説明

低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法

本発明は、無線周波数信号を受信するための低中間周波数レシーバを提供し、そのサンプリング方法を提供する。低中間周波数レシーバは、最初に、無線周波数信号をサンプリングし、この信号を、非ゼロ周波数領域のデジタル信号に変換する。次に、低中間周波数レシーバは、非ゼロ周波数領域のデジタル信号を補償し、デジタル信号内の干渉信号をフィルタ除去する。最後に、補償されたデジタル信号は、ゼロ周波数領域に周波数シフトされる。本発明に係る低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法を使用することによって、DCドリフトおよび相互変調成分のような、ゼロ周波数における干渉を、有用な信号にどのような大きな影響も及ぼすことなく容易にフィルタ除去することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線通信に用いられる無線信号レシーバに関し、特に、低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、無線通信分野において、レシーバの新規なアーキテクチャが、ますます盛んに使用されている。このようなレシーバアーキテクチャの基本的な設計概念は、アナログ−デジタル変換器(ADC)を、無線周波数(RF)受信アンテナに可能な限り近づけて、無線周波数信号に対して直接アナログ−デジタル変換を行うことであり、そして、プログラム可能なデジタル信号処理ユニットが、受信した信号を処理する。デジタル信号処理の柔軟性、低コストおよび集積化の容易性の特性により、このような方法は、多くの種類の通信プロトコルに対して適用可能であり、よって、技術的な改良を促進する。
【0003】
しかしながら、上述の種類のレシーバは、ここでは、このようなレシーバが直面する問題を示す例として挙げられる。
【0004】
まず、ユーザ信号(Bの帯域幅を有する)は、2つの直交成分、すなわちI(t)+jQ(t)によって表され、そして、ユーザ信号によって直交変調されるfの搬送周波数を有する無線周波数信号は、次のように表すことができる。
【数1】

ここで、ω=2πfであり、搬送波の角振動数を表し、φは搬送波の初期位相である。
【0005】
S(t)は、中心周波数がそれぞれfと−fである2つの帯域通過成分S’(t)およびS’’(t)によって、次のようにさらに表すことができる。
【数2】

【0006】
これらの周波数スペクトル特性は、図1に示す通りであり、S’(t)およびS’’(t)の信号帯域幅は、完全に同一であることが分かる。
【0007】
無線周波数信号に帯域通過サンプリングを行う際の周波数スペクトルのエイリアシングを避けるために、f=f/N>Bの周波数を有するクロック信号を選択することができ、サンプリングされた信号周波数スペクトルは、図2に示されるように、サンプリング周波数fを周期として取り、周波数スペクトル領域において周期的に延長された、元のRF信号周波数スペクトル(図1に示す)と同等である。
【0008】
図2から分かるように、周波数スペクトルが周期的に延長される場合、S’(t)およびS’’(t)の高次元の周波数スペクトル成分が、サンプリング周波数の整数倍である周波数で互いに重ね合わされる。従って、ゼロ周波数において、その後のベースバンド信号処理のために、Bの帯域幅を有する重ねられた周波数成分がある。その中心としてゼロ周波数を有する(すなわちその搬送周波数がゼロである)信号の時間領域表現は、式(2)および(3)から計算することができ、すなわち、I(t)cos(φ)−Q(t)sin(φ)となる。周波数スペクトルのエイリアシングにより、ゼロ搬送波信号は、実際には、直交するユーザ信号I(t)およびQ(t)の線形の組合せである。
【0009】
直交するユーザ信号I(t)およびQ(t)を分離するために、同じ周波数を持つが異なる位相を有する2つのクロック信号を用いて、RF信号に2パスの帯域通過サンプリングを行い、これにより、互いに異なる2つの直交するユーザ信号の線形の組合せを得、次いで、分離プロセスを通じて、ユーザ信号のI(t)およびQ(t)を得ることができる。
【0010】
上述の原理に従い、フィリップスエレクトロニクス(Koninklijke Philips Electronics N. V.)の出願人によって2003年12月5日に出願された、“帯域通過サンプリングレシーバおよびそのサンプリング方法(Band-pass sampling receiver and the sampling method thereof)”と題された発明についての中国特許出願第200310122502.3号において、解決策が提唱されており、この出願に開示された内容は、ここに挿入することによって導入される。この特許出願により提供される帯域通過サンプリングレシーバのアーキテクチャは、図3に示される通りであり、ここで、2つのADC710および711のサンプリングクロック周波数は、両方ともRF信号の搬送周波数の1/Nであるが、2つのサンプリングクロックCLKおよびCLKの間に、固定の比例時間遅延τがあり、一方、τ≪1/Bであり、よって、クロック信号の2つのパスのサンプリング点に、異なる搬送波位相を持たせる。従って、2つの異なるデジタルシーケンスが、アナログ−デジタル変換の後に得られる。必要なデジタル信号処理が行なわれ、2つの直交成分が分離され、その後に、所望のユーザ信号が復元される。
