JP3842066B2 - 送受信ユニット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、時分割多重デュプレックス、一定の周波数をもつ周波数デュプレックスおよび可変の周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作を有する送受信ユニット(トランシーバ)に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、広く普及している移動無線システムGSM Global System for Mobile Communication は技術的および経済的理由から、第3世代の移動通信システムに取って代わられる。そのシステムはヨーロッパではUMTS Universal Mobile Telecomunications System という名前で知られており、国際的にはIMT−2000 International Mobile Telecommunication System 2000 として知られている。UMTSもしくはIMT−2000によって、GSMよりも格段に高いデータ伝送容量が実現されることになるし、また、各国に広まる規格になるはずである。
【0003】
同時に送受信を行うことのできるシステムは全二重システムと呼ばれる。また、送信と受信を同時に行えなくても、両方のフェーズ間の切り替えが加入者に気づかれずに行われる場合にも、全二重の性能をもつシステムという言葉が使われる。ここでは基礎を成す2つのデュプレックス方式を区別する。すなわち、適切に分離されたそれぞれ異なる周波数帯域で送信と受信が行われる周波数分割デュプレックス(Frequency Division Duplex, FDD)と、両方の伝送方向がそれぞれ異なる時間位置において分離される時分割デュプレックス(Time Division Duplex, TDD)である。
【0004】
一般に、移動局から基地局または固定局への送信をアップリンクと称し、基地局または固定局から移動局への伝送をダウンリンクと称する。
【0005】
TDDの場合、送信周波数と受信周波数は等しい。一定のデュプレックス周波数をもつFDDのために、UMTSでは190MHzのデュプレックス周波数が設定されている。
【0006】
既述のTDD伝送やFDD伝送のほかUMTSではこれに加えて、可変のデュプレックス周波数をもつFDDも計画されており、この周波数を134.8と245.2MHzの間におくことができる。この場合、デュプレックス周波数として、送信周波数と受信周波数の周波数間隔が表される。
【0007】
UMTS仕様によれば、FDD伝送のために2つの周波数帯域が設定されており、すなわち1900から1920MHzまでの周波数帯域と2010から2025MHzまでの周波数帯域が設定されている。
【0008】
一定のデュプレックス周波数をもつTDDやFDDにおいて一般的である2つのチャネル相互間の固定的な対応づけ、つまりそれぞれ1つのアップリンクチャネルと1つのダウンリンクチャネル相互間の固定的な対応づけに対し、可変の周波数によるFDDによれば非対称のデータ伝送が可能であり、これによればたとえば2つのダウンリンクチャネルを1つのアップリンクチャネルと組み合わせることができる。
【0009】
周知のIMT−2000トランシーバの場合、380Mzの送信中間周波数と190MHzの受信中間周波数が一般的である。しかしながら380MHzの中間周波数はUMTSの場合、約2GHzになるよう混合により高めなければならず、これにより必要とされる局部発振器周波数が、約2.4GHz付近にある周知のISM(Industrial Scientific and Medical)帯域に入ることになる。とはいえこの帯域は、ワイヤレスの周辺機器インタフェースを形成するためのいわゆる Bluetooth 規格において利用される。送受信ユニットをもつ移動電話に Bluetooth インタフェースを集積できるようにすべきであることから、380Mzの中間周波数を利用すると妨害が予期されるであろう。
【0010】
