JP6579607B2 - 送信装置および信号レベル制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、変調方式に対応した送信装置および信号レベル制御方法に関する。

変調方式の多様化に伴って、ソフトウェア無線機など、アプリケーションの多い製品が増えている。通信装置に対して、変調方式に対応したソフトウェア追加による、アプリケーションの追加を容易にする要求が高まっている。
変調方式およびシンボルレートに依存しないレベル制御を可能にした送信装置の一例が、特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示された送信装置では、直交変調信号の振幅変調成分をキャンセルする回路が設けられ、その回路から出力される定振幅信号を、振幅成分を含んだ帰還信号のレベル制御に用いている。そのため、特許文献１に開示された送信装置では、レベル制御に必要な積分時間を短縮することができる。

特開２０１３−２５８５６１号公報

しかし、特許文献１に開示された方法では、受信装置は、レベル制御に際して、振幅成分を含んだ帰還信号をシンボルレート単位で積分した結果を基に制御する必要があり、レベル制御に時間がかかってしまうという問題があった。このことを、図９を参照して説明する。

図９に、伝送フォーマット、送信局の出力信号の状態、受信局の入力信号の状態を模式的示す。受信局には、送信局から受信する入力信号を信号処理に適した信号レベルに減衰する可変アッテネータが設けられているものとする。
図９の「ＡＧＣ１」〜「ＡＧＣ３」が示す時間は、受信局がレベル制御するために検出値を積分する時間である。図９の「ｗａｉｔ」が示す時間は、受信信号に対してアッテネータを制御した後に正しい値が取得可能になるまでの時間である。また、図９の「制御コマンド」が示す時間は、受信局において、レベル制御回路から可変アッテネータへのレベル決定の制御コマンドの送出からレベル決定が可変アッテネータに反映されるまでの時間である。
図９に示すように、受信局は、受信信号の入力タイミングおよびレベルが不明なため、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）をフルゲインの状態にして待機する。続いて、受信局は、図９に示すＡＧＣ１〜ＡＧＣ３のそれぞれにおいて、少なくとも１シンボル分の積分時間が必要となる。

本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、受信装置におけるレベル制御の時間短縮を可能にした送信装置および信号レベル制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の送信装置は、
入力信号を直交変調し、該入力信号を直交変調した信号である直交変調信号を出力する直交変調器と、
前記入力信号から振幅の変化の情報を読み出し、前記直交変調信号の振幅を所定の時間、一定にする振幅無変調回路と、
前記振幅無変調回路から受信する信号を周波数に変換し、該信号の周波数変換後の信号であるＩＦ信号を出力するミキサと、
前記ＩＦ信号を電力増幅し、該ＩＦ信号を増幅した信号である出力信号を出力する増幅器と、
前記振幅無変調回路の出力から基準信号を抽出する基準信号抽出回路と、
前記出力信号と前記基準信号の信号レベルの差であるレベル差を求め、該レベル差がゼロになるように前記ＩＦ信号の信号レベルを調整するレベル制御回路と、
を有する。

また、本発明の信号レベル制御方法は、送信装置による信号レベル制御方法であって、
入力信号を直交変調し、該入力信号を直交変調した信号である直交変調信号を生成し、
前記入力信号から振幅の変化の情報を読み出し、前記直交変調信号の振幅を所定の時間、一定にする定振幅化処理を行い、
定振幅化処理された直交変調信号を周波数に変換し、該信号の周波数変換後の信号であるＩＦ信号を生成し、
前記ＩＦ信号を電力増幅し、該ＩＦ信号を増幅した信号である出力信号を生成し、
定振幅化処理された直交変調信号から基準信号を抽出し、
前記出力信号と前記基準信号の信号レベルの差であるレベル差を求め、該レベル差がゼロになるように前記ＩＦ信号の信号レベルを調整するものである。

