JP2021093615A - 無線通信装置および受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力を低減した無線通信装置を省サイズで提供すること。【解決手段】 実施形態によれば、受信部は、デジタル変調信号を異なる位置でそれぞれ捕捉し第１信号，第２信号を生成する第１，第２アンテナを備える。また、受信部は、第１，第２可変利得増幅器、第１，第２Ａ／Ｄ変換器、第１，第２デジタルアンプ、合成部、および、プロセッサを備える。第１，第２可変利得増幅器は、第１信号、第２信号の受信利得をそれぞれ制御する。第１，第２Ａ／Ｄ変換器は、利得制御された第１，第２信号を第１，第２デジタル信号にデジタル変換する。第１，第２デジタルアンプは、第１，第２デジタル信号の利得をデジタル的に調整する。合成部は、利得調整された第１，第２デジタル信号を合成して合成信号を生成する。プロセッサは、第１アンテナから合成部に至る系統と、第２アンテナから合成部に至る系統との利得のアンバランスを解消する。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、無線通信装置および受信装置に関する。

２点間での通信を行う多重無線装置が、広く用いられている。空間を伝搬する電波が伝搬路の影響を受け、受信機での受信レベルが上下する（ダウンフェージング／アップフェージング等）ことは良く知られていて、各種の対策が施される。例えば、受信機の受信入力範囲を広くする（例えば、−２５〜−９５ｄＢｍ等）ことはその一つであり、回線断などを防ぐために重要である。

マルチパスフェージングは、地表面、水面、建物やダクトにより反射された無線波が直接波と干渉して起こり、受信レベルの変動をもたらす。例えば、マイクロ波帯、あるいは準ミリ波帯を利用する無線通信装置では、ＳＤ（スペースダイバーシティ）受信方式によりマルチパスフェージング対策を施すのが一般的である。

特開２００７−１６５９７５号公報 特開２００６−２００６２号公報 国際公開第００／５１２５３号

ＳＤ受信方式は、メイン受信系／サブ受信系のいずれにおいても、アンテナ受信部から合成部までの利得を互いに等しくしておかなければ効果を発揮できない。このため、高周波増幅回路（ロー・ノイズ・アンプ）からダウンコンバータに至る系の利得を固定化しておく必要があった。つまり、飽和特性（直線性）に優れたデバイスを固定利得で使用しているため、消費電力が大きかった。また、これらはアナログ回路で構成されるため、高集積化が難しく、ユニット（筐体）の小型化が困難であった。
そこで、目的は、消費電力を低減した無線通信装置および受信装置を省サイズで提供することにある。

実施形態によれば、無線通信装置は、デジタル変調信号を受信する受信部を具備する。受信部は、デジタル変調信号を異なる位置でそれぞれ捕捉し、第１信号を生成する第１アンテナ、第２信号を生成する第２アンテナを備える。また、受信部は、第１，第２可変利得増幅器、第１，第２Ａ／Ｄ変換器、第１，第２デジタルアンプ、合成部、および、プロセッサを備える。第１，第２可変利得増幅器は、第１信号、第２信号の受信利得をそれぞれ制御する。第１，第２Ａ／Ｄ変換器は、利得制御された第１，第２信号を第１，第２デジタル信号にデジタル変換する。第１，第２デジタルアンプは、第１，第２デジタル信号の利得をデジタル的に調整する。合成部は、利得調整された第１，第２デジタル信号を合成して合成信号を生成する。プロセッサは、第１アンテナから合成部に至る系統と、第２アンテナから合成部に至る系統との利得のアンバランスを解消する。

実施形態に係わる無線通信装置の一例を示すブロック図。 実施形態に係わる受信部３の一例を示す機能ブロック図。 アナログアンプ１１，２１、デジタルアンプ１７，２７の各利得の一例を示す図。 図３に示される、受信入力レベルに対するアナログブロックの利得および出力レベルの一例を示すグラフ。 利得制御シーケンスの一例を示す図。 比較のため既存の無線通信装置の一例を示す図。

