JP5178151B2 - 無線通信システム及び無線信号合成方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定間隔で設置された複数のアンテナで受信した高周波の無線信号に対してそれぞれディジタル処理を施し、合成した後に、もとの周波数の無線信号に変換する無線通信システム及び無線信号合成方法に関する。

アンテナ、周波数変換部及び増幅部を複数系統有し、それぞれの系統で受信し、増幅した無線信号を電力合成器で合成した後、合成後の無線信号を受信時の無線信号の周波数に変換して後段回路へ出力する無線通信システムがある。このような無線通信システムは、例えば、建物内の共同受信システム、適応制御型（例えば特許文献１参照）あるいはダイバーシティ受信型（例えば特許文献２参照）の無線通信システム等として広く利用されている。

特開２００７−１１０７６５号公報 特開２００５−１５９５８４号公報

従来のこの種の無線通信システムは、主たる回路がアナログ回路で構成されている。すなわち、複数系統の無線信号を増幅した後、それぞれアナログ伝送によって電力合成器に送り、電力合成器においても、無線信号の合成をアナログ手段により行っている。

電力合成をアナログ手段により行うと、無線信号を合成する受信系統数に応じて電力合成器の回路規模が大きくなり、合成の際の電力損失が増加するという問題がある。また、複数のアンテナが距離を隔てた場所に配置された場合に、電力合成器までの距離に応じて電力損失が生じるという問題もあった。

本発明の課題は、かかる問題を解消し、アンテナを含む受信系統の数が増えても容易に対応が可能で、また、各アンテナ又は受信系統が合成手段から離れて設置されていても電力損失を生じさせないようにする無線信号合成方法及びこの方法の実施に適した無線通信システムを提供することにある。

本発明の無線通信システムは、ｍ（ｍは２以上の自然数）個のアンテナと１対１に対応して設けられ、当該アンテナで受信した所定形式の無線信号を増幅するｍ個の無線部と、各無線部と１対１に対応して設けられるｍ個の信号処理部と、各信号処理部の出力を合成するディジタル合成回路と、このディジタル合成回路の後段に設けられる信号変換部とを備えるものである。
前記信号処理部は、当該無線部から出力される無線信号をディジタルデータに変換するとともに、変換したディジタルデータの値に基づいて前記無線部で増幅する無線信号の平均振幅が一定となるように制御するための利得制御データを生成し、この利得制御データを、前記無線部に出力するとともに前記ディジタル合成回路へ前記ディジタルデータと共に出力する。
前記ディジタル合成回路は、各信号処理部から出力されたデータをディジタル伝送路を通じて取り込み、取り込んだデータのうち、ディジタルデータと前記利得制御データとをそれぞれ一つのものに合成する。
前記信号変換部は、前記ディジタル合成回路から出力されたディジタルデータを前記無線信号に変換するとともに、変換された無線信号の振幅を前記ディジタル合成回路から出力された利得制御データに基づいて制御する。

ある実施の態様では、前記信号処理部は、例えば無線信号をＩ／Ｑデータに変換する直交変換回路と、変換されたＩ／Ｑデータに基づいて前記利得制御データを生成するＬｏｇ検波回路とを含み、変換したＩ／Ｑデータ及び生成された利得制御データを多重化し、多重化したデータを前記ディジタル合成回路へ出力する。
また、前記ディジタル合成回路は、例えば、それぞれ２系統で入力されるＩ／Ｑデータ及び利得制御データを合成する加算回路を多段に接続した加算回路群と、最終段の加算回路から出力されるＩ／Ｑデータを直交変調する直交変調回路とを含んで成る。
入力系統数が２ｎ（ｎは正の整数）の場合、前記加算回路は、２ｎ−１の回路数の多段接続により構成される。
前記加算回路は、入力された２系統のＩ／Ｑデータ及び利得制御データのうち、大きい方の利得制御データに対応するＩ／Ｑデータ、小さい方の利得制御データに対応するＩ／Ｑデータ、小さい方の利得制御データ、利得制御データの差分を出力する信号選択回路と、前記利得制御データを前記Ｉ／Ｑデータの振幅調整のための係数に変換する能動テーブルとを含み、前記信号選択回路から出力されるデータと前記能動テーブルから出力される係数との加算又は乗算により前記入力された２系統のＩ／Ｑデータを加算したデータを後段に出力するものである。