本発明によれば、受信装置におけるレベル制御にかかる時間を短縮することができる。

第１の実施形態の送信装置の送信系の構成例を示すブロック図である。 図１に示した振幅無変調回路の動作を説明するための図である。 第１の実施形態の受信装置の受信系の構成例を示すブロック図である。 図３に示した可変アッテネータの一構成例を示すブロック図である。 入力信号に対する可変アッテネータの制御領域を示す図である。 第１の実施形態の受信装置の動作を説明するための図である。 第２の実施形態の送信装置の送信系の構成例を示すブロック図である。 図７に示した振幅無変調回路の動作を説明するための図である。 関連する技術の課題を説明するための図である。

（第１の実施形態）
本実施形態の無線通信システムの構成を説明する。
はじめに、無線通信システムにおける送信装置の構成を説明する。図１は本実施形態の送信装置の送信系の構成例を示すブロック図である。
本実施形態の送信装置は、ベースバンド信号として入力されるＩ（In-phase）信号およびＱ（Quadrature）信号を直交変調した信号である直交変調信号を出力する直交変調器１と、直交変調信号に対して一定の時間、振幅を一定にする振幅無変調回路４１と、振幅無変調回路４１から出力される信号およびローカル信号を周波数変換してＩＦ（Intermediate Frequency）信号を生成するミキサ４と、ＩＦ信号の電力を増幅する増幅器６と、増幅器６からの出力信号をアンテナ（不図示）へ出力するカプラ７と、カプラ７の出力信号と基準信号に基づいてＩＦ信号の信号レベルを微調整するレベル制御回路４２と、を有する。

図１に示した振幅無変調回路４１の構成を詳しく説明する。
振幅無変調回路４１は、振幅計算器１２と、振幅制御器１３と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）８と、可変ゲインアンプ２とを有する。
図１に示すように、入力信号の信号線から分岐した信号線を介してＩ信号およびＱ信号が振幅計算器１２に入力される。振幅計算器１２は、Ｉ信号およびＱ信号から入力信号の振幅の時間変化の情報である振幅情報を求める。振幅計算器１２は、送信対象の信号の入力開始を示す送信制御信号を受信したときから所定の時間、振幅情報を求めて振幅制御器１３に送信する。
振幅制御器１３は、可変ゲインアンプ２における「制御電圧対ゲイン」の関係の情報を予め記憶している。振幅制御器１３は、直交変調信号の信号レベルが所定の時間、一定（例えば、平均電力）になるように、振幅計算器１２から受信する振幅情報に基づいて、可変ゲインアンプ２に供給するための、振幅変化に対して逆相になる制御電圧を生成してＡＤＣ８に出力する。
ＡＤＣ８は、振幅制御器１３から入力される制御電圧をサンプリングして可変ゲインアンプ２に出力することで、可変ゲインアンプ２の増幅を制御する。

続いて、図１に示したレベル制御回路４２の構成を詳しく説明する。
レベル制御回路４２は、カプラ７の出力信号の信号レベルを求め、求めた信号レベルが基準信号の信号レベルと一致するようにＩＦ信号を微調節する回路である。レベル制御回路４２は、主信号となる直交変調信号から基準信号を抽出する基準信号抽出回路４３と、パワー検出器１１と、ＡＤＣ１６と、比較器１７と、ゲイン制御部１５と、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１０と、可変ゲインアンプ５とを有する。
基準信号抽出回路４３は、可変ゲインアンプ２から出力される信号をミキサ４とパワー検出器９に分配する分配器３と、分配器３で分配された信号から基準信号の信号レベルを検出するパワー検出器９と、パワー検出器９で検出された値をサンプリングして比較器１７に出力するＡＤＣ１４とを有する。
パワー検出器１１は、カプラ７を介して出力信号の一部が入力されると、出力信号の信号レベルを検出する。ＡＤＣ１６は、パワー検出器１１が検出した値をサンプリングして比較器１７に出力する。
比較器１７は、ＡＤＣ１４から入力される基準信号とＡＤＣ１６から入力される出力信号の信号レベルの大きさを比較し、その差分であるレベル差の値をゲイン制御部１５に出力する。
ゲイン制御部１５は、基準信号および出力信号のレベル差をゼロにするための制御信号を生成してＤＡＣ１０に送信する。ＤＡＣ１０は、ゲイン制御部１５から受信する制御信号に対応する制御電圧を可変ゲインアンプ５に出力する。可変ゲインアンプ５は、ＤＡＣ１０から入力される制御電圧に対応して、ミキサ４から出力されるＩＦ信号の信号レベルを微調整する。