ギガヘルツ・ラジオ・フロントエンド・プロジェクト Gigahertz-Radio-Frontend-Projekt GIRAFE によれば、UMTSシステムのために0MHzの中間周波数をもつ受信機が提案されている。これについてはインターネットのサイト http://www.at.infowin.org/acts/analysys/concertation/mobility/girafe.htm を参照されたい。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、デュプレックス方式FDD,TDDならびに可変の周波数間隔をもつFDDに適しており、エネルギー消費が少なくしかも高度に集積可能な送受信ユニットを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、デュプレックスユニットが設けられており、該デュプレックスユニットはアンテナに接続可能であって送信分岐を受信分岐と分離し、第1の混合器が設けられており、該第1の混合器は、入力側で受信分岐と接続され、かつ第1の局部発振器と接続され、出力側で受信中間周波経路と接続されており、第2の混合器が設けられており、該第2の混合器は出力側で送信分岐と接続され、入力側で送信中間周波経路と接続されており、時分割多重デュプレックス、一定の周波数をもつ周波数デュプレックスおよび可変の周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作のために、前記受信中間周波経路の中間周波数は0〜0.5MHzの範囲内にあり、前記送信中間周波経路の中間周波数は180MHz〜200MHzの範囲内にあり、前記第2の混合器に第1の切替スイッチが接続されており、該第1の切替スイッチは前記第1の局部発振器および別の局部発振器と接続されており、前記可変のデュプレックス周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作のために、前記第2の混合器は前記第1の切替スイッチを介して前記別の局部発振器と接続されることにより解決される。
【0013】
【発明の実施の形態】
一般的なテレビジョン周波数のすぐ近くにある190MHzの受信中間周波数を用いた既存のIMT−2000トランシーバのコンセプトとは異なり、0〜0.5MHzの範囲内の受信中間周波数を用いた本発明による装置の利点は、テレビジョン伝送周波数の入力結合の可能性が少なくされていることである。非常に高い受信感度をもつUMTS受信機の場合、このことは格別に重要である。受信機において0〜0.5MHzの範囲の中間周波数が設定されているので、エネルギー消費が僅かである。0〜0.5MHzの範囲内の中間周波数をもつ受信機であれば影像周波数フィルタは不要である。これにより送受信ユニットの構造が簡単になる。また、0〜0.5MHzの範囲内の受信中間周波数によって、他の移動無線システムの統合に関して最大限のフレキシビリティが得られる。AC結合の許可されているCDMA(Code Division Multiple Access)加入者分離を使用すれば、一般に0MHz中間周波受信機に付随するDCオフセットの問題が大幅に抑えられる。さらに、送受信ユニットに第1の局部発振器を統合することで、局部発振器における自己混合の問題が低減される。全般的にいえば本発明による装置により、統合に関して最大限の性能が実現される。
【0014】
190MHz+/−5MHzまたは+/−10MHzの送信中間周波数により、IMT−2000のために知られている380MHzとは異なりエネルギー消費が著しく僅かになる。送受信ユニットは移動無線の場合には通常、非常に小さく軽くなければならない移動電話機に組み込まれるので、このような特徴は格別に有利である。可変の周波数間隔をもつFDDにおいて、190MHzからの周波数間隔の偏差が+/−10MHzよりも小さいかまたはそれと等しいならば、1つの共通の第1の局部発振器によって、受信機中間周波数への受信周波数の変換も送信周波数への送信中間周波数の変換も行うことができる。これにより、送受信ユニットのエネルギー消費および所要スペースならびに妨害信号がさらに抑圧される。
【0015】
実際の移動無線においては多数のネットワーク業者が存在しており、それらのネットワーク業者のもとでネットワークもしくは伝送チャネルの既存の帯域幅を分割しなければならないため、UMTSシステムにおいて個々のネットワーク業者に15MHzの帯域幅しか与えられないことが想定できる。したがって可変のデュプレックス間隔をもつFDDの場合、デュプレックス周波数は190MHz+/−5MHzもしくは+/−10MHzに制限されている。それゆえ、送信中間周波数を180または185または190または195または200MHzとなるよう変化させるのが有利である。この場合、第1の局部発振器もしくは電圧制御発振器だけが、制限された帯域幅しか利用できないネットワーク業者に対し可変のデュプレックス周波数をもつ周波数デュプレックス方式の要求を与えることができる。これにより、僅かな電力消費および僅かな数の妨害信号で可変のデュプレックス周波数をもつFDD動作が実現される。
