JP2005529544A - ダイレクトコンバージョンマルチキャリアプロセッサのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

受信機（１３０）、送信機（２３０）、またはトランシーバなどの無線通信デバイスが、無線周波数信号と複数の解決チャネルとの間の直交信号についてダイレクトコンバージョンを提供する。このデバイスは、ダイレクトコンバージョン送信機／受信機およびベースバンド信号処理を用いた無線通信システムにおいて、複数のＲＦキャリアのブロック処理を提供する。

Description

本発明は、一般に通信システムに関する。より具体的には、本発明は、多元接続エアインターフェイスおよびマルチキャリア処理のダイレクトコンバージョン／変調を用いた通信システムに関する。

デジタル通信システムは、通常、連続周波数キャリアを用い、その振幅、周波数、または位相を変える変調技法により、情報またはデータを伝送する。変調後、信号は通信媒体を介して伝送される。通信媒体は、銅、光ファイバ、または空中を含み、ガイドされたり、されなかったりすることがあり、一般に物理通信チャネルと呼ばれている。

伝送される情報は、変調方式を規定するシンボルの所定のコンスタレーション上にマッピングされたビットストリームの形で入力される。シンボルとしての各ビットのマッピングは変調と呼ばれる。

従来技術の基地局は、通常、連続する周波数スペクトルを収束する複数のキャリアを使用する必要がある。基地局に実施可能な従来技術のスーパーヘテロダイン受信機１１のブロック図を図１に示す。オペレータには、通常、２つまたはそれ以上のチャネルＣｈ１〜Ｃｈ４（キャリア）が割り当てられ、これらを各セルで使用することが望まれる（周波数の再使用＝１）。ある種の制約のためにこれが不可能であり、そのため周波数の再使用ファクタが低くなる場合、オペレータは有限数のチャネルを有し、それらを連続するスペクトルのセクションに区分することになり、いくつかの隣接チャネルが各セルで使用される。この場合、受信機１１はすべてのチャネル（キャリア）を同時に処理する必要がある。これにより、ハードウェアのコスト、サイズおよび電力消費が最小化される。

以前は、基地局受信機の高度に厳しい要件はスーパーヘテロダインアーキテクチャでのみ適合することができた。ダイレクトコンバージョンアーキテクチャは、ＲＦ信号を直接ベースバンドにダウンコンバートすることから生じる多くの特有の問題がある。これらの問題には、ベースバンド信号中にＤＣオフセットを生み出すセルフミキシングと、強い干渉信号をベースバンドに変換する偶数次のひずみと、すべての半導体デバイスに固有であり、周波数（ｆ）に逆比例し、ベースバンド信号をマスクする１／ｆノイズと、他のユーザに干渉するＬＯ信号のスプリアス放射とが含まれる。ダイレクトコンバージョン受信機は、また、ゲインコントロールおよびフィルタリングをすべてベースバンドで行わなければならないため、アナログベースバンド処理コンポーネントの最先端の能力を要求する。これにより、高ダイナミックレンジおよび広帯域幅を有する高価な増幅器が必要になる。

従来のマルチキャリア無線機は、図１の受信機に示されるように、中間周波数（ＩＦ）およびダイレクトデジタルサンプリングを使用して、複数のキャリアをベースバンドへ、そして複数のキャリアをベースバンドからブロック変換するスーパーヘテロダイン無線アーキテクチャに基づいている。ＩＦは通常、５０ＭＨｚより上に位置するため、ダイレクトデジタルサンプリングには、１００ＭＨｚを超えるサンプリングレートが可能であり、非常に低いクロックジッタを必要とするアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）およびデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）などの、高価な高速またはサブサンプリングのデータ変換器を必要とする。

ダイレクトデジタルサンプリングの他の欠点は、隣接チャネルにおける干渉を除去するために必要なＩＦ表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタである。無線機によってサポートされるキャリアの最大数により、ＳＡＷフィルタの帯域幅が決定される。異なる数のキャリアをサポートするためには、追加のＳＡＷフィルタが必要である。代替方法として、対象の帯域全体をカバーする１つのＩＦフィルタを使用することができるが、追加の干渉に対応するためにＡＤＣに追加のダイナミックレンジが必要となる。

