実現しているが、アナログ回路で構成してもかまわない。

本発明は、信号の種類に関わらず、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを有効に使用することができ、良好な受信特性が得られる自動利得制御装置に適している。

１１，２１，３１...可変利得増幅器、 １２，２２，３２...Ａ／Ｄ変換器、 １３，２３...平均電力検波回路、 １４...瞬時電力対平均電力算出回路、 １５...閾値算出回路、 １６，２４，３４...利得制御回路、 ３３...ピーク電力検波回路

Claims (2)

1. 受信信号を信号レベルに応じた利得により増幅する自動利得制御装置であって、
   増幅された信号をアナログからディジタルに変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を入力し、特定期間における受信信号の平均電力を検波する平均電力検波部と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からの信号と前記平均電力検波部からの平均電力とを入力し、瞬時電力対平均電力値を算出する瞬時電力対平均電力算出回路と、
   前記Ａ／Ｄ変換器でオーバーフローしても受信誤りへの影響を無視できると予め判定された特定の確率を記憶しておき、一定期間に入力された複数の前記瞬時電力対平均電力値の確率密度に基づいて、前記特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値を求め、前記求められた特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値を前記Ａ／Ｄ変換器のフルスケールから差し引いて閾値として決定する閾値算出部と、
   前記平均電力の値と前記決定された閾値とを比較して、比較結果に基づいて利得を特定する利得制御部と、
   入力される受信信号を前記特定された利得により増幅する可変利得増幅部とを有することを特徴とする自動利得制御装置。
2. 受信信号を信号レベルに応じた利得により増幅する自動利得制御方法であって、
   増幅された信号をアナログからディジタルに変換し、
   前記ディジタルに変換された信号の特定期間における平均電力を検波し、
   前記ディジタルに変換された信号と前記検波された平均電力から瞬時電力対平均電力値を算出し、
   前記ディジタル変換時にオーバーフローしても受信誤りへの影響を無視できると予め判定された特定の確率を記憶し、
   一定期間に算出された複数の前記瞬時電力対平均電力値の確率密度に基づいて、前記特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値を算出し、
   前記求められた特定の確率に対応する瞬時電力対平均電力値をディジタル変換できるフルスケールから差し引いて閾値として決定し、
   前記平均電力と前記決定された閾値とを比較して、比較結果に基づいて利得を特定し、
   入力される受信信号を前記特定された利得により増幅することを特徴とする自動利得制御方法。

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