【0016】
本発明の有利な実施形態によれば第1の切替スイッチが設けられており、これによって第1の局部発振器と別の局部発振器との間で切り替えを行うことができる。一定のデュプレックス周波数からごく僅かしか隔たっていない可変のデュプレックス周波数によるFDD動作のためには、第1の混合器および第2の混合器と接続されているただ1つの第1の局部発振器によるエネルギー節約モードで十分である。しかし134.8〜245.2MHzという可変の周波数間隔をもつFDDのスペクトル全体を利用し尽くそうというのであるならば、第2の混合器を別の局部発振器に切り替えることができる。ほぼすぐ近くに位置する発振器周波数をもつ2つの局部発振器の動作や送受信ユニットの非線形性により引き起こされる望ましくない信号を防ぐ目的で、別の局部発振器は送受信ユニットの送信周波数よりも下に位置する発振器周波数をもつようにすべきである。これにより別の局部発振器が第1の局部発振器と干渉状態に陥らず、それによって両方の局部発振器を1つの共通のIC上に集積することができる。
【0017】
本発明の別の有利な実施形態によれば、送信中間周波経路および受信中間周波経路に接続されているベースバンドユニットがディジタル混合器を有しており、この混合器は200KHzのステップでずらすことができる。このディジタル混合器は、190MHzという一定のデュプレックス周波数からの偏差として+/−200もしくは+/−400KHzの周波数補正を行う。この2段階調整による解決手段の利点は、高周波位相制御回路を1MHzのステップで第1の局部発振器および別の局部発振器をはたらかせることができることである。これにより位相制御回路における位相ジッタの増倍が抑えられ、その結果、位相検出器もしくは電荷ポンプに対する要求を緩和することができ、つまりはエネルギー消費を抑えることができる。たとえば1MHzのステップであれば、位相ジッタの増倍がファクタ20 * log(5)だけ低減される。しかもこれにより位相制御回路の切り替えをいっそう迅速に行うことができる。また、ディジタル混合器におけるスイッチング時間は位相制御回路と比べて格段に短いことから、UMTSシステムにおける周波数サーチにかかる時間が低減される。さらに位相制御回路における容量を小さくすることができるので、それにより集積にあたり付加的な利点が得られる。UMTS仕様の変湖により100KHzの周波数ステップが必要とされるべきである場合には、それをディジタル混合器において位相制御回路よりも容易に実装することができる。
【0018】
従属請求項には本発明の詳細な構成が記載されている。次に、図面を参照しながら2つの実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【0019】
【実施例】
図1にはデュプレックスユニットDEを備えた送受信ユニットが示されており、これは送受信アンテナAと接続されている。このような高周波レベルにおいて、デュプレックスユニットは送信分岐Tと受信分岐Rを分離している。受信分岐RはローノイズプリアンプLNAを有しており、これは調整可能に構成されている。受信分岐Rは第1の混合器M1に接続されており、これは第3のスイッチSW3を介して第1の局部発振器LO1と接続されている。
【0020】
第1の混合器M1において、受信信号が局部発振器信号と混合されて中間周波数レベルに下げられる。第1の混合器M1には受信中間周波経路RIが接続されており、この経路には調整可能に設計された増幅器V3が設けられている。そしてこの受信中間周波経路には、アナログ/ディジタルコンバータADならびに第1のディジタル混合器DM1がつながっている。これは、200KHzのパターンで受信中間周波経路RIにおいて周波数をずらすために用いられる。一般にトランシーバ内に設けられているその他のコンポーネントたとえば音声復号装置は、図1には示されていない。
【0021】
