JP4316420B2 - 自動利得制御装置、受信機及び自動利得制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、移動体通信の受信機においてレンジを広げることを目的とする自動利得制御装置に関するものである。

ところで、この自動利得制御装置は、近年のディジタル変調方式移動通信の受信機に於いて、伝搬状態の変化による受信電力の変動を補償し、復調器に於ける電力を復調品質を保てるダイナミックレンジ内に収める役割を果たしている。受信電力の制御方式としては、入力信号の値がある閾値よりも高ければゲインを下げ、別の閾値よりも低ければゲインを上げる制御を行う。特にディジタル変調無線信号は、包絡線の平均電力対尖頭電力比であるピークファクタが大きく、平均化する等の工夫が必要となる。
従来の自動利得制御装置、例えば特許文献１に記載されている自動利得制御装置では、検波装置の出力を平均化し、その後閾値と比較してゲインの上下を判定することを特徴としている。
また特許文献２に記載されている自動利得制御装置では、検波装置の出力を閾値と比較してゲインの上下判定を行った後、その判定結果を平均化することを特徴とした構成としている。

こうした自動利得制御装置では、ある１チャネルを選択して復調する際に、そのチャネルの入力信号が、常に同じ平均電力レベルで復調器に入力されるように調整されている。従って、電力検波にアナログ回路を用いた場合も、Ａ／Ｄコンバータでディジタル化してから電力計算する場合も、平均電力をもとに自動利得制御をしている。
ところが近年Ａ／Ｄコンバータの高性能化、ディジタル信号処理の高性能化により、複数のチャネルをＡ／Ｄコンバータにより取り込み、ディジタル化した後にチャネル選択する方法が可能になると、ひとつひとつのチャネルの平均電力を一定に保つ制御は不可能となる。これは各チャネルの平均電力は相関無く変動するためである。そして合成された波形を歪ませない、つまりＡ／Ｄコンバータ等、入力電力に対して線形動作するダイナミックレンジの狭い素子のレンジ内に制御する事に主眼が置かれた自動利得制御が要求されるようになってきた。

そして、近年復調器の高性能化によって同時に複数のチャネルを処理することが可能になったが、複数チャネルが重畳された信号はピーク同士が電圧加算される為に非常に大きなピーク電力が生じることになる。例えば平均電力０ｄＢｍ、尖頭電力が５ｄＢｍのディジタル変調波を２チャネル分加算した信号は、平均電力は３ｄＢｍ（電力２倍＝３ｄＢ増）、尖頭電力は１０ｄＢｍ（電圧２倍＝電力４倍＝６ｄＢ増）となり、ピークファクタは８ｄＢとなる。このように複数のチャネルを束ねたディジタル信号は、非常に大きなピークファクタを持った信号となるため、復調器の電力飽和を避ける為には、ゲインを下げる為の閾値を、ピークファクタ分だけ低く設定しておく必要がある。
ところが、移動体通信に於いては複数チャネルが同一電力で受信機に届くことはまれであり、ある時点では使用しないチャネルがある等、各々のチャネルの電力が異なる事が普通であるために、受信機に於けるピークファクタは時々刻々と変化するが、起こりうる最大のピークファクタを元に、ゲインを下げるための閾値を低く設定している。
特開昭６３−９９６２６号公報 特開平７−２６３９８６号公報

従来の自動利得制御装置は上記のように構成されており、複数の入力を取り扱う場合には、起こりうる最大のピークファクタを元に、ゲインを下げるための閾値を低く設定し、その分ゲインを上げるための閾値との差が狭まってしまうために、ゲイン制御処理回数が増え、復調データの誤り率が増えてしまうという課題がある。
また、複数のチャネルを復調処理する為に、復調器に入力される信号は広い周波数幅となり、復調処理する必要のない妨害波も復調器に入力されてしまう可能性がある。即ち、妨害波の電力がゲインを下げる為の閾値を上回ってしまうと、自動利得制御装置のゲインが下がり、復調処理中のチャネルが抑圧されて誤動作の可能性があるという課題がある。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、ピークファクタが時間と共に変化する信号でも復調データ誤り率が低い自動利得制御装置を得る事を目的としており、さらに、妨害波による誤動作を起こしにくい自動利得制御装置を得る事を目的としている。