これは、受信信号のダイナミックレンジから理解することができる。アップリンクチャネルがすべて同一基地局の制御下にある場合、無線周波数（ＲＦ）キャリアは同じようなパワーレベルで受信されることになり、ＡＤＣでの必要なダイナミックレンジは比較的小さくてよい。しかしながら、ＩＦフィルタの帯域幅が帯域全体をカバーする場合、他の基地局に属するアップリンクチャネルがＡＤＣの入力に現れることになる。これらのチャネルはレベルが非常に高くなる場合があり、ＡＤＣでの必要なダイナミックレンジがより大きくなる。

改めて図１を参照すると、受信機１１は、たとえば符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信などのデジタルマルチキャリア無線通信に使用される。信号がアンテナ１５で受信されると、第１のバンドパスフィルタ１６および線形増幅器１７を通過する。第２のバンドパスフィルタ１８は増幅器１７から信号を受け取り、この信号をミキサ１９に提供する。ローカル発振器２０がミキサ１９に接続されており、ミキサ１９は信号をＲＦからＩＦに変換し、その後バンドパスフィルタ２１によってフィルタされる。

バンドパスフィルタ２１はＡＤＣ２２に接続され、そのデジタル化された出力がデジタルダウンコンバータ２３に提供される。複素数的に数値制御された発振器２４を使用して、デジタルダウンコンバータ２３を制御し、ＩＦの各チャネルをベースバンドに変換する。デジタルダウンコンバータ２３は、直交ベースバンド信号を有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ２５のバンクに提供し、これによりパルス整形および干渉除去を行う。ＦＩＲフィルタ２５からの出力は、それぞれのデジタル自動ゲインコントロール回路（ＤＡＧＣ）３５に提供され、このＤＡＧＣは４つのそれぞれのチャネル４５に出力を提供する。各チャネルからのデジタルデータは、データの復調および復号などの更なる処理のために、デジタルプロセッサ（図示せず）に送られる。一例として４つのチャネルが示されているが、当業者であればいくつのチャネルでも可能であることを理解されよう。

図２に示すように、送信側でも同様のプロセスが使用され、図２は４つの入力チャネルＣｈ１〜Ｃｈ４ ６５を使用する従来技術の送信機５１を示すブロック図である。４つの入力チャネル６５がそれぞれのパワーコントロール回路７５に提供され、次にその出力がそれぞれのＦＩＲフィルタ８５に提供される。ＦＩＲフィルタ８５は、通常、パルス整形のために使用される。ＦＩＲフィルタ８５からの出力はデジタルアップコンバータ９５に直交して提供され、このコンバータは複素数的に数値制御された発振器９６に接続される。デジタルアップコンバータ９５の出力はデジタル−アナログ（ＤＡＣ）回路９７に提供され、このＤＡＣはそのアナログ出力を第１のバンドパスフィルタ９８に供給し、次にこれがＩＦミキサ９９に提供される。ＩＦミキサ９９はそのローカル発振器信号を発振器１００から受け取り、出力を第２のバンドパスフィルタ１０２に提供する。この出力バンドパスフィルタは増幅器１０３で増幅され、出力バンドパスフィルタ１０４でフィルタされて、アンテナ１０５経由での送信のために提供される。

これらの構成（図１および図２）では、様々な変換がＲＦコンポーネントで行われる。これらのＲＦコンポーネントの製造コストはかなりなものである。それゆえ、実用上最大限、複数のＲＦ変換を避ける回路を提供することが有利であろう。さらに、受信機および送信機のためのダイレクトコンバージョン設計が望ましい。

従来技術のダイレクトコンバージョン受信機に付随する主な問題は、受信機の出力におけるＤＣオフセットの発生である。ＤＣオフセットの主な源は、ローカル発振器のセルフミキシングとミキサの二次相互変調（ＩＰ２）である。ＤＣオフセットは、かなり大きくなり、ＡＤＣの飽和や受信機の他の性能上の問題につながることがある。

ダイレクトコンバージョンの問題に対する解決策はかねてから理解されてきたが、近年の技術開発により、モノリシックＲＦ集積回路（ＲＦＩＣ）上での集積ソリューションが可能になるまでは、実用的でないかまたは費用効果が低かった。これらの問題に対する解決策には、偶数次のひずみをなくすバランス型（差動）構造、低い１／ｆノイズおよび優れた線形性を示すＳｉＧｅ半導体技術、ならびにセルフミキシングおよびＬＯスプリアス放射をなくすハーモニックミキシングが含まれる。広帯域無線技術への移行によって、ダイレクトコンバージョン受信機のノイズフロア全体に対する１／ｆノイズの寄与も削減された。さらに、現在では、高速で高線形性の増幅器がアナログベースバンド処理要件を満たすために利用可能である。