次に、本実施形態の送信装置の動作を説明する。図２は図１に示した振幅無変調回路の動作を説明するための図である。
図２は、一番上の段（１段目）に送信制御信号の電圧の時間変化、２段目に直交変調器１から出力される直交変調信号の振幅の時間変化、３段目に可変ゲインアンプ２の出力信号の電力の時間変化、および、一番下の段（４段目）に振幅制御部１３からＡＤＣ８に出力される制御電圧の時間変化のそれぞれの一例を示す。
直交変調器１は、Ｉ信号およびＱ信号からなる入力信号が入力されると、入力信号を直交変調して出力する。そのときの直交変調信号を図２の２段目に示す。一方、振幅計算器１２は、入力されるＩ信号およびＱ信号から振幅情報を求めて振幅制御器１３に送信する。振幅制御器１３は、直交変調信号の振幅が送信制御信号の受信したときから所定の時間、一定になるように、振幅計算器１２から受信する振幅情報に基づいて、可変ゲインアンプ２に供給する制御電圧を生成してＡＤＣ８に出力する。ＡＤＣ８が振幅制御器１３から入力される制御電圧をサンプリングして可変ゲインアンプ２に出力する。可変ゲインアンプ２はＡＤＣ８から入力される信号にしたがって、直交変調信号の振幅を制御する。
このようにして、振幅制御器１３が送信制御信号の入力時から可変ゲインアンプ２を制御して定振幅化処理を行うことで、可変ゲインアンプ２から出力される直交変調信号は送信開始から一定時間、定振幅信号となる。
可変ゲインアンプ２から出力された信号は、分配器３にて分配される。分配器３で分配された一方の信号はパワー検出器９に入力され、ＡＤＣ１４にてサンプリングされる。サンプリングされた信号は基準信号として比較器１７で使用される。分配器３で分配された他方の信号は、主信号としてミキサ４により周波数変換され、可変ゲインアンプ５、増幅器６およびカプラ７を経由してアンテナ（不図示）を介して出力される。
カプラ７の出力信号は、パワー検出器１１に入力され、ＡＤＣ１６によりサンプリングされる。比較器１７は、ＡＤＣ１４の出力値とＡＤＣ１６の出力値の大きさを比較し、その差分であるレベル差の値をゲイン制御部１５に出力する。ゲイン制御部１５は、レベル差をゼロにするための制御信号を生成してＤＡＣ１０に送信する。ＤＡＣ１０は、ゲイン制御部１５から受信する制御信号に対応する制御電圧を可変ゲインアンプ５に出力する。可変ゲインアンプ５は、ＤＡＣ１０から入力される制御電圧に対応して、ミキサ４から出力されるＩＦ信号の信号レベルを微調整する。

次に、本実施形態の無線通信システムにおける受信装置の構成を説明する。図３は本実施形態の受信装置の受信系の構成例を示すブロック図である。
本実施形態の受信装置は、送信装置から受信する入力信号を減衰する可変アッテネータ１８と、可変アッテネータ１８から出力される信号を増幅する増幅器１９と、増幅器１９から出力される信号およびローカル信号をＩＦ信号に変換するミキサ２０と、ミキサ２０から出力されるＩＦ信号を増幅する増幅器２１と、増幅器２１から出力される信号に基づいて可変アッテネータ１８の減衰量を調整するレベル制御回路５２と、増幅器２１から出力される信号をベースバンド信号に復調するＡＤＣ２３とを有する。
レベル制御回路５２は、増幅器２１から出力される信号を分配する分配器２２と、分配器２２で分配された信号を検出するパワー検出器２４と、パワー検出器２４で検出された値をサンプリングするＡＤＣ２５と、ＡＤＣ２５でサンプリングされた値を積分する積分器２６と、積分器２６の計算結果に基づいて可変アッテネータ１８の減衰量を調整する制御器２７とを有する。