本発明の無線信号合成方法は、複数の受信系統で受信して得られた所定形式の無線信号を各々の受信系統の無線部で増幅し、これらを合成して一つの無線信号を得る方法において、各受信系統の無線信号をそれぞれディジタルデータに変換し、変換したディジタルデータの値に基づいて前記無線部で増幅する無線信号の平均振幅が一定となるように制御するための利得制御データを生成し、この利得制御データを、前記無線部に出力するとともに前記ディジタルデータと共に出力する段階と、各受信系統から出力されるディジタルデータ及び利得制御データをディジタル伝送路を通じて取得し、取得したこれらのデータのうちディジタルデータを前記利得制御データに従って重み付けすることによりディジタル合成し、他方、利得制御データについては所定関数に従って合成する段階と、合成されたディジタルデータを前記無線信号に変換するとともに、変換された無線信号の振幅を前記合成された利得制御データに基づいて制御する段階とを有することを特徴とする。

本発明の無線通信システムによれば、複数系統で受信された無線信号をディジタルデータに変換することにより、ディジタル合成回路までの距離に応じた電力損失の問題を解消することができる。また、各受信系統での平均振幅を一定に制御したときの利得制御データを合成し、これをディジタルデータから変換された無線信号の振幅（利得）制御にも使うようにしたので、システム利得を安定化することができる。

図１は、本発明を適用した無線通信システムの構成図である。
この無線通信システム１は、距離を隔てて配置された８つ（図１では一部省略）のアンテナ１００と、これらのアンテナ１００と１対１対応で設けられた受信部２００と、これらの受信部２００の後段に当該受信部２００と１対１対応で設けられた複数の信号処理部３００と、１つのディジタル合成回路４００とを有している。アンテナ１００，受信部２００及び信号処理部で一つの受信系統をなす。

各受信系統の受信部２００及び信号処理部３００は、すべて同じ構成となる。図１における上段部分の受信系統の例で説明すると、受信部２００は、アンテナ１００で受信された高周波の受信信号を、第１周波数変換部２０１で、その受信信号の周波数よりも低い第１周波数に変換する。変換された第１周波数の信号は、可変増幅器２０２に入力される。可変増幅器２０２は、入力された信号を増幅する。増幅された信号は、Ａ（アナログ）／Ｄ（ディジタル）変換器２０３でディジタル信号に変換された後、信号処理部３００に入力される。

Ａ／Ｄ変換器２０３に入力されるアナログ信号の平均振幅値が一定となるように可変増幅器２０２の利得が自動調整されるため、振幅が小さい信号であっても、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）を劣化させることなく、無線信号をディジタル信号に変換することができる。

信号処理部３００では、受信部２００から送られたディジタル信号を直交変換回路３０１に入力し、ここでＩ／Ｑデータに変換する。直交変換回路３０３は、変換したＩ／Ｑデータを、多重化回路３０３宛に出力するとともに、このＩ／ＱデータをＬｏｇ検波回路３０２にも出力する。Ｌｏｇ検波回路３０２は、上述した増幅器の利得及び減衰器の減衰量を制御するための利得制御データ（ｄＢで表される比率データ）を生成し、これを受信部２００の可変増幅器２０２及び多重化回路３０３に出力する。可変増幅器２０２は、この利得制御データに基づいて、入力される信号の平均振幅を一定になるように利得制御する。つまり、Ｉ／Ｑデータのレベルが過大であれば、それを減衰させるように利得を下げる。

多重化回路３０３は、Ｉ／Ｑデータと、上記の利得制御データとを多重化して多重化信号を生成し、これをディジタル伝送により、ディジタル合成回路４００へ出力する。ディジタル伝送では情報が符号化されて伝送されるので、伝送先であるディジタル合成回路４００までの距離の問題、つまりアナログ伝送時の電力損失の問題が解消される。
ディジタル合成回路４００は、複数系統のＩ／Ｑデータと利得制御データとを合成し、合成されたＩ／Ｑデータをディジタル直交変調信号に変換する。このディジタル合成回路４００の詳細については、後述する。

