JP4304155B2 - 自動周波数制御受信器 - Google Patents

Description

本発明は、無線受信器に関し、特に、無線受信器により受信される、受信器の局部周波数と受信信号の局部周波数との間の信号において、通常見られる周波数差の除去に関する。たとえば、ブルートゥース(BlueTooth)規格において、受信器は、大きな周波数差を扱うことが可能でなければならない。一般的に、受信器と通信を行う送信機を含む無線システムにおいて、送信機の周波数と、基準周波数と呼ばれる受信器の局部発振器が動作する周波数の間に差がある。この周波数の差は、受信器の変調器の出力における電圧差として表される。所定の期間にわたる復調信号の分析から、電圧差を推定し、その後、信号から電圧差を除去する方法、又は、自動周波数制御(AFC: automatic frequency control)ループにおいて局部発振器を調整するためにこの電圧差を使用する方法がすでに存在する。従って、従来例において、いわゆる基準値によって制御されるいわゆる基準発振周波数で動作する無線受信器は、受信信号を復調する復調手段と、復調信号の平均値を推定する手段と、復調信号の平均値を基準値に補正する手段と、受信信号によって取得されたバイナリ値を決定する判断手段と、を有する。

従って、自動周波数制御ループによって復調信号の平均値を補正する機能は、既知である。このループ内で、電圧差を推定する推定手段は、たとえば、復調信号に、有用な信号を除去して連続する成分を保存する狭い通過帯域のローパスフィルタを通過させることで構成可能である。

本発明は、次の考察に関する。

ローパスフィルタの通過帯域の選択は、妥協案であり、狭い通過帯域を持つこの方法は、連続する成分を推定するためには低速である。動作の速度を増すために、通過帯域を広くすると、連続する成分の推定は、フィルタを通過する信号の成分により、改悪される可能性がある。低速の方法の欠点は、有用な情報を受信する前に、電圧差を推定するために信号の長い部分が必要であり、これが、受信範囲のそれぞれの開始に対する検出において時間の損失または精度の損失を引き起こすことである。より速いが、より改悪される推定の欠点は、電圧差を推定する方法により、受信信号にエラーを持ち込んでしまうことである。

本発明の１つの目的は、無線ネットワークを通して受信する信号のための受信器であって、概して、受信範囲により、上述した従来技術の欠点を持たない受信器を得ることを可能することである。

この目的のために、導入部の段落に基づく、本発明により特徴づけられる無線受信器は、第１の期間中に判断手段において使用される復調信号の第１の平均値を迅速に抽出する第１の手段と、補正手段において使用され、第２の期間中には、判断手段において使用される復調信号の第２の平均値を低速抽出する第２の手段とを、推定手段が含んでいる。

平均値を推定する２つの種類の手段は、相補的なものであり、信号の長い部分が平均値の推定に必要である低速システムも、信号の平均値の誤った推定によって信号に取り入れられるエラーも、持たないことを可能にする。従って、受信範囲の開始から、周波数の正確な補正と、感度の良い受信器を同時に実現するように、得られる信号受信回路は、周波数の低速推定と高速推定を組み合わせる。

本発明の特定の実施形態において、復調信号の平均値を補正する手段は、周波数補正ループを使用する。自動周波数制御の原理は、アナログデータおよびデジタルデータのための原理として既知である。

本発明の有用な実施形態において、第１の推定手段は、受信信号の最小値および最大値を評価し、それにより、信号の平均値を、これら２つの値の間の中間値と推定する手段を含む。このような推定は、非常に迅速である。しかしながら、推定は、相対的な不正確を被る（たとえば、一連の連続する１と０（ゼロ）が信号に存在する場合）。この推定は、信号全体に使用可能だが、判断手段の精度はそれにより影響され得る。

このため、本発明の好ましい実施形態において、受信信号が、同期および制御部と、その後のデータ部とからなる場合、第１の期間は、同期および制御部の受信に必要な期間を超えない。