しかし、受信機の出力でのＤＣオフセットの発生において、ダイレクトコンバージョン受信機に付随する主な問題が依然として存在する。ＤＣオフセットの主な源は、ＬＯセルフミキシングおよびミキサの二次相互変調である。ＤＣオフセットは、かなり大きくなる場合があり、ＡＤＣの飽和および受信機の他の性能上の問題につながる。したがって、従来技術は進歩しているものの、これら従来技術の技法は依然として最適な性能に遠く及ばない。

本発明は、ダイレクトコンバージョンのマルチキャリアプロセッサを含む、受信機、送信機または送受信機などの無線通信デバイスである。マルチキャリアプロセッサは、直交変調器（送信機）または復調器（受信機）を用いて、ＲＦチャネルをベースバンドへ、そしてＲＦチャネルをベースバンドから周波数変換する。アナログ信号はＤＣ近辺に変換されるので、従来の調整可能なフィルタは帯域幅コントロールユニットを介して、異なる数のチャネル（キャリア）およびチャネル帯域幅をサポートするようにプログラムすることができる。

本発明について、全体を通じて同様の番号が同様の要素を表す図面を参照しながら説明する。

本発明は、ダイレクトコンバージョン送信機／受信機およびベースバンド信号処理を用いた無線通信システムにおいて、複数のＲＦキャリアのブロック処理を可能にする。このようなマルチキャリア無線機は、別個の無線機でそれぞれのキャリアを処理するのではなく、単一の無線機内で複数のキャリアを同時に処理することによって、コストを削減する。

図３は、本発明に従って構築された通信受信機１３０の例示的な実施形態を示すブロック図である。受信機１３０は、それぞれがキャリア周波数Ｆ_１、Ｆ_２．．．Ｆ_ｎを介してそれぞれ送信される複数の通信信号Ｃｈ_１、Ｃｈ_２．．．Ｃｈ_ｎを受信する。これらの信号は、以下ではまとめてマルチキャリア信号Ｓ１と呼ぶことにする。

受信機１３０は、アンテナ１３１、第１のバンドパスフィルタ１３２、無線周波数増幅器１３３、および第２のバンドパスフィルタ１３４を有する。さらに、ローカル発振器１４３に接続された第１および第２のミキサ１４１、１４２と、第１および第２のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４５、１４６と、帯域幅コントロール回路１４７と、第１および第２のベースバンド増幅器１５１、１５２とが含まれる。ローカル発振器１４３に結合された第１および第２のミキサ１４１、１４２は、復調器１４４を構成する。

第１の自動ゲインコントロール（ＡＧＣ）回路１５３はベースバンド増幅器１５１、１５２に接続され、ベースバンド増幅器１５１、１５２からの出力はＡＤＣ回路１６１、１６２に提供される。ＡＤＣ１６１、１６２からのデジタル化された出力は、第２のＡＧＣ回路１６３に提供される。第２のＡＧＣ回路１６３は、ＡＧＣ出力をＤＡＣ１６４に提供し、次にこのＤＡＣは第１のＡＧＣ回路１５３に入力を提供し、これによってベースバンド増幅器１５１、１５２の利得を制御する。

第２のＡＧＣ回路１６３からの出力は、デジタルダウンコンバータ１７１に提供され、このダウンコンバータは別々の出力を複数のＦＩＲフィルタ１８１〜１８５に、次に複数のＤＡＧＣ１９１〜１９５に提供して、複数のチャネルＣｈ_１〜Ｃｈ_ｎ１９８〜２０２に出力を提供する。デジタル−アナログＡＧＣループ１６３、１６４、１５３を使用することによって、出力でのダイナミックレンジが削減され、それゆえデジタルＡＧＣ回路１９１〜１９４ダウンストリームの必要なダイナミックレンジが削減される。

アンテナ１３１はマルチキャリア信号Ｓ１を捕捉し、信号Ｓ１をバンドパスフィルタ１３２に入力し、このフィルタが帯域フィルタリングを提供して帯域外の干渉を除去する。フィルタリング後、信号は受信機１３０のノイズフロアを設定する低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１３３に入力される。ＬＮＡ１３３の出力はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３４を通じてフィルタされ、ＬＮＡ１３３によって生成された任意の相互変調ひずみをフィルタする。

