説明

無線機

【課題】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。
【解決手段】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無線機において、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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008-193256
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【発明の効果】
【0009】
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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】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2】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3】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4】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5】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6】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。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
「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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【符号の説明】
【0046】
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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、
を備えることを特徴とする無線機。
【請求項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。
【請求項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。

【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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【公開番号】特開2012−50021(P2012−50021A)
【公開日】平成24年3月8日(2012.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−192763(P2010−192763)
【出願日】平成22年8月30日(2010.8.30)
【出願人】(000001122)株式会社日立国際電気 (5,007)
【Fターム(参考)】