【0011】
上述の解決策は、その比較的低いサンプリング周波数、および主な信号処理をより柔軟なデジタル領域で行うことにより、理想的な条件下では、効果的なサブサンプリング解決策である。
【0012】
しかし、いくつかの状況下では、理想的でない回路によって生じるより強いDCドリフトおよび相互変調成分があり、このような干渉は、通常は受け入れがたいものであり、フィルタまたは補償アルゴリズムによって除去する必要がある。IS−95、CDMA2000およびUMTSシステムのような通信システム向けには、その有用な信号のエネルギーは、広い周波数領域で分配され、一方で、DCドリフトおよび相互変調成分等の干渉は、ゼロ周波数に近い狭い周波数領域内にあり、この領域では、信号のエネルギーは、合計信号エネルギーの非常に小さなシェアにおいてのみ発生し、よって、干渉は、デジタル高域通過フィルタによって、有用な信号の性能に大きな影響を及ぼすことなくフィルタ除去することができる。しかし、GSMおよびBluetoothなどの通信システムに対しては、その有用な信号のエネルギーは、主にゼロ周波数領域付近の狭い範囲に集中されているため、デジタル高域通過フィルタを通してゼロ周波数領域付近の干渉をフィルタリングした場合、多くの有用な信号が失われる。よって、このような方法は、ゼロ中間周波数の帯域通過サンプリングレシーバ用には適していない。
【0013】
従って、DCドリフトおよび相互変調成分等の干渉を有効にフィルタ除去し、より多くの種類の通信システムに適用可能にするために、既存のレシーバの構造およびそのサンプリング方法をどのように改善するかは、未解決の問題となっている。
【発明の目的及び概要】
【0014】
本発明の目的は、有用な信号にどのような大きな影響も及ぼすことなく、DCドリフトおよび相互変調成分等の干渉を有効にフィルタ除去できる、低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法を提供することである。
【0015】
上述の目的を達成するために、本発明に従い提供される低中間周波数レシーバのサンプリング方法は、
(a)無線周波数信号をサンプリングし、無線周波数信号を、非ゼロ周波数領域のデジタル信号に変換するステップと、
(b)非ゼロ周波数領域のデジタル信号を補償し、デジタル信号内の干渉信号をフィルタ除去するステップと、
(c)補償されたデジタル信号を、ゼロ周波数領域にシフトするステップと、を備える。
【0016】
上述の目的を達成するために、本発明に従い提供される低中間周波数レシーバは、アナログ−デジタル変換手段と、補償手段と、ミキシング手段と、を備え、アナログ−デジタル変換手段を用いて無線周波数信号をサンプリングし、無線周波数信号を、非ゼロ周波数領域のデジタル信号に変換する。補償手段を用いて、非ゼロ周波数領域のデジタル信号を補償し、デジタル信号内の干渉信号をフィルタ除去し、ミキシング手段を用いて、補償されたデジタル信号を、ゼロ周波数領域にシフトする。
【0017】
本発明に係る上述の低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法を用いることによって、最初に非ゼロ周波数サンプリング信号が得られ、これに対して、ゼロ周波数におけるDCドリフトおよび相互変調成分等の干渉を、有用な信号にどのような大きな影響も及ぼすことなく容易にフィルタ除去することができる。従って、本発明に係る低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法は、IS−95、CDMA2000およびUMTSのような通信システムに適用できるだけでなく、GSMおよびBluetooth等の種類の通信システムにも適用可能である。
【0018】
本発明の他の目的および実施と共に、より包括的な理解は、添付の図面と関連して、以下の説明および特許請求の範囲を参照することによって明らかとなり、容易に理解できるようになる。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明は、以下の本文に、図面と組み合わせて説明される。
【0020】
本発明を明確に述べるために、最初に、本発明の低中間周波数レシーバのサンプリング方法の設計原理を、図4、図5および図6と関連して説明および分析し、次いで、本発明に係る低中間周波数レシーバの具体的な一実施形態の構造的特性を、図7と関連して紹介する。
【0021】
