JP2009522837A

JP2009522837A - 広帯域通信用受信機および無線ローカルエリア・ネットワーク内の無線装置からデータフレームを受信する方法。

Info

Publication number: JP2009522837A
Application number: JP2008548051A
Authority: JP
Inventors: デビットジェンズ
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2009-06-11
Also published as: CN101346887A; WO2007074413A1; EP1969728A1

Abstract

本発明は、広帯域通信用受信機(1)、特に無線ローカルエリア・ネットワークにおける受信機に関するものであり、この受信機は、アンテナ(2,2.1,2.2)に接続された低雑音増幅器を含むアンテナ・インターフェースモジュール(RFM)と、前段の無線周波数増幅器(5)を含むアナログ・フロントエンド部(AFE)と、増幅した無線周波数信号(ｆ_RF)を直接、ベースバンドにダウンコンバートして差動ＩＱ信号(IQ)にするダイレクト・ダウンコンバータ(6)と、この差動ＩＱ信号(IQ)を増幅して飽和させる後段の増幅器(8.1,8.2)と、増幅したＩＱ信号(IQ)をビット単位で直接処理するベースバンド・コントローラ(7)とを具えている。

Description

（発明の分野）
本発明は、広帯域通信用受信機、特に無線ローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）における受信機、及び無線ローカルエリア・ネットワーク内の無線装置からデータフレームを受信する方法に関するものである。

（発明の背景）
一般に、無線通信システムは、一つ以上のベースバンド情報信号の一つ以上の搬送波信号上への変調、結果的なバンドパス（帯域通過）信号の送信、および受信機において一つ以上の上記ベースバンド情報信号を再生する復調を含む。この様な無線通信システムは、例えばポケットＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯電話、ディジタルカメラ、等の電子装置の一部分をなす。

この様な通信システムは広帯域受信機を含み、これらの受信機は一般にヘテロダインまたはスーパーヘテロダイン技術を採用し、これらの技術は、入力無線周波信号（ＲＦ信号または搬送波（キャリア）周波数信号と略称する）を、何らかの好都合な中間周波数（ＩＦと略称する）に、あるいは直接ベースバンド（または０ヘルツ付近）にダウンコンバートまたはアップコンバートすること、及び上記ＩＦ信号またはベースバンド信号を復調することを含む。

以前のスーパーヘテロダイン・アーキテクチャを含む受信機の設計は、ＩＦフィルタリングを必要とし、消費電力が高額であった。ダイレクトコンバージョンゼロ（なし）のＩＦ受信機は、これらのパラメータを改善する。

米国特許第６２３００００号明細書

従来のダイレクトコンバータの別な単純な解決法は、米国特許第６２３００００号明細書に記載されている。この明細書に記載されているダイレクト・ダウンコンバータは、従来のダイレクトコンバージョンの設計に対してより改善されている。詳細には、信号をベースバンドに変換するこのコンバータは、ＲＦ周波数の１周期当たり４回、ＲＦ波形をサンプリングすべく動作する転換スイッチ（転極器）を含む。ＲＦ波形のサンプルは時間積分されて、０°、９０°、１８０°および２７０°において平均電圧が生成される。０°における平均電圧はベースバンド同相信号であり、９０°における平均電圧はベースバンド直交信号である。

本発明の目的は、無線ＬＡＮにおける、複雑性が極めて低く、また高性能で低電力の広帯域通信用受信機、及び無線装置からデータフレームを受信する方法の仕様を定めることにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を具えた広帯域受信機によって解決され、そして請求項１２に記載の特徴を具えた方法によって解決される。

本発明の有利な好適例は、それぞれの従属な請求項に記載されている。

（発明の概要）
本発明は、米国特許第６２３００００号明細書に記載のダイレクト・ダウンコンバータに基づく新規の広帯域通信用受信機を含む。特に、この広帯域通信用受信機は、アンテナに接続され、無線周波信号を受信して増幅する低雑音増幅器を含むアンテナ・インターフェースモジュールを具えている。無線周波増幅器および上記ダウンコンバータを含むアナログ・フロントエンド部を設けて、受信して増幅した無線周波信号を直接、ベースバンドにダウンコンバートしてベースバンド・コントローラ用の差動ＩＱ信号にする。その後に、増幅器がこれらの差動ＩＱ信号を増幅して飽和させ、これにより、この増幅器の出力端子はベースバンド・コントローラのデジタル入力端子に直接接続され、このベースバンド・コントローラはこれらの差動ＩＱ信号をビット単位で処理する。こうした構造の受信機の利点は、従来のアナログ−デジタル変換器をなくすことによる非常に単純な設計にある。さらに、こうした構造の受信機は、最少の構成要素で独自の例外的高性能を有する。従って、こうした受信機は、非常に単純で複雑性が低く、低電力かつ低コストである。