無線通信システム１は、さらに、ディジタル合成回路４００の出力データをアナログ信号に変換するＤ（ディジタル）／Ａ（アナログ）変換器５００と、Ｄ／Ａ変換器５００から出力されるアナログ信号の周波数をアンテナ１００で受信した無線信号と同じ周波数の信号に変換する第２周波数変換器６００と、可変減衰器７００とを有している。可変減衰器７００は、ディジタル合成回路４００で合成された利得制御データに応じて減衰量を制御することにより、システム利得を一定にする。

［ディジタル合成回路］
次に、本実施形態におけるディジタル合成回路４００について説明する。
図２は、ディジタル合成回路４００の構成図である。このディジタル合成回路４００は、それぞれ２系統のＩ／Ｑデータ及び利得制御データの加算処理を行う４つの第１加算回路４１０ａ〜４１０ｄと、それぞれ前段の２つの第１加算回路の出力の加算処理を行う２つの第２加算回路４１０ｅ，４１０ｆと、この２つの第２加算回路の４１０ｅ，４１０ｆの出力の加算処理を行う第３加算回路４１０ｇと、この第３加算回路４１０ｇから出力されるＩ／Ｑデータを直交変調信号に変換する直交変調回路４２０とを備えて構成される。
第１〜第３加算回路４１０ａ〜４１０ｇは、すべて同じ回路構成となる。

なお、図２は、８つの受信系統からの入力（Ｉ／Ｑデータ及び利得データ）の例を示しているが、入力数（受信系統数）が２^ｎ（ｎは正の整数）の場合、加算回路は、２^ｎ−１の回路数の多段接続構成により、容易に対応することができる。

［加算回路］
各加算回路４１０ａ〜４１０ｇの構成例を説明する。
図３は、図２の左最上段の加算回路４１０ａの構成例を示す図である。ここでは２系統のＩ／Ｑデータ「Ｓａ」，「Ｓｂ」及び利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」の加算処理を行う場合の例を示すが、他の加算回路４１０ｂ〜４１０ｇについても同様の構成となる。

Ｉ／Ｑデータ「Ｓａ」，「Ｓｂ」は、ＩデータとＱデータそれぞれ２の補数１６ビットであり、他方、利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」は、０〜６０［ｄＢ］、１［ｄＢ］ステップ６ビットである。これらのデータは、信号選択回路４１１及び第２ＲＯＭ４１６に入力される。
信号選択回路４１１は、所定のプログラムによって動作するファームウエアであり、入力された２系統の信号データ、すなわちＩ／Ｑデータ「Ｓａ」，「Ｓｂ」、利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」の値の大小比較処理、演算処理及び信号データの生成処理を行う。本例では、Ｉ／Ｑデータ「Ｓａ」に対応する利得制御データ「Ｇａ」と、Ｉ／Ｑデータ「Ｓｂ」に対応する利得制御データ「Ｇｂ」のうち、利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」の大小に応じて、以下の処理を行う。

（１）Ｇａ≧Ｇｂの場合
大きい方の利得制御データ「Ｇａ」に対応するＩ／Ｑデータ「Ｓａ」を信号データ「Ｓｇmax」、小さい方の利得制御データ「Ｇｂ」に対応するＩ／Ｑデータ「Ｓｂ」を信号データ「Ｓｇmin」とする。また、小さい方の利得制御データ「Ｇｂ」を信号データ「Ｇmin」（ｄＢ）、利得制御データ「Ｇａ」と利得制御データ「Ｇｂ」との差（＝Ｇａ−Ｇｂ）を信号データ「Ｇsub」（ｄＢ）とし、これらの演算処理を行う。

（２）Ｇａ＜Ｇｂの場合
大きい方の利得制御データ「Ｇｂ」に対応するＩ／Ｑデータ「Ｓｂ」を信号データ「Ｓｇmax」、小さい方の利得制御データ「Ｇａ」に対応するＩ／Ｑデータ「Ｓａ」を信号データ「Ｓｇmin」とする。また、小さい方の利得制御データ「Ｇａ」を信号データ「Ｇmin」（ｄＢ値）、利得制御データ「Ｇａ」と利得制御データ「Ｇｂ」との差（＝Ｇｂ−Ｇａ）を信号データ「Ｇsub」（ｄＢ値）とし、これらの演算処理を行う。