本発明は、大きな周波数差が発生する可能性のある無線ネットワークにおいて動作する、どのような受信器においても実現できる。故に、ブルートゥース(BlueTooth)技術、デジタル欧州コードレス電話(DECT: Digital European Cordless Telecommunications)技術および、上述した特性を示す他のいかなる技術にも関連する。

本発明による原理は、デジタルデータまたはアナログデータに同様に使用できる。

本発明はまた、本発明による受信器のある集積回路に関する。

本発明はまた、本発明による無線ネットワークから受信する信号を受信および処理する方法に関する。

次の説明は、参照符号に関する。すべての図において、類似する構成要素は、同一の文字で表される。いくつかの類似する構成要素が単一の図に表れることがある。この場合、数字または添え字が、類似する構成要素を区別するために文字による参照符号に加えられる。数字または添え字は、便宜上の理由から省かれることがある。このことは、明細書および請求項に適用される。

以下に続く明細書本文は、当業者が本発明を実現または利用することができるように、提示される。この明細書本文は、特許出願およびその要件という面において提供される。好ましい実施形態に対する様々な変更が、当業者にとって明らかであり、ここに開示される本発明の包括的な原則は、他の実施に適用可能である。

従って、本発明は、説明される実施形態に限定されるとは見なされず、以下に述べられる原則および特性に従う最も広い範囲を持つ。

図１は、本発明による受信器のブロック図を示す。この図は、本発明の実現に必要な様々な機能を実行する手段を示す。これらの機能は、本発明による受信方法における工程である。本発明による受信器は、無線ネットワークから信号Ｓを受信する。受信器は、図示しない受信手段を有し、たとえば、アンテナであっても良い。受信器は、いわゆる基準発振周波数で動作し、発振周波数は、いわゆる基準値Ｖｒｅｆにより制御される。この基準値は、通常は、電圧である。本発明による受信器は、受信信号Ｓを復調する復調手段ＤＥＭＯと、復調信号ＳＤの平均値ＭＶを推定する手段ＥＳＴと、変調信号ＳＤの平均値ＭＶを基準値Ｖｒｅｆでの値に補正する手段ＣＯＲと、受信信号Ｓに取得されたバイナリ値を決定する判断手段ＤＥＣと、を有する。本発明によれば、受信信号の平均値を推定する手段ＥＳＴは、第１の期間中、判断手段ＤＥＣにおいて使用される変調信号ＳＤの第１の平均値ＭＶＡを迅速に抽出する第１の手段ＥＳＴＡと、補正手段ＣＯＲで使用され、第２の期間中は、判断手段ＤＥＣで使用される変調信号ＳＤの平均値ＭＶＢを低速抽出する第２の手段ＥＳＴＢとを含む。本発明による受信器によって扱われるデータは、デジタルまたはアナログであってよい。以下、デジタルデータのアナログ処理への適用が提示される。その場合、平均値を推定する手段は、アナログデータの処理をする意図のある方法である。デジタルデータを推定するデジタル手段も、本発明の原則を損なうことなく使用可能である。

特定の実施形態において、そして図１に示されるものにより、復調信号ＳＤの平均値ＭＶを補正する手段ＣＯＲは、復調器ＤＥＭＯにループされ、それにより、一般に周波数補正ループとよばれるものを形成する。このようなループは、一般に自動周波数制御という用語で既知である。図２は、自動周波数制御ループの一般的な原則のブロック図を示す。このような周波数制御ループの機能は、二重である。これは、受信信号において周波数の差がどれほどあっても、周波数ｆＩＦを一定に保つ。また、周波数ｆＩＦを変調器の中心周波数に自動的に修正することにより、方法および温度におけるどのような変化も補償する。このことは、平均周波数ｆＩＦにおける情報を受信器の局部発振器ＶＣＯにループすることにより達成され、その結果、その局部周波数ｆＶＣＯの調整が自動的に行われる。信号周波数の平均値を抽出するために、変調器ＤＥＭＯの出力信号は、ローパスフィルタＦＩＬにおいてフィルタリングされる。従って、このフィルタＦＩＬは、変調信号ＳＤの平均値ＭＶＢを低速推定する手段ＥＳＴＢを構成する。このようなフィルタの例は、図４において示される。そして、平均値ＭＶＢは、基準値Ｖｒｅｆと比較される。これは、たとえば、エラー信号を生成する。この情報は、増幅され、局部発振器ＶＣＯの制御入力に印加される。これが、信号と局部発振の間の周波数差を相殺するのに役立つ、ＶＣＯの周波数における変化に結びつく。

