(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ダイレクトコンバージョン方式の無線機において搬送波の周波数を下げることなく動作周波数を下げ、消費電力を低減することにある。【解決手段】    本発明は、方形波信号を生成する位相同期回路と、前記方形波信号と送信データを乗算する乗算器と、前記乗算された信号を送信波として出力する送信アンテナと、前記方形波の高周波成分を前記送信波とするように、前記位相同期回路の動作周波数を設定するＰＬＬ周波数設定部を備えることを特徴とする。【効果】本発明を用いることにより、ダイレクトコンバージョン方式の無線機において搬送波の周波数を下げることなく動作周波数を下げ、消費電力を低減できる。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方形波信号を生成する位相同期回路と、
前記方形波信号と送信データを乗算する乗算器と、
前記乗算された信号を送信波として出力する送信アンテナと、
前記方形波の高周波成分を前記送信波とするように、前記位相同期回路の動作周波数を設定するＰＬＬ周波数設定部を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
請求項１の無線通信システムにおいて、前記位相同期回路の動作周波数に基づいてサンプリング周波数を設定するアナログデジタル変換器を持つ受信機を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
方形波信号を生成する位相同期回路と、
前記方形波信号と送信データを乗算する乗算器と、
前記乗算された信号を送信波として出力する送信アンテナと、
前記位相同期回路の動作周波数に基づいてサンプリング周波数を設定するアナログデジタル変換器と、
前記アナログデジタル変換器から入力された受信データに基づき、通信状況を判定する通信状況判定部と、
前記通信状況に基づき、前記方形波の高周波成分を前記送信波とするように、前記位相同期回路の動作周波数を設定するＰＬＬ周波数設定部とを備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項３の無線通信システムにおいて、前記ＰＬＬ周波数設定部は前記方形波のデューティー比も設定可能とすることを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項４の無線通信システムにおいて、前記ＰＬＬ周波数設定部は電力増幅器の増幅率も可変とすることを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許第４６３０９９０号公報（特許文献１）がある。この公報には、「通信相手に送信すべき信号を中間周波数帯に変調した中間周波数帯変調信号と局部発振信号のハーモニクス成分とを乗積することにより生成した無線変調信号を送信し、記通信相手から受信した受信信号から周波数Ｎ・ｆの局部発振信号成分と無線変調信号成分とを帯域分離し、分離した局部発振信号成分を周波数ｆに分周することにより上記局部発振信号を生成し、分離した無線変調信号と生成した局部発振信号を乗積することによりこれを中間周波数帯へダウンコンバートする。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６３０９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、局部発信器から出力された信号のハーモニクスを用いて通信する方法が記載されている。しかしこの方法では局部発振器の周波数は固定されており、発信器から直接搬送波を生成するダイレクトコンバージョン方式の無線機では周波数が高いため消費電力も高くなってしまう。
【０００５】
本発明の目的は、ダイレクトコンバージョン方式の無線機において搬送波の周波数を下げることなく動作周波数を下げ、消費電力を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、方形波信号を生成する位相同期回路と、前記方形波信号と送信データを乗算する乗算器と、前記乗算された信号を送信波として出力する送信アンテナと、前記方形波の高周波成分を前記送信波とするように、前記位相同期回路の動作周波数を設定するＰＬＬ周波数設定部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明を用いることにより、ダイレクトコンバージョン方式の無線機において搬送波の周波数を下げることなく動作周波数を下げ、消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ＰＬＬの周波数を外部から設定できる無線機の例である。
【図２】通信に３倍波、５倍波を用いる場合のスペクトルの例である。
【図３】送信機のＰＬＬの周波数、受信機のＡＤＣのサンプリング周波数を外部から設定できる無線機の例である。
【図４】送信機のＰＬＬの周波数、受信機のＡＤＣのサンプリング周波数を自動的に決定する無線機の例である。
【図５】ＰＬＬの出力信号を表す数式である。
【図６】送信機のＰＬＬの周波数、受信機のＡＤＣのサンプリング周波数、ＶＧＡの増復率を自動的に決定する無線機の例である。