図４は図３に示した可変アッテネータの一構成例を示すブロック図である。
図４に示すように、可変アッテネータ１８は、減衰量が固定されたアッテネータ２８、２９と、減衰量が調整可能な可変アッテネータ３０とを有する。
アッテネータ２８、２９は、制御器２７からのオン／オフの指示信号にしたがって動作する。アッテネータ２８、２９は、指示信号がオンの場合、減衰量ありの状態になり、指示信号がオフの場合、減衰量なしの状態になる。可変アッテネータ３０は制御器２７からの制御信号にしたがって減衰量（ゲイン）を微調整する。
受信装置は、送信装置から入力信号がどのタイミングで入ってくるか不明なため、可変アッテネータ１８を最大ゲインの状態にして待機する。最大ゲインは、全てのアッテネータが０ｄＢ（減衰量なし）の状態である。

図５は入力信号に対する可変アッテネータの制御領域を示す図である。
予め規定された入力信号のレベル範囲において、「ｈｉｇｈ」は増幅器１９、２１が歪む領域であり、「ｍｉｄ」は増幅器１９が歪む領域であり、「ｌｏｗ」はいずれの増幅器も歪まない領域である。
制御器２７は、信号を検出した後、各領域において最大値のアッテネータ量で制御し、パワー検出器２４の検出値を参照し、設計上のレベルダイヤを基にした変換により、入力信号のレベルを逆算して求められる。制御器２７は、逆算にて求めたレベルに対応して可変アッテネータ１８の減衰量を制御すれば、レベル制御が収束する。

次に、本実施形態の受信装置の動作を説明する。
入力信号は、可変アッテネータ１８および増幅器１９を経由し、ミキサ２０にてＩＦ信号に周波数変換される。分配器２２により分配された信号は、パワー検出器２４に入力され、ＡＤＣ２５によりサンプリングされる。
受信系のレベル制御の場合、送信系とは異なり、基準信号が存在しない。そのため、サンプリングされた信号は積分器２６により、積分された値から信号レベルを求める。本実施形態では、入力信号のうち、定振幅化された部分を利用すれば、積分器２６の積分数は１となる。
制御器２７は、パワー検出器２４の検出値を参照し、ＡＤＣ２５の入力レベルが最適となるように積分結果から設計上のレベルダイヤを基に入力信号のレベルを逆算し、可変アッテネータ１８の減衰量を制御する。このようにしてレベル制御が収束する。

図６は本実施形態の受信装置の動作を説明するための図である。
入力信号が変調信号である場合、図９を参照して説明したように、レベル制御に積分時間が必要である。レベル制御に要する積分時間はシンボルレートに比例する。そのため、シンボルレートが異なる場合、受信装置は、シンボルレート毎に異なる積分時間を設定する必要があり、レベル制御が複雑化してしまうことになる。変調方式が異なる場合も同様である。
本実施形態では、レベル制御に定振幅化された信号を利用しているので、積分器２６の積分数は１となる。つまり、図６に示すＡＧＣ１〜ＡＧＣ３では、定振幅化された波形が入力されるので、積分が不要となり時間が短縮される。そのため、図６に示すように、レベル制御するためにパワー検出器からの出力値の積分時間であるＡＧＣ１〜ＡＧＣ３は図９に比べて短くなる。

ここで、本実施形態の受信装置のレベル制御における「積分時間」について説明する。
本実施形態では、実質的には、「積分時間＝ＡＤＣ２５のサンプル時間」と言うことができる。図６に示すＡＧＣ１〜ＡＧＣ３が示す時間は「ＡＤＣ２５により取得したデータの平均時間」である。より詳細には、取得データの平均値算出の時間よりも、積分器２６のＡＤＣ２５へのアクセス時間の方が長くなるため、上記のように「積分時間＝ＡＤＣ２５のサンプル時間」と考えられる。より正確には、図６に示すＡＧＣ１〜ＡＧＣ３が示す時間は、積分時間というよりも「ＡＤＣ２５のアクセス時間＋平均値算出時間」に相当する。

