JP5935631B2 - 補償装置及び無線通信装置 - Google Patents
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Description
歪の要因としては、直交復調器における直交度のずれ、及び、I/Qゲイン不平衡(アナログ直交復調器内のI/Q不平衡)などがある。直交度のずれ及びIQゲイン不平衡(I/Q不平衡)によって生じる歪は、イメージ成分とよばれる。
本発明者は、このフィルタの周波数特性差が、イメージ成分を十分に除去できない原因となっていることを発見した。
ある観点からみた前記本発明によると、第1フィルタ及び第2フィルタの周波数特性差を補償することができるため、イメージ成分を十分に除去できない原因を減少させて、イメージ成分の除去をより効果的に行うことができる。
[1.通信装置の構成]
図1は、送受信機能を有する無線通信装置における受信機の構成を示している。なお、無線通信装置は、無線基地局装置又は無線端末装置として用いられる。また、図1の構成は、受信機に限らず、自身の無線通信装置の送信機から送信された送信信号を監視(送信アンプのDPD(歪補償)のための監視など)するために、自身が送信した送信信号を受信するモニタ装置としても使用できる。
この受信機1は、図示しないアンテナで受信した受信信号を増幅する増幅器(ローノイズアンプ)2、受信信号の利得調整を行う可変アッテネータ3、受信信号の直交復調を行う直交復調器5を備えている。
受信機1は、更に、直交復調器5から出力された直交復調信号(I/Q信号)それぞれを増幅する増幅器51a,51b、I/Q信号それぞれに対するフィルタリング処理を行うフィルタ(ローパスフィルタ)53a,53b、アナログI/Q信号をデジタル信号に変換するADC6a,6bを備えている。
直交復調補償部7及び利得補償部8は、デジタル信号処理によって補償処理を行うよう構成されている。直交復調補償部7は、ADC6a,6bによってデジタル信号に変換されたI/Q信号を受け付けて補償処理を行う。
1)発振器5aから注入される搬送周波数の漏れ(feed throgh)
2)π/2移相器5bの製造ばらつきに起因する直交度のずれ
3)直交復調器5からADC6a,6bまでの間の2つのパスで生じるゲイン不平衡
4)DCオフセット
などが挙げられる。
図2は、ローカルリーク除去部7aと、イメージ成分除去部7bと、だけを有する直交復調補償部7を示している。
イメージ成分除去部(QDC_IR;Quadrature DemodulatorCorrection_Image Rejection)7bは、直交復調歪のうち、イメージ成分を除去する。イメージ成分は、直交度のずれ及び/又はゲイン不平衡を原因として発生する。
なお、ローカルリークは、信号の有無にかかわらず観測できる。イメージ成分は信号によって歪の生じ方が変化する。
補償パラメータR11,R21,R22,dc1,dc2は、制御部9によって算出される。
本発明者は、I信号に対してフィルタリング処理を行う第1LPF(第1フィルタ)53aの周波数特性と、Q信号に対してフィルタリング処理を行う第2LPF(第2フィルタ)53bの周波数特性と、の特性差が、メージ成分の抑圧が十分にできない原因ではないかと考えた。
そこで、本発明者は、アナログフィルタ(LPF)53a,53bの周波数特性の特性差が、イメージ成分の抑圧が十分にできない原因となるか、シミュレーションにて検証した。
このシミュレーションでは、LPF53a,53bの群遅延差として、−1[ns],−0.75[ns],−0.5[ns],−0.25[ns],0[ns],0.25[ns],0.5[ns],0.75[ns],1[ns]の場合それぞれについて評価した。なお、群遅延差がマイナスの場合はI信号が先行し、群遅延差がプラスの場合はQ信号が先行することを意味する。0[ns]は群遅延差なし、を意味する。
群遅延差=0.00[ns] : 位相差=±0.0[degree]
群遅延差=0.25[ns] : 位相差=±0.9[degree]
群遅延差=0.50[ns] : 位相差=±1.8[degree]
群遅延差=0.75[ns] : 位相差=±2.7[degree]