より正確には、復調器は、次の形で線形反応を持つと仮定される。

ここで、ｆIＦがｆＣと等しくＫｄが復調器のゲインである場合、Ｖｃは、出力電圧である。従って、電圧ＳＤは、復調器の出力で利用できる。復調器ＤＥＭＯには、信号ＳＤの平均値ＭＶＢを推定する手段ＥＳＴＢが続く。これらの推定手段ＥＳＴＢは、上記でわかるように、ローパスフィルタリング手段ＦＩＬを有利に構成する。そして、得られた平均値ＭＶＢは、周波数ｆＩＦとｆｃの間の周波数差に比例する。次に、平均値ＭＶＢは、通常は電圧Ｖｒｅｆである基準値と比較され、ゲインＡの増幅手段ＡＭＰによって増幅され、そして、受信器の局部発振器ＶＣＯに供給される。これは、次の式に要約される。

増幅器ＡＭＰの出力信号は、周波数ｆＩＦで機能する局部発振器ＶＣＯに供給される。故に、

ｆｒｅｆは、Ｖｍｏｄ＝ＶｒｅｆでＫｍが復調ゲインである場合の周波数である。従って、信号の周波数の差はそれぞれ、同一の値であるが反対方向である現在の周波数ｆＩＦを修正する。そして、

次に、システムの周波数ＲＦの変化に対する反応は、搬送周波数または変調そのものにおける差であって良い。

先の等式を利用して、最後に次の式が得られる。

Ｖｃ＝Ｖｒｅｆである場合、等式は単純化される。

理想的には、ｆｃ＝ｆｒｅｆであるように、システムが構成される。言い換えると、ｆＩＦ＝ｆｒｅｆである場合、このことは、出力電圧Ｖｃ＝Ｖｒｅｆであるということを意味する。たとえば、方法の変動のために、このケースにはなり得ない。信号ΔｆＲＦの周波数差がゼロで、ループｋｍＡＦＫｄのゲインがかなり高い場合、等式は、ループが周波数ｆＩＦをｆＩＦ＝ｆｃへと置き直すことを示す。

受信信号における周波数差がある場合、電圧差が因数１＋ＫｍＡＦＫｄにより減衰するため、ループは、周波数ｆＩＦをｆｃに近づけておく。

ループは、受信信号の周波数の遅いドリフトも補償しなくてはならないが、その変調には反応してはならない。これは、ループフィルタの最適化により達成される。

伝達関数を持つ１次フィルタを選択することにより、

ｆｃ＝ｆｒｅｆに対して、得られるのは、

ここで、Ｇｌｏｏｐ＝ＫｍＡＦ（０）Ｋｄは、静的ループゲインである。

τｐ／（１＋Ｇｌｏｏｐ）＞＞１であるように急速に変化する受信信号に対して、ループは反応せず、故に、変調はループ内で減衰せずに伝達される。ループフィルタキャパシタに存在する電圧の感度を良くするために、ループ増幅器は、高い入力インピーダンスを持たなければならない。その出力は、局部発振器ＶＣＯの同調を制御する。たとえば、増幅器は、図３によるリターンを持つトランスコンダクタンス型の増幅器により実現される。