図4は、変調無線周波数信号および帯域外(outband)干渉信号(斜線部分)の周波数スペクトルグラフである。図3に示されるような帯域通過サンプリングレシーバを用いて、受信した無線周波数信号を処理した場合、得られるサンプリングされた有用な信号は、ゼロ周波数を中心とする狭い範囲内となり、この状況では、ゼロ周波数において存在するDCドリフトまたは相互変調成分等の干渉は、フィルタ除去が困難となる。
【0022】
従って、本発明の設計の概念は、最初に非ゼロ周波数のサンプリング信号を得、次いで、ゼロ周波数におけるDCドリフトまたは相互変調成分等の干渉をフィルタ除去した後、有用な信号を、ゼロ周波数にシフトバックすることであり、具体的な方法は、以下の通りである。
【0023】
最初に、受信した無線周波数信号のアナログ−デジタル変換を、2つのパスで行い、このとき、2つのサンプリングクロックCLKおよびCLKが選択され、ここで、これら2つのサンプリングクロックCLKおよびCLKの両方のサンプリング周波数は、fである。サンプリング周波数fと信号搬送周波数fの関係は、f=Nf±fIF、すなわちf=(f±fIF)/Nであり、ここでfIFは、低中間周波数値であり、0≦fIF<fである。Nは自然数であり、有用な信号の周波数スペクトルがサンプリング後の干渉信号の周波数スペクトルによってエイリアシングされないことを確実にするために、fが十分に高くなるように、選択されるべきである。
【0024】
2つのサンプリングクロックCLKおよびCLKの間に、固定の比例時間遅延τがあり、異なる位相を有する2つのデジタルシーケンスが得られ、そして、時間間隔τの間に、同相成分I(t)と直交成分Q(t)を、実質的に不変のまま維持するために、τ≪1/Bの条件が、満たされるべきである。
【0025】
サンプリングされた信号の各パスの周波数スペクトルグラフは、図5に示すとおりであり、ここで、サンプリングされた信号の各パスの周波数スペクトルは、元の負の周波数領域の無線周波数信号の周期的に延長された周波数スペクトル(スペクトル)と、元の正の周波数領域の無線周波数信号の周波数スペクトル(スペクトル)との重ね合わせである。より明らかに図示するために、図面では、周波数スペクトルの2つの部分を分離している。図5からは、サンプリングされた有用な信号の中心は、±fIFの位置にあることが分かり、よって、高域通過フィルタなどの、いくつかの従来のDC補償方法を採用して、ゼロ周波数におけるDCドリフトおよび相互変調成分等の干渉をフィルタ除去することができる。このとき、有用な信号のエネルギーは、ゼロ周波数に集中されないため、ゼロ周波数でのフィルタリングは、有用な信号にどのような大きな影響も及ぼさない。
【0026】
その後、DC補償信号に対して、I/Q分離が行われる。このとき、2つのサンプリングクロックCLKおよびCLKに関する、無線周波数信号の初期位相φおよびφは、それぞれ最初に決定することができ、次いで、受信した信号は、決定されたφおよびφに基づいて処理され、ユーザ信号の2つの直交成分I(t)およびQ(t)が計算される。ここで、φおよびφの位相差は、Δφ=φ−φ=Nfτ≠nπを満足すべきである。加えて、I/O分離プロセスをさらに簡素化するために、好ましい代替案は、Δφ=(n+1/2)πとすることである。上のI/Q分離プロセスのための具体的なアルゴリズムは、特許出願第200310122502.3に詳述されており、よって、ここでは詳述しない。
【0027】
図6は、I/Q分離後のIパスおよびQパスの直交信号の周波数スペクトルグラフである。有用な信号の周波数スペクトルは、帯域外干渉信号の周波数スペクトルから分離されることが分かり、よって、帯域外干渉信号は、後のデジタル信号処理において、容易にフィルタ除去することができる。その上、I/Q分離の前に、粗いフィルタリングを行い、I/Q分離後のフィルタのインデックスに関する要件を下げることもできる。
【0028】
最後に、I/Q分離を通じた直交信号は、それぞれ混合され、次いで、有用な信号の中心を、その後のユーザ信号を復元するベースバンドデジタル信号処理のために、ゼロ周波数へとシフトする。
【0029】
上述のサンプリング方法によると、本発明の低中間周波数レシーバの一実施形態のアーキテクチャ図は、図7に示す通りである。図7において、アンテナによって受信した無線周波数信号は、最初に、無線周波数帯域通過フィルタ10のフィルタリング処理を通過し、次にLNA20の低雑音増幅を通過し、2つの信号のパスに分割され、2つの信号のパスは、ADC31および32を通過して、アナログ−デジタル変換が完了される。ADC31および32のサンプリングクロック周波数は、両方とも、f=(f±fIF)/Nであり、0≦fIF<fであり、サンプリングクロックCLKおよびCLKの間に、固定の相対時間遅延τがあり、τ≪1/Bであり、ここで、Bは信号帯域幅である。
【0030】
アナログ−デジタル変換後に、2つのデジタル信号シーケンスは、DC補償モジュール41および42をそれぞれ通過し、そのゼロ周波数領域におけるDCドリフトおよび相互変調成分等の干渉がフィルタ除去され、ここで、DC補償モジュール41および42は、高域通過フィルタとすることができる。