群遅延差=1.00[ns] : 位相差=±3.6[degree]
となっており、図3より、わずかな位相差があっても、イメージ抑圧を抑制する原因となっていることがわかる。
非対称等化部7cは、LPF53a,53bの周波数特性差を補償することで、イメージ成分除去部7bとともにイメージ成分を除去することができる。
図2に示す直交復調補償部7の構成では、直交復調器5、増幅器51a,51b、ADC6a,6bにて生じる理想特性からのずれを補償することはできても、LPF53a,53bがイメージ成分の抑圧を阻害するのを抑制できなかったが、図4に示す直交復調補償部7では、LPF53a,53bがイメージ成分の抑圧を阻害するのを抑制できるため、図2に示す直交復調補償部7よりもさらに効果的にイメージ成分を除去することができる。
遅延部7cは、第1LPF53aによって生じる群遅延と第2LPF53bによって生じる群遅延と、の間の群遅延差を抑制することで、両フィルタ53a,53bによる周波数特性差を解消している。
第1遅延処理部71は、N遅延器(Z−N)を有して構成されており、I信号に対してN遅延(単位遅延Z−1のN倍の遅延;所定の遅延量)を生じさせる遅延処理を行うよう構成されている。
第2遅延処理部72は、FIRフィルタとして構成されている。FIRフィルタとして構成された第2遅延処理部71によって、Q信号が処理されるQ−チャネルにおける周波数特性を、I信号が処理されるI−チャネルと同一にすることができる。これにより、イメージ抑圧量の改善が図られる。
なお、第2遅延処理部72は、IIRフィルタとして構成されていてもよい。
2N+1個の乗算器722において乗じられる2N+1個のパラメータkN,kN−1,・・・,k1,k0,k−1,・・・,k−Nが、フィルタ53a,53bの周波数特性差を除去するための補償パラメータ(第3補償パラメータ)である。これらの補償パラメータkN,kN−1,・・・,k1,k0,k−1,・・・,k−Nは、制御部9によって算出される。
なお、式2において、*(n・T)は、サンプリング間隔T(秒)としたときの時刻n×Tにおけるアナログ信号を示す。
第1遅延処理部71の遅延量Nを基準とすると、Z−0(図4において遅延器としては図示されていない)及びZ−1〜Z−Nの遅延器721−1〜721−Nは、(遅延量Nの遅延、及び)遅延量Nよりも小さい遅延量の遅延、を生じさせる第1処理を行うことができ、Q信号がI信号に対して遅れている場合の群遅延差を抑制する。
また、第1遅延処理部71の遅延量Nを基準とすると、Z−N〜Z−2Nの遅延器721−N〜721−2Nは、(遅延量Nの遅延、及び)遅延量Nよりも大きい遅延量の遅延、を生じさせる第2処理を行うことができ、I信号がQ信号に対して遅れている場合の群遅延差を抑制するためのものである。
なお、第1遅延処理部71をQ−チャネルに設け、第2遅延処理部72をI−チャネルに設けてもよい。
また、I信号とQ信号のどちらが遅れているかがわかっている場合には、第1遅延処理部を省略し、第2遅延処理部72の次数をNとするとともに、第2遅延処理部72を遅れている信号側のチャネルに設けてもよい。
図5の直交復調補償部7は、図4と同じ補償処理を行えるが、イメージ成分除去部7bの乗算器を一つ省略でき、回路の簡素化が図られている。
このシミュレーションでは、第2遅延処理部72の次数2Nが、0,2,4,6,8である場合それぞれについて評価した。
図6に示すように、第2遅延処理部72の次数が大きくなるほど、イメージ抑圧性能が向上していることがわかる。ただし、図6の結果では、群遅延差1[ns]程度であれば、次数を6程度にすることで、イメージ抑圧性能が飽和した。
そして、図4の直交復調補償部7による補償を行うと、さらにイメージ成分を抑圧でき、イメージレベルが−68.459[dBc]となる。
このように、図4の直交復調補償部7による補償を行うと、イメージ抑圧性能が改善することがわかる。
ここでは、図1に示す回路におけるLPF53a,53bとして、複数の異なる条件のLPF(LPF−A,LPF−B,LPF−C)を用いた。また、同一条件のLPFについて、それぞれ4つの回路(No.1〜No.4)を製作した。つまり、ある条件のLPF−Aについて、4つの回路(No.1〜No.4)を製作し、別の条件のLPF−Bについて、4つの回路(No.1〜No.4)を製作し、さらに別の条件のLPF−Cについて、4つの回路(No.1〜No.4)を製作した。