図１は、実施形態に係わる無線通信装置の一例を示すブロック図である。無線通信装置１００は、いわゆるデジタル多重無線装置と称され、自治体等の防災通信システムや、ＳＴＬ（Studio to Transmitter Link）、ＴＴＬ（Transmitter to Transmitter Link）などの放送網に適用される。この種の通信装置は、例えば６．５／７．５ＧＨｚ帯のデジタル変調信号を送受信する。近年では１２ＧＨｚ帯、あるいは１８ＧＨｚ帯を利用することも検討されている。デジタル変調方式としては、例えばＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）方式や、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式、６４ＱＡＭ、安どの多値変調方式が採用される。１２８ＱＡＭ、あるいは２５６ＱＡＭ方式等の、変調多値数のさらに大きい方式も適宜利用される。

図１において、無線通信装置１００は、送信部１、受信部３、およびこれらを制御する制御部２を備える。送信部１は、入力された送信データ（ＤＡＴＡ ＩＮ）で変調されたデジタル変調信号を送信アンテナＴから送信する。受信部３は、受信アンテナＲＭ，ＲＳで捕捉された無線帯域のデジタル変調信号を受信復調して、受信データ（ＤＡＴＡ ＯＵＴ）を出力する。

受信部３は、受信アンテナＲＭを有する主系統（ＭＡＩＮ）と、受信アンテナＲＳを有する副系統（ＳＵＢ）とを備える。受信アンテナＲＭ，ＲＳは互いの相関を無視できる程度に隔てて配置される。すなわち受信部３は、スペースダイバーシティ受信方式を採用する。

図２は、実施形態に係わる受信部３の一例を示す機能ブロック図である。受信部３は、主にアナログ回路で構成されるアナログブロックと、主にデジタル回路で構成されるデジタルブロックとを含む。

主系統において、受信アンテナＲＭで捕捉された無線帯域のデジタル変調信号は、アナログアンプ１１で低雑音増幅（利得制御）されたのちミキサ１２でＩＦ（中間周波数）帯域にダウンコンバートされる。こののちフィルタ１３で帯域制限を受け、直ちにアナログ／デジタル変換器１４で第１デジタル信号に変換される。

副系統においても同様に、受信アンテナＲＳで捕捉された無線帯域のデジタル変調信号は、アナログアンプ２１で低雑音増幅（利得制御）されたのちミキサ２２でＩＦ帯域にダウンコンバートされる。こののちフィルタ２３で帯域制限を受け、直ちにアナログ／デジタル変換器２４で第２デジタル信号に変換される。

ここで、アナログアンプ１１，２１は利得可変型であるので、利得固定型の増幅器に比べてバックオフ領域を最小限にすることができる。従って電力消費量を少なくすることができる。実施形態では、特に、ステップ型の可変利得増幅器を用いる。なお、局部発振器３０からの局発信号が分配器３１を経てミキサ１２，２２に供給される。

第１デジタル信号、第２デジタル信号の振幅が検波部１５，２５で検知され、プロセッサとしての利得制御部９０に渡される。また、第１デジタル信号、第２デジタル信号は遅延回路１６，２６により個別に遅延制御されたのち、それぞれデジタルアンプ１７，２７に入力される。

デジタルアンプ１７は、第１デジタル信号をデジタル的に利得調整し、ＳＤ合成部５０に入力する。デジタルアンプ２７は、第２デジタル信号をデジタル的に利得調整し、ＳＤ合成部５０に入力する。なお、デジタルアンプ２７の出力に接続された無限移相器４０により、主系統および副系統の位相をＳＤ合成部５０への入力前に揃える。

ＳＤ合成部５０は、利得調整後の第１デジタル信号および第２デジタル信号を合成して合成信号を生成する。このスペースダイバーシティ合成処理により、耐マルチパスフェージング性能が向上する。

合成信号は、ＡＧＣ（Autimatin Gain Control）アンプ６０により、検波部７０の出力に基づいて自動利得調整され、信号処理部８０に入力される。信号処理部８０は、復調部、等化器、フレーム同期回路、前方誤り訂正回路（ＦＥＣ）、デコーダ、および速度変換回路などを備え、合成信号をデジタル復調して受信データ信号（ＤＡＴＡ ＯＵＴ）を再生する。また、信号処理部８０は、受信データ信号に含まれる同期確立信号を検出する検出部を備える。同期確立信号は、同期確立のために設けられ、ＢＰＳＫ変調方式相当のビット列（プリアンブル信号）である。