【0031】
DC補償の後に、2つのデジタル信号シーケンスは、デジタル低域通過フィルタ51および52をそれぞれ通過し、帯域外干渉信号が粗くフィルタ除去される。次いで、デジタル低域通過フィルタ51および52から出力されたベースバンドデジタル信号の2つのパスは、I/Q分離器60に供給され、2つの直交成分が分離される。
【0032】
最後に、I/Q分離器60から出力された信号は、混合モジュール70を通過し、有用な信号の周波数スペクトルの中心が、ゼロ周波数にシフトされ、次いで、後に続くデジタル信号処理ユニット80に供給されて、さらにフィルタリング、復調、復号等がなされ、所望のユーザ信号が復元される。
【0033】
本発明に係る上述の低中間周波数レシーバおよびサンプリング方法を用いることによって、ゼロ周波数におけるDCドリフトおよび相互変調成分等のような干渉を、有用な信号にどのような大きな影響も及ぼすことなく容易にフィルタ除去することができる。従って、本発明に係る低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法は、IS−95、CDMA2000およびUMTSのような通信システムに適用できるだけでなく、GSMおよびBluetooth等の種類の通信システムにも適用でき、よって、より普遍的である。
【0034】
当業者は、本発明の内容から逸脱することなく、本発明に開示された低中間周波数レシーバおよびそのサンプリング方法に対して様々な改善を行うことができることを理解するであろう。よって、本発明の保護の範囲は、添付された特許請求の範囲により決定される。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】図1は、変調無線周波数信号の周波数スペクトルグラフである。
【図2】図2は、f=f/Nの周波数のクロック信号によってサンプリングされた、無線周波数信号の周波数スペクトルグラフである。
【図3】図3は、帯域通過サンプリングレシーバのアーキテクチャ図である。
【図4】図4は、変調無線周波数信号および帯域外(outband)干渉信号の周波数スペクトルグラフである。
【図5】図5は、f=(f±fIF)/Nの周波数のクロック信号によってサンプリングされた、無線周波数信号の周波数スペクトルグラフである。
【図6】図6は、I/Q分離の後の直交無線周波数信号の周波数スペクトルグラフである。
【図7】図7は、本発明の低中間周波数レシーバの一実施形態のアーキテクチャ図である。
【0036】
全ての図面を通して、同一の参照符号は、類似または対応する特徴または機能を示す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
受信した無線周波数信号をサンプリングするための方法であって、
(a)前記無線周波数信号をサンプリングし、前記無線周波数信号を、非ゼロ周波数領域のデジタル信号に変換するステップと、
(b)前記非ゼロ周波数領域のデジタル信号を補償し、前記デジタル信号内の干渉信号をフィルタ除去するステップと、
(c)前記補償されたデジタル信号の周波数を、ゼロ周波数領域にシフトするステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項2】
ステップ(a)は、前記無線周波数信号を、2つのサンプリングクロック信号の制御下で、それぞれ、非ゼロ周波数領域のデジタル信号の2つのパスに変換することを備える、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記2つのサンプリングクロック信号の周波数fは、それぞれ(f+fIF)/Nおよび(f−fIF)/Nに等しく、ここで、Nは自然数であり、fは前記無線周波数信号の周波数であり、fIFは中間周波数値であり、0≦fIF<fである、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記2つのサンプリングクロック信号の間に、相対時間遅延τがあり、τは、式φ−φ=Nfτ≠nπを満足し、ここで、φおよびφは、それぞれ、前記2つのサンプリングクロック信号に対する、無線周波数信号の初期位相であり、nは自然数である、ことを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記比例時間遅延τは、式Nfτ=(n+1/2)πを満足する、ことを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項6】
ステップ(b)は、前記非ゼロ周波数領域のデジタル信号を、高域通過フィルタリングを通して補償し、前記ゼロ周波数領域での干渉信号をフィルタ除去することを備える、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項7】