図8において、「補償前」は、図4の直交復調補償部7による補償を行わない場合のイメージレベルを示している。LPFの条件が異なる場合はもちろん、同一条件のLPFであっても、LPFを構成する素子のばらつきにより回路の特性が微妙に変化してしまい、イメージレベルには差があることがわかる。
図8から明らかなように、第2遅延処理部72の次数2Nを4以上にすると、イメージ成分を−65[dBc]に抑えることが出来る。
第1フィルタ53a及び第2フィルタ53bの次数がNであれば、これらのフィルタ53a,53bの周波数特性差を抑制するには、最大でも次数NのFIRフィルタとして構成された第2遅延処理部72があればよい。そして、本実施形態の第2遅延処理部72は、
I信号,Q信号のどちらが遅れているかわからない場合でも対応できるようにするため、周波数特性差抑制に必要な次数Nの2倍の次数を有するフィルタとして構成されている。
以上より、第2遅延処理部72の次数は、第1フィルタ53a及び第2フィルタ53bの次数をNとした場合に、2N以下であればよい。
なお、図4に示すように、直交復調補償部7は、ローカルリーク除去部7aと、イメージ成分除去部7bと、非対称等化部(遅延部)7cと、を備えているが、前記補償装置が直交復調器5によって生じたイメージ成分を除去するためだけであれば、ローカルリーク除去部7aは省略できる。
図9は、信号発生器10の回路構成を示している。信号発生器は、位相ロックループ(PLL;Phase Lock Loop)方式の発振回路に、外部信号発生器(外部信号発生部)21を付加したものである。
電圧制御発振器25の出力信号は、分周器26を介して、位相比較器22にフィードバックされ、位相ロックループが形成される。一般的な位相ロックループ方式の発振回路では、位相ロックループによって、電圧制御発振器25から、一定の周波数の信号が出力される。
すなわち、位相比較器22の出力電圧が、チャージポンプ回路23及びローパスフィルタ24を通過することで生成された原制御信号(原制御電圧)Vctrl’に、外部信号Vextが重畳された制御信号(制御電圧)Vctrlが生成される。
切替部30bにおけるON/OFF切替は、制御部9からの制御信号(Chirp/CW信号)によって行われる。
なお、コンデンサ30cは、ACカップリングの役割をし、原制御信号Vctrl’をバイアス電圧として外部信号Vextをスイングさせる機能を有している。
なお、VCO25の出力側には可変アッテネータ40が設けられており、受信機の利得を上げる際に、信号発生器10から入力される信号が飽和しないようにするため等の目的でVCO25の出力を調整することができる。可変アッテネータ40は、制御部9から調整できる。
チャープ信号のように、所定の周波数範囲fw内で周波数が時間的に変化する信号は、時間を無視すれば、周波数帯域幅がfwである信号とみなすことができる。したがって、信号発生器10は、所定の帯域幅fwの信号(基準信号)を発生する装置であるとみなすことができる。
しかし、図9に示す信号発生器10では、一般的なPLL回路に外部信号発生器21を追加するだけで、容易にチャープ信号を生成することができる。
図13に示すように、制御部9は、直交復調補償に用いる補償パラメータを演算するQDC演算部(直交復調補償演算部)31と、可変アッテネータ3及び/又は利得補償部8が利得補償を行う際に参照する補償値を演算するRxALC演算部(利得補償演算部)34を備えている。
[3.1 直交復調補償]
QDC演算部31は、直交復調器5から出力された直交復調信号(I/Q信号)を、(利得補償部8の出力側から)取得する。QDC演算部31は、取得した直交復調信号に基づいて、直交復調歪を補償するための補償パラメータを演算する。演算により求めた補償パラメータは、直交復調補償部7に適用される。直交復調補償部7は、補償パラメータを用いて、前記直交復調信号(I/Q信号)の直交復調歪を除去する。
QDC_LLR演算部(ローカルリーク演算部)32は、ローカルリークを除去するための第1補償パラメータdc1,dc2を演算する演算部である。