本発明の好適例では、上記ダイレクト・ダウンコンバータがプロダクト検波器であり、このプロダクト検波器は、増幅された無線周波数信号に応答した入力信号を有する転換スイッチをコンデンサと共に具えて、上記入力信号の一部分を積分し、かつ上記差動ＩＱ信号を生成するための２つの出力端子を有する。こうしたダイレクト・ダウンコンバータは、米国特許第６２３００００号明細書に詳細に記載されている。詳細には、記載されているダウンコンバータは、ベースバンド同相信号を生成するための０°出力である一方の出力、及びベースバンド直交信号を生成するための９０°出力である他方の出力を具えている。

本発明の別な態様では、前記転換スイッチの動作速度を制御入力信号によって制御する。上記転換スイッチは例えば、局部発振器の周波数の４倍に等しい周波数の制御入力信号によって回転する４位置のロータリー（回転）スイッチである。単純なダイレクト・ダウンコンバータを有する非常に単純な受信機では、局部発振器の周波数が無線周波数（搬送波周波数とも称する）に等しいことが有利である。換言すれば、制御入力信号の周波数は無線周波信号の４倍に等しい。転換スイッチは正確に無線周波数で回転するので、各コンデンサは１回転毎に１回、信号をサンプリングする。このことは、各コンデンサが正確に１サイクルの４分の１の時間だけＲＦの振幅を追跡記録（トラック）し、この１サイクルの残り時間中はその値を保持することを意味する。０°と１８０°のコンデンサは差動的に加算されて同相信号を供給し、９０°と２７０°のコンデンサは加算されて直交信号を供給する。

他の好適例では、上記局部発振器の周波数が、ベースバンド・コントローラのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣと略称する）、いわゆるシグマ−デルタＤＡＣのデジタル出力、及びその後段のフィルタ、特にローパスフィルタによって発生される制御電圧によって決まる。局部発振器制御ループのベースバンド・コントローラ内への統合は、さらにコストおよび電力を節減する最も簡単な方法の１つである。特に、ベースバンド・コントローラ内の能動構成部品をなくすことができる。

さらに、ベースバンド・コントローラは、受信したフレームのプリアンブルの評価による搬送波周波数入力の位相、時間および周波数トラッキング（追跡記録）用の少なくとも１つの手段を具えている。この場合も、ベースバンド・コントローラ内の更なる能動構成部品をなくすことができる。

ダウンコンバータの差動ＩＱ出力信号を増幅するために、差動ＩＱ信号用のダウンコンバータの２つの出力端子の各々を増幅器に接続する。このことにより、増幅されたＩＱ信号は、ベースバンド・コントローラ（ベースバンド・プロセッサとも称する）のデジタル・オーバーサンプリング入力パッドに直接接続することができる。追加的なアナログ−デジタル変換器をなくすことができる。このことは受信機のハードウェア設計を簡略化する。

本発明の他の特徴によれば、各検波器の出力端子をローパスフィルタに接続して、ベースバンド・コントローラ用のデジタル化した入力信号に関連する帯域を選択する。

本発明の代案の好適例では、上記アンテナ・インターフェースモジュールが複数のアンテナを具え、その後段に、これらのアンテナの１つを選択するためのアンテナスイッチを具えている。このアンテナスイッチがベースバンド・コントローラに接続され、ベースバンド・コントローラの選択機能（例えばダイバーシティ選択機能）によって発生される選択信号によって、関連するアンテナが決定されることが有利である。このことは受信機のハードウェア設計を簡略化する。

要約すれば、本発明は、フレキシブルかつ単純な方法で、広帯域受信機を低コスト、高性能、また低出力にすることを記載する。

（実施例の詳細な説明）
図１は、無線周波数ｆ_RFを受信するアンテナ２を有する広帯域受信機１のアーキテクチャ全体の概略ブロック図を示す。更に説明する広帯域受信機１は、IEEE802.11b規格に基づいて動作するように設計されたいわゆるＷＬＡＮ受信機に適用可能である。こうした受信機は、送受信範囲および高いデータ転送レートが問題にならないＷＬＡＮ対応コードレス・ヘッドホンまたは電話機のような消費者製品の一部分とすることができる。