ところで、利得制御部９０は、アナログアンプ１１，２１の利得、およびデジタルアンプ１７，２７の利得を制御して、受信アンテナＲＭからＳＤ合成部５０に至る系統（ＭＡＩＮ）と、受信アンテナＲＳからＳＤ合成部５０に至る系統（ＳＵＢ）との、利得のアンバランスを解消する。

すなわち、すでに説明したようにＳＤ受信方式では、受信アンテナＲＭ，ＲＳからＳＤ合成部５０までの利得を主系統と副系統とで互いに等しくしておく必要がある。しかしアナログアンプ１１，２１の利得が変化することから、アナログアンプ１１，２１の利得が異なれば、受信アンテナＲＭ，ＲＳからＳＤ合成部５０までの利得が各系統で同じにならない。そこで、利得制御部９０はデジタルアンプ１７，２７の利得を制御して、アナログアンプ１１，２１の利得が異なる場合のアンバランスを補償する。

実施形態では、利得制御部９０は、このアンバランスを解消する処理、つまりアナログアンプ１１，２１、デジタルアンプ１７，２７の各利得を切り替える処理を、プリアンブル信号の期間内に実行する。このタイミングで利得制御を行うことで、符号誤りや同期外れを防止する。これは、例えば、１２８ＱＡＭ等の、変調多値数の多い信号を取り扱う場合に特に有利となる。

図３は、アナログアンプ１１，２１、デジタルアンプ１７，２７の各利得の一例を示す図である。一例として、ＲＦ ＩＮ入力からＳＤ合成部５０までの利得を３２ｄＢとする。受信入力レベルの範囲は−２５〜−９５ｄＢｍとする。

（１） 受信入力レベルが−２５〜−５０ｄＢｍの時（高い時）は、アナログアンプ１１，２１が飽和しないように、利得を２ｄＢとする。これと同時に、デジタルアンプ１７，２７の利得を３０ｄＢとする。

（２） 受信入力レベルが−５０〜−７５ｄＢｍの時は、アナログアンプの利得を１７ｄＢとし、これと同時にデジタルアンプ１７，２７の利得を１５ｄＢとする。

（３） 受信入力レベルが−７５〜−９５ｄＢｍの時（低い時）は、アナログアンプ１１，２１のノイズとのＣ／Ｎ比を良くするために、アナログアンプ１１，２１の利得を３２ｄＢとする。これと同時にデジタルアンプ１７，２７の利得を０ｄＢとする。現行の回路ではこの設定に固定される。

図４は、図３に示される、受信入力レベルに対するアナログブロックでの利得および出力レベルの一例を示すグラフである。既存の技術を示す（ａ）においては、利得（Ｇａｉｎ）は一定であるため、アナログブロックの出力レベルは入力レベルと同様に、７０ｄＢにわたって変化する。このため、アナログブロックにおいて、この範囲で十分にバックオフおよびＣ／Ｎを確保しなければならず、回路規模が大きくなり、また消費電力量も多くなる。

一方、実施形態の技術を示す（ｂ）においては、利得制御をデジタルブロックに分散しているため、アナログブロックでの利得の変化幅は、図４に示されるように４０ｄＢ程度に抑えることができる。従ってアナログブロックの回路構成を簡素化できる。また、最大レベルを下げることができるため、アナログアンプ１１，２１の所要バックオフを下げることが可能となり、これにより消費電力量を大幅に低減することができる。

図５は、利得制御シーケンスの一例を示す図である。定常時から受信レベルが低下するにつれ、アナログアンプ１１，２１、デジタルアンプ１７，２７の利得が変化する。各アンプの利得の設定は図３に対応している。受信レベルが最低に達してから上昇に転じた場合には、受信レベルが利得制御の閾値付近にある際の制御のバタつきを防止するため、利得を上げる時の閾値と下げる時の閾値に５ｄＢの差を付けるようにする（利得（４））。