この発明に係る自動利得制御装置は、複数のチャネル信号が重畳された入力信号の尖頭電力を算出する尖頭電力算出器と、
上記チャネル毎の入力信号の平均電力を算出するチャネル平均電力算出器と、
上記尖頭電力算出器が算出する重畳された入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超えると入力信号の利得を下げ、上記チャネル平均電力算出器が算出するいずれかのチャネルにおける入力信号の平均電力が第２の所定閾値以下になると入力信号の利得を上げる可変利得器、とを備えた。

この発明によれば、ゲインを下げるための閾値を尖頭電力と比較することで、復調器に入力される信号のピークファクタとは無関係に、復調器を飽和させないように自動利得制御装置のゲインを制御する。このため最適なゲインで復調出来ると共に、ゲイン制御処理回数が減ることで復調データ誤り率を下げる効果がある。
また、ゲインを下げるための２つ目の閾値を用意し、復調しているチャネルの平均電力が閾値よりも高い場合にのみ、尖頭電力による電力判定結果を有効とすることで、妨害波による自動利得制御装置の誤動作が避けられる効果がある。

実施の形態１．
複数の入力を取り扱う場合に、単に加算したピーク電力のみに基づいて利得制御するのではなく、他に各チャネルの平均電力も勘案して利得を制御する装置を説明する。
以下、この発明の実施の形態１における自動利得制御装置を説明する。図１において、受信機１は、複数のチャネル信号が重畳された入力に対して、その入力信号を増幅する信号増幅部２と、増幅された入力信号から各チャネルの入力信号を分離して復調する信号復調部３からなる。信号増幅部２の内部構成要素としての可変利得器４は、可変利得増幅器又は可変減衰量減衰器を用いて利得を変化させることの出来る装置である。

信号復調部３の内部構成要素としてのＡ／Ｄ変換器５は、可変利得器の出力信号をディジタル信号に変換する装置である。同じく内部構成要素の尖頭電力算出器６は、このＡ／Ｄ変換器５によりディジタル化された、複数チャネルの入力信号が合成された信号に対して尖頭電力を算出する装置である。同じくチャネル復調器７は、受信処理するそれぞれのチャネル毎に設けられた復調装置であり、チャネル数に応じて複数設けられる。チャネル平均電力算出器８は、このチャネル復調器７に入力された各チャネルの信号の平均電力を算出する装置である。
閾値９は、尖頭電力と比較するための基準電力値であり、電力判定器１０において尖頭電力算出器６で算出された電力と比較する。
また閾値１１は、各チャネルの平均電力と比較するための基準電力値であり、電力判定器１２においてチャネル復調器７にて算出された電力と比較する。

図１の構成による装置の動作を図２の動作フロー図に基づいて説明する。
図２において、ステップＳ３１において、尖頭電力算出器６で算出された合成尖頭電力が閾値９よりも大きかった場合、Ｓ３３で可変利得器４のゲインを下げる。
さらに、ステップＳ３２において、チャネル復調器７にて算出された各チャネルの電力が閾値１１よりも小さかった場合、Ｓ３４で可変利得器４のゲインを上げる。
本構成により信号復調部３を飽和させないようにゲインを下げ、また、各チャネルの復調に必要な最低電力以上の電力を確保するようにゲインを上げる処理が行われ、受信機１に入力される信号のピークファクタが時間的に変化した場合も、信号復調部３が実際に飽和する閾値９までゲインを下げる制御が行われないためにゲイン制御回数が減り、復調データ誤り率を下げることが出来る。