受信した無線周波信号ｆ_RFは、アンテナ２に接続された低雑音増幅器３において増幅される。アンテナ２および低雑音増幅器３は、例えばアンテナ・インターフェースモジュールＲＦＭ（無線周波数部とも称する）の構成要素である。低雑音増幅器３は、例えば約２０dBのゲインブロックであり、３dB未満の雑音指数を伴う。

アナログ・フロントエンド部ＡＦＥは、標準的なバンドパスフィルタ４およびバッファ増幅器５を含み、バッファ増幅器５は、その後段のダイレクト・ダウンコンバータ６内への５０オームの一定出力インピーダンスを確保する。バンドパスフィルタ４は、２４００MHz〜２５００MHzの帯域で動作する。バッファ増幅器５は、５０オームの出力インピーダンスにより、ダイレクト・ダウンコンバータ６の優れた素子分離を提供する。ダウンコンバータ６は、米国特許第６２３００００号明細書に記載されている既知のダイレクト・ダウンコンバータに基づく。

ダイレクト・ダウンコンバータ６は、増幅してフィルタ処理した無線周波信号ｆ_RFをベースバンドにダウンコンバートして、後段のベースバンド・コントローラ７用の差動ＩＱ信号にする。ダイレクト・ダウンコンバータ６のＩＱ信号を処理するために、ＩＱ信号を別個の増幅器８．１および８．２で増幅して飽和させる。ベースバンド・コントローラ７は、増幅されたＩＱ信号をビット単位で処理（例えば逆拡散、復号化、差動復号化、プリアンブル検出、フレーミング（フレーム化）など）する。最も単純な方法では、このことはベースバンド・プロセッサによって直接行うことができる。

ダイレクト・ダウンコンバータ６のチャネルの中心を決定するために、コンバータ６を制御入力信号ｆ_Cによって制御し、制御入力信号ｆ_Cは、ベースバンド・プロセッサ７のデジタル出力によって発生される制御電圧Ｕ_Cによって決まる。上記制御入力信号ｆ_Cの周波数は、局部発振器９の局部発振周波数ｆ_LOの４倍に等しく、局部発振周波数ｆ_LOの周波数は無線周波数信号の周波数ｆ_RF（搬送波周波数とも称する）に等しい。

図２に、受信した無線周波数ｆ_RFのベースバンドへのダイレクト・ダウンコンバージョンに基づく広帯域受信機１のアーキテクチャの可能な実施例をより詳細に示す。

受信した無線周波信号ｆ_RFは、２つのアンテナ２．１、２．２およびこれらに関連する低雑音増幅器３．１、３．２を通って受信機１に入る。さらに、アンテナ２．１または２．２の一方を選択するための随意的なアンテナスイッチ１０を設ける。アンテナ選択信号Ｓ_qは、ベースバンド・コントローラ７内に統合された選択機能（例えばダイバーシティ機能または他の可能な選択機能）によって発生される。

無線周波信号ｆ_RFの帯域外信号は、標準的なバンドパスフィルタ４によって阻止される。バンドパスフィルタ４は、周知のセラミックフィルタとすることができる。ここまでの信号経路はおおよそ、標準的なフロントエンド部ＡＦＥを表す。

そして、ＲＦ信号ｆ_RFはバッファ増幅器５を通って進み、バッファ増幅器５の役割は、ダイレクト・ダウンコンバータ６内への例えば５０オームの一定の出力インピーダンスを保証することである。増幅器５の出力インピーダンスは、ダイレクト・ダウンコンバータ６のコンデンサＣ１〜Ｃ４と共に、１次ローパスフィルタを形成する。ダイレクト・ダウンコンバータ６は、ＲＦ信号ｆ_RFをベースバンドにダウンコンバートして差動ＩＱ信号にし、この差動ＩＱ信号はその後にバッファ増幅されてシングルエンドに逆変換され、必要な選択性を提供するローパスフィルタのチェーン１１．１および１１．２を通る。

より詳細には、ダイレクト・ダウンコンバータ６はプロダクト検波器であり、増幅された無線周波数信号ｆ_RFに応答した入力信号を有する転換スイッチＳＳをコンデンサＣ１〜Ｃ４と共に具えて、上記入力信号の一部分を積分し、かつ上記差動ＩＱ信号を生成するための２つの出力端子Ａ１及びＡ２を有する。詳細には、記載したダウンコンバータ６は、ベースバンド同相信号を生成するための０°出力である一方の出力Ａ１、及びベースバンド直交信号を生成するための９０°出力である他方の出力Ａ２を具えている。