以上述べたように、実施形態では、主系統（ＭＡＩＮ）および副系統（ＳＵＢ）ごとにアナログアンプ、ミキサおよびフィルタ（ダウンコンバータ）を設け、ＩＦ周波数帯（１４０ＭＨｚ等）において、ＭＡＩＮ／ＳＵＢそれぞれ個別にＡ／Ｄ変換を行う。Ａ／Ｄ変換後、ＳＵＢ受信波を無限移相器４０により移相制御してＭＡＩＮ受信波の移相と合わせ、お互いに合成（同相合成）する。合成した受信波は、信号処理部８０における最適レベルとなるように振幅制御し、復調、波形歪み補償、フレーム同期、誤り訂正処理後、データ再生処理を行う。

上記構成において、非線形歪み（飽和）を発生させないこと、回路のノイズに対し十分なＣ／Ｎを確保すること、および、ＲＦ入力からＳＤ合成部５０までの回路利得をＭＡＩＮ／ＳＵＢ間で等しくすることが必要である。

そこで実施形態では、利得制御部９０によりアナログアンプ１１，２１の利得、およびデジタルアンプ１７，２７の利得を制御して、受信アンテナＲＭからＳＤ合成部５０に至る系統（ＭＡＩＮ）と、受信アンテナＲＳからＳＤ合成部５０に至る系統（ＳＵＢ）との、利得のアンバランスを解消するようにした。

図６は、比較のため既存の無線通信装置の一例を示す図である。既存の装置においては、アナログアンプ１０１，２０１、ミキサ１２，２２、局部発振器３０、分配器３１に加え、アナログ遅延器９１，９３、移相器９４、アナログ検波部９２，９５、ＳＤ合成部９６、フィルタ９７、ＡＧＣアンプ９８、およびＡ／Ｄ９９までが、全てアナログブロックに実装される。図２との比較から明らかなように、アナログ回路の占める部分が格段に大きいことから、既存の無線通信装置は高集積化が難しく、ユニット（筐体）の小型化が困難であった。加えて、受信高周波増幅器（ロー・ノイズ・アンプおよびダウンコンバータ）として、飽和特性（直線性）に優れたデバイスを固定利得で使用しているため、消費電力が大きくなる。

これに対し実施形態では、アナログアンプの簡素化および低消費電力化に加え、デジタルブロックの占める割合を格段に多くして、Ａ／Ｄ変換器以降の回路を全てデジタル化することが可能となる。デジタル化することにより、少なくともデジタルアンプ１７，２７、ＳＤ合成部５０、および利得制御部９０を共通の半導体チップ（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）など）に実装することができ、回路の小型化、低消費電力化を促すことができる。もちろん、検波部１５，２５、遅延回路１６，２６、無限移相器４０、ＡＧＣアンプ、検波部７０も含めて同じ半導体チップに実装しても良いし、信号処理部８０までもワンチップ化しても良い。

また実施形態では、アナログアンプ１１，２１をステップ制御型とし、利得を、予め定めた設定値（例えば１５ｄＢ等）でステップ的に変化させるようにした。つまり、ＳＤ受信方式における、ＭＡＩＮ／ＳＵＢ合成時の合成比を、この設定値で補正する。これにより、リニア的に利得を制御するのに比べ、プロセッサ（利得制御部９０）の負荷を少なくでき、これによっても低消費電力化に寄与できる。

すなわち実施形態によれば、既存装置の機能、性能（受信レベル監視機能、ＳＤ受信性能）を維持したまま、低消費電力化でき、ユニットも小型化できるという利点がある。これらのことから、実施形態によれば、消費電力を低減した無線通信装置および受信装置を省サイズで提供することが可能になる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…送信部、２…制御部、３…受信部、１１…アナログアンプ、１２…ミキサ、１３…フィルタ、１４…アナログ／デジタル変換器、１５…検波部、１６…遅延回路、１７…デジタルアンプ、２１…アナログアンプ、２２…ミキサ、２３…フィルタ、２４…アナログ／デジタル変換器、２５…検波部、２６…遅延回路、２７…デジタルアンプ、３０…局部発振器、３１…分配器、４０…無限移相器、５０…ＳＤ合成部、６０…ＡＧＣアンプ、７０…検波部、８０…信号処理部、９０…利得制御部、１００…無線通信装置。