送信分岐Tは調整可能な送信増幅器PAを有しており、これは第2の混合器M2に接続されている。第2の混合器M2に接続されている送信中間周波経路TIは中間周波信号を有することができ、これが局部発振器信号と混合されて所望の送信周波数が形成される。送信中間周波経路TIはバンドパスフィルタBPを有しており、これは190MHzの送信機における中間周波数であれば190MHzの中心周波数を有する。この場合、バンドパスフィルタBPの通過帯域は180MHzから200MHzとなる。第2の局部発振器LO2は第3の混合器M3と接続されており、そこには中間周波経路TIが接続されている。さらに第3の混合器M3がディジタル/アナログコンバータDAと接続されており、これには200KHzのステップで送信ベースバンド周波数をずらすための第2のディジタル混合器DM2が接続されている。さらに第2の発振器周波数を用いてベースバンド信号を混合して中間周波数レベルに高めるために、第3の混合器M3が使われる。
【0022】
第1および第2のディジタル混合器DM1,DM2は、ベースバンドにおいて自動周波数制御(automatic frequency control, AFC)のためにも用いられる。このためディジタル混合器によって、0.1Hzから混合器の半分のクロック周波数までのどのような周波数でも調整することができる。UMTS仕様によれば送信および受信のために、200KHzの周波数パターンが示されている。局部発振器LO1,LO1′,LO2内に配置されている1MHzのステップ幅をもつシンセサイザと共働して、+/−200KHzまたは+/−400KHzだけディジタル混合器をずらすことにより、有利には各UMTS周波数を200KHzのパターンで調整することができる。
【0023】
190MHzという一定のデュプレックス周波数から大きな偏差をもつ可変のデュプレックス周波数を用いたFDD動作のために、第2の混合器M2と第1の局部発振器との接続を別の局部発振器LO1′へ切り替える目的で、第1の切替スイッチSW1が設けられている。また、第3のスイッチSW3によって、第1の混合器M1を第1の局部発振器LO1から第2の局部発振器LO2へ切り替えることができる。これは殊にTDD受信のために有利である。それというのもこの場合、第1の局部発振器と別の局部発振器LO1,LO1′の周波数は必要とされるTDD受信中間周波数と著しく異なるからであり、他方、TDD受信周波数は第2の局部発振器の周波数範囲と重なり合うからであり、これはその周波数範囲が送信中間周波数の7倍に相応し、TDD受信周波数の2倍の周波数を第2の局部発振器LO2の周波数と係数3との乗算により生成可能なときである。FDDもしくはTDDによる送信とTDDの受信は同時には行われないので、第2の局部発振器は両方の動作方式をサポートすることができる。第1の局部発振器LO1,第2の局部発振器LO2および別の局部発振器LO1′は、共通の基準発振器XOと接続されている。既述の装置構成のもつ利点は、各局部発振器がただ1つの小さい調整範囲をもっていればよいことである。これにより位相ジッタ、感度、基板ノイズならびに応答に関して改善されるようになる。
【0024】
UMTSシステムの導入にあたり最初は広域をカバーするネットワークが確保されず、また、それと同時に既存のGSMネットワークがほとんど全域にわたりサービスを提供しているので、UMTS受信が劣化したときにUMTSトランシーバがGSMチャネルのアベイラビリティならびに品質を監視できるのが有利である。この目的で特別な動作方式いわゆるスロットモード slotted mode が設けられている。これは伝送時に時間的な中断を有しており、その期間中にGSMチャネルを監視することができる。伝送レートを一定に保持するためには中断前にデータを圧縮する必要がある。このためいわゆる圧縮モード compressed mode が設けられている。しかしこのモードによってネット容量が低減される。GSM−1800チャネルを監視するためにスロットモードが設けられている一方、GSM−900チャネルの監視つまりGSM受信をUMTS送信と同時に行うことができる。このようなUMTS送信のために第1の局部発振器と第2の局部発振器LO1,LO2が用いられ、他方、同時に別の局部発振器LO1′がGSM受信に使われる。この目的で第4のスイッチSW4が設けられており、これによって別の局部発振器LO1′をGSMトランシーバにつなげることができる。
【0025】
わかりやすくするため、各局部発振器の周波数範囲(MHz、第3〜4行目)ならびに個々の送信動作モードおよび受信動作モード(第1列目)の記載された表を示す。ここでXはアクティブな局部発振器を意味する。また、Txは送信(Transmit)を、Rxは受信(Receive)を表す。