ＬＮＡ１３３の出力は、ミキサ１４１および１４３ならびに安定なローカル発振器（ＬＯ）１４３からなる復調器１４４に送られる。ＬＯ１４３は、キャリアに対して１つは同相（Ｉ）であり１つは直交（Ｑ）である２つの出力を有する。ＬＯ１４３の周波数は入力チャネルＣｈ_１〜Ｃｈ_ｎの中心周波数、（Ｆ_１−Ｆ_ｎ）／２であり、Ｆ_１は第１のチャネルＣｈ_１のキャリア周波数であり、Ｆ_ｎはｎ番目のチャネルＣｈ_ｎのキャリア周波数である。復調器１４４は、所望の信号をＤＣ付近の信号を中心としてＲＦからベースバンドに変換する。

ＩおよびＱ信号はＬＰＦ１４５および１４６に送られ、これらによりダウンストリームベースバンド処理エレメント１５１〜１９４のダイナミックレンジを最小にするために、干渉除去が提供される。アナログ信号はＤＣ近辺に変換されるので、従来の調整可能なフィルタ１４５および１４６は、異なるチャネル数およびチャネル帯域幅をサポートするように帯域幅コントロール１４７を介してプログラムすることができる。

ＡＤＣ１６１、１６２は、復調器１４４からのＩ／Ｑ信号をデジタル化する従来の低コストＡＤＣのペアである。個々のチャネルＣｈ_１〜Ｃｈ_ｎが、ＤＤＣ１７１によってベースバンドにダウンコンバートされる。

チャネルフィルタリングおよびパルス整形は、ＦＩＲフィルタ１８１〜１８５によって各チャネルＣｈ_１〜Ｃｈ_ｎに適用される。

ＡＧＣプロセスは２つのステップで行われる。第１のステップは第１および第２のＡＧＣ回路１５１、１６３で行われて、信号をＡＤＣ１６１、１６２のダイナミックレンジ内に維持するようにベースバンド増幅器１５１、１５２のゲインを調整する。ＡＧＣプロセスの第２のステップは、ＤＡＧＣブロック１９１〜１９５においてデジタル的に行われ、Ｉ／Ｑ信号のビット幅を各チャネル１９８〜２０２の必要最低限に低減するために使われる。

図３に示されるように、受信機１３０はマルチキャリアダイレクトコンバージョン受信機として動作する。複数のＲＦチャネルを含む周波数ブロックは、これによって周波数のブロックとしてベースバンドに直接ダウンコンバートされる。

図４は、本発明に従って構築されたダイレクトコンバージョン通信送信機２３０の例示的な実施形態を示すブロック図である。個々のチャネル（Ｃｈ_１〜Ｃｈ_ｎ）２３１〜２３４は先ずＦＩＲフィルタ２４１〜２４４を介して送られ、デジタルアップコンバータＤＵＣ２４７によってデジタル的にアップコンバートされる。これによってデジタルベースバンド信号が提供され、この信号は低コストのＤＡＣペア２５１、２５２を駆動するために使用される。ＤＵＣ２４７は、中心周波数をゼロから帯域幅の＋／−半分にシフトすることによって、入力信号をＩ／Ｑ信号成分に変換する。

ＤＵＣ２４７の出力は、直交成分に分かれた２つのデジタル出力を備える。これらのＩ／Ｑ出力はＤＡＣ２５１および２５２に入力され、これらＤＡＣがデジタル信号をアナログに変換する。ＤＡＣ２５１、２５２からのアナログ出力はＬＰＦ２５３、２５４に提供され、その帯域幅は帯域幅コントロール回路２５５によって制御される。ＬＰＦ２５３、２５４はアナログ信号をフィルタして、それらそれぞれのフィルタ出力を、２つのミキサ２６１、２６２、ＬＯ２６３および加算器２６４を備える変調器２６０に提供する。ミキサ２６１、２６２はＬＯ２６３によって制御され、混合出力を加算器２６４に提供する。変調器２６０は出力をバンドパスフィルタ２６５に、次に第１のＲＦ増幅器２６６に提供する。ＲＦ増幅器２６６はゲインコントロール回路２６７によって制御され、出力をバンドパスフィルタ２６８に、さらにＲＦパワー増幅器２６９に提供し、この増幅器はアンテナ２７０経由での送信のために信号を増幅する。

図３および４で明らかに分かるように、本発明に従ったダイレクトコンバージョンマルチキャリアプロセッサは、ＩＦステージをなくすことによってスーパーヘテロダイン無線機の欠点を回避する。これによって無線機でのコストが削減され、データコンバータがベースバンドで低クロックレートで動作できるようにし、これによってさらにコストが削減される。調整可能な帯域幅フィルタはベースバンドで容易に実現可能であり、無線機内で処理される可変のキャリア間隔およびキャリアの数を柔軟にサポートすることができる。これによって所望のキャリアのみがＡＤＣに存在することになるので、ＡＤＣで要求されるダイナミックレンジも小さくなり、さらにコストが削減される。