また、本実施形態では、図２の３段目に示したように、可変ゲインアンプ２の出力信号が無変調状態から変調状態に変化する。そのため、受信装置が送信装置から受信する入力信号も無変調状態から変調状態に変化する。
無変調状態と変調状態について、ＡＭ変調（１ＫＨｚ）を例に説明する。変調状態は１ＫＨｚにて振幅が変動する状態である。無変調状態は振幅一定の状態である。
変調状態の場合、取得するポイントでレベルが変動する。よって、変調信号を一定時間取得し、平均化する必要がある。これに対して、無変調状態の場合、取得するポイントでレベル変動がない。
制御器２７は、可変アッテネータ１８の出力信号の信号レベルが一定になるように、入力信号の信号レベルを基に、アッテネータ２８、２９および可変アッテネータ３０を制御する。入力信号が変調状態の場合、平均化するのに時間がかかるが、入力信号が無変調状態の場合、上述したように、平均化する必要がないので、時間を短縮できる。

なお、本発明に関連する通信装置においては、送信系の信号が無変調状態から途中で変調状態へ遷移するものは知られていない。信号を無変調状態から変調状態に変更するものとして、専用ソフトウェアで実現するものがあるが、本実施形態とは方法が異なる。変調波信号は、変調方式等により平均化する時間が異なる。知られている専用ソフトウェアによる方法は、変調方式に関して既知の情報により変調信号を無変調信号に変換するものである。専用ソフトウェアは設計段階における既知の情報（例えば、どの変調方式に対応させるか）のみに対応しているのに対し、本実施形態の送信装置は、変調方式に関して既知の情報がない場合にも対応できるという利点がある。

本実施形態では、入力信号を定振幅化させ、送信レベル制御が終了した後、無変調から変調状態に戻すのではなく、一定時間無変調状態とすることにより、送信側のみならず、受信側のレベル制御の時間の短縮を図ることができる。
図６を参照して説明すると、本実施形態では、図６に示したＡＧＣ１〜ＡＧＣ３の部分が平均化（何ポイントも取得）するところが、１ポイントで済む。無変調状態となる「一定時間」は図６のＣＷ（Continuous wave）に示す時間である。受信装置におけるレベル制御の時間は、図６に示すＡＧＣ１のレベル制御が開始されてから「制御コマンド」を受信するまで（「受信レベル安定」の状態となる直前まで）となる。

上述したように、本実施形態によれば、送信系において、入力信号の定振幅化を行うことで、送信系だけでなく、受信系のレベル制御に必要な時間も短縮できる。送信系において受信系を考慮して定振幅化の制御時間を最適化することで、受信のレベル制御に要する時間を格段に低減することが可能となる。
また、振幅成分を含んだ変調波形を定振幅化することで、どのような変調に対しても常に一定時間の制御となる。そのため、どのような変調波形、どのようなシンボルレートであっても一定時間でレベル制御を収束することができる。
さらに、伝送フォーマット上でレベル制御に使用される領域を短くすることができるので、レベル制御時間の短縮が伝送フォーマットのデータ領域の拡大につながり、伝送容量を増大させることができる。伝送容量の増大が可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、クレストファクタ（波高率＝ピーク値／実効値）の大きい変調信号に対し、第１の実施形態で説明した定振幅化の制御を応用し、ピーク信号の低減を行って送信波形の歪を減らすことを可能にしたものである。
本実施形態の無線通信システムの構成を説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同様な構成および動作についての詳細な説明を省略する。
図７は本実施形態の送信装置の送信系の構成例を示すブロック図である。図８は図７に示した振幅無変調回路の動作を説明するための図である。図８は、一番上の段（１段目）に送信制御信号の電圧の時間変化、２段目に可変ゲインアンプ２の出力信号の電力の時間変化のそれぞれの一例を示す。
本実施形態では、比較器１７の出力が振幅無変調回路４１の振幅制御器１３にも入力される。振幅制御器１３は、定振幅化によりレベル制御が終了した後、比較器１７から受信するレベル差、可変ゲインアンプ２の「制御電圧対ゲイン」の関係、および入力信号の振幅情報に基づいて、可変ゲインアンプ２の出力レベルが時間変化に対して直線的に増加するように制御する。
この構成により、図８に示すように、送信系の信号レベルの時間変化に関して線型性が得られる。