【0026】
【表1】
【0027】
1260〜1400MHzまでのFDD動作モードにおける第2の局部発振器LO2の周波数範囲は、180〜200MHzまでの範囲内にある送信中間周波数の7倍に対応する。また、動作モードTDD受信のための第2の局部発振器LO2の周波数範囲は、FDD動作モードにおける第2の局部発振器LO2の周波数範囲における第3高調波の領域に位置する。GSM−900のために、つまり900MHz帯域におけるGSMシステムのために、925〜960MHzならびに4倍の周波数の受信帯域において3700〜3840MHzの局部発振器周波数が必要とされる。また、GSM−1800つまり1800MHz帯域におけるGSMシステムのために、1805〜1880MHzおよび2倍の周波数の受信帯域において、3610〜3760MHzの局部発振器周波数が必要とされる。
【0028】
図1による実施例のもつ利点は、時分割デュプレックス、一定のデュプレックス周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作、さらに可変のデュプレックス周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作が可能なことである。0〜0.5MHzの範囲内にある受信中間周波数と190MHzの送信中間周波数によって、簡単な構造ならびに高い集積度が得られる。周知のIMT−2000トランシーバよりも低い送受信中間周波数ならびにただ1つの局部発振器LO1だけによって可能な動作により、僅かなエネルギー消費が確保される。
【0029】
図2にはデュプレクスユニットDEをもつ第2の実施例が示されており、これは周波数分波器DUPとスイッチSW2を有している。送信フィルタと受信フィルタの適切な選択により周波数分波器DUPは、第1のローノイズプリアンプLNA1へ供給されるFDDダウンリンク帯域をFDDアップリンク帯域およびTDD帯域から分離する。TDD動作における送信と受信の分離は第2のスイッチSW2において行われる。第2のローノイズプリアンプは、TDD受信における増幅のために用いられる。これらのローノイズプリアンプLNA1,LNA2に後置接続されたバンドパスフィルタBP1,BP2は、それらに後置接続された増幅器V1,V2と同様、個々の受信周波数帯域に整合されている。受信周波数を0MHzの中間周波数へ変換するために2つの第1の混合器M1,M1′が設けられており、それらの混合器にはそれぞれ1つのローパスフィルタTP1,TP1′が後置接続されている。第1の混合器M1,M1′には半分にされた第1の局部発振器周波数LO1が供給され、これは第1の局部発振器LO1において生成され増幅器V6において増幅される。
【0030】
さらに、ローパスフィルタTP2,TP2′の後置接続された付加的な増幅器V3,V3′が設けられており、そこにおいて比較器DCによりDCオフセット補償が実行されるが、それらの付加的な増幅器V3,V3′を介してアナログ/ディジタルコンバータAD,AD′へ中間周波信号が供給される。このようなDCオフセット補償に対する代案としてAC結合も可能である。送信側TにおいてデュプレックスユニットDEに方向フィルタFIが接続されており、これには調整可能な電力増幅器PAならびにバンドパスフィルタBP5が前置接続されている。さらにそれらには制御増幅器AGC2が前置接続されている。
【0031】
別のバンドパスフィルタBP4を介して第2の混合器M2が接続されており、これは局部発振器周波数を利用して送信中間周波数を混合し、そのつど望まれる送信周波数を形成する。第1のスイッチSW1は、2で分周を行う分周器V5を介して第2の混合器M2へ供給される発振器周波数を、第1の局部発振器LO1と別の局部発振器LO1′との間で切り替えることができる。第2の混合器M2には第3の混合器M3,M3′が前置接続されており、これらの混合器はディジタル/アナログ変換器DA,DA′とローパスフィルタTP3,TP3′において準備された信号を第2の局所発振器LO2を用いて混合して高め、送信中間周波数を形成する。第2の混合器M2と第3の混合器M3との間の送信中間周波経路TIには増幅器V4、バンドパスフィルタBP3、ならびに制御増幅器AGC1が設けられている。局部発振器LO1,LO1′,LO2は、それぞれ1つの位相制御回路PLL1,PLL1′,PLL2ならびに電圧制御発振器VCO,VCO1′,VCO2を有している。