上述した処理の後、信号選択回路４１１は、信号選択結果となる各信号データ「Ｓｇmax」、「Ｓｇmin」、「Ｇmin」、「Ｇsub」を出力する。

信号選択回路４１１の後段には、第１ＲＯＭ４１２が設けられている。第１ＲＯＭ４１２は、利得制御データ「Ｇａ」と利得制御データ「Ｇｂ」との差分を表す信号データ「Ｇsub」（ｄＢ）を、大きい方の系統のＩ／Ｑデータ（「Ｓgmax」）に乗じるための利得減衰係数（ｄＢ換算の比率）「Ｋｓ」を予め演算し、演算結果をアドレスと対応付けて格納した一種の能動テーブルである。この能動テーブルは例えばＥＸＣＥＬ（マイクロソフト社の登録商標）関数を用いて作成することができる。すなわち、アドレスの値（６ビット）に対応する２の補数１７ビットのデータを利得減衰係数「Ｋｓ」とするために、図４に示すように、「０」〜「６３」までのアドレス毎に予めデータ（「Ｋｓ」）を演算しておく。データ（「Ｋｓ」）は『ＲＯＵＮＤ（１０の（−アドレス／２０）乗×２^１６）』より求めることができる。「ＲＯＵＮＤ（・）」関数は四捨五入を意味する。この能動テーブルのアドレスの値として、信号選択回路４１１より出力される信号データ「Ｇsub」を用いることにより、対応する利得減衰係数「Ｋｓ」を第１ＲＯＭ４１２から出力させることができる。この利得減衰係数「Ｋｓ」は、乗算器４１３に入力される。

乗算器４１３は、信号選択回路４１１から出力される信号データ「Ｓｇmax」と、第１ＲＯＭ４１２から出力される利得減衰係数「Ｋｓ」とを乗算することにより、信号データ「Ｓｇmax」に対して利得差分の重み付けを施した重み付け信号データ「ＫｓＳｇmax」を出力する。この重み付け信号データ「ＫｓＳｇmax」は、加算器４１４に入力される。

加算器４１４は、信号選択回路４１１より出力される信号データ「Ｓｇmin」と乗算器４１３より出力される重み付け信号データ「ＫｓＳｇmax」とを加算し、これにより得られた信号データ「Ｓｇab」を乗算器４１８に出力する。

第２ＲＯＭ４１５は、入力された２系統の利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」を１つの利得制御データ「Ｇａｂ」に統合して次の段に渡すためのもので、利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」の各々に対する減衰量（ｄＢ）を真数として加算し、その結果をＬｏｇ変換した値をアドレス毎に予め演算して格納した一種の能動テーブルである。
この能動テーブルは例えば上述したＥＸＣＥＬ関数を用いて作成することができる。すなわち、アドレスが１２ビット、データは６ビットで構成されるものとして、アドレス１２ビットのうち、上位アドレス６ビットを一方の系統の利得制御データ（例えば「Ｇａ」）に割り当て、下位アドレス６ビットを他方の系統の利得制御データ（例えば「Ｇｂ」）に割り当てる。そして、各アドレスの値に対応した利得制御データに対する減衰量（ｄＢ）の真数加算結果をＬｏｇ変換し、その結果を、出力すべき利得制御データとして、アドレス毎に格納する。アドレスに対して出力すべき利得制御データは、『−ＲＯＵＮＤ（１０Ｌｏｇ（１０の（−上位アドレス／１０）乗）×１０の（−下位アドレス／１０）乗））』で求めることができる。但し、出力すべき利得制御データが負となる場合は、０とする。

第２ＲＯＭ４１５の内容例を図５に示す。
図５の例では、アドレスの値「０」〜「４０９５」の各々について、上位６ビットのアドレスの値を６４で除算した数値を整数にし（小数点以下切捨て、数値が負の値の時は数値を超えない整数にする）、下位６ビットについてはアドレスの値を６４で除算した余りの数値を採用し、真数加算の値は以下のエクセル関数によって演算する。
『−ＲＯＵＮＤ（１０×Ｌｏｇ（１０の（−上位６ビットの値／１０）乗）＋１０の（−下位６ビット値／１０）乗））』
各々のアドレスの値に対応する利得制御データ（ｄＢ）は，以下のエクセル関数によって演算する。
『ＩＦ（真数加算の値＜0,0,真数加算の値）』