転換スイッチＳＳは、４位置のロータリースイッチである。スイッチＳＳの動作速度は制御入力信号ｆ_Cによって制御される。ＳＳは制御入力信号ｆ_Cによって回転し、制御入力信号ｆ_Cの周波数は局部発振器の周波数ｆ_LOの４倍に等しい。局部発振器の周波数ｆ_LOは無線周波数信号ｆ_RF（搬送波周波数とも称する）の周波数に等しい。換言すれば、制御入力信号の周波数は、無線周波数信号の周波数の４倍に等しい。ＳＳは正確に無線周波数ｆ_RFで回転するので、Ｃ１からＣ４の各コンデンサは１回転毎に１回、信号をサンプリングする。０°と１８０°のコンデンサＣ１およびＣ２は差動的に加算されて同相信号を供給し、９０°と２７０°のコンデンサＣ３およびＣ４は加算されて直交信号を供給する。

ＩＱ信号の出力Ａ１およびＡ２は増幅され、この例では、振幅制限されてデジタル信号としてベースバンド・コントローラ７に供給される。ベースバンド・コントローラ７はサンプリングタスクを実行し、そして結果的なビットストリームをデジタル処理（例えば逆拡散、ＣＣＫ（相補型符号変調）復号化、差動復号化、プリアンブル検出、フレーミング等）する。

ダイレクト・ダウンコンバータ６は、チャネルの中心を決定する制御周波数入力ｆ_Cを必要とする。これは低位相雑音発振器９によって発生する。局部発振器９の出力周波数または制御周波数ｆ_Cは、ベースバンド・プロセッサ７内のシグマ−デルタＤＡＣ、及びその後段のフィルタ１２、特にローパスフィルタによって発生される制御電圧Ｕ_Cによって決まる。ベースバンド・プロセッサ７内のソフトウェアおよびハードウェアは、利用可能なすべてのチャネルを盲目的にスキャンして１つのチャネルを選択し、位相および周波数のオフセットを追跡記録する手段を提供しなければならない。このことは、例えば受信したフレームの信号プリアンブルの評価（挑戦的である）、または追加的ハードウェアによって行うことができる。

説明した受信機１は、次の随意的で好適な特徴を含む極度に簡略化した１つの可能な実現を表す。

追加的な最適化は、恐らくは、従来のＰＬＬ分周器および位相検出器を除外し、代わりにベースバンド・コントローラ７を経由して搬送波発振器の制御ループを閉じることによって実行することができる。この構造はコストおよび電力をさらに節減する。

さらに、増幅器８．１および８．２によって、ダイレクト・ダウンコンバータ６のＩＱ出力信号を増幅して飽和させ、これらの増幅器の出力を、ベースバンド・プロセッサ７のデジタル・オーバーサンプリング入力パッドに直接接続することが可能である。

（参照符号のリスト）
１受信機
２アンテナ
３低雑音増幅器
４バンドパスフィルタ
５バッファ増幅器
６ダイレクト・ダウンコンバータ
７ベースバンド・コントローラ
８増幅器
９発振器
１０アンテナ選択スイッチ
１１．１、１１．２ローパスフィルタ
１２ローパスフィルタ
ｆ_RF 無線周波信号
ｆ_LO 局部発振周波数信号
ｆ_C 制御入力信号（周波数信号）
Ｕ_C 制御電圧

本発明による、受信した無線周波数のベースバンドへのダイレクト・ダウンコンバージョンに基づく広帯域受信機のアーキテクチャ全体の概略ブロック図である。受信した無線周波数のベースバンドへのダイレクト・ダウンコンバージョンに基づく広帯域受信機のアーキテクチャの可能な実施例を示す図である。