ステップ(b)の後に、前記補償されたデジタル信号に対して低域通過フィルタリングを行なうこと、および結果として生じる信号を、ステップ(c)に供給して処理させることをさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項8】
ステップ(b)の後に、前記補償されたデジタル信号に対してI/Q分離を行なうこと、および、処理すべき結果の信号を、ステップ(c)に供給することをさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項9】
無線周波数信号を受信するための低中間周波数レシーバであって、
無線周波数信号をサンプリングし、前記無線周波数信号を、非ゼロ周波数領域のデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタル変換手段と、
前記非ゼロ周波数領域のデジタル信号を補償し、前記デジタル信号内の干渉信号をフィルタ除去するための補償手段と、
前記補償されたデジタル信号を、前記ゼロ周波数領域にシフトするためのミキシング手段と、
を備えることを特徴とする低中間周波数レシーバ。
【請求項10】
前記アナログ−デジタル変換手段は、第1のアナログ−デジタル変換器と、第2のアナログ−デジタル変換器とを備えており、前記無線周波数信号を、2つのサンプリングクロック信号の制御下で、非ゼロ周波数領域のデジタル信号の2つのパスに変換するために、前記第1のアナログ−デジタル変換器および第2のアナログ−デジタル変換器がそれぞれ用いられる、ことを特徴とする請求項9に記載の低中間周波数レシーバ。
【請求項11】
前記2つのサンプリングクロック信号の周波数fは、それぞれ(f+fIF)/Nおよび(f−fIF)/Nに等しく、ここで、Nは自然数であり、fは前記無線周波数信号の周波数であり、fIFは中間周波数値であり、0≦fIF<fである、ことを特徴とする請求項10に記載の低中間周波数レシーバ。
【請求項12】
前記補償手段は、2つの高域通過フィルタを備える、ことを特徴とする請求項9に記載の低中間周波数レシーバ。
【請求項13】
前記補償されたデジタル信号に、I/Q分離を行うための信号分離手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項9に記載の低中間周波数レシーバ。
【請求項14】
前記補償手段から出力された信号をフィルタリングし、フィルタリングされたデジタル信号を前記信号分離手段に出力するためのフィルタリング手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項13に記載の低中間周波数レシーバ。
【請求項15】
無線通信システムにおいて使用される移動体端末であって、
無線周波数信号を受信するための受信手段と、
前記無線周波数信号をサンプリングし、前記無線周波数信号を、非ゼロ周波数領域のデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタル変換手段と、
前記非ゼロ周波数領域のデジタル信号を補償し、前記デジタル信号内の干渉信号をフィルタ除去するための補償手段と、
前記補償されたデジタル信号を、前記ゼロ周波数領域にシフトするためのミキシング手段と、
前記ミキシング手段から出力された信号に対するその後の処理を行うための信号処理手段と、
を備えるレシーバを、
備えることを特徴とする移動体端末。
【請求項16】
前記アナログ−デジタル変換手段は、第1のアナログ−デジタル変換器と、第2のアナログ−デジタル変換器とを備えており、前記無線周波数信号を、2つのサンプリングクロック信号の制御下で、非ゼロ周波数領域のデジタル信号の2つのパスに変換するために、前記第1のアナログ−デジタル変換器および第2のアナログ−デジタル変換器がそれぞれ用いられる、ことを特徴とする請求項15に記載の移動体端末。
【請求項17】
前記2つのサンプリングクロック信号の周波数fは、それぞれ(f+fIF)/Nおよび(f−fIF)/Nであり、ここで、Nは自然数であり、fは前記無線周波数信号の周波数であり、fIFは中間周波数値であり、0≦fIF<fである、ことを特徴とする請求項16に記載の移動体端末。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公表番号】特表2008−527885(P2008−527885A)
【公表日】平成20年7月24日(2008.7.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−550895(P2007−550895)
【出願日】平成18年1月10日(2006.1.10)
【国際出願番号】PCT/IB2006/050081
【国際公開番号】WO2006/075285
【国際公開日】平成18年7月20日(2006.7.20)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.Bluetooth
【出願人】(306043703)エヌエックスピー ビー ヴィ (125)
【氏名又は名称原語表記】NXP B.V.
【Fターム(参考)】