この能動テーブルにおいて、上位アドレス６ビットの値が前段の一方の利得制御データ（例えば「Ｇａ」）の値で、下位アドレス６ビットの値が他方の系統の利得制御データ（例えば「Ｇｂ」）の値を入力することにより、それを加算した信号データ「Ｇａｂ」を出力することができる。この信号データ「Ｇａｂ」は、後段に出力するとともに、加算器４１６へも出力される。

加算器４１６は、信号選択回路４１１より出力される信号データ「Ｇmin」から第２ＲＯＭ４１５より出力される信号データ「Ｇab」を減算した結果である信号データ「Ｇｍab」を第３ＲＯＭ４１７へ出力する。

第３ＲＯＭ４１７は、ＲＯＭのアドレスの値に対応する利得減衰係数「Ｋｍ」を出力するものである。予めアドレス毎に、演算処理により求めた信号データ「Ｇｍab」を格納してある。信号データ「Ｇｍab」は、以下のエクセル関数により求めることができる。
『ＲＯＵＮＤ（１０の−アドレス／２０）乗×２^１６）』
アドレスは６ビット、データは２の補数１７ビットで構成される。

加算器４１６より出力されるＧｍａｂを第３ＲＯＭ４１７のアドレスにアクセスすることにより、信号データ「Ｇｍab」に対応する利得減衰係数「Ｋｍ」を乗算器４１８へ出力する。

乗算器４１８は、加算器４１４より出力される信号データ「Ｓｇab」と第３ＲＯＭ４１７より出力される利得減衰係数「Ｋｍ」とを乗算する。これにより、最終的に加算回路４１０ａ〜４１０ｇに入力される２系統のＩ／Ｑデータ「Ｓａ」、「Ｓｂ」の加算結果である信号データ「ΣＳab」を、この段のＩ／Ｑデータとして後段へ出力する。

このように、本実施形態の無線通信システム１では、アンテナ１００で受信した無線信号をディジタルデータに変換することにより、ディジタル合成回路４００までの距離に応じた電力損失を生じさせずに、ディジタル合成回路４００への伝送を行うことができる。
また、２系統入力型の加算回路４１０を多段に接続するだけでディジタル合成回路を構成することができるので、Ｉ／Ｑデータの数が増減しても容易に対応することができる。しかもディジタル回路なので、加算回路４１０の増加に伴う電力損失は、アナログ手段を用いていた従来型システムに比べて格段に抑制される。
これにより、ゲートアレイなどのＬＳＩに容易に組み込みができ、より小型かつ低コストの回路の開発が可能となった。

なお、本実施形態では、加算回路４１０の構成部品として、利得制御データに対応する利得減衰係数Ｋｓ，Ｋｍを出力するために、図４にその内容例を示した第１及び第３ＲＯＭ４１２，４１７を用い、さらに、２系統の利得制御データ「Ｇａ」，「Ｇｂ」を合成した利得制御データ「Ｇａｂ」を出力するために図５にその内容例を示した第２ＲＯＭ４１５を用いたが、これらのデータは、例えば上述したＥＸＣＥＬ関数を用いて、その都度演算により求めるようにしても良い。

本発明は、建物内の共同受信システム、広域エリアでの受信システム、適応制御型あるいはダイバーシティ受信型の無線通信システム、その他複数のアンテナで受信した無線信号を合成して一つの無線信号を得る用途全般に広く利用が可能である。

本発明を適用した無線通信システムの構成図。 ディジタル合成回路の構成図。 加算回路の構成図。 利得制御データに対する係数を求める第１及び第３ＲＯＭの内容説明図。 ２つの利得制御データを真数加算する第２ＲＯＭの内容説明図。