【図７】周波数を自動決定する際のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本実施例の構成図の例である。無線の送信信号はデジタル回路１０１（例えばＦＰＧＡ）内部で生成される。送信データ１０３は位相同期回路（Phase Locked Loop, PLL）１０８で生成された方形波信号と乗算器１０４で乗算される。乗算された信号はデジタル回路１０１から出力され、フィルタ１０７で帯域制限された後アンテナ１０６から送信される。フィルタには送信信号の周波数以外の周波数を遮断するバンドパスフィルタを用いる。例えば送信波として周波数４００ＭＨｚの電波を使用する場合、４００ＭＨｚの周波数を通過させるバンドパスフィルタを用いる。
【００１１】
ＰＬＬ１０８の動作周波数は無線機外部の装置（例えばＰＣの様な制御装置）にあるＰＬＬ周波数設定部１０２により設定される。ＰＬＬの動作周波数は、外部環境や要求消費電力等により設定される。通信経路の見通しが悪く強い送信出力が必要な場合や、消費電力の制限がない場合にはＰＬＬは送信波と同じ周波数の方形波を出力するよう設定される。一方で通信環境の状態が良い場合には、方形波の高周波成分を送信波として用いることで、デジタル回路の動作周波数を低減し、消費電力を下げることが可能である。
【００１２】
図２に高周波成分を使用する場合のスペクトルを示す。この例では搬送波の周波数として４００ＭＨｚを用いている。例えば３倍波を送信波として使用する場合には、ＰＬＬの動作周波数は１３３ＭＨｚに設定する。また、５倍波を使用する場合には動作周波数として８０ＭＨｚを設定する。これにより送信電圧は１/3,1/5に低下するが消費電力を低減することが可能となる。
【実施例２】
【００１３】
本実施例は、実施例１の無線通信システムにおいて送信機だけでなく受信機のサンプリング周波数も可変とする例である。図３は本実施例の構成図である。
【００１４】
無線の送信信号が生成される過程は実施例１と同様である。
【００１５】
受信信号は受信アンテナ３１１で受信される。受信された信号は、アナログデジタル変換器(Analog Digital Converter, ADC)３１０でサンプリングされ、デジタル信号に変換され、デジタル回路３０１に入力される。入力された信号はデジタル回路３０１内部の復調部３０７で復調され、受信データ３０６となる。
【００１６】
ＡＤＣ３０１で受信信号をサンプリングする際、通常はナイキストの定理により搬送波の周波数の２倍以上のサンプリング周波数にする必要がある。しかし、サンプリング速度を高速にすると、ＡＤＣから信号を受けとるデジタル回路の動作周波数も高くする必要が生じる。
【００１７】
そのため本実施例では、送信部で動作周波数を低下させた場合、それに合わせて受信部の動作周波数も低下させるためアンダーサンプリングの手法を用いる。具体的には、位相同期回路３０５の動作周波数がアナログデジタル変換器３１０に入力される。そして、アナログデジタル変換器３１０は、位相同期回路３０５の動作周波数に基づいて、サンプリング周波数を設定する。
【００１８】
例えば実施例１にあるように、使用する搬送波の周波数を４００ＭＨｚ、ＰＬＬの周波数を３倍波を使う場合の１３３ＭＨｚとする。そのときＡＤＣのサンプリング周波数を２６７ＭＨｚに設定することで４００ＭＨｚの受信波から送信信号と同じ１３３ＭＨｚの成分を取得することができる。この信号を用いて復調することで、低い動作周波数で受信信号処理が可能となり、送受信共に消費電力を低減できる。
【実施例３】
【００１９】
本実施例では、実施例２の無線通信システムにおいて、ＰＬＬの出力周波数を外部から設定するのではなく、受信信号を元に自動的に設定する機構を用いた例である。図４は本実施例の構成図である。
【００２０】
送信信号はデジタル回路４０１の内部で生成される。送信データ４０２は乗算器４０３でＰＬＬ４０５から出力される方形波と乗算され、デジタル回路４０１から出力される。出力された信号はフィルタ４０９で帯域制限された後、送信アンテナ４１０から送信される。
【００２１】
受信信号は受信アンテナ４１２で受信され、ＡＤＣ４１１でサンプリングされデジタル信号に変換され、デジタル回路４０１に入力される。ＡＤＣ４１１のサンプリング周波数はＰＬＬ４０５により設定される。受信された信号は復調部４０８で復調され、受信データ４０７となる。
【００２２】
ＰＬＬ４０５の出力周波数は、通信状況判定部４０６による通信状況に基づきＰＬＬ周波数設定部４０４で決定される。なお、通信状況判定部４０６は、復調部４０８から入力された受信データに基づき、通信状況を判定する。図７に通信状況判定のフローチャートを示す。
【００２３】
まずＰＬＬ４０５の周波数を初期値に設定する。本実施例では無線通信に４００ＭＨｚの電波を用いるとし、初期値として３倍波を使う１３３ＭＨｚを設定する。周波数を保存するための変数ｆを０で初期化しておく。通信状況を判定するためにはパイロット信号を用いる。パイロット信号は送信側、受信側の無線機が共有している信号であり、これを復調することでビットエラー率(Bit Error Rate, BER)が計算できる。パイロット信号によって計算されたＢＥＲとシステムが要求するＢＥＲを比較する。ＢＥＲが規定を満足していれば、通信環境は良好であるということなので、変数ｆに現在の周波数１３３ＭＨｚを代入し、使用する周波数を下げる。本実施例の場合であれば、５倍波を使う場合の８０ＭＨｚに周波数を設定する。そして再びＢＥＲを計算し、規定と比較する。もし規定を満足していなければ、周波数が低すぎるということである。ｆに周波数が代入されていない、即ち０であれば使用する周波数を引き上げて再びＢＥＲの計算に戻る。もしｆに周波数が代入されていれば、その値がＢＥＲの規定を満たす最小の周波数となるのでその値に周波数を固定し、パイロット信号を停止する。これによりＢＥＲの規定を満たすという条件の下、消費電力を最小とする周波数を決定できる。