本発明は、無線ローカルループ、無線ＬＡＮアプリケーション、ならびにＷＣＤＭＡ（ＵＴＲＡＴＤＤおよびＵＴＲＡＦＤＤ双方）、ＴＤＳＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ２０００、３ｘＲＴおよびＯＦＤＭＡシステムなどのセルラシステムを含む無線通信システムに適用可能である。

本発明について好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に画定される本発明の範囲内にある他の変形形態についても明らかとなるであろう。

ダイレクトデジタルサンプリングマルチキャリア受信機を備えた従来技術のスーパーヘテロダインを示すブロック図である。 ダイレクトデジタル送信機を備えた従来技術のスーパーヘテロダインを示すブロック図である。 本発明に従って作成されたダイレクトコンバージョンマルチキャリア受信機を示すブロック図である。 本発明に従って作成されたダイレクトコンバージョンマルチキャリア送信機を示すブロック図である。

Claims (9)

1. マルチキャリア無線周波数（ＲＦ）信号を受信し、処理するためのマルチキャリアダイレクトコンバージョン受信機であって、
   マルチキャリアＲＦ信号を受信するためのアンテナと、
   前記アンテナと復調器との間のインターフェースを提供するＲＦ増幅器であって、前記受信したマルチキャリアＲＦ信号を増幅するためのＲＦ増幅器と、
   前記マルチキャリアＲＦ信号を同相（Ｉ）および直交（Ｑ）のベースバンド信号に変換するための前記ＲＦ増幅器に結合された復調器と、
   ベースバンドステージのペアであって、各ステージがローパスフィルタおよび増幅器を備え、それぞれがＩおよびＱのベースバンド信号の１つを処理するためのベースバンドステージのペアと、
   デジタル−アナログ回路のペアであって、前記ＩおよびＱのベースバンド信号の１つをデジタルのＩおよびＱ信号の１つにそれぞれ変換するための変換器の１つとそれぞれが通信しているデジタル−アナログ回路のペアと、
   前記デジタル−アナログ回路に接続されたダイレクトコンバージョン回路であって、前記デジタルのＩおよびＱ信号を複数のチャネルに変換するためのダイレクトコンバージョン回路と、
   を備えたことを特徴とする受信機。
2. 前記複数のチャネルのそれぞれにつき１つ、前記複数のチャネルの１つをフィルタするための複数の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の受信機。
3. 前記ローパスフィルタのそれぞれの帯域幅は調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の受信機。
4. 前記ローパスフィルタの前記帯域幅を制御するための帯域幅コントロール回路をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の受信機。
5. 複数のチャネルを処理し、送信するためのマルチキャリアダイレクト変調送信機であって、
   前記複数のチャネルを受信し、デジタルの同相（Ｉ）および直交（Ｑ）信号のペアを出力するためのデジタルアップコンバータと、
   デジタル−アナログ変換器のペアであって、それぞれが前記デジタルのＩおよびＱ信号の１つを受信し、それぞれのＩおよびＱのアナログ信号をベースバンド周波数で出力するためのデジタル−アナログ変換器のペアと、
   前記ベースバンドのデジタルのＩおよびＱ信号を受信し、単一の無線周波数（ＲＦ）信号を提供するための変調器と、
   前記ＲＦ信号を送信するための送信機と、
   を備えたことを特徴とする送信機。
6. 前記ＲＦ信号を送信前に増幅するためのＲＦ増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の送信機。
7. ローパスフィルタのペアであって、それぞれが前記デジタル−アナログ変換器のそれぞれ１つに結合され、前記アナログのＩおよびＱ信号の１つをフィルタするためのローパスフィルタのペアをさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の送信機。
8. 前記ローパスフィルタの帯域幅を制御することによって、前記送信機の周波数応答を制御するための帯域幅コントロール回路をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の送信機。
9. 複数の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタであって、各ＦＩＲフィルタは前記複数のチャネルの１つに対応し、各ＦＩＲフィルタは前記複数のチャネルの１つを受信し、前記デジタルアップコンバータにフィルタ出力を提供するための複数のＦＩＲフィルタを備えたことを特徴とする請求項８に記載の送信機。
   

Images