ループ増幅器は、ゲイン項Ｇｖおよびリターンゲイン項βに分類することができる。

閉じたループゲインは、

たとえば、この適用において、おおよそ２０のゲインが必要である。トランスコンダクタンスは１段の増幅器であるため、ゲインはそれほど大きくなく、目指すゲインは、かなり低いリターンで達成される（単一よりもわずかに大きいＧｖβ）。ここで、我々は、自動周波数制御ループの一般的な機能を調べてみた。たとえばブルートゥース(BlueTooth)受信器のような無線ネットワークにおいて動作する受信器への適用においては、信号が１（１）に相当するかゼロ（０）に相当するかを決定しようとする判断手段ＤＥＣ、すなわち、受信信号のバイナリ値を決定しようとする判断手段ＤＥＣが必要である。自動周波数制御ループおよび判断手段ＤＥＣは、信号の平均値の抽出を必要とするが、この抽出に関しては、要求されるものが異なる。判断手段ＤＥＣに対しては、受信器の受信範囲の開始期間中、とりわけ速く抽出されなければならない。この受信範囲の開始期間は、一般的に、アクセスコードと、信号同期と、エラー制御信号に相当する。他方、周波数制御ループに対しては、減衰または周波数制御ループによる変調の相殺を防ぐために、遅い抽出が永続的に要求される。受信範囲の開始期間中、連続する成分の抽出は、好ましくは平均値を推定する第１の手段ＥＳＴＡにより実行される。このようにして、ループは、低いゲイン（たとえば６）を得ることができる。平均値ＭＶを推定する各種手段ＥＳＴによって実行される抽出の期間は、受信器によって受信されようとする信号の特性により選択される。図４によれば、これらの期間は、制御手段によって制御され、制御手段は、たとえば図５において開示される時間ダイヤグラムにより制御されるスイッチである。

図４は、本発明の有用な実施形態を示す。図１で提示された手段は再び、より詳細に、そしてデータのアナログ処理という面において見出される。

図４によれば、受信器は、その復調器ＤＥＭＯにおいて、信号Ｓを受信する。システムがデータを受信する状態にするために、復調器は、スイッチＲ−ＯＮを作動させる。一度復調が実行されると、平均値ＭＶＡおよびＭＶＢを推定する２種類の手段ＥＳＴＡおよびＥＳＴＢに、復調信号ＳＤが、入力として供給される。第１の手段ＥＳＴＡは、速く、たとえば信号の最小値および最大値の評価を実行し、その後、復調信号の平均値として、それらの２つの値の間の中間値をとる。このような評価の実施の１つが、図４に描かれている。特に図４で説明されるような、信号の極値の評価および中間値の計算は、従来例から良く知られており、従って、ここではさらに詳しくは説明されない。図４によれば、第２の推定手段ＥＳＴＢは、たとえばローパスフィルタＲ２、Ｃ１から成る。キャパシタンスＣ１の値は、ＥＳＴＢと呼ばれるＲＣフィルタの時定数における妥協案から選択される。この値は、通常高いため、キャパシタは外付けである。復調器の出力信号の平均値の良い推定を得るためには、時定数はかなり長くなくてはならないが、判断手段の基準入力が、遅いＲＣフィルタの出力にスイッチされる場合、フィルタの出力がアクセスコードの終わりですでに最終の値に近づいていることを確実にするためには、時定数はかなり短くなければならない。驚くべきことに、本発明は、回路にただ１つの外部キャパシタを持つことを可能にし、これは、受信器におけるスペースおよび製造時間の節約を意味する。この単一の外部キャパシティは、永続的に周波数制御ループのために使用され、時間的間隔をおいて、判断手段のために使用される。

図２において示したのと同じように、補正手段は、局部発振器ＶＣＯの入力に接続される増幅器ＡＦＣを有し、全体が復調器ＤＥＭＯを持つ1つのループ内に置かれる。判断手段ＤＥＣは、２つの入力における値により１または０（ゼロ）の出力の値を固定する増幅素子ＳＬＩを有し、２つの入力は、１番目が推定手段ＥＳＴＡおよびＥＳＴＢのうちの1つから来る信号の平均値を受信し、２番目は復調信号ＳＤそのものを受信する。有利には、この増幅素子ＳＬＩはまた、処理すべき信号がない場合は復調器ＤＥＭＯによりアクティブ化されたスイッチ信号Ｒ−Ｏｎを非アクティブ化する。好ましい実施形態によれば、図５で提示される時間ダイヤグラムにより、様々なスイッチが作動する。