符号の説明

１ 無線通信システム
１００ アンテナ
２００ 無線部
２０１ 第１の周波数変換器
２０２ 可変増幅器
２０３ Ａ／Ｄ変換器
３００ 信号処理部
３０１ 直交変換回路
３０２ Ｌｏｇ検波回路
３０３ 多重化回路
４００ ディジタル合成回路
４１０ 加算回路
４１１ 信号選択回路
４１２，４１５，４１７ ＲＯＭ（能動テーブル）
４１３，４１８ 乗算器
４１４，４１６ 加算器
４２０ 直交変調回路
５００ Ｄ／Ａ変換器
６００ 第２の周波数変換器
７００ 可変減衰器

Claims (6)

1. ｍ個のアンテナと１対１に対応して設けられ、当該アンテナで受信した所定形式の無線信号を増幅するｍ個の無線部と、各無線部と１対１に対応して設けられるｍ個の信号処理部と、各信号処理部の出力を合成するディジタル合成回路と、このディジタル合成回路の後段に設けられる信号変換部とを備えており、
   前記信号処理部は、当該無線部から出力される無線信号をディジタルデータに変換するとともに、変換したディジタルデータの値に基づいて前記無線部で増幅する無線信号の平均振幅が一定となるように制御するための利得制御データを生成し、この利得制御データを、前記無線部に出力するとともに前記ディジタル合成回路へ前記ディジタルデータと共に出力し、
   前記ディジタル合成回路は、各信号処理部から出力されたデータをディジタル伝送路を通じて取り込み、取り込んだデータのうち、ディジタルデータと前記利得制御データとをそれぞれ一つのものに合成し、
   前記信号変換部は、前記ディジタル合成回路から出力されたディジタルデータを前記無線信号に変換するとともに、変換された無線信号の振幅を前記ディジタル合成回路から出力された利得制御データに基づいて制御する、
   無線通信システム。
2. 前記信号処理部は、無線信号をＩ／Ｑデータに変換する直交変換回路と、変換されたＩ／Ｑデータに基づいて前記利得制御データを生成するＬｏｇ検波回路とを含み、変換したＩ／Ｑデータ及び生成された利得制御データを多重化し、多重化したデータを前記ディジタル合成回路へ出力する、
   請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記ディジタル合成回路は、それぞれ２系統で入力されるＩ／Ｑデータ及び利得制御データを合成する加算回路を多段に接続した加算回路群と、最終段の加算回路から出力されるＩ／Ｑデータを直交変調する直交変調回路とを含んで成る、
   請求項１記載の無線通信システム。
4. 入力系統数が２ｎ（ｎは正の整数）の場合、前記加算回路は、２ｎ−１の回路数の多段接続により構成される、
   請求項３記載の無線通信システム。
5. 前記加算回路は、入力された２系統のＩ／Ｑデータ及び利得制御データのうち、大きい方の利得制御データに対応するＩ／Ｑデータ、小さい方の利得制御データに対応するＩ／Ｑデータ、小さい方の利得制御データ、利得制御データの差分を出力する信号選択回路と、前記利得制御データを前記Ｉ／Ｑデータの振幅調整のための係数に変換する能動テーブルとを含み、
   前記信号選択回路から出力されるデータと前記能動テーブルから出力される係数との加算又は乗算により前記入力された２系統のＩ／Ｑデータを加算したデータを後段に出力する、
   請求項４記載の無線通信システム。
6. 複数の受信系統で受信して得られた所定形式の無線信号を各々の受信系統の無線部で増幅し、これらを合成して一つの無線信号を得る方法において、
   各受信系統の無線信号をそれぞれディジタルデータに変換し、変換したディジタルデータの値に基づいて前記無線部で増幅する無線信号の平均振幅が一定となるように制御するための利得制御データを生成し、この利得制御データを、前記無線部に出力するとともに前記ディジタルデータと共に出力する段階と、
   各受信系統から出力されるディジタルデータ及び利得制御データをディジタル伝送路を通じて取得し、取得したこれらのデータのうちディジタルデータを前記利得制御データに従って重み付けすることによりディジタル合成し、他方、利得制御データについては所定関数に従って合成する段階と、
   合成されたディジタルデータを前記無線信号に変換するとともに、変換された無線信号の振幅を前記合成された利得制御データに基づいて制御する段階とを有する、
   無線信号合成方法。

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