QDC_IR演算部(イメージ成分演算部)33は、イメージ成分を除去するための第2補償パラメータR11,R21,R22及びフィルタ53a,53bの周波数特性差を補償する第3補償パラメータkN,kN−1,・・・,k1,k0,k−1,・・・,k−Nを演算する演算部である。
なお、図5の直交復調補償部7の場合、QDC_IR演算部33で求めた第2補償パラメータR22は、非対称等化器(遅延部)7cに適用される。
なお、受信機1に受信信号の処理を行う系(図1の回路)が複数設けられている場合には、補償パラメータを演算する対象となる系の選択が、ステップS1に先立って行われる。
なお、チャープ信号の帯域は、運用の際のシステム帯域に応じて、適宜、決定できる。例えば、システム帯域に合わせて数パターンの外部信号Vext振幅を予め設定しておき、選択されたシステム帯域に応じて、どの外部信号Vextの振幅にするかを選択すればよい。また、外部信号Vextの振幅によって定まるチャープ信号帯域を、位相比較周波数frefと外部信号Vextの周波数との比の調整、チャージポンプ電流の調整、LPF24の時定数の調整によって微調整することができる(前記各調整の内、少なくとも1つを調整することによって調整することができる)。
基準信号は、受信帯域の中心周波数である受信搬送周波数fcに対して、高周波数側に偏った帯域を有している。図15では、基準信号の帯域は、搬送周波数fcに対して、高周波数側だけに存在しており、搬送周波数fcよりも低周波数側には存在しない。また、基準信号の帯域は、搬送周波数fcに対して離れて位置している。
なお、搬送周波数fc(受信信号の中心周波数)は、変更される場合があるが、搬送周波数fcが変更されても、図15のような関係を維持できるように、チャープ信号の中心周波数f0及び/又は帯域fwを調整してもよい。
ここで、
直交復調器5によるイメージ成分が生じていないI信号をRefsig_re[n]とし、直交復調器5によるイメージ成分が生じていないQ信号をRefsig_Im[n]とし、Refsig_re[n]に対して直交復調器5によるイメージ成分が重畳されたI信号をRxsig_re[n]とし、
Refsig_Im[n]に対して直交復調器5によるイメージ成分が重畳されたQ信号をRxsig_Im[n]とすると、
直交復調器によって生じるイメージ成分は、図21(b)に示す式3のように表すことができる。
なお、式3において、*[n]は、サンプリング間隔T(秒)としたときに、時刻n×Tにサンプリングしたデジタル複素ベースバンドIQ表現の信号である。
QDC_IR演算部33は、上記式中のRtmp11,Rtmp21,Rtmp22,ktmpN,ktmpN−1,・・・,ktmp1,ktmp0,ktmp−1,・・・,ktmp−Nを、最小2乗法など任意の数値計算手法を用いて推定する。
しかし、本実施形態に係る受信機1では、直交復調器5の出力信号Rxsig_re[n],Rxsig_Im[n]から、Refsig_re[n],Refsig_Im[n]のレプリカを生成できるため、イメージ成分の算出が容易となっている。
RI’’:Rxsig_re[n]
RQ’’:Rxsig_Im[n]
なお、図18では、デジタルで処理を行う直交復調補償部7において扱う信号を表しているため、搬送周波数fcに相当する周波数が0となっている。
本実施形態では、元々の基準信号の部分と、イメージ成分との部分とが、異なる周波数に現れるため、両者を容易に分離可能である。
したがって、図18(b)の信号は、理想的なデジタル基準信号Refsig[n]のレプリカ(基準信号レプリカ)となっている。
すなわち、QDC_IR演算部33は、取得した直交復調信号RI’’,RQ’’を、そのまま、イメージ成分の演算用信号Rxsig_re[n],Rxsig_Im[n]として用いるとともに、基準信号Refsig[n]のレプリカ(Replica_Refsig[n])を、基準信号Refsig[n](=Refsig_Re[n]+i×Refsig_Im[n])として用いて、Rtmp11,Rtmp21,Rtmp22,ktmpN,ktmpN−1,・・・,ktmp1,ktmp0,ktmp−1,・・・,ktmp−Nを算出する。