このことを図３の説明図により説明する。
図３（ａ）は、６つのチャネルを合成して入力とした場合を例とする、各チャネルの平均電力と、合成波平均電力と尖頭電力の例を示す図である。また図３（ｂ）は、従来どおり合成波の平均電力のみを用いて可変利得器の制御をする場合の利得切換の様子を示す図であり、図３（ｃ）は、本実施の形態における利得切換の様子を示す図である。即ち尖頭電力を検出してそれを用いて可変利得器の制御を行うと、制限されたダイナミックレンジを広く使うことが出来、ゲインを変動させる回数を減らすことができる。つまり合成された波形を歪ませ難い制御をすることができる。
図において、各チャネルのピーク値は分かりやすく１０ｄＢとしてある。時間０〜３では、合成波平均電力の大半がチャネル１であるため、ピーク値は略１０ｄＢになっているが、各チャネルが等電力になった時間８におけるピーク値は略１８ｄＢとなり、ピーク値が時間的に変動している様子が判る。

この場合、図３（ｂ）に示す従来どおりの合成平均電力のみを用いて自動利得制御を行えば、図３（ａ）における○２の閾値を合成波平均電力が上回ったときにゲインを下げ、○３の閾値を各チャネルの平均電力が下回ったときにゲインを上げる事になる。従って時間２で合成波平均電力が○２の閾値を超えるので利得を下げ、時間４の少し手前でチャネル１が○３の閾値以下となるので利得を上げる。更に時間８の少し手前で合成波平均電力が○２の閾値を超えるので利得を下げる。
他方、本実施の形態では、合成波尖頭電力も用いて自動利得制御を行い、○２の閾値に相当するのは図３（ａ）における○１の閾値になる。即ち合成波尖頭電力が時間８の手前で○１の閾値を上回ったときにゲインを下げ、各チャネルの平均電力が○３の閾値を下回ったときにゲインを上げる。図３の場合は、時間２における利得の下げ指令が無いので、ゲインの変更が１回少ない。言い換えれば、従来の方法によれば、ゲインを下げる必要が無い所でゲインを下げる処理が行われている。ゲインの変動時にデータ復調誤りが起こりやすいことから、合成波の尖頭電力を用いた自動利得制御の方が、誤りが起きにくい制御と云える。

ところで図１において、尖頭電力算出器６は、Ａ／Ｄ変換器５の入力の前に尖頭電力検出器を置く構成としてもよい。また尖頭電力算出器６及びチャネル平均電力算出器８、又は電力判定器１０、１２には、時間的平均化処理や、算出値の選別処理（ある時間的区間での最大最小値を省く処理など）を付加することができ、処理時間の向上、精度の向上を図ることも出来る。

実施の形態２．
ゲイン切換の回数を更に低減した制御装置、方法を説明する。
図４は、本実施の形態における自動利得制御装置の構成を示す図である。図において図１と異なる部分は、更に切換の基準となる閾値１３を付加し、電力判定器１４においてチャネル復調器７にて算出された電力と比較する構成としたことである。そして閾値１３よりも高く、且つ、電力判定器１０において閾値９よりも尖頭電力算出器６で算出された電力が大きかった場合に、可変利得器４のゲインを下げるようにする。

上記構成の装置による利得制御動作を説明する。
図５は、動作を示すフロー図である。図において、ゲインを増やす場合の条件が異なり、ステップＳ４１において、尖頭電力が閾値９よりも高く、かつ各チャネルの平均電力が所定の閾値１３よりも高い場合に、ステップＳ４３に移り、ゲインを下げる。
こうすることで、実際に各チャネル復調器にて復調されている信号の電力が低いのに、妨害波が閾値９よりも高い電力で入力された事で可変利得器４のゲインが下がってしまい、各チャネル復調器にて復調されている信号の電力が下がること、即ち復調データ誤りを生じてしまうという誤動作を避けることが出来る。
なお、ゲインを上げる条件、動作は実施の形態１と同様である。