図５において受信範囲の開始前に、すなわち、受信器のパワーアップにおいて、図５における時間ダイヤグラムの最初の列にあるスイッチＳ−ＥＮをアクティブ化することにより、外部キャパシタＣ１は、基準電圧までプリチャージされる。受信器がパワーアップされると、局部発振器ＶＣＯおよびループＰＬＬもまた、始動する。受信範囲の開始において、復調器ＤＥＭＯによってトリガーされる信号Ｒ−ＯＮにより受信器のすべての素子に、信号の検出が必要である。その後、受信ＲＥＣが開始され、データが、たとえば図５に示されるような形で届く。受信信号を構成するこれらのデータは、いくつかの同期およびエラーチェック素子ＰＲ，ＳＹＮ，ＴＲから成るアクセスコードと、その後の、受信器により次に処理される通信に固有のデータである特定のデータＰＡＹＬの１パケットにより形成される。その後、スイッチＲ−ＯＮが、外部キャパシタＣ１を、復調器ＤＥＭＯの出力へとスイッチオンさせ、第２の推定手段ＥＳＴＢにより信号の平均値ＭＶＢを抽出する。比較的に長い時定数が使用される。周波数差がある場合、信号の平均値ＭＶＢは、基準電圧Ｖｒｅｆとは異なる。受信器の周波数を補正するために、この情報は、局部発振器ＶＣＯの入力に供給される。これが、自動周波数制御として知られるものを形成する。この間、受信器は、受信ビットがゼロか１かを決定しなくてはならない。また、これは信号の平均値ＭＶとの比較により、行われなければならない。推定手段ＥＳＴＢによって供給される平均値ＭＶＢは、実際の平均値へと十分に速くは収束しないため、受信範囲の開始の部分では、使用することができない。従って、別の回路が用いられる。この回路は、推定手段ＥＳＴＡを有し、ピークの検出から、平均値を決定する。この推定手段ＥＳＴＡは、スイッチＳＲのアクティブ化により再初期化される。そして、ピークの検出およびピークの値ＭＩＭＡの評価が、図５に示される時定数の間に行われる。この評価中に、スイッチＳ２がアクティブ化され、スイッチＳ３が開かれる結果、信号の平均値が、推定手段ＥＳＴＡの出力で使用可能であると共に、決定素子ＳＬＩの基準入力で使用可能である。次に、スイッチＳ２を開き位置にスイッチし、スイッチＳ３を閉じ位置することにより、判断手段ＤＥＣに対する基準入力は、推定手段ＥＳＴＢによって測定された平均値ＭＶＢにスイッチされる。このようにして、周波数制御ループおよび判断手段は、信号の同じ平均値ＭＶＢを使用する。受信器によって次に処理される通信に固有のデータを含むデータパケットＰＡＹＬが届く前に、スイッチングが起こるように、時定数は選択される。

図４における様々な素子について、下記の表に提唱される値で、シミュレーションを行った。このシミュレーションは、図６において提唱される。

これらの値は、例示のために提供され、他の値または値の範囲を除外するものではない。たとえば、特定の適用に対して、データ取得および平均値の基準値への調整のための時定数が増加可能な場合、外部キャパシタンスＣ１も、増加可能である。シミュレーションは、たとえば１００ｋＨｚ前後（図６の例では２００ｋＨｚ）の搬送周波数の差に対して行われた。このようなシミュレーションにおいて、たとえば、図５における時間ダイヤグラムにおいて実行される動作が示される。ループＰＬＬおよび周波数制御ループがはじめにアクティブ化される。周波数制御ループは、たとえば１．４５Ｖの、局部発振器で使用されるものと同一の基準電圧Ｖｒｅｆで初期化される。ループＰＬＬが、必要な周波数で確立された後、図５のダイヤグラムに従い、受信器は２００μｓでアクティブ化される。データは、２２５μｓで、曲線Ｄｅｍｏｄ−ＯＵＴに届く。なお、図６において、外部キャパシタに充電され曲線Ｃｅｘｔで示される基準電圧Ｖｒｅｆに関して、これらのデータは、差を持つ。このシミュレーションにおいて、本発明の長所により、データを復元し、それにより曲線Ｃｅｘｔ（ＶｉｎＡＦＣ）で表されるＶｒｅｆ付近に復調される曲線Ｄｅｍｏｄ−ＯＵＴを復元する、周波数制御ループの効果が、示される。抽出手段による曲線Ｄｅｍｏｄ−ＯＵＴのピークの検出により、曲線ＤＣ−Ｓｌｉｃｅｒで示される判断手段により使用される平均値が、まずはじめに供給され、それが、図５および図６における、おおよそ３５０μｓまで、データパケットのアクセスコードおよびヘッダパケットに作用する。この時点で、周波数制御ループは、初期の差を補正している。ピークの検出ＥＳＴＡにより、抽出手段によって抽出される連続する成分ＭＶＡのレベルが、外部キャパシタＣ１によって示される平均レベルＭＶＢに、近づく。その時に、判断手段の基準入力は、外部キャパシタＣ１にスイッチされる。