Claims

広帯域通信用受信機、特に無線ローカルエリア・ネットワーク用の受信機において、
アンテナに接続された低雑音増幅器を含むアンテナ・インターフェースモジュールと；
前段の無線周波数増幅器を含むアナログ・フロントエンド部と、
前記無線周波数増幅器によって増幅された無線周波数信号を直接、ベースバンドにダウンコンバートして差動ＩＱ信号にするダイレクト・ダウンコンバータと；
前記差動ＩＱ信号を増幅して飽和させる後段の増幅器と；
前記増幅した差動ＩＱ信号をビット単位で直接処理するベースバンド・コントローラと
を具えていることを特徴とする広帯域通信用受信機。
前記ダイレクト・ダウンコンバータがプロダクト検波器であり、前記プロダクト検波器は、前記増幅された無線周波数信号に応答した入力信号を有する転換スイッチをコンデンサと共に具えて、前記入力信号の一部分を積分し、かつ前記差動ＩＱ信号を生成するための２つの出力端子を有することを特徴とする請求項１に記載の広帯域通信用受信機。
前記２つの出力端子の一方は、ベースバンド同相信号を生成するための０°出力であり、前記２つの出力端子の他方は、ベースバンド直交信号を生成するための９０°出力であることを特徴とする請求項２に記載の広帯域通信用受信機。
前記差動ＩＱ信号用の前記２つの出力端子の各々が、前記後段の増幅器に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の広帯域通信用受信機。
前記転換スイッチの動作速度が、制御入力信号によって制御されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の広帯域通信用受信機。
前記制御入力信号の周波数が、局部発振器の周波数の４倍に等しく、前記局部発振器の周波数は、前記無線周波信号の周波数に等しいことを特徴とする請求項５に記載の広帯域通信用受信機。
前記局部発振器の周波数は、前記ベースバンド・コントローラのデジタル−アナログ変換器、及びその後段のフィルタによって発生される制御電圧によって決まることを特徴とする請求項６に記載の広帯域通信用受信機。
前記２つの出力端子の各々が、前記ベースバンド・コントローラ用の前記差動ＩＱ信号に関連する帯域を選択するためのローパスフィルタに接続されていることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の広帯域通信用受信機。
前記ベースバンド・コントローラが、受信したフレームの信号プリアンブルを評価することによって、前記無線周波数信号の位相、時間および周波数を追跡記録するための少なくとも１つの手段を具えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の広帯域通信用受信機。
前記アンテナ・インターフェースモジュールが、複数のアンテナと、前記複数のアンテナの後段にあり、前記複数のアンテナの１つを選択するためのアンテナスイッチとを具えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の広帯域通信用受信機。
前記アンテナスイッチが前記ベースバンド・コントローラに接続され、前記ベースバンド・コントローラの選択機能、例えばダイバーシティ選択機能によって発生される選択信号によって、前記複数のアンテナの１つを決定することを特徴とする請求項１０に記載の広帯域通信用受信機。
無線ローカルエリア・ネットワーク内の無線デバイスからデータフレームを受信する方法において、
無線周波数信号を受信するステップと；
前記受信した無線周波数信号を増幅するステップと；
前記増幅した無線周波数信号を直接、ベースバンドにダウンコンバートして差動ＩＱ信号にするステップと；
前記差動ＩＱ信号を増幅して飽和させるステップと；
前記差動ＩＱ信号を、前記ベースバンド・コントローラによってビット単位で直接処理するステップと
を具えていることを特徴とするデータフレームの受信方法。
前記増幅した無線周波数信号に応答した入力信号の一部分を、ダイレクト・ダウンコンバータの転換スイッチとコンデンサとの組合せによって積分することと；
前記ダイレクト・ダウンコンバータの２つの出力端子において、前記差動ＩＱ信号を生成することと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
０°出力であるベースバンド同相信号を、前記２つの出力端子の一方に生成させることと；
９０°出力であるベースバンド直交信号を、前記２つの出力端子の他方に生成することと
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記差動ＩＱ信号用の前記２つの出力端子の各々を、増幅器に接続することを含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
前記転換スイッチの動作速度を、制御入力信号によって制御することを含むことを特徴とする請求項１３〜１５いずれかに記載の方法。
前記制御入力信号の周波数が、局部発振器の周波数の４倍に等しく、前記局部発振器の周波数は、前記無線周波数信号の周波数に等しいことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記ベースバンド・コントローラのデジタル−アナログ変換器、及びその後段のフィルタによって発生される制御電圧によって、前記局部発振器の周波数を決定することを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
前記２つの出力端子の各々を、前記ベースバンド・コントローラ用の前記差動ＩＱ信号に関連する帯域を選択するためのローパスフィルタに接続することを含むことを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の方法。
前記ベースバンド・コントローラにおいて、受信したフレームの信号プリアンブルを評価することによって、前記無線周波数信号の位相、時間および周波数を追跡記録することを含むことを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかに記載の方法。