次に、本実施形態の送信装置の動作を説明する。
図８に示したように、振幅制御部１３は、第１の実施形態で説明した定振幅化の後、比較器１７から受信するレベル差の値と可変ゲインアンプ２の「制御電圧対ゲイン」の関係から、入力信号の振幅情報に対応して、カプラ７の出力信号がどのくらい歪むかを判定する。振幅制御部１３は、判定結果と振幅計算器１２から受信する振幅情報により、カプラ７の出力信号に歪が発生するレベルに対し、直交変調信号のピーク値が下がるように可変ゲインアンプ２を制御する。
本実施形態では、上述のようにして、歪が低減された送信波形を提供することができる。その結果、占有帯域の広がりを抑えられる。

なお、上述の実施形態では、定振幅化によるレベル制御時には、比較器１７はＡＤＣ１６がサンプリングした値を積分する必要はないが、正規の変調波形が入力されている状態では、比較器１７は、ＡＤＣ１６がサンプリングした値を積分し、レベル制御を行っている。ピーク値制御を行った変調波形がレベル制御の基準信号となるため、制御の有無はレベル制御に影響を与えない。

１ 直交変調器
２ 可変ゲインアンプ
４ ミキサ
６ 増幅器
１２ 振幅計算器
１３ 振幅制御器
４１ 振幅無変調回路
４２ レベル制御回路

Claims (4)

1. 入力信号を直交変調し、該入力信号を直交変調した信号である直交変調信号を出力する直交変調器と、
   前記入力信号から振幅の変化の情報を読み出し、前記直交変調信号の振幅を所定の時間、一定にする振幅無変調回路と、
   前記振幅無変調回路から受信する信号を周波数に変換し、該信号の周波数変換後の信号であるＩＦ信号を出力するミキサと、
   前記ＩＦ信号を電力増幅し、該ＩＦ信号を増幅した信号である出力信号を出力する増幅器と、
   前記振幅無変調回路の出力から基準信号を抽出する基準信号抽出回路と、
   前記出力信号と前記基準信号の信号レベルの差であるレベル差を求め、該レベル差がゼロになるように前記ＩＦ信号の信号レベルを調整するレベル制御回路と、
   を有する送信装置。
2. 請求項１記載の送信装置において、
   前記振幅無変調回路は、
   前記入力信号の振幅の時間変化を示す情報である振幅情報を生成する振幅計算器と、
   入力される制御電圧にしたがって前記直交変調信号の振幅を調整する可変ゲインアンプと、
   前記可変ゲインアンプについての制御電圧対ゲインの関係を予め記憶し、前記振幅計算器が生成した前記振幅情報に基づいて、前記直交変調信号の振幅を所定の時間、一定にするための制御電圧を生成し、生成した制御電圧を前記可変ゲインアンプに出力する振幅制御器と、
   を有する、送信装置。
3. 請求項２に記載の送信装置において、
   前記振幅制御器は、
   前記直交変調信号の振幅を所定の時間、一定にさせた後、前記レベル制御回路が求めた前記レベル差、前記制御電圧対ゲインの関係および前記振幅情報に基づいて、前記出力信号に歪が発生するレベルに対し、前記直交変調信号のピーク値が下がるように前記可変ゲインアンプを制御する、送信装置。
4. 送信装置による信号レベル制御方法であって、
   入力信号を直交変調し、該入力信号を直交変調した信号である直交変調信号を生成し、
   前記入力信号から振幅の変化の情報を読み出し、前記直交変調信号の振幅を所定の時間、一定にする定振幅化処理を行い、
   定振幅化処理された直交変調信号を周波数に変換し、該信号の周波数変換後の信号であるＩＦ信号を生成し、
   前記ＩＦ信号を電力増幅し、該ＩＦ信号を増幅した信号である出力信号を生成し、
   定振幅化処理された直交変調信号から基準信号を抽出し、
   前記出力信号と前記基準信号の信号レベルの差であるレベル差を求め、該レベル差がゼロになるように前記ＩＦ信号の信号レベルを調整する、信号レベル制御方法。

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