【００２４】
本実施例を用いて、自動的に周波数を設定することで通信環境に変化があった場合でも速やかに周波数を最適化し、システム全体の消費電力を低減できる。
【実施例４】
【００２５】
本実施例は、実施例１においてＰＬＬから出力される方形波の周波数だけでなく、デューティー比も設定する例である。方形波のデューティー比とは、方形波の１周期の中で信号が正(あるいは１)となる時間と負（あるいは０）の時間の比のことである。
【００２６】
いまデューティー比をｚ(0＜z≦1)とすると、方形波f(x)は図５中の式５０１で表される。このf(x)をフーリエ変換すると式５０２となる。定数項(2z-1)と係数2/πは後調整可能であるため無視すると、この方形波に含まれるn倍波成分の信号強度は式５０３となる。
【００２７】
送信信号として３倍波成分を使用する、即ちn=3の場合、z=1/2,1/6で式503は最大値4/9となる。z=1/2の時は実施例１と同じとなる。この時１倍波の成分の信号強度は4となる。一方でz=1/6の場合、１倍波の成分の信号強度は１である。よってz=1/2とz=1/6の場合を比較したとき、z=1/6の方が１倍波の成分が小さく増幅器の飽和等を考慮すると同じPLLの動作周波数でより強い電波を送信できる。
【００２８】
また、z=1/4とした場合２倍波の成分が存在する。これにより実施例１では使用できなかった偶数倍成分の周波数を用いた通信が可能となり、実施例１に比べて選択肢が増え最適な消費電力を実現可能である。
【実施例５】
【００２９】
本実施例は実施例４において、ＰＬＬの周波数、デューティー比だけではなく増幅器の増幅率も可変とした場合の例である。図６は本実施例の構成図である。
【００３０】
送信信号はデジタル回路６０１の内部で生成される。送信データ６０２は乗算器６０３でＰＬＬ６０５から出力される方形波と乗算され、デジタル回路６０１から出力される。出力された信号は増幅率可変増幅器(Variable Gain Amplifier, VGA)６１３で増幅され、フィルタ６０９で帯域制限された後、送信アンテナ６１０から送信される。
【００３１】
受信信号は受信アンテナ６１２で受信され、ＶＧＡ６１４で増幅される。その後ＡＤＣ６１１でサンプリングされデジタル信号になり、デジタル回路６０１に入力される。ＡＤＣ６１１のサンプリング周波数はＰＬＬ６０５により設定される。受信された信号は復調部６０８で復調され、受信データ６０７となる。
【００３２】
スペクトル決定部６０４では通信状況判定部６０６での通信状況の判定結果に応じてＰＬＬ６０５の周波数、デューティー比、ＶＧＡ６１３、６１４の増幅率が決定される。通信状況判定部では実施例３と同様にＢＥＲが計算され、スペクトル決定部６０４で最適な値が探索的に決定される。
【００３３】
例えばデジタル回路の動作周波数に対する消費電力をP(x)、ＶＧＡの増幅率に対する消費電力をQ(y)とする。また、搬送波の周波数をfとする。いまｎ倍波を用いてＶＧＡの増幅率をαとすると出力電圧はα/nとなる。またm倍波を用いてＶＧＡの増幅率をα・m/nとすると出力電圧は同じα/nとなる。そこでP(f/n)+Q(α)とP(f/m)+Q(α・m/n)を比較することで、同じ出力電圧においてもより消費電力の少ないパラメータを決定することができる。
【００３４】
実施例３で周波数を変更しながら最適な値を探索したのと同様に、周波数、デューティー比、増幅率を変更しながら探索することにより、ＢＥＲの規定値を満たした上で消費電力P(x)+Q(y)が最小となる組み合わせを使用することができる。
【００３５】
本実施例により、ＰＬＬのみを可変とした場合と比較し更に消費電力を低減できるシステムが構築可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  デジタル回路
１０２  ＰＬＬ周波数設定部
１０３  送信データ
１０４  乗算器
１０６  送信アンテナ
１０７  フィルタ
１０８  ＰＬＬ
３０１  デジタル回路
３０２  ＰＬＬ周波数設定部
３０３  送信データ
３０４  乗算器
３０５  ＰＬＬ
３０６  受信データ
３０７  復調部
３０８  フィルタ
３０９  送信アンテナ
３１０  ＡＤＣ
３１１  受信アンテナ
４０１  デジタル回路
４０２  送信データ
４０３  乗算器
４０４  ＰＬＬ周波数設定部
４０５  ＰＬＬ
４０６  通信状況判定部
４０７  受信データ
４０８  復調部
４０９  フィルタ
４１０  送信アンテナ
４１１  ＡＤＣ
４１２  受信アンテナ
５０１  デューティー比ｚの方形波
５０２  方形波のフーリエ級数展開
５０３  ｎ倍波の信号強度
６０１  デジタル回路
６０２  送信データ
６０３  乗算器
６０４  スペクトル決定部
６０５  ＰＬＬ
６０６  通信状況判定部
６０７  受信データ
６０８  復調部
６０９  フィルタ
６１０  送信アンテナ
６１１  ＡＤＣ
６１２  受信アンテナ
６１３  ＶＧＡ
６１４  ＶＧＡ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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