また、実施の形態１と同じく、尖頭電力算出器６は、Ａ／Ｄ変換器５の入力の前に尖頭電力検出器を置く構成とすることも出来る。
また尖頭電力算出器６及びチャネル平均電力算出器８、又は電力判定器１０及び１２には、時間的平均化処理や、算出値の選別処理（ある時間的区間での最大最小値を省く処理など）を付加することができ、処理時間の向上、精度の向上を図ることが出来る。

本発明の利用例としては、特にディジタル通信にてＦＤＭＡ方式を用いた移動体通信マルチチャネル受信機に活用することが出来る。又、ソフトウェア無線機のように、設計時に受信波のピークファクタが想定出来ない時にも活用出来る。

この発明の実施の形態１における自動利得制御装置の構成を示す図である。 実施の形態１における動作フローを示す図である。 実施の形態１における動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態２における自動利得制御装置の構成を示す図である。 実施の形態２における動作フローを示す図である。

符号の説明

１ 受信機、２ 信号増幅部、３ 信号復調部、４ 可変利得器、５ Ａ／Ｄ変換器、６ 尖頭電力算出器、７ チャネル復調器、８ チャネル平均電力算出器、９ 閾値、１０ 電力判定器、１１ 閾値、１２ 電力判定器、１３ 閾値、１４ 電力判定器、Ｓ３１ 尖頭電力と閾値９との比較ステップ、Ｓ３２ 各チャネルの平均電力と閾値１１との比較ステップ、Ｓ３３ ゲインを下げるステップ、Ｓ３４ ゲインを上げるステップ、Ｓ４１ 尖頭電力と閾値９及び各チャネル平均電力と閾値１３との比較ステップ、Ｓ４３ ゲインを下げるステップ。

Claims (5)

1. 複数のチャネル信号が重畳された入力信号の尖頭電力を算出する尖頭電力算出器と、
   上記チャネル毎の入力信号の平均電力を算出するチャネル平均電力算出器と、
   上記尖頭電力算出器が算出する重畳された入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超えると入力信号の利得を下げ、上記チャネル平均電力算出器が算出するいずれかのチャネルにおける入力信号の平均電力が第２の所定閾値以下になると入力信号の利得を上げる可変利得器、とを備えたことを特徴とする自動利得制御装置。
2. 可変利得器は、尖頭電力算出器が算出する重畳された入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超えると入力信号の利得を下げることに代え、尖頭電力算出器が算出する重畳された入力信号が第１の所定閾値を超え、かつ各チャネルにおける入力信号の平均電力が第３の所定閾値以上ある場合に入力信号の利得を下げるようにしたことを特徴とする請求項１記載の自動利得制御装置。
3. 複数のチャネル信号が重畳された入力信号を増幅／減衰させる可変利得器と、
   上記可変利得器からの出力信号の尖頭電力を算出する尖頭電力算出器と、
   上記チャネル毎の入力信号を復調して出力するチャネル復調器と、
   上記チャネル復調器からの出力信号の平均電力を算出するチャネル平均電力算出器と、を備えて、
   上記可変利得器は、上記尖頭電力算出器が検出する重畳入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超えると入力信号の利得を下げ、上記チャネル平均電力算出器が算出するいずれかのチャネルにおける入力信号の平均電力が第２の所定閾値以下になると入力信号の利得を上げるようにしたことを特徴とする受信機。
4. 複数のチャネル信号が重畳された入力信号を増幅／減衰する自動利得制御装置の利得制御方法として、
   複数のチャネル信号が重畳された入力信号の尖頭電力を算出し、該算出した上記重畳入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超えると入力信号の利得を下げるステップと、
   上記チャネル毎の入力信号の平均電力を算出し、該算出した上記チャネルの入力信号の平均電力が第２の所定閾値以下になると入力信号の利得を上げるステップと、を備えたことを特徴とする自動利得制御方法。
5. 算出した重畳入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超えると利得を下げるステップに代えて、
   算出した重畳入力信号の尖頭電力が第１の所定閾値を超え、かつ各チャネルの入力信号の平均電力が第３の所定閾値以上ある場合に利得を下げるステップ、としたことを特徴とする請求項４記載の自動利得制御方法。

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