なお、基準信号Refsig[n]のレプリカReplica_Refsig[n]=Replica_Refsig_Re[n]+i×Replica_Refsig_Im[n]である。
また、Refsig[n]=α×Replica_Refsig[n]である(αは、0でない正の実数値である)。
また、QDC演算部31は、ステップS4で推定されたイメージ成分Rtmp11,Rtmp21,Rtmp22,ktmpN,ktmpN−1,・・・,ktmp1,ktmp0,ktmp−1,・・・,ktmp−Nを打ち消すための第2補償パラメータR11,R21,R22及び第3補償パラメータkN,kN−1,・・・,k1,k0,k−1,・・・,k−Nを演算(更新)する(ステップS5)。QDC演算部31は、求めた第1、第2及び第3補償パラメータを、直交復調補償部7に与える。
また、基準信号は、搬送周波数fcに対して、高周波数側又は低周波数側のいずれか一方に偏った帯域を有するものであればよい。つまり、基準信号は、搬送周波数fcを跨った状態で、搬送周波数fcの高周波数側又は低周波数側のいずれか一方に偏っていてもよい。
ここで、基準信号とイメージ成分とは大きさレベル差があるため、QDC_IR演算部33は、基準信号に対して、閾値(例えば、20dB)以上のレベル差を有する部分を、イメージ成分だけが存在する部分であるとして検出することができる。これにより、図19(b)に示すように、−f2からf1の範囲にあるイメージ成分だけが抽出できる。
また、演算用信号としても、直交復調信号をそのまま使用してもよいし、直交復調信号中に基準信号とイメージ成分との重畳部分がある場合には、当該重畳部分を除去したものであってもよい。
制御部9は、信号発生器10から出力された信号(CW)を用いて、利得補償のための演算を行うこともできる。
図13に示すように、利得補償のため補償値を演算するRxALC演算部34は、電力計算部35、検波器出力校正部36、ゲイン計算部37と、を備えている。
さらに、RxALC演算部34には、温度センサ13の出力が、ADC14を介して、与えられる。
検波器出力校正部36は、検波器12の出力(信号(CW)の電力)を、温度(温度センサ13の出力)で校正し、校正された受信電力を演算する。検波器出力校正部36は、温度校正用テーブルを有しており、当該テーブルを参照することにより、校正された受信電力を演算する。
なお、受信機1に受信信号の処理を行う系(図1の回路)が複数設けられている場合には、利得補償のための演算の対象となる系の選択が、ステップS11に先立って行われる。
ゲイン計算部37では、電力計算部35から出力された電力と、検波器出力校正部36から出力された電力との比を計算して出力する(ステップS15)。
演算器38では、ゲイン計算部37から出力された電力比と、ゲイン基準値と、を用いて演算する。演算器38では、ゲイン基準値に対する、ゲイン計算部37から出力された電力比の偏差ΔGainを求める。ゲイン基準値は、ゲイン計算部37から出力された電力比を調整する上でのターゲットとなる値であり、検波器出力とデジタル直交復調信号の電力との、理論的な電力比である。
可変アッテネータ3及び/又は利得補償部8は、制御部9からの信号に基づいて、利得を調整し、前記偏差ΔGainが無くなるように動作する。
なお、ゲイン基準値は、例えば、事前に定めておいてもよいし、入力インターフェースを介して外部から入力してもよい。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
また、今回開示された実施の形態の内、ある実施形態として開示された構成要素の少なくとも1部を、他の実施形態として開示された構成要素の少なくとも1部と組み合わせてもよい。
直交復調信号によって発生したイメージ成分の除去を容易に行えるようにするための技術的手段は、以下の通りである。