本発明は、提示された実施形態に従って説明されているが、提示された実施形態に対する変形が存在し、それらの変形は、本発明の要旨および範囲内にあることを、当業者はすぐに認識するであろう。従って、以下の請求項により定義される要旨および範囲からすべてのことが除かれずに、多くの修正が、当業者によって行われることが可能である。

本発明は、さらに図面において示される実施形態の例を参照して説明されるが、本発明は、限定されない。
図１は、本発明による受信器のブロック図である。 自動周波数制御ループの一般的な原則のブロック図である。 周波数制御ループ内で実現される増幅器の実施形態の例である。 本発明による有用な実施形態による受信器の機能ダイヤグラムである。 本発明の好ましい実施形態による本発明の諸要素を制御する時間ダイヤグラムである。 図４の回路におけるいくつかのポイントでの電圧を表す曲線の一組による、本発明の実現で得られる周波数補正の結果を示す。

Claims (7)

1. 無線ネットワークにおいて受信する信号のための受信器であって、前記受信器はいわゆる基準発振周波数で動作し、前記発振周波数はいわゆる基準値により制御される、受信器であって、
   受信信号を復調する復調手段と、
   復調信号の平均値を推定する手段と、
   前記復調信号の平均値を基準値での値に補正する手段と、
   前記受信信号によって取得されたバイナリ値を決定する判断手段と、を有し、
   前記推定手段は、
   第１の期間中に、前記判断手段において使用される前記復調信号の第１の平均値を迅速に抽出する第１の手段と、
   前記補正手段において使用され、第２の期間中には、前記判断手段において使用される前記復調信号の第２の平均値を低速抽出する第２の手段とを有する、
   ことを特徴とする受信器。
2. 前記変調信号の平均値を補正する前記手段は、周波数補正ループを使用することを特徴とする請求項１に記載の受信器。
3. 前記第２の抽出手段は、信号の平均周波数を抽出するローパスフィルタ手段を有することを特徴とする請求項１および２のいずれか１つに記載の受信器。
4. 前記第１の推定手段は、前記受信信号の最小値および最大値を評価し、前記信号の平均値を前記最小値と最大値の中間値と推定する手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の受信器。
5. 前記受信信号は、同期および制御部と、その後のデータ部とから成り、前記第１の期間は、同期および制御部を受信するのに必要な期間を越えない、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の受信器。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の受信器を含むことを特徴とする集積回路。
7. 無線ネットワークにおいて受信する信号を受信および処理する方法であって、
   前記受信信号を復調する復調工程と、
   復調信号の平均値の推定工程と、
   前記復調信号の平均値の基準値への補正工程と、
   前記受信信号によって取得されたバイナリ値を決定する判断工程と、を有し、
   前記推定工程は、
   第１の期間中に、前記判断工程において使用される前記復調信号の第１の平均値を抽出する迅速副工程と、
   前記補正工程において使用され、第２の期間中には、前記判断工程において使用される、前記復調信号の第２の平均値を低速抽出する第２の副工程とを含む、
   ことを特徴とする方法。

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