Claims (7)

1. 送信部と、
   デジタル変調信号を受信する受信部とを具備し、
   前記受信部は、
   前記デジタル変調信号を捕捉して第１信号を生成する第１アンテナと、
   前記デジタル変調信号を前記第１アンテナとは異なる位置で捕捉して第２信号を生成する第２アンテナと、
   前記第１信号の受信利得を制御する第１可変利得増幅器と、
   利得制御された前記第１信号をデジタル変換して第１デジタル信号を生成する第１アナログ／デジタル変換器と、
   前記第２信号の受信利得を制御する第２可変利得増幅器と、
   利得制御された前記第２信号をデジタル変換して第２デジタル信号を生成する第２アナログ／デジタル変換器と、
   前記第１デジタル信号の利得をデジタル的に調整する第１デジタルアンプと、
   前記第２デジタル信号の利得をデジタル的に調整する第２デジタルアンプと、
   利得調整された前記第１デジタル信号および前記第２デジタル信号を合成して合成信号を生成するスペースダイバーシティ合成部と、
   前記第１アンテナから前記スペースダイバーシティ合成部に至る系統と、前記第２アンテナから前記スペースダイバーシティ合成部に至る系統との利得のアンバランスを解消するプロセッサとを備える、無線通信装置。
2. 前記プロセッサは、前記第１可変利得増幅器の利得に基づいて前記第１デジタルアンプの利得を制御し、前記第２可変利得増幅器の利得に基づいて前記第１デジタルアンプの利得を制御して前記アンバランスを解消する、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記プロセッサは、前記第１可変利得増幅器の利得、および前記第２可変利得増幅器の利得をステップ状に変化させる、請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記受信部は、
   前記合成信号をデジタル復調して受信データ信号を再生する復調部と、
   前記受信データ信号に含まれる同期確立信号を検出する検出部とをさらに備え、
   前記プロセッサは、前記第１可変利得増幅器、前記第２可変利得増幅器、前記第１デジタルアンプ、および前記第２デジタルアンプの各利得を前記同期確立信号の期間内に制御する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
5. 前記受信部は、前記第１信号、前記第２信号をそれぞれ中間周波数帯域にダウンコンバートしてそれぞれ前記第１アナログ／デジタル変換器、前記第２アナログ／デジタル変換器に入力する周波数変換部をさらに備える、請求項１に記載の無線通信装置。
6. 前記第１デジタルアンプ、前記第２デジタルアンプ、前記スペースダイバーシティ合成部および前記プロセッサを共通の半導体チップに実装した、請求項１に記載の無線通信装置。
7. デジタル変調信号を捕捉して第１信号を生成する第１アンテナと、
   前記デジタル変調信号を前記第１アンテナとは異なる位置で捕捉して第２信号を生成する第２アンテナと、
   前記第１信号の受信利得を制御する第１可変利得増幅器と、
   利得制御された前記第１信号をデジタル変換して第１デジタル信号を生成する第１アナログ／デジタル変換器と、
   前記第２信号の受信利得を制御する第２可変利得増幅器と、
   利得制御された前記第２信号をデジタル変換して第２デジタル信号を生成する第２アナログ／デジタル変換器と、
   前記第１デジタル信号の利得をデジタル的に調整する第１デジタルアンプと、
   前記第２デジタル信号の利得をデジタル的に調整する第２デジタルアンプと、
   利得調整された前記第１デジタル信号および前記第２デジタル信号を合成して合成信号を生成するスペースダイバーシティ合成部と、
   前記第１アンテナから前記スペースダイバーシティ合成部に至る系統と、前記第２アンテナから前記スペースダイバーシティ合成部に至る系統との利得のアンバランスを解消するプロセッサとを具備する、受信装置。

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