(5−1)搬送周波数の信号を用いて直交復調を行う直交復調器から出力された直交復調信号に対して、前記直交復調器によって生じたイメージ成分を除去する補償処理を行う補償装置であって、受信帯域内において所定の帯域幅を持つ基準信号を発生させて、当該基準信号を前記直交復調器の入力側に与える信号発生器と、前記直交復調器によって前記基準信号を直交復調した信号に基づいて、前記イメージ成分を除去するための補償パラメータを演算する演算部と、前記補償パラメータを用いて、前記直交復調信号から前記イメージ成分を除去するイメージ成分除去部と、を備え、前記基準信号は、前記搬送周波数に対して、高周波数側又は低周波数側のいずれか一方に偏った帯域を有する信号であり前記演算部は、前記直交復調器から出力された、前記基準信号を直交復調した信号のうち、前記イメージ成分が重畳されていない帯域の信号を、基準信号レプリカとして生成するとともに、前記基準信号レプリカ及び前記基準信号レプリカによって生じたイメージ成分を有する演算用信号と、前記基準信号レプリカと、に基づいて、前記補償パラメータを演算することを特徴とする補償装置である。
上記構成の補償装置によれば、演算部は、基準信号を直交復調した信号のうち、基準信号の帯域が搬送周波数に対して偏っていることによってイメージ成分が重畳されていない帯域の信号を、基準信号レプリカとして生成するとともに、基準信号レプリカ及び基準信号レプリカによって生じたイメージ成分を有する演算用信号と、基準信号レプリカと、に基づいて、補償パラメータを演算する。
つまり、基準信号が、搬送周波数に対して偏っていることで、元々の基準信号の部分のうちの少なくとも一部に、イメージ成分が重畳されていない部分が確保される。イメージ成分が重畳されていない部分を基準信号レプリカとして用いることで、イメージ成分の推定が可能であり、ひいてはイメージ成分を除去するための補償パラメータを演算することが可能となる。
イメージ成分は、搬送周波数を基準として対称的に現れるため、基準信号は、搬送周波数の高周波数側又は低周波数側のいずれか一方の帯域だけに存在していると、イメージ成分は、基準信号とは異なる部分に現れる。したがって、イメージ成分と基準信号との分離が容易となる。
Claims (6)
- 直交復調信号中のイメージ成分を除去するための補償パラメータを演算するイメージ成分演算部と、
前記補償パラメータを用いて、I信号及びQ信号を有する前記直交復調信号中のイメージ成分を除去する直交復調補償部と、を備え、
前記補償パラメータを用いてイメージ成分を除去する前記直交復調補償部は、前記I信号に対するフィルタ処理を行う第1フィルタの周波数特性と、前記Q信号に対するフィルタ処理を行う第2フィルタの周波数特性と、の特性差を補償する補償処理を行うよう構成され、
前記イメージ成分演算部は、イメージ成分を除去するための前記補償パラメータとして、前記特性差を補償するためのパラメータを含むパラメータを演算するよう構成されている
ことを特徴とする補償装置。 - 前記第1フィルタ及び前記第2フィルタは、それぞれ、アナログフィルタであり、
前記直交復調補償部は、前記第1フィルタ及び前記第2フィルタから出力されたアナログの前記I信号及び前記Q信号がデジタルに変換された信号を受け付けて、デジタル信号処理によって、前記補償処理を行うよう構成されている
請求項1記載の補償装置。 - 前記直交復調補償部は、前記I信号及びQ信号の少なくともいずれかに対する遅延処理を行う遅延部を有し、
前記遅延部は、前記第1フィルタによって生じる群遅延と、前記第2フィルタによって生じる群遅延と、の間の群遅延差を抑制する
請求項1又は2記載の補償装置。 - 前記遅延部は、
前記I信号及びQ信号のうちの一方の信号に対して遅延処理を行う第1遅延処理部と、前記I信号及びQ信号のうちの他方の信号に対して遅延処理を行う第2遅延処理部と、を備え、
前記第1遅延処理部は、前記一方の信号に所定の遅延量の遅延を生じさせるよう構成され、
前記第2遅延処理部は、前記第1遅延処理部による前記所定の遅延量よりも小さい遅延量の遅延を生じさせる第1処理と、前記第1遅延処理部による前記所定の遅延量よりも大きい遅延量の遅延を生じさせる第2処理と、を実行可能に構成されている
請求項3記載の補償装置。 - 前記第1フィルタ及び前記第2フィルタの次数をNとした場合に、
前記第2遅延処理部の次数は、2N以下に設定されている
請求項4記載の補償装置。 - 請求項1記載の前記補償装置を備えた無線通信装置。
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