【0032】
図2による送受信ユニットの回路構成によって、一定のデュプレックス周波数による周波数デュプレックス、可変のデュプレックス周波数による周波数デュプレックスならびに時分割デュプレックスが実現される。UMTSシステムにおいてたとえば15MHzという僅かな帯域幅がネットワーク業者に与えられている場合、本発明による送受信ユニットによればエネルギーを節約するかたちで可変のデュプレックス周波数によるFDD動作を、第1および第2の混合器M1,M2に接続されているただ1つの第1の局部発振器LO1を用いるだけで行うことができる。また、既述の回路構成によって高い密度の集積が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による送受信ユニットの簡略化されたブロック図である。
【図2】本発明による送受信ユニットの第2の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
DE 送受信ユニット
R 受信分岐
LNA プリアンプ
M1,M2 混合器
RI 受信中間周波数経路
DM1,DM2 ディジタル混合器
XO 基準発振器
LO1,LO1′,LO2 局部発振器
PA 送信増幅器
Claims (6)
- 時分割多重デュプレックス、一定の周波数をもつ周波数デュプレックスおよび可変の周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作を有する送受信ユニットにおいて、
デュプレックスユニット(DE)が設けられており、該デュプレックスユニット(DE)はアンテナ(A)に接続可能であって送信分岐(T)を受信分岐(R)と分離し、
第1の混合器(M1)が設けられており、該第1の混合器(M1)は、入力側で受信分岐(R)と接続され、かつ第1の局部発振器(LO1)と接続され、出力側で受信中間周波経路(RI)と接続されており、
第2の混合器(M2)が設けられており、該第2の混合器は出力側で送信分岐(T)と接続され、入力側で送信中間周波経路(TI)と接続されており、
時分割多重デュプレックス、一定の周波数をもつ周波数デュプレックスおよび可変の周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作のために、前記受信中間周波経路(RI)の中間周波数は0〜0.5MHzの範囲内にあり、前記送信中間周波経路(TI)の中間周波数は180MHz〜200MHzの範囲内にあり、
前記第2の混合器(M2)に第1の切替スイッチ(SW1)が接続されており、該第1の切替スイッチ(SW1)は前記第1の局部発振器(LO1)および別の局部発振器(LO1′)と接続されており、前記可変のデュプレックス周波数をもつ周波数デュプレックスによる動作のために、前記第2の混合器(M2)は前記第1の切替スイッチ(SW1)を介して前記別の局部発振器(LO1′)と接続されることを特徴とする、
送受信ユニット。 - 送信中間周波数経路(TI)の中間周波数は180MHzまたは185MHzまたは189.6MHzまたは189.8MHzまたは190MHzまたは190.2MHzまたは190.4MHzまたは195MHzまたは200MHzである、請求項1記載の送受信ユニット。
- 第2の混合器(M2)に第3の混合器(M3)が接続されており、該第3の混合器(M3)はディジタル/アナログコンバータ(DA)および第2の局部発振器(LO2)と接続されている、請求項1または2記載の送受信ユニット。
- 前記局部発振器(LO1,LO1′,LO2)はそれぞれ1つの電圧制御発振器(VCO1,VCO1′,VCO2)および位相制御回路(PLL1,PLL1′,PLL2)を有している、請求項1から3のいずれか1項記載の送受信ユニット。
- 両方の中間周波経路(TI,RI)はベースバンドユニットに接続されており、該ベースバンドユニットはディジタル混合器を有しており、該ディジタル混合器は200KHzのステップでずらすことができる、請求項1から4のいずれか1項記載の送受信ユニット。
- 送受信ユニットはUMTSトランシーバであり、該UMTSトランシーバのデュプレックスユニット(DE)は周波数分波器(DUP)および第2のスイッチ(SW2)を有している、請求項1から5のいずれか1項記載の送受信ユニット。
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